СПОСОБ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ ВЧ ДИАПАЗОНА КАСКАДОМ АДАПТИВНЫХ ФИЛЬТРОВ РАЗЛИЧНОЙ ИНЕРЦИОННОСТИ С ОБЩЕЙ ОБРАТНОЙ СВЯЗЬЮ ПО РЕШЕНИЮ Российский патент 2016 года по МПК H03H21/00 

Изобретение относится к области адаптивной фильтрации, в частности к системам цифровой обработки сигналов, в которых для защиты от искажений сигнала в канале связи применяются адаптивные антенные системы (ААС). Оно может быть использовано в системах приема радиосигналов высокочастотного (ВЧ) диапазона с целью решения задачи повышения качества обработки сигналов.

Известен способ обработки радиосигнала, в котором используется широкополосная адаптивная антенная система [1]. В условиях нестационарной сигнально-помеховой обстановки (СПО) данный способ не обеспечивает достаточное подавление МСИ и достаточное качество приема сигнала. В мобильных системах связи с временным разделением (TDMA) известен способ совместной обработки сигналов с использованием последовательно включенной широкополосной ААС с регенератором принятого сигнала на основе алгоритма наименьших квадратов (МНК) с выходом на декодер Витерби в диапазоне 3-10 ГГц [3]. Недостатками способа являются: низкая скорость сходимости МНК алгоритма; плохое подавление МСИ в условиях нестационарной СПО ВЧ диапазона; система приема с оценкой эталона, на основе решений с выхода декодера Витерби, для передач с большими кадрами перемежения, как в ВЧ диапазоне, является сложно реализуемой задачей. Способы [4, 7], также не лишены недостатков.

Исходя из изложенного, наиболее близким аналогом предлагаемого способа можно выбрать широкополосную адаптивную антенную систему (ШААС) [1].

Известные способы не в полной мере учитывают особенности СПО ВЧ диапазона и не обеспечивают решение задачи защиты от искажений сигнала в канале связи и воздействия шумов, что создает трудности при их непосредственном применении. В дополнении к сказанному, общим недостатком всех описанных способов является неполнота раскрытия информации о параметрах дополнительных фильтров и применяемых алгоритмах.

При использовании дополнительных управляющих связей и возможности регулировки инерционности каскадов с увязкой на общее решение, предлагаемая модернизация ШААС позволила получить новые свойства и параметры адаптивной антенной системы, повысить качество обработки сигналов за счет снижения влияния помех и шумов.

Для достижения цели предложен способ обработки сигналов (фиг. 1) заключающийся в том, что сигнал обрабатывают широкополосной адаптивной антенной системой (ШААС), функционирующей по алгоритму Винера и критерию минимума среднего квадрата ошибки (МСКО), отличающийся тем, что выходной сигнал y(k) с ШААС, которую используют в качестве первого каскада, обрабатывают дополнительным адаптивным фильтром, который используют в качестве второго каскада, управляемым алгоритмом Калмана, общим сигналом оценки эталона для ШААС и дополнительного адаптивного фильтра и сигналом ошибки e₂(k) для дополнительного адаптивного фильтра, формируемым разностью между упомянутым общим сигналом оценки эталона и выходным сигналом с дополнительного адаптивного фильтра, поступающим на схему принятия решения, которая вырабатывает упомянутый общий сигнал оценки эталона , обеспечивающий объединяющую управляющую связь между ШААС и дополнительным адаптивным фильтром, при этом размер L_II скользящего окна упомянутого алгоритма Калмана меньше размера L_I скользящего окна алгоритма Винера, управляемого упомянутым общим сигналом оценки эталона и сигналом ошибки e₁(k) для ШААС, формируемым разностью между упомянутым общим сигналом оценки эталона и выходным сигналом y(k) с ШААС, т.е. L_II<L_I, обеспечивая этим условия различной инерционности первого и второго каскадов; а сигналы ошибки e₁(k) и e₂(k) для ШААС и дополнительного адаптивного фильтра различны.

В качестве первого каскада системы адаптивной обработки используют широкополосную адаптивную антенную систему, которая функционирует по алгоритму Винера и критерию МСКО, а в качестве второго каскада - дополнительный адаптивный фильтр. В предлагаемом способе дополнительный адаптивный фильтр должен иметь нерекурсивную структуру и управляться рекурсивным алгоритмом наименьших квадратов (РНК) (фиг. 2).

Сочетание рекурсивного алгоритма наименьших квадратов [2] и нерекурсивной структуры фильтра позволяет добиться устойчивости в реализации второго узла, при этом наличие предшествующего фильтра облегчает нагрузку на адаптивный процессор второго узла и наоборот: второй узел облегчает задачу фильтрации первого узла. Таким образом, задача обработки как бы распределяется между двумя фильтрами за счет их взаимодействия по управлению.

Для достижения повышения качества обработки сигналов размер L_II скользящего окна упомянутого алгоритма Калмана должен быть меньше размера L_I скользящего окна упомянутого алгоритма Винера, т.е. L_II<L_I, обеспечивая этим условия различной инерционности первого и второго каскадов.

