Цифровой измеритель мощности сигнала и мощности помехи в полосе пропускания канала радиоприемника в реальном масштабе времени
DIGITAL SIGNAL POWER AND INTERFERENCE POWER METER IN RADIO RECEIVER CHANNEL BANDWIDTH IN REAL TIME SCALE

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах оценивания текущей информации о помехово-сигнальной обстановке и уровнях сигнала и помех на входе приемника с целью адаптации к ним различных параметров радиоприемных устройств, основного канала радиоприема, адаптации уровней порогов обнаружения к шумам различной интенсивности в обнаружителях панорамных радиоприемных устройств, а также устройств компенсации помех.
Известен измеритель отношения сигнал/шум (патент RU 2332676, «Измеритель отношения сигнал/шум» G01R 29/26, 09.01.2007), содержащий смеситель, сигнальный вход которого является входом устройства, гетеродин, выход которого подключен к опорному входу смесителя, первый полосовой фильтр, вход которого подключен к выходу смесителя, последовательно включенные первый измеритель мощности, блок вычитания, дифференциальный логарифмический преобразователь и регистрирующий прибор, и второй полосовой фильтр, вход которого подключен к выходу смесителя, а выход - ко входу второго измерителя мощности, выход которого подключен к инверсным входам блока вычитания и дифференциального логарифмического преобразователя. При этом в измерителе осуществляется одновременное измерение в двух соседних каналах: средней мощности совокупных шумов в одном из них и совокупной средней мощности аддитивной смеси сигнала и совокупных шумов в другом. Измеренные значения мощностей затем используются для вычисления неизвестной средней мощности сигнала и отношения сигнал/шум косвенным методом. Полосовые фильтры первого и второго измерительных каналов имеют равные значения полос пропускания, но значения центральных частот отличаются на величину, равную удвоенной ширине их полос пропускания.
Недостатком данного измерителя является совместное измерение совокупной мощности аддитивной смеси сигнала и шума (помехи) в основном канале приема, а мощности помехи - в соседнем канале приема. Данный измеритель не позволяет производить раздельную оценку средней мощности сигнала и средней мощности шума в одном канале и, как следствие, оценку отношения мощностей сигнал/шум (помеха) в реальном масштабе времени. Следует отметить, что при наличии прицельной помехи в канале, где присутствует сигнал, или в случае различной интенсивности естественных помех в различных каналах, измерение средней мощности шума (помехи) в канале, где сигнал отсутствует, приведет к возникновению ошибки измерения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является измеритель мощности сигнала и мощности помехи в полосе пропускания канала радиоприемника в реальном масштабе времени (патент RU 2472167, «Цифровой измеритель мощности сигнала и мощности помехи в полосе пропускания канала радиоприемника в реальном масштабе времени» G01R 29/26, 07.10.2011), взятый за прототип, и содержащий гетеродин, последовательно соединенные смеситель, сигнальный вход которого является входом устройства, полосовой фильтр и аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с объединенными сигнальными входами измерителя мощности аддитивной смеси сигнала и помехи (ИМАССП) и измерителя мощности сигнала, вторые входы которых соединены с выходом регистра хранения множителя усреднения L, а выходы ИМАССП и измерителя мощности сигнала через соответствующие первый и второй накопители-усреднители соединены соответственно с первым и вторым входами блока вычитания, выход которого через первый регистр памяти соединен со вторым входом регистрирующего прибора, выход которого является выходом устройства, выход второго накопителя-усреднителя через второй регистр памяти соединен с первым входом регистрирующего прибора; выход блока вычитания также соединен с первым входом арифметико-логического устройства определения частного, второй вход которого соединен с выходом второго накопителя-усреднителя, а выход арифметико-логического устройства определения частного соединен с третьим входом регистрирующего прибора, выход которого является выходом устройства; вторые входы измерителя мощности аддитивной смеси сигнала и помехи и измерителя мощности сигнала соединены с выходом регистра хранения множителя усреднения L; выход гетеродина соединен с опорным входом смесителя, а через делитель частоты - со вторым входом аналого-цифрового преобразователя.
