УСТРОЙСТВО ПРИЕМА ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2008 года по МПК H04B1/10 

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может найти применение для приема информации в каналах связи в условиях воздействия узкополосных и широкополосных помех, превышающих уровень полезного сигнала.

Известны способ и устройство, описанные в патенте SU №1631739, Н04В 7/08, опубл. 1991, «Способ приема широкополосного сигнала», в котором производится подавление узкополосных помех при ориентации L приемных антенн нулями диаграмм направленности на источники помех.

Недостатком данного устройства является возможность работы только с антеннами, имеющими диаграмму направленности типа «кардиоида», реализация необходимых для подавления помех параметров которых в аппаратуре во многих случаях крайне сложна.

Известно устройство, описанное в патенте RU №2189112, Н04В 7/04, опубл. 2002, «Устройство для приема широкополосных сигналов на разнесенные антенны», в котором производится прием на две антенны и компенсация узкополосных помех за счет сдвига фазы в одном канале до получения их противофазности при сложении.

Недостатками данного устройства являются подавление только одной узкополосной помехи в парциальном канале и невозможность обнаружения широкополосной помехи.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, описанное в патенте SU №1775865, Н04В 7/08, опубл. 1992, «Многоканальное устройство приема широкополосных сигналов», принятое за прототип.

Устройство-прототип предназначено для приема широкополосных сигналов в условиях воздействия сосредоточенных помех.

Функциональная схема устройства-прототипа показана на фиг.1, где приняты следующие обозначения:

1.1-1.L - антенны;

2.1-2.N - диаграммообразующие блоки;

14.1-14.М - коммутаторы;

15.1-15.М - счетчики;

16.1-16.М - ключи;

6.1-6.М - частотные каналы;

17.1-17.М - блоки сравнения;

18 - блок выбора минимального сигнала;

19 - усилитель;

10 - сумматор;

11 - блок демодуляции и управления максимумами диаграмм направленности.

Устройство-прототип содержит L антенн 1, блок выбора минимального сигнала 18, сумматор 10 и М частотных каналов 6, выход индикатора уровня мощности помехи каждого из которых соединен с соответствующим входом блока выбора минимального сигнала 18. Сигнальный выход каждого из М частотных каналов 6 соединен с соответствующим входом сумматора 10; N диаграммообразующих блоков 2, каждый из L входов которого соединен с выходом соответствующей антенны 1, блок демодуляции и управления максимумами диаграмм направленности 11, вход которого соединен с выходом сумматора 10, выход управляющего сигнала соединен с управляющими входами диаграммообразующих блоков 2, а выход демодулированного сигнала является выходом многоканального устройства, М коммутаторов 14, каждый из N входов которого соединен с выходом соответствующего диаграммообразующего блока 2, М счетчиков 15, М ключей 16, М блоков сравнения 17 и усилитель 19, вход которого соединен с выходом блока выбора минимального сигнала 18, а выход соединен с первыми входами блока сравнения 17, второй вход i-го (i=1, 2...M) блока сравнения 17 соединен с выходом индикатора уровня мощности сигнала и помехи i-го частотного канала 6, а его выход соединен с управляющим входом i-го ключа 16, цифровой выход i-го счетчика 15 соединен с управляющим входом i-го коммутатора 14, а его счетный вход соединен с выходом i-го ключа 16, при этом сигнальные входы ключей 16 являются входом счетных импульсов многоканального устройства.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Прием из эфира осуществляется на антенны 1.1-1.L, с выходов которых сигнал поступает на соответствующие входы каждого из диаграммообразующих блоков 2.1-2.N.

Максимумы диаграмм направленности диаграммообразующих блоков 2.1-2.N равномерно распределены в секторе, меньшем ширины главного лепестка диаграмм направленности на величину предполагаемого сектора прихода полезного сигнала.

В этом случае полезный сигнал попадает на главные лепестки диаграмм направленности всех диаграммообразующих блоков 2.1-2.N.

С выхода каждого диаграммообразующего блока 2.1-2.N сигнал поступает на соответствующие входы каждого из М коммутаторов 14.1-14.М.

С выхода i-го коммутатора 14.i сигнал поступает на вход i-го частотного канала 6.i.

Частотные характеристики частотных каналов 6.1-6.М вплотную примыкают друг к другу и перекрывают всю полосу приема.

Блок 18 выбора минимального сигнала определяет значение минимальной мощности смеси сигнала и помех в каналах 6.1-6.М.

Усилитель 19 увеличивает уровень минимальной мощности в α раз.

