УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ УЗКОПОЛОСНЫХ АКТИВНЫХ ПОМЕХ Российский патент 1998 года по МПК H04B1/10 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при приеме импульсных радиосигналов в условиях мощных узкополосных активных помех.

Известно оптимальное линейное устройство подавления узкополосных помех при приеме импульсных сигналов, содержащее последовательно соединенные оптимальный выравниватель (обеляющий фильтр) и фильтр, согласованный с сигналом на фоне белого шума (Г.И.Тузов и др. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, с. 209 - 210).

В этом устройстве форма амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и параметры обеляющего фильтра должны выбираться в полном соответствии с параметрами спектров сигнала и узкополосной помехи. Однако в реальных условиях такой фильтр часто оказывается физически нереализуемым, а известные приближения к нему приводят к значительному уменьшению отношения сигнал/шум на его выходе и в конечном итоге к снижению качества приема сигналов. Кроме того, перестройка этого фильтра при изменении параметров помеховой обстановки требует соответствующей перестройки согласованного с полезным сигналом фильтра, что технически не всегда возможно.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для подавления узкополосных помех, содержащее последовательно соединенные блок узкополосных режекторных фильтров, элементы подавления узкополосных помех (ключевые схемы с соответствующими пороговыми устройствами), сумматор и согласованный фильтр (Г.И.Тузов и др. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, с. 211 - 212). При этом блок режекторных фильтров (парциальных каналов), перекрывающих полосу частот сигнала вместе с элементами подавления помех, одновременно выполняет функцию анализатора помех, определяющего количество и частоты действующих узкополосных помех в полосе частот сигнала. Количество режекторных фильтров определяет точность оценки параметров узкополосных помех и эффективность их подавления.

Логика работы такого устройства заключается в отключении тех парциальных каналов вместе с элементами полезного сигнала, где сосредоточены узкополосные помехи. Недостатком такого устройства является остаточная нестабильность параметров отдельных парциальных каналов многочастотного режекторного блока, что приводит к частичному разрушению структуры принимаемого сигнала, которое проявляется в уменьшении мощности сигнала в момент его регистрации и в ухудшении корреляционных свойств на выходе устройства обработки (В.Б. Пестряков и др. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. - М.: Сов. радио, 1973). Так, например, если количество режекторных фильтров в блоке равно N = 10, соотношение между средней частотой полезного сигнала f₀ и его полосой частот Δf равно f₀/Δf=10 , а относительная дисперсия случайной взаимной задержки Δτ сигналов на выходе режекторных фильтров относительно длительности τ исходного сигнала составляет D(Δτ/τ) = 10^-6, что практически реально, то это приводит к уменьшению мощности сигнала в момент его регистрации почти в два раза (В.Б. Пестряков и др. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. - М.: Сов. радио, 1973). Следовательно, в этом случае в два раза будет уменьшено соотношение сигнал/шум на входе решающего устройства, что приведет в конечном итоге к снижению помехоустойчивости приема сигналов. Причем чем больше количество режекторных фильтров, тем больше соответствующий энергетический проигрыш. Кроме того, в данном устройстве подавления узкополосных помех форма и параметры результирующей амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) его линейной части значительно отличаются от оптимальных, что приводит к дополнительному снижению помехоустойчивости приема сигналов.

Технический результат изобретения заключается в повышении помехоустойчивости приема импульсных радиосигналов в условиях узкополосных помех.

Данный технический результат достигается тем, что в устройство подавления узкополосных помех, содержащее согласованный фильтр, один узкополосный фильтр, анализатор помех и сумматор включены управляемый усилитель и управляемый фазовращатель, причем входы согласованного фильтра, узкополосного фильтра и анализатора помех объединены и подключены к общему входу устройства, а выход согласованного фильтра подключен к первому входу сумматора, ко второму входу которого подключен выход узкополосного фильтра через последовательно соединенные управляемый усилитель и управляемый фазовращатель, а выход анализатора помех подключен к управляющим входам узкополосного фильтра, управляемого усилителя и управляемого фазовращателя.

