Способ повышения помехоустойчивости способности двухканального приемного устройства с дополнительным каналом на основе фазового детектора Российский патент 2023 года по МПК G01R29/26 H04B15/02 

Изобретение относится к области повышения помехоустойчивости приемников сигналов, особенно слабых импульсных сигналов при высоком уровне шума , И измерения параметров структурных отличий смеси полезного сигнала и шума и просто узкополосного шума

Известны способы Теория потенциальной помехоустойчивости (патент Список документов, цитированных в отчете о поиске: КОТЕЛЬНИКОВ В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости. - М.: Госэнергоиздат, 1956, с.40. RU 2063663 C1, 10.07.1996. RU 2071066 C1, 27.12.1996.RU 2 072 522 C1.27.01.1997. RU 2 366 091 C2, 21.08.2007. RU 70 430 U1,21.08.2007.RU 69 689 U1,21.08.2007.RU 69 645 U1,21.08.2007.

Основы теории оптимальных методов приема были заложены в фундаментальной работе академика В.А. Котельникова «Теория потенциальной помехоустойчивости приема при флуктуационных помехах».

В 1958 году была опубликована теорема Д.Слепяна[32]. Согласно этой теоремы при наличии различий в спектрах шума и смеси сигнала и шума имеется возможность повысить помехоустойчивость приемных устройств при обнаружении сигнала на фоне помехи. Следует отметить, что до сих пор не нашли должного отражения в научной печати возможности повышения чувствительности и помехоустойчивости, связанная с реализацией положений теоремы Слепяна. Вопрос о повышении пороговой чувствительности за счет обработки смеси сигнала и шума с использованием основных положений указанной теоремы остается неизученным.

В работе Ильина А.Г. предложен простой способ повышения чувствительности радиоприемных устройств при принятие радиоимпульса известного точно на фоне белого шума.

Как показано в работах Ильина А.Г. структурные отличия смеси узкополосного шума и полезного сигнала и просто узкополосного шума могут быть переведены в спектральные различия за счет использования нелинейных преобразователей. Спектральные отличия, в свою очередь могут быть использованы как дополнительный информационный признак при обнаружение слабого полезного сигнала.

По всей видимости, аналогичный подход можно использовать и для приема цифровых сигналов. Однако, использование фазовых преобразователей при приеме пачки радиоимпульсов с малой скважностью до сих пор изучен недостаточно. Возможности реализации двухканальных приемных с фазовым детектором и оценка работоспособности таких систем для повышения их помехоустойчивости при приеме цифровых сигналов.

Известно, что большинство современных гражданских радиосистем приема цифровых радиосигналов состоит из трех систем; линейного квазиоптимального фильтра, демодулятора и устройства обработки информации на базе цифрового микропроцессора. Так как радиоприемное устройства должно работать в диапазоне частот, линейный тракт выполняется по супергетеродинной схеме с однократным или двух кратным преобразованием частоты. Вышеуказанное техническое решение к настоявшему времени разработано и широко используется для радиоприемников всех частотных диапазонов и не подлежат какой либо модернизации.

Известно, что рост чувствительности современных приемных устройств в значительной степени определяется современной элементной базой, применяемой при их создании. Однако это направление повышения чувствительности и помехоустойчивости практически исчерпало свои возможности и поэтому ожидать значительного улучшения чувствительности приемных устройств в ближайшее время вряд ли возможно.

Второе направление улучшения чувствительности и помехоустойчивости связано с разработкой новых принципов приема сигналов на фоне помех. На базе этой работы в дальнейшем сформировалось мощное направление статистических методов приема сигналов на фоне шумов.

Схемотехника и техническая реализация демодуляторов также хорошо изучена и реализована в виде готовых устройств выпускаемых радиопромышленностью, и как правило выполняются на одном кристалле с линейным трактом радиоприемника.

