ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СЛУЧАЙНОГО ШИРОКОПОЛОСНОГО СИГНАЛА

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована в радиосвязи, в частности, в радиоприемных устройствах широкополосного фазоманипулированного сигнала (ШПФМС), пораженного в канале распространения флуктуационными шумами и сосредоточенными по спектру и времени помехами. Предлагаемое устройство преобразует параметры входного сигнала приемника ШПФМС таким образом, чтобы обеспечить условия приема, близкие к оптимальному режиму.
Приемники ШПФМС проектируются, как правило, таким образом, чтобы они обеспечивали требуемый уровень качества принимаемой информации для априорно заданных: полезного сигнала, условий распространения при передаче в канале связи и вида сопровождающих шумов и помех. Стандартные априорные условия, для которых удается в полном объеме выполнить синтез оптимального приемника ШПФМС и реализовать его на практике описаны в [Тузов Г.И. Статистическая теория приема сложных сигналов / Г.И. Тузов. - М.: «Сов. радио», 1977. - 400 с. и др.]. При этом предполагается, что передаваемые сообщения гауссовы, и они медленно изменяются (квазистационарны) во времени по сравнению с сопутствующими или паразитными параметрами сигнала. Считается, что исследуемые полезные сигналы и помехи являются аддитивно смешанными стационарными случайными процессами, имеющими различные функции корреляции. Дополнительно вводятся требования о физической реализуемости искомой оптимальной системы и ее линейности.
Однако реально стандартные априорные условия встречаются редко. В то же время, большое значение для практического использования имеет решение задачи квазиоптимального приема широкополосных сигналов (ШПС) на фоне мощных сосредоточенных по спектру и времени помех и белого гауссовского шума.
Стандартные априорные условия достигаются в результате приведения спектра помехи с неравномерной спектральной плотностью мощности к помехе с равномерным спектром [Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости / В.А. Котельников. - М.: «Госэнергоиздат», 1956. - 150 с.]. При таком преобразовании обеспечивается возможность оптимальной обработки полученной смеси полезного сигнала и помехи фильтром, согласованным с преобразованным полезным сигналом. Для реализации данной процедуры часто используют многоканальные квазиоптимальные выравниватели спектра, известные как блоки защиты (БЗ) в виде N параллельных частотных каналов [Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами / Л.Е. Варакин. - М: Радио и связь, 1985. - 384 с.; Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью / В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин, Г.С. Нахмансон: Под ред. В.И. Борисова. - М.: Радио и связь, 2003. - 640 с., С. 69 и др.].
В этом случае для оптимальной обработки широкое распространение получили субоптимальные приемники широкополосного сигнала, включающие устройства защиты от сосредоточенных помех. При этом предполагается, что в приемниках ШПС реализуется режим линейной обработки входного сигнала для стандартных априорных условий [Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью / В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин, Г.С. Нахмансон: Под ред. В.И. Борисова. - М.: Радио и связь, 2003. - 640 с., С. 69.]. По этой причине для обеспечения наилучших характеристик приема ШПС в реальных условиях требуется обеспечить наиболее близкие к стандартным априорные характеристики на входе приемника ШПС, дающие возможность дальнейшей субоптимальной линейной обработки преобразованного входного сигнала с равномерным спектром.
Для решения этой задачи, во-первых, необходимо обеспечить качественный прием и обработку в приемнике ШПС, когда амплитуда входного сигнала изменяется в большом динамическом диапазоне. Во-вторых, необходимо дополнительно решить задачу выравнивания спектра помехи в смеси входного сигнала приемника.
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемому устройству в части обеспечения динамического диапазона входного сигнала в границах апертуры линейного режима и предотвращения перегрузки усилительных каскадов приемника ШПС является типовая аналоговая система автоматической регулировки усиления (АРУ) с обратной связью (ОС) [Кривицкий Б.Х., Салтыков Е.Н. Системы автоматического регулирования усиления / Б.Х. Кривицкий, Е.Н. Салтыков. - М.: Радио и связь, 1982. - 192 с. С. 8, рис. 1.3.], которая получила наибольшее распространение на практике и принята в качестве прототипа.
Следует отметить, что преимущество данного вида системы АРУ заключается в том, что сигнал управления формируется в цепи обратной связи с учетом внутренних искажений его уровня, что обеспечивает высокую стабильность выходных параметров.