Такое техническое решение устройства подавления узкополосных помех, в отличие от прототипа, исключает необходимость многочастотного распараллеливания полезного сигнала с последующей обработкой отдельных парциальных его составляющих, что принципиально исключает негативное влияние остаточной нестабильности многочастотных парциальных каналов на отношение сигнал/шум и в конечном итоге на помехоустойчивость приема сигналов.

Кроме того, как будет показано ниже, в предлагаемом устройстве форма АЧХ лучше согласована со спектром полезного сигнала и узкополосной помехи, что обеспечивает дополнительный выигрыш по сравнению с прототипом в отношении сигнал/шум на входе решающего устройства приемника и соответственно в его помехоустойчивости.

Для доказательства наличия технического результата в предлагаемом устройстве выполним необходимый математический анализ.

Пусть комплексный коэффициент передачи согласованного с сигналом фильтра в общем случае имеет следующий вид:
K₁(jω) = A(ω)e^-jB(ω), (1)
где
A(ω) и B(ω) - соответственно модуль (амплитудно-частотная характеристика) и аргумент (фазочастотная характеристика) комплексного коэффициента передачи согласованного фильтра.

Пусть комплексный коэффициент передачи второй ветви устройства, содержащей последовательное соединение узкополосного фильтра, управляемого усилителя и управляемого фазовращателя, в общем случае имеет вид
K₂(jω) = C(ω)e^-jD(ω), (2)
где
C(ω) и D(ω) - соответственно модуль и аргумент комплексного коэффициента передачи данной ветви устройства.

Причем знаки перед B(ω) и D(ω) не имеют решающего значения и так расставлены для удобства дальнейших преобразований.

Поскольку согласованный фильтр и узкополосный фильтр с последовательным соединением управляемого усилителя и управляемого фазовращателя между собой соединены параллельно, выходы которых объединены на сумматоре, то общий комплексный коэффициент передачи данного устройства будет равен сумме выражений 1 и 2
K₀(jω)=K₁(jω)+K₂(jω)=A(ω)e^-jB(ω)+C(ω)e^-jD(ω).(3)
Опуская промежуточные преобразования, запишем выражение для модуля результирующего коэффициента передачи

Так как в дальнейшем необходимо оперировать энергетическими составляющими сигнала и помехи, которые определяют отношение сигнал/шум, запишем выражение для квадрата модуля результирующего коэффициента передачи
K20

(ω)= A²(ω)+C²(ω)+2A(ω)•C(ω)cos[B(ω)+D(ω)]. (5)
Из выражения (5) следует, что квадрат результирующего коэффициента передачи устройства определяется тремя составляющими: квадратом коэффициента передачи согласованного фильтра A²(ω) (первая ветвь), квадратом коэффициента передачи узкополосного фильтра с фазовращателем и усилителем C²(ω) (вторая параллельная ветвь) и комбинационной составляющей первой и второй ветвями устройства A(ω) и C(ω). Причем подбирая соответствующим образом фазовращателем составляющие аргументы косинуса B(ω) и D(ω), можно комбинационную составляющую реализовать с отрицательным знаком (значение косинуса будет равно - 1). А если при этом на частоте действующей узкополосной помехи ω_п обеспечить равенство значений A²(ω_п) = C²(ω_п), которое реализуется управляемым усилителем, то результирующий коэффициент передачи устройства на частоте узкополосной помехи будет равен нулю, а сигнальная составляющая пройдет с незначительным ослаблением в узкополосном фильтре. В этом и заключается механизм подавления узкополосных помех в предлагаемом устройстве.

Рассмотрим частный случай приема прямоугольного радиоимпульсного сигнала с амплитудой U, длительностью T₁ и с частотой ω₀, выражение которого имеет вид

Опуская промежуточные преобразования, можно показать, что с точностью до постоянного множителя комплексный коэффициент передачи фильтра, согласованного с этим сигналом, будет иметь вид

При этом квадрат модуля коэффициента передачи будет равен

Приближенное равенство через гауссову функцию записано с целью упрощения решения последующих интегралов при вычислении остаточной мощности узкополосных помех на выходе устройства.