Блок 17.i производит сравнение текущего значения мощности смеси сигнала и помех i-го частотного канала 6.i с увеличенным в α раз уровнем минимальной мощности.

Если i-й частотный канал 6.i поражен узкополосной помехой большого уровня, то сигнал на выходе индикатора уровня мощности сигнала и помехи канала 6.i превышает сигнал на выходе усилителя 19.

В этом случае на выходе блока сравнения 17.i формируется сигнал, открывающий ключ 16.i, и первый же импульс, поступающий на сигнальный вход ключа 16.i, изменяет на единицу двоичный код на выходе счетчика 15.i. Это приводит к подключению входа частотного канала 6.i через коммутатор 14.i к выходу (К+1)-го диаграммообразующего блока 2.(К+1), если ранее частотный канал был подключен к выходу К-го диаграммообразующего блока 2.К (при K=N вход частотного канала 6-i будет подключен к выходу 1-го диаграммообразующего блока 2.1).

Если нуль диаграммы направленности (К+1)-го диаграммообразующего блока 2.(К+1) направлен на помеху, поражающую частотный канал 6.i, то помеха будет подавлена в диаграммообразующем блоке 2.(К+1) и сигнал на выходе индикатора уровня мощности сигнала и помехи канала 6.i будет меньше сигнала на выходе усилителя 19.

На выходе блока 17.i будет сформирован сигнал, запирающий ключ 16.i, и вход канала 6.i будет оставаться подключенным ко входу диаграммообразующего блока 2.(К+1).

Если же нуль диаграммы направленности диаграммообразующего блока 2.(К+1) не направлен на помеху, то уровень помехи в частотном канале 6.i практически не изменится, ключ 16.i будет открыт и очередной импульс, поступающий на его вход, приведет к переключению входа канала 6.i к выходу (К+2)-го диаграммообразующего блока 2.(К+2).

Процесс переключения блока частотного канала 6.i будет происходить до тех пор, пока не найдется диаграммообразующий блок, нуль диаграммы направленности которого направлен на помеху, поражающую частотный канал 6.i. В частотных каналах 6.1-6.М осуществляется обратное энергетическое взвешивание смеси сигнала и помех.

Выходные сигналы частотных каналов складываются на сумматоре 10 и поступают на блок 11 демодуляции и управления максимумами диаграмм направленности.

Если сигнал обнаружен в течение заданного времени Т_обн, то блок 11 осуществляет демодуляцию широкополосного сигнала и выдает на свой выход демодулированный сигнал.

Если направление прихода сигнала не совпадает с предполагаемым сектором и поэтому сигнал за время Т_обн не обнаружен, то на управляющем выходе блока 11 формируется сигнал, приводящий к повороту всех диаграмм направленности диаграммообразующих блоков 2.1-2.N на угол ϕ₀.

После этого процесс поиска повторяется до тех пор, пока сигнал не будет обнаружен. При обнаружении полезного сигнала прекращается поворот диаграмм направленности диаграммообразующих блоков 2.1-2.N.

Блок 11 осуществляет демодуляцию широкополосного сигнала и выдает демодулированный сигнал на свой выход.

Недостатками устройства-прототипа являются:

- относительно медленный поиск полезного сигнала, не реализующий потенциальных возможностей по времени обнаружения,

- неоптимальная настройка при наличии более одной помехи в частотном канале.

Для устранения указанных недостатков в устройство, содержащее L антенн, N диаграммообразующих блоков, первый и второй входы которых соединены с выходами соответствующих антенн, М основных частотных каналов, сумматор, выход которого соединен с входом блока демодуляции, выход которого является выходом устройства, согласно изобретению введены М дополнительных частотных каналов, идентичных М основным частотным каналам, причем вход каждого частотного канала соединен с выходом соответствующего диаграммообразующего блока, М блоков вычисления взаимной корреляции, при этом к выходам каждых двух одинаковых i-x, основного и дополнительного, частотных каналов подключены соответствующие входы соответствующего i-го блока вычисления взаимной корреляции, М блоков управления ориентацией, выход каждого i-го блока вычисления взаимной корреляции соединен с входом соответствующего i-го блока управления ориентацией, первый и второй выходы i-го блока управления ориентацией соединены с управляющими входами диаграммообразующих блоков, выходы которых подключены к входам двух одинаковых i-x, основного и дополнительного, частотных каналов, 2М корреляторов, первый вход каждого коррелятора подключен к выходу соответствующего частотного канала, М блоков формирования опорных сигналов, ко вторым входам каждых двух корреляторов, соединенных с одинаковыми i-ми, основным и дополнительным, частотными каналами, подключен выход соответствующего i-го блока формирования опорного сигнала, 2М перемножителей, с первыми входами которых соединены выходы соответствующих корреляторов, выходы перемножителей соединены с входами сумматора, М блоков весовых множителей, с первым входом i-го блока весовых множителей соединен третий выход i-го блока управления ориентацией, к первому и второму выходам i-x блоков весовых множителей подключены вторые входы соответствующих перемножителей, блок поиска сигнала, к выходу которого подключены вторые входы блоков весовых множителей, вход блок поиска сигнала соединен с выходом сумматора, при этом L=2, N=2M, а антенны имеют диаграммы направленности вида G(ϕ)=Cos(ϕ), ориентированные взаимно ортогонально.

