Устройство для оценки текущего отношения сигнал-шум Российский патент 2020 года по МПК H04B17/336 

Предполагаемое изобретение относится к области цифровых систем приема и обработки сигналов и может найти применение для повышения эффективности работы алгоритмов мягкого декодирования, управления мощностью и выделения ресурсов, реализуемых в многоканальных системах приема ортогональных сигналов.

Известен способ и устройство оценки текущего отношения сигнал-шум [Патент США US 7190741].

Устройство содержит квадратурный смеситель и блок оценки отношения сигнал-шум. В квадратурном смесителе выделяются синфазная и квадратурная компоненты комплексной огибающей принимаемого сигнала, по которым в блоке оценки отношения сигнал-шум вычисляется угол отклонения вектора сигнала от синфазной оси и по его статистическим характеристикам рассчитывается текущее отношение сигнал-шум. Однако оно предназначено для BPSK и QPSK сигналов и дает значительные ошибки в области малых отношений сигнал-шум.

Известен способ оценки отношения сигнал-шум [Патент США US6317456], включающий операции усреднения, извлечения квадратного корня и деления, выполняемые над синфазной и квадратурной компонентами принимаемого сигнала. Однако он предназначен для OFDM сигналов.

Известен также «Цифровой измеритель мощности сигнала и мощности помехи в полосе пропускания канала радиоприемника в реальном масштабе времени»[Патент РФ RU 247216], который содержит смеситель, полосовой фильтр, аналогово-цифровой преобразователь, умножители, блоки усреднения и регистры хранения. В устройстве реализованы два канала измерения, в первом из которых осуществляется когерентная, а во втором – некогерентная обработка принимаемого сигнала. Однако данное устройство не использует обработку синфазной и квадратурной компонент комплексной огибающей принимаемого сигнала.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство для оценки текущего отношения сигнал-шум [Патент РФ RU 2598693 «Способ и устройство для оценки текущего отношения сигнал-шум»], первый вариантреализации которого и выбран в качестве прототипа.

Устройство включает в себя последовательно соединенные квадратурный смеситель, блок оценки отношения сигнал-шум и блок компенсации смещения, причем вход квадратурного смесителя является входом устройства, выходы квадратурного смесителя соединены с соответствующими входами блока оценки отношения сигнал-шум, выход которого соединен со входом блока компенсации смещения, выход которого является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом. На вход устройства поступает аддитивная смесь y(t) = S(t) + n(t) сигнала S(t) (в виде последовательности символов заданной длины c фазовой манипуляцией)и аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ)n(t). В квадратурном смесителе выделяютсясинфазная I_Y и квадратурная Q_Y компоненты комплексной огибающей принимаемого сигнала

При этом отсчеты указанных компонент берутся на выходе квадратурного смесителя с частотой следования канальных символов. Далее в блоке оценки отношения сигнал-шум для заданной длительности выборки, составляющей K канальных символов, определяются:

– средние по времени значения квадратов синфазной и квадратурной компонент;

– квадрат среднего модулясинфазной компоненты ;

– квадрат среднего значения квадратурной компоненты , при

этом средние значения этой компоненты рассчитываются с учетом знака

принимаемого канального символа;

– оценка текущего отношения сигнал-шум

SNR= , (1)

которая при необходимости корректируется в блоке коррекции смещения.

Таким образом, в прототипе указанная оценка формируется в результате обработки последовательных временных отсчетов смеси сигнала с шумом в течение достаточно большого промежутка времени, равного длительности К канальных символов, что является одним из недостатков прототипа. Кроме того, прототип предполагает использование для передачи сообщений двоичного сигнала S(t) с фазовой манипуляцией, тогда как в настоящее время широко распространены системы, использующие М различных ортогональных сигналов

= ], i =, (2)

где – независимые случайные величины с равномерным законом распределения на интервале (–π , π);

i= , j =, – условие ортогональности

сигналов .

При оптимальном приеме таких сигналов на выходе каждого из M каналов устройства их различения формируется огибающая смеси сигнала с шумом

, .

