УСТРОЙСТВО И СПОСОБ КОМПЕНСАЦИИ УЗКОПОЛОСНЫХ ПОМЕХ В ЦИФРОВЫХ РАДИОСИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ Российский патент 2015 года по МПК H04B1/10 

Изобретение относится к технике радиосвязи и может быть использовано для повышения помехоустойчивости приема двоичных цифровых сигналов в результате компенсации ансамбля узкополосных помех, полоса Δf_П каждой из которых и полоса Δf_С полезного сигнала удовлетворяют условию $$\frac{\Delta f_{П}}{\Delta f_{С}}<<1$$ .

Среди различных методов подавления узкополосных помех, отличающихся степенью сложности реализации, значительное внимание уделяется методу адаптивной компенсации помех, использующему пространственные, поляризационные, частотные и временные отличия сигнала и помех, позволяющие выделить компенсирующее напряжение помех и исключить полезный сигнал. Эффективность алгоритмов компенсации во многом определяется характеристиками радиоканала. В большинстве случаев адаптивные компенсаторы, отличающиеся высокой сложностью, реализуются совместно с адаптивными антенными фазированными решетками, и реализуют пространственную режекцию помех.

Известны патенты, посвященные описанию алгоритмов компенсации узкополосных помех. Патенты РФ H04B 1/10 302836, РФ H04B 1/10 718934, РФ H04B 1/10 743209 описывают схемы компенсации помех, использующих пространственные отличия сигнала и помехи, которые реализуются в специальных антенных системах. Значительное число патентов РФ Н04В 1/10 2329599, РФ H04B 1/10 479260, РФ H04B 1/10 720730, РФ H04B 1/10 930697 описывают различные алгоритмы реализации “обеляющих” фильтров, применение которых дает устойчивый положительный эффект только в случае передачи информационных импульсов путем модуляции периодического псевдошумового сигнала (ПШС), база которого B>>1. Тактовая частота f_T ПШС, освоенных промышленностью, в настоящие время ограничена, и при увеличении скорости передачи информации и соответствующем уменьшении длительности информационных импульсов τ база сигнала В=f_Tτ будет удовлетворять условию B→1 и применение ПШС нецелесообразно. Применение “обеляющего” фильтра при передаче только высокоскоростного сигнала информации сопровождается недопустимыми искажениями формы сигнала при воздействии нескольких узкополосных помех, что делает невозможным применение “обелителя”.

Наиболее близким техническим решением является устройство компенсации помех а.с. СССР №743209, H04B 1/10 “Адаптивный компенсатор радиопомех” (прототип), в котором для компенсации сигнала одной гармонической помехи используется трех канальная схема. Два канала используются для обработки суммы сигнала и помехи, в результате которой на выходе одного канала выделяется полезный сигнал, на выходе другого канала сигнал помехи. В отдельном третьем канале обработки сигнала помехи обеспечивается формирование с помощью ФАП высокоточных оценок параметров сигнала помехи, что позволяет сформировать с высокой точностью компенсирующий сигнал помехи без влияния информационного сигнала. К недостаткам устройства следует отнести наличие третьего канала, на входе которого действует только сигнал помехи, из которого в дальнейшем путем узкополосной фильтрации формируется компенсирующее напряжение. Реализация отдельного канала с помехой, совпадающей по своим параметрам с помехой на входе двух других каналов, не уточняется и в большинстве случаев на практике не выполняется.

Устройство обеспечивает компенсацию только одной помехи. При воздействии ансамбля помех потребуется соответствующее число схем ФАПЧ, настроенных на частоты помех. Компенсация окажется неэффективной, если вместо гармонической помехи на вход воздействует узкополосный шумовой сигнал.

Близким к прототипу является патент RU 2456743, H04B 1/10, в котором компенсация помехи осуществляется путем формирования взвешивающей функции подавления с помощью обеляющего фильтра. Результаты моделирования алгоритмов обработки свидетельствуют о высокой степени подавления и значительном повышении помехоустойчивости при воздействии одной помехи в полосе сигнала. Однако известно, что при удалении ~10% основного лепестка спектра полезного сигнала, наблюдаемого при удалении обеляющим фильтром нескольких узкополосных помех, качество приема значительно снижается вследствие искажения спектра сигнала. Аналогичный эффект наблюдается и при воздействии широкополосной помехи.

