Способ энергетического обнаружения сигнала с его компенсацией в дополнительном канале
METHOD FOR ENERGY DETECTION OF A SIGNAL WITH ITS COMPENSATION IN AN ADDITIONAL CHANNEL

Способ относится к радиотехнике и может найти применение в средствах радиосвязи.
Известны способы, которые реализуются устройствами подавления узкополосных помех, описанными в а.с. №1688416, H04B1/10, а также в патентах РФ №2034403, H04B1/10, №2204203, H04B1/10, недостатком которых является недостаточно высокая эффективность подавления хаотических импульсных помех (ХИП).
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, 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 которых является недостаточно высокая эффективность подавления ХИП.
G01R 29/26
Известен измерительный модуль селективной оценки отношения мощностей сигнал/помеха в радиоканале, описанный в патенте RU 2520567, . Недостатком устройства является отсутствие компенсации комбинационных составляющих, которые возникают при умножении сигнала и помехи самих на себя, а также его недостаточно высокая эффективность в случае воздействия помех с неравномерной спектральной плотностью.
G01R 29/26
Известен цифровой измеритель мощности сигнала и мощности помехи в полосе пропускания канала радиоприемника в реальном масштабе времени, описанный в патенте RU 2 472 167, . Недостатком устройства является отсутствие компенсации комбинационных составляющих, которые возникают при умножении сигнала и помехи самих на себя или на их отсчеты, сдвинутые во времени, а также его недостаточно высокая эффективность в случае воздействия нестационарных помех.
H04B 1/10
Известны способ и устройство энергетического обнаружения сигнала с компенсацией комбинационных составляющих помехи и сигнала и помехи, описанный в патенте RU 2683021, , недостатком которых является снижение скорости обмена информацией.
H04B 1/10
Известен способ энергетического обнаружения сигнала с компенсацией комбинационных составляющих сигнала и помех в основном и компенсационном каналах, описанный в патенте RU 2700580, , недостатком которого является его недостаточно высокая эффективность, что объясняется использованием в дополнительном канале отсчетов сигналов, значения которых отличаются от максимально-возможного значения.
H04B 1/10
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является способ выделения сигнала в условиях наличия помех, описанный в патенте RU 2675386,, принятый за прототип.
Способ-прототип заключается в том, что принятая аддитивная смесь сигнала и помехи обрабатывается в линейном тракте приемника, после чего сигнал возводят в квадрат и принимают решение о наличии сигнала путем сравнения с порогом. Сигнал после возведения в квадрат фильтруют фильтром нижних частот (ФНЧ), полоса которого согласована с полосой сигнала, и одновременно фильтруют полосовым фильтром (ПФ), полоса пропускания которого выбирается так, что верхняя частота ПФ соответствует верхней частоте сигнала, нижняя частота полосового фильтра выбирается максимально близкой к нулю, выбор ФНЧ и ПФ осуществляют с идентичными в максимальной степени фазо-частотными характеристиками друг относительно друга и так, что обеспечивают минимально возможное значение суммы разностей значений амплитудно-частотных характеристик ФНЧ и ПФ, взятых для всех частот, путем преобразования в соответствующих аналого-цифровых преобразователях (АЦП). Формируют отсчеты сигналов, прошедших ПФ 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 путем фильтрации помехи тем же ФНЧ, которым фильтруют смесь сигнала и помехи, одновременно фильтруют помеху тем же ПФ, которым фильтруют смесь сигнала и помехи, путем преобразования в соответствующих АЦП, формируют отсчеты помехи, прошедшей ФНЧ и ПФ, эти 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. Решение о наличии сигнала принимают путем сравнения мощности сигнала с порогом.
Но у способа-прототипа недостаточно высокая скорость обмена информацией в условиях воздействия помех.
Задача предлагаемого технического решения – повышение скорости обмена информацией в условиях воздействия помех.
