АДАПТИВНЫЙ КОМПЕНСАТОР ПОМЕХ

Полезная модель относится к области телекоммуникаций и связи, а более конкретно - к приемным устройствам, предназначенным для адаптивного подавления помех в принимаемых сигналах.
Известно применяемое в радиотехнике устройство «Адаптивный компенсатор помех», состоящий из трех квадратурных фильтров, сумматора, нормирующих усилителей, усилителя-инвертора и амплитудного ограничителя. Устройство позволяет компенсировать помехи в принимаемом сигнале за счет использования сигналов на двух входах: первом входе, на который подается полезный сигнал, искаженный аддитивной некоррелированной с сигналом помехой, и втором входе, на который поступает в основном помеха, коррелированная с помехой на первом входе (патент РФ №2115233, Адаптивный компенсатор помех, опубл. 10.07.1998, авторы Ясырев Ю.В., Пикалов В.А., Шишкин Ю.В.).
Недостатком данного устройства является малый коэффициент µ подавления помехи из-за присутствия на втором входе кроме помехи полезного сигнала.
н
вых
н
вых
н
вх
н
вх
Коэффициент µ подавления помехи - важнейший показатель эффективности работы компенсаторов помех, определяется как отношение  где  и , а G(ξ) и G(s) - средние нормированные мощности полезного сигнала и помехи на выходе компенсатора помех, G(ξ) и G(s) - средние нормированные мощности полезного сигнала и помехи на входе компенсатора помех.
Средние нормированные мощности полезного сигнала и помехи на выходе компенсатора помех вычисляются так:
ср
вых
ср
вых
ср
вых
вых
вых
и , где G(ξ), G(s) и G(z)=G(ξ)+G(s) - средние мощности полезного сигнала, помехи и суммы этих сигналов на выходе компенсатора помех.
Аналогично средние нормированные мощности полезного сигнала и помехи на входе компенсатора помех вычисляются так:
ср
вых
ср
вых
ср
вх
вх
вх
и , где G(ξ), G(s) и G(z)=G(ξ)+G(s) - средние мощности полезного сигнала, помехи и суммы этих сигналов на входе компенсатора помех.
Очевидно, что чем больше коэффициент µ, тем больше подавляется помеха во входном сигнале и тем более эффективен компенсатор помех.
Применительно к рассматриваемому адаптивному компенсатору помех входом устройства является первый вход компенсатора. Тогда можно записать
н
вх1
н
вх1
где , а G(ξ) и G(s) - средние нормированные мощности полезного сигнала и помехи на первом входе адаптивного компенсатора помех.
вх1
вх1
Малый коэффициент µ подавления помехи в известном адаптивном компенсаторе получается вследствие частичного попадания полезного сигнала на второй вход компенсатора. В этом случае в адаптивном компенсаторе из суммы полезного сигнала и помехи ξ+s на первом входе вычитается не только помеха на втором входе, но и присутствующий там полезный сигнал. Таким образом, на выходе устройства подавляется не только помеха, но и частично полезный сигнал, что уменьшает отношение  средних нормированных мощностей полезного сигнала и помехи на выходе компенсатора помех, и соответственно уменьшает коэффициент µ подавления помехи и ухудшает характеристики известного адаптивного компенсатора помех.
Известен адаптивный компенсатор помех, имеющий два входа и один выход (Б.Уидроу, С.Стирнз. Адаптивная обработка сигналов. - М.: Радио и связь, 1989. - 440 с. - см. стр.284, рис.12.4).
вх1
вх1
вх1
вх1
и
и
На первый вход компенсатора поступает подлежащий обработке принимаемый входной сигнал - аддитивная смесь ξ+s полезного сигнала ξ и помехи s. Эти сигналы поступают от двух источников - источника полезного сигнала ξ и источника помехи s.
вх2
вх2
вх2
вх2
и
и
вх2
н
вх2
н
вх2
На второй вход адаптивного компенсатора поступает эталонный сигнал - аддитивная смесь ξ+s полезного сигнала ξ и помехи s. Эти сигналы поступают от тех же подключенных к первому входу двух источников - источника полезного сигнала ξ и источника помехи s. Необходимо, чтобы в эталонном сигнале присутствовала в основном помеха s, т.е. G(ξ)<<G(s).