Современные устройства обработки цифровых радиосигналов как правило используют нелинейные способы обработки информации. Нелинейные методы обработки при приеме слабых сигналов всегда привлекали внимание большого числа исследователей. Таким образом, теория оптимальной нелинейной фильтрации разрабатывалась давно и начальных этапах развития описана в работах Р.Л. Стратоновича, В.И. Тихонова, Ю.Г. Сосулина и др. для практически важных случаев. Дальнейшее развитие теории нелинейной фильтрации нашло свое отражение в работах Репина В.Г. и Большакова И.А., Сосулина Ю.Г. Практическая реализация, как указывают многие авторы приведенных работ по нелинейной фильтрации, представляют значительные трудности и поэтому эти методы не нашли широкого применения на практике.

При современном развитии цифровой техники многие нелинейные способы обработки сигналов могут быть успешно реализованы при помощи высокопроизводительных компьютеров.

Известно, что уровень шума увеличивается с увеличением полосы пропускания приемного устройства и прямо пропорциональна расстоянию, тем самым снижая чувствительность и помехоустойчивость приемной системы при приеме импульсных сигналов. Особенно при использовании метода приема импульсного сигнала в районах, удаленных от городов. В большинстве практических случаев эта проблема решается за счет увеличения отношения сигнал/шум на входе приемного устройства за счет повышения мощности передатчика и использованием линейной фильтрации на приемной стороне. Но когда отношение сигнал/шум низкое, актуален поиск новых методов для решения данной проблемы. Различия в структурах входных процессов были использованы как дополнительные информационные признаки и выявлены при помощи использования нелинейных преобразователей.

Технический результат, на достижение которого направлено данное изобретение, заключается в снижении отношения сигнал/шум, повышение помехоустойчивости.

Технический результат достигается моделированием прохождения смеси полезного сигнала и узкополосного шума через основной канал приемного устройства с амплитудным детектором, оцениванием величины помехоустойчивости приемника, моделированием похождения узкополосных шумов и полезного сигнала через фазовый детектор, измерением величины напряжения на выходе фазового детектора, определением величины выходного напряжения фазового детектора.

Основной целью настоящего раздела работы являеться математическое моделирование приемного устройства с дополнительным каналом на базе фазового детектора. Для обеспечения достоверности получаемых результатов в разделе приводяться результаты моделирования приемного канала построенного по классической схеме; квазиоптимальный линейный фильтр, амплитудный детектор и пороговой устройство. Полученные характеристики можно будет использовать в качестве эталонных, при исследовании приемного устройства с дополнительным каналом на основе фазового детектора.

Приход пачки импульсов приводит к стабилизации напряжения на выходе фазового детектора, амплитуда самих импульсов намного превышает амплитуду узкополосных шумов. В промежутках между пачками радиоимпульсов, т.е. когда на выходе линейного тракта приемника присутствуют только узкополосные шумы, наблюдаются резкие скачки выходного напряжения фазового детектора. Скачки напряжения, по всей видимости, соответсвут перескокам фазы выслкочастотной составляющей узкополосных шумов.

Скачки напряжения происходят при малой энергии узкополосных шумов. Таким образом, выходное напряжение фазового детектора может быть использовано в качестве дополнительного информационного признака при приеме цифровых радиосигналов. При превышении выходного сигнала с фазового детектора заданного порогового напряжения, решающее устройство с высокой степенью вероятности будет выдавать решение о наличие на входе приемного устройства только шумов. Работу основного канала при этом целесообразно будет заблокировать и тем самым исключить ошибку категории «ложная тревога». Если напряжение на выходе фазового детектора меньше порогового значения, то на входе приемного устройства присутствует смесь полезного сигнала и шума. В этом случае принятие рещения о наличие или отсутствии полезного сигнала можно произвести по превышению порогового напряжения в основном канале с амплитудным детектором.

Способ измерения помехоустойчивости приемника с дополнительным каналом на основе фазового детектора включает в себя несколько этапов:

этап 1: Моделирование прохождения смеси полезного сигнала и узкополосного шума через основной канал приемного устройства с амплитудным детектором.

