Способ энергетического обнаружения сигнала с компенсацией комбинационных составляющих сигнала и помех в основном и компенсационном каналах
METHOD FOR ENERGY DETECTION OF A SIGNAL WITH COMPENSATION OF COMBINATION SIGNAL COMPONENTS AND INTERFERENCE IN THE MAIN AND COMPENSATION CHANNELS

Способ относится к радиотехнике и может найти применение в средствах связи.
Известны способы, которые реализуются устройствами подавления узкополосных помех, описанными в а.с. № 1688416 H04B 1/10, а также в патентах РФ № 2034403 H04B 1/10, № 2204203 H04B 1/10, устройством компенсации узкополосных помех, описанным в статье Ефимова В.П. «Оценка влияния нелинейного преобразования на помехоустойчивость приема в спутниковых сетях», опубликованной в журнале «Электромагнитные волны и электромагнитные системы», №1, т.3, 1998г, стр. 95, недостатком которых является невысокая степень подавления помех.
Известны способы, которые реализуются устройствами подавления широкополосных помех, описанные в патентах RU 2115234, H04B 1/10, RU 2143783, H04B 1/10, RU 2190297 H04B 1/10, недостатком которых является невысокая степень подавления помех.
Известен способ энергетического обнаружения Прайса-Урковица, описанный в учебном пособии «Основы теории радиотехнических систем». Учебное пособие. // В. И. Борисов, В. М. Зинчук, А. Е. Лимарев, Н. П. Мухин. Под ред. В. И. Борисова. Воронежский научно-исследовательский институт связи, 2004, стр. 75 - 76. Недостатком способа является невысокая помехоустойчивость средств связи в условиях наличия помех типа аддитивный белый Гауссовский шум, а также сложность практической реализации, связанная с длительным временем оценки мощности помехи.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ выделения сигналов в условиях наличия помех, описанный в патенте RU № 2675386 H04B 1/10, принятый за прототип.
Способ-прототип заключается в том, что аддитивная смесь сигнала и помехи обрабатывается в линейном тракте приемника, после чего сигнал возводится в квадрат, сигнал после возведения в квадрат фильтруют фильтром нижних частот (ФНЧ), полоса которого согласована с полосой сигнала. Одновременно сигнал после возведения в квадрат фильтруют полосовым фильтром, полоса пропускания которого выбирается так, что верхняя частота полосового фильтра соответствует верхней частоте сигнала, нижняя частота полосового фильтра выбирается максимально близкой к нулю. Выбор ФНЧ и полосового фильтра осуществляют с идентичными в максимальной степени фазово-частотными характеристиками друг относительно друга и так, что обеспечивается минимально возможное значение суммы разностей значений амплитудно-частотных характеристик ФНЧ и полосового фильтра, взятых для всех частот. Формируют в цифровом виде, путем преобразования в соответствующих аналого-цифровых преобразователях (АЦП), отсчеты сигналов, прошедших полосовой фильтр и ФНЧ, данные значения вычитают одно из другого в вычислительном устройстве, полученные значения суммируют и запоминают, из полученной суммы вычитают значение мощности помехи, которое получают следующим образом – фильтруют помеху тем же ФНЧ, которым фильтруют смесь сигнала и помехи, одновременно фильтруют помеху тем же полосовым фильтром, которым фильтруют смесь сигнала и помехи, формируют в цифровом виде, путем преобразования в соответствующих АЦП, отсчеты помехи, прошедшей ФНЧ и полосовой фильтр, данные значения вычитают одно из другого, полученные значения суммируют и запоминают, данное значение мощности помехи получают в течение временного интервала анализа помехи, который расположен непосредственно перед обрабатываемым информационным символом, и в котором содержится только помеха, принимают решение о наличии сигнала путем сравнения с порогом.
Недостатком способа-прототипа является то, что для обеспечения оценки мощности помехи формируют временной интервал, в котором заведомо отсутствует сигнал, что приводит к снижению скорости обмена информацией.