Недостатком прототипа является большая среднеквадратическая ошибка оценивания дисперсии шума (12% и более), обусловленная проникновением части сигнала в канал оценивания дисперсии шума и принципиальной невозможностью компенсации последней путем усреднения.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение среднеквадратической ошибки оценивания дисперсии шума при низких (менее 10 дБ) отношениях сигнал/шум в условиях возможного проникновения части сигнала в канал оценивания дисперсии шума. Для решения поставленной задачи предлагается цифровой измеритель мощности сигнала и мощности помехи в полосе пропускания канала радиоприемника в реальном масштабе времени, содержащий последовательно соединенные смеситель, сигнальный вход которого является входом устройства, полосовой фильтр, аналого-цифровой преобразователь, измеритель мощности сигнала, первый накопитель-усреднитель, первый регистр памяти и регистрирующий прибор, выход которого является выходом устройства, а также гетеродин, выход которого соединен с опорным входом смесителя непосредственно и аналого-цифрового преобразователя - через делитель частоты, измеритель мощности аддитивной смеси сигнала и помехи, вход которого связан с выходом аналого-цифрового преобразователя, регистр хранения множителя усреднения L, выход которого связан со вторыми входами измерителя мощности аддитивной смеси сигнала и помехи и измерителя мощности сигнала, блок вычитания, второй накопитель-усреднитель и второй регистр памяти, а также арифметико-логическое устройство определения частного, второй вход которого соединен с выходом первого накопителя-усреднителя, а выход - со вторым входом регистрирующего прибора. Согласно изобретению, дополнительно введен вычислитель центральной точки шумового кластера, выход которого соединен со вторым входом арифметико-логического устройства и третьим входом регистрирующего прибора, при этом выход измерителя аддитивной смеси сигнала и помехи через последовательно соединенные блок вычитания, второй накопитель-усреднитель и второй регистр памяти связан со входом вычислителя центральной точки шумового кластера, а выход измерителя мощности сигнала - со вторым входом блока вычитания.
Структурная схема цифрового измерителя мощности сигнала и мощности помехи в полосе пропускания канала радиоприемника в реальном масштабе времени приведена на фигуре.
1
1
2
2
1
Заявляемое устройство (см. чертеж) содержит последовательно соединенные смеситель СМ 1, сигнальный вход которого является входом устройства, полосовой фильтр ПФ 2, аналого-цифровой преобразователь АЦП 3, измеритель мощности сигнала ИМС 4, первый накопитель-усреднитель НУ 5, первый регистр памяти РП 6 и регистрирующий прибор РЕГП 7, выход которого является выходом устройства, гетеродин Г 8, выход которого соединен с опорным входом смесителя СМ 1 непосредственно и аналого-цифрового преобразователя АЦП 3 - через делитель частоты ДЧ 9, последовательно соединенные измеритель мощности аддитивной смеси сигнала и помехи ИМАССП 10, блок вычитания БВ 11, второй накопитель-усреднитель НУ 12, второй регистр памяти РП 13, вычислитель центральной точки шумового кластера ВЦТШК 14 и арифметико-логическое устройство вычисления частного АЛУ ВЧ 15, а также регистр хранения множителя усреднения РХМУ 16, выход которого связан со вторыми входами ИМАССП 10 и ИМС 4, при этом вход ИМАССП 10 соединен с выходом АЦП 3, первый вход АЛУ ВЧ 15 - с выходом НУ 5, а второй и третий входы РЕГП 7 - с выходами АЛУ ВЧ 15 и ВЦТШК 14.
