Способ автоматической регулировки усиления с задержкой сигнала на время оценки мощности аддитивной смеси сигнала и помехи
METHOD FOR AUTOMATIC GAIN CONTROL WITH A SIGNAL DELAY FOR THE TIME OF ESTIMATING THE POWER OF AN ADDITIVE MIXTURE OF SIGNAL AND NOISE

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в приемных устройствах радиотехнических систем.
Известен способ адаптивной временной регулировки усиления, реализуемый адаптивным устройством временной АРУ (ВАРУ), описанный в полезной модели к патенту № 165436 RU, G01S 7/34. Недостатком способа является то, что включение адаптивной ВАРУ осуществляется оператором РЛС, поэтому способ не может быть использован в устройствах автоматической регулировки усиления.
Известен способ автоматической регулировки усиления (АРУ), который реализуется логарифмическими усилителями, описанными в книге Максимова М.В., Бобнева М.П., Кривицкого Б.Х., и др. «Защита от радиопомех», изд. «Сов. радио», 1976 г., стр. 189 – 197. У этого способа недостаточно высокая эффективность при работе средств связи в условиях быстро изменяющейся помеховой обстановки в том числе при наличии импульсных помех.
Известны способы АРУ, которые реализуется системами АРУ, быстродействующей АРУ (БАРУ), схемой АРУ «вперед», системой АРУ с нелинейными элементами в фильтрующих цепях, описанные в книге Максимова М.В., Бобнева М.П., Кривицкого Б.Х., и др. «Защита от радиопомех», изд. «Сов. радио», 1976 г., стр. 197 – 202, 209 – 210, 210 – 213. Недостатками данных способов является недостаточно высокая эффективность при работе приемников сигналов в условиях быстро изменяющейся помеховой обстановки.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является способ, который реализуется устройством автоматической регулировки усиления, описанным в патенте № 2 022 451 RU H03G 3/20, принятый за прототип.
Способ-прототип заключается в следующем.
Оценивают мощность усиленного сигнала. Полученное значение мощности сравнивают с N порогами, которые разбивают динамический диапазон сигнала на N+1 зону. По результатам сравнения устанавливают N-разрядный двоичный код зоны, определяющий в какой зоне динамического диапазона находится сигнал. Преобразуют N-разрядный двоичный код зоны в M-разрядный двоичный код шага регулирования. Суммируют текущее значение M-разрядного двоичного кода с M-разрядным двоичным кодом, полученным на предыдущем шаге регулирования. В случае если полученный в результате суммирования код выходит за минимальное или максимальное граничное значение, то устанавливают соответственно минимальное или максимальное возможное значение кода. Полученный двоичный код шага регулирования преобразуют в аналоговое напряжение, с использованием которого регулируют коэффициент усиления соответствующего усилителя.
Недостатком способа-прототипа являются значительные ошибки оценки мощности смеси сигнала и помехи при значительном уровне входной смеси сигнала и помехи, значительное запаздывание во времени регулировки усиления, связанное с большим временем, необходимым для точного оценивания мощности (дисперсии) смеси помехи и сигнала и, соответственно, недостаточно высокая эффективность способа в условиях быстроизменяющейся помеховой обстановки.
Задача – повышение эффективности автоматической регулировки усиления в условиях быстроизменяющейся помеховой обстановки.
иф
иф
Для решения поставленной задачи в способе автоматической регулировки усиления (АРУ) с задержкой сигнала на время оценки мощности аддитивной смеси сигнала и помехи, заключающемся в том, что в заданные временные интервалы оценивают мощность усиленной аддитивной смеси сигнала и помехи, получают аналоговое напряжение, с использованием которого регулируют коэффициент усиления соответствующего усилителя, согласно изобретению, после усиления аддитивной смеси сигнала и помехи в усилителе высокой частоты и повышения или понижения значения рабочей частоты до значения частоты, на которой осуществляют обработку сигнала, смесь сигнала и помехи разделяют на две составляющие, значение коэффициента, с которым осуществляют разветвление сигнала, устанавливают заранее, первую составляющую задерживают на время, необходимое для измерения мощности смеси сигнала и помехи, формирования управляющих напряжений – t, и последующего усиления в линейном усилителе, вторую составляющую усиливают нелинейным способом, обеспечивающим заданный динамический диапазон, и оценивают уровень ее мощности способом, обеспечивающим заданную точность измерения за время t, с использованием полученного значения напряжения суммы сигнала и помехи на выходе нелинейного усилителя и зависимости значений выходных напряжений от соответствующих значений напряжений на входе нелинейного усилителя рассчитывают значение напряжения суммы сигнала и помехи на входе нелинейного усилителя, и с использованием полученного значения рассчитывают значение мощности смеси сигнала и помехи на входе системы АРУ, в соответствии с рассчитанным значением мощности смеси сигнала и помехи на входе системы АРУ определяют уровни управляющих напряжений, которые используют для регулировки коэффициентов усиления соответствующих усилителей, первую составляющую усиливают в усилителях с линейной характеристикой усиления и регулируемыми коэффициентами усиления через время, необходимое для измерения мощности смеси сигнала и помехи и формирования управляющих напряжений.