Структурная схема прототипа представлена на фиг. 1а, на которой показаны:
1.1 - усилитель с регулируемым усилением;
p
2.1 - цепь обратной связи, в которой формируется сигнал u(t) для управления усилением.
На фиг. 1б изображена функциональная схема прототипа.
p
В радиоприемных устройствах усилитель с регулируемым усилением - 1.1 (фиг. 1б) может состоять из одного или нескольких узлов с суммарным регулируемым коэффициентом передачи K(u(t)) - узел 1.1.1, одного или нескольких узлов преобразователя частоты и усилителей с постоянными коэффициентами усиления: в данном случае эти узлы включены в узел 1.1.2. Структура усилителя 1.1 зависит от общих требований к полосе пропускания, коэффициенту прямоугольности, амплитудно-частотной характеристике (АЧХ), равномерности АЧХ, линейности фазовой характеристики и других характеристик приемника.
p
Цепь обратной связи 2.1 типовой системы АРУ (фиг.1б) формирует аналоговый сигнал управления усилением u(t) и в данном случае содержит: усилители постоянного тока (УПТ) 2.1.1, 2.1.4, цепь задержки 2.1.2, фильтр низкой частоты (ФНЧ) 2.1.3 и детектор АРУ 2.1.5.
вых
вых
з
p
p
з
Выходным сигналом системы АРУ u(t) является сигнал на выходе усилителя с регулируемым усилением 1.1. Путем сравнения сигнала u(t) с уровнем напряжения задержки АРУ E с выхода узла задержки 2.1.2 на выходе детектора АРУ 2.1.5 формируют их разность. По разностному сигналу в цепи обратной связи АРУ 2.1 в узлах: 2.1.1, 2.1.2, 2.1.3, 2.1.4 формируют напряжение регулирования u(t), изменение которого приводит к управлению коэффициентом усиления K(u(t)) регулируемого усилителя 1.1. Таким образом, по реакции на выходе системы АРУ через цепь обратной связи выполняется опосредованное воздействие на входное возмущение и осуществляется управление его уровнем по отношению к уровню напряжения задержки Е. Следует отметить, что описание работы типовой аналоговой системы АРУ с обратной связью и цепью задержки достаточно подробно выполнено в [Кривицкий Б.Х., Салтыков Е.Н. Системы автоматического регулирования усиления / Б.Х. Кривицкий, Е.Н. Салтыков. - М.: Радио и связь, 1982. - 192 с., С. 5-22.].
Недостатком устройства-прототипа является невозможность в полной мере обеспечить максимальное приближение реальных априорных характеристик к стандартным характеристиками входного ШПФМС приемника, которые необходимы для реализации квазиоптимального режима обработки. Указанный недостаток заключается в том, что устройство-прототип не решает одну из основных задач - очищение входного ШПФМС приемника от аддитивных шумов и сосредоточенных по спектру и времени помех и выравнивание спектральной плотности мощности полученного сигнала. По этой причине в результате невозможно получить близкие к оптимальным выходные характеристики приемника ШПФМС.
Задачей предлагаемого технического решения является обеспечение на входе приемника ШПФМС стабильного по уровню и очищенного от аддитивных шумов и сосредоточенных помех сигнала со спектральной плотностью мощности близкой к равномерной.
Для решения поставленной задачи в устройство, содержащее один канал, состоящий из узла усилителя с регулируемым коэффициентом передачи, выход которого через цепь локального кольца обратной связи аналоговой системы АРУ соединен с управляемым входом узла усилителя с регулируемым коэффициентом передачи, сигнальный вход которого является входом устройства, согласно полезной модели, введен второй канал аналогичный первому, при этом к выходу узла усилителя с регулируемым коэффициентом передачи каждого канала подключены последовательно соединенные узел аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и узел цифрового блока защиты (ЦБЗ), первый выход которого является выходом соответствующего канала и одновременно соединен со вторым входом ЦБЗ, кроме того, между узлами ЦБЗ обоих каналов осуществлена двунаправленная связь.
Таким образом, предполагается использовать устройство двухканальной типовой системы аналоговой АРУ, по выходу которой в оба канала введены узел АЦП и устройство ЦБЗ с узлом умножителя с управляемым коэффициентом усиления и необходимые функциональные связи.
При этом выбор компромиссного варианта структуры предлагаемого технического решения обосновывается динамическими характеристиками комплектующих компонент устройства и значениями допустимых потерь качества информации при обработке.