вх1
вх2
и
вх1
вх2
и
и
и
Полезные сигналы ξ и ξ поступают на первый и второй входы компенсатора от общего источника полезного сигнала ξ, и поэтому коррелированны. Помехи s и s поступают на первый и второй входы компенсатора от общего источника помехи s, также коррелированны. Для обеспечения работоспособности известного адаптивного компенсатора помех необходимо, чтобы полезный сигнала ξ и помеха s были некоррелированными.
Известное устройство состоит из адаптивного фильтра, имеющего два входа и один выход, и блока вычитания, имеющего два входа и один выход. Первый вход адаптивного фильтра подключен ко второму входу устройства, второй вход адаптивного фильтра подключен к выходу блока вычитания, выход которого является выходом известного устройства. Первый вход блока вычитания подключен к первому входу устройства, а второй вход - к выходу адаптивного фильтра.
Адаптивный фильтр состоит из перестраиваемого фильтра, имеющего сигнальный вход, группу управляющих входов и один выход, и вычислительного устройства, имеющего один вход и группу управляющих выходов. Сигнальный вход перестраиваемого фильтра является первым входом адаптивного фильтра, каждый вход группы управляющих входов перестраиваемого фильтра подключен к соответствующему управляющему выходу группы управляющих выходов вычислительного устройства, а выход перестраиваемого фильтра является выходом адаптивного фильтра. Вход вычислительного устройства является вторым входом адаптивного фильтра.
Известный адаптивный компенсатор помех работает следующим образом.
вх1
пф
вх1
вх1
пф
вх2
вх2
акп
пф
Компенсация помехи s на первом входе компенсатора производится путем вычитания блоком вычитания сигнала x на выходе перестраиваемого фильтра из аддитивной смеси полезного сигнала ξ и помехи s на первом входе. Сигнал x получается на выходе перестраиваемого фильтра из аддитивной смеси полезного сигнала ξ и помехи s на втором входе компенсатора. Вычислительное устройство вычисляет весовые коэффициенты перестраиваемого фильтра таким образом, чтобы минимизировать по алгоритму наименьших квадратов сигнал на выходе блока вычитания, т.е. сигнал U на выходе адаптивного компенсатора помех. Таким образом , где F - частотный коэффициент передачи перестраиваемого фильтра.
Значения весовых коэффициентов передаются через соответствующие выходы группы управляющих выходов вычислительного устройства на соответствующие входы группы управляющих входов перестраиваемого фильтра.
н
вх2
н
вх2
акп
вх1
При выполнении условия G(ξ)<<G(s) и завершении адаптации перестраиваемого фильтра получаем U≈ξ.
Блоки адаптивного компенсатора помех: перестраиваемый фильтр, вычислительное устройство, блок вычитания могут быть технически реализованы, как показано, например, на рис.11.24 на стр.264 книги Б.Уидроу, С.Стирнз. Адаптивная обработка сигналов. - М.: Радио и связь, 1989. - 440 с.
Недостатком известного устройства является малый коэффициент µ подавления помехи.
Малый коэффициент µ подавления помехи в известном адаптивном компенсаторе помех получается вследствие частичного попадания полезного сигнала на второй вход компенсатора, т.к. практически добиться полного отсутствия проникновения полезного сигнала на второй вход адаптивного компенсатора помех невозможно.
вх1
вх1
В этом случае в адаптивном компенсаторе помех из суммы полезного сигнала и помехи ξ+s на первом входе вычитается не только помеха на втором входе, но и присутствующий там полезный сигнал. Таким образом, на первом входе подавляется не только помеха, но и частично полезный сигнал, что уменьшает отношение  средних нормированных мощностей полезного сигнала и помехи на выходе компенсатора помех, и соответственно уменьшает коэффициент µ подавления помехи.
и
Коэффициент µ подавления помехи на первом входе известного адаптивного компенсатора определяется следующим образом:
, ,
вых
Положим  и , тогда ρ в соответствии с теоретическими положениями, описывающими работу устройства, равно
Откуда коэффициент
Например, если  то
и
н
вх2
н
вх2
вх2
и
Другими словами, коэффициент подавления помехи в известном устройстве равен . Величина µ будет тем больше, чем меньше мощность полезного сигнала на втором входе, т.е. чем лучше выполняется условие G(ξ)<<G(s). В эталонном сигнале на втором входе адаптивного компенсатора добиться полного отсутствия полезного сигнала ξ практически невозможно, что и ограничивает величину коэффициента µ в известном адаптивном компенсаторе помех.
Данное техническое решение выбрано в качестве прототипа.