согласно изобретению
Для решения поставленной задачи в способе энергетического обнаружения сигнала с его компенсацией в дополнительном канале, заключающемся в том, что аддитивную смесь сигнала и помехи обрабатывают в линейном тракте приемника, после чего сигнал возводят в квадрат, сигнал после возведения в квадрат фильтруют фильтром нижних частот (ФНЧ), полоса которого согласована с полосой сигнала, и одновременно фильтруют полосовым фильтром (ПФ), полоса пропускания которого выбирается так, что верхняя частота ПФ соответствует верхней частоте сигнала, нижняя частота полосового фильтра выбирается максимально близкой к нулю, выбор ФНЧ и ПФ осуществляют с идентичными в максимальной степени фазо-частотными характеристиками друг относительно друга и так, что обеспечивают минимально возможное значение суммы разностей значений амплитудно-частотных характеристик ФНЧ и ПФ, взятых для всех частот, путем преобразования в соответствующих аналого-цифровых преобразователях (АЦП), формируют отсчеты сигналов, прошедших ПФ и ФНЧ, данные значения вычитают одно из другого в вычислительном устройстве, полученные значения суммируют и запоминают, принимают решение о наличии сигнала путем сравнения полученного значения, пропорционального мощности сигнала, с порогом, , сигнал формируют с использованием амплитудной манипуляции, после установления связи и синхронизации станций в интервалах, предназначенных для приема информации – интервалы приема, входную смесь сигнала и помехи разветвляют на две одинаковые составляющие, первую составляющую умножают на копию сигнала, затем интегрируют, после чего осуществляют обработку следующим способом измерения мощности сигнала: сигнал возводят в квадрат, сигнал после возведения в квадрат фильтруют ФНЧ и одновременно фильтруют ПФ, формируют отсчеты сигналов, прошедших ПФ и ФНЧ, данные значения вычитают одно из другого в вычислительном устройстве, полученные значения суммируют и запоминают; вторую составляющую умножают на сигнал, ортогональный к принятому сигналу, полученный сигнал интегрируют, после чего осуществляют обработку следующим способом измерения мощности сигнала: сигнал возводят в квадрат,сигнал после возведения в квадрат фильтруют ФНЧ и одновременно фильтруют ПФ, формируют отсчеты сигналов, прошедших ПФ и ФНЧ, данные значения вычитают одно из другого в вычислительном устройстве, полученные значения суммируют и запоминают, полученные величины вычитают одну из другой, принимают решение о наличии сигнала путем сравнения полученного значения, пропорционального мощности сигнала с порогом.
Предлагаемый способ энергетического обнаружения сигнала с компенсацией комбинационных составляющих и оценкой мощности помехи в дополнительном канале заключается в следующем.
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.
Сигнал формируют с использованием амплитудной манипуляции (АМн).
Информацию передают в виде нескольких информационных символов, каждый из которых передает один бит информации. Амплитуду сигнала, образующих информационный символ, устанавливают следующим образом:
1
U – амплитуда сигнала первого типа, например, передается единица;
2
U – амплитуда сигнала второго типа, например, передается ноль.
После установления связи и синхронизации станций в интервалах, предназначенных для приема информации – интервалы приема, обработку смеси сигнала и помехи осуществляют следующим образом.
Входную смесь сигнала и помехи разветвляют на две одинаковые составляющие и обрабатывают в двух каналах.
В первом канале обрабатывают первую составляющую. Входную смесь сигнала и помехи умножают на копию сигнала, которая является синфазной с входным сигналом.
Результат умножения – сумма квадрата сигнала и произведения копии сигнала на помеху
с
о
где: U, U– амплитуды сигнала и опорного сигнала соответственно;
пi
U – i-ая составляющая помехи;
sp
N – число составляющих помехи.
Здесь
апi
i
где: U, ω – амплитуды и частоты составляющих помех.
В результате интегрирования получаем сумму сигналов, записанных в виде (1).
Осуществляют обработку полученного сигнала способом, который использован в способе-прототипе – способ измерения мощности сигнала.
Сумму сигнала и помехи (далее – сигнал) возводят в квадрат.
Результат возведения в квадрат – сумма квадрата произведения сигнала на опорный сигнал, квадратов произведения составляющих помехи на опорный сигнал, комбинационных составляющих произведения составляющих помехи на опорный сигнал, комбинационных составляющих произведения сигнала на опорный сигнал и произведения помехи на опорный сигнал.