Величины , при различении Mортогональных сигналов статистически независимы и при i≠ j распределеныпо закону Релея

р( )= ,где j – номер принимаемого сигнала;

– отношение сигнал-шум;

E – энергия сигнала;

N – спектральная плотность мощности шума.

При i = j величина распределена по закону Райса

р( ) = ,

где I₀ (q_j) – функция Бесселя нулевого порядка.

Покажем, что обрабатывая совокупность можно получить оценку Q методом максимального правдоподобия [С.З. Кузьмин. Цифровая обработка радиолокационной информации. – М.: Сов. Радио, 1967. С. 33, 35].

Функция правдоподобия неизвестных величин Q и j имеет вид
[Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. – М.: Радио и связь, 1983, С.139, формула (2.5.48)]

р( =

Функция правдоподобия интересующего нас параметра находится из (3) известным способом

, (4)

где P(j) – вероятность приема сигнала с номером j.

Применяя этот способ, получим

, (5)

где – оценка номера принимаемого сигнала (результат решения задачи различения).

Для отыскания оптимальной по критерию максимума правдоподобия оценкинеобходимо решить уравнение

lnL (Q) = 0, (6)

которое является очень громоздким. Поскольку вероятность ошибки при различении сигналов очень мала, то, полагая в (5) ≈ 1, получим более простое выражение для отыскания квазиоптимальной оценки отношения сигнал-шум

ln + – (M – 1) –

– = – M – – + . (8)

После взятия частной производной от выражения (8) уравнение (6) принимает вид

= 0

или после преобразований . (9)

Одно из решений полученного приведенного квадратного уравнения (9), соответствующее ≥ 0, и дает искомое выражение для квазиоптимальной оценки отношения сигнал-шум

= – M + . (10)

В предлагаемом устройстве отсчеты величин , берутся одновременно в момент времени T, соответствующий длительности канального символа, что позволяет устранить первый недостаток прототипа – в К раз сократить время, затрачиваемое на получение оценки сигнал-шум.

Целью изобретения является расширение области применения устройства на случай применения его в многоканальных системах приема ортогональных сигналов и сокращение времени, затрачиваемого на получение оценки сигнал-шум, то есть устранение указанных недостатков.

Поставленная цель достигается тем, что в отличие от прототипа, являющегося одноканальными содержащего квадратурный смеситель, устройство сделано М-канальным (по числу используемых в системе различных ортогональных сигналов), причем в каждый канал кроме квадратурного смесителя дополнительно введен блок оценки квадрата огибающей, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами квадратурного смесителя, и ключ, информационный вход которого подключен к выходу блока оценки квадрата огибающей, управляющий вход является внешним входом устройства и соединен с управляющими входами всех остальных ключей, а в общую часть устройства, представленную блоком оценки отношения сигнал-шум, дополнительно введены общий и первый сумматоры, пятый умножитель, блок извлечения квадратного корня и блок вычитания, причем общий сумматор имеет М входов, каждый из которых соединен с выходом соответствующего ключа, а выход общего сумматора подключен ко второму входу первого сумматора, первый вход которого соединен с выходом пятого умножителя, имеющего объединенные входы, подключенные к дополнительному входу устройства и второму входу блока вычитания, первый вход которого соединен с выходом блока извлечения квадратного корня, вход которого подключен к выходу первого сумматора, а выход блока вычитания является выходом устройства.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что является многоканальным, причем в каждом из М каналов содержит квадратурный смеситель, а также дополнительно введенные блок оценки квадрата огибающей в составе двух умножителей и сумматора и ключ. Кроме того, общий для устройства блок оценки отношения сигнал-шум имеет резко отличающуюся от одноименного блока прототипа структуру и включает в себя два сумматора, умножитель, блок вычитания и блок извлечения квадратного корня. Блок компенсации смещения исключен.

Таким образом, заявляемое устройство содержит новые блоки и связи и соответствует критерию изобретения «новизна».

