ЦИФРОВОЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ МОЩНОСТИ СИГНАЛА И МОЩНОСТИ ПОМЕХИ В ПОЛОСЕ ПРОПУСКАНИЯ КАНАЛА РАДИОПРИЕМНИКА В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ Российский патент 2013 года по МПК G01R29/26 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в адаптивных радиоприемных устройствах, адаптивных системах радиосвязи, адаптивных антенных системах, радиоприемных устройствах систем радиомониторинга и радиолокационных систем, в которых осуществляется оценивание текущей информации о помехово-сигнальной обстановке и уровнях сигнала и помех на входе приемника с целью адаптации к ним различных параметров радиоприемных устройств, основного канала радиоприема, адаптации уровней порогов обнаружения к шумам различной интенсивности в обнаружителях панорамных радиоприемных устройств, а также устройств компенсации помех.

Известен измеритель отношения сигнал/шум (патент SU 1215064, G01R 29/26, 05.07.1984), в котором осуществляется последовательное измерение в двух соседних частотных каналах средней мощности совокупных шумов в одном из них и совокупной средней мощности аддитивной смеси сигнала и совокупных шумов в другом. Измеренные значения мощностей затем используются для вычисления неизвестной средней мощности сигнала и отношения сигнал/шум косвенным методом. При этом измерение средней мощности совокупных шумов в измерителе осуществляется в частотном канале, в котором сигнал отсутствует. Для осуществления измерения средней мощности совокупных шумов и средней мощности аддитивной смеси сигнала и шума в каналах применяется линейная перестройка измерителя по частоте с использованием частотно-модулированного гетеродина.

Недостатком данного измерителя является совместное измерение совокупной мощности аддитивной смеси сигнала и шума (помехи). Данный измеритель не позволяет производить раздельную оценку средней мощности сигнала и средней мощности шума в одном канале и, как следствие, оценку отношения мощностей сигнал/шум (помеха) в реальном масштабе времени. Следует отметить что, при наличии прицельной помехи в канале, где присутствует сигнал, или в случае различной интенсивности естественных помех в различных каналах, измерение средней мощности шума (помехи) в канале, где сигнал отсутствует, приведет к возникновению ошибки измерения.

Известен измеритель отношения сигнал/шум (патент SU 721773, G01R 29/26, 15.03.1980), в котором осуществляется прямым методом последовательное измерение в одном канале неизвестной средней мощности совокупных шумов на его входе и совокупной средней мощности аддитивной смеси сигнала и совокупных шумов, измеренные значения которых затем используются для вычисления неизвестного отношения сигнал/шум косвенным методом. При этом последовательное измерение в одном канале осуществляется путем введения задержки момента измерения мощности шума по отношению к моменту измерения мощности аддитивной смеси сигнала и шума на длительность, большую, чем длительность сигнала. Недостатком измерителя является то, что в нем осуществляется измерение средней мощности совокупных шумов на входе измерителя при условии отсутствия сигнала и априори известной длительности сигнала. В этом случае отсутствует возможность одновременной оценки средних мощностей сигнала и шума в одном канале и, как следствие, оценки в реальном масштабе времени отношения мощностей сигнал/шум (помеха).

Известен измеритель спектральной плотности мощности шума [1, с.51, рис.1], включающий последовательно соединенные полосовой фильтр, квадратичный детектор, интегратор и регистратор. Недостатком данного измерителя является то, что он осуществляет измерение только мощности шума в приемном канале. Если присутствует сигнал, то данный измеритель не применим.

