УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ Российский патент 2008 года по МПК G01R29/26 

Описание патента на изобретение RU2341808C1

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокации, радионавигации и системах связи для измерения отношения сигнал/шум, повышения точности и достоверности получаемой информации или контроля качества канала связи.

Известно устройство измерения отношения сигнал/шум, обеспечивающее измерение среднего значения результирующей фазы, которое зависит от сложившегося отношения сигнал/шум [1]. В данном устройстве сигнал и шум принимаются антенной и приемником, а на выходе синхронно-фазового детектора формируется сигнал результирующей фазы смеси сигнала и шума. Полученные значения фазы усредняются и через блок памяти поступают на индикатор, который оцифрован в соответствии с зависимостью значений результирующей фазы от отношения сигнал/шум. Устройство содержит в своем составе два ограничителя, которые являются нелинейными элементами и вносят искажения в оцениваемую смесь сигнала и шума, что, в свою очередь, влияет на точность измерения.

Известно устройство, обеспечивающее оценку отношения сигал/шум, в состав устройства входят линии задержки и сумматоры, которые выделяют шумовую и сигнальную составляющие [2]. Недостатками устройства являются потребность в настройке параметров линий задержек, низкая стабильность параметров и неэффективность работы при изменении частоты входного сигнала, так как время задержки должно быть кратным целому числу полупериодов входного колебания.

Из известных устройств оценки отношения сигнал/шум наиболее близким к заявляемому по своему техническому исполнению является устройство [3], обеспечивающее оценку дисперсии фазы путем сравнения с генерируемыми опорными функциями фазы, результирующие значения отношения сигнал/шум получаются в результате преобразования полученной дисперсии фазы в блоке вычисления отношения сигнал/шум. Устройство включает в свой состав последовательно соединенные антенну, приемник, измеритель фазы, блок памяти, блок вычитания, блок вычисления дисперсии фазы, блок вычисления отношения сигнал/шум и индикатор, в состав устройства также входят блоки, обеспечивающие сравнение значений фазы сигнала и шума с опорными функциями, блоки генерирования опорных функций и блоки обнаружения сигнала.

К недостаткам известного устройства можно отнести сложность исполнения и низкие точностные характеристики.

В основу изобретения положена задача повышения точности измерения отношения сигнал/шум при одновременном упрощении устройства.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве измерения отношения сигнал/шум, содержащем последовательно включенные антенну, приемник, измеритель фазы, блок вычисления дисперсии фазы, блок вычисления отношения сигнал/шум, индикатор, согласно изобретению блок вычисления дисперсии фазы содержит последовательно соединенные первый квадратор, первый накапливающий сумматор, первый умножитель, выход которого подключен к первому входу блока вычитания, при этом вход первого квадратора объединен с входом второго накапливающего сумматора и является первым входом блока вычисления дисперсии фазы, а выход второго накапливающего сумматора подключен ко второму умножителю, последовательно соединенному с вторым квадратором, выход которого соединен с вторым входом блока вычитания, выход блока вычитания является выходом блока вычисления дисперсии фазы, а второй и третий входы блока вычисления дисперсии фазы являются соответственно вторым входом второго умножителя и первого умножителя.

На фиг.1 показана структурная схема устройства измерения отношения сигнал/шум, на фиг.2 - схема блока вычисления дисперсии фазы, а на фиг.3 - зависимость значений среднеквадратического отклонения от сложившегося соотношения сигнал/шум.

Устройство измерения отношения сигнал/шум содержит последовательно соединенные антенну 1, приемник 2, измеритель фазы 3, блок измерения дисперсии фазы 4, блок вычисления отношения сигнал/шум 5 и индикатор 6. Блок вычисления дисперсии фазы 4 в своем составе имеет последовательно соединенные первый квадратор 7, первый накапливающий сумматор 8, первый умножитель 9, выход которого подключен к первому входу блока вычитания 10, при этом вход первого квадратора 7 объединен со входом второго накапливающего сумматора 11 и является первым входом блока вычисления дисперсии фазы 4, выход второго накапливающего сумматора 11 подключен ко второму умножителю 12, последовательно соединенному со вторым квадратором 13, выход последнего соединен со вторым входом блока вычитания 10. Выход блока вычитания 10 является выходом блока вычисления дисперсии фазы 4. Второй и третий входы блока вычисления дисперсии фазы 4 - это вторые входы соответственно второго умножителя 12 и первого умножителя 9.