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что вновь введенные элементы известны [Горошков Б.И. Элементы радиоэлектронных устройств: Справочник. – М.: Радио и связь, 1988; Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. – СПб: БХВ-Петербург, 2005;

Петровский И.И., Прибыльский А.В., Троян А.А., Чувелев В.С. Логические интегральные схемы КР 1533,1554. Справочник. В двух частях. – М.: ТОО «БИНОМ», 1993; Цифровые устройства на интегральных микросхемах. – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Радио и связь, 1991 – (Массовая радиобиблиотека.Вып. 1159); Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник/ под.ред. С.В. Якубовского. – М.: Радио и связь, 1989].

Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами в заявляемое устройство оно проявляет новые свойства, что приводит к расширению области его применения и сокращению времени, затрачиваемого на получение оценки сигнал-шум. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «существенные отличия».

Укрупненная блок-схема устройства представлена на фиг.1

Устройство является М-канальным (по числу сигналов, используемых для передачи сообщений), причем каждый канал содержит:

1–квадратурный смеситель, вход которого является входом устройства, а первый и второй выходы соединены соответственно с первым и вторым входами блока оценки квадрата огибающей 2.

2 – блок оценки квадрата огибающей, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами квадратурного смесителя 1, а выход соединен с информационным входом ключа 3

3 – ключ, информационный вход которого подключен к выходу блока оценки квадрата огибающей, а управляющий вход является внешним входом устройства и соединен с управляющими входами всех остальных ключей. Выход ключа представляет собой выход канала устройства и подключен к соответствующему входу общего для устройства блока оценки отношения сигнал-шум 4.

Общая часть устройства, объединяющая все М каналов, содержит:

4 – блок оценки отношения сигнал-шум на М входов, каждый из которых подключен к выходу соответствующего ключа (канала устройства).
Выход блока 4 является выходом устройства.

Блок-схема квадратурного смесителя 1 представлена на фиг.2.

Квадратурный смеситель 1 содержит последовательно соединенные первый умножитель 5 и первый фильтр низких частот (ФНЧ) 6, последовательно соединенные второй умножитель 5 и второй ФНЧ 6, генератор 8(вырабатывает один из сигналов (2)) и фазовращатель 7 (сдвигает фазу на 90°). При этом вход квадратурного смесителя 1 соединен с первыми входами первого и второго умножителей 5, выход генератора 8 подключен ко второму входу первого умножителя 5 и входу фазовращателя 7, выход которого подключен ко второму входу второго умножителя 5. Первым и вторым выходами квадратурного смесителя 1 являются выходы соответственно первого и второго ФНЧ 6, которые подключены соответственно к первому и второму входам блока оценки квадрата огибающей.

Блок-схема блока оценки квадрата огибающей 2 представлена на фиг. 3.

Блок оценки квадрата огибающей 2 содержит третий и четвертый умножители 5 , а также сумматор 9. Первый и второй входы блока оценки квадрата огибающей являются объединенными входами соответственно третьего и четвертого умножителей 5, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам сумматора 9, выход которого является выходом блока оценки квадрата огибающей.

Квадратурный смеситель 1 и блок оценки квадрата огибающей 2 являются типовыми блоками корреляционного оптимального различителя М сигналов (2) со случайными начальными фазами [Информационные технологии в радиотехнических системах: Учебное пособие / В.А. Васин, И.Б. Власов, Ю.М. Егоров и др. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. – С. 180].

Блок-схема блока оценки отношения сигнал-шум 4 представлена на
фиг. 4. В состав блока входят:

общий сумматор 10 на М входов, каждый из которых соединен с выходом соответствующего ключа 3 (канала устройства), а выход общего сумматора 10 подключен ко второму входу первого сумматора 9;

первый сумматор 9, второй вход которого подключен к выходу общего сумматора 10, первый вход – к выходу пятого умножителя 5, а выход – ко входу блока извлечения квадратного корня11;

блок извлечения квадратного корня 11, вход которого соединен с выходом первого сумматора 9, а выход – с первым входом блока вычитания 12;

пятый умножитель 5, объединенные входы которого соединены с дополнительным входом устройства и со вторым входом блока вычитания 12, а выход подключен к первому входу первого сумматора 9;

