Двухканальное устройство подавления помех Советский патент 1991 года по МПК H04B1/10 H04B7/08 

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в сис- .темах дальней тропосферной связи в условиях воздействия помех.

Цель изобретения - повышение отношения мощности полезного сигнала к мощности помехи в условиях совпадения законов распределения плотности вероятности полезного сигнала и помехи или равенства соотношения между вторым и четвертым моментами распределения полезного сигнала и помехи.

На фиг. 1 представлена структурная электрическая схема двухканального устройства подавления помех; на фиг.2 - структурная электрическая схема блока оценки энтропии; на фиг.З - структурная электрическая схема классификатора сигнал - помеха;

на фиг. 4 и 5 представлены графики изменения энтропии суммарного процесса для случаев, когда обе составляющие суммарного процесса имеют негауссово распределение и когда одна из составляющих имеет гауссово распределение соответственно.

Двухканальное устройство подавления помех содержит первый и второй блоки 1 и 2 компенсации, блок 3 селекции сигнала с минимальной энтропией, первый усилитель-ограничитель 4, блок 5 фазирования, классификатор 6 сигнал-помеха, коммутатор 7 и первый сумматор 8. Блок 3 селекции сигнала с минимальной энтропией содержит второй усилитель 9 с регулируемым коэффициентом усиления, первый интегрирующий элемент 10, фазовращатель

С&

со

-U СП

11 на 90е, второй блок 12 оценки энтропии, второй сумматор 13, третий сумматор 14, блок 15 определения модуля- сигнала, первый вычитатель 16, третий усилитель-ограничитель 17, первый блок 18 оценки энтропии, первый уси- литель 19 с регулируемым коэффициентом усиления, первый и второй блоки 20 и 21 формирования компенсирующего сигнала и второй усилитель-ограничитель 22.

Классификатор 6 сигнал - помеха содержит второй вычитатель 23, первый 24 и второй 25 квадраторы, эле- мент 26 сравнения, четвертый сумматор 27, источник 28 эталонного напряжения, третий вычитатель 29, первый амплитудный детектор 30, третий усилитель 31 с регулируемым коэффициен- том усиления, второй интегрирующий элемент 32, второй амплитудный детектор 33, четвертый вычитатель 34, третий квадратор 35, первый элемент 36 усреднения, первый пороговый эле- мент 37 и третий блок 38 оценки энтропии. Блоки 12 и 18 оценки энтропии содержат вторые пороговые элементы 39, вторые элементы 40 усреднения, логарифмические усилители 41, перемно жители 42, пятые вычитатели 43 и пятый сумматор 44.

Двухканальное устройство работает следующим образом.

Двухканалькое устройство предназ- начено для работы в условиях, когда полезные сигналы линии тропосферной связи подвержены лишь гладким замираниям, а селективночастотные замирания отсутствуют. Пространственно-раз- несенные антенны (на фиг.1 не показаны) на практике ориентируются соосно и выполняются, достаточно идентичными, поэтому при воздействии внешней помехи значительный ее уровень наблюдает- ся в обоих входах устройства. При этом при воздействии помехи от внешнего источника сигнал и помеха в совпадающие моменты времени независимы и образуют некоторое суммарное распре деление.

Известно, что при ограниченной средней мощности сигнала z максимальная энтропия плотности распределения z будет наблюдаться в случае, когда процесс z распределен по гауссовому закону. Все другие функции распределения имеют меньшую энтропию. Чем ближе распределение процесса z к

гауссовому, тем больше его энтропия при фиксированной средней мощности«. Кроме этого известно, что при сложении независимых процессов их суммарное распределение нормируется, т.е. постепенно приближается к гауссовому. Следовательно, и его энтропия при постоянной мощности увеличивается „

Теперь рассмотрим процесс z, представляющий собой сумму независимых процессов х и у, , обращая внимание на то, который из процессов полезный сигнал, а который - помеха Пусть мощность z постоянна, zz. В первом случае пусть ни один из про- цесов х и у не имеет гауссова распределения. Пусть также их мощности соотносятся, как , . Тогда энтропия z в зависимости от а имеет вид графика, изображенного на фиг.4. При значении (процесс , составляющие у - отсутствуют) энтропия Н2равна энтропии процесса Нх при условии При значении (процесс , составляющие х отсутствуют) энтропия Hz равна энтропии Ни. при условии у2 ,

При всех энтропия Н-, принимает значения, описанные кривой, приведенной на фиг.4о Эта кривая выпукла вверх, что отражает факт, что при сложении двух независимых величин, негауссово распределенных, распределение их суммы приближается к гауссовому и при фиксированной мощности его энтропия растет. Случай, когда один из процессов имеет гауссово распределение (в данном случае - процесс х) представлен на фиг.5„ Качественная картина та же, отличия в том, что максимум функции Н2(а) в этом случае расположен в точке .