Сигнал после возведения в квадрат фильтруют фильтром нижних частот (ФНЧ) и одновременно фильтруют полосовым фильтром (ПФ).
На выход ФНЧ проходят все составляющие сигнала – результата возведения в квадрат исходного сигнала.
На выход ПФ проходят только комбинационные составляющие помехи и сигнала и комбинационные составляющие помехи.
Полоса ФНЧ согласована с полосой сигнала, т.е. верхняя частота ФНЧ соответствует верхней частоте сигнала, нижняя частота ФНЧ близка к нулю.
Верхняя частота полосового фильтра соответствует верхней частоте сигнала. Нижняя частота полосового фильтра выбирается минимально возможной и таким образом, чтобы значение коэффициента подавления суммы квадратов амплитуд сигнала и помехи был не меньше заданного уровня. Значение коэффициента подавления определяется на этапе разработки путем моделирования или экспериментальным путем.
Выбор ФНЧ и полосового фильтра осуществляют с идентичными в максимальной степени фазо-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 (иллюстративное пояснение приведено на фиг. 3).
Формируют отсчеты сигналов, прошедших ФНЧ и ПФ, путем преобразования в соответствующих аналого-цифровых преобразователях (АЦП).
Считается, что при вхождении в связь осуществлена синхронизация, и положение во времени начала сигнала известно с достаточной точностью для осуществления преобразования в АЦП.
Число отсчетов, используемых для представления сигнала, определяется путем математического моделирования или экспериментальным путем.
Данные значения вычитают одно из другого в вычислительном устройстве. Полученные значения суммируют и запоминают.
В результате получают сигнал пропорциональный сумме мощностей сигнала и помехи
Вторую составляющую умножают на сигнал, ортогональный к принятому сигналу, а именно cos (ωt).
Полученный сигнал интегрируют в заданном временном интервале. В результате сумма произведения сигнала на ортогональный сигнал становится равной нулю.
После чего осуществляют обработку способом измерения мощности сигнала: сигнал возводят в квадрат;сигнал после возведения в квадрат фильтруют ФНЧ, и одновременно фильтруют ПФ; формируют отсчеты сигналов, прошедших ПФ и ФНЧ; данные значения вычитают одно из другого в вычислительном устройстве; полученные значения суммируют и запоминают; полученные величины вычитают одну из другой.
В результате получают сигнал пропорциональный мощности помехи
Поскольку мощности сигналов sin(ωt) и cos(ωt) одинаковы, то и значения оценок мощности помехи в первом и втором каналах одинаковы.
Поэтому в результате вычитания из значения оценки мощности сигнала, полученной путем умножения смеси помехи и сигнала на копию сигнала, значения оценки мощности сигнала, полученной путем умножения смеси помехи и сигнала на сигнал ортогональный входному сигналу, получают оценку мощности сигнала.
Принимают решение о наличии сигнала первого или второго типа путем сравнения полученного значения, пропорционального мощности сигнала, с порогом.
Пороговое значение мощности определяют, например, путем измерения мощности тестового сигнала и умножения его на соответствующий коэффициент.
Значение данного коэффициента определяют на этапе разработки путем математического моделирования или экспериментальным путем, исходя из условия обеспечения заданного уровня эффективности передачи информации.
Поскольку при применении способа-прототипа в условиях воздействия помех с быстро изменяющимся во времени значением мощности необходимо осуществлять измерение мощности помехи практически перед каждым передаваемым информационным символом, то при использовании предлагаемого способа в данных условиях скорость обмена информацией может быть повышена практически в два раза.
Структурная схема устройства, с использованием которого может быть реализован предлагаемый способ, приведена на фиг. 1, где обозначено:
1.1, 1.2 – первый и второй блоки умножения;
2.1, 2.2 – первый и второй интеграторы;
3.1, 3.2 – первый и второй блоки оценки мощности сигнала и помехи (ОМСП);
4 – блок вычитания;
5 – пороговое устройство.