Приведенные в патенте результаты моделирования воздействия широкополосной помехи справедливы только для рассмотренного частного случая действия максимума мощности помехи в боковом лепестке спектра полезного сигнала. Как правило, такая помеха отфильтровывает УПЧ и не оказывает существенного влияния на качество приема.

Целью заявленного изобретения является компенсация сигналов узкополосных помех в смеси поступающего на вход приемника полезного сигнала и сигнала помех путем вычитания компенсирующего сигнала помех, сформированного в специальном канале приемника в результате отличий частоты и фазы несущего колебания полезного сигнала, и несущих колебаний сигналов помех. При этом обеспечивается компенсация ансамбля неперекрывающихся по спектру узкополосных помех, принимаемых совместно с цифровым ФМ сигналом, спектр которого в процессе компенсации не изменяется, что принципиально отличает предлагаемое устройство от обеляющего фильтра.

Достигаемый технический результат - компенсация ансамбля узкополосных помех, действующих на входе приемника совместно с белым шумом и информационным сигналом, передаваемым методом фазовой манипуляции несущего колебания.

Заявленный технический результат достигается тем, что в устройство компенсации узкополосных помех, содержащее два канала приема, каждый из которых состоит из фазового детектора и узкополосного фильтра нижних частот, согласно заявляемому изобретению, введены фазовращатель на 90°, первое и второе вычитающие устройства, сумматор, генератор гармонических ортогональных сигналов, цифровой обеляющий фильтр, включающий спектроанализатор на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ), блок обнаружения помех, измерения их частот и полосы, запоминающее устройство, блок перестраиваемых режекторных фильтров; выход усилителя промежуточной частоты (УПЧ) подключен к первым входам первого и второго фазового детектора, а выходы фазовых детекторов подключены соответственно ко входам первого и второго фильтров нижних частот, кроме того, второй вход первого фазового детектора соединен с первым выходом генератора гармонических ортогональных сигналов, второй вход второго фазового детектора связан со вторым выходом генератора гармонических ортогональных сигналов, выход первого фильтра нижних частот подключен к первому входу первого вычитающего устройства и к первому входу сумматора, а выход второго фильтра нижних частот через фазовращатель на 90° подключен ко второму входу первого вычитающего устройства и ко второму входу сумматора, выход первого вычитающего устройства через аналого-цифровой преобразователь подключен ко входу цифрового спектроанализатора, выход которого подключен к блоку обнаружения сигналов узкополосных помех, измерения их частоты и полосы, которое подключается к запоминающему устройству, выход которого соединен со входом блока перестраиваемых режекторных фильтров, второй вход блока перестраиваемых режекторных фильтров через аналого-цифровой преобразователь связан с выходом фазовращателя, а выход блока перестраиваемых режекторных фильтров через цифроаналоговый преобразователь подключен к первому входу второго вычитающего устройства, второй вход которого соединен с выходом сумматора.