Функциональная схема предлагаемого устройства показана на фиг.2, где приняты следующие обозначения:

1.1-1.L - антенны;

2.1-2.N - диаграммообразующие блоки;

3.1-3.М - дополнительные частотные каналы;

4.1-4.М - блоки вычисления взаимной корреляции;

5.1-5.М - блоки управления ориентацией;

6.1-6.М - основные частотные каналы;

7.1-7.2М - корреляторы;

8.1-8.М - блоки формирования опорных сигналов;

9.1-9.2М - перемножители;

10 - сумматор;

11 - блок демодуляции;

12.1-12.М - блоки весовых множителей;

13 - блок поиска сигнала.

Предлагаемое устройство содержит первую 1.1 и вторую 1.2 антенны, подсоединенные к соответствующим входам диаграммообразующих блоков 2.1-2.N, выход каждого диграммообразующего блока 2 соединен с входом соответствующего частотного канала 6 или 3, выход каждого частотного канала 6 и 3 соединен с входом соответствующего коррелятора 7, выход каждого коррелятора 7 соединен с входом соответствующего перемножителя 9, выходы перемножителей 9.1-9.2М соединены с соответствующими входами сумматора 10, выход которого соединен с входом блока поиска сигнала 13 и входом блока демодуляции 11, выход которого является выходом устройства.

Кроме того, входы каждого блока вычисления взаимной корреляции 4 соединены с выходами соответствующих одинаковых, основного 6 и дополнительного 3, частотных каналов, выход каждого блока вычисления взаимной корреляции 4 соединен с входом соответствующего блока управления ориентацией 5. При этом первый и второй выходы каждого блока управления ориентацией 5 соединены с управляющими входами двух диаграммообразующих блоков 2, последовательно соединенных с теми частотными каналами, к выходам которых подключен блок вычисления взаимной корреляции 4, выход которого подключен к входу данного блока управления ориентацией 5. Третий выход каждого блока управления ориентацией 5 соединен с первым входом соответствующего блока весовых множителей 12, выходы блоков формирования опорных сигналов 8 соединены со вторыми входами соответствующих корреляторов 7, вторые входы перемножителей 9 соединены с выходами соответствующих блоков весовых множителей 12, вторые входы блоков весовых множителей 12 подключены к выходу блока поиска сигнала 13.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Прием из эфира осуществляется на антенны 1.1 и 1.2, имеющие взаимно ортогональные диаграммы направленности вида G(ϕ)=Cos(ϕ).

С выходов антенн сигнал поступает на соответствующие входы каждого из диаграммообразующих блоков 2.1-2.N.

Диаграммообразующие блоки 2.1-2.N осуществляют суммирование выходных сигналов антенн 1.1 и 1.2 с весовыми множителями, которые определяют ориентацию результирующих диаграмм направленности для каждого частотного канала 6.1-6.М и 3.1-3М.

Весовые множители задаются в блоках 5.1-5.М управления ориентацией, независимо для каждой пары одинаковых i-x, основного 6.i и дополнительного 3.i, частотных каналов.

При этом результирующие диаграммы также имеют вид G(ϕ)=Cos(ϕ) и обеспечивается их взаимная ортогональность при любой ориентации.

Если направление прихода полезного сигнала ϕ_с, а ориентация диаграмм ϕ_Ai, то диаграммы имеют вид G_i1=Cos(ϕ_c-ϕ_Ai) и G_i2=Sin(ϕ_c-ϕ_Ai).

Блоки управления ориентацией 5.i синхронным изменением весовых множителей в двух соответствующих диаграммообразующих блоках 2 осуществляют поворот диаграмм направленности до положения, при котором взаимная корреляция выходных сигналов одинаковых частотных каналов 6.i и 3.i минимальная (нулевая).

