Способ аналого-цифровой обработки сигнала связи
METHOD FOR ANALOG-TO-DIGITAL SIGNAL PROCESSING

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к способам приема сигналов сотовой связи, в частности для стандарта МАКВИЛ.
Известен способ аналого-цифровой обработки сигнала связи, заключающийся в том, что после приема антенной, усиления и переноса на видеочастоту последовательно осуществляют защиту аналогового сигнала от наложения спектров, дискретизацию, аналого-цифровое преобразование и фильтрацию с помощью цифрового фильтра [1].
Известный способ может быть реализован с помощью устройства, показанного на Фиг. 1. Устройство содержит последовательно соединенные приемный блок 1, снабженный приемной антенной 2, фильтр 3 защиты от наложения спектров, блок 4 дискретизации, аналого-цифровой преобразователь 5 цифровой фильтр 6.
На Фиг. 2 представлены графики преобразования спектров известного технического решения.
d
N
N
d
d
N
N
После приема антенной 2, усиления в малошумящем усилителе и переноса на видеочастоту в приемном тракте 1 формируется низкочастотная смесь, состоящая из полезного сигнала, шума и помех, которые изначально присутствуют в непосредственной окрестности сигнального радиоспектра, как показано в верхней правой части Фиг. 2. Указанная смесь подается на вход фильтра 3 защиты от наложения спектров (anti-aliasing filter). Это аналоговый фильтр достаточно простой технологической конструкции, который осуществляет подавление компонент шума и помех, располагающихся в диапазоне частот от (2πF - Ω) и выше, где Ω - видеополоса полезного сигнала, F - частота операции дискретизации, выполняемой в блоке 4 дискретизации. Необходимость операции защиты от наложения спектров объясняется тем, что при выполнении дискретизации все спектральные области, отстоящие друг от друга по частоте на n⋅F, где n=1, 2, 3, …, накладываются друг на друга в низкочастотной части спектра. Это происходит потому, что гармоники, формирующие на периоде дискретизации набег фазы кратный 2π, становятся неразличимыми после операции дискретизации. Применение фильтра защиты от наложения спектров перед операцией дискретизации позволяет подавить в аналоговом сигнале такие нежелательные спектральные компоненты. Но при этом к указанному фильтру 3 защиты от наложения спектров предъявляется дополнительное требование иметь малые искажения характеристик АЧХ (амплитудно-частотная) и ФЧХ (фазо-частотная) в низкочастотной части спектра [0, Ω], содержащей полезный сигнал. Например в [1], для обеспечения указанного требования предписывается устанавливать полосу пропускания фильтра борьбы с наложением спектров, называемым как ВВ-фильтр, в 1.4 раза больше чем рабочая полоса Ω. Традиционно допускаются искажения от фильтра наложения спектров в пределах ±1 дБ для АЧХ и от ±5° до ±30° (в зависимости от закона модуляции принимаемого сигнала) для ФЧХ. Это обеспечивает принцип модульности при построении аппаратуры приемного тракта, так как позволяет считать независимой работу (и независимо производить настройки параметров) фильтра защиты от наложения спектров и цифрового фильтра (например, FIR), который показан последним в левой нижней части Фиг. 2.
Фильтр борьбы с наложением спектров, применяемый в абонентских устройствах систем подвижной радиосвязи, является достаточно простым аналоговым устройством. Это обеспечивает требования на малые массогабаритные характеристики и низкую стоимость. Поэтому фильтр борьбы с наложением спектров не обладает высокими показателями по параметру прямоугольности АЧХ, как показано в верхней левой части Фиг. 2 штриховой характеристикой.
Реализация функции подавления помех, расположенных в непосредственной близости от полосы полезного сигнала, полностью возлагается на цифровой фильтр 6 (показан последним в левой нижней части Фиг. 2).
При такой традиционной организации фильтрации в приемном тракте 1 возникает спектральная область, уязвимая для воздействия помех. Так, если помеха в спектральной области располагается в непосредственной близости от края рабочей полосы сигнала, как показано на верхней диаграмме в правой части Фиг. 2, то она проходит через фильтр борьбы с наложением спектров без подавления или с незначительным подавлением. Далее, проходя через операцию дискретизации помеха попадает на вход АЦП, работу которого она может блокировать при условии достаточной собственной мощности. Это показано на нижней диаграмме справа на Фиг. 2. В результате работа цифрового фильтра и всех последующих цифровых операций оказывается полностью нарушенной.
