СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОЦЕНКИ ТЕКУЩЕГО ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ-ШУМ
METHOD AND APPARATUS FOR ESTIMATING CURRENT SIGNAL-NOISE RATIO

Область техники
Изобретение относится к области цифровых систем приема и обработки сигналов и предназначено для оценки текущего значения отношения сигнал-шум.
Уровень техники
Задача оценки текущего отношения сигнал-шум на входе приемного устройства является актуальной для радиосистем связи и локации и поэтому давно является предметом инженерных разработок.
Известны способы и устройства оценки текущего отношения сигнал-шум, описанные, например, в патентах: US 7190741, US 8368593, US 6317456, US 8495480, US 6717976, US 7032160, US 8194558, RU 2332676, RU 2414718, RU 2472167, RU 2429496, RU 2434325, RU 2446448, CN 1661996A, CN 101030787A, CN 101552752B, ЕР 2050214А2, а также: US 20070168407, US 20070168407, US 20110188561, WO 2003085845 и др.
В патенте США US 7190741 описан способ и устройство оценки текущего отношения сигнал-шум для BPSK и QPSK сигналов (Real-Time Signal-to-Noise Ratio (SNR) Estimation for BPSK and QPSK Modulation Using the Active Communication Channel).
Описанное устройство содержит квадратурный смеситель и блок оценки отношения сигнал-шум. Отношение сигнал-шум определяется на основе оценки величины углового колебания вектора, описывающего принимаемый сигнал.
Способ оценки отношения сигнал-шум, описанный в патенте US 6317456, включает операции усреднения, извлечения квадратного корня и деления, выполняемые над квадратурными компонентами принимаемого сигнала.
Однако он предназначен для сигналов с модуляцией OFDM.
В US 20070168407 предложен способ оценки отношения сигнал-шум с использованием фильтров, базирующийся на различии спектров полезного сигнала и помехи и включающий операции фильтрации, возведения в квадрат и усреднения (интегрирования), выполняемые над квадратурными компонентами принимаемого сигнала.
Способ оценки малых значений отношения сигнал-шум с малым смещением, представленный в патенте WO 2003085845, предполагает проведение операций вычисления длины вектора принимаемого сигнала и нахождения ее статистических характеристик, по которым могут быть определено текущее отношение сигнал-шум.
Патент RU 2472167 «Цифровой измеритель мощности сигнала и мощности помехи в полосе пропускания канала радиоприемника в реальном масштабе времени» содержит смеситель, полосовой фильтр, АЦП, перемножители, блоки усреднения, регистры хранения и т.п.Отличительная особенность данного технического решения заключается в том, что реализовано два канала измерения, в первом осуществляется когерентная, а во втором - некогерентная обработка принимаемого сигнала. Однако данное устройство не использует обработку квадратурных компонент принимаемого сигнала.
Наиболее близким к заявленному решению является способ и устройство оценки текущего отношения сигнал-шум для BPSK и QPSK сигналов (Real-Time Signal-to-Noise Ratio (SNR) Estimation for BPSK and QPSK Modulation Using the Active Communication Channel) по патенту США US 7190741, включающее выделение квадратурных компонент комплексной огибающей принимаемого сигнала, вычисление по ним угла отклонения вектора сигнала от синфазной оси и вычисление по статистическим характеристикам этого угла текущего отношения сигнал-шум. Предлагаемое устройство содержит квадратурный смеситель и блоки оценки отношения сигнал-шум. Однако данный способ и устройство дают значительные ошибки в особенности в области малых отношений сигнал-шум, связанные с отличием законов распределения квадратурных компонентов сигнала от гауссового.
Целью заявляемого решения является устранение недостатков известных технических решений.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью заявленного технического решения является повышение точности оценки текущего отношения сигнал-шум за счет обработки квадратурных компонент принимаемого сигнала, имеющих в канале с АБГШ всегда гауссов закон распределения, что позволяет использовать предложенные алгоритмы в более широком диапазоне отношений сигнал-шум.
К области применения предложенных технических решений относятся цифровые системы радиосвязи, радиолокации, радионавигации и т.д., использующие сигналы с модуляцией BPSK.
Технический результат, получаемый от использования данного изобретения, заключается в повышении точности оценки отношения сигнал-шум и возможности использования предложенных алгоритмов в более широком диапазоне отношений сигнал-шум. Кроме того, ряд из заявленных способов оценки отношения сигнал-шум обеспечивают высокую точность оценки и при наличии систематического углового сдвига вектора сигнала.
Y
Y
Y
Y
Заявленная цель достигается посредством получения отсчетов синфазной I и квадратурной Q компонент комплексной огибающей принимаемого сигнала и дальнейшей их обработки в соответствии с предложенными алгоритмами. При этом отсчеты квадратурных компонент могут браться как на выходе согласованного фильтра с частотой следования канальных символов, так и до согласованного фильтра с заданной частотой дискретизации. В дальнейшем при описании предложенных технических решений для определенности будем предполагать, что отсчеты синфазной I и квадратурной Q компонент комплексной огибающей принимаемого сигнала берутся на выходе согласованного фильтра с частотой следования канальных символов.
Y
Y
Известный способ для оценки текущего отношения сигнал-шум при приеме последовательности символов с модуляцией ФМ-2, например, по патенту США US 7190741, включает прием аддитивной смеси y(t)=s(t)+n(t) полезного сигнала s(t) в виде последовательности символов заданной длины с фазовой модуляцией, например модуляцией ФМ-2 (BPSK) и девиацией фазы равной 180° s(t), и аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ) n(t) и выделение квадратурных компонент комплексной огибающей принимаемого сигнала I и Q в квадратурном смесителе.
