АДАПТИВНЫЙ КОМПЕНСАТОР ПОМЕХ

Полезная модель относится к радиоэлектронике и может быть использована для повышения эффективности борьбы с создаваемыми посторонними техническими средствами помехами в системах приема и обработки информации, связи, промышленных и медицинских технических устройствах.
Общей проблемой приема и обработки полезных сигналов на фоне помех является следующее. Загрузка ряда диапазонов радиоспектра в настоящее время достигла такого уровня, когда меры частотной регламентации стали уже недостаточными для обеспечения электромагнитной совместимости одновременно работающих радиосредств. В этих диапазонах одним из основных факторов, ограничивающих эффективность функционирования радиосвязи, стали взаимные помехи. Поэтому большую актуальность приобрела проблема защиты линий радиосвязи от электромагнитных излучений, создаваемых посторонними радиосредствами, занимающими одни и те же или смежные полосы частот. Такие излучения, спектры которых полностью или частично пересекаются со спектром полезного сигнала, часто называют сосредоточенными по спектру или станционными помехами. Станционные помехи относят к классу структурных или, точнее, структурно-детерминированных помех (далее СД помех), имея в виду определенную регулярность структуры высокочастотных модулированных радиосигналов. Особую роль помехи от посторонних радиосредств играют в специальных условиях приема, характеризующихся слабой энергетикой полезных сигналов, однозначной привязкой к заданному каналу связи, необходимостью обеспечения скрытности передаваемых сигналов.
Особый интерес представляет синтез и анализ оптимальных приемников сигналов при воздействии станционных помех, моделируемых известными видами случайных процессов (в частности, гауссовскими и марковскими).
Анализ публикаций по затронутой проблеме показывает, что из ряда известных способов борьбы со станционными помехами наиболее распространенными стали методы, основанные на использовании в приемной аппаратуре адаптивных компенсаторов помех. Этот выбор в первую очередь обусловлен тем, что указанные методы в достаточной степени универсальны и обладают высокой потенциальной эффективностью.
Однако, несмотря на обилие публикаций по указанной тематике, создание общей теории адаптивных компенсаторов помех в настоящее время еще не завершено.
Адаптивная компенсация помех представляет собой способ оптимальной фильтрации, который можно применять всегда, когда имеется подходящий эталонный входной сигнал. Принципиальными достоинствами этого способа являются инвариантность схемы по отношению к классу сигналов и их параметрам, низкий уровень помех на выходе и малые вносимые искажения сигнала. Этот способ приводит к устойчивой системе, которая автоматически отключается, если не происходит улучшения отношения сигнал-шум. В автокомпенсаторах помех с применением адаптивного фильтра эффективное подавление помехи происходит только тогда, когда помеховые составляющие на обоих входах автокомпенсатора взаимно коррелированны [1-3].
Технической задачей полезной модели является повышение эффективности подавления помех, попадающих в тракт приема полезных сигналов, причем по неизвестным или переменным параметрам мешающих сигналов.
Для решения поставленной задачи предлагается адаптивный компенсатор помех, содержащий основной канал - формирователь адаптивной модели сигнала, отличающийся тем, что введен компенсационный канал - формирователь адаптивной модели помехи, причем основной канал состоит из первого АЦП, первого генератора белого шума, первого блока сложения, первого блока задержки, первого адаптивного фильтра и первого блока вычитания; компенсационный канал состоит из второго АЦП, второго генератора белого шума, второго блока сложения, второго блока задержки, второго адаптивного фильтра и второго блока вычитания; адаптивный компенсатор также содержит: третий и четвертый адаптивные фильтры, третий блока вычитания и ЦАП; адаптивный компенсатор имеет следующие соединения: входной сигнал - смесь полезного сигнала и помехи - соединен с входом первого АЦП и с входами третьего и четвертого адаптивных фильтров, выход первого АЦП соединен с первым входом первого блока сложения и через первый блок задержки с первым входом первого блока вычитания, выход первого генератора белого шума соединен с вторым входом первого блока сложения, выход которого через первый адаптивный фильтр соединен с первым входом первого блока вычитания, выход которого первой шиной обратной связи с входами обратной связи первого и третьего адаптивных фильтров; сигнал опорной помехи соединен через второй АЦП с первым входом второго блока сложения и через второй блок задержки с вторым входом второго блока вычитания, второй генератор белого шума соединен с вторым входом второго блока сложения, выход которого соединен с вторым адаптивным фильтром, выход которого через второй блок вычитания второй шиной обратной связи соединен с входами обратной связи второго и четвертого адаптивных фильтров, а выходы третьего и четвертого адаптивных фильтров соединены с первым и вторым входами третьего блока вычитания,, выход которого соединен с входом ЦАПа, выход последнего является выходом компенсатора.