Задача – снижение времени, которое затрачивают на оценку мощности помехи, и тем самым, повышение скорости обмена информацией в условиях наличия помех, в том числе, типа аддитивного белого Гауссовского шума (АБГШ).
Для решения поставленной задачи в способе, заключающемся в том, что аддитивную смесь сигнала и помехи обрабатывают в линейном тракте приемника, после чего смесь сигнала и помехи возводят в квадрат, после возведения в квадрат, полученный сигнал, фильтруют фильтром нижних частот (ФНЧ), полоса которого согласована с полосой сигнала; одновременно полученный сигнал фильтруют полосовым фильтром, полоса пропускания которого выбирается так, что верхняя частота полосового фильтра соответствует верхней частоте сигнала, нижняя частота полосового фильтра выбирается максимально близкой к нулю; выбор ФНЧ и полосового фильтра осуществляют с идентичными в максимальной степени фазово-частотными характеристиками друг относительно друга и так, что обеспечивается минимально-возможное значение суммы разностей значений амплитудно-частотных характеристик ФНЧ и полосового фильтра, взятых для всех частот; формируют в цифровом виде путем преобразования в соответствующих аналого-цифровых преобразователях (АЦП), отсчеты сигналов, прошедших полосовой фильтр и ФНЧ, данные значения вычитают одно из другого в вычислительном устройстве, полученные значения суммируют и запоминают, согласно изобретению, используют бинарный амплитудно-модулированный (АМн) сигнал, амплитуды различных сигналов (различных типов) отличаются в заданное количество раз; смесь сигнала и помехи на выходе линейного тракта приемника разветвляют, в компенсационном канале обработку смеси сигнала и помехи осуществляют также, как в основном канале, а именно: полученный сигнал одновременно с обработкой в основном канале фильтруют фильтром нижних частот (ФНЧ), полоса которого согласована с полосой сигнала; одновременно полученный сигнал фильтруют полосовым фильтром, формируют в цифровом виде путем преобразования в соответствующих АЦП, отсчеты сигналов, прошедших полосовой фильтр и ФНЧ, данные значения вычитают одно из другого в вычислительном устройстве, полученные значения запоминают, при этом отсчеты сигналов, прошедших полосовой фильтр и ФНЧ, берут с временным сдвигом относительно отсчетов основного канала, значение которого определяют заранее, сумму разностей отсчетов сигналов, прошедших полосовой фильтр, и отсчетов сигналов, прошедших ФНЧ, запоминают, вычисляют значение амплитуды сигнала с использованием запомненных значений напряжений, полученных в основном и компенсационном каналах, вывод о наличии сигнала первого или второго типа делают по результату сравнения полученного значения амплитуды сигнала с соответствующим порогом.
Предлагаемый способ заключается в следующем.
Приводится описание способа для случая использования амплитудно-модулированных (АМн) сигналов и работы на фиксированной частоте. Для случая работы с перестройкой частоты процесс осуществляется для каждой рабочей частоты так же, как для фиксированной частоты.
Формируют два типа сигнала. Сигналы различных типов отличаются тем, что их амплитуды отличаются в заданное количество раз:
оа
1
2
K=U/U,                         (1)
оа
где: K – значение отношения амплитуд сигналов различных типов;
1
2
U, U – амплитуды сигналов первого и второго типа.
Считается, что при вхождении в связь осуществлена синхронизация, и положение во времени начала сигнала известно с достаточной точностью для осуществления вычитания и суммирования сигналов с необходимой эффективностью.
Под заданным уровнем эффективности понимается, что вероятность обнаружения сигнала будет не меньше заданного уровня, при этом вероятность ложной тревоги не превосходит заданный уровень.
В основном канале после обработки получают напряжение равное сумме квадратов амплитуд сигнала и составляющих помехи
1
прс
с
прп
2
U= K U+ K,                 (2)
с
где: U – амплитуда сигнала;
Nsp – число гармонических составляющих помехи, используемых для ее представления (аппроксимации);
– амплитуда i-ой составляющей помехи;
прс
прп
K, K – коэффициенты преобразования сигнала и помехи при возведении в квадрат суммы сигнала и помехи.