Известен измеритель уровня обнаруживаемого сигнала в радиоприемном устройстве станции помех [2, с.62], включающий последовательно соединенные полосовой фильтр, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), квадратор, интегратор, устройство сравнения. При этом на выходе интегратора формируется оценка средней мощности аддитивной смеси сигнала и совокупных шумов (помех) на входе устройства. Существенным недостатком измерителя является измерение уровня совокупного сигнала (сигнал и шума (помехи)). В этом случае отсутствует возможность одновременной оценки средних мощностей сигнала и шума в одном канале и, как следствие, отсутствие возможности оценки в реальном масштабе времени отношения мощностей сигнал/шум (помеха), а также при наличии в канале измерения помех различного рода, это приводит к неадекватным оценкам средних мощностей сигнала и шума (помехи), т.е. к низкой достоверности их измерения.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является измеритель отношения сигнал/шум (патент RU 2332676, G01R 29/26, 09.01.2007), содержащий смеситель, сигнальный вход которого является входом устройства, гетеродин, выход которого подключен к опорному входу смесителя, первый полосовой фильтр, вход которого подключен к выходу смесителя, последовательно включенные первый измеритель мощности, блок вычитания, дифференциальный логарифмический преобразователь и регистрирующий прибор, и второй полосовой фильтр, вход которого подключен к выходу смесителя, а выход - ко входу второго измерителя мощности, выход которого подключен к инверсным входам блока вычитания и дифференциального логарифмического преобразователя. При этом в измерителе осуществляется одновременное измерение в двух соседних каналах: средней мощности совокупных шумов в одном из них и совокупной средней мощности аддитивной смеси сигнала и совокупных шумов в другом. Измеренные значения мощностей затем используются для вычисления неизвестной средней мощности сигнала и отношения сигнал/шум косвенным методом. Полосовые фильтры первого и второго измерительных каналов имеют равные значения полос пропускания, но значения центральных частот отличаются на величину, равную удвоенной ширине их полос пропускания.

Недостатком данного измерителя является совместное измерение совокупной мощности аддитивной смеси сигнала и шума (помехи). Данный измеритель не позволяет производить раздельную оценку средней мощности сигнала и средней мощности шума в одном канале и, как следствие, оценку отношения мощностей сигнал/шум (помеха) в реальном масштабе времени. Следует отметить что, при наличии прицельной помехи в канале, где присутствует сигнал, или в случае различной интенсивности естественных помех в различных каналах, измерение средней мощности шума (помехи) в канале, где сигнал отсутствует, приведет к возникновению ошибки измерения.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является реализация двух параллельных каналов измерения, в одном из которых осуществляется некогерентная, а в другом - когерентная обработка сигналов и совокупных помех с использованием цифровой обработки сигналов.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей устройства за счет реализации одновременного измерения средней мощности сигнала и средней мощности шума и/или помехи в одном радиоканале, что повышает достоверность результатов измерения, а также повышение быстродействия за счет параллельной когерентной и некогерентной обработки входной аддитивной смеси сигнала и шума и/или помехи и использования цифровой обработки сигналов.

Технический результат достигается тем, что заявляется цифровой измеритель мощности сигнала и мощности помехи в полосе пропускания канала радиоприемника в реальном масштабе времени, содержащий гетеродин, последовательно соединенные смеситель, сигнальный вход которого является входом устройства, полосовой фильтр и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выход которого соединен с объединенными сигнальными входами измерителя мощности аддитивной смеси сигнала и помехи (ИМАССП) и измерителя мощности сигнала, вторые входы которых соединены с выходом регистра хранения множителя усреднения N, а выходы ИМАССП и измерителя мощности сигнала через соответствующие первый и второй накопители-усреднители соединены соответственно с первым и вторым входами блока вычитания, выход которого через первый регистр памяти соединен со вторым входом регистрирующего прибора; кроме того, выход второго накопителя-усреднителя через второй регистр памяти соединен с первым входом регистрирующего прибора; выход блока вычитания также соединен с первым входом арифметико-логического устройства (АЛУ) определения частного, второй вход которого соединен с выходом второго накопителя-усреднителя, а выход АЛУ определения частного соединен с третьим входом регистрирующего прибора, выход которого является выходом устройства; выход гетеродина соединен с опорным входом смесителя, а через делитель частоты - со вторым входом АЦП.

При этом ИМАССП содержит последовательно соединенные первый перемножитель, первый накопитель и второй перемножитель, второй вход которого является вторым входом ИМАССП, а выход - выходом ИМАССП, причем сигнальный вход первого перемножителя, объединенный с его опорным входом, является первым входом ИМАССП; измеритель мощности сигнала содержит последовательно соединенные цифровую линию задержки (ЦЛЗ), третий перемножитель, второй накопитель и четвертый перемножитель, второй вход которого является вторым входом измерителя мощности сигнала, а выход - выходом измерителя мощности сигнала, опорный вход третьего перемножителя, объединенный с входом ЦЛЗ, является первым входом измерителя мощности сигнала.