В каждом i-м блоке вычисления взаимной корреляции 4.i осуществляется перемножение и фильтрация выходных сигналов одинаковых частотных каналов 6.i и 3.i.

Зависимость взаимной корреляции выходных сигналов частотных каналов 6.i и 3.i от угла поворота диаграммы направленности имеет вид, близкий к гармонической функции. Направление поворота диаграммы направленности задается знаком взаимной корреляции. В установившемся режиме, из-за наличия неизбежной случайности в измерении взаимной корреляции, система ориентации совершает флюктуации в малой окрестности точного положения.

В частотных каналах 6.1-6.М и 3.1-3.М осуществляется обратное энергетическое взвешивание смеси сигнала и помех.

В корреляторах 7.1-7.2М вычисляются интегралы взаимной корреляции выходных сигналов частотных каналов 6.1-6.М и 3.1-3.М с опорными сигналами, поступающими с выходов блоков формирования опорных сигналов 8.1-8.М.

В каждом блоке формирования опорных сигналов 8.i вырабатываются сигналы, представляющие собой часть полезного сигнала в полосе частот соответствующих 6.i и 3.i частотных каналов.

Частотные характеристики частотных каналов 6.1-6.М вплотную примыкают друг к другу и перекрывают всю полосу приема. Частотные каналы 3.1-3.М идентичны частотным каналам 6.1-6.М.

В перемножителях 9.1-9.2М полученные значения интегралов умножаются на весовые множители, которые задаются из блоков весовых множителей 12.1-12.М.

Весовые множители i-го блока весовых множителей 12.i пропорциональны значениям диаграмм направленности, сформированным для соответствующих основного 6.i и дополнительного 3.i частотных каналов для направления прихода полезного сигнала, задаваемого из блока поиска сигнала 13. Если направление прихода полезного сигнала ϕ_с, а ориентация диаграмм ϕ_Ai, то весовые множители пропорциональны Cos(ϕ_c-ϕ_Ai) и Sin(ϕ_c-ϕ_Ai).

В сумматоре 10 выходные сигналы перемножителей 9.1-9.2М суммируются. Выходной сигнал сумматора 10 подается на входы блока демодуляции 11 и блока поиска сигнала 13.

В блоке поиска сигнала 13 задается направление прихода полезного сигнала ϕ_с для блоков весовых множителей 12.1-12.М и производится обнаружение полезного сигнала в режиме поиска при сравнении выходного сигнала сумматора 10 с порогом обнаружения. В блоке демодуляции 11 из выходного сигнала сумматора 10 выделяется информация.

При неизвестном направлении прихода полезного сигнала производится поиск, при фиксированных вычисленных значениях интегралов, только изменением предполагаемого направления прихода и соответствующим изменением весовых множителей. Если сигнал обнаружен, в блоке демодуляции выделяется информация.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство осуществляет значительно более быстрый поиск полезного сигнала, что обусловлено следующим.

В устройстве-прототипе до появления и обнаружения полезного сигнала поиск не может остановиться. При каждом очередном повороте всех диаграмм направленности заново производится адаптация к помеховой обстановке. Адаптация осуществляется простым перебором всех возможных положений до первого состояния, при котором уровень выходного сигнала частотного канала становится меньше выходного сигнала усилителя 19. Это состояние может быть не наилучшим из возможных, а поиск осуществляется не оптимально, поэтому среднее время поиска увеличено.

В предлагаемом устройстве адаптация к помеховой обстановке происходит в начале работы, независимо от наличия или отсутствия полезного сигнала. В условиях превышения узкополосными и широкополосными помехами полезного сигнала наличие сигнала не влияет на адаптацию к помеховой обстановке.

Так как нужное направление поворота диаграммы направленности сразу задается знаком взаимной корреляции, среднее время поиска оптимальной ориентации меньше, чем в устройстве-прототипе.

Поиск полезного сигнала происходит при состоявшейся адаптации к помеховой обстановке, поэтому при появлении сигнала время затрачивается только непосредственно на поиск сигнала по временной задержке и направлению прихода.

Поиск по временной задержке в предлагаемом устройстве производится параллельно во всех частотных каналах. Так как ширина полосы частотного канала значительно меньше общей полосы приема, то поиск, соответственно, требует меньшего времени, пропорционально соотношению общей полосы приема и полосы частотного канала.