Согласно заявляемому изобретению, в способе компенсации узкополосных помех, в приемнике радиосигнала, при реализации которого принимаемый радиосигнал с квадратурной модуляцией обрабатывается в двух каналах таким образом, что сигнал в первом канале умножается на гармоническое колебание ортогональное колебанию, на которое умножается сигнал во втором канале, в результате чего на выходе первого канала выделяется информационный сигнал и сигнал узкополосных помех, а на выходе второго канала выделяется только сигнал узкополосных помех, смещенный по фазе на 90° относительно сигнала помех первого канала, отстоящих по частоте слева и справа от частоты несущей полезного сигнала, при этом сигнал помех, которые отстоят по частоте справа от несущей частоты полезного сигнала имеют относительно соответствующих помех первого канала дополнительный сдвиг по фазе на 180°, поворачивают фазу сигналов помех на 90°, обеспечивая совпадение по фазе с сигналами помех первого канала, вычитают полученный сигнал из сигнала первого канала, в результате выделяют полезный сигнал и сигнал помех, отстоящих справа от несущей частоты сигнала, суммируют сигнал первого канала с сигналом помех второго канала, совпадающими по фазе с сигналами первого канала, в результате выделяют полезный сигнал и сигнал помех, отстоящих слева от несущей частоты сигнала, измеряют частоты и полосы помех полезного сигнала и сигнал помех, отстоящих справа от несущей частоты сигнала, на основании измерений в цифровом обеляющем фильтре формируют режекторные фильтры, которые удаляют в сигнале помех второго канала помехи, отстоящие справа от несущей и пропускают сигналы помех, отстоящие слева от несущей частоты, вычитают полученные помехи из полезного сигнала и сигнала помех, отстоящих слева от несущей частоты сигнала, в результате выделяют полезный сигнал.

Предлагаемое устройство реализует способ компенсации узкополосных помех, действующих во всей полосе приемника совместно с полезным сигналом и естественными помехами. При этом предполагается, что при передаче используется квадратурная фазовая модуляция, по одному квадратурному каналу которой передается высокоскоростная информация, а по другому квадратурному каналу передается псевдошумовой сигнал (ПШС), тактовая частота которого равна тактовой частоте информационного высокоскоростного сигнала и мощность Р_ПШС которого значительно меньше $$\frac{P{}_{ПШС}}{P{}_C}<<1$$ мощности высокоскоростного информационного сигнала P_С. Как правило, ПШС модулируется импульсами низкоскоростной информации. Применение ПШС с большой базой позволяет уменьшить мощность узкополосных помех в базу раз в результате их разрушения при перемножении с опорным ПШС в канале синхронизации по несущей. Дополнительное уменьшение мощности помех обеспечивается узкополосной схемой ФАП в составе схемы синхронизации.

Технический эффект возникает при квадратурной обработке входного сигнала, формирующей два канала, в одном из которых выделяются помехи и ПШС с малой мощностью, и проявляется в компенсации узкополосных помех путем вычитания сигнала помех и ПШС одного канала из сигнала другого канала, содержащего помехи и полезный сигнал. Формирование квадратурных каналов осуществляется схемой синхронизации по несущей полезного сигнала, обеспечивающей генерацию опорных сигналов с требуемой точностью. Влиянием ПШС можно пренебречь вследствие его малости P_С>>P_ПШС.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежом, представленным на фиг. 1. Устройство компенсации (фиг. 1) содержит следующие элементы: усилитель промежуточной частоты (УПЧ) (1), фазовые детекторы 1, 2 (2, 3), генератор гармонических ортогональных сигналов (4), фильтры нижних частот (5, 6), фазовращатель на 90° (8), вычитающее устройство 1 (7), сумматор (9), аналого-цифровой преобразователь (10), обеляющий фильтр, включающий спектроанализатор на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ) (11), обнаружитель узкополосных помех и измеритель их частот (12), запоминающее устройство (13), блок перестраиваемых режекторных фильтров (14), АЦП (15), цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) (16), вычитающее устройство 2 (17).

Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Информационный сигнал в виде высокочастотного гармонического колебания, промодулированного по фазе на 180° двоичными сигналами кодовых комбинаций вместе с помехами через УПЧ (1) поступает на вход фазовых детекторов 1, 2 (2) и (3). На второй вход фазового детектора (2) первого канала с выхода генератора ортогональных сигналов (4) схемы синхронизации несущей поступает гармонический сигнал, совпадающий по частоте и фазе с несущим колебанием принимаемого информационного сигнала. На второй вход фазового детектора (3) второго канала со второго выхода генератора ортогональных сигналов (4) подается гармонический сигнал, смещенный по фазе на 90° относительно сигнала, подаваемого на фазовый детектор (2). На выходе фильтра нижних частот первого канала (5) формируется информационный видеосигнал и преобразованные на разностную частоту сигналы помех. На выходе фильтра нижних частот второго канала(6) формируется только преобразованный сигнал помех, смещенный относительно сигнала помех на выходе фильтра (5) по фазе на 90°, в котором преобразованные сигналы помех, расположенные справа от несущего колебания имеют отрицательный знак. Фазовращатель (8) поворачивает фазу сигналов помех на 90°, обеспечивая совпадение по фазе с сигналами помех правого канала. На выходе вычитающего устройства 1 (7) формируется полезный сигнал и преобразованные сигналы помех, расположенные справа от несущего колебания. На выходе сумматора (9) формируется полезный сигнал и преобразованные сигналы помех, расположенные слева от несущего колебания. Сигнал с выхода вычитающего устройства через аналого-цифровой преобразователь (10) в цифровой форме подается на вход спектроанализатора (11) обеляющего фильтра. На выходе спектроанализатора, выполненного в цифровой форме на основе быстрого преобразования Фурье, формируется во временной области спектр совокупности информационного сигнала и сигналов помех. В результате анализа спектра в устройстве (12) осуществляется обнаружение помех, измерение их центральных частот и полос. На основании измерений в блоке режекторных фильтров (14) формируются режекторные фильтры, коэффициенты которых, определяющие форму частотных характеристик, предварительно записаны в запоминающем устройстве (13). Перестраиваемые режекторные фильтры (14) многократно ослабляют преобразованные в АЦП (15) сигналы помех на выходе фазовращателя (8), расположенные справа от несущего колебания. Оставшиеся сигналы помех, расположенные слева от несущего колебания, проходят цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) (16) и компенсируют в вычитающем устройстве 2 (17) сигналы помех в сигнале, на выходе сумматора (9). В результате компенсации на выходе (17) выделяется только полезный сигнал, фоне белого шума.

Обработка сигнала в предлагаемом устройстве может осуществляться в аналоговой и цифровой форме и включает следующие преобразования.

На вход поступает сигнал $$U(t)=U{}_{C}cos(\omega {}_{C}t+\phi {}_C+\phi {}_i)+{\displaystyle \sum _{i}U}{}_{Пi}cos(\omega {}_{Пi}+\phi {}_{Пi})+U{}_{Ш}(t)$$ , включающий полезный ФМ сигнал U_C(t)=A_Ccos(ω_Ct+φ_C+φ_i), где φ_i - информационный параметр, принимающий значения 0; 180°, А_C, ω_C, φ_C - амплитуда, частота и фаза полезного сигнала соответственно; сигналы узкополосных помех U_Пi=А_Пi cos(ω_Пit₊φ_Пi), где А_Пi, ω_Пi и φ_Пi - амплитуда, частота и фаза сигнала помехи и белый шум. В дальнейшем для простоты считаем, что действуют две узкополосные помехи, частота одной из которых расположена справа ω_п1>ω_С от несущего колебания, а частота второй расположена слева от несущего колебания ω_п2<ω_С. Информационный сигнал U_C(t) формируется в результате квадратурной модуляции двух гармонических ортогональных сигналов. В канале передается полезный информационный сигнал мощностью Р_C, во втором канале передается ПШС мощностью P_ПШС<<P_С. Сигнал с выхода УПЧ (1) поступает на два фазовых детектора (2) и (3) на вторые входы которых подаются гармонические ортогональные сигналы, формируемые генератором ортогональных сигналов схемы синхронизации по несущей.