Значения коэффициентов преобразования сигнала и помехи при возведении в квадрат суммы сигнала и помехи определяют экспериментальным путем на этапе разработки средства связи.
pi
pi
В качестве источников помех рассматриваются, например, любые радиопередающие средства, индустриальные помехи, вызванные работой различных электроустановок, а также атмосферные помехи. Данные помехи влияют на работу приемных устройств радиостанций. Помеха при моделировании представлена в виде совокупности гармонических колебаний со случайными значениями амплитуд (U) и фаз (ϕ), которые распределены по нормальному (амплитуды) и равномерному (фазы) законам (см., например, учебное пособие «Основы теории радиотехнических систем». Учебное пособие.// В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин. Под ред. В.И. Борисова. Воронежский научно-исследовательский институт связи, 2004., стр. 51, 68)
U=,                        (3)
pi
pi
где: ω, φ – частота и фаза i-ой составляющей помехи, соответственно.
Считается, что для помехи типа АБГШ время существования составляющих помехи меньше, чем временной интервал взятия отсчетов в аналого-цифровом преобразователе (АЦП), т.е. отсчеты помехи являются независимыми случайными величинами.
Смесь сигнала и помехи на выходе линейного тракта приемника разветвляют. В компенсационном канале обработку сигнала осуществляют так же, как в основном канале, при этом отсчеты сигналов, прошедших полосовой фильтр и ФНЧ, берут с временным сдвигом, значение которого определяют заранее.
Значение временного сдвига устанавливают исходя из условия обеспечения заданного уровня эффективности выделения сигналов различных типов на этапе разработки путем математического моделирования или экспериментальным путем.
Из отсчетов сигналов, прошедших полосовой фильтр, вычитают отсчеты сигналов, прошедших ФНЧ. Полученные значения суммируют и запоминают. При этом получают напряжение равное сумме квадратов амплитуд составляющих помехи и амплитуд сигнала, измененное на величину, значение которой зависит от значения временного сдвига взятия отсчетов (см. фиг. 1)
2
с
прс
с
прп
2
U= K K U+ K,                            (4)
с
где: K – величина изменения квадрата амплитуды сигнала, значение которой зависит от значения временного сдвига взятия отсчетов сигнала.
Обозначив в равенствах (2) и (4)
2
Р=,                                 (5)
получим систему из двух уравнений с двумя неизвестными
1
прс
с
прп
2
2
U= K U+ KР,
2
с
прс
с
прп
2
2
U= K K U+ KР.                             (6)
2
с
Решая данную систему уравнений относительно U получим
2
с
1
2
прс
с
прс
U=(U-U)/(K -KK).                          (7)
Применяя ф. (7) вычисляют значение амплитуды сигнала с использованием запомненных значений напряжений, полученных в основном и компенсационном каналах.
Если время сдвига взятия отсчетов сигнала в компенсационном канале установить равным Т/4,
где Т – значение периода изменения частоты, на которой осуществляют обработку (см. фиг.1), то в этом случае
2
с
U=0.
Тогда ф. 7 может быть записана в виде
2
с
1
2
прс
U= (U-U)/ K.                            (8)
Вывод о наличии сигнала первого или второго типа делают по результату сравнения полученного значения амплитуды сигнала с соответствующим порогом.
Значение порога определяют, например, с использованием эталонного сигнала, который передают до начала передачи сообщений.
Результаты оценки эффективности предлагаемого способа получены методом математического моделирования на ЭВМ с использованием системы MATLAB.
При моделировании использовались следующие исходные данные:
3
– число реализаций – 10;
– вид манипуляции – амплитудная манипуляция;
1
2
– отношение амплитуд сигналов (U/U) – 1,5;
– отношение значений верхней частоты полосы сигнала к нижней частоте сигнала – 1,1;
– число отсчетов за период при оценке мощности смеси сигнала и помехи при использовании способа-прототипа и при использовании предлагаемого способа – 2;
– число периодов сигнала – 3;
3
– число гармонических составляющих помехи, используемых для ее представления – 10;
прс
– K – 0,5;
с
– K – 0,2;
– вероятность правильного обнаружения – 0,999;
-3
– вероятность ложной тревоги – 10.
