Способ выделения сигнала в условиях воздействия помех путем компенсации помехи за счет аппроксимации значения ее амплитуды
METHOD OF EXTRACTING SIGNAL UNDER CONDITIONS OF INTERFERENCE BY COMPENSATION OF INTERFERENCE DUE TO APPROXIMATION OF VALUES OF ITS AMPLITUDE

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в системах связи.
Известен адаптивный измеритель параметров непрерывных широкополосных сигналов (патент РФ №2349923), в котором осуществляется на первом этапе обнаружение сигнала, грубое оценивание амплитуды сигнала и грубое оценивание частоты сигнала, на втором этапе - подстройка линии задержки, оценивание интервала корреляции, ширины спектра сигнала, уточнение частоты сигнала, на третьем этапе - согласование частотных параметров линейного тракта приемника с частотными параметрами сигнала, в ходе четвертого этапа осуществляется точное оценивание параметров сигнала. Недостатком данного измерителя параметров является узкий класс сигналов, для которых данное устройство работает эффективно, а именно непрерывных широкополосных сигналов.
Недостатки устройств подавления широкополосных помех, описанных в патентах RU 2115234 С1, 10.07.1998, RU 2143783 С1, 29.06.1999, RU 2190297 С2, 19.07.2000, является невысокая степень подавления помех.
Двухбалансный преобразователь с компенсацией помех описан в книге Максимова М.В., Бобнева М.П., Кривицкого Б.Х., и др. «Защита от радиопомех», изд. «Сов. радио», 1976 г., стр. 254-258. Недостатком данного устройства является низкая степень компенсации помех (компенсируется половина частотных составляющих помехи), а также узкий класс сигналов, для которых может применяться данное устройство - узкополосные непрерывные сигналы.
Наиболее близким способом по технической сущности к предлагаемому является способ бинарной фазовой манипуляции (BPSK), описанный в учебном пособии «Системы, сети и устройства телекоммуникаций. Учебное пособие. // В.И. Николаев, Ю.Б. Нечаев, В.В. Прилепский, С.С. Гремяченский. Воронежский научно-исследовательский институт связи, 2004», стр. 178, 179, принятый за прототип.
Способ заключается в следующем.
В данном способе используются противоположные сигналы - радиоимпульсы с начальными фазами 0 и π. Демодуляция сигнала осуществляется когерентным способом, то есть сложением амплитуд отсчетов, взятых в моменты времени, в которые значение сигнала максимально или минимально (с соответствующем знаком). Решение о наличии сигнала первого (фаза - 0) или второго (фаза - π) типа принимается по результату сравнения полученных значений с нулем. Недостатком данного способа является недостаточно высокая эффективность в условиях воздействия интенсивных помех.
Задача предлагаемого способа - повышение эффективности выделения сигнала в условиях наличия помех.
Предлагаемый способ заключается в следующем.
Формируется сигнал с использованием амплитудной, частотной или фазовой манипуляции и передается на фиксированной или соответствующей рабочей частоте, если используется перестройка рабочей частоты. На начальном этапе осуществляется синхронизация сигнала, например, путем обработки используемой кодовой последовательности, причем синхронизация осуществляется в начале передачи, если перестройка рабочей частоты не используется, и при каждом скачке частоты, если перестройка рабочей частоты используется.
Сигналы передаются с паузой в начале передачи и между сигналами, длительность которой определяется исходя из используемого способа аппроксимации помехи и инерционности полосового фильтра.
В случае использования частотной манипуляции, синхронизация и обработка сигнала осуществляются для каждой используемой частоты.
При приеме аддитивной смеси сигнала и помехи (в дальнейшем по тексту - смесь сигнала и помехи), при необходимости, частоту сигнала понижают или повышают до необходимого значения частоты (промежуточная частота), фильтруют полосовым фильтром, полученную смесь сигнала и помехи усиливают в усилителе. Формируют в цифровом виде отсчеты смеси сигнала и помехи (в аналого-цифровых преобразователях (АЦП)), первые (N-1) отсчетов берутся, когда сигнал отсутствует, через время, равное периоду изменения сигнала, причем моменты времени взятия отсчетов берутся синфазно с сигналом, т.е. в моменты, когда значения амплитуды сигнала, если бы он в данные моменты существовал, принимали бы максимальное или минимальное значение, число отсчетов при этом определяется исходя из используемого способа аппроксимации, последний отсчет (N) берется через определенное заранее число периодов, в которых присутствует сигнал, выбираемое исходя из условия обеспечения максимальной эффективности, в момент времени, когда амплитуда сигнала принимает максимальное или минимальное значение.
