[1]Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в системах связи.
[2]Известен адаптивный измеритель параметров непрерывных широкополосных сигналов (патент РФ №2349923), в котором осуществляется на первом этапе обнаружение сигнала, грубое оценивание амплитуды сигнала и грубое оценивание частоты сигнала, на втором этапе - подстройка линии задержки, оценивание интервала корреляции, ширины спектра сигнала, уточнение частоты сигнала, на третьем этапе - согласование частотных параметров линейного тракта приемника с частотными параметрами сигнала, в ходе четвертого этапа осуществляется точное оценивание параметров сигнала. Недостатком данного измерителя параметров является узкий класс сигналов, для которых данное устройство работает эффективно, а именно непрерывных широкополосных сигналов.
[3]Недостатки устройств подавления широкополосных помех, описанных в патентах RU 2115234 С1, 10.07.1998, RU 2143783 С1, 29.06.1999, RU 2190297 С2, 19.07.2000, является невысокая степень подавления помех.
[4]Двухбалансный преобразователь с компенсацией помех описан в книге Максимова М.В., Бобнева М.П., Кривицкого Б.Х., и др. «Защита от радиопомех», изд. «Сов. радио», 1976 г., стр. 254-258. Недостатком данного устройства является низкая степень компенсации помех (компенсируется половина частотных составляющих помехи), а также узкий класс сигналов, для которых может применяться данное устройство - узкополосные непрерывные сигналы.
[5]Наиболее близким способом по технической сущности к предлагаемому является способ бинарной фазовой манипуляции (BPSK), описанный 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. 178, 179, принятый за прототип.
[6]Способ заключается в следующем.
[7]В данном способе используются противоположные сигналы - радиоимпульсы с начальными фазами 0 и π. Демодуляция сигнала осуществляется когерентным способом, то есть сложением амплитуд отсчетов, взятых в моменты времени, в которые значение сигнала максимально или минимально (с соответствующем знаком). Решение о наличии сигнала первого (фаза - 0) или второго (фаза - π) типа принимается по результату сравнения полученных значений с нулем. Недостатком данного способа является недостаточно высокая эффективность в условиях воздействия интенсивных помех.
[8]Задача предлагаемого способа - повышение эффективности выделения сигнала в условиях наличия помех.
[9]Предлагаемый способ заключается в следующем.
[10]Формируется сигнал с использованием амплитудной, частотной или фазовой манипуляции и передается на фиксированной или соответствующей рабочей частоте, если используется перестройка рабочей частоты. На начальном этапе осуществляется синхронизация сигнала, например, путем обработки используемой кодовой последовательности, причем синхронизация осуществляется в начале передачи, если перестройка рабочей частоты не используется, и при каждом скачке частоты, если перестройка рабочей частоты используется.
[11]Сигналы передаются с паузой в начале передачи и между сигналами, длительность которой определяется исходя из используемого способа аппроксимации помехи и инерционности полосового фильтра.
[12]В случае использования частотной манипуляции, синхронизация и обработка сигнала осуществляются для каждой используемой частоты.
[13]При приеме аддитивной смеси сигнала и помехи (в дальнейшем по тексту - смесь сигнала и помехи), при необходимости, частоту сигнала понижают или повышают до необходимого значения частоты (промежуточная частота), фильтруют полосовым фильтром, полученную смесь сигнала и помехи усиливают в усилителе. Формируют в цифровом виде отсчеты смеси сигнала и помехи (в аналого-цифровых преобразователях (АЦП)), первые (N-1) отсчетов берутся, когда сигнал отсутствует, через время, равное периоду изменения сигнала, причем моменты времени взятия отсчетов берутся синфазно с сигналом, т.е. в моменты, когда значения амплитуды сигнала, если бы он в данные моменты существовал, принимали бы максимальное или минимальное значение, число отсчетов при этом определяется исходя из используемого способа аппроксимации, последний отсчет (N) берется через определенное заранее число периодов, в которых присутствует сигнал, выбираемое исходя из условия обеспечения максимальной эффективности, в момент времени, когда амплитуда сигнала принимает максимальное или минимальное значение.
[14]Моменты времени, когда берутся отсчеты, определяются следующим образом.
