АДАПТИВНЫЙ КОМПЕНСАТОР ПОМЕХ Российский патент 2006 года по МПК H04B1/10 G01S7/36 

Изобретение относится к технике радиосвязи, в частности к технике приема радиосигналов.

Известно устройство защиты от помех [1], однако это техническое решение не обеспечивает высокой степени помехозащищенности.

Прототипом предлагаемого устройства является адаптивный компенсатор помех [2].

Прототип содержит в своем составе два нормирующих усилителя, автокомпенсатор-ортогонализатор, состоящий из сумматора, квадратурного фильтра и инвертирующего усилителя, третий нормирующий усилитель, базовую часть схемы (блок выделения), представляющую собой петлю корреляционной обратной связи (КОС) с эталонным колебанием, реализующую алгоритм МСКО и формирователь эталонного колебания в виде амплитудного ограничителя.

Назначение входных нормирующих усилителей состоит в стабилизации входных напряжений ортогонализатора, что необходимо для стабилизации инерционности (полосы пропускания) ортогонализатора.

Ортогонализатор осуществляет предварительную обработку входных смесей сигнал + помеха с целью получения на входах блока выделения некоррелированых (ортогональных) процессов. Одновременно ортогонализатор осуществляет инверсию отношения сигнал/помеха.

Третий нормирующий усилитель обеспечивает стабилизацию уровня ортогонализированного процесса, что необходимо для стабилизации инерционности (полосы пропускания) по второму входу блока выделения.

Блок выделения осуществляет выделение полезного компонента и включает в себя два квадратурных фильтра, на опорные входы которых поданы ортогональные процессы (смеси сигнал + помеха), сумматор выходных колебаний квадратурных фильтров и вычитатель выходного колебания петли КОС из эталонного колебания.

Сигнал ошибки, сформированный вычитателем, подается на входы квадратурных фильтров с целью вычисления весового вектора.

Формирование эталонного колебания производится с помощью амплитудного ограничителя, обладающего, как известно, свойством подавлять слабое колебание (изменять соотношение сигнал/помеха).

Недостатком устройства-прототипа является повышенная потеря пропускной способности радиолинии при работе в канале связи с замираниями.

Для уяснения сути явления следует подробнее рассмотреть процесс приема сигналов в случае применения АКП. Как известно, адаптивная компенсация помех основана на использовании пространственно-временных различий сигнала и помехи (т.е. фазовых и амплитудных различий). Для выделения этих различий используется разнесенный прием на несколько (в данном случае на две) антенн. На фиг.1 схематически изображена ситуация при приеме сигнала (S) и помехи (J) двумя антеннами (двумя ветвями разнесения).

Из фиг.1 видно, что время задержки сигнала S составляет t_s, а помехи J - t_j, и что в общем случае t_s≠t_j. Время задержки t связано с фазовым набегом Δϕ соотношением t=Δϕ/ Ω, где Ω - частота колебаний.

При ионосферном распространении каждый принимаемый сигнал представляет собой сумму нескольких лучей, амплитуды и фазы которых изменяются случайным образом. Понятно, что величины t_s и t_j (т.е. фазы сигнала и помехи), а также отношения амплитуд сигнала и помехи изменяются случайным образом, и в некоторые моменты времени разности фаз сигнала и помехи становятся одинаковыми, а отношения амплитуд - равными. Для удобства изложения назовем такую ситуацию "створом". Она характерна тем, что на обоих входах АКП присутствуют совершенно одинаковые смеси сигнал + помеха (отсутствуют амплитудно-фазовые различия). Коэффициент корреляции смесей при этом становится равным единице. С течением времени амплитудно-фазовые различия возникают (ситуация "створа" проходит). Периодичность наступления "створа" определяется состоянием ионосферы и может составлять от десятков секунд до десятков минут.

Рассмотрим работу устройства-прототипа в таких ситуациях. Одной из особенностей этой схемы является наличие гистерезисного свойства при выделении любого компонента. Заключается оно в том, что схема выделяет один из компонентов до тех пор, пока фазовые различия сигнала и помехи на входах не станут столь малыми или амплитудные различия не станут столь велики, что на выходе амплитудного ограничителя выделяемый компонент станет меньше уровня неподавленного остатка подавляемого компонента. После этого схема начинает выделять подавляемый ранее компонент. Это явление назовем "перезахватом". При дальнейшем обратном изменении отношения амплитуд (это происходит при достаточно глубоких замираниях сигнала или помехи) ситуация повторяется. Вследствие такого поведения схема будет выделять то сигнал, то помеху, т.е. пропускная способность канала не превысит 0,5.

Если исключить перезахваты, то пропускная способность канала существенно возрастет, т.к. потери информации будут происходить только во время отсутствия амплитудно-фазовых различий.