Предлагаемый способ заключается в следующем.
Входную аддитивную смесь сигнала и помехи (далее – смесь сигнала и помехи) усиливают в усилителе высокой частоты. После чего повышают или понижают рабочую частоту до значения промежуточной частоты, на которой осуществляют обработку сигнала.
Затем смесь сигнала и помехи разделяют на две составляющие. Значение коэффициента, с которым осуществляют разветвление сигнала, устанавливают заранее. Значение данного коэффициента определяют путем математического моделирования или экспериментальным путем.
иф
Первую составляющую задерживают на время, необходимое для измерения мощности смеси сигнала и помехи, формирования управляющих напряжений – t, и последующего усиления в линейном усилителе.
Вторую составляющую усиливают с использованием нелинейного усилителя, обладающего необходимым динамическим диапазоном, например, с использованием логарифмического усилителя. Амплитудную характеристику логарифмического усилителя определяют путем математического моделирования или экспериментальным путем.
иф
Путем соответствующей обработки данной составляющей оценивают мощность смеси сигнала и помехи способом, обеспечивающим заданную точность измерения за время (t), не превышающее установленное значение.
При измерении мощности традиционным способом, например, путем оценки дисперсии, для обеспечения приемлемой точности (±5%), необходимо использование более ста периодов сигнала (данные получены путем использования имитационного моделирования). Это приводит к низкой эффективности способов АРУ, в которых используется традиционный метод оценки дисперсии.
Для обеспечения практической применимости данного способа необходимо использовать решение, позволяющее оценивать мощность сигнала с большой точностью при использовании небольшого количества отсчетов, например, способ и устройство выделения сигналов, описанный в патенте № 2675386, RU H04B1/10.
Данный способ заключается в следующем. Аддитивную смесь сигнала и помехи возводят в квадрат, например, разветвляют на две одинаковые составляющие, которые затем перемножают, например, с использованием смесителя (см., например, учебное пособие «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. 186 – 189).
Результат перемножения смеси сигнала и помехи самой на себя:
– результат умножения сигнал на сигнал – квадрат амплитуды сигнала (постоянная составляющая);
– результат умножения составляющих помехи самих на себя – сумма квадратов амплитуд помехи (постоянная составляющая) и сумма результата умножения составляющих помехи на составляющие помехи (комбинационные составляющие помехи);
– результат умножения составляющих помехи на сигнал – сумма комбинационных составляющих сигнала и помехи.
Результаты умножения фильтруют фильтром нижних частот (ФНЧ) и одновременно (параллельно) – полосовым фильтром.
Полосу ФНЧ согласуют с полосой сигнала, т.е. верхняя частота ФНЧ соответствует верхней частоте сигнала, нижняя частота ФНЧ близка к нулю.
Верхнюю частоту полосового фильтра устанавливают равной верхней частоте сигнала. Нижнюю частоту полосового фильтра устанавливают равной некоторому заранее заданному значению. Выбор ФНЧ и полосового фильтра осуществляют с идентичными в максимальной степени фазо-частотными характеристиками и так, что амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) полосового фильтра в области частот близких к нулю имеет максимально возможную крутизну, в области частот, начиная со значения, для которого разность значений АЧХ ФНЧ и полосового фильтра становится меньше некоторой заранее заданной величины, обеспечивают идентичность их АЧХ в максимальной степени (иллюстративный пример приведен на фиг. 1).
Таким образом, на выход ФНЧ проходит сумма квадратов амплитуд сигнала, сумма квадратов амплитуд помехи, сумма комбинационных составляющих помехи и комбинационных составляющих сигнала и помехи.
На выход полосового фильтра проходят только сумма комбинационных составляющих помехи и сигнала и комбинационных составляющих помехи.