Каждый из каналов представляет собой формирователь адаптивной модели сигнала, в котором принудительно к входному сигналу примешивается формирующий белый шум.
1
1
Сигнальный канал предназначен для формирования модели зашумленного сигнала (смеси полезного сигнала и помехи). Входным сигналом канала является зашумленный сигнал (s+d). В процессе формирования модели (с помощью соответствующего алгоритма адаптации) перестраивается импульсная характеристика адаптивного фильтра 1 (АФ1) так, чтобы выходной сигнал фильтра имел наилучшее приближение к полезному сигналу (s+d). Другими словами, перестраивая весовые коэффициенты, тем самым формируется модель требуемого сигнала, представленная в виде коэффициентов фильтра АФ1.
2
2
Работа компенсационного канала идентична. В процессе формирования весовых коэффициентов адаптивный фильтр 2 (АФ2) настраивается так, чтобы сигнал на выходе фильтра имел максимальное приближение к требуемой опорной помехе d. При этом формируется модель опорной помехи d.
Тогда результирующий коэффициент модельного адаптивного компенсатора помех определяется как разность оптимальных коэффициентов передачи адаптивных фильтров АФ1 и АФ2:
S
где S(ω) - спектральная плотность мощности сигнала;
d
S(ω) - спектральная плотность мощности помехи;
υ
S(ω) - спектральная плотность мощности формирующего белого шума.
21
22
Для того, чтобы выражение  обратить в ноль, необходимо, чтобы отношение мощности помеха-формирующий шум в сигнальном канале (q) и отношение мощности помеха-формирующий шум в компенсационном канале (q) были равны. Т.е.
21
22
2
q=q=q
В этом случае ф.1 можно переписать как
2
Если отношение мощности помеха-формирующий шум в каналах (q) выбрать значительно меньше единицы, то передаточная характеристика двухканального модельного компенсатора может быть представлена как
Т.е. при таком выборе мощности формирующего белого шума описываемый модельный адаптивный компенсатор помех является квазиоптимальным линейным фильтром, параметры которого подстраиваются таким образом, чтобы эффективно подавить помеху.
С помощью разработанного программного обеспечения «Модельный компенсатор помех» было проведено моделирование работы модельного адаптивного компенсатора помех. В экспериментах исследовалась зависимость проигрыша оптимальному фильтру l от отношения сигнал-помеха η. Получены следующие результаты.
1
Под оптимальным фильтром понимается линейный фильтр с постоянными параметрами, на входе которого действует сигнал s и помеха d, имеющие гауссово распределение, дисперсия ошибки фильтрации на выходе которого [4]:
Относительный проигрыш оптимальному фильтру выражается через отношение дисперсии ошибки фильтрации на выходе модельного компенсатора и на выходе оптимального линейного фильтра:
Параметры моделирования отображены в таблице 1, результаты моделирования показаны на рисунке 2. В качестве полезного сигнала был выбран гауссово-марковский процесс. Помеха - белый гауссов шум, помехи в каналах взаимно некоррелированы.
