ПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО МНОГОЧАСТОТНОГО СИГНАЛА
MULTI-FREQUENCY SIGNAL RECEIVER

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в средствах радиосвязи.
Известны устройства связи с частотным разделением каналов, описанные в учебном пособии «Системы, сети и устройства телекоммуникаций». Учебное пособие. // В.И.Николаев, Ю.Б.Нечаев, В.В.Прилепский, С.С.Гремяченский. Воронежский научно-исследовательский институт связи, 2004, стр.81, 82, недостатком которых является низкая скорость передачи данных, ограниченная временными характеристиками узкополосных фильтров, за счет которых осуществляется формирование и разделение сигналов.
Известны устройства связи с временным разделением каналов, описанные в учебном пособии «Системы, сети и устройства телекоммуникаций». Учебное пособие. // В.И.Николаев, Ю.Б.Нечаев, В.В.Прилепский, С.С.Гремяченский. Воронежский научно-исследовательский институт связи, 2004, стр.82, 83, недостатком которых является невысокая скорость передачи информации, ограниченная полосой пропускания одного информационного канала.
Известны устройства, в которых используются сигналы с расширением спектра за счет применения фазовой манипуляции, описанные 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.251-254», недостатком которых является невысокая скорость передачи информации, ограниченная полосой сигнала, которая после соответствующей обработки сужается в коэффициент сжатия раз.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является оптимальный максимума правдоподобия детектор, описанный в книге Прокис Джон «Цифровая связь». Пер. с англ. / Под ред. Д.Д.Кловского. - М.: Радио и связь. 2000, стр.141, 208, 219-221, 593-596, принятый за прототип.
Структурная схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где обозначено:
1.1-1.n - блоки умножения;
2.1-2.n - интеграторы;
6.1-6.n - сумматоры;
7 - блок выбора по максимуму.
оп.1
оп.n
1/2
1/n
Устройство-прототип содержит n линеек, состоящих из соответствующих последовательно соединенных  блока умножения 1, интегратора 2 и сумматора 6, причем выход каждого сумматора 6.1-6.n соединен с соответствующим входом блока выбора по максимуму 7, выход которого является выходом устройства. Кроме того, первые входы блоков умножения 1.1-1n объединены и являются входом устройства, вторые входы этих блоков являются входами для соответствующих опорных напряжений S-S. Вторые входы сумматоров 6.1-6.n являются входами для соответствующих отрицательных пороговых напряжений Е-Е.
Устройство-прототип работает следующим образом.
На вход устройства поступает аддитивная смесь сигнала и помехи
s
где U - сигнал,
p
U - помеха.
оп.i
После умножения на соответствующие опорные сигналы S в блоках умножения 1.1-1.n и интегрирования интеграторами 2.1-2.n на выходах интеграторов 2.1-2.n образуется соответствующая аддитивная смесь сигнала и помехи - результат преобразования сигнала и помехи, т.е. умножения на опорный сигнал и интегрирования (корреляционные метрики):
is
ip
где K, К - коэффициенты преобразования сигнала и помехи соответственно, зависящие от вида используемой системы ортогональных функций.
В блоке выбора по максимуму 7 выбирается сигнал, соответствующий наибольшей корреляционной метрике.
Недостатком прототипа является низкая эффективность приема многочастотного сигнала.
Для устранения указанного недостатка в приемное устройство, содержащее n параллельных линеек, каждая из которых состоит из соответствующих последовательно соединенных блока умножения и интегратора, при этом первые входы n блоков умножения объединены и являются входом устройства, вторые входы блоков умножения являются входами для соответствующих опорных напряжений, согласно изобретению введены первый и второй вычислители, а также n блоков сравнения с порогом, выход каждого из которых является соответствующим выходом устройства, при этом n выходов первого вычислителя соединены с соответствующими входами второго вычислителя и вторыми входами соответствующих блоков сравнения с порогом, а первые входы каждого из них подсоединены к выходу второго вычислителя, кроме того, выход каждого из n интеграторов соединен с соответствующим входом первого вычислителя.
Структурная схема заявляемого устройства приведена на фиг.2, где обозначено:
1.1-1.n - блоки умножения;
2.1-2.n - интеграторы;
3, 4 - первый и второй вычислители;
5.1-5.n - блоки сравнения с порогом.
Предлагаемое устройство содержит n параллельных линеек (каналов), каждая из которых состоит из соответствующих последовательно соединенных блока умножения 1 и интегратора 2, причем выход каждого интегратора 2.1-2.n соединен с соответствующим входом первого вычислителя 3, n выходов которого соединены с соответствующими n входами второго вычислителя 4 и вторыми входами соответствующих блоков сравнения с порогом 5.1-5.n, первые входы которых подсоединены к выходу второго вычислителя 4.
оп.1
оп.n
Выходы блоков сравнения с порогом 5.1-5.n являются выходами устройства. При этом первые входы блоков умножения 1.1-1.n объединены и являются входом устройства, вторые входы этих блоков являются входами для соответствующих опорных напряжений S-S.
