АДАПТИВНЫЙ ВЕЙВЛЕТ-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].
Известно «Устройство адаптивной фильтрации ШСС», см. патент РФ №39029, содержащее центральный контроллер, контроллер управления радиоканалом, приемник широкополосной системы связи с малошумящим усилителем, передатчик широкополосной системы связи, антенный переключатель, входной СВЧ-фильтр, первую и вторую шины последовательного интерфейса и антенну, причем центральный контроллер соединен: первой и второй шинами последовательного интерфейса с сетью общего пользования и контроллером управления радиоканалом соответственно, выходным вторым информационным сигналом с входом передатчика широкополосной системы связи, а входным первым информационным сигналом с выходом приемника широкополосной системы связи; контроллер управления радиоканалом связан: первым и вторым управляющими сигналами с приемником и передатчиком широкополосной системы связи соответственно, первым регулирующим сигналом-с малошумящим усилителем приемника широкополосной системы связи, а третьим управляющим сигналом - с командным входом антенного переключателя, информационный вход последнего соединен с выходом передатчика широкополосной системы связи, информационный выход - с входом приемника широкополосной системы связи, а информационный вход/выход - с входом/выходом СВЧ-фильтра, отличающийся тем, что СВЧ-фильтр выполнен на диэлектрических резонаторах, соединенных в последовательную линейку, которая включена между антенным переключателем и антенной, а управляющие входы линейки вторым регулирующим сигналом соединены с выходом контроллера управления радиоканалом.
Устройство обладает следующими недостатками. Т.к. текущие характеристики приемного сигнала априорно неизвестны, то для решения идентификации требуется определенное время, для сокращения которого используется включение и отключение алгоритма идентификации эпизодически по специальному логическому правилу, обеспечивающему отбор наиболее информативных измерений, что требует дополнительных аппаратурных затрат, но все равно обеспечивает только компромиссное качество процессов из области неопределенности.
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 вейвлет-компенсатор помех, содержащий основной сигнальный канал - формирователь адаптивной модели сигнала, отличающийся тем, что введен компенсационный канал - адаптивной модели помехи и результирующий канал - формирователь оценки полезного сигнала, причем основной канал состоит из первого АЦП, первого генератора белого шума, первого блока сложения, первого и третьего прямого вейвлет-преобразователей, первого цифрового адаптивного фильтра и первого блока вычитания; компенсационный канал состоит из второго АЦП, второго генератора белого шума, второго блока сложения, второго и четвертого прямого вейвлет-преобразователей, второго цифрового адаптивного фильтра и второго блока вычитания; результирующий канал содержит: пятый прямой вейвлет-преобразователь, цифровой разностный фильтр, дискретный обратный вейвлет-преобразователь и ЦАП; адаптивный компенсатор имеет следующие соединения: входной сигнал - смесь полезного сигнала и помехи - соединен с входом первого АЦП и с входом пятого прямого вейвлет-преобразователя, выход первого АЦП соединен с первым входом первого блока сложения и через третий прямой вейвлет-преобразователь с первым входом первого блока вычитания, выход первого генератора белого шума соединен с вторым входом первого блока сложения, выход которого через первый прямой вейвлет-преобразователь соединен с первым входом первого цифрового адаптивного фильтра, а выход этого фильтра соединен с вторым входом первого блока вычитания, выход которого первой шиной обратной связи соединен с вторым входом первого адаптивного фильтра и с первым входом цифрового разностного фильтра; сигнал опорной помехи соединен с входом первого АЦП выход которого с первым входом второго блока сложения и через четвертый прямой вейвлет-преобразователь с первым входом второго блока вычитания, выход второго генератора белого шума соединен с вторым входом второго блока сложения, выход которого через второй прямой вейвлет-преобразователь соединен с первым входом второго цифрового адаптивного фильтра, а выход этого фильтра соединен с вторым входом второго блока вычитания, выход которого второй шиной обратной связи соединен с вторым входом второго адаптивного фильтра и с вторым входом цифрового разностного фильтра; в результирующем канале выход пятого прямого вейвлет-преобразователя соединен с третьим входом цифрового разностного фильтра, выход которого через дискретный обратный вейвлет-преобразователь соединен с входом ЦДЛ, выход последнего является выходом компенсатора.
На фиг.1 представлена обобщенная структурная схема адаптивного вейвлет-компенсатора, на которой изображено: А - сигнальный канал, В - результирующий канал, С - компенсационный канал.
