Способ автоматической регулировки чувствительности цифрового радиоприемника сигналов с программной перестройкой рабочей частоты Российский патент 2025 года по МПК H04B1/16 H03G3/20 

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано в цифровых радиоприемниках сигналов с программной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ).

Известно достаточно большое число способов автоматической регулировки чувствительности радиоприемных устройств с помощью дискретно-перестраиваемых аттенюаторов [[1] и др.]. Однако все известные способы автоматической регулировки чувствительности радиоприемных устройств не могут определить оптимальное затухание, вносимое аттенюатором, которое обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум на каждой частоте настройки радиоприемных устройств, работающих в режиме ППРЧ.

За прототип заявляемому способу автоматической регулировки чувствительности радиоприемников принят наиболее близкий по технической сущности «Способ автоматической регулировки чувствительности радиоприемника сигналов с программной перестройкой рабочей частоты и устройство для его осуществления» [2], описывающий алгоритм определения оптимального значения затухания аттенюатора, заключающийся в предварительном (до начала сеанса связи) определении оптимальных значений затуханий аттенюатора приемника на частотах, на которых осуществляется в режиме программной перестройки частоты передача сообщения, запоминании этих значений и реализации их при работе радиоприемника на этих частотах в заданные моменты времени. При этом для определения оптимального значения затухания аттенюатора требуется его переключение и сравнение результатов измерения отношениясигнал/шум при разных его значениях, для чего используется специальный тестовый сигнал. То есть используемый в прототипе алгоритм нахождения оптимального значения затухания аттенюатора на той или другой частоте не дает возможности производить эту операцию во время ведения сеанса связи.

Необходимо также отметить тот факт, что время жизни определенного перед началом сеанса связи оптимального затухания аттенюатора на той или другой частоте ограничено и, если сеанс связи достаточно продолжительный, то в течение времени его проведения значения оптимальных затуханий аттенюатора на тех или других частотах могут изменяться под действием вновь появляющихся станционных помех. Этот факт не учитывается в способе, принятом за прототип, и это является его недостатком.

Задача изобретения - обеспечение максимального отношения сигнал/шум с максимально достижимой точностью на каждой рабочей частоте при приеме сигналов с ППРЧ в сложившейся помеховой обстановке, что реализуется за счет того, что определение оптимального затухания аттенюатора радиоприемного устройства производится непосредственно перед моментом времени, когда на этой частоте будет приниматься сообщение.

Поставленная задача достигается тем, что определение оптимального затухания аттенюатора радиоприемника на каждой рабочей частоте производят с помощью специальных дополнительных измерительных каналов приема, которые настраивают на очередные рабочие частоты непосредственно перед началом приема на этих частотах фрагментов сообщения, определяют уровни суммарных шумов в полосах частот, занимаемых спектром полезного сигнала, сравнивают измеренные уровни суммарных шумов с порогами чувствительности радиоприемного устройства на данных частотах и определяют значения затуханий аттенюатора радиоприемного устройства, обеспечивающиеоптимальные отношения сигнал/шум при приеме фрагментов сообщения на этих частотах.

При этом, в отличие от прототипа в предлагаемом алгоритме определения оптимального затухания аттенюатора не требуется использование тестового сигнала и не требуется изменение затухания аттенюатора для определения его оптимального значения. Заявляемый алгоритм управления аттенюатором при работе радиоприемного устройства в режиме ППРЧ реализуется за счет того, что в цифровом радиоприемнике программно создаются отдельные измерительные каналы. Эти каналы настраиваются на частоты, на которых будет обеспечиваться передача сообщения, непосредственно перед началом приема фрагментов сообщения на этих частотах и производятся измерения уровней шумов в полосах каналов приема сигналов, после чего вычисляются оптимальные значения затухания аттенюатора, которые затем реализуются в моменты начала приема сообщений на данных частотах. Такой способ автоматической регулировки чувствительности цифрового радиоприемника сигналов с программной перестройкой рабочей частоты, удается реализовать благодаря особому алгоритму определения оптимального затухания аттенюатора, который заключается в следующем.

Суммарный уровень шума в полосе фильтра основной избирательности (ФОИ), пересчитанный на вход усилителя приемника определяется как

где U_шинт - уровень интермодуляционных составляющих третьего порядка, учитываемый как наиболее высокий уровеньинтермодуляционных составляющих, образованных на нелинейности усилителя приемного тракта;

U_швм - уровень внешнего шума, определяемый, в основном, атмосферным шумом;

U_ш0 - уровень собственных шумов приемника.

