СПОСОБ ОЦЕНИВАНИЯ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ЗОНДИРОВАНИЯ ИОНОСФЕРЫ СИГНАЛАМИ С ЛЧМ Российский патент 2014 года по МПК G01R29/26 

Изобретение относится к области техники радиосвязи, конкретнее к оцениванию условий радиосвязи по результатам зондирования ионосферы сигналами с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), и может быть использовано для построения технических средств ионосферно-волновой частотно-диспетчерской службы, входящей в состав системы радиосвязи.

Известно устройство, осуществляющее прием сигналов наклонного зондирования (НЗ) ионосферы и являющееся радиоприемным устройством сигналов с ЛЧМ [1].

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ измерения отношения сигнал/шум в полосе частот приемника по данным ЛЧМ зондирования ионосферы, заключающийся в излучении передатчиком непрерывного линейно-частотно-модулированного сигнала с начальной частотой излучения f₀ и скоростью изменения частоты □ и обработки его в приемнике методом сжатия в частотной области, отличающийся тем, что на выходе приемника полосовыми фильтрами разделяют сигнал разностной частоты A(t) и сигнал помехи A_ш(t) и интегрируя квадраты сигналов A(t) и A_ш(t) за время их нахождения в полосе частот приемника определяют средние мощности сигнала P_A(t) и помехи P_ш{t) на рабочей частоте f₀=f_p+□·t и находят значения отношения сигнал/шум S/N для произвольной рабочей частоты f_p: $$\left(S/N\right)\left(f_p\right)=\frac{P_A\left(\frac{f_p-f_0}{\dot{f}}\right)}{P_{ш}\left(\frac{f_p-f_0}{\dot{f}}\right)}[2]$$ .

Недостатком способа-прототипа является то, что находимое указанным способом отношение сигнал/шум имеет смысл применительно лишь к зондирующему сигналу и не может использоваться как характеристика канала при передаче связного сигнала (например, сигнала частотной телеграфии).

Задача изобретения в том, чтобы использовать результаты НЗ для оценивания отношения сигнал/шум в канале связи, учитывая особенности применяемого в нем конкретного связного сигнала.

Поставленная задача достигается тем, что в способе оценивания отношения сигнал/шум в полосе ΔF_C частот по данным ЛЧМ зондирования ионосферы, заключающемся в излучении передатчиком, имеющем мощность Р_{прд з}, непрерывного ЛЧМ сигнала и обработке его в приемнике, с помощью преобразователя осуществляют гетеродинирование принимаемого зондирующего ЛЧМ сигнала и его предварительную фильтрацию в диапазоне частот от -ΔF_пр/2 до ΔF_пр/2, с помощью фильтра разностной частоты выполняют фильтрацию в диапазоне частот от -ΔF_фр/2 до ΔF_фр/2, вычисляют быстрое преобразование Фурье (БПФ), дополнительно с помощью фильтра помехи выходной сигнал преобразователя подвергают фильтрации, с помощью устройства выравнивания выходные отсчеты фильтра разностной частоты совмещают по времени с выходными отсчетами фильтра помехи, а затем отсчеты с выходов устройства выравнивания и фильтра помехи подают на входы устройства оценивания и в нем вычисляют оценку отношения сигнал/шум для частоты f_a анализа и k-го выхода БПФ по формуле $$h_k^2\left(f_a\right)=\frac{K_{прд}}{2{\displaystyle \sum _{m-0}^{N_c-1}{S}_{c0}^2\left(f_m-f_a\right)}}\frac{{\displaystyle \sum _{m=0}^{N_c-1}\frac{S_{c0}^2\left(f_m-f_a\right)}{S_{з}^2\left(f_m\right)}{S}_{прм}{}_{зk}^2\left(f_m\right)}}{P_{п}\left(f_a\right)},$$

где K_{прд с}/P_{прд з}; P_{прд с} - мощность передатчика, излучающего связной сигнал; $$S_{c0}^2\left(f\right)$$ - модуль энергетического спектра излучаемого связного сигнала; $$S_{з}^2\left(f\right)$$ - модуль энергетического спектра излучаемого зондирующего сигнала; $$S_{прмзk}^2\left(f\right)$$ - модуль энергетического спектра принимаемого зондирующего сигнала, вычисляемый по k-ому выходу вычислителя БПФ; N_c - количество составляющих в спектре излучаемого связного сигнала; f_m - частота m-ой составляющей в спектре излучаемого связного сигнала; P_п(f) - мощность помехи на входе приемника, вычисляемая по выходному напряжению фильтра помехи.