Поиск по направлению прихода полезного сигнала происходит значительно быстрее, так как осуществляется только изменение весовых множителей для фиксированных значений корреляционных интегралов и не требует времени на повторные вычисления корреляционных интегралов.

По сравнению с прототипом предлагаемое устройство производит оптимальную адаптацию к помехам при любом числе узкополосных и широкополосных помех в одном частотном канале. В устройстве-прототипе, если в частотном канале присутствуют две и более помех, не попадающие одновременно на нули диаграммы направленности этого канала, то поиск диаграммы направленности не может остановиться и адаптация к помехам не оптимальна.

В предлагаемом устройстве происходит оптимальная адаптация при любом числе узкополосных и широкополосных помех в частотном канале, так как условие равенства нулю взаимной корреляции выходных сигналов одинаковых, основного и дополнительного, частотных каналов для оптимальной пространственной адаптации к помеховой обстановке следует из оптимального алгоритма приема для антенн рассматриваемого типа.

На фиг.3а показана зависимость взаимной корреляции выходных сигналов одинаковых частотных каналов от угла ϕ ориентации диаграмм направленности антенны, полученная математическим моделированием для двух источников шумовых помех с азимутами -50° и 105° при азимуте источника полезного сигнала 0°.

На фиг.3б показана зависимость отношения сигнал/помеха при оптимальном сложении выходных сигналов одинаковых частотных каналов, с учетом направления прихода полезного сигнала, от угла ϕ ориентации диаграмм направленности антенны для тех же условий. Как видно из фиг.3, углы ориентации, при которых взаимная корреляция равна нулю, совпадают с координатами максимумов отношения сигнал/помеха.

На фиг.4 показана оптимальная ориентация диаграмм направленности (28°) и пространственное расположение источников помех и сигнала.

Данное устройство реализуется физически на базе элементов и блоков, широко известных из технической литературы.

Изобретение относится к области радиотехники и может найти применение для приема информации в каналах связи в условиях воздействия узкополосных и широкополосных помех, превышающих уровень полезного сигнала. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства, оптимизация настройки при наличии более одной помехи в частотном канале, а также уменьшение времени поиска полезного сигнала. Это достигается тем, что в устройство приема широкополосных сигналов согласно изобретению введены М дополнительных частотных каналов (3), идентичных М основным частотным каналам (6), М блоков вычисления взаимной корреляции (4), М блоков управления ориентацией (5), М корреляторов (7), М блоков формирования опорных сигналов (8), 2М перемножителей (9), М блоков весовых множителей (12) и блок поиска сигнала (13). 5 ил.

Устройство приема широкополосных сигналов, содержащее L антенн, N диаграммообразующих блоков, первый и второй входы которых соединены с выходами соответствующих антенн, М основных частотных каналов, сумматор, выход которого соединен с входом блока демодуляции, выход которого является выходом устройства, отличающееся тем, что в него введены М дополнительных частотных каналов, идентичных М основным частотным каналам, причем вход каждого частотного канала соединен с выходом соответствующего диаграммообразующего блока, М блоков вычисления взаимной корреляции, при этом к выходам каждых двух одинаковых i-x, основного и дополнительного, частотных каналов подключены соответствующие входы соответствующего i-го блока вычисления взаимной корреляции, М блоков управления ориентацией, выход каждого i-го блока вычисления взаимной корреляции соединен с входом соответствующего i-го блока управления ориентацией, первый и второй выходы i-го блока управления ориентацией соединены с управляющими входами диаграммообразующих блоков, выходы которых подключены к входам двух одинаковых i-x, основного и дополнительного, частотных каналов, 2М корреляторов, первый вход каждого коррелятора подключен к выходу соответствующего частотного канала, М блоков формирования опорных сигналов, ко вторым входам каждых двух корреляторов, соединенных с одинаковыми i-ми, основным и дополнительным, частотными каналами, подключен выход соответствующего i-го блока формирования опорного сигнала, 2М перемножителей, с первыми входами которых соединены выходы соответствующих корреляторов, выходы перемножителей соединены с входами сумматора, М блоков весовых множителей, с первым входом i-го блока весовых множителей соединен третий выход i-го блока управления ориентацией, к первому и второму выходам i-x блоков весовых множителей подключены вторые входы соответствующих перемножителей, блок поиска сигнала, к выходу которого подключены вторые входы блоков весовых множителей, вход блок поиска сигнала соединен с выходом сумматора, при этом L=2, N=2M, а антенны имеют диаграммы направленности вида G(ϕ)=Cos(ϕ), ориентированные взаимно ортогонально.