Таким образом, недостатком известного способа является низкая помехозащищенность.
Техническим результатом предлагаемого решения является повышение помехозащищенности.
N
N
N
Заявленный технический результат достигается тем, что в способе аналого-цифровой обработки сигнала связи, заключающемся в том, что после приема антенной, усиления и переноса на видеочастоту последовательно осуществляют защиту аналогового сигнала от наложения спектров, дискретизацию, аналого-цифровое преобразование, и фильтрацию с помощью цифрового фильтра, согласно изобретению заужают полосу пропускания аналогового фильтра защиты от наложения спектров до пределов от 0.5 Ω до 1.0 Ω, где Ω - видеополоса полезного сигнала, а весовые коэффициенты цифрового фильтра подбирают так, чтобы скорректировать искажения, возникающие при применении зауженной полосы пропускания аналогового фильтра защиты от наложения спектров, и одновременно осуществляют настройку коэффициентов цифрового фильтра до обеспечения заданных показателей крутизны скатов амплитудно-частотной характеристики на границе рабочих частот и уровня подавления помех в ближней спектральной зоне, примыкающей к области скатов.
Предлагаемый способ также может быть реализован с помощью устройства, представленного на Фиг. 1. На Фиг. 3 представлены графики преобразования спектров, присущие предлагаемому способу. На Фиг. 4 показаны амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) (по основной оси в дБ) и фазово-частотная характеристика (ФЧХ) (по вспомогательной оси в °) фильтра Баттерворта 3-го порядка с полосой пропускания 1 МГц, используемого в [1] для борьбы с наложением спектров. На Фиг. 5 показаны корректирующие АЧХ и ФЧХ, которые в идеале должны обеспечиваться цифровым фильтром в полосе 1.5 МГц, корректирующим искажения фильтра борьбы с наложением спектров, имеющим зауженную полосу 1 МГц. На Фиг. 6 показаны результирующие характеристики для АЧХ комбинации из фильтра борьбы с наложением спектров (с полосой 1 МГц) и настраиваемого цифрового фильтра (с полосой 1.5 МГц). На Фиг. 7 представлена таблица с весовыми коэффициентами для цифрового FIR-фильтра на 128 отводов (используется в [1]), осуществляющего частотную селекцию в полосе 1.5 МГц с одновременной коррекцией искажений, производимых фильтром борьбы с наложением спектров с полосой 1 МГц, на Фиг. 8 показаны расчетные характеристики зависимости мощности помех блокировки АЦП от показателя потери чувствительности для случая использования в качестве фильтра борьбы с наложением спектров фильтра Баттерворта (или Чебышева I-го рода) 3-го порядка.
Устройство аналого-цифровой обработки сигнала связи содержит последовательно соединенные приемный блок 1, снабженный приемной антенной 2, фильтр 3 защиты от наложения спектров, блок 4 дискретизации, аналого-цифровой преобразователь 5 и цифровой фильтр 6.
Способ аналого-цифровой обработки сигнала связи реализуется следующим образом.
После приема антенной 2, усиления в малошумящем усилителе и переноса на видеочастоту в приемном тракте 1 формируется низкочастотная смесь, состоящая из полезного сигнала, шума и помех, которые изначально присутствуют в непосредственной окрестности сигнального радиоспектра.
c
aa
c
c
c
a
a
a
Аналоговый сигнал x(t), где с - обозначает признак «непрерывный» (continuous), t - время, с приемного блока 1 поступает на вход фильтра 3 защиты от наложения спектров. H(jΩ) - обозначает спектральную характеристику фильтра борьбы с наложением спектров, аа - английская абревиатура названия такого фильтра «anti aliasing", j - мнимая единица, Ω - аргумент круговой частоты спектральной характеристики, x(jΩ) - спектр сигнала x(t), Ω - частотная граница области скатов фильтра борьбы с наложением спектров. На выходе фильтра 3 борьбы с наложением спектров формируется сигнал x(t), который поступает на вход блока 4 дискретизации. Индекс а обозначает, что сигнал сформирован после прохождения через «anti aliasing» фильтр. x(jΩ) - спектр сигнала x(t).
0
0
0
Если на входе приемника присутствует мощная помеха, расположенная в близкой окрестности к рабочему частотному диапазону, то она практически без подавления через блок 4 дискретизации поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 5. Сигнал, формируемый на выходе блока дискретизации обозначен как x(t). Индекс 0 - обозначает, что это входной сигнал для последующих операций цифрового преобразования. x(jΩ) - спектр сигнала x(t).