Достигаемым техническим результатом является то, что в процессе оценивания отношения сигнал/шум учитываются индивидуальные признаки канала связи в виде характеристик применяемого связного сигнала и тем самым повышается достоверность получаемой оценки.

На фиг.1 представлена структурная схема приемника ЛЧМ сигналов, обеспечивающего осуществление предлагаемого способа, которая содержит преобразователь 1, фильтр разностной частоты 2, вычислитель БПФ 3, фильтр помехи 4, устройство выравнивания 5, устройство оценивания 6. Пример исполнения преобразователя 1 приведен на фиг.2.

Предлагаемый способ реализуется следующим образом.

Преобразователь 1 выполняет гетеродинирование принимаемого зондирующего ЛЧМ сигнала u_з(t) и предварительную фильтрацию в диапазоне частот от -ΔF_пр/2 до ΔF_пр/2. При этом напряжение $$u_{пр}^{\text{'}}\left(t\right)$$ после гетеродинирования формируется по следующему закону:

$$u_{пр}^{\text{'}}\left(t\right)=\{\begin{array}{l}{u}_{з}\left(t\right)\cdot u_{г}\left(t\right)приt_{нг}\le t\le t_{нг}+{Т}_{г}\\ 0приt<t_{нг}илиt>t_{нг}+T_{г}^{,}\end{array}\left(1\right)$$

где $$u_{г}\left(t\right)=U_{г}\exp \left(-j2\pi \left(f_{нг}\left(t-t_{нг}\right)+\frac{{\beta }_{г}}{2}{\left(t-t_{нг}\right)}^2\right)\right)$$ - напряжение, формируемое гетеродином преобразователя 1;

U_г - амплитуда напряжения на выходе гетеродина преобразователя 1;

$$T_{г}=\frac{f_{кг}-f_{нг}}{{\beta }_{г}}=t_{кг}-t_{нг}$$ - длительность работы гетеродина в рамках одного сеанса зондирования;

f_нг - начальная рабочая частота гетеродина преобразователя 1;

t_нг - начальный момент времени гетеродина преобразователя 1;

f_кг - конечная рабочая частота гетеродина преобразователя 1;

t_кг - конечный момент времени гетеродина преобразователя 1;

β_г - скорость изменения рабочей частоты гетеродина преобразователя 1.

Фильтр разностной частоты 2 имеет частотную характеристику (ЧХ) H_фр(f) и выполняет полосовую фильтрацию в диапазоне частот от -ΔF_фр/2 до ΔF_фр/2. По выходному сигналу u_фр(t) вычисляется БПФ3. Вычисление БПФ производится с частотой F_д дискретизации на длине N_бпф, удовлетворяющей неравенству N_бпф≥J (где J - число рабочих отсчетов БПФ) (см. фиг.1) и с использованием скользящего окна, имеющего ЧХ H_бПф(f).

Кроме того, выходной сигнал u_пр(t) преобразователя подвергается фильтрации с помощью фильтра помехи 4, имеющего ЧХ H_фп(t), формирующего выходной сигнал u_п(t) в виде импульса напряжения длительностью Т_п и амплитудой U_п.