Уровень интермодуляционных составляющих U_шинт находится в кубической зависимости от уровня помех, образующих интермодуляционные составляющие, т.е. в кубической зависимости от затухания аттенюатора, устанавливаемого в тракте приема перед усилителем высокой частоты, - U_шинт/d³, где d - вносимое аттенюатором затухание (d≥1). Уровень же внешнего шума U_швн линейно зависит от коэффициента передачи, обусловленного затуханием аттенюатора. В этом случае при включении затухания аттенюатора d суммарный уровень шума в полосе ФОИ, пересчитанный на вход усилителя приемника, определится как U_∑швои, равный:

а отношение сигнал/шум (по мощности) h² в полосе фильтра основной избирательности канала приема с учетом вносимого аттенюатором затухания d, равно:

где U²_c - мощность принимаемого сигнала.

Для нахождения оптимального значения отношение сигнал/шум h² возьмем производную по d от выражения (3) и, приравняв результат дифференцирования к нулю, найдем выражение для оптимального значения затухания аттенюатора:

Определение уровня интермодуляционного шума U_шинт технологически сложная задача, требующая чаще всего отдельного аппаратного тракта приема [2]. Предлагается наиболее простой способ решения этой задачи для трактов приема с прямым аналого-цифровым преобразованием. Перед началом сеанса связи производится последовательное измерение собственного уровня шума U_ш0 всех каналов приема (при отключенной антенне и нагруженном входе на эквивалент антенны). Измеренные значения собственного уровня шума записываются в запоминающее устройство блока цифровой обработки и в течение времени ведения сеанса связи не изменяются. Затем измеряются суммарные уровни шумов U_∑швои в полосе ФОИ измерительными каналами при подключенной антенне перед началом приема фрагментов сообщения на очередных рабочих частотах, и на каждой частоте определяются d_max по формуле (4) с заменой U_шинт на U_∑швои:

Эффективность такого решения подтверждается следующими расчетами.

В выражении (1), определяя уровень интермодуляционного шума U_шинт= nU_швн - как часть внешнего шума U_швн, умноженного на коэффициент n, {n≥0), получим

Максимальное значение отношения сигнал/шум h_max может быть получено при значении затухания аттенюатора в соответствии с выражением (5):

С другой стороны, при затухании аттенюатора 0 дБ отношение сигнал/шум определяется, как

Эффективность рассмотренного алгоритма работы аттенюатора Н определяется как отношение максимального значения h_max, получаемое при включении затухания аттенюатора, определяемого в соответствии с выражением (5) к значению h - при его затухании равном 0 дБ. При этом величины U_шинт и U_швн для разных условий внешнего воздействия определяются в соответствии с выражениями (6) и (7) и, задавая значения n и U_∑швои получаем:

Составляющие U_шинт и U_швн суммарного уровня шума U_∑швои формируются внешним воздействием - станционными помехами на нелинейности усилителя высокой частоты и атмосферным шумом.

Фрагмент измеренных на реальной трассе уровней станционных помех с выхода антенны АФС БС-2, имеющей диаграмму направленности 280°,представлен на фиг. 1. Измерения были проведены в период с 04.07.2005 по 07.07.2005 на действующем радиоцентре под Москвой и, в основном, соответствует известным данным, представленным в работах В.Д. Челышева, В.Ф. Комаровича и В.Н. Сосунова, и др. [3], в которых уровни сигналов зафиксированы до 100 дБмкВ и более, и из которых образуются интермодуляционные составляющие U_шинт.

В таблице 1 и на фиг. 2 представлены зависимости уровня чувствительности радиоприемного устройства Р-170 П (ЦЛ2.003.143 ТУ1, дополнение к ЦЛ2.003.143 ТУ) от уровня интермодуляционных искажений U_шинт Приемник имеет динамический диапазон по интермодуляционным искажениям 85 дБмкВ: две помехи с уровнем по U_n=17,8 мВ, отстроенных на 20 кГц и более от частоты настройки, образуют интермодуляционную составляющую 1 мкВ, - методика измерения по ГОСТ РВ 5801-001-2008. Представленные данные соответствуют установленным значениям затухания аттенюатора 0 дБ, 6 дБ и оптимальным значениям затухания, рассчитанным по формуле (5), кривая (5) АТ~. Кривые 1 и 3 теоретически рассчитанные зависимости чувствительности U_ч от уровня интермодуляционных искажений, а кривые 2 и 4 - экспериментально полученные U_чэ при измерениях реального приемника. Сравнение теоретических и экспериментальных данных показывает хорошее соответствие, что предоставляет возможность использования при дальнейшем анализе теоретически полученных данных.

