УСТРОЙСТВО ПОДАВЛЕНИЯ УЗКОПОЛОСНЫХ ПОМЕХ Российский патент 1999 года по МПК H04B1/10 

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано преимущественно в дуплексных радиоканалах управления и пакетных радиосетях оперативно-командной связи в позиционных районах при воздействии узкополосных помех.

Известно устройство подавления узкополосных помех (например, а.с. СССР N 754681, кл. H 04 B 1/10), содержащее n соединенных последовательно самонаправляющихся режекторных фильтров. Однако данное устройство вместе с помехами подавляет и часть спектра полезного сигнала.

Известно также устройство, в котором для подавления узкополосных помех используется гребенка коммутируемых фильтров (а.с. СССР N 720730, кл. H 04 B 1/10).

Недостатком такого устройства является его сложность, обусловленная наличием гребенки узкополосных коммутируемых фильтров и дополнительные электрические потери, вызванные неидентичностью и нестабильностью во времени амплитудных и фазочастотных характеристик отдельных фильтров.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является устройство подавления узкополосных помех (Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами./Под ред. Г.И.Тузова. - М.: Радио и связь, 1985, стр.211, рис.7.3а), принятое за прототип.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства-прототипа, где введены обозначения:
1 - широкополосный УПЧ; 2 - подавитель узкополосных помех (блок защиты); 3 - сумматор; 4 - согласованный фильтр, состоящий из перемножителя 7, интегратора 8 и генератора опорного сигнала 9.

В состав подавителя узкополосных помех 2 входит n узкополосных УПЧ 5₁ - 5_n и n элементов подавления узкополосных помех 6₁ - 6_n.

Устройство-прототип имеет следующие функциональные связи: широкополосный УПЧ 1, выход которого подключен ко входу подавителя узкополосных помех 2, состоящий из n - параллельных каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные узкополосный УПЧ 5 и элемент подавления узкополосной помехи 6; n - выходов подавителя 2 узкополосных помех соединены соответственно с n - входами сумматора 3, к выходу которого подключен вход согласованного фильтра 4.

Работает устройство-прототип следующим образом. Принятый ШПЗ после преобразования частоты поступает на широкополосный УПЧ 1, где усиливается до необходимого значения.

Усиленный в УПЧ 1 сигнал поступает на подавитель узкополосных помех 2 (блок защиты от узкополосных помех), состоящий из n - узкополосных 5₁ - 5_n и n - элементов подавления узкополосных помех 6₁ - 6_n.

С помощью фильтров узкополосных УПЧ 5 вся полоса ШПС делится на n - парциальных каналов
Δf = ΔF/n,
где Δf - ширина полосы одного парциального канала, ΔF - ширина полосы принятого ШПС, n - число парциальных каналов.

Причем ширина полос всех n - парциальных каналов должна быть одинакова и, кроме того, полоса частот парциальных каналов не должны перекрываться, поэтому АЧХ и ФЧХ подавителя помех представляется как сумма АЧХ и ФЧХ отдельных каналов.

В каждом парциальном канале кроме узкополосного фильтра имеется усилитель, с помощью которого компенсируется затухание в фильтре своего парциального канала.

Выбор ширины полосы пропускания каждого парциального канала производится с таким расчетом, чтобы в каждый парциальный канал попадало не более одной узкополосной помехи.

При наличии в каком-либо из парциальных каналов узкополосной помехи производится подавление ее в элементах подавления 6₁ - 6_n. Элементы подавления узкополосных помех 6₁ - 6_n представляют из себя нелинейные элементы, работающие либо в режиме ограничения входной смеси, либо в режиме ключа (канал открыт при малых уровнях помех и закрыт при больших уровнях помех).

С выхода подавителя узкополосных помех 2 сигнал по n - выходам поступает на сумматор 3, где суммируется по частотной полосе ΔF = n•Δf.
В устройстве-прототипе в качестве согласованного фильтра может использоваться как пассивный согласованный фильтр, выполненный на основе многоотводной линии задержки, так и активный согласованный фильтр-коррелятор.

С выхода сумматора 3 широкополосный сигнал поступает на согласованный фильтр 4.

С помощью согласованного фильтра 4 производится снятие широкополосной модуляции, т.е. сворачивание.

Но данное устройство-прототип имеет следующие недостатки.

В результате режектирования отдельных участков частотных составляющих сигнальный отклик на выходе согласованного фильтра имеет центральный - главный выброс и многочисленные боковые выбросы, соизмеряемые по амплитуде с основным выбросом.