Например, в качестве фильтра помехи 4 может быть использоваться фильтр, имеющий ЧХ избирательного контура [3] или согласованного фильтра для радиоимпульса с частотно-модулированным заполнением [4]. В последнем случае можно считать, что длительность Т_п≈1/(ΔF_пр/2-(-ΔF_пр/2))=1/ΔF_пр и амплитуда $$U_{п}\approx U_{в{х}_{п}}{U}_{г}\frac{\Delta F_{пр}}{\sqrt{{\beta }_{г}}}$$ (где U_{п вх} - амплитуда узкополосной помехи на входе приемника) [4].

Устройство выравнивания 5 представляет собой набор J параллельных линий задержки и обеспечивает совмещение по времени отсчетов u_бпф0(t), …, u_бпфJ-1(t) БПФ и отсчетов u_п(t), полученных в результате обработки одного и того же отсчета u_пр(t) с выхода преобразователя 1.

Далее, отсчеты $$u_{бпф0}^{\text{'}}\left(t\right),\dots ,u_{бпфJ-1}^{\text{'}}\left(t\right)$$ с выходов устройства выравнивания 5 и отсчеты u_п(t) с выхода фильтра помехи 4 поступают на входы устройства оценивания 6. Применительно к связному сигналу, имеющему спектральную плотность S_c0(f) на нулевой центральной частоте при амплитуде, равной 1 B, устройство оценивания 6 формирует выходные отсчеты $$h_k^2$$ (при k=0, …, J-1) оценки отношения сигнал/шум. Для сигнала, имеющего задержку τ_k распространения (где $${\tau }_k=\left(t_{нг}-t_{нз}\right)-\frac{k{F}_{д}}{{\beta }_{г}{N}_{бпф}}$$ ; t_нз - начальное время передатчика, излучающего зондирующий сигнал с ЛЧМ), оценка $$h_k^2\left(f\right)$$ вычисляется по следующему правилу:

$$h_k^2\left(f_a\right)=\frac{K_{прд}}{2{\displaystyle \sum _{m-0}^{N_c-1}{S}_{c0}^2\left(f_m-f_a\right)}}\frac{{\displaystyle \sum _{m=0}^{N_c-1}\frac{S_{c0}^2\left(f_m-f_a\right)}{S_{з}^2\left(f_m\right)}{S}_{прм}{}_{зk}^2\left(f_m\right)}}{P_{п}\left(f_a\right)},\left(2\right)$$

где f_a=f_нг+β_Г(t-t_нг) - частота анализа (центральная частота, для которой оценивается отношение сигнал/помеха);

t - момент времени получения отсчетов БПФ;

К_прд=Р_{прд с}/P_{прд з};

Р_{прд с} - мощность передатчика, излучающего связной сигнал;

P_{прд з} - мощность передатчика, излучающего зондирующий сигнал с ЛЧМ;

$$S_{c0}^2\left(f\right)$$ - модуль энергетического спектра излучаемого связного сигнала со спектральной плотностью S_c0(f) на нулевой центральной частоте и при амплитуде, равной 1 B;

$$S_{з}^2\left(f\right)$$ - модуль энергетического спектра излучаемого зондирующего сигнала со спектральной плотностью S_з(f) при амплитуде, равной 1 B;

$$S_{прмзk}^2\left(f\right)$$ - модуль энергетического спектра принимаемого зондирующего сигнала, соответствующий задержке τ_k распространения;

N_c - количество составляющих в спектре S_c0(f) излучаемого связного сигнала, занимающего полосу частот шириной ΔF_C;

f_m - частота m-ой составляющей в спектре S_c0(f) излучаемого связного сигнала (здесь f_m∈[f_a-ΔF_c/2; f_a+ΔF_c/2], при m=0, 1, …, N_c-1);

P_п(f_a) - мощность помехи на входе приемника на частоте f_а анализа.

Спектральные характеристики связного S_c0(f) и зондирующего S_з(f) сигналов могут быть вычислены заранее исходя из известных вида модуляции связного сигнала и параметров T_з, Т_г, f_нг, t_нг, β_Г [3] и предварительно табулированы для получения максимального быстродействия вычислительных процедур.

