УСТРОЙСТВО НЕКОГЕРЕНТНОГО ПОДАВЛЕНИЯ УЗКОПОЛОСНЫХ ПОМЕХ

Устройство некогерентного подавления узкополосных помех относится к области радиоэлектроники и может быть использовано в радиоприемных устройствах, работающих в условиях узкополосных помех.
Известны устройства подавления узкополосных помех, представленные в [1-3].
Основным недостатком рассмотренных устройств является то, что они не позволяют добиться максимальной эффективности подавления помех, поскольку не являются адаптивными относительно плотности распределения амплитуды помех.
Наиболее близким аналогом (прототипом) по технической сущности и принципу действия является устройство некогерентного подавления узкополосных помех, описанное в [2, стр. 309, рис. 5.21]. Это устройство содержит последовательно включенные амплитудный детектор и некогерентный накопитель. На выходе некогерентного накопителя получаем полезный сигнал с частично подавленной помехой.
Технический результат работы прототипа заключается в обнаружении сигналов на фоне узкополосных помех при нелинейной обработке огибающей входной смеси полезного сигнала и помехи.
К недостаткам прототипа следует отнести:
- устройство рассчитано на работу в условиях малого отношения сигнал/помеха, при большом отношении сигнал/помеха эффективность подавления сильно снижается, т.е. устройство реализует алгоритм подавления помехи, который не учитывает отсутствие на входе устройства помехи. При возникновении такой ситуации вместо помехи будет подавлен полезный сигнал;
- необходимо иметь априорную информацию о плотности распределения помехи, которая чаще всего неизвестна, или изменяется с течением времени, т.е. устройство не является адаптивным.
Таким образом, техническая задача, на решение которой направлено заявляемое устройство, состоит в том, чтобы создать устройство некогерентного подавления узкополосных помех, которое является адаптивным относительно плотности распределения амплитуды помех, и эффективность которого не зависит от величины отношения сигнал/помеха.
Технический результат достигается тем, что устройство некогерентного подавления узкополосных помех содержит (см. фиг. 1) амплитудный детектор, блок получения равновероятных отчетов, Q нелинейных элементов, Q перемножителей, Q согласованных фильтров, блок вычисления весовых коэффициентов и сумматор, при этом выход амплитудного детектора 1 соединен с входом блока получения равновероятных отчетов 2, выход которого соединен с входом каждого нелинейного элемента 3, 4, 5, выход каждого нелинейного элемента 3, 4, 5 соединен с входом соответствующего согласованного фильтра 6, 7, 8, выход которого соединен с соответствующим входом блока вычисления весовых коэффициентов 12, а также с первым входом соответствующего перемножителя 9, 10, 11, второй вход которого соединен с соответствующим выходом блока вычисления весовых коэффициентов 12, а выход соединен с соответствующим входом общего сумматора 13.
Параметр Q может принимать любые положительные целые значения. На фиг. 1 представлена структурная схема устройства некогерентного подавления узкополосных помех для случая Q=3.
Предлагаемое устройство выделяет огибающую входной смеси помехи и полезного сигнала, преобразовывает отчеты огибающей к равновероятному закону распределения, делит полученный процесс на Q параллельных безынерционных нелинейных линейно-независимых каналов, подвергает согласованной с огибающей полезного сигнала фильтрации в каждом канале, а также суммирует согласованные отклики каждого канала с определенным весом, причем вектор весовых коэффициентов суммирования является собственным вектором, соответствующим максимальному собственному значению матрицы взаимных ковариаций согласованных откликов.
Предлагаемое устройство не использует ограничение о слабом по сравнению с помехой полезном сигнале на входе и не требует предположений относительно вероятностных характеристик помехи. Единственное ограничение - наличие согласованной фильтрации. В силу известного факта - ее инвариантности относительно амплитуды, фазы и времени прихода полезного сигнала на входе - следует аналогичная инвариантность предлагаемого устройства.
Таким образом, техническим результатом работы устройства является отсутствие необходимости иметь априорную информацию о плотности распределения помехи, а также отсутствие ограничения о слабом по сравнению с помехой полезном сигнале на входе.