На фиг.2 представлена структурная электрическая схема адаптивного вейвлет-компенсатора, на которой изображено: 1, 2 - первый и второй АЦП соответственно, 3, 4 - первый и второй блоки сложения соответственно, 5, 6 - первый и второй генераторы белого шума соответственно, 7, 8 - первый и второй дискретные вейвлет-преобразователи соответственно, 9, 10 - первый и второй цифровые адаптивные фильтры соответственно, 11, 12 - первый и второй блоки вычитания соответственно, 13, 14, 15 - третий, четвертый и пятый прямые, дискретные вейвлет-преобразователи соответственно, 16 - цифровой разностный фильтр, 17 - дискретны обратный вейвлет-преобразователь, 18 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).
Структурная электрическая схема имеет следующие соединения. Адаптивный вейвлет-компенсатор помех, содержит основной сигнальный канал А - формирователь адаптивной модели сигнала, отличающийся тем, что введен компенсационный канал С - адаптивной модели помехи и результирующий канал В - формирователь оценки полезного сигнала, причем основной канал состоит из первого АЦП 1, первого генератора белого шума 5, первого блока сложения 3, первого и третьего прямого вейвлет-преобразователей, первого цифрового адаптивного фильтра 9 и первого блока вычитания 11; компенсационный канал С состоит из второго АЦП 2, второго генератора 6 белого шума, второго блока сложения 4, второго и четвертого прямого вейвлет-преобразователей, второго цифрового адаптивного фильтра 10 и второго блока вычитания 12; результирующий канал В содержит: пятый прямой вейвлет-преобразователь, цифровой разностный фильтр 16, дискретный обратный вейвлет-преобразователь 17 и ЦАП 18; адаптивный компенсатор имеет следующие соединения: входной сигнал - смесь полезного сигнала и помехи - соединен с входом первого АЦП 1 и с входом пятого прямого вейвлет-преобразователя, выход первого АЦП 1 соединен с первым входом первого блока сложения 3 и через третий прямой вейвлет-преобразователь с первым входом первого блока вычитания 11, выход первого генератора 5 белого шума соединен с вторым входом первого блока сложения 3, выход которого через первый прямой вейвлет-преобразователь соединен с первым входом первого цифрового адаптивного фильтра 9, а выход этого фильтра 9 соединен с вторым входом первого блока вычитания 11, выход которого первой шиной обратной связи соединен с вторым входом первого адаптивного фильтра 9 и с первым входом цифрового разностного фильтра 16; сигнал опорной помехи соединен с входом первого АЦП 1 выход которого с первым входом второго блока сложения 4 и через четвертый прямой вейвлет-преобразователь с первым входом второго блока вычитания 12, выход второго генератора 6 белого шума соединен с вторым входом второго блока сложения 4, выход которого через второй прямой вейвлет-преобразователь соединен с первым входом второго цифрового адаптивного фильтра 10, а выход этого фильтра соединен с вторым входом второго блока вычитания 12, выход которого второй шиной обратной связи соединен с вторым входом второго адаптивного фильтра 10 и с вторым входом цифрового разностного фильтра 16; в результирующем канале В выход пятого прямого вейвлет-преобразователя соединен с третьим входом цифрового разностного фильтра 16, выход которого через дискретный обратный вейвлет-преобразователь 8 соединен с входом ЦАП 18, выход последнего является выходом компенсатора.
Представленный адаптивный компенсатор на основе вейвлет-преобразования (далее адаптивный вейвлет-компенсатор) работоспособен в условиях полной взаимной некоррелированности помех, действующих на основном и дополнительном входах компенсатора. Помеха - стационарная, может быть как сосредоточенной по спектру, так и широкополосной, однако наилучшие фильтрующие свойства вейвлет-компенсатора проявляются, когда имеются спектральные отличия полезного сигнала и помехи. Полезный сигнал - детерминированный импульсный процесс или процесс из класса псевдослучайных кодовых последовательностей, которые находят все более широкое применение в различных радиотехнических системах (системах навигации, связи, сотовых системах подвижной радиосвязи и т.п.). Вейвлет-компенсатор хорошо работает при соотношениях мощностей сигнала и помехи от минус 30 дБ и выше.
k
j,
k
Алгоритм работы предложенного адаптивного вейвлет-компенсатора помех основан на алгоритме формирования адаптивных моделей стационарных случайных процессов [2]. В основе синтеза алгоритма формирования адаптивных моделей случайных процессов лежит схема классического винеровского фильтра. Входными данными для такого алгоритма формирования являются временные последовательности аппроксимирующих a и детализирующих d коэффициентов, которые являются результатом прямого дискретного вейвлет-преобразования сигналов:
N
где φ(t) - масштабирующая функция, создающая свои масштабные версии сигнала; Ψ(t) - материнский вейвлет, порождающий остальные используемые в преобразовании вейвлеты; j и k - целые числа; N - максимальный уровень разложения сигнала j.