Мощность Р_п помехи на входе приемника на частоте f_а анализа вычисляется в соответствии со следующим выражением:

$$P_{п}\left(f_a\right)=K_{пр}\frac{{\left|u_{п}\left(t_a\right)\right|}^2}{U_{г}^2},\left(3\right)$$

где К_пр - коэффициент пропорциональности, который учитывает особенности преобразователя 1 и фильтра помехи 4 и, в самом простом случае, может быть определен опытным путем;

$$t_a=\frac{f_a-f_{нг}}{{\beta }_{г}}+t_{нг}$$ .

Модуль $$S_{прмзk}^2\left(f\right)$$ энергетического спектра зондирующего сигнала на входе приемника применительно к k-ому выходу вычислителя БПФ 3 определяется следующим соотношением:

$$S_{{}_{пр{м}_{зk}}}^2\left(f_a\right)=\frac{{\left|u_{бп{ф}_k}^{\text{'}}\left(t_a\right)-u_{п}^{\text{'}}\left(t_a\right)\right|}^2}{2{\beta }_{г}{U}_{г}^2}\frac{K_{бпф}}{{\left|H_{фр}\left(\frac{k{F}_{д}}{N_{бпф}}\right)\right|}^2\left|H_{бпф}{\left(0\right)}^2\right|},приk=\mathrm{0,}\dots ,J-\mathrm{1,}\left(4\right)$$

где $$u_{п}^{\text{'}}\left(t_a\right)=K_{п}\sqrt{P_{п}\left(f_a\right)}$$ - приведенное к выходу устройства выравнивания 5 напряжение помехи;

К_п - коэффициент пропорциональности для напряжения помехи, который учитывает особенности фильтра разностной частоты 2 и вычислителя БПФ 3 и, в самом простом случае, может быть определен опытным путем;

К_бпф - коэффициент пропорциональности для зондирующего сигнала, который учитывает особенности фильтра разностной частоты 2 и вычислителя БПФ 3 и, в самом простом случае, может быть определен опытным путем;

$$t_a=\frac{f_a-f_{нг}}{{\beta }_{г}}+t_{нг}$$

Источники информации

1. Патронова Е.С., Свешников Ю.К., Сизиков В.Д., Богданов Г.В. Способ обработки сигналов наклонного ЛЧМ зондирования ионосферы // Техника радиосвязи. - 2007. - Вып.12.

2. 3. №2008138104, G01R 29/26, опубл. 27.03.2010.

3. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. 4.1. - М.: Сов. радио, 1967.

4. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. 4.2. - М.: Сов. радио, 1967.

Изобретение относится к области техники радиосвязи, конкретнее к оцениванию условий радиосвязи по результатам зондирования ионосферы сигналами с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), и может быть использовано для построения технических средств ионосферно-волновой частотно-диспетчерской службы, входящей в состав системы радиосвязи. Задача изобретения в том, чтобы использовать результаты НЗ для оценивания отношения сигнал/шум в канале связи, учитывая особенности применяемого в нем конкретного связного сигнала. Поставленная задача достигается тем, что в способе оценивания отношения сигнал/шум в полосе ΔF_C частот по данным ЛЧМ зондирования ионосферы, заключающемся в излучении передатчиком, имеющем мощность P_{прд з}, непрерывного ЛЧМ сигнала и обработке его в приемнике, с помощью преобразователя осуществляют гетеродинирование принимаемого зондирующего ЛЧМ сигнала и его предварительную фильтрацию в диапазоне частот от -ΔF_пр/2 до ΔF_пр/2, с помощью фильтра разностной частоты выполняют фильтрацию в диапазоне частот от -ΔF_фр/2, до ΔF_фр/2, вычисляют быстрое преобразование Фурье (БПФ), дополнительно с помощью фильтра помехи выходной сигнал преобразователя подвергают фильтрации, с помощью устройства выравнивания выходные отсчеты фильтра разностной частоты совмещают по времени с выходными отсчетами фильтра помехи, а затем отсчеты с выходов устройства выравнивания и фильтра помехи подают на входы устройства оценивания и в нем вычисляют оценку отношения сигнал/шум для частоты f_a анализа и k-го выхода БПФ по формуле