Моменты времени, когда берутся отсчеты, определяются следующим образом.
Моменты взятия отсчетов, когда сигнал отсутствует, определяются следующим образом (см. фиг. 1)
i
где T - момент взятия i-го отсчета, когда сигнал отсутствует;
s
T - период изменения сигнала;
i - номер используемого отсчета, когда сигнал отсутствует.
Текущий номер отсчета (i), когда отсутствует сигнал, изменяется от 1 до (N-1). Здесь N - общее число используемых отсчетов.
N
Момент взятия последнего отсчета T - момент взятия отсчета смеси помехи и сигнала, прошедшего фильтр, определяется как момент, когда значение сигнала должно принимать максимальное или минимальное значение не меньше заданного уровня (k-й период). Уровень сигнала выбирается исходя из условия обеспечения максимальной эффективности.
Для частотной манипуляции данные операции производятся в соответствующих частотных каналах.
Рассчитанное значение амплитуды помехи вычитают из значения амплитуды последнего отсчета, когда присутствует сигнал. Полученное значение амплитуды сравнивают с соответствующими порогами, и по результатам сравнения делается вывод о наличии сигнала какого-либо типа.
Для случая использования частотной манипуляции, значения, полученные в частотных каналах, сравнивают с соответствующими порогами. По результатам сравнения принимается решение о наличии сигнала какого-либо типа.
Ниже приведены результаты моделирования процесса обнаружения сигнала какого-либо типа для случая использования линейной аппроксимации помехи и использования бинарной фазовой манипуляции (BPSK), когда используются сигналы:
Sin х - передается 1;
- Sin х - передается 0.
Pi
Pi
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)
pi
где ω - частота i-й составляющей помехи;
pi
ϕ - фаза i-й составляющей помехи;
pi
U - амплитуда i-й составляющей помехи;
Nsp - число гармонических составляющих помехи, используемых для ее представления (аппроксимации).
Частоты составляющих помехи моделировались как случайные величины, значения которых распределены по равномерному закону, в полосе сигнала.
Моделировались два алгоритма оценки помехи. Первый, когда значение амплитуды помехи, в момент взятия отсчета, когда отсутствует сигнал, считается равным амплитуде помехи, в момент взятия отсчета, когда сигнал присутствует, второй - когда для оценки значения амплитуды помехи используется алгоритм линейной аппроксимации при использовании двух значений амплитуды помехи.
p1
p2
sp
В последнем случае берутся два отсчета в моменты времени, когда присутствует только помеха (U, U), и третий отсчет в момент времени, когда присутствуют и сигнал, и помеха (U) (см. фиг. 1).
При этом оценка амплитуды помехи в момент взятия третьего отсчета рассчитывается по формуле (см. фиг. 2)
p1
p2
где U, U - первая и вторая амплитуды отсчетов, которые взяты в моменты времени, когда присутствует только помеха;
op3
U - оценка амплитуды помехи в момент взятия третьего отсчета.
Оценка амплитуды сигнала в момент взятия третьего отсчета рассчитывается по формуле
Результаты оценки эффективности предлагаемого способа получены методом математического моделирования на ЭВМ с использованием системы MATLAB.
В таблице 1 приведены результаты моделирования значения амплитуды помехи (Up) на выходе полосового фильтра для различных значений отношения мощностей помехи и сигнала (Up/Pps) при условии, что полоса фильтра составляет 4% от значения частоты сигнала. Мощность сигнала равна 1 Вт.
