Адаптивный компенсатор помех

Адаптивный компенсатор помех.
Полезная модель относится к радиосвязи, в частности, к приемным устройствам с управляемой диаграммой направленности антенны.
Известны компенсаторы помех, в которых для подавления помехи используется весовое суммирование колебаний (сигнала и помехи), приходящих с различных направлений. Например, в книге «Адаптивная компенсация помех в каналах связи под редакцией Ю.И.Лосева, М., «Радио и связь, 1988г., стр.22 описан адаптивный компенсатор помех, в котором реализован градиентный метод формирования весовых коэффициентов приемной антенной решетки.
Существенным недостатком этого компенсатора является зависимость скорости сходимости весовых коэффициентов алгоритма от мощности приходящих сигналов (чем меньще уровень сигнала, тем меньше скорость сходимости), что при наличии быстрых замираний (фединга) в канале распространения не позволяет обеспечить требуемую величину подавления помехи.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является компенсатор, описанный в патенте РФ №2115233 (Б. И. №19 за 1998 год), принятый за прототип.
На фиг. 1 приведена структурная схема компенсатора-прототипа, где обозначено:
1, 2 и 5- нормирующие усилите.1ш;
6- усилитель-инвертор;
4, 7 и 8- корреляционные (квадратурные) фильтры ;
10-амплитудный ограничитель;
На фиг. 2 изображена схема корреляционного фильтра, где обозначено: 1 - фазовращатель на 90, 2, 4,5 и 7- перемножители, 3 и 6 интеграторы, 8 - сумматор.
напряжения, которые имеют высокую корреляцию с напряжением, поданным на вход фильтра. Это производится путем суммирования квадратурных компонент опорного напряжения с весовыми коэффициентами, равными величине корреляции (значениям взаимных корреляционных функций) компонент входного и опорного напряжений. Эти весовые коэффициенты формируются в корреляторах, состоящих из перемножителей 4 и 7 и интеграторов 3 и 6.
Устройство - прототип работает следующим образом.
На каждый из друх. входов устройства поступает смесь сигнала и помехи, например, от разнесенных в пространстве или по поляризации антенн. Причем их частотные спектры могут существенно перекрываться, но источники должны быть разнесены в пространстве по азимуту. Различие в углах прихода сигнала и помехи приводит к различию разности фаз сигнала и помехи между антеннами, что и обусловливает принципиальную возможность выделения полезного сигнала из входной смеси.
За счет действия отрицательной обратной связи через усилитель-инвертор 6, напряжения на выходе сз матора 3 и на опорном входе корреляционного фильтра 4 оказываются взаимно некоррелированными, а благодаря нормирующим усилителям - еще и с постоянными уровнями. Таким образом, напряжения на опорных входах корреляционных фильтров 7 и 8 являются ортонормированными. Благодаря этому скорость адаптации компенсатора становится постоянной, не зависящей от отношения сигнал/помеха.
Эталонный сигнал формируется на выходе амплитудного ограничителя 10. Разность между выходным и эталонным напряжениями на выходе вычитателя 11 является сигналом ощибки. Этот сигнал поступает на входы корре.ляционных фильтров 7 и 8, на выходах которых формируются смеси сигнала и помехи, сумма которых приближается к форме эталонного сигнала. Таким образом, в процессе адаптации весовые коэффициенты на входах весовых перемножителей 2 и 5 (фиг.2) корреляционных фильтров 7 и 8 (фиг.1) устанавливаются таким образом, чтобы сигнал опшбки имел минимальную величину.
МСШМ
Затем удержание сигнала продолжается и при изменении отношения сигнал/помеха в широком динамическом диапазоне. В соответствии с описанием прототипа его схему можно представить также в виде, изображенном на фиг.З, где обозначено:
1, 2 и 6 - нормирующие усилители, 3 и 10 -сумматоры, 4,8 и 9 - весовые перемножители, 5 и 7 - устройства формирования весовых коэффициентов (УФВК), 10 -вычитатель, 12 - амплитудный ограничитель.
Основным недостатком устройства- прототипа является возможность перезахвата и удержания за помеху, особенно когда помеха также имеет постоянную огибающую (сигналоподобная помеха). Вероятность этого события тем больше, чем меньше пространственные различия (угол прихода) сигнала и помехи.