[15]Моменты взятия отсчетов, когда сигнал отсутствует, определяются следующим образом (см. фиг. 1)
[16]
[17]где Ti - момент взятия i-го отсчета, когда сигнал отсутствует;
[18]Ts - период изменения сигнала;
[19]i - номер используемого отсчета, когда сигнал отсутствует.
[20]Текущий номер отсчета (i), когда отсутствует сигнал, изменяется от 1 до (N-1). Здесь N - общее число используемых отсчетов.
[21]Момент взятия последнего отсчета TN - момент взятия отсчета смеси помехи и сигнала, прошедшего фильтр, определяется как момент, когда значение сигнала должно принимать максимальное или минимальное значение не меньше заданного уровня (k-й период). Уровень сигнала выбирается исходя из условия обеспечения максимальной эффективности.
[22]Для частотной манипуляции данные операции производятся в соответствующих частотных каналах.
[23]Рассчитанное значение амплитуды помехи вычитают из значения амплитуды последнего отсчета, когда присутствует сигнал. Полученное значение амплитуды сравнивают с соответствующими порогами, и по результатам сравнения делается вывод о наличии сигнала какого-либо типа.
[24]Для случая использования частотной манипуляции, значения, полученные в частотных каналах, сравнивают с соответствующими порогами. По результатам сравнения принимается решение о наличии сигнала какого-либо типа.
[25]Ниже приведены результаты моделирования процесса обнаружения сигнала какого-либо типа для случая использования линейной аппроксимации помехи и использования бинарной фазовой манипуляции (BPSK), когда используются сигналы:
[26]Sin х - передается 1;
[27]- Sin х - передается 0.
[28]Помеха при моделировании представлена в виде совокупности гармонических колебаний со случайными значениями амплитуд (UPi) и фаз (ϕPi), которые распределены по нормальному (амплитуды) и равномерному (фазы) законам (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. 51)
[29]
[30]где ωpi - частота i-й составляющей помехи;
[31]ϕpi - фаза i-й составляющей помехи;
[32]Upi - амплитуда i-й составляющей помехи;
[33]Nsp - число гармонических составляющих помехи, используемых для ее представления (аппроксимации).
[34]Частоты составляющих помехи моделировались как случайные величины, значения которых распределены по равномерному закону, в полосе сигнала.
[35]Моделировались два алгоритма оценки помехи. Первый, когда значение амплитуды помехи, в момент взятия отсчета, когда отсутствует сигнал, считается равным амплитуде помехи, в момент взятия отсчета, когда сигнал присутствует, второй - когда для оценки значения амплитуды помехи используется алгоритм линейной аппроксимации при использовании двух значений амплитуды помехи.
[36]В последнем случае берутся два отсчета в моменты времени, когда присутствует только помеха (Up1, Up2), и третий отсчет в момент времени, когда присутствуют и сигнал, и помеха (Usp) (см. фиг. 1).
[37]При этом оценка амплитуды помехи в момент взятия третьего отсчета рассчитывается по формуле (см. фиг. 2)
[38]
[39]где Up1, Up2 - первая и вторая амплитуды отсчетов, которые взяты в моменты времени, когда присутствует только помеха;
[40]Uop3 - оценка амплитуды помехи в момент взятия третьего отсчета.
[41]Оценка амплитуды сигнала в момент взятия третьего отсчета рассчитывается по формуле
[42]
[43]Результаты оценки эффективности предлагаемого способа получены методом математического моделирования на ЭВМ с использованием системы MATLAB.
[44]В таблице 1 приведены результаты моделирования значения амплитуды помехи (Up) на выходе полосового фильтра для различных значений отношения мощностей помехи и сигнала (Up/Pps) при условии, что полоса фильтра составляет 4% от значения частоты сигнала. Мощность сигнала равна 1 Вт.
[45]
[46]Из анализа данных, приведенных в таблице 1, может быть сделан вывод, что случайный процесс на выходе узкополосного фильтра является квазигармоническим процессом с частотой, близкой к частоте сигнала, со случайной, медленно изменяющейся амплитуды, по сравнению с частотой сигнала, причем изменение амплитуды отсчетов, взятых через период частоты сигнала, изменяется не больше, чем на 10% для случая, когда значение отношения мощностей помехи и сигнала равно 1, и не более чем на 4% для случая, когда значение отношения мощностей помехи и сигнала равно 10.