этап 2: оценивают величину помехоустойчивости приемника;

этап 3: Моделирование прохождения узкополосных шумов и полезного сигнала через фазовый детектор.

этап 4: измеряют величину напряжения на выходе фазового детектора. В промежутках между пачками радиоимпульсов, т.е. когда на выходе линейного тракта приемника присутствуют только узкополосные шумы, наблюдаются резкие скачки выходного напряжения фазового детектора. Скачки напряжения, по всей видимости, соответсвут перескокам фазы выслкочастотной составляющей узкополосных шумов. резкие скачки напряжения происходят при малой энергии узкополосных шумов. ;

этап 5: определяют величину выходное напряжение фазового детектора может быть использовано в качестве дополнительного информационного признака при приеме цифровых радиосигналов. При превышении выходного сигнала с фазового детектора заданного порогового напряжения, решающее устройство с высокой степенью вероятности будет выдавать решение о наличие на входе приемного устройства только шумов.

этап 6: Моделирование прохождения узкополосных шумов и полезного сигнала черездвухканального приемного устройства

этап 7: оценивают величину помехоустойчивости приемника

Исследования прохождения смеси сигнла и шума через двухканальный приемник проводились для двух значений отношения сигнала/шум. На фиг. 6 (поз.1) приведена осциллограмма для сильного сигнала (С/Ш=20), а на фиг. 6 (поз.2) для слабого сигнала (С/Ш=3). На фиг. 6 (поз.3) приведена осциллограмма выходного напряжения навыходе фазового детектора для случая слабого сигнала. Для случая сильного сигнала данная осциллограмма полностью соответствует фиг 6 (поз.3), так как амплитуда шумов в обоих случаях была одинаковой. Различие амплитуды щумов на фиг. 6 (поз.1,поз.2) обьясняется нормировкой графиков полученных в ходе математического моделирования.

На рисунке фиг 6 (поз.4, поз.5) изображены осциллограммы на выходе пороговоро устройства основного канала и решающего устройства двухканального приемника соответсвенно. Как видно из приведенных графиков они полностью соответствуют друг другу.

Обьясняеться это следующим. При больших отношения сигнал/шум, вероятность принятия ошибочного решения из категории «ложная тревога» близка к нулю. Поэтому информация от дополнительного канала не является актуальной. В этом случае, двухканальный приемник обеспечивает характеристики приеного устройства построенного по классической схем и использование дополнительного канала на основе фазового детектора является не целесообразным.

В области малых отношений сигнал/шум вероятность ложной тревоги, при отсутствие полезного сигнала увеличивается, поэтому информация о присутствии на входе приемного устройства только шумов оказывается полезной. Т.е. в случае принятия решения о наличие полезного сигнала по шумовому выбросу в основном канале, решающее устройство заблокирует это решение на основание информации полученной от дополнительного канала с фазовым детектором.

Приведенные выше результаты исследования позволяют сделать вывод, что применение дополнительного канала приема на основе фазового детектора при малом отношении сигнал/шум (С/Ш=3) позволяет получить такие же вероятности обнаружения как и одноканальный приемник при больших отношениях сигнал/шум (С/Ш=20).

Однако следует отметить, что относительно плавное изменение напряжения на выходе фазового детектора не позволяет точно определить начало и конец радиоимпульса. Поэтому использование канала с фазовым детектором без основного канала приема с амплитудным детектором и пороговым устройством не позволит существенно улучшить характеристики приемных устройств.

Алгоритм работы решающего устройства в графическом виде изображен . Сравнительная простота алгоритма позволяет реализовать данное устройство на дискретных элементах по схеме с жесткой логикой или в случае наличия в приемной системе микроконтроллера возложить на него функцию принятия решения.

Если сигнал с генератора импульсов предварительно пропустить через инвертор, то второй счетчик будет считать количество ошибок из категории «ложная тревога». После этого данные со счетчиков поступают на вычислители вероятностей правильного обнаружения и ложной тревоги соответственно.