Предлагаемый способ позволяет решить задачу повышения качества обработки радиосигналов ВЧ диапазона, по сравнению с наиболее близким известным способом построения широкополосной адаптивной антенной системы [1].

Изобретение поясняется чертежами (фиг. 1-2), на которых изображены структурная и функциональная схемы устройства обработки сигналов при помощи модифицированной ШААС с дополнительным адаптивным фильтром.

Предлагаемый способ обработки сигналов ВЧ диапазона (фиг. 2) предполагает: АЭ₁-АЭ_N - массив антенных элементов, блок 1 - диаграммообразующее устройство на линиях задержек, блок 4 - адаптивный процессор Винера, блок 2 - дополнительный адаптивный фильтр, блок 6 - адаптивный процессор Калмана, блок 3 - схема принятия решений, блок 5 и блок 7 - реализуют вычитание сигналов,

Массив антенных элементов предназначен для приема радиосигналов ВЧ диапазона. ШААС предназначена для совместного решения задач компенсации МСИ, снижения влияния помех, борьбы с многолучевостью, при этом эффективность решения существенно зависит от числа степеней свободы ШААС.

Приведем обозначения, применяемые на фиг. 1:

y(k) - выходной сигнал с широкополосной адаптивной антенной системы.

- выходной сигнал с дополнительного адаптивного фильтра.

- общий сигнал оценки эталона, вырабатываемый схемой принятия решения.

- оценка вектора оптимальных коэффициентов широкополосной ААС, в i-й момент времени. ВВК имеет блочную структуру в соответствии со структурой широкополосной ААС.

- оценка вектора оптимальных коэффициентов дополнительного адаптивного фильтра канальных искажений в k-й момент времени.

- вектор отсчетов сигналов в линиях задержки широкополосной ААС.

- вектор отсчетов сигнала в линии задержки дополнительного адаптивного фильтра.

L_I - размер скользящего окна алгоритма Винера.

L_II - размер скользящего окна алгоритма Калмана (РНК - рекурсивный алгоритм наименьших квадратов).

e₁(k) - сигнал ошибки для дополнительного адаптивного фильтра.

e₂(k) - сигнал ошибки для ШААС.

Блок 1 предназначен для формирования адаптивной диаграммы направленности в направлении прихода полезного сигнала и когерентного сложения лучей. Длина линии задержки может быть разной.

Блок 4 осуществляет расчет вектора весовых коэффициентов (ВВК) по алгоритму Винера. В расчете используется процедура оценки выборочной корреляционной матрицы входного сигнала на скользящем окне и решение ур-я Винера-Хопфа посредством решения системы линейных уравнений. Размер L_I скользящего окна алгоритма Винера выбирается эмпирически.

Уравнение Винера-Хопфа имеет вид:

В каждый дискретный i - момент времени имеем:

где j - номер канала; i - номер дискретного временного отсчета; L_I - размер скользящего окна алгоритма Винера или интервал стационарности; L - длина линии задержки адаптивного фильтра; N - число ветвей ШААС; «+» - эрмитово сопряжение; - вектор корреляции комплексного сигнала с оценкой комплексного эталона; - оценка выборочной корреляционной матрицы (ВКМ) входного комплексного сигнала, на скользящем окне. Размер скользящего окна меняется в зависимости от СПО; - вектор отсчетов сигналов в линиях задержки широкополосной ААС. - оценка оптимального ВВК линейного фильтра, рассчитывается по критерию минимума среднеквадратической ошибки (МСКО).

Дополнительный адаптивный фильтр осуществляет обработку выходного сигнала y(k) с широкополосной ААС по критерию МСКО, но может работать и на основании другого критерия [8]. Важно, что широкополосная ААС и дополнительный адаптивный фильтр работают по общему сигналу оценки эталона , это обеспечивает согласованность минимизации мультимодальной целевой функции.

Блок 5 и 7 предназначены для получения: сигнала ошибки e₁(k) для широкополосной ААС формированием разности между общим сигналом оценки эталона для ШААС и дополнительного адаптивного фильтра и выходным сигналом y(k); сигнала ошибки e₂(k) для дополнительного адаптивного фильтра формированием разности между упомянутым общим сигналом оценки эталона для ШААС и дополнительного адаптивного фильтра и выходным сигналом с дополнительного адаптивного фильтра.

Возможны и другие комбинации управляющих связей адаптивных фильтров и варианты получения сигналов ошибок e₂(k) для дополнительного адаптивного фильтра и e₁(k) для ШААС (комбинационные ошибки; аддитивные, разностные), но они не обеспечивают достижения технического результата. Параметры алгоритмов 4-го и 6-го блоков, а именно размер L_II скользящего окна упомянутого алгоритма Калмана, должен быть меньше размера L_I скользящего окна упомянутого алгоритма Винера.

Блок 2 - линия задержки с отводами, предназначена для коррекции остаточных искажений в сигнале, после обработки в широкополосной ААС. Длина линии задержки может варьироваться.