Дополнительно, первый накопитель-усреднитель выполнен с возможностью суммирования выборочных значений суммарной мощности аддитивной смеси сигнала и шума и/или помехи, и деления полученной суммы на множитель деления М, численное значение которого определяется количеством суммируемых выборочных значений мощности; второй накопитель-усреднитель выполнен с возможностью суммирования выборочных значений мощности сигнала и деления полученной суммы на множитель деления М, численное значение которого определяется количеством суммируемых выборочных значений мощности.

На фиг.1 представлена функциональная схема цифрового измерителя мощности сигнала и мощности помехи в полосе пропускания канала радиоприемника в реальном масштабе времени, где введены следующие обозначения:

1 - смеситель;

2 - гетеродин;

3 - полосовой фильтр;

4 - делитель частоты;

5 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

6 - измеритель мощности аддитивной смеси сигнала и помехи (ИМАССП);

7 - измеритель мощности сигнала;

8, 12 - первый и второй перемножители;

9 - цифровая линия задержки (ЦЛЗ);

10 - первый накопитель;

11, 15 - третий и четвертый перемножители;

13 - регистр хранения множителя усреднения N;

14 - второй накопитель;

16, 18 - первый и второй накопители-усреднители;

17 - блок вычитания;

19, 20 - первый и второй регистры памяти;

21 - арифметико-логическое устройство (АЛУ) определения частного;

22 - регистрирующий прибор.

На фиг.2 представлена структурная схема варианта исполнения первого накопителя-усреднителя 16, где обозначено:

23 - третий накопитель;

24 - пятый перемножитель;

25 - первый регистр хранения множителя усреднения М.

На фиг.3 представлена структурная схема варианта исполнения второго накопителя-усреднителя 18, где обозначено:

26 - четвертый накопитель;

27 - шестой перемножитель;

28 - второй регистр хранения множителя усреднения М.

На фиг.4 представлена структурная схема варианта исполнения блока вычитания, где обозначено:

29 - регистр хранения множителя «-1»;

30 - седьмой перемножитель;

31 - сумматор.

Заявляемое устройство содержит последовательно соединенные смеситель 1, сигнальный вход которого является входом устройства, полосовой фильтр 3 и АЦП 5, выход которого соединен с объединенными сигнальными входами измерителя мощности аддитивной смеси сигнала и помехи (ИМАССП) 6 и измерителя мощности сигнала 7, выходы которых через соответствующие первый 16 и второй 18 накопители-усреднители соединены соответственно с первым и вторым входами блока вычитания 17, выход которого через первый регистр памяти 19 соединен со вторым входом регистрирующего прибора 22; кроме того, выход второго накопителя-усреднителя 18 через второй регистр памяти 20 соединен с первым входом регистрирующего прибора 22; выход блока вычитания 17 также соединен с первым входом АЛУ определения частного 21, второй вход которого соединен с выходом второго накопителя-усреднителя 18, а выход АЛУ определения частного 21 соединен с третьим входом регистрирующего прибора 22, выход которого является выходом устройства; вторые входы ИМАССП 6 и измерителя мощности сигнала 7 соединены с выходом регистра хранения множителя усреднения N 13; выход гетеродина 2 соединен с опорным входом смесителя 1, а через делитель частоты 4 - со вторым входом АЦП 5.

При этом ИМАССП 6 содержит последовательно соединенные первый перемножитель 8, первый накопитель 10 и второй перемножитель 12, второй вход которого является вторым входом ИМАССП 6, а выход - выходом ИМАССП 6, причем сигнальный вход первого перемножителя 8, объединенный с его опорным входом, является первым входом ИМАССП 6.