При изменении помеховой обстановки боковые выбросы сигнала на выходе согласованного фильтра изменяются по амплитуде и перемещаются по времени, при этом одни из них исчезают, и появляются новые. В этих условиях обнаружение сигнала часто осуществляется по боковым выбросам, а система временной синхронизации подвержена постоянным выходам из режима при изменении помеховой обстановки. При этом обеспечение заданной помехоустойчивости системы связи является весьма проблематичным, т.к. амплитуда боковых выбросов всегда меньше амплитуды основного выброса.

Для повышения помехоустойчивости в устройство, содержащее широкополосное УПЧ, выход которого подключен ко входам n - узкополосных УПЧ, выход каждого из которых соединен соответственно со входами n - подавителей узкополосных помех, сумматор, выход которого соединен с одним из входов перемножителя, а выход этого перемножителя подключен ко входу интегратора и в генератор опорного сигнала введено n - первых ключей, вход каждого из которых соединен соответственно с выходом n - элементов подавления узкополосных помех, а выходы этих ключей соединены соответственно с n - входами первого сумматора, n - первых смесителей, вход каждого из которых подключен соответственно к выходам n - вторых ключей, выходы которых подключены соответственно к выходам n - узкополосных УПЧ, а управляющие входы этих ключей соединены соответственно с выходами n - элементов подавления узкополосных помех и n - входами ПЗУ, n - выходов которого соединены соответственно с n - входами 1-го синтезатора частот, а n - выходов этого синтезатора соединены соответственно с гетеродинными входами n - первых смесителей, выходы которых соединены соответственно с n - входами первого сумматора и через n - первых детекторов подключены к управляющим входам первых ключей, n - узкополосных фильтров, входы которых соединены между собой и с выходом генератора опорного сигнала, выходы узкополосных фильтров через третьи и пятые ключи соединены соответственно с n - входами второго сумматора, выход которого соединен с первым входом перемножителя, n - вторых смесителей, входы которых соединены соответственно с n - выходами четвертых ключей, входы этих ключей соединены соответственно с выходами узкополосных фильтров, а управляющие входы подключены соответственно к выходам n - третьих ключей и входам второго ПЗУ, n - выходов которого соединены соответственно с n - входами второго синтезатора частот, n - выходов этого синтезатора подключены соответственно к гетеродинам и входам n - вторых смесителей, а выходы этих смесителей соединены соответственно с n - входами второго сумматора и через вторые детекторы - с управляющими входами пятых ключей.

На фиг. 3 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, где введены обозначения: 1 - широкополосный УПЧ; 2₁ - 2_n - узкополосные УПЧ; 3₁ - 3_n - элементы подавления узкополосных помех; 4₁ - 4_n - первые ключи; 5 - первый сумматор; 6₁ - 6_n - первые смесители; 7₁ - 7_n - вторые ключи; 8 - первое ПЗУ; 9 - первый синтезатор частот; 10₁ - 10_n - первые детекторы; 11 - генератор опорного сигнала; 12₁ - 12_n - узкополосные фильтры; 13₁ - 13_n - третьи ключи; 14₁ - 14_n - пятые ключи; 15 - второй сумматор; 16 - перемножитель; 17 - интегратор; 18₁ - 18_n - вторые смесители; 19₁ - 19_n - четвертые ключи; 20 - вторые ПЗУ; 21 - второй синтезатор частот; 22₁ - 22_n - вторые детекторы.

Предлагаемое устройство имеет следующие связи.