Предлагаемая полезная модель предназначена для случая, когда динамического диапазона характеристик комплектующих компонент устройства полезной модели достаточно для представления входного сигнала приемника ШПФМС с необходимой точностью (в рамках допустимых искажений).
Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 2a, где обозначено:
1.1.1, 1.2.1 - узел усилителя с регулируемым коэффициентом передачи первого и второго канала;
2.1, 2.2 - цепь локальной обратной связи аналоговой системы АРУ первого и второго канала;
10-1, 10-2 - узел аналого-цифрового преобразователя (АЦП) первого и второго канала;
11-1, 11-2 - узел цифрового блока защиты (ЦБЗ) с цепью основной обратной связи первого и второго канала.
На фиг. 2б, 2в изображены структурные схемы ЦБЗ первого и второго канала соответственно, где обозначено:
11-1-1, 11-2-1 - узел формирования рабочей полосы первого и второго канала соответственно;
11-1-2, 11-2-2 - узел адаптивной компенсации помех первого и второго канала соответственно;
11-1-3, 11-2-3 - узел анализа и компенсации сосредоточенных по спектру помех первого и второго канала соответственно;
11-1-4, 11-2-4 - узел анализа и компенсации импульсных помех первого и второго канала соответственно;
11-1-4-1, 11-2-4-1 - узел умножителя с управляемым коэффициентом усиления первого и второго канала соответственно;
11-1-5, 11-2-5 - узел согласования и формирования сигнала управления основного кольца обратной связи первого и второго канала соответственно.
Предлагаемое устройство состоит из двух однотипных параллельных каналов обработки сигналов. Каждый из каналов содержит последовательно соединенные узел усилителя с регулируемым коэффициентом передачи 1.1.1 (1.2.1), узел аналого-цифрового преобразователя 10-1 (10-2) и узел цифрового блока защиты 11-1 (11-2), выход которого является выходом устройства и соединен с соответствующим входом приемника ШПФМС и с управляемым входом узла умножителя с управляемым коэффициентом усиления 11-1-4-1 (11-2-4-1). Выход узла усилителя с регулируемым коэффициентом передачи 1.1.1 (1.2.1) через цепь локального кольца обратной связи системы АРУ 2.1 (2.2) соединен с соответствующим управляемым входом узла усилителя с регулируемым коэффициентом передачи 1.1.1 (1.2.1). При этом сигнальный вход узла усилителя с регулируемым коэффициентом передачи каждого канала 1.1.1 (1.2.1) соединен с соответствующим выходом антенной системы.
Цифровые блоки защиты 11-1 первого и 11-2 второго каналов предлагаемого устройства выполнены аналогично описанным в следующих источниках информации: патент на изобретение РФ №2539573, H04B 1/10, «Способ адаптивного и согласованного подавления флуктуационных шумов и сосредоточенных помех и устройство для его реализации»; Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013616030, 25.06.2013 г. ЦБЗ 11-1 (11-2) каждого канала состоит из последовательно соединенных узла формирования рабочей полосы 11-1-1 (11-2-1), узла адаптивной компенсации помех 11-1-2 (11-2-2), узла анализа и компенсации сосредоточенных по спектру помех 11-1-3 (11-2-3), узла анализа и компенсации импульсных помех 11-1-4 (11-2-4), узла умножителя с управляемым коэффициентом усиления 11-1-4-1 (11-2-4-1) и узла согласования и формирования сигнала управления 11-1-5 (11-2-5) основного кольца обратной связи, выход которого является первым выходом узла ЦБЗ 11-1 (11-2), а управляемый вход узла умножителя с управляемым коэффициентом усиления 11-1-4-1 (11-2-4-1) является вторым входом ЦБЗ 11-1 (11-2), первый вход которого является входом узла формирования рабочей полосы 11-1-1 (11-2-1). Между узлами адаптивной компенсации помех 11-1-2 и 11-2-2 обоих каналов осуществлена двунаправленная связь.