Из анализа данных, приведенных в таблице 1, может быть сделан вывод, что случайный процесс на выходе узкополосного фильтра является квазигармоническим процессом с частотой, близкой к частоте сигнала, со случайной, медленно изменяющейся амплитуды, по сравнению с частотой сигнала, причем изменение амплитуды отсчетов, взятых через период частоты сигнала, изменяется не больше, чем на 10% для случая, когда значение отношения мощностей помехи и сигнала равно 1, и не более чем на 4% для случая, когда значение отношения мощностей помехи и сигнала равно 10.
При моделировании прохождения сигнала через полосовой фильтр использовалась процедура MATLAB «firls» - нерекурсивный полосовой фильтр.
В таблице 2 приведено относительное значение сигнала от его максимального уровня (Uco) (в точках, в которых значения сигнала максимальны) на выходе фильтра, полученное с использованием процедуры MATLAB «firls».
В таблице 3 представлены результаты моделирования процесса принятия решения о наличии сигнала первого типа (Sin х) или второго типа (-Sin x) для различных значений отношения мощностей помехи и сигнала, числа составляющих помехи и значений полосы полосового фильтра в процентном отношении к значению частоты сигнала для случая, когда амплитуда помехи в предыдущем отсчете считается равной амплитуде помехи, для случаев использования отсчета, взятого в первом периоде, в котором присутствует сигнал, и использования отсчета, взятого во втором периоде, в котором присутствует сигнал.
В таблице 4 представлены результаты моделирования процесса принятия решения о наличии сигнала первого типа (Sin х) или второго типа (-Sin х) для различных значений отношения мощностей помехи и сигнала, числа составляющих помехи и значений полосы полосового фильтра в процентном отношении к значению частоты сигнала, для случая, когда для оценки значения амплитуды помехи используется способ линейной аппроксимации.
При моделировании использовались следующие исходные данные:
3
- число реализаций - 10;
- полоса фильтра составляет 4% и 10% от значения частоты сигнала (ΔFф/Fч);
- мощность сигнала равна 1 Вт.
В таблицах 3 и 4 использованы следующие обозначения:
Uco - относительное значение сигнала от его максимального уровня для используемого периода;
Pps - значение отношения мощностей помехи и сигнала;
Nsp - число составляющих помех;
Noш1 - число ошибок при принятии решения о том, что присутствует сигнал первого типа при условии, что передается сигнал первого типа;
Nпр2 - число правильных решений о том, что присутствует сигнал второго типа при условии, что передается сигнал второго типа.
Анализ данных, приведенных в таблице 3, позволяет сделать следующие выводы.
Для случая, когда амплитуда помехи в предыдущем отсчете считается равной амплитуде помехи в следующем отсчете, и используется отсчет, взятый в первом периоде, в котором присутствует сигнал, значение полосы полосового фильтра не превышает 4% относительно значения частоты сигнала, эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа- прототипа примерно в 5 раз.
Для данного варианта способа, когда значение полосы полосового фильтра составляет около 10% относительно значения частоты сигнала, эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала уступает эффективности способа- прототипа примерно в 2 раза.
Для случая, когда амплитуда помехи в предыдущем отсчете считается равной амплитуде помехи в следующем отсчете, и используется отсчет, взятый во втором периоде, в котором присутствует сигнал, значение полосы полосового фильтра не превышает 4% относительно значения частоты сигнала и число частотных составляющих помехи невелико (меньше 1000), эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа- прототипа примерно в 6 раз.
Для данного варианта способа, когда число частотных составляющих помехи значительно (превышает 1000), эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа-прототипа примерно в 9 раз.
Для данного варианта способа, когда значение полосы полосового фильтра составляет около 10% относительно значения частоты сигнала, эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа- прототипа примерно в 1,5 раза.
По результатам анализ данных, приведенных в таблице 4, могут быть сделаны следующие выводы.
Для случая, когда для оценки значения амплитуды помехи используется способ линейной аппроксимации, используется отсчет, взятый в первом периоде, в котором присутствует сигнал, значение полосы полосового фильтра не превышает 4% относительно значения частоты сигнала и число частотных составляющих помехи невелико (меньше 1000), эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа- прототипа примерно в 400 раз.