Широкополосный УПЧ 1, выход которого подключен ко входам n - узкополосных УПЧ 2₁ - 2_n, выход каждого из которых через элементы подавления узкополосных помех 3₁ - 3_n и первые ключи 4₁ - 4_n подключены соответственно к n - входам первого сумматора 5. Выходы узкополосных УПЧ 2₁ - 2_n, кроме того, соединены соответственно со входами вторых ключей 7₁ - 7_n, выходы которых через первые смесители 6₁ - 6_n соединены соответственно с n - входами первого сумматора 5, а через первые детекторы 10₁ - 10_n с управляющими входами первых ключей. Выходы элементов подавления узкополосных помех 3₁ - 3_n, кроме того, соединены с n - входами первого ПЗУ 8, n - выходов которого соединены соответственно с n - входами первого синтезатора частот 9, n - выходов которого соединены соответственно с гетеродинами и входами первых 6₁ - 6_n смесителей. Выход первого сумматора 5 через перемножитель 16 подключен ко входу интегратора 17, выход которого является выходом устройства. Генератор опорного сигнала 11, подключенного выходом ко входам узкополосных фильтров 12₁ - 12_n, выходы которых через третьи 13₁ - 13_n и пятые 14₁ - 14_n ключи соединены с n - входами сумматора 15, выход которого соединен со входом перемножителя 16. Выходы узкополосных фильтров 12₁ - 12_n, кроме того, соединены соответственно со входами четвертых ключей 19₁ - 19_n, выходы которых через вторые смесители 18₁ - 18_n соединены соответственно с n - входами второго сумматора 15 и через вторые детекторы 22₁ - 22_n - с управляющими входами пятых ключей 14₁ - 14_n. Выходы третьих ключей 13₁ - 13_n, кроме того, соединены с n - входами второго ПЗУ 20 и управляющими входами четвертых ключей 19₁ - 19_n, а управляющие входы третьих ключей соединены соответственно с управляющими входами вторых ключей 7₁ - 7_n. А выход второго ПЗУ 20 подключены соответственно ко входам второго синтезатора частот 21, n - выходов которого соединены соответственно с гетеродинами и входами вторых смесителей 18₁ - 18_n.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

Принятый ШПС после преобразования частоты поступает на широкополосный УПЧ 1, где усиливается до необходимого значения и подается на входы узкополосных УПЧ 2₁ - 2_n. С помощью узкополосных фильтров УПЧ 2 вся полоса широкополосного сигнала делится на n - полос с таким расчетом, чтобы в каждый парциальный канал попадало не более одной узкополосной помехи. С помощью узкополосных усилителей 1 компенсируется затухание в фильтре своего парциального канала.

При наличии в каком-либо из парциальных каналов узкополосной помехи производится подавление в элементах подавления 3₁ - 3_n, представляющих из себя нелинейные элементы и работающие в режиме ключа - канал открыт при малых уровнях помех и закрыт при больших уровнях помех. С выходов нелинейных элементов 3 сигнал через открытые ключи 4 поступает на первый сумматор 5 и с его выхода подается на один из выходов перемножителя 16. С выходов нелинейных элементов 3 сигнал, кроме того, поступает на ПЗУ 8, причем, когда парциальный канала закрыт, ПЗУ воспринимает как нуль, а когда открыт - единица. С помощью этого ПЗУ задаются частоты на синтезаторе частоты 9, которые подаются затем в качестве частот гетеродина на смесители 6.

На фиг. 2,а графически изображен частотный спектр принимаемого сигнала, который условно разделен на 10 парциальных каналов. Предположим, что узкополосная помеха попала во второй парциальный канал, который затем с помощью элемента подавления 3₂ будет закрыт. Тогда с синтезатора частоты 9 на гетеродинный вход смесителя 6₁ первого канала должна подаваться частота, чтобы на выходе этого смесителя был сигнал с частотой второго парциального канала. При этом ключ 7₂ закрывается, чтобы узкополосная помеха не попадала в основной канал устройства. С выхода смесителя 6₁ сигнал поступает на первый вход сумматора 5, а через детектор 10 тот же сигнал поступает на управляющий вход ключа 4₁, тем самым не пропуская сигнал с частотой первого парциального канала.

В результате этих преобразований получим амплитудно-частотную характеристику без провалов (фиг.2,б).

Известно, что любое исключение из спектра сигнала любой части спектральных составляющих приводит к искажениям корреляционной функции (свертки), т. е. к появлению боковых выбросов (лепестков) и это в свою очередь приводит к значительным потерям помехоустойчивости принимаемого сигнала. С другой стороны, известно также, что случайные процессы с гладкими унимодальными спектрами, описываемыми экспоненциальными или полиномиальными функциями, имеют гладкие унимодальные корреляционные функции. Но чтобы получить корреляционную функцию без боковых лепестков (свертку) на выходе перемножителя 16, необходимо с опорным сигналом, вырабатываемым генератором 11, проделать те же операции, что и с принятым сигналом.

С помощью узкополосных фильтров 12₁ - 12_n ширина спектра опорного сигнала делится также на n - парциальных каналов, закрывается ключ 13 того же канала (в нашем случае второго) сигналом с выхода элемента подавления узкополосной помехи 3₂. Сигнал первого парциального канала, снимаемый с выхода узкополосного фильтра 12₁, через открытый ключ 19₁ переносится по частоте на второй канал с помощью смесителя 18₁, на гетеродинный вход которого поступает сигнал с синтезатора частот 21, частота которого задается с помощью ПЗУ 20.