Измеритель мощности сигнала 7 содержит последовательно соединенные цифровую линию задержки (ЦЛЗ) 9, третий перемножитель 11, второй накопитель 14 и четвертый перемножитель 15, второй вход которого является вторым входом измерителя мощности сигнала 7, а выход - выходом измерителя мощности сигнала 7, опорный вход третьего перемножителя, объединенный с входом ЦЛЗ 9, является первым входом измерителя мощности сигнала 7.

Первый накопитель-усреднитель 16 (фиг.2) содержит последовательно соединенные третий накопитель 23, вход которого является входом первого накопителя-усреднителя 16, и пятый перемножитель 24, выход которого является выходом накопителя-усреднителя 16, а второй вход пятого перемножителя 24 соединен с выходом первого регистра 25 хранения множителя усреднения М.

Второй накопитель-усреднитель 18 (фиг.3) содержит последовательно соединенные четвертый накопитель 26, вход которого является входом второго накопителя-усреднителя 18, и шестой перемножитель 27, выход которого является выходом второго накопителя-усреднителя 18, а второй вход шестого перемножителя 27 соединен с выходом второго регистра 28 хранения множителя усреднения М.

Блок вычитания 17 (фиг.4) содержит последовательно соединенные регистр 29 хранения множителя «-1», седьмой перемножитель 30 и сумматор 31, выход которого является выходом блока вычитания 17; при этом второй вход седьмого перемножителя 30 является вторым входом блока вычитания 17, а первый вход сумматора 31 является первым входом блока вычитания 17.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Со входа устройства аддитивная смесь сигнала со случайной амплитудой и начальной фазой и шума (помех) с неизвестной интенсивностью поступает на сигнальный вход смесителя 1, на опорный вход которого поступает сигнал гетеродина 2, представляющий собой непрерывный высокочастотный сигнал с фиксированными частотой и уровнем.

С выхода смесителя 1 аддитивная смесь сигнала со случайной амплитудой и начальной фазой и шума (помех) с неизвестной интенсивностью на промежуточной частоте поступает на вход полосового фильтра 3 с полосой пропускания ΔF, с выхода которого сигнал подается на первый вход АЦП 5, на второй вход которого через делитель частоты 4 подается сигнал с выхода гетеродина 2. Коэффициент деления блока 4 выбирается из условия обеспечения необходимой частоты дискретизации, определяемой полосой частот на входе устройства.

С выхода АЦП 5 двоичный код уровня (цифровые отсчеты) x_i=s_i+n_i аддитивной смеси сигнала (s_i) и шума (помехи) (n_i), где i - номер цифрового отсчета, одновременно поступают на вход ИМАССП 6 (P_c+P_n) и измерителя мощности 7 сигнала (P_c).

В первом перемножителе 8 осуществляется процедура перемножения цифровых отсчетов уровней аддитивной смеси сигнала и шума (помех) самих на себя x² _i=(s_i+n_i)², а в третьем перемножителе 11 - перемножение отсчетов аддитивной смеси сигнала и шума (помех) с выхода АЦП 5 и прошедших через ЦЛЗ 9 с временем задержки τ_з, определяемой формулой

τ_з=1/ΔF,

где n=1, 2, 3, … L - количество отсчетов, соответствующих времени задержки τ_з.

С выхода первого перемножителя 8 квадрат отсчетов x² _i=(s_i+n_i)² и произведение отсчетов аддитивной смеси сигнала и шума (помех), сдвинутые по времени y_i=(s_i+n_i)(s_i+ni+n_i+ni) на τ_з, с выхода третьего перемножителя 11 поступают на входы соответствующих накопителей 10 и 14, в которых осуществляется суммирование квадратов отсчетов аддитивной смеси сигнала и шума (помех) (первый накопитель 10) , и произведений сдвинутых во времени отсчетов только сигнала (второй накопитель 14) , где N - количество суммируемых отсчетов, за время накопления Т_нак1.

Далее, накопленные значения квадратов отсчетов аддитивной смеси сигнала и шума (помех) с первого накопителя 10 и произведений сдвинутых во времени отсчетов только сигнала со второго накопителя 14 поступают на первые входы соответствующих второго 12 и четвертого 15 перемножителей, на вторые входы которых поступают значения множителя усреднения К=1/N с регистра 13 хранения множителя усреднения N.