В качестве первого 3 и второго 4 вычислителей может быть использован процессор или программируемая логическая интегральная схема ПЛИС. Количество соединений между первым 3 и вторым 4 вычислителями определяется типами используемых процессоров или ПЛИС.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
В передатчике радиостанции многочастотный сигнал (с неравномерной амплитудно-частотной характеристикой (АЧХ)) формируется в виде суммы п сигналов следующего вида (фиг.3, 4)
при
при
если сигнал передается и
при
если сигнал не передается,
в
н
где F, F - верхняя и нижняя частоты многочастотного сигнала соответственно,
сi
f - частота спектра сигнала,
всi
нсi
f, f - верхняя и нижняя частоты части любого сигнала, за счет использования которой передается информация,
цi
i - номер сигнала с центральной частотой части спектра сигнала f, за счет использования которой передается информация.
Значение центральной частоты части спектра, в которой передается информация, определяется следующим образом:
с
3
где f, F - ширина полосы сигнала и ширина полосы защитного частотного интервала соответственно.
Защитный частотный интервал используется, поскольку на практике форма спектра сигнала отличается от прямоугольной.
Значения центральной частоты спектров сигналов могут быть записаны также в следующем виде:
Коэффициент преобразования (к) записывается в виде:
В данном случае в качестве метода модуляции используется частотная манипуляция, т.е.
1
сi
2
наличие сигнала на f (U=U) - передается 1,
2
сi
1
наличие сигнала на f (U=U) - передается 0.
На вход устройства поступает аддитивная смесь сигнала и помехи:
ci
pi
ci
pi
ci
p
где U, U, ω, ω, φ, φ - амплитуда, частота и фаза частотных составляющих сигнала и помехи соответственно;
N - число несущих (центральных) частот;
K - число частотных составляющих помехи.
После умножения на соответствующие опорные сигналы и интегрирования на выходе n-го канала аддитивная смесь сигнала и помехи может быть записана следующим образом:
cni
pni
где D, D - коэффициенты преобразования i-й составляющей сигнала и помехи в n-ом канале (линейке) соответственно.
Произведя вычисления получим, что для i≠k
о
где U - амплитуда опорного напряжения.
Для i=n
ni
Причем коэффициенты D одинаковы для частотной составляющей сигнала и составляющей помехи на той же частоте.
ni
Поскольку коэффициенты D одинаковы для частотной составляющей сигнала и составляющей помехи на той же частоте, система линейных уравнений (8) может быть записана следующим образом
ci
pi
Система уравнений (11) является системой n линейных уравнений с n неизвестными. Неизвестными здесь являются сумма произведения амплитуды сигнала на косинус φ и помехи - на косинус φ составляющих сигнала и составляющих помехи одной и той же частоты
Значения неизвестных рассчитываются в первом вычислителе 3. Расчет значений неизвестных осуществляется любым известным методом решения систем линейных уравнений.
ci
pi
Во второй вычислитель 4 поступают рассчитанные в первом вычислителе 3 суммы произведения амплитуды сигнала на косинус φ и помехи - на косинус φ составляющих сигнала и составляющих помехи одной и той же частоты.
Во втором вычислителе 4 рассчитываются значения пороговых напряжений для сигналов.
Расчет значения порогового напряжения осуществляется следующим образом.
ci
pi
Среди рассчитанных значений суммы произведения амплитуды сигнала на косинус φ и помехи - на косинус φ отыскиваются максимальное и минимальное значения этих суммарных сигналов
В качестве порогового напряжения используется среднее значение максимальной и минимальной амплитуд суммарных сигналов
cp
На первые входы блоков сравнения с порогом 5.1-5.n подаются одинаковые постоянные напряжения с амплитудой U.
Сигнал с неравномерной АЧХ может формироваться за счет применения метода обратного преобразования Фурье (ОбПФ), за счет использования специальных фильтров, имеющих АЧХ необходимой формы.
ci
pi
Заявленное устройство направлено на решение задачи восстановления в цифровом виде значений сумм произведений амплитуд составляющих сигнала на косинус φ и помехи на косинус φ, для каждой частоты, которые используются при формировании сигнала, причем сигналы в данном случае могут формироваться с использованием произвольной сетки частот, а не только с использованием сетки кратных частот (например, ω, 2ω, 3ω и т.д.), как в случае использования сигналов с ортогональным частотным уплотнением (OFDM).
ci
pi
Повышение эффективности приема многочастотного сигнала в данном случае обеспечивается за счет того, что в цифровом виде восстанавливаются значения сумм произведений амплитуд составляющих сигнала на косинус φ и помехи на косинус φ для каждой частоты, которые используются при формировании сигнала, которые затем сравнивается с порогом, в отличие от прототипа, в котором с порогом сравнивается сумма корреляционных откликов сигналов, сформированных на всех поднесущих (т.е. умножения на опорный сигнал и интегрирования).