Сигналы, прошедшие на выход фильтров, вычитают один из другого. В результате вычитания получают сигнал, значение которого пропорционально сумме мощностей сигнала и помехи.
Полученное значение преобразуют в цифровую форму. Число отсчетов, используемых для представления сигнала, определяют путем математического моделирования или экспериментальным путем. Рассчитывают значение напряжения на выходе логарифмического усилителя.
С использованием полученного значения напряжения суммы сигнала и помехи и зависимости значений выходных напряжений от соответствующих значений напряжений на входе логарифмического усилителя рассчитывают значение напряжения суммы сигнала и помехи на входе логарифмического усилителя.
Рассчитывают значение напряжения суммы сигнала и помехи на входе линейного усилителя (первая составляющая) следующим образом
вхл
д
вхн
U=KU, (1)
вхл
вхн
где U, U – значения напряжений суммы сигнала и помехи на входе линейного и нелинейного усилителей соответственно;
д
K – коэффициент деления напряжения между линейным и нелинейным усилителями.
Уровни управляющих напряжений, которые используют для регулировки коэффициентов усиления линейного усилителя или линейных усилителей, если используется линейка (каскад) усилителей могут быть определены следующим образом.
В общем случае, когда используется каскад линейных усилителей, их коэффициенты усиления могут быть определены, например, из зависимостей коэффициентов усиления от значений напряжения суммы сигнала и помехи на входе каскада линейных усилителей, которые установлены заранее методом математического моделирования или экспериментальным путем.
Или, например, коэффициенты усиления могут быть определены, следующим образом.
Для случая использования усилителя с линейной характеристикой выходное напряжение рассчитывают по формуле
вых
у
вх
U=k U (2)
вх
где U – входное напряжение;
у
k – коэффициент усиления усилителя.
Для известных значений входного напряжение и коэффициента усиления усилителя рассчитывают значение выходного напряжение по ф. 1.
Для случая использования n одинаковых усилителей с линейной характеристикой выходное напряжение рассчитывают по формуле
вых
вх
n
U=k U, (3)
вх
где: U – входное напряжение;
k – коэффициент усиления;
n – число усилителей.
Используя ф. 3 выражение для коэффициента усиления усилителей, можно записать в виде
вых
вх
1/n
k= (U/U). (4)
С использованием зависимостей коэффициента усиления от уровня управляющего напряжения, которые определяются для конкретного типа используемого линейного усилителя, устанавливают значения управляющих напряжений.
После чего первую составляющую усиливают в каскаде линейных усилителей с регулируемыми коэффициентами усиления через время, необходимое для измерения мощности смеси сигнала и помехи и формирования управляющих напряжений.
Зависимости точности оценки суммарной мощности сигнала и помехи от времени оценки получены путем математического моделирования.
Моделирование осуществлялось с использованием «Программы оценки эффективности квадратичного обнаружителя с компенсацией комбинационных составляющих в условиях наличия аддитивного белого Гауссовского шума», разработанной в системе MATLAB (Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2018664305).
По результатам оценки установлено, что приемлемая точность оценки может быть получена за время измерения равное четырем – пяти периодам, соответствующим частоте, на которой осуществляют обработку сигнала.
Таким образом, при использовании предлагаемого способа за счет использования в канале оценки мощности смеси сигнала и помехи нелинейного усилителя, например, логарифмического, может быть обеспечен значительный динамический диапазон приемника с сохранением высокой степени линейности усиления сигнала в основном канале.
Технический результат заключается в обеспечении линейного усиления сигналов в широком динамическом диапазоне в условиях быстро изменяющейся помеховой обстановки.
Структурная схема устройства, предназначенного для реализации предлагаемого способа, приведена на фиг. 2, где обозначено:
1 – усилитель высокой частоты (УВЧ) с линейной характеристикой усиления;
2 – смеситель;
3 – полосовой фильтр (ПФ);
4 – разветвитель;
5 – гетеродин;
6 – блок задержки сигнала;
7.1 – 7.n – с первого по n-ый усилители промежуточной частоты (УПЧ) с линейной характеристикой усиления;
8 – логарифмический усилитель (ЛУ);
9 – вычислительное устройство (ВУ);
10.1 – 10.n – с первого по n-ый цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП);
11 – блок оценки мощности.