Для данного варианта способа, когда число частотных составляющих помехи значительно (превышает 1000), эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа-прототипа примерно в 500 раз.
Для данного варианта способа, когда значение полосы полосового фильтра составляет около 10% относительно значения частоты сигнала, эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа- прототипа примерно в 7 раз.
Для случая, когда для оценки значения амплитуды помехи используется способ линейной аппроксимации, используется отсчет, взятый во втором периоде, в котором присутствует сигнал, значение полосы полосового фильтра не превышает 4% относительно значения частоты сигнала и число частотных составляющих помехи невелико (меньше 1000), эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа-прототипа примерно в 270 раз.
Для данного варианта способа, когда число частотных составляющих помехи значительно (превышает 1000), эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа-прототипа примерно в 280 раз.
Для данного варианта способа, когда значение полосы полосового фильтра составляет около 10% относительно значения частоты сигнала, эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа прототипа примерно в 4,3 раз.
Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, приведена на фиг. 3, где обозначено:
1 - антенна;
2 - смеситель;
3 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ);
4 - полосовой фильтр промежуточной частоты (ПЧ);
5 - гетеродин;
6 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
7 - вычислительное устройство (ВУ).
Устройство содержит последовательно соединенные антенну 1, смеситель 2, УПЧ 3, полосовой фильтр промежуточной частоты (ПЧ) 4, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, вычислительное устройство (ВУ) 7, выход которого является выходом устройства, второй выход вычислительного устройства 7 соединен со вторым входом АЦП 6, а также содержит гетеродин 5, выход которого соединен со вторым входом смесителя 2, вход антенны 1 является входом устройства.
Работа устройства приведена для случая использования бинарной фазовой манипуляции (BPSK).
Предварительно, на начальном этапе, осуществляется синхронизация сигнала, например, путем обработки используемой кодовой последовательности в вычислительном устройстве 7. По результатам обработки в вычислительном устройстве 7 определяется момент прихода сигнала и по его значению вычисляются моменты взятия отсчета для каждого вновь приходящего сигнала и формируются соответствующие управляющие сигналы, которые поступают на второй вход АЦП 6.
На передающей стороне формируются сигналы способом бинарной фазовой манипуляции (BPSK). Длительность сигнала составляет три периода частоты сигнала. Сигналы передаются с паузой, равной семи периодам частоты сигнала. Смесь сигнала и помехи с антенны 1 поступает в смеситель 2, где осуществляется понижение или повышение значения частоты сигнала до значения промежуточной частоты. Полученную смесь сигнала и помехи усиливают в УПЧ 3, усиленный сигнал фильтруется полосовым фильтром 4 и поступает в АЦП 6, где в моменты, определенные в вычислительном устройстве 7, формируются в цифровом виде отсчеты смеси сигнала и помехи, первый и второй отсчеты берутся в момент времени, когда значение сигнала должно принимать максимальное или минимальное значение, и когда сигнал отсутствует, третий отсчет берется через время, равное периоду изменения частоты сигнала, когда присутствуют и сигнал, и помеха (см. фиг. 1).
Значения амплитуд отсчетов в цифровом виде поступают в вычислительное устройство 7, где осуществляется оценка амплитуды сигнала в момент взятия третьего отсчета по алгоритму (см. формулы 3, 4).
Результаты моделирования процесса принятия решения о наличии сигнала первого (Sin х) или второго (-Sin х) типа для различных способов аппроксимации, различных значений отношения мощностей помехи и сигнала, числа составляющих помехи и значений полосы сигнала в процентном отношении к значению частоты сигнала приведены в таблицах 3, 4.  Вычислитель может быть выполнен, например, на микросхеме TMS320VC5416 фирмы TexasInstruments (США).
АЦП может быть выполнен, например, на микросхеме AD7495BR фирмы Analog Devices.
Таким образом, при использовании заявляемого способа выделения сигнала в условиях воздействия помех путем компенсации помехи за счет аппроксимации значения ее амплитуды, который может быть реализован описанным устройством, эффективность выделения сигнала в условиях воздействия помех значительно выше, чем при использовании способа прототипа.