Получить экспериментальные значения для кривой (5) нет возможности из-за отсутствия нужных значений затухания аттенюатора в измеряемом приемнике

Данные одного из измерений уровней шума в полосе 3,1 кГц в течение суток представлены на фиг. 3. Измерения проводились при согласовании 75-омных антенн АФС БС-2 с измерительным вольтметром SMV-11 с помощью перехода 50/75, имеющего коэффициент затухания 3,5 дБ. Таким образом, представленные значения характеризуют уровни шума на нагрузке 50 Ом, и его минимальное значение составляет ~ 1 мкВ.

Для определения эффективности работы алгоритма аттенюатора - зависимости Н от U_∑швои и n были приняты значения уровня шума на входе усилителя РПУ в полосе ФОИ от 1 мкВ до 10 мкВ, а значения n - от 0 до 10. Однако при этом никаких ограничений на значения n и U_∑швои нет.

На фиг. 4 представлены расчетные значения Н в соответствии с выражением (10) в зависимости от величины n для следующих значений суммарного уровня шума в полосе фильтра основной избирательности U_∑швои :

Полученные кривые характеризуют количественную оценку рассмотренного алгоритма работы, как наиболее простого и доступного для практической реализации. Так, при n=1, т.е. при равных уровнях интермодуляционного шума и внешнего шума, и при рассмотренных значениях U_∑швои данный алгоритм работы обеспечивает увеличение отношения сигнал/шум до 3 дБ. С увеличением доли интермодуляционного шума в суммарной величине U_∑швои происходит дальнейшее увеличение соотношения сигнал/шум относительно его значения при затухании аттенюатора 0 дБ, и при n=10, а U_∑швои = 22 (такой уровень образуют две помехи по 50 мВ) увеличение соотношения сигнал/шум обеспечивается до 18,6дБ. Полученные результаты расчета подтверждают эффективность предлагаемого алгоритма работы аттенюатора.

Таким образом, в отличие от прототипа, в заявляемом способе для определения оптимального положения аттенюатора не требуется формировать ни тестовый сигнал на входе радиоприемного устройства, ни подбирать путем переключения затухание аттенюатора. Оптимальные затухания аттенюатора определяются программными измерительными каналами непосредственно во время ведения сеанса связи и перед настройкой рабочего канала на очередные заданные частоты путем измерения уровней шума в полосе информационного канала, что гарантирует сохранение условий связи, которые были оценены непосредственно перед началом приема фрагментов сообщения на соответствующих частотах.

Чтобы обеспечить репрезентативность при определении уровня шума в режиме ППРЧ на каждой частоте в заданной полосе необходимо провести измерение значений модуля вектора шума на интервале, как минимум 20 элементарных посылок [4]. Если в режиме ППРЧ на каждой частоте передаются фрагменты сообщения, которые по длительности превышают длительность 20 элементов, то для определения уровня шума на каждой частоте достаточно иметь всего один дополнительный измерительный канал. Если же на каждой частоте длительность приема фрагментов сообщения менее длительности 20 элементов, то количество измерительных каналов должно определяться путем деления 20-ти на количество элементов, которое может быть передано за время нахождения приемного устройства на заданной частоте. В случае получения дробного количества измерительных каналов следует заменить полученное дробное число на целочисленное в сторону увеличения.

Рассмотрим следующий пример.

Информационный канал в режиме ППРЧ принимает 8 элементарных посылок (байт), а измерения нужно произвести на интервале не менее, чем 20. В этом случае измерительных каналов должно быть не менее трех. Динамика работы в режиме ППРЧ для этого случая изображена на фиг. 5 для 10-ти изменяющихся частот. Измерение уровня шума в полосе информационного канала производится для 3-х первых по времени выхода на связь каналов на частотах f₁ f₂ и f₃ непосредственно перед началом сеанса связи. Затем измерения уровня шума в следующих по времени выхода на связь каналах должны происходить, в соответствии с указанными на фиг. 5.