Особенностью заявленного способа является то, что для заданной длительности выборки:
- определяют средний квадрат синфазной компоненты , здесь и далее черта сверху означает расчет среднего по времени значения соответствующего параметра для заданной длительности выборки,
- определяют средний квадрат квадратурной компоненты ,
- определяют квадрат среднего модуля (абсолютного значения) синфазной компоненты ,
- определяют квадрат среднего значения квадратурной компоненты , при этом значения квадратурной компоненты усредняются с учетом знака принимаемого канального символа,
- определяют текущее значение модуля (длины вектора) комплексной огибающей сигнала ,
- с использованием комбинации всех или части полученных значений определяют оценку текущего отношения сигнал-шум,
- в случае необходимости осуществляют компенсацию систематической ошибки оценки текущего отношения сигнал-шум.
В первом варианте реализации заявленного способа расчет оценки текущего отношения сигнал-шум осуществляется по формуле .
add
add
Во втором варианте расчет оценки текущего отношения сигнал-шум осуществляется по формуле . В третьем варианте расчет оценки текущего отношения сигнал-шум осуществляется по формуле . в четвертом варианте расчет оценки текущего отношения сигнал-шум осуществляется по формуле . В пятом варианте расчет оценки текущего отношения сигнал-шум осуществляется по формуле . В шестом варианте расчет оценки текущего отношения сигнал-шум осуществляется по формуле , где SNR представляет собой поправку, вводимую для повышения точности оценки отношения сигнал-шум. Данная поправка SNR, вводимая для повышения точности оценки отношения сигнал-шум может рассчитываться по формуле  или по формуле ,
- текущее значение амплитудной огибающей принимаемой смеси сигнала и шума, например, на выходе согласованного фильтра. Следующий вариант реализации заявленного способа отличается тем, что расчет оценки текущего отношения сигнал-шум осуществляется по формуле .
Необходимо отметить, что пятый, шестой и седьмой варианты предлагаемого способа основаны на обработке длины вектора принимаемой смеси сигнала и шума и могут быть использованы также и при других видах многопозиционной многофазовой модуляции ФМ-М (MPSK), например, таких как ФМ-4 (QPSK), ФМ-8 (8PSK) и т.д.
Y
Y
Y
В рассмотренных выше вариантах реализации способа оценки отношения сигнал-шум, там, где это требуется, значение квадратурной компоненты  должно использоваться с учетом знака текущего канального символа. В том случае, когда использование этой информации с демодулятора не возможно или не целесообразно, этот параметр может определяться с учетом текущего знака синфазной компоненты I в соответствии с формулой , где операция sign(I) означает определение текущего знака синфазной компоненты I.
Заявленные способы оценки текущего отношения сигнал-шум при приеме последовательности символов с модуляцией ФМ-2 технически могут быть реализованы в виде соответствующих устройств.
В п. 12 формулы изобретения описывается вариант реализации способа оценки отношения сигнал-шум с использованием коррекции систематической ошибки, при котором предварительно аналитически, экспериментально или на основе моделирования определяют зависимость математического ожидания оценки текущего отношения сигнал-шум от истинного значения отношения сигнал-шум для заданного метода оценки отношения сигнал-шум, проводят расчет оценки текущего отношения сигнал-шум для заданного метода оценки отношения сигнал-шум в соответствии с пунктами 2-11 формулы изобретения, полученную зависимость математического ожидания оценки текущего отношения сигнал-шум от истинного значения отношения сигнал-шум используют для компенсации систематической ошибки оценки текущего отношения сигнал-шум.
Другой вариант реализации способа оценки отношения сигнал-шум с использованием коррекции систематической ошибки описан в п. 13 формулы изобретения и заключается в том, что предварительно аналитически, экспериментально или на основе моделирования определяют зависимость математического ожидания разности истинного значения текущего отношения сигнал-шум и его оценки от оценки текущего значения сигнал-шум для заданного метода оценки отношения сигнал-шум, проводят расчет оценки текущего отношения сигнал-шум для заданного метода оценки отношения сигнал-шум в соответствии с пунктами 2-11 настоящей формулы изобретения, полученную зависимость разности истинного значения текущего отношения сигнал-шум и его оценки от значения оценки текущего значения сигнал-шум для заданного метода оценки отношения сигнал-шум используют для компенсации систематической ошибки оценки текущего отношения сигнал-шум путем суммирования этой разности с оценкой текущего отношения сигнал-шум.
Известное устройство для оценки текущего отношения сигнал-шум, включает в себя последовательно соединенные квадратурный смеситель (1) и блок оценки отношения сигнал-шум (2), причем вход квадратурного смесителя (1) является входом устройства, выходы квадратурного смесителя (1) соединены с соответствующими входами блока оценки отношения сигнал-шум (2), выход которого является выходом устройства.
В первом варианте реализации заявленного устройства для оценки текущего отношения сигнал-шум дополнительно введен блок компенсации смещения (3), выход которого является выходом устройства, а вход соединен с выходом блока оценки отношения сигнал-шум (2), при этом блок оценки отношения сигнал-шум (2) выполнен в виде последовательно соединенных блока вычисления модуля (201), первого блока усреднения (202), первого блока возведения в квадрат (203), первого сумматора (204), делителя (209) и блока пересчета в децибелы (210), причем вход блока вычисления модуля (201) является первым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), выход блока возведения в квадрат (203) подключен к первому входу первого сумматора (204), выход которого подключен к первому входу делителя (209), а выход блока пересчета в децибелы (210) является выходом блока оценки отношения сигнал-шум (2), кроме того блок оценки отношения сигнал-шум (2) содержит последовательно соединенные блок определения знака (205), перемножитель (206), второй блок усреднения (207), второй блок возведения в квадрат (208), причем вход блока определения знака (205) подключен к первому входу блока оценки отношения сигнал-шум (2), а выход - к первому входу перемножителя (206), второй вход которого соединен с вторым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), а выход второго блока возведения в квадрат (208) подключен к второму входу первого сумматора (204), кроме того блок оценки отношения сигнал-шум (2) содержит последовательно соединенные третий блок возведения в квадрат (211), третий блок усреднения (212), второй сумматор (213) и блок вычитания (214), причем вход третьего блока возведения в квадрат (211) соединен с первым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), выход третьего блока усреднения (212) подключен к первому входу второго сумматора (213), выход которого соединен с первым входом блока вычитания (214), выход которого подключен ко второму входу делителя (209), а второй вход соединен с выходом первого сумматора (204), кроме того блок оценки отношения сигнал-шум (2) содержит последовательно соединенные четвертый блок возведения в квадрат (215) и четвертый блок усреднения (216), при этом вход четвертого блока возведения в квадрат (215) соединен с вторым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), а выход четвертого блока усреднения (216) соединен с вторым входом второго сумматора (213).