Если узкополосный фильтр настроен на частоту узкополосной помехи ω_п, а длительность импульсной характеристики этого фильтра равна T₂, то с учетом управляемого фазовращателя, фаза которого зависит от частоты помехи и управляемого усилителя, коэффициент усиления которого также зависит от частоты помехи, выражение для импульсной характеристики канала режекции будет следующим:

Можно также показать, что с точностью до постоянного множителя комплексный коэффициент передачи канала режекции имеет следующее выражение:

Причем T₂ > T51, т. к. полоса пропускания режекторного фильтра много меньше полосы пропускания согласованного фильтра.

Коэффициент усиления управляемого усилителя должен отслеживать спектральную плотность сигнала и, следовательно, должен изменяться по закону следующей функции от частоты помехи:
.

Тогда с учетом выражения (11) выражение (10) принимает вид

При этом квадрат модуля коэффициента передачи канала режекции будет равен

В этом выражении частота узкополосной помехи записана относительно средней частоты сигнала

Значение κ = 0 соответствует совпадению средних частот сигнала и узкополосной помехи.

На основе выражений (7), (8), (12), (13) запишем выражение для комбинационной составляющей коэффициента передачи

На частоте помехи выражение (15) должно быть максимально отрицательным, что возможно при условии, когда

Решая уравнение (16) относительно ϕ, получим выражение, по которому должна меняться фаза управляемого фазовращателя в зависимости от нормированной частоты помехи κ

где
m = 0, 1, 2, ..., является целым числом.

Если ввести параметр γ = Δω_п/Δω_с - представляющий собой нормированную к полосе частот сигнала Δω_с полосу частот узкополосной помехи Δω_п, то энергетический спектр помехи можно записать в следующем виде:

где
G₀ - значение спектральной плотности мощности помехи на ее средней частоте.

Остаточную мощность узкополосной помехи на выходе устройства определим, пользуясь известной формулой

Если в формулу (19) вместо K20

(ω) и G_п(ω) подставить соответствующие выражения (8) и (18), то в результате решения интеграла получим мощность первой помеховой составляющей на выходе согласованного фильтра

Если в формулу (19) вместо K20(ω) подставить выражение (13) и решить интеграл, то получим мощность второй помеховой составляющей на выходе режекторного канала

Аналогично с учетом выражения (15) мощность третьей компенсационной помеховой составляющей будет равна

В результате общая остаточная мощность узкополосной помехи на выходе устройства будет равна

Далее необходимо определить соответствующие сигнальные составляющие на выходе устройства.

В общем виде сигнальные составляющие с точностью до постоянного множителя можно вычислить по известной формуле

Если в формулу (24) вместо K20

(ω) подставить выражение (8) и решить интеграл, то получим первую сигнальную составляющую на выходе согласованного фильтра

При подстановке в формулу (24) вместо K20(ω) выражения (13) и решения интеграла, получим вторую сигнальную составляющую на выходе режекторного канала

Аналогично с учетом выражения (15) третья сигнальная (комбинационная) составляющая будет равна

Для определения отношения сигнал/шум по мощности на выходе устройства необходимо иметь квадрат суммы всех трех сигнальных составляющих
U20 = (U₁+U₂+U₃)². (28)
При этом отношение сигнал/шум, которое определяет помехоустойчивость устройства, рассчитывается по формуле

Для сравнения технических результатов получим соответствующие характеристики для оценки отношения сигнал/шум в устройстве прототипе, использующем "классическую" режекцию узкополосных помех.

Используя ранее принятые обозначения, квадрат коэффициента передачи согласованного фильтра в устройстве-прототипе будет равен

Квадрат коэффициента передачи узкополосного фильтра, настроенного на частоту подавляемой помехи и включенного последовательно с согласованным фильтром, имеет следующее выражение:

При этом квадрат общего коэффициента передачи устройства подавления помех будет иметь вид

При той же спектральной плотности мощности узкополосной помехи, определяемой выражением (18) и пользуясь формулой (19), получим первую составляющую остаточной мощности узкополосной помехи на выходе устройства, определяемой первой составляющей квадрата общего коэффициента передачи

Аналогично можно получить мощность второй компенсационной составляющей узкополосной помехи, пользуясь второй составляющей квадрата общего коэффициента передачи