С выхода аналого-цифрового преобразователя 5 сигнал  поступает на вход цифрового фильтра 6. Индекс [n] обозначает, что сигнал представляет собой последовательность оцифрованных данных (натуральных чисел). Знак ^ показывает, что при оцифровке производится округление данных до целых значений.
В качестве цифрового фильтра 6 может быть использован FIR-фильтр (фильтр с конечной импульсной характеристикой), например, как в [1].
d
С выхода цифрового фильтра 6 сигнал x(t) поступает на блоки дальнейшей цифровой обработки. Индекс d обозначает, что это оцифрованный (digital) сигнал.
N
N
N
N
B
d
B
B
N
Для борьбы с указанным негативным явлением - блокировкой работы аналого-цифрового преобразователя 5 помехами высокой мощности - в изобретении предлагается отказаться от принципа модульности построения в части, охватывающей фильтр 3 защиты от наложения спектров и цифровой фильтр 6. При этом полосу фильтра 3 защиты от наложения спектров предлагается установить меньше видеополосы Ω полезного сигнала - в пределах от 0,5 Ω до 1,0 Ω, как показано на первой сверху диаграмме справа на Фиг. 3. Настройку параметров цифрового фильтра 6 при этом производить с учетом необходимой коррекции искажений АЧХ, ФЧХ, возникающих из-за сужения полосы пропускания у фильтра борьбы с наложением спектров, что показано на второй, третьей и четвертой сверху диаграммах, расположенных в правой части на Фиг. 3. Весовые коэффициенты цифрового фильтра можно настраивать с помощью известных адаптивных алгоритмов, например, покомпонентного перебора: Гаусса-Зейделя [2], Бокса-Уилсона [2] или градиентных: наискорейшего спуска [3], Кифера-Вольфовица [3]. В качестве целевой функции при этом следует использовать максимальное отклонение характеристики АЧХ от уровня 1 в области рабочих частот [0, Ω] и от уровня О в заградительной полосе [Ω, πF], где Ω (Ω>Ω) - нижняя граница заградительной полосы, начинающейся сразу за областью скатов характеристики АЧХ фильтрующей системы, содержащей фильтр 3 защиты от наложения спектров и цифровой фильтр 6.
N
N
Экспериментальная проверка показала, что при 128 весовых коэффициентах цифрового фильтра (например, как установлено в [1]) в подавляющем большинстве практических ситуаций оказывается возможным компенсировать искажения в рабочей полосе сигнала, возникающие при применении фильтра защиты от наложением спектров с зауженной полосой, при которой на границе рабочих частот наблюдается подавление в пределах до 10 дБ - 15 дБ. Реально это соответствует полосе пропускания фильтра защиты от наложения спектров в пределах от 0,5 Ω до 1,0 Ω. При этом уровень помехи, способной блокировать работу аналого-цифрового преобразователя 5, оказывается, по крайней мере, на указанные 10 дБ - 15дБ выше. Если же наблюдается некоторая отстройка мощной помехи от границы рабочих частот, то, из-за прогрессивного возрастания подавления в фильтре 3 защиты от наложения спектров (на Фиг. 1), запас по устойчивости к блокировкам будет еще выше.
Но при расчете параметров фильтрующей системы нужно учитывать и то, что при коррекции искажений цифровым фильтром 6 возрастает эффективный уровень шумов дискретизации. Это приводит к понижению показателя чувствительности приема, главным образом при работе на частотах на краю рабочего диапазона. Покажем на примере, как можно учесть указанный фактор. Для конкретности будем ориентироваться на чип AD9361 [1], используемый в абонентской аппаратуре системы широкополосного доступа МАКВИЛ. В указанном чипе фильтр защиты от наложения спектров реализован на базе настраиваемого фильтра низких частот Баттерворта 3-го порядка, цифровая фильтрация осуществляется FIR-фильтром со 128 отводами, АЦП имеет 12 разрядов.
