Коррелятор полезного сигнала с обнаружением и классификацией помех
USEFUL SIGNAL CORRELATOR WITH DETECTION AND CLASSIFICATION OF INTERFERENCE

Изобретение относится к радиоэлектронной технике и может быть использовано в системах передачи информации для определения соответствия (идентичности) кода, принимаемого от передатчика сигнала, коду, хранящемуся в памяти приемника.
В общем случае (с точки зрения теории), коррелятор это устройство, способное вычислить корреляционную функцию между двумя процессами.
Также может быть применено для вычисления корреляционной функции в условиях искусственных или естественных помех, когда принимаемый сигнал серьезно поврежден.
Предпочтительнее его использование для выполнения не только для своей основной функции (вычисление корреляции), но и произведения первичного анализа помех, повредивших полезный сигнал, особенно это относится к каналам связи с применением шумоподобных сигналов.
Использование корреляторов в системах цифровой связи, используемой для передачи информации для дискретных состояний лог. "Ноль" или лог. "единица" реализация корреляторов является классической, см. Варакин JI.E. "Системы связи с шумоподобными сигналами, М, Радио и Связь", 1985, стр. 384.
Проблемой является техническая реализация корреляторов при использовании квазигармонических импульсов.
Известна теоретическая разработка для реализации подобного коррелятора, см. «Исследование АКФ шумоподобных сигналов с импульсами гармонической формы при ограничении ширины спектра». Малыгин И.В., Комиссарова А.В. В сборнике: СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии 25 Международная Крымская конференция. 2015.
Недостаток этой разработки: это только теория, а до практической реализации еще далеко.
Наиболее близким техническим решением является патент РФ на изобретение см. №2618941 «Коррелятор», который при всех своих достоинствах не распознает вид помех и не классифицирует их.
Этот патент выбран как пример создания на его основе анализа распознавания помех, но этот метод может быть использован и для других, не только корреляторов прямоугольной и квазигармонической формы, но и для других сигналов, при этом потребуются небольшие схемные изменения - функциональные.
Технической задачей изобретения является расширение функциональных возможностей коррелятора.
Технический результат достигается за счет анализа помех, повреждающих полезный сигнал, их классификации и восстановлению полезного сигнала.
Одной из областей применения шумоподобных сигналов в системах связи является повышение помехоустойчивости. В самом общем случае помехоустойчивость шумоподобного сигнала определяется его базой. Для распознавания принятого шумоподобного сигнала применяют коррелятор или согласованный фильтр. Задача коррелятора состоит в сравнении принимаемого сигнала с оригиналом, хранящимся в памяти приемника, с целью найти соответствие (корреляцию) и сообщить, если такое соответствие имеет место. Помехоустойчивость в данном случае означает, что принимаемый сигнал может быть серьезно поврежден, тем не менее, коррелятор его распознает.
В том случае, если принимаемый сигнал поврежден внешними помехами различного характера и происхождения, то по характеру повреждений можно судить о типе помехи, их вызвавшей. Знание типа помехи может быть критически важным для того, чтобы осуществить необходимые изменения тех или иных параметров приемопередатчиков радиоканала ля продолжения его функционирования.
В данном решении предлагается коррелятор, который не только осуществляет свою основную функцию - нахождение корреляции, но и производит первичный анализ помех, повредивших сигнал. Анализ может быть проведен как на основе микроконтроллера или устройств жесткой логики, так и на основе обучаемой нейронной сети.
Для решения поставленной задачи предлагается коррелятор полезного сигнала с обнаружением и классификации помех, содержащий собственно коррелятор, отличающийся тем, что введен сигнализатор помех, которые совместно имеют следующие соединения. Выход передатчика шумоподобных сигналов через антенну А2 соединен радиоканалом с антенной A3 коррелятора, с которой также другим радиоканалом соединен выход генератора различных помех через антенну А1.
Шина входного сигнала с антенны A3 (смесь полезного сигнала, помех и шума) соединена через МШУ с сигнальным входом АЦП, выходы которого соединены с первым входом процессора сравнения, первый выход которого соединен со счетчиком совпадения, первый выход этого счетчика соединен с синхронизатором, выход которого соединен со схемой разрешения, а второй выход счетчика совпадений через регистр сдвига и через запоминающее устройство соединен двунаправленной шиной со вторым входом микропроцессора, третий вход которого соединен с входом запуска считывания и синхронизации АЦП, а четвертый выход МП шиной АРУ соединен с МШУ, второй выход МП соединен с первым входом микроконтроллера, выход которого соединен с первым вводом индикатора смеси помех, а выход последнего через блок образцовых помех соединен со вторым входом МК и со вторым входом МП.
Корреляторов с функцией анализа помех, повреждающих полезный сигнал и его восстановление, из известных источников автору не известно.
На чертеже представлена функциональная электрическая схема коррелятора, на которой изображено:
1 - передатчик шумоподобных сигналов;
2 - генератор различных помех (естественных и/или искусственных);
3 - малошумящий усилитель с фильтрами;
4 - АЦП;
5 - микропроцессор (МП) сравнения;
6 - ПЗУ;
7 - счетчик совпадений;
8 - регистр сдвига;
9 - синхронизатор;
10 - схема разрешения прохождения сигналов (СхР);
11 - блок образцовых помех;
12 - индикатор смеси помех;
13 - микроконтроллер (МК);
А1 и А2 - передающие антенны;
A3 - усиленная антенна;
Б - коррелятор;
В - анализатор помех.