При этом общая остаточная мощность узкополосной помехи на выходе устройства-прототипа будет равна

Пользуясь выражением (24), вычислим амплитуды соответствующих сигнальных составляющих на выходе устройства. При этом амплитуда первой сигнальной составляющей с учетом первой составляющей выражения (32) будет равна

Амплитуда второй сигнальной составляющей с учетом второй составляющей выражения (32) будет равна

Квадрат результирующей амплитуды сигнала на выходе устройства будет равен
U20пр

= (U_1пр + U_2пр)² . (38)
При этом отношение сигнал/шум по мощности, которое определяет помехоустойчивость устройства, с учетом выражения (35) и (38), будет равно

По формулам (29) и (39) с привлечением выражений (20) - (23), (25) - (28), (33) - (38) рассчитаны значения отношения сигнал/шум (технический результат) на выходе предлагаемого устройства и устройства-прототипа, которые сведены в таблицу.

При этом амплитуда входного сигнала принята равной U_Вос = 1, а в скобках указаны соответствующие значения для устройства-прототипа.

Величины h2вх

и h2вых свидетельствуют соответственно о входном и выходном отношениях сигнал/шум по мощности для рассматриваемых устройств, при этом входное отношение сигнал/шум для обоих устройств определялось по формуле

При расчетах выходное отношение сигнал/шум h2вых максимизировалось по переменной T₂.

Из результатов таблицы следует, что при всех приведенных значениях исходных параметров выходное отношение сигнал/шум в предлагаемом устройстве превышает соответствующее отношение для устройства-прототипа. Кроме этого, устройство-прототип вследствие наличия в нем многочастотного режекторного блока обладает дополнительным уменьшением отношения сигнал/шум по причине остаточной нестабильности параметров отдельных парциальных каналов, как отмечалось ранее.

Таким образом, предлагаемое устройство значительно превосходит устройство-прототип по техническому результату - повышению помехоустойчивости в условиях узкополосных помех, что свидетельствует о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом в предлагаемом устройстве.

На чертеже представлена структурная электрическая схема предлагаемого устройства подавления узкополосных активных помех.

Устройство состоит из согласованного фильтра 1, узкополосного фильтра 2, управляемого усилителя 3, управляемого фазовращателя 4, сумматора 5 и анализатора помех 6. При этом входы согласованного фильтра 1, узкополосного фильтра 2 и анализатора помех 6 объединены и подключены к общему входу устройства, а выход согласованного фильтра подключен к входу сумматора 5, к второму входу которого подключен выход узкополосного режекторного фильтра 2 через последовательно соединенные управляемый усилитель 3 и управляемый фазовращатель 4, а выход анализатора помех 6 подключен к управляющим входам узкополосного фильтра 2, управляемого усилителя 3 и управляемого фазовращателя 4.

Устройство работает следующим образом. Импульсный радиосигнал в смеси с узкополосной активной помехой поступает на объединенный вход согласованного фильтра 1, узкополосного фильтра 2 и анализатора помех 6. С выхода согласованного фильтра 1 сигнал и узкополосная помеха поступают на первый вход сумматора 5. Анализатор помех 6 осуществляет оценку частоты действующей узкополосной помехи, в соответствии с которой формирует команду на настройку узкополосного фильтра 2 на данную частоту с целью выделения узкополосной помехи и на перестройку управляемого усилителя 3 и фазовращателя 4. При этом настройка управляемого усилителя 3 в зависимости от частоты узкополосной помехи осуществляется в соответствии с выражением (11), описывающем по существу АЧХ согласованного фильтра. Это необходимо для того, чтобы составляющие мощности узкополосной помехи на выходе согласованного фильтра и на выходе канала режекции были одинаковы для их последующей компенсации.

Настройка управляемого фазовращателя 4 в зависимости от частоты помехи осуществляется в соответствии с выражением (17), в результате составляющая узкополосной помехи на выходе канала режекции будет находиться в противофазе с соответствующей составляющей помехи на выходе согласованного фильтра.