При технической реализации антенна 1, приемник 2 и измеритель фазы 3 выполняются как типовые элементы радиосистем. Приемник 2 содержит усилители высокой частоты, преобразователи частоты и усилители промежуточной частоты. В качестве измерителя фазы 3 целесообразно использовать измеритель, который содержит преобразователь фазового сдвига между сравниваемыми сигналами y(t) и x(t) во временной интервал, который заполняется счетными импульсами [4]. Квадраторы, умножители и накапливающие сумматоры являются известными и достаточно подробно описаны в справочнике по интегральным микросхемам [6]. В качестве блока вычитания 10 возможно использовать сумматор, на второй вход которого полученное среднее значение фазы поступает в дополнительном коде [7]. Блок вычисления отношения сигнал/шум 5 может быть выполнен в виде дешифратора или перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) [6]. Индикатор 6 может быть выполнен как цифровой индикатор [6].

Устройство измерения отношения сигнал/шум работает следующим образом.

Аддитивная смесь полезного сигнала и узкополосного шума формируется антенной 1 и приемником 2 и поступает на измеритель фазы 3 (фиг.1), где производится преобразование фазового сдвига между сигналами y(t) и x(t) во временной интервал [4], который заполняется счетными импульсами. Результат измерения фазы представляет собой числа Ni, которые подвергаются статистической обработке для определения дисперсии фазы по алгоритму, рассматриваемому ниже.

Особенности статистических характеристик фазы аддитивной смеси и возможность нахождения дисперсии фазы рассмотрим на примере поведения полной фазы смеси, которую при узкополосном стационарном шуме найдем из аддитивной смеси сигнала и шума:

x(t)=Umcos(ω0t+ϕ0)+Un(t)cos[ω0t+θ(t)]=U(t)cosФ(t),

где Um, ω0, ϕ0 - амплитуда, угловая частота и начальная фаза сигнала.

Un(t), θ(t) - огибающая и фаза шума.

U(t) - огибающая смеси сигнала и шума.

Ф(t)=ω0t+ϕ(t) - полная фаза смеси, состоящая из линейного ω0t и случайного ϕ(t) слагаемого.

Случайный характер ϕ(t) обусловлен в основном действующим в приемнике аддитивным шумом, а статистические характеристики зависят от отношения сигнал/шум и определяют мощность фазовых флуктуаций.

Случайное слагаемое полной фазы смеси Ф(t) характеризуется плотностью распределения вероятностей фазы смеси и определяется выражением [5]:

где F(*) - функция Лапласа;

q=Um/σ - отношение амплитуды сигнала к среднеквадратическому значению шума;

σ2=W0Fэ - мощность шума в канале связи;

W0 - интенсивность энергетического спектра входного шума;

Fэ - эффективная полоса пропускания приемника.

Плотность распределения фазы симметрична в интервале [ϕ0-π; ϕ0+π], а дисперсия фазы может быть найдена по формуле:

Дисперсия фазы вычисляется при статистической обработке результата N фазовых измерений Ni по формуле, обеспечивающей несмещенную оценку:

где Ni - цифровые отсчеты фазы, получаемые в измерителе фазы 3,

N - количество усредняемых отсчетов.

i=1÷N.

Ncp - среднее значение фазы смеси, получаемое в блоке 4.

При технической реализации заявляемого устройства удобнее преобразовать (2) к виду

а учитывая, что получим рабочую формулу:

или при N>>1

который и положен в основу работы устройства.