Адаптивный вейвлет-компенсатор состоит из сигнального канала, на входе которого присутствует смесь сигнала и помехи, компенсационного канала, на который подается помеха, а также результирующего канала.
n
Сигнальный канал (фиг.2) предназначен для формирования модели зашумленного сигнала (смеси сигнала и помехи). Входным сигналом канала является зашумленный сигнал (S+D1). К нему примешивается формирующий белый шум (БШ), и вся смесь с помощью операции прямого дискретного вейвлет-преобразования представляется в виде последовательностей аппроксимирующих и детализирующих коэффициентов. Сформированная последовательность коэффициентов подается на свой адаптивный фильтр. Порядок каждого адаптивного фильтра определяется числом аппроксимирующих или детализирующих коэффициентов на n-ом уровне разложения j (входят в адаптивный фильтр 9).
В процессе формирования модели (с помощью соответствующего алгоритма адаптации) перестраивается импульсная характеристика каждого адаптивного фильтра так, чтобы выходной сигнал фильтра имел наилучшее приближение к полезному сигналу, который представлен в виде прямого дискретного вейвлет-преобразования зашумленного сигнала (S+D1). В результате процесса адаптации модель зашумленного сигнала может быть выражена в форме вектора, состоящего из дискретных импульсных характеристик адаптивных фильтров:
a
n
где h- дискретная импульсная характеристика адаптивного фильтра коэффициентов аппроксимации;  - дискретная импульсная характеристика адаптивного фильтра коэффициентов детализации на n-ом уровне разложения j.
Работа компенсационного канала идентична. В процессе работы алгоритма формирования весовых коэффициентов каждый адаптивный фильтр входят в АД10 компенсационного канала настраивается так, чтобы сигнал на выходе фильтра имел максимальное приближение к помехе, которая представлена в виде прямого дискретного вейвлет-преобразования (D2). При этом формируется модель помехи D2 в форме вектора, состоящего из дискретных импульсных характеристик адаптивных фильтров:
В результирующем канале формируется результирующая импульсная характеристика адаптивного вейвлет-компенсатора и определяется из ф.3 и ф.4 как разность дискретных импульсных характеристик адаптивных фильтров сигнального и компенсационного канала:
N
Разностные импульсные характеристики переписываются в разностные адаптивные фильтры на вход которых подаются последовательности коэффициентов детализации и аппроксимации на всех уровнях разложения. С выходов разностных адаптивных фильтров коэффициенты детализации и аппроксимации поступают на блок обратного дискретного вейвлет-преобразования, в котором происходит реконструкция сигнала на N-уровне разложения j [3]:
где * - операция свертки вейвлет-коэффициентов с импульсной характеристикой адаптивного фильтра.
Таким образом, в случае равенства мощностей помех в каналах при вычитании дискретных импульсных характеристик адаптивных фильтров фактически на каждом уровне разложения формируется оптимальный адаптивный порог (по критерию минимальной среднеквадратичной ошибки), с помощью которого происходит подавление помеховой составляющей и выделение полезного сигнала. Выбор материнского вейвлета (Хаара, Добеши, Мала и т.п.) производится исходя из особенностей сигналов. Кроме того, для достижения максимально эффективного выделения полезного сигнала необходимо подобрать такое значение отношения мощности помеха-формирующий шум в обоих каналах q, при котором вероятность ошибки приема символа минимальна.
Быстродействие алгоритма адаптивной вейвлет-компенсации помех можно оценить через число операций умножения (ЧОУ) на каждый временной шаг. При использовании алгоритма адаптации весовых коэффициентов адаптивных фильтров по методу наименьших квадратов число операций умножения составит:
ЧОУ=2·(3L+1+4n)+(L+4n)=7L+12n+2
где L - временной интервал вейвлет-обработки,
n - порядок вейвлета.
С помощью разработанного программного обеспечения «Адаптивный вейвлет-компенсатор помех» было проведено моделирование работы представленного в статье алгоритма подавления помех.