Устройство содержит последовательно соединенные первый блок умножения 1.1, первый интегратор 2.1, первый блок ОМСП 3.1, блок вычитания 4, пороговое устройство 5, выход которого является выходом устройства. Последовательно соединенные второй блок умножения 1.2, второй интегратор 2.2, второй блок ОМСП 3.2, выход которого соединен со вторым входом блока вычитания 4. Первые входы первого 1.1 и второго 1.2 блоков умножения объединены и являются входом устройства. Вторые входы первого 1.1 и второго 1.2 блоков умножения являются входами для первого и второго опорных напряжений соответственно. Второй вход порогового устройства 5 является входом для порогового напряжения.
Устройство работает следующим образом.
При формировании сигнала используют амплитудную манипуляцию (АМн).
Информацию передают в виде нескольких информационных символов, каждый из которых передает один бит информации. Амплитуду сигнала, образующего информационный символ, устанавливают следующим образом:
1
U – амплитуда сигнала первого типа, например, передается единица;
2
U – амплитуда сигнала второго типа, например, передается ноль.
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.
После установления связи и синхронизации станций в интервалах, предназначенных для приема информации – интервалы приема, обработку смеси сигнала и помехи осуществляют следующим образом.
Входную смесь сигнала и помехи разветвляют на две одинаковые составляющие и обрабатывают в двух каналах.
В первом канале обрабатывают первую составляющую. Входную смесь сигнала и помехи умножают в первом блоке умножения 1.1 на опорный сигнал – копию сигнала, которая является синфазной с входным сигналом.
Результат умножения – сумма квадрата сигнала и произведения копии сигнала на помеху.
В результате интегрирования в первом интеграторе 2.1 получают сумму сигналов, которую можно записать в виде (1).
H04B 1/10
.
Осуществляют обработку полученного сигнала в первом блоке ОМСП 3.1 способом оценки мощности сигнала и смеси сигнала и помехи, который использован в способе-прототипе, описание которого приведено в патенте RU 2675386 . Данный способ обеспечивает измерение мощности с большой точностью за небольшое время
Оценку мощности смеси сигнала и помехи осуществляют в первом блоке ОМСП 3.1. Оценку мощности помехи осуществляют во втором блоке ОМСП 3.2.
Первый 3.1 и второй 3.2 блоки ОМСП выполнены одинаково. Ниже приведено описание первого блока ОМСП 3.1.
Структурная схема первого блока ОМС 3.1 приведена на фиг. 2, где обозначено:
3.1.1 – разветвитель;
3.1.2 – блок умножения;
3.1.3 – полосовой фильтр;
3.1.4.1, 3.1.4.2 – первый и второй аналого-цифровой преобразователи (АЦП);
3.1.5 – фильтр нижних частот (ФНЧ);
3.1.6 – вычислительное устройство (ВУ).
Устройство содержит последовательно соединенные разветвитель 3.1.1, блок умножения 3.1.2, полосовой фильтр 3.1.3, первый АЦП 3.1.4.1 и вычислительное устройство 3.1.6, выход которого является выходом устройства. Кроме того, второй выход разветвителя 3.1.1 подсоединен ко второму входу блока умножения 3.1.2, выход которого через последовательно соединенные фильтр нижних частот 3.1.5 и второй АЦП 3.1.4.2 соединен со вторым входом вычислительного устройства 3.1.6. Вход разветвителя 3.1.1 является входом устройства.
Устройство работает следующим образом.
Аддитивную смесь помехи и сигнала (в дальнейшем по тексту – смесь помехи и сигнала) или помеху (во втором канале) разделяют на два одинаковых сигнала в разветвителе 3.1.1. Полученные таким образом сигналы умножают друг на друга (возводят в квадрат) в блоке умножения 3.1.2, в качестве которого может использоваться, например, смеситель.
Результат перемножения смеси сигнала и помехи самой на себя:
- результат умножения сигнал на сигнал – квадрат амплитуды сигнала (постоянная составляющая);
- результат умножения составляющих помехи самих на себя – сумма квадратов амплитуд помехи (постоянная составляющая) и сумма результата умножения составляющих помехи на составляющие помехи (комбинационные составляющие помехи);
- результат умножения составляющих помехи на составляющие сигнала – сумма комбинационных составляющих сигнала и помехи.
Результаты умножения фильтруют ФНЧ 3.1.5 и одновременно (параллельно) – полосовым фильтром 3.1.3.