Вместе с тем предполагается, что для формирования входного сигнала каналов данного устройства используется, например, система из двух антенн, диаграммы направленности которых имеют форму «восьмерок» [Хомич В.И. Приемные ферритовые антенны / В.И. Хомич. - М.: Государственное энергетическое издательство, 1963. - 63 с. С. 26-29.] и ориентированы под прямым углом относительно друг друга. В результате этого осуществляется процедура пространственной селекции и разнесения. Данная процедура выполняется для формирования проекций входного сигнала на направления диаграмм направленности этих антенн. Сформированные проекции входного сигнала используются в качестве входных сигналов для первого и второго каналов устройства предлагаемой полезной модели и применяются в узлах ЦБЗ 11-1-2, 11-2-2 для реализации процедуры адаптивной компенсации помех в каждом канале [Патент на изобретение РФ №2539573, H04B 1/10, «Способ адаптивного и согласованного подавления флуктуационных шумов и сосредоточенных помех и устройство для его реализации»; Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013616030, дата регистрации 25 июня 2013 г.; Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов / Б. Уидроу, С. Стирнз: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1989. - 440 с].
Предлагаемая полезная модель использует как аналоговый, так и цифровой режим обработки сигнала и работает следующим образом.
з
На первые сигнальные входы узлов усилителей с регулируемым коэффициентом передачи 1.1.1 и 1.2.1 соответственно первого и второго каналов устройства с выходов антенной системы поступают соответствующие аналоговые широкополосные радиосигналы. Аналоговый сигнал управления коэффициентом передачи узлов усилителей с регулируемым коэффициентом передачи 1.1.1 и 1.2.1 формируется в цепи локального кольца обратной связи 2.1 и 2.2 аналоговой системы АРУ соответственно первого и второго канала. При этом предварительно выполняют выбор параметров устройства полезной модели, в данном случае, уровень напряжения задержки E, который обеспечивает отсутствие перегрузки в узлах аналого-цифрового преобразователя 10-1 и 10-2 соответственно первого и второго канала.
В узлах аналого-цифрового преобразователя 10-1 и 10-2 соответственно первого и второго канала выполняется преобразование в цифровую форму аналогового сигнала с выходов узлов усилителей с регулируемым коэффициентом передачи 1.1.1 и 1.2.1 соответственно первого и второго каналов. Последовательность операций при обработке цифрового сигнала в 11-1 и 11-2 ЦБЗ соответственно первого и второго каналов аналогична изложенной в [Патент на изобретение РФ №2539573; Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2013616030, 25.06.2013 г.]. При этом в ЦБЗ 11-1 и 11-2 каждого канала дополнительно введен узел умножителя с управляемым коэффициентом усиления 11-1-4-1 и 11-2-4-1 соответственно первого и второго каналов, который обеспечивает дополнительную стабилизацию уровня выходного очищенного от аддитивных шумов и сосредоточенных помех сигнала предлагаемой полезной модели и входного сигнала приемника ШПФМС. Одновременно этот сигнал через цепь основного кольца обратной связи используется как сигнал управления коэффициентом передачи узлов умножителей с управляемым коэффициентом усиления 11-1-4-1 и 11-2-4-1.
Следует отметить, что в узлах ЦБЗ 11-1 и 11-2 первого и второго каналов соответственно в большей степени используются цифровые сигналы. Вследствие этого для их обработки наряду с аппаратными целесообразнее использовать программные и вычислительные средства. Это позволяет для реализации цифрового блока защиты применять высокопроизводительные специализированные цифровые сигнальные процессоры (digital signal processor (DSP)) и быстродействующие программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС, Field Programmable Gate Array (FPGA)), например, типов 1892BM3E (Multicore), 1892ВМ10Я (NVcom) и FPGAs, Virtex-7 и их перспективные версии.
В то же время, по причине непосредственной функциональной связи последовательности операций при обработке входного ШПС схема предлагаемого устройства полезной модели размещается, как правило, в отдельной конструктивной единице, что обуславливает автономность (локальность) данной структуры.
Техническим результатом предлагаемого преобразователя случайного широкополосного фазоманипулированного сигнала (ШПМФС) является то, что в нем осуществляется режим работы, позволяющий реализовать гибкий алгоритм поэтапной обработки сигнала, избежать перегрузки в комплектующих звеньях и обеспечить на входе приемника ШПФМС стабильный по уровню (в рамках допустимых искажений) и очищенный от аддитивных шумов и сосредоточенных помех сигнал со спектральной плотностью мощности, близкой к равномерной. При этом обеспечивается динамический диапазон входного сигнала приемника ШПФМС в границах апертуры линейного режима и предотвращение перегрузки усилительных каскадов. Одновременно реализуется возможность обработки входного сигнала в приемнике ШПФМС, близкого к оптимальному.