Результаты исследования прохождения смеси сигнала и узкополосного шума через каскады приемного устройства и фазовый детектор приведены на фиг3

На фиг 7 приведены зависимости ложной тревоги обнаружения от отношения сигнал/шум для трех значений порогового напряжения для двухканального приемного устройства, соответственно.

На фиг 7 . для оценки выигрыша по помехоустойчивости приведены зависимости правильного обнаружения от отношения сигнал/шум для реального приемника и для предложенного двухканального приемного устройства. приведены две сравнительные характеристики.

Из приведенных выше результатов видно, что двухканальный приемник при прочих равных условиях обеспечивает более высокую вероятность правильного обнаружения по сравнению с обычным приемным устройством, применяемым на практике.

Наибольший выиграш по помехоустойчивости, как видно из результатов приведеных на фиг 7 .наблюдается при малых отношениях сигнала к шуму (0,5 < c / ш < 3). Это обстоятельство позволяет повысить достоверность обнаружения радиоимпульса за счет использования дополнительного информационного признака, а именно амплитуды выходного напряжения фазового детектора.

Заявляемый способ поясняется на фигурах.

На фиг. 1 представлена иллюстративная схема структурная схема для моделирования прохождения узкополосных процессов через амплитудный детектор. Где 1 – радиоимпульсный сигнал, 2 – сумматор, 3 – генератор белого шума, 4 – полосовой фильтр, 5 – амплитудный детектор, 6 – пороговое устройство, 7 – осциллограф, 8 – вычислители вероятностей ошибки.

На фиг. 2 представлена иллюстративная схема Зависимость вероятности ложной тревоги от отношения сигнал/шум.

На фиг. 3 представлена иллюстративная схема структурная схема для моделирования прохождения узкополосных процессов через фазовый детектор. 9 – генератор видеоимпульса, 10 – фазовый детектор.

На фиг. 4 представлена иллюстративная. Временные диограммы входных и выходных сигналов полученные в ходе исследования прохождения смеси пачки радиоимпульсов и узкополосных шумов через фазовый детектор.

На фиг. 5 представлена иллюстративная структурная схема для моделирования прохождения узкополосных процессов реального приемника и двухканального приемного устройства.

На фиг. 6 представлены временные диограммы входных и выходных сигналов, полученных в ходе исследования прохождения смеси пачки радиоимпульсов и узкополосных шумов через двухканального приемного устройства .

На фиг. 7 представлена иллюстративная схема Зависимость вероятности ложной тревоги от отношения сигнал/шум через двухканального приемного устройства.

Для суммы узкополосного нормального стационарного шума и гармонического сигнала с известной амплитудой показано, что при малых отношениях сигнал/шум плотность вероятности амплитуд узкополосного процесса близка к рэлеевской, а при больших — к нормальной. Практически считают, что уже при >3 огибающая узкополосного сигнала нормализуется. Кроме того, результаты экспериментальных исследований показали, что при увеличении амплитуды гармонического сигнала дисперсия узкополосного процесса возрастает более чем в 2 раза. Однако, относительные флуктуации огибающей при этом падают.

Второй особенностью узкополосных шумов является наличие перескоков фазы высокочастотного колебания на π. Число перескоков фазы в единицу времени определяется полосой пропускания узкополосного фильтра. Если на вход узкополосной системы дополнительно к шумам подать гармонический сигнал, то с увеличением амплитуды гармонического сигнала число перескоков фазы уменьшается и стремится к нулю. Эти выводы теории были подтверждены многочисленными экспериментальными данными, однако до сих пор не дано удовлетворительного объяснения самому факту существования этого явления. Очевидно, что в рамках изложенной выше теории эти объяснения дать невозможно и требуются новые подходы к исследованию узкополосных шумов.