[47]При моделировании прохождения сигнала через полосовой фильтр использовалась процедура MATLAB «firls» - нерекурсивный полосовой фильтр.
[48]В таблице 2 приведено относительное значение сигнала от его максимального уровня (Uco) (в точках, в которых значения сигнала максимальны) на выходе фильтра, полученное с использованием процедуры MATLAB «firls».
[49]
[50]В таблице 3 представлены результаты моделирования процесса принятия решения о наличии сигнала первого типа (Sin х) или второго типа (-Sin x) для различных значений отношения мощностей помехи и сигнала, числа составляющих помехи и значений полосы полосового фильтра в процентном отношении к значению частоты сигнала для случая, когда амплитуда помехи в предыдущем отсчете считается равной амплитуде помехи, для случаев использования отсчета, взятого в первом периоде, в котором присутствует сигнал, и использования отсчета, взятого во втором периоде, в котором присутствует сигнал.
[51]В таблице 4 представлены результаты моделирования процесса принятия решения о наличии сигнала первого типа (Sin х) или второго типа (-Sin х) для различных значений отношения мощностей помехи и сигнала, числа составляющих помехи и значений полосы полосового фильтра в процентном отношении к значению частоты сигнала, для случая, когда для оценки значения амплитуды помехи используется способ линейной аппроксимации.
[52]При моделировании использовались следующие исходные данные:
[53]- число реализаций - 103;
[54]- полоса фильтра составляет 4% и 10% от значения частоты сигнала (ΔFф/Fч);
[55]- мощность сигнала равна 1 Вт.
[56]В таблицах 3 и 4 использованы следующие обозначения:
[57]Uco - относительное значение сигнала от его максимального уровня для используемого периода;
[58]Pps - значение отношения мощностей помехи и сигнала;
[59]Nsp - число составляющих помех;
[60]Noш1 - число ошибок при принятии решения о том, что присутствует сигнал первого типа при условии, что передается сигнал первого типа;
[61]Nпр2 - число правильных решений о том, что присутствует сигнал второго типа при условии, что передается сигнал второго типа.
[62]
[63]
[64]
[65]
[66]
[67]
[68]Анализ данных, приведенных в таблице 3, позволяет сделать следующие выводы.
[69]Для случая, когда амплитуда помехи в предыдущем отсчете считается равной амплитуде помехи в следующем отсчете, и используется отсчет, взятый в первом периоде, в котором присутствует сигнал, значение полосы полосового фильтра не превышает 4% относительно значения частоты сигнала, эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа- прототипа примерно в 5 раз.
[70]Для данного варианта способа, когда значение полосы полосового фильтра составляет около 10% относительно значения частоты сигнала, эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала уступает эффективности способа- прототипа примерно в 2 раза.
[71]Для случая, когда амплитуда помехи в предыдущем отсчете считается равной амплитуде помехи в следующем отсчете, и используется отсчет, взятый во втором периоде, в котором присутствует сигнал, значение полосы полосового фильтра не превышает 4% относительно значения частоты сигнала и число частотных составляющих помехи невелико (меньше 1000), эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа- прототипа примерно в 6 раз.
[72]Для данного варианта способа, когда число частотных составляющих помехи значительно (превышает 1000), эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа-прототипа примерно в 9 раз.
[73]Для данного варианта способа, когда значение полосы полосового фильтра составляет около 10% относительно значения частоты сигнала, эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа- прототипа примерно в 1,5 раза.
[74]По результатам анализ данных, приведенных в таблице 4, могут быть сделаны следующие выводы.
[75]Для случая, когда для оценки значения амплитуды помехи используется способ линейной аппроксимации, используется отсчет, взятый в первом периоде, в котором присутствует сигнал, значение полосы полосового фильтра не превышает 4% относительно значения частоты сигнала и число частотных составляющих помехи невелико (меньше 1000), эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа- прототипа примерно в 400 раз.
[76]Для данного варианта способа, когда число частотных составляющих помехи значительно (превышает 1000), эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа-прототипа примерно в 500 раз.