Амплитудный детектор 1 может быть выполнен на полупроводниковых диодах, как указано в [4, стр. 123, рис. 7.1], или с применением операционных усилителей [5, стр. 109, рис. 5.10].
Остальные блоки устройства могут быть выполнены на микропроцессоре или сигнальном процессоре, у которого есть многоканальный АЦП, например, MultiClet R1 (см. руководство по эксплуатации) или TMS320F28335 (см. руководство по эксплуатации) с применением отдельного многоканального АЦП, например, AD7779 (см. руководство по эксплуатации).
Блок получения равновероятных отчетов 2 может быть реализован, например, с помощью метода ранжирования, что означает замену каждого, поступающего на его вход, отчета своим рангом, т.е. номером места в вариационном ряду. При этом, поскольку в качестве системы амплитудных характеристик нелинейных элементов необходимо использовать многочлены Лежандра порядка 0, 1,…Q, аргумент которых лежит в диапазоне значений от -1 до 1, значения отчетов, поступающих на вход нелинейных элементов, т.е. рангов, также должны приводиться к этому диапазону. Таким образом, создаются условия для применения в качестве базисных функций нелинейных элементов ортонормированных многочленов Лежандра.
Блок определения весовых коэффициентов реализуется путем решения классической задачи поиска собственного вектора, который соответствует максимальному собственному значению матрицы взаимных ковариаций откликов согласованных фильтров [6, стр. 82].
Работу устройства можно описать следующим образом.
Любой узкополосный процесс y(t) можно представить в виде:
jϕ(t)
где =A(t)e - комплексная огибающая процесса y(t), которая содержит огибающую A(t) и фазу ϕ(t).
Любое безынерционное нелинейное преобразование ƒ[y(t)] изменяет только огибающую A(t) процесса y(t):
0
где u[A(t)] - амплитудная характеристика нелинейного преобразователя по первой гармонике частоты ω.
Представим амплитудную характеристику нелинейного преобразователя по первой гармонике обобщенным полиномом
где  - вектор столбец параметров настройки нелинейного
1
2
Q
T
преобразователя,ν[A(t)={ν[A(t)],ν[(t)]…ν[A(t)]} - система линейно-независимых базисных функций.
jϕ(t)
Множитель вращения  не несет информации и может не учитываться. Поскольку обработка ведется некогерентным способом множитель e, несущий фазовую информацию, также не учитывается.
Тогда
i
i
i
i
i
Заменим непрерывные функции времени совокупностью их дискретных отчетов в моменты времени t=iΔt, тогда y(t)=y, А(t)=А, где i∈[1…N] - целое число, количество отчетов сигнала.
i,k
k
i
Отчеты процессов на выходах базисных функций можно объединить в прямоугольной N×Q матрице D с элементами d=ν(A).
i,k
1
2
N
〈1〉
〈2〉
〈Q〉
T
Если матрицу D с элементами d представить совокупностью векторов D={d,d…d}, то совокупность отчетов на выходе нелинейного преобразователя ƒ={ƒ(y), ƒ(y)…ƒ(y)} можно представить в виде ƒ=Dh, а энергию на его выходе, равную энергии на входе СФ
j
j
Примем, что согласованный фильтр имеет комплексную импульсную характеристику g(t)=g, где j∈[l…M] - целое число, количество отчетов импульсной характеристики.
i
i
k
i
В силу линейности u[A(t)] относительно параметров настройки h, отклик устройства подавления узкополосных помех z(t)=z можно представить суммой откликов, полученных от каждой базисной функции ν(A)
Обозначим совокупность отчетов на выходах согласованных фильтров прямоугольной матрицей R с элементами
1
2
M
T
Тогда совокупность отчетов Z={z, z…z} на выходе устройства подавления узкополосных помех может быть представлена в виде Z=Rh, а энергию на его выходе, т.е. на выходе СФ
Е
вых
вх
Устройство должно адаптироваться к принимаемым помехам таким образом, чтобы обеспечить максимальное отношение энергии на выходе согласованного фильтра к энергии на его входе, если представить устройство простым эквивалентом вида нелинейный преобразователь плюс согласованный фильтр. Тогда энергия на входе согласованного фильтра есть энергия на выходе весовой суммы нелинейных преобразователей, амплитудные характеристики которых образуют систему ортонормированных функций. Таким образом, показатель эффективности Кнастройки нелинейного преобразователя, равен отношению энергии на выходе Е и входе Е согласованного фильтра, которые определяются выражениями:
onm
Оптимальными значениями параметров настройки нелинейного преобразователя будем считать такие h, при которых достигается максимум этого показателя.