Коррелятор полезных сигналов с обнаружением и классификацией помех имеет следующие соединения.
Выход передатчика шумоподобных сигналов 1 через антенну А2 соединен радиоканалом с антенной A3 коррелятора, с которой также другим радиоканалом соединен выход генератора различных помех 2 через антенну А1.
Шина входного сигнала с антенны A3 (смесь полезного сигнала, помех и шума) соединена через МШУ 3 с сигнальным входом АЦП 4, выходы которого соединены с первым входом процессора сравнения 5, первый выход которого соединен со счетчиком совпадения 7, первый выход этого счетчика соединен с синхронизатором 9, выход которого соединен со схемой разрешения 10, а второй выход счетчика совпадений 7 через регистр сдвига 8 и через запоминающее устройство 6 соединен двунаправленной шиной со вторым входом микропроцессора 5, третий вход которого соединен со входом запуска считывания и синхронизации АЦП 4, а четвертый выход МП 5 шиной АРУ соединен с МШУ 3, второй выход МП 5 соединен с первым входом микроконтроллера 13, выход которого соединен с первым вводом индикатора смеси помех 12, а выход последнего через блок образцовых помех 11 соединен со вторым входом МК 13 и со вторым входом МП 5.
Коррелятор работает следующим образом.
Смесь полезного сигнала, помех и шума с выхода высокочастотной части приемника через МШУ поступает на вход АЦП, где преобразуется в цифровую форму. Процессор сравнения, побитно, с необходимой тактовой частотой, проверяет соответствие принятого сигнала с исходным кодом, хранящимся в памяти устройства. При недостаточном числе совпадений, определяемом счетчиком совпадений по выходному сигналу процессора сравнения, регистр сдвига производит сдвиг кода в памяти вправо (или влево) на один такт, после чего процедура сравнения повторяется. Счетчик совпадений и регистр сдвига целесообразно реализовать на одной ПЛИС. Если число совпадений, в идеальном случае равное длине используемой псевдослучайной последовательности, достаточно, синхронизатор вырабатывает импульс синхронизации для начала приема полезной информации приемным устройством. Синхронизатор может быть реализован на основе микрокомпьютера. Отдельной микросхемы памяти не планируется, так как для этой цели может быть задействована и память процессора, и память на ПЛИС, и память микрокомпьютера. В данном случае описывается последовательная схема коррелятора, для ускорения процедуры корреляции также может быть применена параллельная схема, что потребует применения микросхем большей разрядности и вычислительной мощности.
Анализатор помех работает следующим образом.
Рассмотрим принцип действия коррелятора на примере М-последовательности длиной 31 бит.
Если воздействие узкополосной помехи на полезный сигнал будет не непрерывным, а импульсным, то временные параметры помехи можно оценить, сравнивая периодичность появления описанных повреждений в теле М-последовательности.
Если М-последовательность, принятая приемником, содержит несколько поврежденных участков, значит, узкополосных помех было несколько: 0000XXX00101XXX111XXX100010XXX1
Если помеха широкополосная, диапазон повреждений будет намного больше: 0000ХХХХХХХХХХХХХ10101000100111
Использование предлагаемого коррелятора позволяет дополнить аппаратуру связи дополнительными функциями исследования и анализа, что может улучшить ее характеристики статистически.
Смесь полезного сигнала, помех и шума с выхода высокочастотной части приемника поступает на вход АЦП, например, AD7903 фирмы Analog Devices, где преобразуется в цифровую форму. Процессор сравнения, например STM32F3 фирмы STMicroelectronics, побитно, с необходимой тактовой частотой, проверяет соответствие принятого сигнала с исходным кодом, хранящимся в памяти устройства. При недостаточном числе совпадений, определяемом счетчиком совпадений по выходному сигналу процессора сравнения, регистр сдвига производит сдвиг кода в памяти вправо (или влево) на один такт, после чего процедура сравнения повторяется. Счетчик совпадений и регистр сдвига целесообразно реализовать на одной ПЛИС, например, фирмы Altera ЕРМ240Т100С5. Если число совпадений, в идеальном случае равное длине используемой псевдослучайной последовательности, достаточно, синхронизатор выбрасывает импульс синхронизации для начала приема полезной информации приемным устройством. Синхронизатор может быть реализован на основе микрокомпьютера. Отдельной микросхемы памяти не планируется, так как для этой цели может быть задействована и память процессора, и память на ПЛИС, и память микрокомпьютера. В данном случае описывается последовательная схема коррелятора, для ускорения процедуры корреляции также может быть применена параллельная схема, что потребует применения микросхем большей разрядности и вычислительной мощности.
Список литературы
1. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985. - 384 с., ил.
2. Исследование АКФ шумоподобных сигналов с импульсами гармонической формы при ограничении ширины спектра. Малыгин И.В., Комиссарова А.В. В сборнике: СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии 25 Международная Крымская конференция. 2015.
3. Патент РФ №2618941, приоритет от 15.09.2015.