Целью настоящего изобретения является повышение пропускной способности канала.

Поставленная цель достигается тем, что в адаптивный компенсатор помех, содержащий последовательно соединенные первый нормирующий усилитель, вход которого является первым входом устройства, первый сумматор, второй нормирующий усилитель, первый квадратурный фильтр, второй сумматор, выход которого соединен с выходом устройства, инвертирующим входом вычитателя, второй вход которого соединен с выходом амплитудного ограничителя, а выход которого соединен с основными входами первого и второго квадратурных фильтров, и последовательно соединенные третий нормирующий усилитель, вход которого является вторым входом устройства, а выход соединен с опорным входом третьего квадратурного фильтра, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, основной вход через усилитель-инвертор соединен с выходом первого сумматора и второй квадратурный фильтр, выход которого подключен ко второму входу второго сумматора, дополнительно введены первый электронный коммутатор, второй электронный коммутатор, блок сравнения, пороговое устройство, амплитудный детектор, причем выход первого электронного коммутатора соединен со входом амплитудного ограничителя, первый вход соединен с выходом второго сумматора, второй вход соединен с выходом второго электронного коммутатора, управляющий вход соединен с выходом порогового устройства, вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, подключенного своим входом к выходу первого сумматора, а входы второго электронного коммутатора подключены к выходам первого и второго квадратурных фильтров, а управляющий вход соединен с выходом блока сравнения, входы которого подключены к выходам весовых коэффициентов первого и второго квадратурных фильтров.

Работа устройства станет понятной из структурной схемы фиг.2 и дальнейшего описания. Устройство содержит:

1 - первый нормирующий усилитель

2 - первый сумматор

3 - второй нормирующий усилитель

4 - первый квадратурный фильтр

5 - второй сумматор

6 - вычитатель

7 - амплитудный ограничитель

8 - второй квадратурный фильтр

9 - третий нормирующий усилитель

10 - третий квадратурный фильтр

11 - усилитель-инвертор

12 - первый электронный коммутатор

13 - второй электронный коммутатор

14 - блок сравнения

15 - пороговое устройство

16 - амплитудный детектор

Основная идея защиты от "перезахвата" заключается в том, что на время "створа" на вход формирователя эталонного колебания подается выходная смесь квадратурного фильтра той ветви разнесения, в которой выделяемый компонент имеет превышение.

Устройство работает следующим образом: смеси сигнала и помехи с выходов радиоприемников, подключенных к разнесенным в пространстве антеннам, поступают на входы двух нормирующих усилителей 1 и 9, с помощью которых уровни смесей доводятся до некоторого стандартного уровня. К выходам нормирующих усилителей 1 и 9 подключен автокомпенсатор, состоящий из сумматора 2, квадратурного фильтра 10 и усилителя-инвертора 11, осуществляющий предварительную обработку смесей сигнал + помеха. При прохождении через ситуацию "створ" выходное напряжение сумматора 2 изменяется. Зависимость выходного напряжения от фазовой разницы сигнала и помехи представлена на фиг.3.

Амплитудный детектор 16 преобразует напряжение промежуточной частоты в напряжение постоянного тока. Пороговое устройство 15 сравнивает выходное напряжение амплитудного детектора 16 с некоторым, заранее установленным значением напряжения и, таким образом, вырабатывает сигнал, свидетельствующий о подходе к "створу". После прохождения "створа" этот сигнал снимается. Выходной сигнал порогового устройства служит управляющим сигналом для электронного коммутатора 12. После усиления нормирующим усилителем 3 ортогонализированные напряжения смесей сигнал + помеха поступают на входы квадратурных фильтров 4 и 8 блока выделения. Если с помощью первого электронного коммутатора 12 на вход амплитудного ограничителя 7 подан выходной сигнал сумматора 5, блок выделения работает в обычном режиме выделения одного из компонентов. Петля КОС выделяет на выходе сумматора 5 компонент, максимально коррелированный с эталонным сигналом (сигналом на неинвертирующем входе вычитателя 6). Поэтому при подключении с помощью первого электронного коммутатора (ЭК) 12 на вход ограничителя 7 выходного сигнала второго ЭК 13 петля КОС будет копировать тот из сигналов, который в этот момент выбран вторым ЭК 13. Сигнальные входы второго ЭК 13 подключены к выходам квадратурных фильтров 4 и 8. Квадратурный фильтр 8 обрабатывает смесь нижней (по схеме фиг.2) ветви разнесения, в которой сохранилось входное отношение сигнал/помеха. Квадратурный фильтр 4 обрабатывает смесь верхней (по схеме фиг.2) ветви разнесения, прошедшую предварительную обработку ортогонализатором. Отношение сигнал/помеха на его входе обратно отношению сигнал/помеха в нижней ветви разнесения.