Во втором варианте реализации заявленного устройства для оценки текущего отношения сигнал-шум блок оценки отношения сигнал-шум (2) выполнен в виде последовательно соединенных первого блока возведения в квадрат (301), первого блока усреднения (302), первого блока вычитания (303), сумматора (304), делителя (307) и блока пересчета в децибелы (308), выход которого является выходом блока оценки отношения сигнал-шум (2), при этом вход блока возведения в квадрат (301) является первым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), выход первого блока усреднения (302) подключен к первому входу первого блока вычитания (303), выход которого соединен с первым входом сумматора (304), выход которого соединен с первым входом делителя (307), кроме того имеются последовательно соединенные второй блок возведения в квадрат (305) и второй блок усреднения (306), при этом вход второго блока возведения в квадрат (305) соединен с вторым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), выход второго блока усреднения (306) соединен с вторым входом первого блока вычитания (303) и с первым входом второго блока вычитания (314), кроме того имеются последовательно соединенные блок определения знака (309), перемножитель (310), третий блок усреднения (311), третий блок возведения в квадрат (312), первый блок масштабирования (313), выход которого подключен ко второму входу сумматора (304), причем вход блока определения знака (309) соединен с первым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), а выход блока определения знака (309) подключен к первому входу перемножитель (310), второй вход которого соединен со вторым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), имеются также последовательно соединенные второй блок вычитания (314) и второй блок масштабирования (315), выход которого подключен ко второму входу делителя (307), при этом первый вход блока вычитания (314) подключен к выходу второго блока усреднения (306), а второй вход - к выходу третьего блока возведения в квадрат (312).
В третьем варианте реализации заявленного устройства для оценки текущего отношения сигнал-шум блок оценки отношения сигнал-шум (2) выполнен в виде последовательно соединенных блока вычисления модуля (401), первого блока усреднения (402), первого блока возведения в квадрат (403), сумматора (404), делителя (409) и блока пересчета в децибелы (410), выход которого является выходом блока оценки отношения сигнал-шум (2), при этом вход блока вычисления модуля (401) соединен с первым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), выход первого блока возведения в квадрат (403) соединен с первым входом сумматора (404), выход которого подключен к первому входу делителя (409), кроме того имеются последовательно соединенные блок определения знака (405), перемножитель (406), второй блок усреднения (407), второй блок возведения в квадрат (408), блок вычитания (413) и блок масштабирования (414), выход которого подключен ко второму входу делителя (414), при этом вход блока определения знака (405) соединен с первым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), а выход - подключен к первому входу перемножителя (406), выход второго блока возведения в квадрат (408) соединен со вторыми входами сумматора (404) и блока вычитания (413), а второй вход перемножителя (406) соединен со вторым входом блок оценки отношения сигнал-шум (2), также имеются последовательно соединенные третий блок возведения в квадрат (411) и третий блок усреднения (412), выход которого соединен с первым входом блока вычитания (413), а вход третьего блока возведения в квадрат (411) соединен со вторым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2).
В четвертом варианте реализации заявленного устройства для оценки текущего отношения сигнал-шум блок оценки отношения сигнал-шум (2) выполнен в виде последовательно соединенных блока вычисления модуля (501), первого блока усреднения (502), первого блока возведения в квадрат (503), первого сумматора (504), первого блока вычитания (519), делителя (512) и блока пересчета в децибелы (513), выход которого является выходом блока оценки отношения сигнал-шум (2), при этом вход блока вычисления модуля (501) соединен с первым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), выход первого блока возведения в квадрат (503) соединен с первым входом первого сумматора (504), выход которого соединен с вторым входом первого блока вычитания (519), выход которого подключен ко второму входу делителя (512), а также последовательно соединенные второй блок возведения в квадрат (505), второй блок усреднения (506), второй блок вычитания (507), второй сумматор (508), выход которого подключен к первому входу делителя (512), а выход второго блока усреднения (506) соединен с первыми входами второго блока вычитания (507) и третьего сумматора (511), выход второго блока вычитания (507) соединен с первым входом второго сумматора (508), а выход третьего сумматора (511) соединен с первым входом первого блока вычитания (519), при этом вход второго блока возведения в квадрат (505) соединен с первым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), а также последовательно соединенные третий блок возведения в квадрат (509) и третий блок усреднения (510), выход которого подключен ко вторым входам второго блока вычитания (507) и третьего сумматора (511), а вход третьего блока возведения в квадрат (509) соединен со вторым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), а также последовательно соединенные блок определения знака (514), перемножитель (515), четвертый блок усреднения (516), четвертый блок возведения в квадрат (517) и блок масштабирования (518), выход которого соединен со вторым входом второго сумматора (508), выход четвертого блока возведения в квадрат (517) соединен также со вторым входом первого сумматора (504), вход блока определения знака (514) соединен с первым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), а второй вход перемножителя (515) соединен со вторым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2).