Блок 6 предназначен для расчета ВВК дополнительного адаптивного фильтра по алгоритму Калмана с размером L_II скользящего окна алгоритма Калмана. Размер скользящего окна может меняться в зависимости от СПО, выбирается так же эмпирически.

Блок 3 предназначен для формирования общего сигнала оценки эталона .

Блок 11 на фигуре 1 представляет собой структурную схему широкополосной ААС на линиях задержек с отводами, блок 12 - структурную схему дополнительного адаптивного фильтра, 13 - схема принятия решений. Реализация описанного способа может быть аппаратной, программной или аппаратно-программной.

Достигаемым техническим результатом является процедура обработки сигналов ВЧ диапазона каскадом адаптивных фильтров различной инерционности с общей обратной связью по решению, повышение качества обработки сигналов за счет снижения влияния помех и шумов.

Литература

1. Уидроу (В. Widrow), Мантей (Р.Е. Mantey), Гриффите (L.J. Griffits) и др.: Адаптивные антенные системы. - ТИИЭР №12, 1967 г.

2. Грант П.М., Коуэн К.Ф.Н., Фридлендер Б., Трейчлер Д.М., Феррара Э.Р., мл., Адамс П.Ф. Адаптивные фильтры: Пер. с англ. / Под ред. К.Ф.Н. Коуэна и П.М. Гранта. - М.: Мир, 1988.

3. Masaaki Fujii, Joint Processing of an Adaptive Array and an MLSE for Frequency-Selective Fading Channels., 0-7803-3925-8/97, IEEE, 1997.

4. Yoshiharu DOI, Takeo OHGANE, Yoshio Karasawa.: ISI and Canceller with preselecting adaptive array and cascaded equalizer in digital mobile radio. IEICE TRANS. COMMUN., VO1. E81-B, NO., 1998.

5. Куреши Ш.У.Х. Адаптивная коррекция // ТИИЭР. - 1985. - т. 73. - №2. - С. 10-13, 14-24.

6. Куреши Ш.У.Х. Адаптивная коррекция // ТИИЭР. - 1985. - т. 73. - №2. - С. 28.

7. Goldsmith A. Wireless communication, Stanford University. 2004 - p. 317-318.

8. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Рэгсдел К. Оптимизация в технике: В 2-ч кн. / Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. - 848 с.

Изобретение относится к области адаптивной фильтрации, в частности к системам цифровой обработки сигналов, в которых для защиты от искажений сигнала в канале связи применяются адаптивные антенные системы. Технический результат заключается в повышении качества обработки сигналов за счет снижения влияния помех и шумов. Сигнал обрабатывают широкополосной адаптивной антенной системой (ШААС), функционирующей по алгоритму Винера и критерию минимума среднего квадрата ошибки (МСКО), при этом выходной сигнал y(k) с ШААС, которую используют в качестве первого каскада, обрабатывают дополнительным адаптивным фильтром, который используют в качестве второго каскада, управляемым алгоритмом Калмана, общим сигналом оценки эталона для ШААС и дополнительного адаптивного фильтра и сигналом ошибки e₂(k) для дополнительного адаптивного фильтра, формируемым разностью между общим сигналом оценки эталона и выходным сигналом с дополнительного адаптивного фильтра, поступающим на схему принятия решения, которая вырабатывает общий сигнал оценки эталона , обеспечивающий объединяющую управляющую связь между ШААС и дополнительным адаптивным фильтром, при этом размер L_II скользящего окна алгоритма Калмана меньше размера L_I скользящего окна алгоритма Винера, управляемого общим сигналом оценки эталона и сигналом ошибки e₁(k) для ШААС, формируемым разностью между общим сигналом оценки эталона и выходным сигналом y(k) с ШААС. 2 ил.

Способ обработки сигналов, заключающийся в том, что сигнал обрабатывают широкополосной адаптивной антенной системой (ШААС), функционирующей по алгоритму Винера и критерию минимума среднего квадрата ошибки (МСКО), отличающийся тем, что выходной сигнал y(k) с ШААС, которую используют в качестве первого каскада, обрабатывают дополнительным адаптивным фильтром, который используют в качестве второго каскада, управляемым алгоритмом Калмана, общим сигналом оценки эталона для ШААС и дополнительного адаптивного фильтра и сигналом ошибки e₂(k) для дополнительного адаптивного фильтра, формируемым разностью между упомянутым общим сигналом оценки эталона и выходным сигналом с дополнительного адаптивного фильтра, поступающим на схему принятия решения, которая вырабатывает упомянутый общий сигнал оценки эталона , обеспечивающий объединяющую управляющую связь между ШААС и дополнительным адаптивным фильтром, при этом размер L_II скользящего окна упомянутого алгоритма Калмана меньше размера L_I скользящего окна алгоритма Винера, управляемого упомянутым общим сигналом оценки эталона и сигналом ошибки e₁(k) для ШААС, формируемым разностью между упомянутым общим сигналом оценки эталона и выходным сигналом y(k) с ШААС, т.е. L_II<L_I, обеспечивая этим условия различной инерционности первого и второго каскадов; а сигналы ошибки e₁(k) и e₂(k) для ШААС и дополнительного адаптивного фильтра различны.