На выходе фильтра нижних частот 1 (5) в результате умножения входного сигнала на сигнал генератора (4) U_ОП1(t)=Acos(ω_Сt+φ_С) и последующей фильтрации формируемого сигнала

$$U{}_{ВЫХ1}=\frac{AA{}_{С}}{2}\cos (\phi {}_i)+os(\Delta \omega {}_{П1}t+\phi {}_{П1}-\phi {}_{С})+\frac{AA{}_{П2}}{2}\cos (\Delta \omega {}_{П2}t+\phi {}_{С}-\phi {}_{П2}$$

где $$\cos \phi {}_i=\{{}^1{}_{-1},\Delta \omega {}_{П1}=\omega {}_{П1}-\omega {}_{С},\Delta \omega {}_{П2}=\omega {}_{С}-\omega {}_{П2}.$$

На выходе фильтра нижних частот (6) в результате умножения входного сигнала на ортогональный сигнал генератора (4) U_ОП2(t)=Asin(ω_Сt+φ_С) и последующей фильтрации формируется сигнал

$$U{}_{ВЫХ2}=\frac{AA{}_{ПШС}}{2}-\frac{AA{}_{П1}}{2}\sin (\Delta \omega {}_{П1}t+\phi {}_{П1}-\phi {}_{С})+\frac{AA{}_{П2}}{2}\sin (\Delta \omega {}_{П2}t-\phi {}_{П2}+\phi {}_C),$$

где $$\frac{AA{}_{ПШС}}{2}$$ - псевдошумовой видеосигнал, который можно не учитывать вследствие его малости по сравнению с информационным сигналом P_ПШС<<P_С.

На выходе вычитающего устройства (7) после смещения фазы сигнала помех на 90° в фазовращателе (8) формируется сигнал

U_-(t)=U_СИ(t)+AA_П1cos(Δω_П1t+φ_П1-φ_С),

включающий информационный сигнал $$U{}_{СИ}(t)=\pm \frac{AA{}_{С}}{2}$$ и сигналы всех узкополосных помех, для которых ω_Пi<ω_С.

На выходе сумматора (9) формируется сигнал

U₊(t)=U_СИ(t)+AA_П2cos(Δω_П2t+φ_С-φ_П2),

включающий информационный сигнал и сигналы всех помех, для которых ω_Пi<ω_С.

Сигнал U_-(t) с выхода вычитающего устройства (7) через АЦП (10) поступает в спектроанализатор (11), выполненный в цифровой форме на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ), в результате которого формируется развертка во времени спектра сигнала и помех, которые превосходят составляющие сигнала. Обнаружитель помех (12) обнаруживает помехи по превышению над составляющими сигнала и измеряет их частоту по положению в спектре. На основании результатов измерений запоминающее устройство (13) формирует режекторные фильтры с записанными в его памяти параметрами.

Сформированные режекторные фильтры (14) удаляют сигналы помех, расположенные справа от несущего колебания, из суммарного сигнала помех, снимаемого с выхода АЦП (15). Оставшиеся сигналы помех, расположенные слева от несущего колебания после преобразования в ЦАП (16) вычитаются в вычитающем устройстве (17) из сигнала U₊(t), сформированного в сумматоре (9). В результате компенсации помех выделяется полезный сигнал вместе с шумом.