Чтобы реализовать вычисление значений дисперсии фазы в соответствии с (3) в блоке 4 используются квадраторы 7 и 13, накапливающие сумматоры 8 и 11, умножители на константу 9 и 12 и блок вычитания 10. Поступившие на первый вход блока вычисления дисперсии фазы 4 цифровые отсчеты Ni возводятся в квадрат в первом квадраторе 7, суммируются в первом накапливающем сумматоре 8 и умножаются на константу в первом умножителе 9, таким образом реализуется алгоритм вычисления при этом параллельно производится накапливание этих отсчетов (Ni) во втором сумматоре 11, умножение на константу во втором умножителе 12 для вычисления среднего значения Nср и возведение в квадрат во втором квадраторе 13, таким образом реализуется операция вычисления Nср2. Эта операция происходит параллельно с вычислением После этого полученные значения вычитаются в блоке вычитания 10 в соответствии с (3) и на выходе блока вычисления дисперсии фазы 4 появляются цифровые отсчеты дисперсии фазы в требуемом диапазоне.

В предлагаемом устройстве предполагается, что для заданного диапазона значений дисперсии фазы значения отношения сигнал/шум предварительно рассчитываются и размещаются в ППЗУ блока вычисления отношения сигнал/шум с необходимой дискретностью. Зависимость значений среднеквадратического отклонения фазы от сложившегося соотношения сигнал/шум показана на фиг.3.

Так, если отношение сигнал/шум изменится от q1=3 до q2=3.3, то эти значения пересчитываются в значения среднеквадратического отклонения фазы от σϕ1=0.715 до σϕ2=0.678.

Требование к точности измерения дисперсии фазы σϕ2 можно предъявить, воспользовавшись результатами, согласно которым дисперсия оценки дисперсии фазы по дискретным отсчетам определяется формулой

где

- нормированная корреляционная функция фазовых отсчетов, взятых с интервалом Т0;

N - количество усредняемых отсчетов.

Выбирая интервал Т0 больше интервала корреляции τk0k), который, в свою очередь, определяется полосой пропускания приемника 2 (τk=1/Fэ), т.е. обеспечивая некоррелированные выборки, погрешность измерения дисперсии фазы можно определить следующим образом:

т.е. для обеспечения погрешности измерения отношения сигнал/шум на уровне 1% требуемое число отсчетов N не превышает 102-103.

В заявляемом устройстве измерения отношения сигнал/шум реализован оптимизированный алгоритм оценки дисперсии фазы, что позволяет повысить точность и упростить реализацию структуры предлагаемого устройства. Заявляемое устройство способно вести оперативный контроль за измеряемыми параметрами системы с погрешностью на уровне 1%.

Источники информации

1. Авторское свидетельство №1337834, G01R 29/26.

2. Авторское свидетельство СССР №808996, G01R 29/26, 1981.

3. Патент РФ №02117954, G01R 29/16, 1998.

4. Чмых М.К. Цифровая фазометрия. - М., 1993, с.7-9.

5. Пестряков В.Б. Фазовые радиотехнические системы. - М., 1968, с.23-25, с.163-169.

6. Справочник по интегральным микросхемам / Под ред. Б.В.Тарабрина. - М., 1981, с.58-62.

7. Гитис Э.И. Преобразователи информации для ЭЦВУ, 1975, с.153-160.

Похожие патенты RU2341808C1

название год авторы номер документа
ИЗМЕРИТЕЛЬ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ-ШУМ 1992
  • Челпанов Владимир Валентинович
  • Корнуков Игорь Юрьевич
  • Марухленко Сергей Иванович
RU2117954C1
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ 2009
  • Леглер Виктор Валерьевич
  • Патюков Виктор Георгиевич
  • Патюков Евгений Викторович
RU2399923C1
Устройство контроля качества канала связи 1990
  • Патюков Виктор Георгиевич
  • Зархин Юрий Борисович
  • Кабанов Василий Абрамович
SU1778911A1
Измеритель коэффициента шума 1988
  • Михно Сергей Александрович
  • Кривенко Станислав Анатольевич
  • Макиенко Владимир Александрович
  • Филенко Алла Александровна
SU1596285A1
Устройство для магнитно-импульсной обработки деталей 1973
  • Глущенков Владимир Александрович
  • Овчинников Юрий Михайлович
SU470251A1
Адаптивный измеритель параметров сигнала 1981
  • Адаменко Александр Алексеевич
  • Барышев Игорь Владимирович
  • Краснов Леонид Александрович
  • Ноздрин Иван Григорьевич
SU970251A1
Устройство контроля качества канала связи 1990
  • Патюков Виктор Георгиевич
  • Зархин Юрий Борисович
SU1823138A1
СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ УЗКОПОЛОСНОГО РАДИОСИГНАЛА 2002
  • Уфаев В.А.
RU2237261C2
СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА РАДИОИЗЛУЧЕНИЯ 2004
  • Уфаев В.А.
  • Уфаев Д.В.
RU2263928C1
СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ 2000
  • Бабичев В.И.
  • Овсенев С.С.
  • Семашкина Р.М.
  • Чаусов Э.В.
  • Иванов В.В.
RU2169378C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 341 808 C1