Далее выходные процессы согласованного фильтра 1 и канала режекции (фазовращателя 4) объединяются соответственно на первом и втором входах сумматора 5. Поскольку составляющие помехи на входах сумматора 5 выровнены по мощности за счет управляемого усилителя 3 и находятся в противофазе за счет фазовращателя 4, в результате на выходе сумматора 5 они будут практически скомпенсированы, а сигнальная составляющая будет частично уменьшена в соответствии с выражением (27) за счет режекции. В результате чего на выходе сумматора 5 резко возрастает отношение сигнал/шум, что обеспечивает высокую помехоустойчивость приема импульсных сигналов. Далее выходной сигнал сумматора 5 поступает на решающее устройство, формирующее решение о приеме соответствующих информационных символов.

При одновременном наличии нескольких узкополосных помех в полосе частот сигнала необходимо иметь соответствующее количество параллельных каналов режекции, каждый из которых настраивается на подавление соответствующей узкополосной помехи. При этом выходные процессы согласованного фильтра и каналов режекции объединяются на многовходовом сумматоре, по выходному сигналу которого принимается решение о наличии или отсутствии информационного символа.

Из описания следует, что в состав предлагаемого устройства входят следующие блоки: согласованный фильтр 1, узкополосный фильтр 2, управляемый усилитель 3, сумматор 5, которые подробно описаны с конструктивными признаками их технической реализации в книге под ред. Пестрякова В.Б. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. - М.: Сов. радио, 1973.

Техническое решение анализатора помех 6 представлено в книге под ред. Тузова Г. И. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985, с. 212.

Управляемый фазовращатель 4 и его техническая реализация описаны в книге Речицкого В. И. Радиокомпоненты на поверхностных акустических волнах. - М.: Радио и связь, 1984, с. 81 - 83.

Таким образом, предлагаемое устройство для подавления узкополосных помех не имеет принципиальных ограничений при его реализации и может быть реализовано с применением известных функциональных устройств без каких-либо догадок и предположений.

Технический результат изобретения заключается в повышении помехоустойчивости приема импульсных сигналов в условиях узкополосных помех и достигается тем, что в устройство подавления узкополосных помех, содержащее согласованный фильтр, узкополосный режекторный фильтр, анализатор помех и сумматор, включены управляемый усилитель и управляемый фазовращатель. Входы согласованного фильтра, узкополосного режекторного фильтра и анализатора помех объединены и подключены к общему входу устройства, а выход согласованного фильтра подключен к первому входу сумматора, к второму входу которого подключен выход узкополосного режекторного фильтра через последовательно соединенные управляемый усилитель и управляемый фазовращатель, выход анализатора помех подключен к управляющим входам узкополосного режекторного фильтра, управляемого усилителя и управляемого фазовращателя, при этом управляемый усилитель имеет следующую зависимость коэффициента усиления от частоты узкополосной помехи

а управляемый фазовращатель выполнен со следующей характеристикой зависимости фазового сдвига от частоты κ:

где 1 ≤ κ ≤ 1 - нормированная частота помехи; T₁, T₂ - соответственно длительность полезного сигнала и импульсной характеристики узкополосного фильтра; W₀ - частота сигнала. 1 ил., 1 табл.

Устройство для подавления узкополосных активных помех, содержащее согласованный фильтр, узкополосный фильтр, анализатор помех и сумматор, отличающееся тем, что в него включены управляемый усилитель со следующей характеристикой зависимости коэффициента усиления от частоты узкополосной помехи:

где -1 ≤ χ ≤ 1 - нормированная частота помехи;
T₁, T₂ - соответственно длительность полезного сигнала и импульсной характеристики узкополосного фильтра,
и управляемый фазовращатель со следующей характеристикой зависимости фазового сдвига от частоты:

где ω₀ - частота сигнала,
при этом входы согласованного фильтра, узкополосного фильтра и анализатора помех объединены и подключены к общему входу устройства, а выход согласованного фильтра подключен к первому входу сумматора, к второму входу которого подключен выход узкополосного фильтра через последовательно соединенные управляемый усилитель и управляемый фазовращатель, а выход анализатора помех подключен к управляемым входам узкополосного фильтра, управляемого усилителя и управляемого фазовращателя.