Таким образом, на выходе ИМАССП 6 формируются выборочные значения, соответствующие средней мощности аддитивной смеси сигнала и шума (помех)

которые далее поступают на вход первого накопителя-усреднителя 16 (фиг.2), где в блоке 23 осуществляется их накопление в течение времени Т_нак2. Накопленные значения выборочных средних мощностей аддитивной смеси сигнала и шума (помех) с блока 23 поступают на первый вход пятого перемножителя 24, на второй вход которого поступает значение множителя усреднения с блока 25, равное 1/М.

На выходе измерителя мощности сигнала 7 формируются выборочные значения, соответствующие средней мощности сигнала

которые далее поступают на вход второго накопителя-усреднителя 18 (Фиг.3), где в блоке 26 осуществляется их накопление в течение времени Т_нак2. Накопленные значения выборочных средних мощностей сигнала поступают на первый вход шестого перемножителя 27, на второй вход которого поступает значение множителя усреднения с блока 28, равное 1/М.

С выхода первого накопителя-усреднителя 16 среднее значение мощности аддитивной смеси сигнала и шума (помех) поступает на первый вход блока вычитания 17, на второй вход которого с выхода второго накопителя-усреднителя 18 поступает среднее значение мощности сигнала Также с выхода второго накопителя-усреднителя 18 среднее значение мощности сигнала V=<P_c> поступает на вход второго регистра памяти 20, с выхода которого поступает на первый вход регистрирующего прибора 22.

В блоке вычитания 17 осуществляется оценка средней дисперсии шума <Р_ш>=Z-V. С выхода блока вычитания 17 оценка средней дисперсии шума (помехи) поступает на вход первого регистра памяти 19, с выхода которого она поступает на второй вход регистрирующего прибора 22, а также на первый вход АЛУ определения частного 21, на второй вход которого поступает оценка средней мощности сигнала с выхода второго накопителя-усреднителя 18.

С выхода АЛУ определения частного 21 значение оценки отношения средних мощностей сигнала и шума (помехи) поступает на третий вход регистрирующего прибора 22.

Регистрирующий прибор 22 выполнен с возможностью отображения измеренных средних значений мощности сигнала, мощности шума (помехи) и их отношения. Регистрирующий прибор 22 может быть реализован на базе LCD индикатора DV16244.

Первый 19 и второй 20 регистры памяти, а также регистры хранения 13, 25, 28 и 29 могут быть реализованы на базе микроконтроллера ATMEGA 8515 компании ATMEL.

Арифметико-логическое устройство определения частного 21 может быть программно реализовано на базе микроконтроллера ATMEGA 8515 компании ATMEL в виде арифметической операции деления.

На фиг.5 приведены графики зависимостей измеренного значения мощности сигнала на выходе устройства от мощности сигнала на его входе, а на фиг.6 - графики зависимостей погрешности измеренной мощности сигнала, выраженной в процентах, от мощности сигнала на входе заявляемого устройства при заданной мощности аддитивного гауссового шума.

На фиг.7 и 8 приведены графики зависимостей измеренного значения мощности шума на выходе заявляемого устройства и погрешность его измерения, выраженная в процентах, от мощности сигнала на входе при заданной мощности аддитивного гауссового шума.

Как видно из графиков зависимостей на фиг.5, 6, 7 и 8, заявляемое устройство позволяет обеспечить погрешность измерения в канале средней мощности сигнала не более 5%, и средней мощности шума (помехи) не более 12% для диапазона значений мощности сигнала на входе устройства от 2 мкВт до 80 мкВт при наличии в канале аддитивной смеси сигнала и шума (помехи).

Таким образом, совокупность введенных блоков и связей между ними позволяет обеспечить повышение точности измерения мощности сигнала и мощности шума и/или помехи за счет одновременного измерения средней мощности сигнала и средней мощности шума и/или помехи в одном радиоканале; измерение при наличии прицельной помехи мощности совокупных помех в канале независимо от наличия сигнала; повышение быстродействия, что отсутствовало в прототипе.

Источники информации

1. Измерительная техника №10, 2008 г., издательство журнала - Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский научно-технический центр информации по стандартизации, метрологии и оценке соответствия" Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии.