Эти известные свойства распределения суммы независимых величин и положены в основу принципа работы устройства Из рассмотрения фиг.4 и 5 очевидно, что минимум функции ) всегда соответствует ситуациям либо , либо . Иными словами, при обеспечении условия мин Г« / 7 в

а Wa)J

процессе всегда-содержится либо только полезный сигнал, либо только помеха. Замирания полезного сигнала - гладкие, помеховые составляющие различных ветвей различаются только по амплитуде и фазе. В устройстве осуществляется перестройка амплитуды

51

и фазы второго входного сигнала до тех пор пока его сумма с первым входным сигналом не будет иМеть минимальную энтропию при фиксированной средней мощности. Т.е. суммарный сигнал становится либо помехой, либо полезным сигналом. Он используется для выделения другой составляющей входной суммы с помощью блоков 1 и 2. Получив эти две составляющие, классификатор 6 решает, какая из них - полезный сигнал, и подключает ее на выход устройства.

Рассмотрим подробнее работу устройства. На первом и втором входах устройства имеются сигналы: ,+y,x,cos c00t+q 0+tf(t) +

+у, cos Q0t+q 0+ty(t) ; % zz xiyz x2 cos co0t+C|)(t) + +yicos Q0t+(t),

где - амплитуды полезног сигнала и помехи первого и второго входов;

(0 (.t) ii(j)(t) - изменение фазы полезного сигнала и помехи;

(О и (А - фазовый сдвиг межд компонентами первого и второго входов, соответственно полезного сигнала и помехи.

Выходной сигнал сумматора 13

ка 3J имеет вид

,+ксие+к5и2,

где Кс и Kt- коэффициенты передачи усилителей 19 блоков 20 и 21;

U- - напряжение Ug, сдвинутое по фазе на 90 после прохождения фазовращателя 11 на 90°, т.е.

U4 X2sin o)0 t-Hf (t) +y2sin Q0t+(t)

Для того, чтобы в сигнале U, была полностью скомпенсирована помеха у, необходимо, чтобы коэффициенты Кс и Kg были равны

Кс cosCP.; K5 2J- sinUu. С0 у ° УЈ

(Для компенсации сигнала -Кс -ЈL coslMKvfleinlfc.

94156

Процесс формирования таких Кс и Kg происходит следующим образом (рассмотрим формирование К с в блоке 20, а формирование - в блоке 21 происходит аналогично).

Коэффициент Кс усиления усилителя 19 пропорционален выходному напряжению интегрирующего элемента 10. В «О какой-то промежуточный момент времени (до окончания формирования КСо) коэффициент Кс имеет значение Кс,. При этом значении измеряется значе- ние энтропии выходного сигнала Us 15 при его фиксированной мощности. Для этого сигнал U пропускается через усилитель-ограничитель 22 и блок 18. При этом на его выходе имеется напряжение ,).

20 Усгжитель 9 имеет коэффициент усиления Ј. Тогда на его выходе имеется напряжение . После сумматора 14 имеется напряжение

u7 us+eu2 u,+(кс+б)и2+к3и2,

25 После этого с помощью усилителя- ограничителя 17 и блока 12 измеряется энтропия распределения процесса U при фиксированной средней мощности. На выходе блока 12 напряжение

30 (KC)+Ј).

Два полученных для разных Кс значения энтропии Н(КС( ) и Н(КС1 +Ј) сравниваются. Если Н(К,«, ) меньше, чем Н(КС, +Ј), то для достижения минимума Н нужно уменьшать KC. Если Н(КС1) больше, чем H(KC(+f), то величину Kt нужно увеличивать. Это делается с помощью вычи- тателя 16, где находится разница

.Q Н(Кс, )-Н(КС)+Ј), и интегрирующего элемента 10, который перестраивает величину Кс до тех пор, пока не будет достигнут минимум.

Большое значение имеет выбор

д5 величины шага Ј. Если Ј большой, то сходимость к минимуму будет быстрой, но точность определения КСо невелика (равна половине Ј). Если же Ј - мало, то точность определения

50 К со может быть высокой, но процесс уравновешивания длится достаточно долго.

Для объединения положительных свойств обеих ситуаций и исключения

ее их недостатков величина Ј регулируется. В областях, где Кс далека от КСо значение б относительно большое. Таи, где Кс близко к КСо, величина Ј уменьшается до некоторого минимального Ј0.