Реферат патента 2008 года УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокации, радионавигации и системах связи для измерения отношения сигнал/шум, повышения точности и достоверности получаемой информации или контроля качества канала связи. Устройство содержит последовательно включенные антенну, приемник, измеритель фазы, блок вычисления дисперсии фазы, блок вычисления отношения сигнал/шум, индикатор. Блок вычисления дисперсии фазы содержит последовательно соединенные первый квадратор, первый накапливающий сумматор, первый умножитель, выход которого подключен к первому входу блока вычитания, при этом вход первого квадратора объединен с входом второго накапливающего сумматора и является первым входом блока вычисления дисперсии фазы, а выход второго накапливающего сумматора подключен ко второму умножителю, последовательно соединенному со вторым квадратором, выход которого соединен с вторым входом блока вычитания, выход блока вычитания является выходом блока вычисления дисперсии фазы, а второй и третий входы блока вычисления дисперсии фазы являются соответственно вторым входом второго умножителя и первого умножителя. Технический результат - повышение точности измерения отношения сигнал/шум при одновременном упрощении устройства. 3 ил.

Формула изобретения RU 2 341 808 C1

Устройство измерения отношения сигнал/шум, содержащее последовательно включенные антенну, приемник, измеритель фазы, блок вычисления дисперсии фазы, блок вычисления отношения сигнал/шум, индикатор, отличающееся тем, что блок вычисления дисперсии фазы содержит последовательно соединенные первый квадратор, первый накапливающий сумматор, первый умножитель, выход которого подключен к первому входу блока вычитания, при этом вход первого квадратора объединен с входом второго накапливающего сумматора и является первым входом блока вычисления дисперсии фазы, а выход второго накапливающего сумматора подключен ко второму умножителю, последовательно соединенному со вторым квадратором, выход которого соединен с вторым входом блока вычитания, выход блока вычитания является выходом блока вычисления дисперсии фазы, а второй и третий входы блока вычисления дисперсии фазы являются соответственно вторым входом второго умножителя и первого умножителя.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2008 года RU2341808C1

ИЗМЕРИТЕЛЬ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ-ШУМ 1992
  • Челпанов Владимир Валентинович
  • Корнуков Игорь Юрьевич
  • Марухленко Сергей Иванович
RU2117954C1
Измеритель отношения гармонического и фазоманипулированного сигналов к шуму в каналах связи 1986
  • Кенин Леонид Максимович
SU1337834A1
Устройство для измерения отношения"СигНАл-шуМ 1979
  • Мовчан Леонид Владимирович
SU808996A1
Устройство для определения отношения сигнал/шум сигналов с фазовой модуляцией 1984
  • Косарев Вячеслав Михайлович
  • Задорожный Владимир Владимирович
  • Марущак Николай Григорьевич
SU1287048A1
Способ определения отношения сигнал/шум и устройство для его осуществления 1991
  • Боташев Борис Муссаевич
  • Пархоменко Николай Григорьевич
SU1798738A1

RU 2 341 808 C1

Авторы

Леглер Виктор Валерьевич

Патюков Виктор Георгиевич

Патюков Евгений Викторович

Даты

2008-12-20Публикация

2007-05-08Подача