Устройство работает следующим образом.
i
i
i
i
i
i
этi
ci
ni
ci
ni
ni1
2
nj1
nj1
2
ш
ci
1
1
Аддитивная смесь сигнала со случайной амплитудой и начальной фазой и шума (помехи) с неизвестной интенсивностью поступает на сигнальный вход смесителя СМ 1, на опорный вход которого поступает сигнал гетеродина Г 8, представляющий собой непрерывный высокочастотный сигнал с фиксированными частотой и уровнем. С выхода смесителя СМ 1 аддитивная смесь сигнала со случайной амплитудой и начальной фазой и шума (помех) с неизвестной интенсивностью на промежуточной частоте поступает на вход полосового фильтра ПФ 2 с полосой пропускания ΔF, с выхода которого сигнал подается на первый вход АЦП 3, на второй вход которого через делитель частоты ДЧ 9 подается сигнал с выхода гетеродина Г 8. Коэффициент деления частоты ДЧ 9 выбирается из условия обеспечения частоты дискретизации на уровне не менее 2⋅ΔF, где ΔF - полоса сигнала. С выхода АЦП 3 двоичный код уровня (цифровые отсчеты) x=s+n аддитивной смеси сигнала s и шума (помехи), где i - номер цифрового отсчета, одновременно поступают на входы измерителя мощности аддитивной смеси сигнала и помехи ИМАССП 10 и измерителя мощности сигнала ИМС 4. В первом осуществляется автокорреляционная (путем умножения аддитивной смеси сигнала и шума (помехи) x самой на себя), а во втором - корреляционная (путем умножения сигнала s на эталон s) обработка сигнала с накоплением L отсчетов, задаваемых РХМУ 16, за время не менее . Полученные таким образом отсчеты мощности аддитивной смеси сигнала и помехи P+P и сигнала Р, i=1,…,N с выходов ИМАССП 10 и ИМС 4 поступают на входы блока вычитания БВ 11, на выходе которого формируются отсчеты аддитивной смеси мощности помехи P и некомпенсированной части сигнала . Формируемое таким образом множество отсчетов  состоит из двух подмножеств, подчиняющихся Релеевскому закону распределения - подмножества шумовых элементов Р и подмножества аддитивной смеси шумовых и проникнувших в канал оценивания дисперсии шума сигнальных элементов , i1∈[1,…,N1], i2∈[1,…,N2], N1+N2=N, N1>>N2. После выполнения N накоплений-усреднений одиночных отсчетов  во втором накопителе-усреднителе НУ 12 при N>>1 законы распределения элементов подмножества шумовых элементов P и подмножества аддитивной смеси шумовых и проникнувших в канал оценивания дисперсии шума сигнальных элементов выборок  нормализуются, что упрощает процедуру выделения из регистрируемого множества  шумового кластера Р, y=[1,…,M]. Формирование множества элементов  производится в регистре памяти РП 13, после заполнения которого вычислителем центральной точки шумового кластера ВЦТШК 14 производится определение мощности шума (помехи) по формуле , где , m - настроечный параметр, выбираемый из условия получения максимального значения Р,  и сохранение полученного результата до следующего цикла измерения. Вычисление мощности сигнала  производится путем усреднения полученных в измерителе мощности сигнала ИМС 4 единичных отсчетов P в НУ 5. Результаты вычисления мощности сигнала регистрируются в регистре памяти РП 6 и в последующем используются для вычисления отношения сигнал/шум в арифметико-логическом устройстве вычисления частного 15 и регистрации в регистрирующем приборе 7. Принципы построения входящих в устройство узлов за исключением ВЦТШК 14 описан в патенте RU 2472167, «Цифровой измеритель мощности сигнала и мощности помехи в полосе пропускания канала радиоприемника в реальном масштабе времени». ВЦТШК 14 может быть реализован на основе стандартного АЛУ. На момент подачи заявки во ФГУП «РНИИРС» подано техническое предложение, направленное на реализацию цифрового измерителя мощности сигнала и мощности помехи в полосе пропускания канала радиоприемника в реальном масштабе времени в НИР «Штемпель-Ж31». Сравнительное моделирование, выполненное в программной среде MathCAD, показало возможность компенсации составляющей ошибки оценивания дисперсии шума, обусловленной проникновением части сигнала в канал оценивания дисперсии шума, что позволило снизить среднеквадратическую ошибку оценивания мощности помехи в 1,2 и более раза, что полностью подтвердило достижение поставленной цели.