В пятом варианте реализации заявленного устройства для оценки текущего отношения сигнал-шум блок оценки отношения сигнал-шум (2) выполнен в виде последовательно соединенных первого блока возведения в квадрат (601), сумматора (603), блока извлечения квадратного корня (604), первого блока усреднения (605), второго блока возведения в квадрат (606), делителя (607), блока масштабирования (610) и блока пересчета в децибелы (611), выход которого является выходом блока оценки отношения сигнал-шум (2), при этом вход первого блока возведения в квадрат (601) является первым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), выход первого блока возведения в квадрат (601) соединен с первым входом сумматора (603), а выход второго блока возведения в квадрат (606) соединен с первым входом делителя (607), вход второго блока возведения в квадрат (602) является вторым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), а его выход соединен со вторым входом сумматора (603), выход которого соединен также с входом второго блока усреднения (608), выход которого подключен к первому входу блока вычитания (609), выход которого в свою очередь соединен со вторым входом делителя (607), при этом второй вход блока вычитания (609) соединен с выходом второго блока возведения в квадрат (606).
Шестой вариант реализации заявленного устройства для оценки текущего отношения сигнал-шум отличается от пятого варианта тем, что дополнительно введены второй блок вычитания (612), выход которого является выходом блок оценки отношения сигнал-шум (2), и блок вычисления поправки (613), при этом выход блока пересчета в децибелы (611) соединен с первым входом второго блока вычитания (612), вход блока вычисления поправки (613) соединен с выходом блока извлечения квадратного корня (604), а выход блока вычисления поправки (613) соединен со вторым входом второго блока вычитания (612).
В седьмом варианте реализации заявленного устройства для оценки текущего отношения сигнал-шум блок оценки отношения сигнал-шум (2) выполнен в виде в виде последовательно соединенных первого блока возведения в квадрат (701), сумматора (702), первого блока усреднения (703), первого блока вычитания (704), блока масштабирования (705), делителя (706), второго блока вычитания (707) и блока пересчета в децибелы (708), выход которого является выходом блока оценки отношения сигнал-шум (2), при этом вход первого блока возведения в квадрат (701) является первым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), второй вход которого является входом второго блока возведения в квадрат (709), выход второго блока возведения в квадрат (709) подключен ко второму входу сумматора (702), а также последовательно соединенных блока извлечения квадратного корня (710), второго блока усреднения (711) и третьего блока возведения в квадрат (712), при этом вход блока извлечения квадратного корня (710) подключен к выходу сумматора (702), а выход третьего блока возведения в квадрат (712) подключен ко второму входу первого блока вычитания (704), кроме того выход первого блока усреднения (703) подключен ко второму входу делителя 706, выход блока формирования единичного значения (713) подключен ко второму входу второго блока вычитания (707).
При этом в шестом варианте реализации заявленного устройства для оценки текущего отношения сигнал-шум блок вычисления поправки (613) может быть выполнен в виде последовательно соединенных первого блока возведения в квадрат (802), первого блока усреднения (803), блока вычитания (804), блока масштабирования в 4ln10 раз (805), выход которого является выходом блока вычисления поправки (613), а вход первого блока возведения в квадрат (802) - его входом, а также последовательно соединенных второго блока усреднения (806) и второго блока возведения в квадрат (807), выход которого подключен ко второму входу блока вычитания (804), а вход второго блока усреднения (806) подключен к входу первого блока возведения в квадрат (802).
Кроме того, в шестом варианте реализации заявленного устройства для оценки текущего отношения сигнал-шум блок вычисления поправки (613) может быть выполнен в виде последовательно соединенных первого блока возведения в квадрат (902), первого блока усреднения (903), первого блока вычитания (904), блока масштабирования на 2 (905), первого сумматора (906), первого умножителя (907) и блока пересчета в децибелы (908), выход которого является выходом блока вычисления поправки (613), вход которого соединен с входом первого блока возведения в квадрат (902), при этом выход блока масштабирования в 2 раза (905) подключен к первому входу первого сумматора (906), ко второму входу которого подключен выход первого блока формирования постоянного сигнала 1 (901), а также содержит последовательно соединенные второй блок усреднения (909) и второй блок возведения в квадрат (910), при этом вход второго блока усреднения (909) соединен с входом блока вычисления поправки (613), а вход второго блока возведения в квадрат (910) соединен со вторым входом блока вычитания (904), а также содержит последовательно соединенные блок извлечения квадратного корня (915), второй блок умножения (921), третий блок деления (928), третий блок вычитания (929), блок масштабирования в 4.5 раза (930), третий блок умножения (931) и четвертый сумматор (932), выход которого подключен ко второму входу первого перемножителя (907), при этом вход первого блока извлечения квадратного корня (915) подключен к выходу первого блока усреднения (903), выход первого блока извлечения квадратного корня (915) подключен к первому входу второго блока умножения (921), второй вход которого соединен с выходом второго блока усреднения (909), второй вход третьего делителя (928) через последовательно соединенные блок возведения в куб (924) и первый блок масштабирования в 2 раза (926) подключен выходу первого блока усреднения (903), ко второму входу третьего блока вычитания (929) подключен выход второго блока формирования постоянного сигнала 1 (927), второй вход третьего блока умножения (931) подключен к выходу первого блока вычитания (904) через последовательно соединенные второй сумматор (912), второй блок извлечения квадратного корня (913), второй блок масштабирования в 2 раза (914), второй блок деления (920) и блок вычисления тангенса (925), при этом второй вход второго сумматора (912) соединен с выходом блока формирования постоянного сигнала 0.1 (911), а второй вход второго делителя (920) соединен с выходом третьего сумматора (919), первый вход которого соединен с выходом первого блока усреднения (903), а второй вход - с выходом блока формирования постоянного сигнала 1.1 (918), второй вход четвертого сумматора (932) через последовательно соединенные первый блок деления (917) и второй блок вычитания (923) соединен с выходом первого блока усреднения (903), при этом ко второму входу первого блока деления (917) подключен выход блока формирования постоянного сигнала 3 (916), а ко второму входу второго блока вычитания (923) подключен выход блока формирования постоянного сигнала 4.7 (922).