Полоса ФНЧ 3.1.5 согласована с полосой сигнала, т.е. верхняя частота ФНЧ 3.1.5 соответствует верхней частоте сигнала, нижняя частота ФНЧ 3.1.5 близка к нулю.
Верхняя частота полосового фильтра 3.1.3 соответствует верхней частоте сигнала. Нижнюю частоту полосового фильтра 3.1.3 выбирают минимально возможной и таким образом, чтобы значение коэффициента подавления суммы квадратов амплитуд сигнала и помехи был не меньше заданного уровня. Значение коэффициента подавления определяется на этапе разработки путем моделирования или экспериментальным путем.
Выбор ФНЧ 3.1.5 и полосового фильтра 3.1.3 осуществляют с идентичными в максимальной степени фазо-частотными характеристиками друг относительно друга и так, что обеспечивается минимально возможное значение суммы разностей значений амплитудно-частотных характеристик ФНЧ 3.1.5 и полосового фильтра 3.1.3, взятых для всех частот (иллюстративное пояснение приведено на фиг. 3).
Таким образом, на выход полосового фильтра проходят только комбинационные составляющие помехи, сигнала и комбинационные составляющие помехи и сигнала разностной частоты. То есть
где: Nss, Nsp – число гармонических составляющих сигнала и помехи, соответственно;
si
pi
si
pi
si
pi
U, U, ω, ω, φ, φ – амплитуды, частоты и фазы i-х составляющих сигнала и помехи, соответственно.
Путем преобразования в соответствующих первом 3.1.4.1 и втором 3.1.4.2 АЦП формируют отсчеты сигналов – результатов перемножения смеси сигнала и помехи, прошедших полосовой фильтр 3.1.3 и ФНЧ 3.1.5 соответственно.
Считается, что при вхождении в связь осуществлена синхронизация, и положение во времени начала сигнала известно с достаточной точностью для осуществления преобразования в АЦП.
Число отсчетов, используемых для представления сигнала, определяется путем математического моделирования или экспериментальным путем.
В вычислительном устройстве 3.1.6 отсчеты сигналов, прошедших ФНЧ 3.1.5, вычитают из отсчетов сигналов, прошедших полосовой фильтр 3.1.3, эти разности суммируют, нормируют и запоминают.
В результате в первом канале получают сигнал пропорциональный сумме мощностей сигнала и помехи (ф. 2).
Во втором канале получают сигнал пропорциональный мощности помехи (ф. 3).
Поскольку мощности сигналов sin(ωt) и cos(ωt) одинаковы, то и значения оценок мощности помехи в первом и втором каналах одинаковы.
Поэтому в результате вычитания из значения оценки мощности сигнала, полученной путем умножения смеси помехи и сигнала на копию сигнала, значения оценки мощности сигнала, полученной путем умножения смеси помехи и сигнала на сигнал ортогональный входному сигналу, в блоке вычитания 4 получают оценку мощности сигнала.
Принимают решение о наличии сигнала первого или второго типа путем сравнения полученного значения, пропорционального мощности сигнала, с порогом в пороговом устройстве 5.
Пороговое значение мощности определяют, например, путем измерения мощности тестового сигнала и умножения его на соответствующий коэффициент. Значение данного коэффициента определяют на этапе разработки путем математического моделирования или экспериментальным путем, исходя из условия обеспечения заданного уровня эффективности передачи информации.
Вычислительное устройство 3.1.6 может быть выполнено, например, в виде единого микропроцессорного устройства с соответствующим программным обеспечением, например процессора серии TMS320VC5416 фирмы Texas Instruments, или в виде программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС), с соответствующим программным обеспечением, например ПЛИС XCV400 фирмы Xilinx.
Первый 3.1.4.1 и второй 3.1.4.2 АЦП могут быть выполнены, например, на микросхеме AD7495BR фирмы Analog Devices.
Таким образом, описанное устройство позволяет реализовать способ энергетического обнаружения сигнала с его компенсацией в дополнительном канале, который обеспечивает оценку мощности сигнала с высокой точностью без использования оценки мощности помехи в интервале, в котором отсутствует сигнал, что позволяет существенно увеличить скорость передачи информации в условиях наличия помех с быстро изменяющейся во времени мощностью.