Результаты моделирования для помехи типа АБГШ приведены в таблице.
K<sub>п</sub>
Наименование параметра
Значение параметра
Отношение мощностей помехи и сигнала
80%
Qпс
1,3
Qтс
1,28
Qпс/Qтс
1,02
В таблице использованы следующие обозначения:
п
K – коэффициент подавления комбинационных составляющих помехи и сигнала и помехи (%);
пс
Q – отношение мощностей помехи и сигнала для предлагаемого способа;
тс
Q– отношение мощностей помехи и сигнала для способа-прототипа;
пс
тс
Q/Q – отношение мощностей помехи и сигнала для предлагаемого способа и способа-прототипа.
Анализ данных, приведенных в таблице, позволяет сделать вывод о том, что эффективность предлагаемого способа практически не уступает эффективности способа-прототипа в условиях воздействия помех типа АБГШ. При скорости изменения мощности помехи соизмеримой со значением периода изменения частоты сигнала скорость обмена информацией при использовании предлагаемого способа может быть повышена практически в два раза, по сравнению со случаем применения способа-прототипа.
Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет повысить скорость обмена информацией за счет того, что оценку мощностей помехи и суммы сигнала и помехи осуществляют практически одновременно.
Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ приведена на фиг. 2, где обозначено:
1 – усилитель промежуточной частоты (УПЧ);
2.1, 2.2, 2.3, 2.4, 2.5 – с первого по пятый разветвители;
3.1, 3.2 – первый и второй блоки умножения;
4.1, 4.2 – первый и второй фильтры нижних частот (ФНЧ);
5.1, 5.2, 5.3, 5.4 – с первого по четвертый аналого-цифровые преобразователи (АЦП);
6.1, 6.2 – первый и второй полосовые фильтры (ПФ);
7 – вычислительное устройство (ВУ).
Устройство содержит последовательно соединенные УПЧ 1, первый разветвитель 2.1, второй разветвитель 2.2, первый блок умножения 3.1, третий разветвитель 2.3, первый ФНЧ 4.1, первый АЦП 5.1 и вычислительное устройство 7, выход которого является выходом устройства, при этом второй выход второго разветвителя 2.2 соединен со вторым входом первого блока умножения 3.1. Второй выход третьего разветвителя 2.3 через последовательно соединенные первый ПФ 6.1 и второй АЦП 5.2 соединен со вторым входом вычислительного устройства 7. Второй выход первого разветвителя 2.1 через последовательно соединенные четвертый разветвитель 2.4, второй блок умножения 3.2, пятый разветвитель 2.5, второй ФНЧ 4.2 и третий АЦП 5.3 соединен с третьим входом вычислительного устройства 7. Второй выход четвертого разветвителя 2.4 соединен со вторым входом второго блока умножения 3.2. Второй выход пятого разветвителя 2.5 через последовательно соединенные второй ПФ и четвертый АЦП 5.4 соединен с четвертым входом вычислительного устройства 7. Вход УПЧ 1 является входом устройства. Вход первого разветвителя 2.1 является входом основного канала обработки. Выходы первого 5.1 и второго 5.2 АЦП являются соответственно первым и вторым выходами основного канала. Вход четвертого разветвителя 2.4 является входом компенсационного канала обработки. Выходы третьего 5.3 и четвертого 5.4 АЦП являются соответственно первым и вторым выходами компенсационного канала.
Устройство работает следующим образом.
Приводится описание способа для случая работы на фиксированной частоте. Для случая работы с перестройкой частоты процесс осуществляется для каждой рабочей частоты так же, как для фиксированной частоты.
Используется гармонический сигнал. Вид модуляции – амплитудная манипуляция (АМн).
Формируют два типа сигнала. Сигналы различных типов отличаются тем, что их амплитуды отличаются в заданное количество раз ф. (1).