ПЕРЕЧЕНЬ ФИГУР
На Фиг. 1 приведена векторная диаграмма, поясняющая взаимосвязь квадратурных компонент комплексной огибающей принимаемой смеси сигнала и шума.
На Фиг. 2 приведена общая структурная схема заявленного устройства.
На Фиг. 3 приведена структурная схема первого варианта реализации блока оценки отношения сигнал-шум (2) заявленного устройства.
На Фиг. 4 приведена структурная схема второго варианта реализации блока оценки отношения сигнал-шум (2) заявленного устройства.
На Фиг. 5 приведена структурная схема третьего варианта реализации блока оценки отношения сигнал-шум (2) заявленного устройства.
На Фиг. 6 приведена структурная схема четвертого варианта реализации блока оценки отношения сигнал-шум (2) заявленного устройства.
На Фиг. 7 приведена структурная схема пятого варианта реализации блока оценки отношения сигнал-шум (2) заявленного устройства.
На Фиг. 8 приведена структурная схема шестого варианта реализации блока оценки отношения сигнал-шум (2) заявленного устройства.
На Фиг. 9 приведена структурная схема седьмого варианта реализации блока оценки отношения сигнал-шум (2) заявленного устройства.
На Фиг. 10 приведена структурная схема первого варианта реализации блока расчета поправки (613).
На Фиг. 11 приведена структурная схема второго варианта реализации блока расчета поправки (613).
На Фиг. 12 представлена структурная схема второго варианта реализации блока компенсации смещения (3).
На Фиг. 13 изображены графики амплитудных характеристик блока компенсации смещения (3) для вариантов реализации блока оценки отношения сигнал-шум (2) в соответствии с п.п. 2-5 формулы изобретения.
На Фиг. 14 изображены графики амплитудных характеристик блока компенсации смещения (3) для вариантов реализации блока оценки отношения сигнал-шум (2) в соответствии с п.п. 6-10 формулы изобретения.
На Фиг. 15 изображены графики амплитудных характеристик нелинейного элемента (31) для вариантов реализации блока оценки отношения сигнал-шум (2) в соответствии с п.п. 2-5 формулы изобретения.
На Фиг. 16 изображены графики амплитудных характеристик нелинейного элемента (31) для вариантов реализации блока оценки отношения сигнал-шум (2) в соответствии с п.п. 6-10 формулы изобретения.
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На входе приемника имеется аддитивная смесь y(t) узкополосного полезного сигнала s(t) и аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ) n(t):
При этом данные компоненты, рассматриваемые в полосе приемного устройства, могут быть представлены через соответствующие комплексные сигналы:
В соответствии с Фиг. 1 отношение сигнал-шум на входе приемника может быть определено как:
s
где P - средняя мощность полезного сигнала на входе приемника;
s
P - средняя мощность шума на входе приемника, определяемая в его полосе пропускания;
- средний квадрат амплитуды принимаемого сигнала;
- средний квадрат комплексной огибающей шума;
- средний квадрат квадратурной компоненты огибающей шума.
Y
Y
На практике наиболее часто встречается ситуация, когда оценку отношения сигнал-шум осуществляют на основе отсчетов сигналов на выходе согласованных фильтров. В соответствии с этим отсчеты сигналов I, Q на выходе синфазного и квадратурного СФ могут рассматриваться как проекции суммарного вектора сигнала  на квадратурные оси (см. Фиг. 1).
Y
Y
Y
Величины, входящие в соотношение (5), могут быть определены на основе обработки отсчетов квадратурных компонент принимаемой смеси сигнала и шума I, Q. При этом при проведении операции усреднения, строго говоря, необходимо учитывать знак принимаемого канального символа, что особенно важно при усреднении квадратурной компоненты Q. На практике это может быть сделано, например, на основе следующего алгоритма:
С учетом этого из выражения (5) можно получить следующие варианты соотношений для расчета отношения сигнал/шум в логарифмическом масштабе:
Данные соотношения соответствуют пунктам 2-5 формулы изобретения. Пункт 6 формулы изобретения основывается на эмпирическом соотношении
а пункт 7, на модифицированном соотношении (11)
add
При этом компенсирующая добавка SNR может быть рассчитана по формуле
(п.8 формулы изобретения) или по формуле
(п. 9 формулы изобретения), где  - текущее значение амплитудной огибающей принимаемой смеси сигнала и шума.
Пункт 10 формулы изобретения также основывается на предложенном и апробированном эмпирическом соотношении
Таким образом, сущность заявленного способа оценки текущего отношения сигнал-шум при приеме последовательности символов с фазовой манипуляцией заключается в выполнении следующих операций:
- прием аддитивной смеси y(t)=s(t)+n(t) последовательности символов заданной длины с фазовой манипуляцией s(t) и АБГШ n(t),
Y
Y
- выделение квадратурных компонент комплексной огибающей принимаемого сигнала I и Q в квадратурном смесителе,
- определение для заданной длительности выборки среднего квадрата синфазной компоненты , здесь и далее черта сверху означает расчет среднего по времени значения соответствующего параметра для заданной длительности выборки,
- определение среднего квадрата квадратурной компоненты ,
- определение квадрата среднего модуля (абсолютного значения) синфазной компоненты ,
- определение квадрата среднего значения квадратурной компоненты , при этом значения квадратурной компоненты усредняются с учетом знака принимаемого канального символа,
- определение текущего значения модуля (длины вектора) комплексной огибающей сигнала ,
- с использованием комбинации всех или части полученных значений расчет оценки текущего значения отношения сигнал-шум в соответствии с соотношениями (7)-(13),
- в случае необходимости осуществляют компенсацию систематической ошибки оценки текущего отношения сигнал-шум.