1

Для этого величина разности H(KCf)- H(KC, +6) подается на блок 15, выходное напряжение которого управляет коэффициентом усиления усилителя 9 0

Амплитудная характеристика блока должна иметь характеристику вида UBb).,lx/(l +Ј0, ,о(5 1. Блок 15 может быть выполнен, например, в виде двухполупериодного выпрямителя с подставкой, т.е. выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя суммируется с некоторым постоянным положительным напряжением в0,

Таким образом, в блоке 20 происходит перестройка до достижения минимума. То же самое происходит и в бло- ке 21. По завершению этого процесса н выходе сумматора 13 присутствует толь ко одна составляющая из входной суммы: либо х, либо у. Для получения другой составляющей используются блоки 1 и 2о На их выходах выходное на пряжение образовано путем вычитания из входного напряжения всех его составляющих, которые коррелированы с сигналом опорного входа

На опорной вход подается сигнал U3, на первые входы блоков 1 и 2 по- даются сигналы ( .и гг х2+у2. Если U,х (полезный сигнал), то на выходах блоков 1 и 2 будут сигнапы у, и у2. Если (помеха), то ,, U(i)xz, т.е. на выходах блоко 1 и 2 компенсации помех выделяется вторая составляющая входной суммы.

Сигналы и U(y фазируются в блоке 5, далее синфазно складываются в сумматоре 8„ После этого их сумма проходит усилитель-ограничитель 4 и поступает на второй вход коммутатора 7. На первый его вход подается сигнал с выхода усилителя-ограничителя 22, т0е, первая составляющая входной суммыо Одна из этих составляющих - полезный сигнал, другая - помеха1. Коммутатор 7 подключает на выход полезный сигнал. Для этого он управляется знаком напряжения, кото- рое поступает на его управляющий вход с выхода классификатора 6.

Рассмотрим как работают блоки 18, 12 и 38. Как известно из статистической радиотехники энтропия Hz процес- са z, имеющего функцию плотности распределения С0г (U) , равна

Нг I GUUHogzCOiOOdU.

8

+

В блоках 18, 12 и 38 измеряется

приближенное значение энтропии л N

.P;log2P;,

где Р; CDZ (U)dU;

N - число интервалов разбиения

области значения z; zj; Р - границы 1-го интервала разбиения

С ростом N значение А- приближается к Н2. В каждом конкретном случае число интервалов анализа N выбирается, исходя из требований на точность оценки H-Z. Область значений z известна, она определяется исходя из параметров усилителей-ограничителей. Величина Р; имеет физический смысл вероятности попадания текущего значения z(t) между величинами z и z Величины Z; выбираются равномерно расположенными по области значений zQ величины z(t), т.ес z;

i-1

- zc, где гмин - минимальное значение z(t) из области значений 0 (Если о сигналах имеются дополнительные сведения, то разбиение интервала z0 может быть не равномерным, а более густым - в области больших плотностей распределения z).

В блоках 12,18 и 38 величина II2 измеряется следующим образомс Элементы 39 имеют свой порог срабатывания. Когда входное напряжение данного элемента 39 выше его порога, то на выходе вырабатывается единичный потенциал. Если входное напряжение ниже порога, то выходной потенциал - нулевой. Пороги всех элементов 39 уменьшаются с ростом номера элемента 39 и равны границам Z-, т.е. порог первого элемента 39 равен ZN, порог второго элемента 39 равен z и так далее. Порог N-ro элемента 39 равен zwv,4 ,

В вычитателях 43 определяется разность между входными сигналами„ На выходе каждого вычитателя 43 может быть либо единичный, либо нулевой уровень напряжения. Единичный уровень напряжения соответствует попаданию входного сигнала z(t) между соответствующими границами г ; и z (+ Нулевой - когда z(t) вне интервала, соответствующего данному вычитате- лю.

Элементы 40 однотипные и вырабатывают напряжение, равное среднему

9161

уровню их входного сигнала. Таким образом, на выходе каждого элемента 40 образуется напряжение,- пропорциональное среднему времени пребывания входного сигнала z(t) внутри соответствующего интервала ЈziJz} + т, е величине PJ «,

В однотипных перемножителях 42 перемножаются сигнапы с выходов элементов 40 и прошедшие через логарифмические усилители 41. Напряжение на выходе логарифмических усилителей 41 пропорционально логарифму по основанию 2 от входного напряжения. Выходные сигналы всех перемножителей 42 складываются в сумматоре 44, выходной сигнал которого пропорционален величине энтропии Н входного процесса z(t).