Считается, что при вхождении в связь осуществлена синхронизация, и положение во времени начала сигнала известно с достаточной точностью для взятия отсчетов с необходимой точностью.
Аддитивную смесь сигнала и помехи обрабатывают в линейном тракте приемника, после чего ее с выхода УПЧ 1 подают в первый разветвитель 2.1, где разветвляют смесь сигнала и помехи на две одинаковые составляющие. Первую составляющую подают во второй разветвитель 2.2, где разветвляют смесь сигнала и помехи на две одинаковые составляющие, которые подают соответственно на первый и второй входы первого блока умножения 3.1. Результат возведения в квадрат смеси сигнала и помехи (далее по тексту – сигнал) подают на третий разветвитель 2.3, где его разветвляют на две одинаковые составляющие. Первую составляющую фильтруют первым ФНЧ 4.1, полоса которого согласована с полосой сигнала. Вторую составляющую фильтруют первым ПФ 6.1, полоса пропускания которого выбирается так, что верхняя частота полосового фильтра соответствует верхней частоте сигнала, нижняя частота ПФ 6.1 выбирается максимально близкой к нулю. Выбор первого 4.1 и второго 4.2 ФНЧ и первого 6.1 и второго 6.2 полосовых фильтров осуществляют с идентичными в максимальной степени фазово-частотными характеристиками друг относительно друга и так, что обеспечивается минимально возможное значение суммы разностей значений амплитудно-частотных характеристик ФНЧ и полосовых фильтров, взятых для всех частот. Сигнал с выхода первого ФНЧ 4.1 подают в первый аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 5.1. Сигнал с выхода первого ПФ 6.1 подают во второй АЦП 5.2. В первом 5.1 и втором 5.2 АЦП формируют отсчеты сигнала в цифровом виде. Отсчеты сигнала с выходов первого 5.1 и второго 5.2 АЦП подают соответственно на первый и второй входы в ВУ 7, в котором из отсчетов сигнала, прошедшего на выход первого ФНЧ 4.1, вычитают отсчеты сигнала, прошедшего на выход первого ПФ 6.1. Полученные значения суммируют и запоминают.
В компенсационном канале обработку сигнала осуществляют так же, как в основном канале, при этом отсчеты сигналов, прошедших второй ФНЧ 4.2 и второй ПФ 6.2, которые формируют в третьем АЦП 5.3 и четвертом АЦП 5.4 соответственно, берут с временным сдвигом, значение которого определяют заранее (см. фиг. 1).
В ВУ 7 рассчитывают разность отсчетов сигналов, прошедших второй ФНЧ 4.2, и отсчетов сигналов, прошедших второй ПФ 6.2, эти значения суммируют и запоминают. Вычисляют значение амплитуды сигнала с использованием запомненных значений напряжений, полученных в основном и компенсационном каналах, применяя ф. (7).
Вывод о наличии сигнала первого или второго типа делают по результату сравнения полученного значения амплитуды сигнала с соответствующим порогом.
Значение порога определяют, например, с использованием эталонного сигнала, который передают до начала передачи сообщений.
Результаты оценки эффективности предлагаемого способа получены методом математического моделирования на ЭВМ с использованием системы MATLAB.
Результаты моделирования приведены в соответствующей таблице описания.
УПЧ 1 может быть реализован, например, на микросхеме AD8054ARUZ фирмы Analog Devices.
С первого 5.1 по четвертый 5.4 АЦП могут быть реализованы, например, на микросхеме ADS8422 фирмы Texas Instruments.
Вычислительное устройство 7 может быть выполнено в виде программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), и реализовано, например, на микросхеме XC2V3000-6FG676I фирмы Xilinx.
Таким образом, при использовании предлагаемого способа и устройства, его реализующего, эффективность предлагаемого способа практически не уступает эффективности способа-прототипа в условиях воздействия помех типа АБГШ. При изменении мощности помехи со скоростью, соизмеримой с значением периода изменения частоты сигнала, скорость обмена информацией повышается практически в два раза, по сравнением со случаем применения способа-прототипа, за счет того, что оценку мощностей помехи и сигнала осуществляют одновременно.