$$h_k^2\left(f_a\right)=\frac{K_{прд}}{2{\displaystyle \sum _{m-0}^{N_c-1}{S}_{c0}^2\left(f_m-f_a\right)}}\frac{{\displaystyle \sum _{m=0}^{N_c-1}\frac{S_{c0}^2\left(f_m-f_a\right)}{S_{з}^2\left(f_m\right)}{S}_{прм}{}_{зk}^2\left(f_m\right)}}{P_{п}\left(f_a\right)},$$ где K_{прд с}/P_{прд з}; P_{прд с} - мощность передатчика, излучающего связной сигнал; $$S_{c0}^2\left(f\right)$$ - модуль энергетического спектра излучаемого связного сигнала; $$S_{з}^2\left(f\right)$$ - модуль энергетического спектра излучаемого зондирующего сигнала; $$S_{прмзk}^2\left(f\right)$$ - модуль энергетического спектра принимаемого зондирующего сигнала, вычисляемый по k-ому выходу вычислителя БПФ; N_c - количество составляющих в спектре излучаемого связного сигнала; f_m - частота m-ой составляющей в спектре излучаемого связного сигнала; P_п(f) - мощность помехи на входе приемника, вычисляемая по выходному напряжению фильтра помехи. Достигаемым техническим результатом является то, что в процессе оценивания отношения сигнал/шум учитываются индивидуальные признаки канала связи в виде характеристик применяемого связного сигнала и тем самым повышается достоверность получаемой оценки. 2 ил.

Способ оценивания отношения сигнал/шум в полосе ΔF_C частот по данным ЛЧМ зондирования ионосферы, заключающийся в излучении передатчиком, имеющем мощность Р_{прд з}, непрерывного ЛЧМ сигнала и обработке его в приемнике, отличающийся тем, что с помощью преобразователя осуществляют гетеродинирование принимаемого зондирующего ЛЧМ-сигнала и его предварительную фильтрацию в диапазоне частот от -ΔF_пр/2 до ΔF_пр/2, с помощью фильтра разностной частоты выполняют фильтрацию в диапазоне частот от -ΔF_фр/2 до ΔF_фр/2, вычисляют быстрое преобразование Фурье (БПФ), дополнительно с помощью фильтра помехи выходной сигнал преобразователя подвергают фильтрации, с помощью устройства выравнивания выходные отсчеты фильтра разностной частоты совмещают по времени с выходными отсчетами фильтра помехи, а затем отсчеты с выходов устройства выравнивания и фильтра помехи подают на входы устройства оценивания и в нем вычисляют оценку отношения сигнал/шум для частоты f_a анализа и k-го выхода БПФ по формуле $$h_k^2\left(f_a\right)=\frac{K_{прд}}{2{\displaystyle \sum _{m=0}^{N_c-1}{S}_{c0}^2\left(f_m-f_a\right)}}\frac{{\displaystyle \sum _{m=0}^{N_c-1}\frac{S_{c0}^2\left(f_m-f_a\right)}{S_{з}^2\left(f_m\right)}{S}_{прм}{}_{зk}^2\left(f_m\right)}}{P_{п}\left(f_a\right)},$$
где K_прд=P_{прд с}/P_{прд з}; P_{прд с} - мощность передатчика, излучающего связной сигнал; $$S_{c0}^2\left(f\right)$$ - модуль энергетического спектра излучаемого связного сигнала; $$S_{з}^2\left(f\right)$$ - модуль энергетического спектра излучаемого зондирующего сигнала; $$S_{прмзk}^2\left(f\right)$$ - модуль энергетического спектра принимаемого зондирующего сигнала, вычисляемый по k-ому выходу вычислителя БПФ; N_c - количество составляющих в спектре излучаемого связного сигнала; f_m - частота m-ой составляющей в спектре излучаемого связного сигнала; Р_п(f) - мощность помехи на входе приемника, вычисляемая по выходному напряжению фильтра помехи.