Техническим результатом является увеличение коэффициента подавления помех в адаптивном компенсаторе помех.
Технический результат достигается тем, что в адаптивный компенсатор помех, имеющий первый и второй входы и один выход и содержащий перестраиваемый фильтр, сигнальный вход которого подключен ко второму входу адаптивного компенсатора помех, блок вычитания, первый вход которого подключен к первому входу адаптивного компенсатора помех, второй вход - к выходу перестраиваемого фильтра, а выход - к выходу адаптивного компенсатора помех, вычислительное устройство, вход которого подключен к выходу блока вычитания, дополнительно ведены буферная память и блок выделения пауз, который содержит интегратор, пороговый элемент и квадратор, вход которого является входом блока выделения пауз и подключен к первому входу адаптивного компенсатора помех, а выход квадратора подключен к входу интегратора, выход которого подключен к входу порогового элемента, выход которого является выходом блока выделения пауз и подключен к управляющему входу буферной памяти, каждый информационный вход группы информационных входов которой подключен к соответствующему управляющему выходу группы управляющих выходов вычислительного устройства, а каждый информационный выход группы информационных выходов буферной памяти подключен к соответствующему управляющему входу группы управляющих входов перестраиваемого фильтра.
вх1
вх1
вх1
вх1
вх1
н
вх1
вх1
вх1
вх1
вх1
вх2
вх1
вх1
Блок выделения пауз позволяет выделять паузы в полезном сигнале ξ, поступающем вместе с помехой s на первый вход адаптивного компенсатора помех. Буферная память только при наличии паузы в полезном сигнале ξ (т.е. отсутствии полезного сигнала ξ) разрешает передачу вычисляемых вычислительным устройством весовых коэффициентов на перестраиваемый фильтр, т.е. адаптацию. Таким образом, адаптивная компенсация помех производится только в паузах, т.е. при отсутствии полезного сигнала ξ или когда его мощность G(ξ) ниже установленного блоком выделения пауз порога. При отсутствии паузы в полезном сигнале ξ (т.е. при наличии полезного сигнала ξ) буферная память запрещает передачу вычисляемых вычислительным устройством весовых коэффициентов на перестраиваемый фильтр, т.е. адаптацию. Другими словами, вне паузы компенсация помехи s на первом входе производится с весовыми коэффициентами, вычисленными вычислительным устройством в конце предшествующей паузы и запомненными буферной памятью. Из-за запрета адаптации при наличии полезного сигнала ξ на первом входе, и следовательно, полезном сигнале ξ втором входе (вследствие их коррелированности), на первом входе устройства подавляется только помеха s, а полезный сигнал ξ не подавляется, что увеличивает отношение  средних нормированных мощностей полезного сигнала и помехи на выходе компенсатора помех, и соответственно увеличивает коэффициент µ подавления помехи.
На фиг.1 представлен предлагаемый адаптивный компенсатор помех. На фигуре 2 представлен блок выделения пауз.
Адаптивный компенсатор помех состоит из следующих элементов: первого входа 1, второго входа 2, выхода 3, перестраиваемого фильтра 4, вычислительного устройства 5, блока 6 вычитания, блока выделения пауз 7, буферной памяти 8, причем блок выделения пауз 7 состоит из квадратора 9, интегратора 10 и порогового элемента 11.
вх1
вх1
вх1
вх1
и
и
На первый вход 1 компенсатора поступает подлежащий обработке принимаемый входной сигнал - аддитивная смесь ξ+s полезного сигнала ξ и помехи s. Эти сигналы поступают от двух источников - источника полезного сигнала ξ и источника помехи s.
вх2
вх2
вх2
вх2
и
и
На второй вход 2 адаптивного компенсатора поступает эталонный сигнал - аддитивная смесь ξ+s полезного сигнала ξ и помехи s. Эти сигналы поступают от тех же подключенных к основному входу двух источников - источника полезного сигнала ξ и источника помехи s.
вх1
вх2
и
вх1
вх2
и
и
и
Полезные сигналы ξ и ξ поступают на первый 1 и второй 2 входы компенсатора от общего источника полезного сигнала ξ, и поэтому коррелированны. Помехи s и s поступают на первый 1 и второй 2 входы компенсатора от общего источника помехи s, также коррелированны. Для обеспечения работоспособности известного адаптивного компенсатора помех необходимо, чтобы полезный сигнала ξ и помеха s были некоррелированными.