Пусть:
1) FSR (Full Scale Range) - максимальный уровень сигнала на входе приемного тракта, который способно оцифровать схема АЦП. Возьмем - 43 дБм;
d
2) n - разрядность АЦП. Возьмем 12-разрядное АЦП со знаком;
d
3) F- частота дискретизации. Возьмем 8 МГц;
s
N
4) F=2Ω/2π - радиополоса сигнала. Возьмем 3МГц;
aa
aa
5) F=Ω/2π - полоса пропускания фильтра борьбы с наложением спектров. Возьмем 1 МГц;
aa
N
6) K - уровень подавления на частоте Ω фильтра борьбы с наложением спектров. Возьмем порядка - 11 дБ;
b
7) n - порядок фильтра Баттерворта (или Чебышева I-го рода), используемого в качестве фильтра борьбы с наложением спектров. Возьмем равным 3;
J
J
N
J
8) F=(1+ƒ) (Ω/2π) - частотная отстройка помехи от несущей сигнала. Возьмем F=1.8 МГц;
9) Nƒ (Noise Figure) - шум-фактор, параметр задающий эффективное увеличение мощности собственных шумов в рабочей полосе по сравнению с идеальным случаем. Возьмем 5 дБ;
n
10) Tr - допустимый уровень снижения чувствительности на крайних частотах рабочего диапазона. Возьмем - 1дБ.
Формула для расчета уровня шумов дискретизации на краю рабочего диапазона такая:
в расчете на рабочую радиополосу 3 МГц. Собственные тепловые шумы приема в полосе 3 МГц
-23
где k=1.38*10 Дж/К° (постоянная Больцмана), Т - температура окружающей среды в Кельвинах.
Потеря чувствительности при этом составит
что не превосходит принятых допустимыми потерь 1 дБ. Подавление помехи в фильтре борьбы с наложением спектров при этом составит
что в первом приближении определяет показатель повышения устойчивости к блокировкам АЦП мощными помехами, расположенными в окрестности спектра принимаемого сигнала.
На Фиг. 4 показаны АЧХ (по основной оси в дБ) и ФЧХ (по вспомогательной оси в °) фильтра Баттерворта 3-го порядка с полосой пропускания 1 МГц, используемого для борьбы с наложением спектров. На Фиг. 5 показаны корректирующие АЧХ и ФЧХ, которые в идеале должны обеспечиваться цифровым фильтром. На Фиг. 6 показаны результирующие характеристики для АЧХ комбинации из фильтра борьбы с наложением помех и настраиваемого цифрового FIR фильтра с 128 отводами, весовые коэффициенты которого были сформированы прямым перебором по методу крутого восхождения Бокса-Уилсона [2]. Сами весовые коэффициенты приведены в Таблице на Фиг. 7.
s
d
На Фиг. 8 показаны расчетные характеристики зависимости мощности помех блокировки АЦП от потери чувствительности, возникающей при коррекции искажений, производимых фильтром борьбы с наложением спектров с зауженной полосой пропускания (по основной оси). По вспомогательной оси Фиг. 8 показана зауженная полоса фильтра борьбы с наложением спектров, при которой возникают потери чувствительности, значения которых даны на горизонтальной оси. Данные Фиг. 8 рассчитаны для случая радиополосы сигнала F=3 МГц, FSR=-43 дБм, частоты дискретизации F=8 МГц, 12-ти разрядной схемы АЦП, Nƒ=5 дБ, температуры окружающей среды T=300°К и фильтра борьбы с наложением спектров вида Баттерворта (или Чебышева I-го рода) 3-го порядка. Для рассмотренного выше примера подавление сигнала фильтром борьбы с наложением спектров на граничных частотах, рассчитывается по формуле
aa
что практически совпадает с заданным выше в п. 6 параметром K.
Таким образом достигается заявленный положительный эффект, заключающийся в повышении помехозащищенности аналого-цифровой обработки сигналов.
Из приведенного выше примера следует, что аналого-цифровая обработка сигнала при использовании предложенного способа обработки обеспечивает устойчивость к блокировкам мощными помехами с уровнями на 10.9 дБ большими при непосредственном примыкании спектра помех к рабочей полосе сигнала и на 15.4 дБ большими при отстройках спектра помех от края рабочей полосы сигнала на величину 20% от полосы сигнала.
ИСТОЧНИКИ, ПРИНЯТЫЕ ВО ВНИМАНИЕ
[1] AD9361 Reference Manual UG-570 (название с интернета 14.03.2022)/ Analog Devices, One Technology Way • P.O. Box 9106 • Norwood, MA 02062-9106, U.S.A, 2014-2015 - 128 p.
[2] Горгадзе С.Ф., Бокк Г.О. Планирование и обработка результатов эксперимента в радиотехнике и инфокоммуникационных системах/ М.: Горячая линия - Телеком, 2018.- 132 с.
[3] Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов/ М.: Радио и связь, 1989.-440 с.