Таким образом, в современной теории узкополосных шумов недостаточно изучены вопросы, связанные с переходом узкополосных процессов к широкополосным шумоподобным сигналам, т.е. не определены границы применения уточненной теории узкополосных шумов

Напомним, что узкополосный сигнал называется узкополосным сигналом, если его ширина спектра значительно меньше средней частоты:

(1)

Если вместо генератора белого шума использовать генератор полезного амплитудного сигнала со структурой амплитудно-модулированного сигнала, то даже при 100 процентной модуляции, когда огибающая будет достигать нулевого значения, перескоков фазы наблюдаться не будет.

В том случае, если через узкополосный фильтр проходит «белый» шум, то на его выходе будет иметь место узкополосный шум со структурой сигнала биений. И не смотря на внешнюю похожесть временных характеристик выходных квазигармонических процессов в узкополосных шумах при каждом достижении огибающей нулевого значения фаза высокочастотного заполнения будет менять фазу на 180 градусов.

Поэтому, в качестве критерия определения границы использования узкополосных шумов, нами выбран критерий наличия перескоков фазы на выходе полосового фильтра.

Модулированный сигнал обнаружения может быть выполнен как в нелинейных, так и в линейных схемах с периодически изменяющимися параметрами.

Простейшей формой детектора огибающей является диодный детектор, показанный выше. Диодный детектор - это просто диодный нелинейныей элемент между входом и выходом схемы, соединенный с резистором и конденсатором параллельно от выхода цепи на землю. Если резистор и конденсатор выбраны правильно, выход этой схемы должен приближаться к сдвинутой по напряжению версии исходного сигнала (основной полосы). Затем можно применить простой фильтр для фильтрации постоянного компонента. фиг.1

При амплитудном детектировании различают два режима работы детектора. Режим сильного сигнала и режим слабого сигнала. В режиме сильного сигнала модулированный сигнал попадает на линейную часть вольт-амперной характеристики диода. Такой режим работы используют во всех системах приема информации, так как при этом обеспечивается линейность детекторной характеристики, высокая крутизна преобразования и качество приема сигнала. Для обеспечения вышеуказанного режима увеличивают мощность передающего устройства до уровня, при котором в точке приема обеспечивается уровень сигнала, существенно превышающий мощность шумов. Фиг.2

В том случае, когда мощность передатчика ограничена, и отнощение сигнал/шум мало имеет место режим приема слабого сигнала. Известно, что в этом случае полезный сигнал попадает на квадратичный участок вольт-амперной характеристики диода. При этом происходят сильные искажения сигнала, а невысокая крутизна характеристики детектора осложняет задачу обнаружения и без того слабого сигнала.

Целью настоящего является моделирование приемного устройства построенного по классической схеме; линейный фильтр, амплитудный детектор и пороговой устройство. Полученные характеристики можно будет использовать в качестве эталонных, при исследовании приемного устройства с дополнительным каналом на основе фазового детектора

Из полученных графиков видно, что для обнаружении радиоимпульса амплитудного детектора и порогового устройства хорошие результаты получаются только при больших отношениях сигнал/шум. При малых отношениях сигнал/шум вероятность ошибок резко возрастает. Этот результат подтвержден многочисленными исследованиями выдающихся ученых полученных при проведении экспериментальных исследований реальных приемных устройств.

Структура реального приемного устройства состоящего из квазиоптимального линейного фильтра амплитудного детектора и порогового устройства практически исчерпала все возможности повышения помехоустойчивости, а рассмотренная выше модель может успешно использоваться для моделирования приемного устройства с дополнительным каналом на основе фазового детектора

Как видно из приведенных выше фиг. 4, каждый приход пачки импульсов приводит к стабилизации напряжения на выходе фазового детектора. Причем как видно из приведенных осциллограмм амплитуда самих импульсов намного превышает амплитуду узкополосных шумов. В промежутках между пачками радиоимпульсов, т.е. когда на выходе линейного тракта приемника присутствуют только узкополосные шумы, наблюдаются резкие скачки выходного напряжения фазового детектора. Скачки напряжения, по всей видимости, соответствует перескокам фазы высокочастотной составляющей узкополосных шумов. Как видно из приведенных графиков резкие скачки напряжения происходят при малой энергии узкополосных шумов.