Техническая реализация предложенного способа в виде устройства может быть осуществлена в соответствии со структурными схемами, представленными на Фиг. 2-12.
Общая структурная схема устройство для оценки текущего отношения сигнал-шум представлена на Фиг. 2 и содержит квадратурный смеситель (1), блок оценки отношения сигнал-шум (2) и блок компенсации смещения (3). При этом квадратурный смеситель (1) может содержать последовательно соединенные первый перемножитель (11) и первый фильтр низких частот (ФНЧ) (12), последовательно соединенные второй перемножитель (15) и второй ФНЧ (16), генератор гармонического сигнала (13) и фазовращатель (14). При этом вход квадратурного смесителя (1) соединен с первыми входами первого (11) и второго (15) перемножителей, выход генератора (13) подключен ко второму входу первого перемножителя (11) и входу фазовращателя (14), выход которого подключен ко второму входу второго перемножителя (15). Первым и вторым выходами квадратурного смесителя (1) являются выходы соответственно первого (12) и второго (16) ФНЧ, которые подключены соответственно к первому и второму входам блока оценки отношения сигнал-шум (2). Выходом устройства является выход блока компенсации смещения (3).
Входная смесь сигнала и шума поступает на квадратурный смеситель, имеющий два канала. В первом канале, состоящем из перемножителя (11) и фильтра низких частот (12), выделяется синфазная компонента комплексной огибающей принимаемой смеси. Во втором канале, состоящем из перемножителя (15) и фильтра низких частот (16), выделяется квадратурная компонента комплексной огибающей принимаемой смеси. На практике для оценки отношения сигнал-шум часто используются сигналы, получаемые на выходе фильтров, согласованных с принимаемыми канальными символами. В этом случае амплитудная и фазовая частотные характеристики фильтров низких частот (12) и (16) должны быть согласованы с соответствующими характеристиками канальных символов.
Все рассматриваемые ниже варианты реализации блока оценки отношения сигнал-шум (2) основываются на обработке квадратурных компонент, выделенных квадратурным смесителем (1). При этом возможно использование сигналов как прошедших согласованную фильтрацию в ФНЧ (12) и (16), так и сигналов без согласованной фильтрации.
Первый вариант реализации блока оценки отношения сигнал-шум (2) представлен на Фиг. 3. При этом блок оценки отношения сигнал-шум (2) выполнен в виде последовательно соединенных блока вычисления модуля (201), первого блока усреднения (202), первого блока возведения в квадрат (203), первого сумматора (204), делителя (209) и блока пересчета в децибелы (210), причем вход блока вычисления модуля (201) является первым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), выход блока возведения в квадрат (203) подключен к первому входу первого сумматора (204), выход которого подключен к первому входу делителя (209), а выход блока пересчета в децибелы (210) является выходом блока оценки отношения сигнал-шум (2), кроме того блок оценки отношения сигнал-шум (2) содержит последовательно соединенные блок определения знака (205), перемножитель (206), второй блок усреднения (207), второй блок возведения в квадрат (208), причем вход блока определения знака (205) подключен к первому входу блока оценки отношения сигнал-шум (2), а выход - к первому входу перемножителя (206), второй вход которого соединен с вторым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), а выход второго блока возведения в квадрат (208) подключен к второму входу первого сумматора (204), кроме того блок оценки отношения сигнал-шум (2) содержит последовательно соединенные третий блок возведения в квадрат (211), третий блок усреднения (212), второй сумматор (213) и блок вычитания (214), причем вход третьего блока возведения в квадрат (211) соединен с первым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), выход третьего блока усреднения (212) подключен к первому входу второго сумматора (213), выход которого соединен с первым входом блока вычитания (214), выход которого подключен ко второму входу делителя (209), а второй вход соединен с выходом первого сумматора (204), кроме того блок оценки отношения сигнал-шум (2) содержит последовательно соединенные четвертый блок возведения в квадрат (215) и четвертый блок усреднения (216), при этом вход четвертого блока возведения в квадрат (215) соединен с вторым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), а выход четвертого блока усреднения (216) соединен с вторым входом второго сумматора (213).
Во втором варианте реализации заявленного устройства для оценки текущего отношения сигнал-шум блок оценки отношения сигнал-шум (2) в соответствии с (8) выполнен в виде (Фиг. 4) последовательно соединенных первого блока возведения в квадрат (301), первого блока усреднения (302), первого блока вычитания (303), сумматора (304), делителя (307) и блока пересчета в децибелы (308), выход которого является выходом блока оценки отношения сигнал-шум (2), при этом вход блока возведения в квадрат (301) является первым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), выход первого блока усреднения (302) подключен к первому входу первого блока вычитания (303), выход которого соединен с первым входом сумматора (304), выход которого соединен с первым входом делителя (307), кроме того имеются последовательно соединенные второй блок возведения в квадрат (305) и второй блок усреднения (306), при этом вход второго блока возведения в квадрат (305) соединен с вторым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), выход второго блока усреднения (306) соединен с вторым входом первого блока вычитания (303) и с первым входом второго блока вычитания (314), кроме того имеются последовательно соединенные блок определения знака (309), перемножитель (310), третий блок усреднения (311), третий блок возведения в квадрат (312), первый блок масштабирования (313), выход которого подключен ко второму входу сумматора (304), причем вход блока определения знака (309) соединен с первым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), а выход блока определения знака (309) подключен к первому входу перемножитель (310), второй вход которого соединен со вторым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), имеются также последовательно соединенные второй блок вычитания (314) и второй блок масштабирования (315), выход которого подключен ко второму входу делителя (307), при этом первый вход блока вычитания (314) подключен к выходу второго блока усреднения (306), а второй вход - к выходу третьего блока возведения в квадрат (312).