Обозначим , , тогда показатель эффективности примет вид обобщенного отношения Релея:
max
onm
Его максимизация эквивалентна поиску максимального собственного значения λ и соответствующего ему собственного вектора h, которые являются решением уравнения
onm
В частности, если базисные функции ν(A) являются ортонормированными, то матрица В становится единичной и поиск оптимальных параметров h сводится к решению классической проблемы собственных значений.
Таким образом, применение блока получения равновероятных отчетов и использование многочлена Лежандра в качестве базисных функций делает устройство нечувствительным к виду распределения помехи и ее мощности, что в итоге дает стабилизацию порога обнаружения и стабильную вероятность ложной тревоги. Следовательно, требуется один раз рассчитать порог правильного обнаружения, исходя из нужного значения ложной тревоги, и она будет постоянна при любых изменениях плотности вероятности огибающей помехи.
Для оценки эффективности устройства некогерентного подавления узкополосных помех проведено математическое моделирование его работы в условиях помех от взволнованной морской поверхности.
max
В таблице 1 приведены значения выигрыша μ для устройства некогерентного подавления узкополосных помех и максимально возможного выигрыша μ (значения в таблице даны в скобках), рассчитанного по методике [7], для условий морской помехи с К-распределением плотности вероятности [8, стр. 113, формула 4.33], при разном отношении «помеха/шум» α (два варианта параметров помехи: ν=0.5 и b=0.5, ν=1 и b=0.5, базисные функции - многочлены Лежандра порядка 0, l,…m).
В таблице 2 приведена вероятность правильного обнаружения (Рпо) в зависимости от отношения «сигнал/(помеха+шум)» для асимптотически оптимального полиномиального нелинейного преобразователя порядка m (АС) в условиях заранее известного распределения помехи, для квадратичного нелинейного преобразователя (KB) и предлагаемого устройства некогерентного подавления узкополосных помех (НФ, базисные функции - многочлены Лежандра порядка 0, 1,…m), при разном отношении «помеха/шум» α (параметры модели помехи: ν=0.5 и b=0.5).
По таблицам 1 и 2 можно сделать вывод, что эффективность предлагаемого устройства некогерентного подавления узкополосных помех отличается от максимально возможной эффективности на 1.5-5 дБ в зависимости от параметров помехи, а также не снижается при увеличении мощности полезного сигнала. Таким образом, устройство лишено существенных недостатков: необходимости априорного знания распределения амплитуды помехи и ограничения о малом по сравнению с помехой сигнале.
ЛИТЕРАТУРА
1. Патент РФ №2360360 С1, МПК Н04В 1/00, опубл. 27.06.2009.
2. П.А. Бакут. Теория обнаружения сигналов. М.: Радио и связь, 1984. 440 с. Стр. 300, рис. 5.12а. Стр. 309, рис. 5.21.
3. Патент РФ №2352063 С1, МПК Н04В 1/10, опубл. 10.04.2009.
4. Радиоприемные устройства / Под ред. А.П. Жуковского. М.: Высшая школа, 1989. 342 с.
5. В.И. Щербаков, Г.И. Грездов. Электронные схемы на операционных усилителях: Справочник. К.: Техника, 1983. 213 с.
6. Ф. Р. Гантмахер. Теория матриц. М.: Наука, 1966. 576 с.
7. В.Г. Валеев, А.А. Язовский. Адаптивные нелинейные преобразователи для подавления негауссовских помех // Киевский политехнический институт. Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 1987. №8. Том 30. С. 62-64.
8. K. Ward, R. Tough, S. Watts. Sea clutter: scattering, the K distribution and radar performance. Croydon: CPI Group Ltd, 2006. 452 p.