блок вычитания 12, первый вход которого соединен с выходом блока извлечения квадратного корня 11, второй вход – с дополнительным входом устройства, а выход является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом. На вход устройства поступает аддитивная смесь y(t) = + n(t) сигнала (одного из Mортогональных сигналов , и белого гауссовского шума n(t). В квадратурном смесителе 1i-го канала (фиг. 2) выделяются синфазная и квадратурная компоненты комплексной огибающей принимаемого сигнала, которые поступают на объединенные входы третьего и четвертого умножителей 5i-го блока оценки квадрата огибающей 2 соответственно (фиг.3), с выходов которых подаются соответственно на первый и второй входы сумматора 9, с выхода которого результат сложения поступает на информационный вход своего ключа 3 (фиг. 1). В момент времени Т, соответствующий длительности канального символа, с управляющего входа устройства поступает сигнал на управляющие входы всех ключей 3, в результате чего на их выходах одновременно формируются отсчеты квадратов огибающих Каждый отсчет поступает на свой вход блока оценки отношения сигнал-шум 4 (фиг.4), каждый из которых представляет собой вход общего сумматора 10. Значение M с дополнительного входа устройства подается на второй вход блока вычитания 12 и объединенные входы пятого умножителя 5, с выхода которого значение поступает на первый вход первого сумматора 9. С выхода общего сумматора 10 значение поступает на второй вход первого сумматора 9, с выхода которого значение + подается на вход блока извлечения квадратного корня 11, с выхода которого значение поступает на первый вход блока вычитания 12. Результат вычитания – М

с выхода блока вычитания 12 поступает на выход устройства в качестве искомой оценки (10) отношения сигнал-шум .

Таким образом, в прототипе оценка отношения сигнал-шум рассчитывается по формуле (1) на основе обработки последовательных временных отсчетов синфазной и квадратурной компонент смеси сигнала с шумом в течение достаточно большого промежутка времени, равного длительности К канальных символов. В предлагаемом устройстве оценка производится по формуле (10) на основе обработки отсчетов квадратов комплексных огибающих смеси сигнала с шумом, взятых с выходов каналов устройства в момент окончания канального символа.

Изобретение относится к области цифровых систем приема и обработки сигналов и может найти применение для повышения эффективности работы алгоритмов мягкого декодирования, управления мощностью и выделения ресурсов, реализуемых в многоканальных системах приема ортогональных сигналов. Технический результат – расширение области применения устройства и сокращение времени, затрачиваемого на получение оценки сигнал-шум. Указанный результат достигается за счет того, что устройство является многоканальным, причем в каждый канал, кроме квадратурного смесителя, дополнительно введен блок оценки квадрата огибающей и ключ, что позволило взять отсчеты квадратов комплексных огибающих смеси сигнала с шумом на выходах каналов устройства одновременно (в момент времени T, соответствующий длительности канального символа). В общую часть устройства введен целый ряд новых блоков, обеспечивающих обработку указанных отсчетов и получение оценки отношения сигнал-шум. 4 ил.

Устройство для оценки текущего отношения сигнал-шум, содержащее квадратурный смеситель, вход которого является входом устройства, отличающееся тем, что является многоканальным, причем в каждый канал, кроме квадратурного смесителя, дополнительно введен блок оценки квадрата огибающей, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами квадратурного смесителя, и ключ, информационный вход которого подключен к выходу блока оценки квадрата огибающей, управляющий вход является внешним входом устройства и соединен с управляющими входами всех остальных ключей, а в общую часть устройства, представленную блоком оценки отношения сигнал-шум, дополнительно введены общий и первый сумматоры, пятый умножитель, блок извлечения квадратного корня и блок вычитания, причем общий сумматор имеет М входов, каждый из которых соединен с выходом соответствующего ключа, а выход общего сумматора подключен ко второму входу первого сумматора, первый вход которого соединен с выходом пятого умножителя, имеющего объединенные входы, подключенные к дополнительному входу устройства и второму входу блока вычитания, первый вход которого соединен с выходом блока извлечения квадратного корня, вход которого подключен к выходу первого сумматора, а выход блока вычитания является выходом устройства.