В третьем варианте реализации заявленного устройства для оценки текущего отношения сигнал-шум блок оценки отношения сигнал-шум (2) в соответствии с (9) выполнен в виде (Фиг. 5) последовательно соединенных блока вычисления модуля (401), первого блока усреднения (402), первого блока возведения в квадрат (403), сумматора (404), делителя (409) и блока пересчета в децибелы (410), выход которого является выходом блока оценки отношения сигнал-шум (2), при этом вход блока вычисления модуля (401) соединен с первым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), выход первого блока возведения в квадрат (403) соединен с первым входом сумматора (404), выход которого подключен к первому входу делителя (409), кроме того имеются последовательно соединенные блок определения знака (405), перемножитель (406), второй блок усреднения (407), второй блок возведения в квадрат (408), блок вычитания (413) и блок масштабирования (414), выход которого подключен ко второму входу делителя (414), при этом вход блока определения знака (405) соединен с первым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), а выход - подключен к первому входу перемножителя (406), выход второго блока возведения в квадрат (408) соединен со вторыми входами сумматора (404) и блока вычитания (413), а второй вход перемножителя (406) соединен со вторым входом блок оценки отношения сигнал-шум (2), также имеются последовательно соединенные третий блок возведения в квадрат (411) и третий блок усреднения (412), выход которого соединен с первым входом блока вычитания (413), а вход третьего блока возведения в квадрат (411) соединен со вторым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2).
В четвертом варианте реализации заявленного устройства блок оценки отношения сигнал-шум (2) в соответствии с (10) выполнен (Фиг. 6) в виде последовательно соединенных блока вычисления модуля (501), первого блока усреднения (502), первого блока возведения в квадрат (503), первого сумматора (504), первого блока вычитания (519), делителя (512) и блока пересчета в децибелы (513), выход которого является выходом блока оценки отношения сигнал-шум (2), при этом вход блока вычисления модуля (501) соединен с первым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), выход первого блока возведения в квадрат (503) соединен с первым входом первого сумматора (504), выход которого соединен с вторым входом первого блока вычитания (519), выход которого подключен ко второму входу делителя (512), а также последовательно соединенные второй блок возведения в квадрат (505), второй блок усреднения (506), второй блок вычитания (507), второй сумматор (508), выход которого подключен к первому входу делителя (512), а выход второго блока усреднения (506) соединен с первыми входами второго блока вычитания (507) и третьего сумматора (511), выход второго блока вычитания (507) соединен с первым входом второго сумматора (508), а выход третьего сумматора (511) соединен с первым входом первого блока вычитания (519), при этом вход второго блока возведения в квадрат (505) соединен с первым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), а также последовательно соединенные третий блок возведения в квадрат (509) и третий блок усреднения (510), выход которого подключен ко вторым входам второго блока вычитания (507) и третьего сумматора (511), а вход третьего блока возведения в квадрат (509) соединен со вторым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), а также последовательно соединенные блок определения знака (514), перемножитель (515), четвертый блок усреднения (516), четвертый блок возведения в квадрат (517) и блок масштабирования (518), выход которого соединен со вторым входом второго сумматора (508), выход четвертого блока возведения в квадрат (517) соединен также со вторым входом первого сумматора (504), вход блока определения знака (514) соединен с первым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), а второй вход перемножителя (515) соединен со вторым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2).
В пятом варианте реализации заявленного устройства блок оценки отношения сигнал-шум (2) в соответствии с (11) выполнен (Фиг. 7) в виде последовательно соединенных первого блока возведения в квадрат (601), сумматора (603), блока извлечения квадратного корня (604), первого блока усреднения (605), второго блока возведения в квадрат (606), делителя (607), блока масштабирования (610) и блока пересчета в децибелы (611), выход которого является выходом блока оценки отношения сигнал-шум (2), при этом вход первого блока возведения в квадрат (601) является первым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), выход первого блока возведения в квадрат (601) соединен с первым входом сумматора (603), а выход второго блока возведения в квадрат (606) соединен с первым входом делителя (607), вход второго блока возведения в квадрат (602) является вторым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), а его выход соединен со вторым входом сумматора (603), выход которого соединен также с входом второго блока усреднения (608), выход которого подключен к первому входу блока вычитания (609), выход которого в свою очередь соединен со вторым входом делителя (607), при этом второй вход блока вычитания (609) соединен с выходом второго блока возведения в квадрат (606).
Шестой вариант реализации заявленного устройства отличается от пятого варианта тем, что в соответствии с (12) дополнительно введены (Фиг. 8) второй блок вычитания (612), выход которого является выходом блок оценки отношения сигнал-шум (2), и блок вычисления поправки (613), при этом выход блока пересчета в децибелы (611) соединен с первым входом второго блока вычитания (612), вход блока вычисления поправки (613) соединен с выходом блока извлечения квадратного корня (604), а выход блока вычисления поправки (613) соединен со вторым входом второго блока вычитания (612).