[77]Для данного варианта способа, когда значение полосы полосового фильтра составляет около 10% относительно значения частоты сигнала, эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа- прототипа примерно в 7 раз.
[78]Для случая, когда для оценки значения амплитуды помехи используется способ линейной аппроксимации, используется отсчет, взятый во втором периоде, в котором присутствует сигнал, значение полосы полосового фильтра не превышает 4% относительно значения частоты сигнала и число частотных составляющих помехи невелико (меньше 1000), эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа-прототипа примерно в 270 раз.
[79]Для данного варианта способа, когда число частотных составляющих помехи значительно (превышает 1000), эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа-прототипа примерно в 280 раз.
[80]Для данного варианта способа, когда значение полосы полосового фильтра составляет около 10% относительно значения частоты сигнала, эффективность предлагаемого способа по показателю отношение мощностей помехи и сигнала превышает эффективность способа прототипа примерно в 4,3 раз.
[81]Структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, приведена на фиг. 3, где обозначено:
[84]3 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ);
[85]4 - полосовой фильтр промежуточной частоты (ПЧ);
[87]6 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
[88]7 - вычислительное устройство (ВУ).
[89]Устройство содержит последовательно соединенные антенну 1, смеситель 2, УПЧ 3, полосовой фильтр промежуточной частоты (ПЧ) 4, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 6, вычислительное устройство (ВУ) 7, выход которого является выходом устройства, второй выход вычислительного устройства 7 соединен со вторым входом АЦП 6, а также содержит гетеродин 5, выход которого соединен со вторым входом смесителя 2, вход антенны 1 является входом устройства.
[90]Работа устройства приведена для случая использования бинарной фазовой манипуляции (BPSK).
[91]Предварительно, на начальном этапе, осуществляется синхронизация сигнала, например, путем обработки используемой кодовой последовательности в вычислительном устройстве 7. По результатам обработки в вычислительном устройстве 7 определяется момент прихода сигнала и по его значению вычисляются моменты взятия отсчета для каждого вновь приходящего сигнала и формируются соответствующие управляющие сигналы, которые поступают на второй вход АЦП 6.
[92]На передающей стороне формируются сигналы способом бинарной фазовой манипуляции (BPSK). Длительность сигнала составляет три периода частоты сигнала. Сигналы передаются с паузой, равной семи периодам частоты сигнала. Смесь сигнала и помехи с антенны 1 поступает в смеситель 2, где осуществляется понижение или повышение значения частоты сигнала до значения промежуточной частоты. Полученную смесь сигнала и помехи усиливают в УПЧ 3, усиленный сигнал фильтруется полосовым фильтром 4 и поступает в АЦП 6, где в моменты, определенные в вычислительном устройстве 7, формируются в цифровом виде отсчеты смеси сигнала и помехи, первый и второй отсчеты берутся в момент времени, когда значение сигнала должно принимать максимальное или минимальное значение, и когда сигнал отсутствует, третий отсчет берется через время, равное периоду изменения частоты сигнала, когда присутствуют и сигнал, и помеха (см. фиг. 1).
[93]Значения амплитуд отсчетов в цифровом виде поступают в вычислительное устройство 7, где осуществляется оценка амплитуды сигнала в момент взятия третьего отсчета по алгоритму (см. формулы 3, 4).
[94]Результаты моделирования процесса принятия решения о наличии сигнала первого (Sin х) или второго (-Sin х) типа для различных способов аппроксимации, различных значений отношения мощностей помехи и сигнала, числа составляющих помехи и значений полосы сигнала в процентном отношении к значению частоты сигнала приведены в таблицах 3, 4. Вычислитель может быть выполнен, например, на микросхеме TMS320VC5416 фирмы TexasInstruments (США).
[95]АЦП может быть выполнен, например, на микросхеме AD7495BR фирмы Analog Devices.
[96]Таким образом, при использовании заявляемого способа выделения сигнала в условиях воздействия помех путем компенсации помехи за счет аппроксимации значения ее амплитуды, который может быть реализован описанным устройством, эффективность выделения сигнала в условиях воздействия помех значительно выше, чем при использовании способа прототипа.