С выхода смесителя 18 сигнал уже частотой второго парциального канала поступает на первый вход сумматора 15, а ключ 14 при этом также закрыт, чтобы сигнал частотой первого канала не поступал на сумматор 15.

С выхода сумматора 15 опорный сигнал теперь уже с такой же амплитудно-частотной характеристикой, как и принятый сигнал поступает на перемножитель 16, на второй вход которого подается принятый сигнал с выхода сумматора 5. Произведение принятого и опорного сигналов интегрируется в интеграторе 17 и подается на выход устройства.

Таким образом, при наличии узкополосных помех в спектре принимаемого ШПС для улучшения качества приема информации производится режектирование участков спектра с узкополосными помехами. В результате этого свертка - сигнальный отклик - на выходе коррелятора имеет центральный и многочисленные боковые выбросы. При изменении помеховой обстановки выбросы свертки изменяются по амплитуде и перемещаются по времени, при этом один из них исчезает, и появляются новые.

В этих условиях обнаружение сигнала чаще осуществляется по боковым лепесткам, а система временной синхронизации подвержена постоянным выходам из режима слежения. При этом обеспечение заданной помехоустойчивости системы связи становится весьма проблематичной.

Применение же метода минимизации искажений корреляционной функции сигнала на выходе блока защиты за счет сдвига частот спектральных компонент этого сигнала, при котором области режекции полностью исключаются, а разреженные участки спектра плотно стыкуются друг с другом и огибающая спектра приобретает квазигладкий и унимодальный характер. В результате корреляционная функция приобретает однолепестковый характер, что обеспечивает жесткую временную синхронизацию и естественно повышает помехоустойчивость принимаемого сигнала.

Для повышения помехоустойчивости приема широкополосных сигналов используют блоки защиты от сосредоточенных помех, которые осуществляют режекцию спектра, пораженных узкополосными помехами. В результате режектирования отдельных частотных составляющих сигнальный отклик на выходе согласованного фильтра (коррелятора) имеет центральный главный выброс и многочисленные боковые выбросы, соизмеримые по амплитуде с основным. При изменении помеховой обстановки боковые выбросы выходного сигнала изменяются по амплитуде и перемещаются по времени, при этом одни из них исчезают и появляются новые. В этих условиях обнаружение сигнала в основном производится по боковым лепесткам и схема временной синхронизации подвержена постоянным выходам из режима слежения. При этом обеспечение заданной помехоустойчивости принимаемого сигнала является весьма проблематично. Предлагаемое устройство позволяет минимизировать искажения сигнального отклика (свертки) на выходе коррелятора за счет сдвига частот спектральных компонент сигнала, при котором область режекции участков спектра полностью исключается, а разреженные участки спектра плотно стыкуются друг с другом и огибающая спектра приобретает квазигладкий и унимодальный характер. 3 ил.

Устройство подавления узкополосных помех, содержащее широкополосный усилитель промежуточной частоты, выход которого подключен ко входам n -узкополосных усилителей промежуточной частоты, выходы которых соединены соответственно со входами n элементов подавления узкополосных помех, первый сумматор, выход которого через перемножитель присоединен ко входу интегратора, и генератор опорного сигнала, отличающееся тем, что введено n первых ключей, входы которых соединены соответственно с выходами n элементов подавления узкополосных помех, а выходы соединены соответственно с n входами первого сумматора, n вторых ключей, входы которых соединены соответственно с выходами узкополосных усилителей промежуточной частоты, а выходы - соответственно со входами n первых смесителей, выходы которых присоединены соответственно к n входам первого сумматора и через первые детекторы - с управляющими входами первых ключей, первое ПЗУ,
n входов которого соединены соответственно с выходами элементов подавления узкополосных помех и управляющими входами вторых ключей, n выходов ПЗУ через синтезатор частот соединены соответственно с гетеродинными входами первых смесителей, n узкополосных фильтров, входы которых соединены между собой и с выходом генератора опорных сигналов, а выходы через n третьих и пятых ключей присоединены соответственно к n входам второго сумматора, выход которого соединен со вторым входом перемножителя n четвертых ключей, входы которых присоединены соответственно к выходам узкополосных фильтров, а выходы - ко входам n вторых смесителей, выходы которых присоединены соответственно к n входам второго сумматора, а через вторые детекторы - к управляющим входам пятых ключей, второе ПЗУ, n входов которого соединены соответственно с выходами третьих ключей и управляющими входами четвертых ключей, n выходов второго ПЗУ через второй синтезатор частот соединены соответственно с гетеродинными входами вторых смесителей.