Устройство содержит последовательно соединенные УВЧ 1, смеситель 2, ПФ 3, разветвитель 4, блок задержки сигнала 6, первый УПЧ 7.1, второй УПЧ 7.2, …., n-ый УПЧ 7.n, выход которого является выходом устройства, а также гетеродин 5, выход которого соединен со вторым входом смесителя 2. Последовательно соединенные логарифмический усилитель 8, блок оценки мощности 11 и ВУ 9, при этом второй выход разветвителя 4 соединен с входом логарифмического усилителя 8. Выходы ВУ 9 с первого по n-ый соединены с входами с первого 10.1 по n-ый 10.n аналого-цифровых преобразователей (ЦАП) соответственно. Выходы с первого 10.1 по n-ый 10.n ЦАП соединены со вторыми входами соответствующих с первого 7.1 по n-ый 7.n УПЧ. Вход УВЧ 1 является входом устройства.
Причем разветвитель 4 выполнен с возможностью разветвления сигнала с заданным значением коэффициента деления напряжения. Блок задержки сигнала 6 выполнен с возможностью задержки сигнала на заданное время. Вычислительное устройство 9 выполнено с возможностью расчета уровней управляющих напряжений. Блок оценки мощности 11 выполнен с возможностью измерения мощности с заданной точностью за время, не превышающее установленное значение.
Устройство работает следующим образом.
Аддитивную смесь сигнала и помехи усиливают в УВЧ 1. Затем значение частоты сигнала повышают или понижают до значения промежуточной частоты в смесителе 2. При этом опорный сигнал подают с выхода гетеродина 5 на второй вход смесителя 2.
Сигнал промежуточной частоты фильтруют ПФ 3, полоса частот которого согласована с полосой сигнала. После чего смесь сигнала и помехи разветвляют на две составляющие. Значение коэффициента, с которым осуществляют разветвление сигнала, определяют путем математического моделирования или экспериментальным путем исходя из условия обеспечения процесса измерения мощности смеси сигнала и помехи с заданной точностью и усиления смеси сигнала и помехи в усилителях 7 до необходимого уровня при изменении уровня входного сигнала в заданном диапазоне значений.
иф
Первую составляющую подают в блок задержки сигнала 6, где осуществляют задержку сигнала на заданное время t.
иф
Здесь t – время измерения мощности смеси сигнала и помехи и формирования управляющих напряжений.
Вторую составляющую усиливают в логарифмическом усилителе 8, обеспечивающем необходимый динамический диапазон (см., например, книгу Максимова М.В., Бобнева М.П., Кривицкого Б.Х., и др. «Защита от радиопомех», изд. «Сов. радио», 1976г., стр. 189 … 197).
Амплитудную характеристику логарифмического усилителя 8 определяют путем математического моделирования или экспериментальным путем исходя из заданного диапазона значений изменения уровня входного сигнала.
Усиленный сигнал подают в блок оценки мощности 11, где за счет использования квадратичной обработки и компенсации комбинационных составляющих частотных составляющих сигнала, помехи и помехи и сигнала, которые образуются при возведении смеси сигнала и помехи в квадрат, при этом осуществляют оценку уровня комбинационных составляющих. В результате такой обработки получают сигнал, значение амплитуды которого достаточно близко значению суммарной мощности сигнала и помехи.
Полученное значение в цифровой форме подают в ВУ 9, где с использованием полученного значения напряжения суммы сигнала и помехи и зависимости значений выходных напряжений от соответствующих значений напряжений на входе логарифмического усилителя 8 рассчитывают значение напряжения суммы сигнала и помехи на входе логарифмического усилителя 8.
Рассчитывают значение напряжения суммы сигнала и помехи на входе усилителей УПЧ с первого 7.1 по n-ый 7.n (первая составляющая) следующим образом
вхл
д
вхн
U=KU, (1)
вхл
вхн
где U, U – значения напряжений суммы сигнала и помехи на входе усилителей УПЧ с первого 7.1 по n-ый 7.n соответственно;
д
K – коэффициент деления напряжения между линейным и нелинейным усилителями.
Уровни управляющих напряжений, которые используют для регулировки коэффициентов усиления усилителей УПЧ с первого 7.1 по n-ый 7.n могут быть определены следующим образом. В общем случае, когда используется каскад линейных усилителей, их коэффициенты усиления могут быть определены, например, из зависимостей коэффициентов усиления от значений напряжения суммы сигнала и помехи на входе каскада линейных усилителей, которые установлены заранее методом математического моделирования или экспериментальным путем.
Или, например, коэффициенты усиления могут быть определены, следующим образом.
Для случая использования усилителя с линейной характеристикой выходное напряжение рассчитывают по формуле 2.