По измеренным на интервале времени, соответствующем 20-ти или более элементам принимаемого сигнала, определяется математическое ожидание модуля шума МО:

Зная МО модуля шума, можно определить его СКО [Абезгауз Г.Г., Тронь А.П. и др. Справочник по вероятностным расчетам. Военное ид-во МО СССР, 1966 г. Формула 5.63], которое равно U_∑швои:

Определив U_∑швои и зная порог чувствительности радиоприемника U_ш0, измеренный и записанный в запоминающее устройство блока УПЦОС перед началом сеанса связи, по формуле (5) находим положение аттенюатора радиоприемного устройства d_max.

Структурная схема тракта приема цифрового радиоприемного устройства, в котором реализуется описанный алгоритм управления аттенюатором, представлена на фиг. 6.

На фиг. 6 обозначено:

1 - вход группового сигнала;

2 - аналоговый линейный тракт;

3 -фильтр предварительной избирательности;

4 - дискретно-перестраиваемый аттенюатор;

5 - усилитель радиочастоты;

6 - блок цифровой обработки и управления приемником (УПЦОС);

7 - выход Ethernet;

8 - аналоговые входы/выходы ЦРПУ.

Приемный тракт цифрового радиоприемного устройства состоит из аналогового линейного тракта 2 и блока цифровой обработки сигналов и управления 7.

На вход 1 поступает групповой сигнал, состоящий из станционных помех, атмосферного шума (внешний шум) и информационного сигнала U_c. Этот групповой сигнал проходит через фильтр предварительной избирательности, дискретно-перестраиваемый аттенюатор 4, с выхода которого поступает на усилитель 5, где в его состав добавляется шум интермодуляционных составляющих, образованных на нелинейности усилителя, собственный шум усилителя и, пересчитанный на его вход, шум последующего блока цифровой обработки сигналов и управления приемником 6. Собственный шум усилителя и пересчитанный на его вход шум УПЦОС определяют чувствительность РПУ, обозначаемый ранее как U_ш0 на входе усилителя высокой частоты.

В тракте УПЦОС выполняется ряд функций:

- оцифровка принимаемых групповых радиосигналов;

- выделение индивидуальных каналов приема (информационного и измерительных), основная фильтрация сигналов, удовлетворяющая требования к полосе пропускания каналов приема;

- управление затуханием аттенюатора аналогового тракта приема по рассмотренному ранее алгоритму.

Источники информации:

1. А.с. №1220109 «Устройство дискретной автоматической регулировки чувствительности радиоприемника» H04G 3/20, приоритет 26.04.1984.

2. Патент №№2419202, Н04В 1/06, опубл. 20.05.2011.

3. А.с. №926772, Н04В 1/10 Устройство защиты от помех Б.И. №17, 1982.

4. В.Д. Челышев. Приемные радиоцентры //Связь, М., 1975; В.Ф. Комарович, В.Н. Сосунов. Случайные радиопомехи и надежность KB связи //Связь, М, 1977.

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано в цифровых радиоприемниках сигналов с программной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ). Техническим результатом изобретения является увеличение отношения сигнал/шум на каждой рабочей частоте при приеме сигналов с ППРЧ в сложившейся помеховой обстановке. Способ автоматической регулировки чувствительности радиоприемника сигналов с ППРЧ заключается в том, что определение оптимального затухания аттенюатора радиоприемника на каждой рабочей частоте производят с помощью программно-созданных отдельных измерительных каналов, которые настраивают на частоты, на которых обеспечивается передача сообщения, непосредственно перед началом приема на этих частотах фрагментов сообщения, и определяют уровни суммарных шумов в полосах частот, занимаемых спектром полезного сигнала, сравнивают измеренные уровни суммарных шумов с порогами чувствительности радиоприемного устройства на данных частотах и определяют значения затуханий аттенюатора радиоприемного устройства, обеспечивающие оптимальные отношения сигнал/шум при приеме фрагментов сообщения на этих частотах. 6 ил., 1 табл.

Способ автоматической регулировки чувствительности цифрового радиоприемника с программной перестройкой рабочей частоты, отличающийся тем, что определение оптимального затухания аттенюатора радиоприемника на каждой рабочей частоте производят с помощью программно-созданных отдельных измерительных каналов, которые настраивают на частоты, на которых обеспечивается передача сообщения, непосредственно перед началом приема на этих частотах фрагментов сообщения, и определяют уровни суммарных шумов в полосах частот, занимаемых спектром полезного сигнала, сравнивают измеренные уровни суммарных шумов с порогами чувствительности радиоприемного устройства на данных частотах и определяют значения затуханий аттенюатора радиоприемного устройства, обеспечивающие оптимальные отношения сигнал/шум при приеме фрагментов сообщения на этих частотах.