На выход 3 адаптивного компенсатора помех поступает обработанный адаптивным компенсатором сигнал, в котором в отличие от сигнала принимаемый первым входом 1 устройства, значительная часть помех компенсирована, т.е. подавлена.
Перестраиваемый фильтр 4 имеет сигнальный вход, подключенный ко второму 2 входу адаптивного компенсатора помех, группу управляющих входов для задания весовых коэффициентов и один выход, подключенный ко второму входу блока вычитания. Количество управляющих входов перестраиваемого фильтра 4 равно числу весовых коэффициентов фильтра. Перестраиваемый фильтр 4 реализуется на основе блоков задержки, блоков умножения и сумматора, как показано, например, на рис.11.24 на стр.264 книги «Б.Уидроу, С.Стирнз. Адаптивная обработка сигналов. - М.: Радио и связь, 1989. - 440 с.».
Вычислительное устройство 5 имеет один вход, подключенный к выходу блока 6 вычитания и выходу 3 адаптивного компенсатора помех, и группу управляющих выходов, на которые поступают вычисленные блоком 5 значения весовых коэффициентов. Количество управляющих выходов вычислительного устройства 5 равно числу весовых коэффициентов перестраиваемого фильтра 4. Вычислительное устройство 5 может быть реализовано на основе блоков задержки, блоков умножения и интеграторов, как показано, например, на рис.11.24 на стр.264 книги «Б.Уидроу, С.Стирнз. Адаптивная обработка сигналов. - М.: Радио и связь, 1989. - 440 с.».
Блок 6 вычитания имеет два входа, первый из которых подключен к первому входу 1 адаптивного компенсатора помех, а второй вход подключен к выходу перестраиваемого фильтра 4, и один выход, подключенный к выходу 3 адаптивного компенсатора помех. Блок 6 вычитания реализуется на основе типового сумматора и инвертора.
Блок 7 выделения пауз имеет один вход, подключенный к первому входу 1 адаптивного компенсатора помех, и один выход, подключенный к управляющему входу буферной памяти 8. Блок 7 выделения пауз приведен на фигуре 2 и состоит из квадратора 9, входом которого является вход блока 7 выделения пауз, а выход является входом интегратора 10, выход которого является входом порогового элемента 11, выход которого является выходом блока 7 выделения пауз. Интегратор 10 может быть реализован, например, как фильтр низкой частоты.
Буферная память 8 имеет управляющий вход, группу информационных входов и группу информационных выходов. Управляющий вход буферной памяти 8 подключен к выходу блока 7 выделения пауз, каждый информационный вход группы информационных входов буферной памяти 8 подключен к соответствующему управляющему выходу группы управляющих выходов вычислительного устройства 5, а каждый информационный выход группы информационных выходов буферной памяти 8 подключен к соответствующему управляющему входу группы управляющих входов перестраиваемого фильтра 4. Буферная память 8 состоит из группы регистров, количество которых равно числу весовых коэффициентов перестраиваемого фильтра 4. Группа входов этих регистров образует группу информационных входов буферной памяти 8, группа выходов регистров образует группу информационных выходов буферной памяти 8, входы управления записью в регистры объединены и подключены к управляющему входу буферной памяти 8.
Предлагаемый адаптивный компенсатор помех работает следующим образом.
вх1
вх1
вх2
вх2
На первый вход 1 устройства поступает аддитивная смесь полезного сигнала ξ помехой s, а на второй вход 2 устройства поступает эталонный сигнал - аддитивная смесь помехи s с некоторой частью полезного сигнала ξ. Сигнал с первого входа 1 устройства поступает на первый вход блока 6 вычитания и на вход блока 7 выделения пауз. Сигнал со второго входа 2 устройства поступает на сигнальный вход перестраиваемого фильтра 4, на группу управляющих входов которого передаются через группу информационных выходов буферной памяти 8 записанные в памяти весовые коэффициенты.
Сигнал с выхода перестраиваемого фильтра 4 поступает на второй вход блока вычитания, выходной сигнал которого поступает на выход 3 устройства и на вход вычислительного устройства 5, которое вычисляет весовые коэффициенты перестраиваемого фильтра 4 по методу наименьших квадратов и записывает коэффициенты в буферную память 8. Запись весовых коэффициентов в память производится через группу информационных входов буферной памяти 8, подключенных к группе управляющих выходов вычислительного устройства 5.