Таким образом, выходное напряжение фазового детектора может быть использовано в качестве дополнительного информационного признака при приеме цифровых радиосигналов. При превышении выходного сигнала с фазового детектора заданного порогового напряжения, решающее устройство с высокой степенью вероятности будет выдавать решение о наличие на входе приемного устройства только шумов. Работу основного канала при этом целесообразно будет заблокировать и тем самым исключить ошибку категории «ложная тревога». Если напряжение на выходе фазового детектора меньше порогового значения, то на входе приемного устройства присутствует смесь полезного сигнала и шума. В этом случае принятие рещения о наличие или отсутствии полезного сигнала можно произвести по превышению порогового напряжения в основном канале с амплитудным детектором.

Алгоритм работы блока достаточно прост. Устройство включает в себя логические схемы «И», счетчики импульсов и вычислители вероятности ложной тревоги и правильного обнаружения. На первую схему «И» поступают два сигнала; один непосредственно с генератора радиоимпульсов, а второй с порогового устройства основного канала. В случае совпадения двух сигналов на выходе схемы «И» появляется логическая единица, которая свидетельствует о принятие правильного решения. Общее число импульсов и число правильно принятых решений подсчитываются соответствующими двоичными счетчиками.

Если сигнал с генератора импульсов предварительно пропустить через инвертор, то второй счетчик будет считать количество ошибок из категории «ложная тревога», фиг. 7.

В том случае, когда мощность передатчика ограничена, и отношение сигнал/шум мало имеет место режим приема слабого сигнала. Известно, что в этом случае полезный сигнал попадает на квадратичный участок вольт-амперной характеристики диода. При этом происходят сильные искажения сигнала, а невысокая крутизна характеристики детектора осложняет задачу обнаружения и без того слабого сигнала.

Поэтому можно сделать вывод о том, что структура реального приемного устройства состоящего из квазиоптимального линейного фильтра амплитудного детектора и порогового устройства практически исчерпала все возможности повышения помехоустойчивости, а рассмотренная выше модель может успешно использоваться для моделирования приемного устройства с дополнительным каналом на основе фазового детектора.

Таким образом, выходное напряжение фазового детектора может быть использовано в качестве дополнительного информационного признака при приеме цифровых радиосигналов. При превышении выходного сигнала с фазового детектора заданного порогового напряжения, решающее устройство с высокой степенью вероятности будет выдавать решение о наличие на входе приемного устройства только шумов. Работу основного канала при этом целесообразно будет заблокировать и тем самым исключить ошибку категории «ложная тревога». Если напряжение на выходе фазового детектора меньше порогового значения, то на входе приемного устройства присутствует смесь полезного сигнала и шума. В этом случае принятие решения о наличие или отсутствии полезного сигнала можно произвести по превышению порогового напряжения в основном канале с амплитудным детектором.

Изобретение относится к технике измерений в области передачи сигналов, в частности измерений помехоустойчивости приемников сигналов и измерений параметров структурных отличий смеси полезного сигнала и шума и просто узкополосного шума. Технический результат - снижение отношения сигнал/шум, повышение помехоустойчивости. Технический результат достигается моделированием прохождения смеси полезного сигнала и узкополосного шума через основной канал приемного устройства с амплитудным детектором, оцениванием величины помехоустойчивости приемника, моделированием похождения узкополосных шумов и полезного сигнала через фазовый детектор, измерением величины напряжения на выходе фазового детектора, определением величины выходного напряжения фазового детектора. 7 ил.

Способ измерения помехоустойчивости приемника с дополнительным каналом на основе фазового детектора, заключающийся в моделировании прохождения смеси полезного сигнала и узкополосного шума через основной канал приемного устройства с амплитудным детектором, оценивании величины помехоустойчивости приемника, моделировании похождения узкополосных шумов и полезного сигнала через фазовый детектор, измерении величины напряжения на выходе фазового детектора, определении величины выходного напряжения фазового детектора.