Параметр
Значение
Ширина полосы сигнала
3354 Гц
Объем выборки для оценки l
65536
Количество выборок для усреднения l
10
Число весовых коэффициентов
256
Коэффициент адаптации фильтров
0,001
Алгоритм адаптации фильтров
метод наименьших квадратов [2]
2
2
2
На фиг.1 приведена обобщенная структурная схема адаптивного компенсатора помех, на фиг.2 - структурная электрическая схема, на фиг.3-график моделирования работы - зависимость проигрыша l от отношения сигнал-помеха η при q=-10 дБ (сплошная линия), при q=-6 дБ (штрихпунктирная линия), при q=0 дБ (пунктирная линия).
1
2
На фиг.1 и 2 показано: 1 и 2 - первый и второй АЦП соответственно, 3 и 4 - первый и второй генераторы белого шума соответственно, 5 и 6 - первый и второй генераторы белого шума соответственно, 7 и 8 - первый и второй блоки задержки (цифрой) соответственно, 9, 10, 11 и 12 - первый-четвертый адаптивные фильтры (цифровые) соответственно, 13, 14 и 15 - первый-третий блоки вычитания соответственно, 16 - ЦАП, S+d - вход компенсатора (смесь полезного сигнала и помехи), d - опорная помеха, выход компенсатора - оценка полезного сигнала.
Структурная электрическая схема имеет следующие соединения. Адаптивный компенсатор помех, содержащий основной канал - формирователь адаптивной модели сигнала, также введен компенсационный канал - формирователь адаптивной модели помехи, причем основной канал состоит из первого АЦП, первого генератора белого шума, первого блока сложения, первого блока задержки, первого адаптивного фильтра и первого блока вычитания; компенсационный канал состоит из второго АЦП, второго генератора белого шума, второго блока сложения, второго блока задержки, второго адаптивного фильтра и второго блока вычитания; адаптивный компенсатор также содержит: третий и четвертый адаптивные фильтры, третий блока вычитания и ЦАП; адаптивный компенсатор имеет следующие соединения: входной сигнал - смесь полезного сигнала и помехи - соединен с входом первого АЦП и с входами третьего и четвертого адаптивных фильтров, выход первого АЦП соединен с первым входом первого блока сложения и через первый блок задержки с первым входом первого блока вычитания, выход первого генератора белого шума соединен с вторым входом первого блока сложения, выход которого через первый адаптивный фильтр соединен с первым входом первого блока вычитания, выход которого первой шиной обратной связи с входами обратной связи первого и третьего адаптивных фильтров; сигнал опорной помехи соединен через второй АЦП с первым входом второго блока сложения и через второй блок задержки с вторым входом второго блока вычитания, второй генератор белого шума соединен с вторым входом второго блока сложения, выход которого соединен с вторым адаптивным фильтром, выход которого через второй блок вычитания второй шиной обратной связи соединен с входами обратной связи второго и четвертого адаптивных фильтров, а выходы третьего и четвертого адаптивных фильтров соединены с первым и вторым входами третьего блока вычитания,, выход которого соединен с входом ЦАПа, выход последнего является выходом компенсатора.
Узлы и блоки компенсатора могут быть выполнены на следующих ИМС.
Аналого-цифровой преобразователь выполнен на ИМС AD876 фирмы Analog Device [2]; Цифро-аналоговый преобразователь выполнен на ИМС AD7390 фирмы Analog Device [2]; Генераторы белого шума выполнены на ИМС К561ИР2 и К561ЛП2 [3]; Цифровые адаптивные фильтры выполнены на цифровом сигнальном процессоре ADSP2181 фирмы Analog Device [4]; Операция «сложение», операция «вычитание» и цифровая задержка реализованы как составная часть цифрового адаптивного фильтра 1 на ADSP2181 [4]; или на одном микроконтроллере Philips LPC2124.