Изобретение относится к технике радиосвязи и может быть для использовано для компенсации узкополосных помех. Технический результат - повышение помехоустойчивости приема двоичных цифровых сигналов в результате компенсации ансамбля узкополосных помех, полоса Δf_П каждой из которых и полоса Δf_С полезного сигнала удовлетворяют условию $$\frac{\Delta f_{П}}{\Delta f_{С}}<<1$$ . Компенсация сигналов узкополосных помех в смеси поступающего на вход приемника полезного сигнала и сигнала помех осуществляется путем вычитания компенсирующего сигнала помех, сформированного в специальном канале приемника в результате отличий частоты и фазы несущего колебания полезного сигнала, и несущих колебаний сигналов помех. При этом обеспечивается компенсация ансамбля неперекрывающихся по спектру узкополосных помех, принимаемых совместно с цифровым ФМ сигналом, спектр которого в процессе компенсации не изменяется, что принципиально отличает предлагаемое устройство от обеляющего фильтра. При этом предполагается, что при передаче используется квадратурная фазовая модуляция, по одному квадратурному каналу которой передается высокоскоростная информация, а по другому квадратурному каналу передается псевдошумовой сигнал (ПШС), тактовая частота которого равна тактовой частоте информационного высокоскоростного сигнала и мощность P_ПШС которого значительно меньше $$\frac{{Р}_{ПШС}}{{Р}_{С}}<<1$$ мощности высокоскоростного информационного сигнала P_С. Применение ПШС с большой базой позволяет уменьшить мощность узкополосных помех в базу раз в результате их разрушения при перемножении с опорным ПШС в канале синхронизации по несущей. Дополнительное уменьшение мощности помех обеспечивается узкополосной схемой ФАП в составе схемы синхронизации. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство компенсации узкополосных помех, содержащее два канала приема, каждый из которых состоит из фазового детектора и узкополосного фильтра нижних частот, отличающееся тем, что в него введены фазовращатель на 90°, первое и второе вычитающие устройства, сумматор, генератор гармонических ортогональных сигналов, цифровой обеляющий фильтр, включающий спектроанализатор на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ), блок обнаружения помех, измерения их частот и полосы, запоминающее устройство, блок перестраиваемых режекторных фильтров; выход усилителя промежуточной частоты (УПЧ) подключен к первым входам первого и второго фазовых детекторов, а выходы фазовых детекторов подключены соответственно ко входам первого и второго фильтров нижних частот, кроме того, второй вход первого фазового детектора соединен с первым выходом генератора гармонических ортогональных сигналов, второй вход второго фазового детектора связан со вторым выходом генератора гармонических ортогональных сигналов, выход первого фильтра нижних частот подключен к первому входу первого вычитающего устройства и к первому входу сумматора, а выход второго фильтра нижних частот через фазовращатель на 90° подключен ко второму входу первого вычитающего устройства и ко второму входу сумматора, выход первого вычитающего устройства через аналого-цифровой преобразователь подключен ко входу цифрового спектроанализатора, выход которого подключен к блоку обнаружения сигналов узкополосных помех, измерения их частоты и полосы, которое подключается к запоминающему устройству, выход которого соединен со входом блока перестраиваемых режекторных фильтров, второй вход блока перестраиваемых режекторных фильтров через аналого-цифровой преобразователь связан с выходом фазовращателя, а выход блока перестраиваемых режекторных фильтров через цифроаналоговый преобразователь подключен к первому входу второго вычитающего устройства, второй вход которого соединен с выходом сумматора.

2. Способ компенсации узкополосных помех в приемнике радиосигнала, при реализации которого принимаемый радиосигнал с квадратурной модуляцией обрабатывается в двух каналах таким образом, что сигнал в первом канале умножается на гармоническое колебание, ортогональное колебанию, на которое умножается сигнал во втором канале, в результате чего на выходе первого канала выделяется информационный сигнал и сигнал узкополосных помех, а на выходе второго канала выделяется только сигнал узкополосных помех, смещенный по фазе на 90° относительно сигнала помех первого канала, отстоящих по частоте слева и справа от частоты несущей полезного сигнала, при этом сигналы помех, которые отстоят по частоте справа от несущей частоты полезного сигнала, имеют относительно соответствующих помех первого канала дополнительный сдвиг по фазе на 180°, поворачивают фазу сигналов помех на 90°, обеспечивая совпадение по фазе с сигналами помех первого канала, вычитают полученный сигнал из сигнала первого канала, в результате выделяют полезный сигнал и сигнал помех, отстоящие справа от несущей частоты сигнала, суммируют сигнал первого канала с сигналом помех второго канала, совпадающими по фазе с сигналами первого канала, в результате выделяют полезный сигнал и сигнал помех, отстоящие слева от несущей частоты сигнала, измеряют частоты и полосы помех полезного сигнала и сигнал помех, отстоящих справа от несущей частоты сигнала, на основании измерений в цифровом обеляющем фильтре формируют режекторные фильтры, которые удаляют в сигнале помех второго канала помехи, отстоящие справа от несущей, и пропускают сигналы помех, отстоящие слева от несущей частоты, вычитают полученные помехи из полезного сигнала и сигнала помех, отстоящих слева от несущей частоты сигнала, в результате выделяют полезный сигнал.