В седьмом варианте реализации заявленного устройства блок оценки отношения сигнал-шум (2) в соответствии с (15) выполнен в виде в виде (Фиг. 9) последовательно соединенных первого блока возведения в квадрат (701), сумматора (702), первого блока усреднения (703), первого блока вычитания (704), блока масштабирования (705), делителя (706), второго блока вычитания (707) и блока пересчета в децибелы (708), выход которого является выходом блока оценки отношения сигнал-шум (2), при этом вход первого блока возведения в квадрат (701) является первым входом блока оценки отношения сигнал-шум (2), второй вход которого является входом второго блока возведения в квадрат (709), выход второго блока возведения в квадрат (709) подключен ко второму входу сумматора (702), а также последовательно соединенных блока извлечения квадратного корня (710), второго блока усреднения (711) и третьего блока возведения в квадрат (712), при этом вход блока извлечения квадратного корня (710) подключен к выходу сумматора (702), а выход третьего блока возведения в квадрат (712) подключен ко второму входу первого блока вычитания (704), кроме того выход первого блока усреднения (703) подключен ко второму входу делителя 706, выход блока формирования единичного значения (713) подключен ко второму входу второго блока вычитания (707).
При этом в шестом варианте реализации заявленного устройства блок вычисления поправки (613) в соответствии с (13) может быть выполнен в виде (Фиг. 10) последовательно соединенных первого блока возведения в квадрат (802), первого блока усреднения (803), блока вычитания (804), блока масштабирования в 4ln10 раз (805), выход которого является выходом блока вычисления поправки (613), а вход первого блока возведения в квадрат (802) - его входом, а также последовательно соединенных второго блока усреднения (806) и второго блока возведения в квадрат (807), выход которого подключен ко второму входу блока вычитания (804), а вход второго блока усреднения (806) подключен к входу первого блока возведения в квадрат (802).
Кроме того, в шестом варианте реализации заявленного устройства для оценки текущего отношения сигнал-шум блок вычисления поправки (613) в соответствии с (14) может быть выполнен в виде (Фиг. 11) последовательно соединенных первого блока возведения в квадрат (902), первого блока усреднения (903), первого блока вычитания (904), блока масштабирования на 2 (905), первого сумматора (906), первого умножителя (907) и блока пересчета в децибелы (908), выход которого является выходом блока вычисления поправки (613), вход которого соединен с входом первого блока возведения в квадрат (902), при этом выход блока масштабирования в 2 раза (905) подключен к первому входу первого сумматора (906), ко второму входу которого подключен выход первого блока формирования постоянного сигнала 1 (901), а также содержит последовательно соединенные второй блок усреднения (909) и второй блок возведения в квадрат (910), при этом вход второго блока усреднения (909) соединен с входом блока вычисления поправки (613), а вход второго блока возведения в квадрат (910) соединен со вторым входом блока вычитания (904), а также содержит последовательно соединенные блок извлечения квадратного корня (915), второй блок умножения (921), третий блок деления (928), третий блок вычитания (929), блок масштабирования в 4.5 раза (930), третий блок умножения (931) и четвертый сумматор (932), выход которого подключен ко второму входу первого перемножителя (907), при этом вход первого блока извлечения квадратного корня (915) подключен к выходу первого блока усреднения (903), выход первого блока извлечения квадратного корня (915) подключен к первому входу второго блока умножения (921), второй вход которого соединен с выходом второго блока усреднения (909), второй вход третьего делителя (928) через последовательно соединенные блок возведения в куб (924) и первый блок масштабирования в 2 раза (926) подключен выходу первого блока усреднения (903), ко второму входу третьего блока вычитания (929) подключен выход второго блока формирования постоянного сигнала 1 (927), второй вход третьего блока умножения (931) подключен к выходу первого блока вычитания (904) через последовательно соединенные второй сумматор (912), второй блок извлечения квадратного корня (913), второй блок масштабирования в 2 раза (914), второй блок деления (920) и блок вычисления тангенса (925), при этом второй вход второго сумматора (912) соединен с выходом блока формирования постоянного сигнала 0.1 (911), а второй вход второго делителя (920) соединен с выходом третьего сумматора (919), первый вход которого соединен с выходом первого блока усреднения (903), а второй вход - с выходом блока формирования постоянного сигнала 1.1 (918), второй вход четвертого сумматора (932) через последовательно соединенные первый блок деления (917) и второй блок вычитания (923) соединен с выходом первого блока усреднения (903), при этом ко второму входу первого блока деления (917) подключен выход блока формирования постоянного сигнала 3 (916), а ко второму входу второго блока вычитания (923) подключен выход блока формирования постоянного сигнала 4.7 (922).
Первый вариант реализации блока компенсации смещения (3) характеризуется тем, что данный блок выполнен в виде нелинейного элемента, амплитудная характеристика которого является обратной зависимости математического ожидания оценки текущего отношения сигнал-шум от истинного значения отношения сигнал-шум для заданного метода оценки отношения сигнал-шум.
Примеры амплитудных характеристик такого нелинейного элемента, полученные на основе компьютерного моделирования, приведены для различных алгоритмов функционирования блока оценки отношения сигнал-шум (2) на Фиг. 13 и 14 для случая усреднения по N=1023 символам.
Отклонение данных кривых от линейной зависимости по сравнению с динамическим диапазоном изменения входной и выходной переменных относительно невелико и это может приводить к снижению точности оценки отношения сигнал-шум. Поэтому целесообразно рассмотреть второй вариант реализации блока компенсации смещения (3), который характеризуется тем, что данный блок выполнен (Фиг. 12) в виде последовательно соединенных нелинейного элемента (31), амплитудная характеристика которого совпадает с зависимостью математического ожидания разности истинного значения текущего отношения сигнал-шум и его оценки от оценки текущего значения сигнал-шум для заданного метода оценки отношения сигнал-шум, и сумматора (32), причем второй вход сумматора (32) соединен с входом нелинейного элемента (31) и является входом блока компенсации смещения (3), выходом которого является выход сумматора (32).
Примеры амплитудных характеристик нелинейного элемента (31), полученные на основе компьютерного моделирования, приведены для различных алгоритмов функционирования блока оценки отношения сигнал-шум (2) на Фиг. 15 и 16.