Вычислительное устройство 5 вычисляет весовые коэффициенты перестраиваемого фильтра 4 таким образом, чтобы минимизировать по алгоритму наименьших квадратов сигнал на выходе блока 6 вычитания. Эти весовые коэффициенты можно определить, например, решая систему уравнений
……………………
ср
вых
i
где ∂G(z) - средняя мощность сигнала на выходе 3 устройства, h - i-й весовой коэффициент фильтра, , N - порядок фильтра.
Другой алгоритм вычисления весовых коэффициентов, основанный на методе наискорейшего спуска, приведен на стр.95 книги «Б.Уидроу, С.Стирнз. Адаптивная обработка сигналов. - М.: Радио и связь, 1989. - 440 с.»
вх1
вх2
вх1
вх2
Блок выделения пауз 7 в сигнале определяет наличие либо отсутствие полезного сигнала ξ на первом входе 1 устройства и, соответственно, наличие либо отсутствие полезного сигнала ξ на втором входе 2 (т.к. сигналы ξ и ξ коррелированные).
вх1
вх1
вх1
вх1
Выделение блоком 7 пауз сигнала производится путем вычисления величины мощности сигнала ξ+s и сравнения этой величины с порогом. Вычисление мощности сигнала производится путем возведения в квадрат отсчетов входного сигнала ξ+s блоком 9 и последующего интегрирования (т.е. усреднения) интегратором 10 полученного сигнала мощности.
вх1
вх1
вх1
вх1
вх1
Пороговый элемент 11 сравнивает величину средней мощности сигнала на выходе интегратора 10 с величиной порога, определяемой средней мощностью помехи s на первом входе адаптивного компенсатора. Выходной сигнал порогового элемента 11 имеет два состояния: есть пауза, если средняя мощность сигнала ξ+s меньше или равна порогу, и нет паузы, если средняя мощность сигнала ξ+s больше порога.
Блок 7 выделения пауз управляет буферной памятью 8 следующим образом.
При наличии паузы в буферную память 8 из вычислительного устройства 5 разрешается запись весовых коэффициентов, которые далее передаются на управляющие входы перестраиваемого фильтра 4. При отсутствии паузы в буферную память 8 запрещается запись весовых коэффициентов из вычислительного устройства 5, и на информационные выходы буферной памяти 8 выдаются весовые коэффициенты, вычисленные вычислительным устройством 5 в конце предшествующей паузы и запомненные буферной памятью 8.
вх1
вх2
н
вх1
Таким образом, адаптивная компенсация помех производится только в паузах, т.е. при отсутствии полезного сигнала ξ (соответственно ξ) или когда его мощность G(ξ) ниже установленного блоком 7 выделения пауз порога.
вх1
вх1
вх1
вх1
вх1
При отсутствии паузы в полезном сигнале ξ (т.е. наличии полезного сигнала ξ) буферная память запрещает передачу вычисляемых вычислительным устройством весовых коэффициентов на перестраиваемый фильтр, т.е. адаптацию. Другими словами, вне паузы компенсация помехи s на первом входе 1 производится с весовыми коэффициентами, вычисленными вычислительным устройством в конце предшествующей паузы и запомненными буферной памятью. Из-за запрета адаптации при наличии полезного сигнала на первом 1, и следовательно, на втором 2 входах (вследствие их коррелированности), на первом входе подавляется только помеха s, а полезный сигнал ξ не подавляется, что увеличивает отношение  средних нормированных мощностей полезного сигнала и помехи на выходе 3 компенсатора помех, и соответственно увеличивает коэффициент µ подавления помехи.
п
Коэффициент µ подавления помехи на первом входе 1 предлагаемого адаптивного компенсатора помех определяется следующим образом:
,
вых
Положим  и , тогда ρ в соответствии с теоретическими положениями, описывающими работу устройства, равно
п
Откуда коэффициент µ равен
и
п
Таким образом, µ<µ т.е. коэффициент подавления помехи в предлагаемом адаптивном компенсаторе помех больше, чем в известном адаптивном компенсаторе помех.
п
Например, если  и , а µ=1+5=6.
п
Другими словами, в рассмотренном примере коэффициент µ подавления помехи в предлагаемом устройстве больше на ≈16%, чем в известном устройстве.
Предлагаемый адаптивный компенсатор с увеличенным коэффициентом подавления помехи позволяет уменьшить уровень помехи в принимаемых сигналах, следовательно, увеличить точность измерения сигналов, надежность и достоверность принятия решений в системах обработки информации, их помехоустойчивость.