2. Борисов В.И., Зинчук В.М. и др. Пространственные и вероятностно-временные характеристики эффективности станций ответных помех при подавлении линий систем радиосвязи. / Под ред. В.И.Борисова. - М.: Радиософт, 2008. - С.330.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в адаптивных радиоприемных устройствах, адаптивных системах радиосвязи, адаптивных антенных системах, радиоприемных устройствах систем радиомониторинга и радиолокационных систем. Устройство содержит смеситель (1), гетеродин (2), полосовой фильтр (3), делитель частоты (4), АЦП (5), измеритель (6) мощности аддитивной смеси сигнала и помехи (ИМАССП), измеритель (7) мощности сигнала, регистр хранения множителя усреднения N (13), накопители-усреднители (16, 18), блок вычитания (17), регистры памяти (19, 20), арифметико-логическое устройство определения частного (21) и регистрирующий прибор (22). При этом ИМАССП (6) содержит накопитель (10) и перемножители (8, 12); измеритель мощности сигнала (7) содержит цифровую линию задержки (9), накопитель (14) и перемножители (11, 15). Технический результат - расширение функциональных возможностей устройства за счет реализации одновременного измерения средней мощности сигнала и средней мощности шума и/или помехи в одном радиоканале, что повышает достоверность результатов измерения, а также повышение быстродействия за счет параллельной когерентной и некогерентной обработки входной аддитивной смеси сигнала и шума и/или помехи и использования цифровой обработки сигналов. 4 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Цифровой измеритель мощности сигнала и мощности помехи в полосе пропускания канала радиоприемника в реальном масштабе времени, содержащий гетеродин, последовательно соединенные смеситель, сигнальный вход которого является входом устройства, полосовой фильтр и аналого-цифровой преобразователь (АЦП), выход которого соединен с объединенными сигнальными входами измерителя мощности аддитивной смеси сигнала и помехи (ИМАССП) и измерителя мощности сигнала, вторые входы которых соединены с выходом регистра хранения множителя усреднения N, а выходы ИМАССП и измерителя мощности сигнала через соответствующие первый и второй накопители-усреднители соединены соответственно с первым и вторым входами блока вычитания, выход которого через первый регистр памяти соединен со вторым входом регистрирующего прибора; кроме того, выход второго накопителя-усреднителя через второй регистр памяти соединен с первым входом регистрирующего прибора; выход блока вычитания также соединен с первым входом арифметико-логического устройства (АЛУ) определения частного, второй вход которого соединен с выходом второго накопителя-усреднителя, а выход АЛУ определения частного соединен с третьим входом регистрирующего прибора, выход которого является выходом устройства; выход гетеродина соединен с опорным входом смесителя, а через делитель частоты - со вторым входом АЦП.

2. Цифровой измеритель по п.1, в котором ИМАССП содержит последовательно соединенные первый перемножитель, первый накопитель и второй перемножитель, второй вход которого является вторым входом ИМАССП, а выход - выходом ИМАССП, причем сигнальный вход первого перемножителя, объединенный с его опорным входом, является первым входом ИМАССП.

3. Цифровой измеритель по п.1, в котором измеритель мощности сигнала содержит последовательно соединенные цифровую линию задержки (ЦЛЗ), третий перемножитель, второй накопитель и четвертый перемножитель, второй вход которого является вторым входом измерителя мощности сигнала, а выход - выходом измерителя мощности сигнала, опорный вход третьего перемножителя, объединенный с входом ЦЛЗ, является первым входом измерителя мощности сигнала.

4. Цифровой измеритель по п.1, в котором первый накопитель-усреднитель выполнен с возможностью суммирования выборочных значений суммарной мощности аддитивной смеси сигнала и шума и/или помехи, и деления полученной суммы на множитель деления М, численное значение которого определяется количеством суммируемых выборочных значений мощности.

5. Цифровой измеритель по п.1, в котором второй накопитель-усреднитель выполнен с возможностью суммирования выборочных значений мощности сигнала и деления полученной суммы на множитель деления М, численное значение которого определяется количеством суммируемых выборочных значений мощности.