Для устранения указанного недостатка в устройство, содержащее первый и второй нормируюпще усилители, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами первого компенсатора, содержащего первый и второй весовые перемножители, выходы которых соединены с соответств)ющими входами сумматора, выход которого соединен с входом амплитудного ограничителя, выход которого является первым выходом устройства, при этом первые входы первого и второго весовых перемножителей соединены с первым и вторым входами устройства формирования весовых коэффициентов соответственно и являются первым и вторым входами первого компенсатора, кроме того, первый и второй выходы устройства формирования весовых коэффициентов соединены со вторыми входами первого и второго весовых перемножителей соответственно, при этом третий вход устройства формирования весовых коэффициентов соединен с выходом амплитудного ограничителя, введены второй компенсатор, идентичный первому, последовательно соединенные пороговый блок и коммутатор, а также дополнительный компенсатор. Дополнительный компенсатор содержит первый и второй корреляторы, выходы которых соединены с соответств тощими входами делителя. Первые входы обоих корреляторов, второй вход второго коррелятора и вход усилителя-инвертора соединены и являются опорным входом дополнительного компенсатора, соединенным с первым выходом устройства. Последовательно соединенные усилитель-инвертор, весовой перемножитель и сумматор, второй вход которого соединен со вторым входом первого коррелятора и является основным входом дополнительного компенсатора, соединенным с выходом второго компенсатора и, кроме того, соединен со вторым входом коммутатора, являющимся вторым выходом устройства. Выход делителя соединен со вторым входом весового перемножителя и входом порогового блока. Выход сумматора соединен с третьим входом коммутатора, выход которого соединен с третьим входом устройства формирования весовых коэффициентов второго компенсатора, первый и второй входы которого соединены с выходами первого и второго нормирующих усилителей соответственно.
Сущность заявляемого устройства состоит в реализации дв) выходов, на одном из которых выделяется полезный сигнал, а на втором - помеха. В этом случае при возникновении перезахвата полезный сигнал не подавляется, а просто появляется на другом выходе.
Схема заявляемого устройства приведена на фиг.4, где обозначено:
1 и 2 - нормирующие усилители;
3 и 8 - устройства формирования весовых коэффициентов;
4,5,6,7 и 18 - весовые перемножители;
9,10и19- сумматоры;
11 и 13 - амплитудные ограничители;
12 и 15 - корреляторы;
14 - коммутатор;
16-делитель;
17 - усилитель-инвертор;
20-пороговое устройство.
I - первый (ведущий) компенсатор;
II - второй (ведомый) компенсатор;
III- дополнительный компенсатор.
Предлагаемое устройство содержит первый 1 и второй 2 нормирзтощие усилители, первый ( ведущий ) I, второй ( ведомый ) II и дополнительный Ш компенсаторы, а также последовательно соединенные пороговый блок 20 и коммутатор 14. При этом первый компенсатор I содержит первый 4 и второй 5 весовые перемножители, выходы которых соединены с входами сумматора 9,
выход которого подсоединен к входу амплитудного ограничителя 11, выход которого соединен с третьим входом УФВК 3 и является выходом первого компенсатора I и первым выходом устройства . Оба компенсатора идентичные, причем входы весовых перемножителей 6 и 7 второго компенсатора II соединены с выходами нормирз ющих усилителей 1 и 2.Выход второго компенсатора П является выходом амплитудного ограничителя 13 и основным входом дополнительного компенсатора III.
Дополнительный компенсатор содержит первый 12 и второй 15 корреляторы, первые входы которых и второй вход второго коррелятора 15, а также вход усилителя - инвертора 17 соединены и являются опорным входом, соединенным с выходом первого компенсатора ГКроме того, последовательно соединенные усилитель - инвертор 1, весовой перемножитель 18 и сумматор 19, выход которого соединен со вторым входом коммутатора 14, а его первый вход со вторыми входами первого коррелятора 12, сзпу1матора 19, а также является основным входом дополнительного компенсатора III и вторым выходом устройства.Выходы корреляторов 12 и 15 соединены с соответствующими входами делителя 16, выход которого соединен с входом порогового блока и вторым входом весового перемножителя 18. Выход коммзт атора 14 соединен с третьим входом УФВК 8, являющимся третьим входом второго компенсатора П. Устройство работает следующим образом.
Смеси сигнала и помехи от двух разнесенных антенн поступают через нормирующие усилители 1 и 2, обеспечивающие постоянство мощностей входных колебаний, поступают на входы двух идентичных компенсаторов помех, один из которых является ведущим (I), а другой - ведомым (II).
Первый (ведупщй) компенсатор I содержит весовые перемножители 4 и 5, сумматор 9, УФВК 3 и амплитудный ограничитель 11. Второй (ведомый) II компенсатор содержит весовые перемножители 7 и 6, сз матор 10, УФВК 8 и амплитудный ограничитель 13.
в первом компенсаторе I эталонное колебание формируется из выходного
колебания компенсатора с помощью амплитудного ограничителя 11 и поступает непосредственно в УФВК 3, а во втором II - с помопЦ)Ю амплитудного ограничителя 13 и дополнительного компенсатора III. Этот дополнительный компенсатор П1 содержит корреляторы 12 и 15, делитель 16, усилитель-инвертор 17, перемножитель 18 и сумматор 19. К опорному входу дополнительного компенсатора III подключен выход первого амплитудного ограничителя (первый выход устройства), а к основному - выход второго амплитудного ограничителя (второй выход устройства).