Если на выходе петли КОС выделяется больший компонент, то модуль весового коэффициента квадратурного фильтра 8 будет превышать модуль весового коэффициента квадратурного фильтра 4. В случае выделения меньшего компонента соотношение модулей весовых коэффициентов будет обратным. Блок сравнения 14 предназначен для вычисления модулей весовых коэффициентов и сравнения их. Схема блока сравнения приведена на фиг.4, где:

14 - блок сравнения

17-20 - перемножители (квадраторы)

21, 22 - сумматоры

23 - пороговое устройство (компаратор)

Выходной сигнал блока сравнения 14 определяет, какой из компонентов (больший или меньший) выделяется петлей КОС и управляет вторым ЭК 13, который в соответствии с управляющим сигналом подключает ко второму сигнальному входу первого ЭК 12 выход либо квадратурного фильтра 4 (в случае выделения меньшего компонента), либо квадратурного фильтра 8 (в случае выделения большего компонента).

Итак, при наступлении ситуации "створ" (при уменьшении фазовых различий сигнала и помехи) уровень выходного напряжения сумматора 2 уменьшается и, когда выпрямленное амплитудным детектором 16 напряжение на входе порогового устройства станет меньше порогового значения, первый ЭК 12 подключает на вход амплитудного ограничителя 7 выходной сигнал второго ЭК 13, т.е. в случае выделения большего компонента - сигнал с выхода квадратурного фильтра 8, в случае выделения меньшего компонента - сигнал с выхода квадратурного фильтра 4. Таким образом, в качестве эталонного колебания при наступлении "створа" используется смесь сигнала и помехи, в которой превышение имеет тот компонент, который выделялся до "створа", и петля КОС продолжит выделять тот компонент, который она выделяла до этого, т.е. перезахвата не происходит. По окончании "створа" первым коммутатором ЭК 12 цепь эталонного колебания будет восстановлена и петля КОС продолжит выделение того же компонента.

Из изложенного следует, что предложенное устройство позволяет свести к минимуму вероятность смены компонентов на выходе устройства ("перезахвата"), т.е. максимально долго удерживать на выходе один компонент, что позволяет резко поднять пропускную способность канала связи, что и является целью изобретения.

Перечень чертежей

Фигура 1. Схема приема сигнала и помехи двумя ветвями разнесения.

Фигура 2. Структурная схема адаптивного компенсатора помех.

Фигура 3. Зависимость выходного напряжения автокомпенсатора от фазовой разности сигнала и помехи.

Фигура 4. Структурная схема блока сравнения.

Использованная литература

1. А.С. СССР №1419485, кл. Н 04 В 7/02, 1/12. Устройство защиты от помех при сдвоенном приеме радиосигналов. 1986 г.

2. Патент РФ №2115233, кл. Н 04 В 1/10. Адаптивный компенсатор помех. 1998 г.

Адаптивный компенсатор помех относится к технике приема радиосигналов. Достигаемый технический результат - повышение пропускной способности канала. Для этого в состав адаптивного компенсатора помех введены первый электронный коммутатор, второй электронный коммутатор, блок сравнения, пороговое устройство, амплитудный детектор, которые позволяют при пропадании амплитудно-фазовых различий исключить смену компонент на выходах устройства, что увеличивает пропускную способность канала связи. 4 ил.

Адаптивный компенсатор помех, содержащий последовательно соединенные первый нормирующий усилитель, вход которого является первым входом устройства, первый сумматор, второй нормирующий усилитель, первый квадратурный фильтр, второй сумматор, выход которого соединен с выходом устройства, инвертирующим входом вычитателя, второй вход которого соединен с выходом амплитудного ограничителя, а выход которого соединен с основными входами первого и второго квадратурных фильтров, и последовательно соединенные третий нормирующий усилитель, вход которого является вторым входом устройства, а выход соединен с опорным входом третьего квадратурного фильтра, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, основной вход через усилитель-инвертор соединен с выходом первого сумматора и второй квадратурный фильтр, выход которого подключен ко второму входу второго сумматора, отличающийся тем, что, с целью увеличения пропускной способности канала связи, введены первый электронный коммутатор, второй электронный коммутатор, блок сравнения, пороговое устройство, амплитудный детектор, причем выход первого электронного коммутатора соединен со входом амплитудного ограничителя, первый вход соединен с выходом второго сумматора, второй вход соединен с выходом второго электронного коммутатора, управляющий вход соединен с выходом порогового устройства, вход которого соединен с выходом амплитудного детектора, подключенного своим входом к выходу первого сумматора, а входы второго электронного коммутатора подключены к выходам первого и второго квадратурных фильтров, а управляющий вход соединен с выходом блока сравнения, входы которого подключены к выходам весовых коэффициентов первого и второго квадратурных фильтров.