В качестве полезного сигнала была выбрана М-последовательность в связи с тем, что она широко используется в системах связи и навигации, сотовых системах радиосвязи, а также различных локальных радиосетях [4] и достаточно просто реализуется программным способом. Помеха - белый гауссов шум, помехи в каналах некоррелированы. Мощности помех в каналах устанавливались равными, отношение мощности помехи к мощности формирующего белого шума q выбиралось экспериментально.
Для количественной оценки помехоустойчивости адаптивного вейвлет-компенсатора в экспериментах исследовалась зависимость вероятности ошибки приема символа рош от отношения мощности сигнал-помеха η. Этот параметр (рош) характеризует достоверность передачи дискретных сообщений и часто используется как основной критерий соответствия принятого сигнала переданному в радиосистемах передачи информации.
Выбор вейвлета Хаара обусловлен формой полезного сигнала (М-последовательность) и применяется на практике, когда сигнал содержит перепады уровня [3].
Таблица 1.
Параметры моделирования
Параметр
Значение
Период М-последовательности
2<sup>5</sup>-1
Формирующий полином М-последовательности
x<sup>5 </sup>⊕ x<sup>4 </sup>⊕ x<sup>5</sup> ⊕ x<sup>2 </sup>⊕ 1
Объем выборки для оценки рош
65536
Количество выборок для усреднения рош
10
Временной интервал вейвлет-обработки
1024 отсч.
Коэффициент адаптации АКП
0,001
Отношение мощности помеха-формирующий шум в каналах q
10 дБ, 0 дБ, -10 дБ, -20 дБ
Алгоритм адаптации фильтров
метод наименьших квадратов [1]
Тип материнского вейвлета
Хаара (n=1)
Число уровней разложения
10
На фиг.3 изображены зависимости вероятности ошибки приема символа от отношения мощности сигнал-помеха при разных отношениях мощности помехи и формирующего шума в каналах, в отсутствии компенсации помех (сплошная) и с использованием вейвлет-компенсатора при отношении мощности помеха-формирующий шум q=10 дБ (штрихпунктирная линия), при q=0 дБ (пунктирная линия), при q=-10 дБ (точечная линия). Эти зависимости ясно демонстрируют, что представленный в статье адаптивный вейвлет-компенсатор способен осуществлять фильтрацию полезного сигнала, когда помехи на его обоих входах взаимно некоррелированы. В частности, при отношении мощности помехи и формирующего шума минус 10 дБ, безошибочный прием символа (рош) достигается при отношениях мощности сигнал-помеха больше минус 20 дБ. Наихудший прием символа в смысле вероятности ошибки наблюдается при отношении мощности помехи и формирующего шума 10 дБ. Таким образом, существует оптимальное значение отношения мощности помехи и формирующего шума в каналах, при которых можно добиться минимальной вероятности ошибки приема символа.
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.
Литература
1. Мартин Т. Микроконтроллеры ARM7. Семейство LPC2000 компании Philips. Вводный курс / Пер. с англ. - М. : Издательский дом «Додэка-XXI», 2006. - 240 с.: илл.
2. Справочник. Интегральные микросхемы: Микросхемы для аналого-цифрового преобразования и средств мультимедиа. Выпуск 1-М. ДОДЭКА, 1996 г., 384 с.
3. Андрианов В.И., Бородин В.А., Соколов А.В. «Шпионские штучки» и устройства для защиты объектов и информации. Справочное пособие. - Лань, Спб, 1996 - 272 с.: ил.
4. Разработка устройств на основе цифровых сигнальных процессоров фирмы Analog Device с использованием Visual DSP++. - М.: Горячая линия - Телеком, 2007. - 270 с.
Библиографический список
1. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов. Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1989. - 440 с.
2. Манохин А.Е., Нифонтов Ю.А. О некоторых приложениях моделирования сигналов с использованием адаптивных фильтров // Радиолокация. Навигация. Связь. Труды десятой международной научно-технической конференции. Воронеж: изд. НПФ «Саквоее» OOO, 2004. С.54.
3. В.П.Дьяконов. Вейвлеты. От теории к практике. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Солон-Пресс, 2004. - 400 с.: ил.
4. Радиосистемы передачи информации: Учебное пособие для вузов / В.А.Васин, В.В.Калмыков, Ю.Н.Себекин, А.И.Сенин, И.Б.Федоров; под ред. И.Б.Федорова и В.В.Калмыкова. - М.: Горячая линия - Телеком, 2005. - 472 с.: ил.