На выходе дополнительного компенсатора (выход сумматора 19) формируется колебание, некоррелированное с колебанием на его опорном входе. Таким образом, если первый и второй компенсаторы захватились за одно и тоже колебание (например, за преобладающую в этот момент помеху) и оно присутствует одновременно на обоих выходах устройства, то на выходе дополнительного компенсатора преобладающий компонент смеси (помеха) подавляется, а выделяется меньщий компонент - в данном случае полезный сигнал. Он и поступает через коммутатор 14 в качестве эталоьшого колебания в УФВК 8 второго компенсатора. В результате на втором выходе устройства через время переходного процесса, определяемого инерционностью корреляторов 12 и 15, появляется полезный сигнал.
Дополнительный компенсатор играет роль своеобразного «выталкивателя эталонного колебания первого компенсатора из эталонного колебания второго компенсатора. Другими словами, выход первого(ведущего) компенсатора I управляет составом колебания на выходе второго (ведомого) компенсатора II с помощью дополнительного компенсатора III.
Однако выход второго (ведомого) компенсатора I не является оптимальным, поскольку в качестве эталонного сигнала в нем используется выходной сигнал дополнительного компенсатора III, который подвержен значительным флукгуациям, вызванным флуктуациями весового коэффициента этого компенсатора. Для устранения этого недостатка в предлагаемое устройство введен коммутатор 14, подключающий к эталонному входу УФВК 3 либо выход дополнительного
пенсатора (в случае захвата первым и вторым компенсатором за один и тот же компо
нент входной смеси), либо выход амплитудного ограничителя 13 (в случае захвата первым и вторым компенсатором за разные компоненты входной смеси). Критерием оценки захвата за разные или за один и тот же компонент является величина функции корреляции между  выходами устройства, которая служит весовым коэффициентом в дополнительном компенсаторе (выход делителя 16). Следовательно, по величине этого коэффициента можно судить о том, какие колебания выделяются на выходах устройства - одинаковые или разные, и в зависимости от этого подключать один или другой эталонные колебания для второго компенсатора.
Если выделяются разные колебания, то среднее значение этого коэффициента равно нулю, однако вследствие ограниченности времени усреднения в корреляторах 12 и 15 его мгновенные значения испытывают флуктуации. Эти флуктуации приводят к искажению эталонного колебания второго компенсатора и, следовательно, к искажению колебаний на втором выходе. В это же время на выходе амплитудного ограничителя 13 с)Ш1ествует более чистое эталонное колебание. Поэтому для исключения указанных флуктуации на эталонный вход устройства формирования весовых коэффициентов 8 с помощью коммутатора 14 подключается выход амплитудного ограничителя 13, при этом управляющим напряжением коммутатора служит выход порогового устройства 20. Первый и второй компенсаторы работают абсолютно независимо до тех пор, пока продолжается выделение на их выходах разных компонент смеси.
По как только на втором выходе устройства начинает появляться то же колебание (например, помеха), что и на первом выходе, величина напряжения (величина функции корреляции) на входе порогового устройство 20 увеличивается, что приводит к его срабатыванию. Управляющее напряжение порогового устройства переключает коммутатор 14 в первоначальное состояние и эталонное колебание будет подаваться с выхода дополнительного компенсатора (выход сумматора 19), заставляя второй компенсатор вернуться к выделению другого компонента смеси (сигнала). После этого коммутатор вновь переключается, подавая в качестве эталона выход амплитудного ограничителя 13.
Реализация фз нкциональных блоков очевидна из их названия, кроме устройства
УФВК.
Оптимальным вариантом построения УФВК является реализация известного алгоритма прямого обращения корреляционной матрицы входных сигналов, описанного, например, в зппЕомянутой выше книге на стр.52. В соответствие с этим алгоритмом вектор весовых коэффициентов компенсатора W, минимизирующий отклонение выходного напряжения от эталонного колебания рассчитывается следующим образом:
W(,(1)
где RXX - корреляционная матрица входных колебаний
рп ,V ЦЦЧ
«  к
V/4i  ЧЦЦ ц и 2У
U, И  напряжения на первом и втором входе компенсатора,  - знак комплексного сопряжения, верхняя черта означает операцию усреднения по времени, осуществляемую с помогцью фильтра нижних частот. об d  (d,d)  (UjZgUjZg)-вектор корреляции эталона с входными сигналами т- знак транспонирования. Элементы вектора весовых коэффициентов рассчитываются следующим разом: Ш   .-04 1  й S     YRK R   2