Для известных значений входного напряжение и коэффициента усиления усилителя рассчитывают значение выходного напряжение по ф. 1.
Для случая использования n одинаковых усилителей с линейной характеристикой выходное напряжение рассчитывают по формуле 3.
С использованием зависимостей коэффициента усиления от уровня управляющего напряжения, которые определяются для конкретного типа используемого линейного усилителя, устанавливают значения управляющих напряжений.
Значения управляющих напряжений в цифровой форме преобразуют в аналоговый вид в ЦАП с первого 10.1 по n-ый10. N, и подают их на вторые входы соответствующих усилителей УПЧ с регулируемыми коэффициентами усиления с первого 7.1 по n-ый 7.n, где усиливают первую составляющую до необходимого уровня через время, необходимое для измерения мощности смеси сигнала и помехи и формирования управляющих напряжений.
Блок задержки сигнала 6 может быть выполнен в виде линии задержки сигналов или в виде устройства, структурная схема которого приведена на фиг. 3, где обозначено:
6.1 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
6.2 – вычислительное устройство (ВУ);
6.3 – цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).
Устройство содержит последовательно соединенные АЦП 6.1, ВУ 6.2, ЦАП 6.3, выход которого является выходом блока задержки 6. Вход АЦП 6.1 является входом блока задержки 6.
Устройство работает следующим образом.
иф
Сигнал преобразуют в цифровую форму в АЦП 6.1 и подают его в ВУ 6.2, где сигнал запоминается и подается на выход ВУ 6.2 через время t. Сигнал с выхода ВУ 6.2 подают в ЦАП 6.3, где его преобразуют в аналоговую форму. Сформированный сигнал подают на выход устройства 6.
Блок оценки мощности 11 может быть выполнен в виде устройства, структурная схема которого приведена на фиг. 4 (см., например, патент №2675386 RU, H04B1/10), где обозначено:
11.1 – разветвитель;
11.2 – блок умножения;
11.3 – фильтр нижних частот (ФНЧ);
11.4 – вычитающее устройство;
11.5 – полосовой фильтр (ПФ);
11.6 –аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
11.7 – вычислительное устройство (ВУ).
Блок оценки мощности 11 содержит последовательно соединенные разветвитель 11.1, блок умножения 11.2, ФНЧ 11.3, вычитающее устройство 11.4, АЦП 11.6, ВУ 11.7, выход которого является выходом блока 11. Второй выход разветвителя 11.1 соединен со вторым входом блока умножения 11.2, выход которого соединен с входом полосового фильтра 11.5, выход которого соединен со вторым входом вычитающего устройства 11.4. Вход разветвителя 11.1 является входом блока оценки мощности 11.
Устройство работает следующим образом.
Смесь сигнала и помехи разветвляют на две одинаковые составляющие в разветвителе 11.1.
Полученные составляющие перемножают в блоке умножения 11.2. Результат перемножения составляющих фильтруют ФНЧ 11.3 и одновременно его фильтруют полосовым фильтром 11.5.
В вычитающем устройстве 11.4 из сигнала, прошедшего на выход ФНЧ 11.3, вычитают сигнал, прошедший на выход полосового фильтра 11.5.
Полученную разность подают в АЦП 11.6, где сигнал преобразуют в цифровую форму. Сигнал с выхода АЦП 11.6 подают в ВУ 11.7.
В ВУ 11.7 отсчеты, поступившие с АЦП 11.6, суммируют. Результат сложения нормируют относительно числа слагаемых. Полученное значение, пропорциональное суммарной мощности помехи и сигнала, подают на выход устройства.
Блок умножения 11.2 может быть выполнен, например, в виде преобразователя частоты (смесителя), см., например, учебное пособие «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. 186 – 189.
АЦП 6.1, АЦП 11.6 могут быть выполнены, например, на микросхеме AD7495BR фирмы Analog Devices.
С первого 10.1 по n-ый 10.n ЦАП и ЦАП 6.3 могут быть выполнены, например, на микросхеме AD9957BSVZ фирмы Analog Devices.
ВУ 9, ВУ 6.2, ВУ 11.7 могут быть выполнены, например, в виде единого микропроцессорного устройства с соответствующим программным обеспечением, например, процессора серии TMS320VC5416 фирмы Texas Instruments, или в виде программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) с соответствующим программным обеспечением, например, ПЛИС XCV400 фирмы Xilinx.
Таким образом, данное устройство позволяет реализовать предлагаемый способ.