Рассмотрим как работает классификатор 6. Считаем, что сигнал и помеха уже разделены Для определения того, который из этих двух сигналов полезный сигнал, производятся две параллельные процедуры различными методами Их результаты дублируют одна другую Первый метод использует блок 38, вычитатели 23 и 29 и вибраторы 24 и 25, элемент 26 и источник 28. Метод пригоден для случая, когда энтропия помехи отличается от энтропии полезного сигнала (величина энтропии полезного сигнала известна)« Интервалы усреднения элемента 40 в блоках 12,18 и 38 выбраны меньше квазипериода быстрых замираний. Поэтому быстрые замирания на величину измеренной энтропии сигнала не действуют. В этом методе сравнивается измеренное значение энтропии обоих разделенных сигналов. Сигнал, у которого измеренная энтропия ближе к известной величине энтропии полезного сигнала, считается полезным и подключается на выход устройства.

Для осуществления этого в блоке 38 измеряется ее значение для сигнала с входа одного из разделенных сигналов. Значение энтропии другого сигнала уже вычислено ранее в блоке 18 и подается на вход классификатора 6. Далее из этих двух величин в вычитате- лях 23 и 29 вычитается напряжение, пропорциональное известной величине энтропии сигнала и подаваемое от источника 28. Результаты вычитания возводятся в квадрат в квадраторах 24 и 25 для устранения зависимости от

415Ю

знака и поступают на элемент 26. Последний вырабатывает выходной сигнал положительной или отрицательной полярности в зависимости от того, какой из входных сигналов больше. Если оба сигнала малы (в том редком случае, если энтропия помехи точно равна энтропии сигнапа) , то выходной

Ј сигнал элемента 26 равен нулю. Этот

выходной сигнал подается на сумматор . 27. Полярность выходного напряжения сумматора 27 управляет переключением коммутатора 7. При одной его поляр5 ности на выход коммутатора 7 подключается сигнал с его первого входа, при другой полярности сигнал со второго входа.

Второй метод различения сигнала и

0 помехи основан на том, что в данной тропосферной связи источники помех такого уровня, который соизмерим на входах приемников с уровнем полезного сигнала, могут располагаться

5 только в зоне прямой радиовидимости данной станции. При этом при любом виде помех амплитуда помеховых составляющих в обоих разнесенных антеннах может меняться только одновремен30 но. Иными словами, соотношение амплитуд всегда константа или медленно меняющийся процесс Изменение его определяется в основном тангенциальной составляющей скорости перемеще- ния источника помех и соотношением расстояния между антеннами к расстоянию до источника. В практических условиях работы величина достаточно малая.

4Q В то же время известно, что в реальных условиях работы тропосферной линии полезный сигнал всегда подвержен замираниям амплитуды. Кроме этого, разнесенные антенны располага45 ются так, чтобы замирания сигнала в них были некоррелированы. Это означает, что соотношение амплитуд полезных составляющих входных разнесенных сигналов все время меняется со скоростью

50 быстрых замираний. Это различие в

скорости изменения соотношения амплитуд используется для дополнительного разнесения сигнала и помехи.

Процедура осуществляется следую5 щим образом. Сигналы выходов блоков 1 и 2, которые подаются на первый и второй вход классификатора 6 - это одна из составляющих, обоих разнесенных сигналов. В классификаторе 6 с помощью амплитудных детекторов 30 и 33 определяется амплитуда этой составляющей в разнесенных сигналах.

После этого с помощью усилителя 31, вычитателя 34 и интегрирующего элемента 32 производится подстройка одной амплитуды к уровню другой. Для этого одна из них пропускается через

рой блоки компенсации, входы которых являются первым и вторым входами двух- канального устройства соответственно, а выходы соединены с первым и вторым входами блока фазирования соответственно, первый и второй выходы блока фазирования соединены с первым и вторым входами первого сумматора соответ

Изобретение относится к технике связи и может быть использовано в системах дальней тропосферной связи в условиях воздействия помех. Цель изобретения - повышение отношения мощности полезного сигнала к мощности помехи в условиях совпадения законов рас- пределетш плотности вероятности полезного сигнала и помехи или равенства соотношения между вторым и четвертым моментами распределения сигнала и помехи. Двухканальное устройство подавления помех содержит первый и второй блоки компенсации, блок селекции сигнала с минимальной энтропией, усилитель-ограничитель, блок фазирования, классификатор сигнал-помеха, коммутатор и сумматор 8. В устройстве производится разделение сигнала и помехи, классификатор производит оценку статистических свойств разделенных сигналов и при помощи коммутатора .подключает на выход полезный сигнал. 3 з.п. ф-лы, 5 ил„ (Л

усилитель 31 с регулируемым коэффици- JQ ственно, отличающееся тем, ентом усиления. Далее определяется разность этих амплитуд с помощью вычитателя 34. Разностный сигнал подается на элемент 32, выходное напряжение которого управляет коэффициентом уси- 15 полезного сигнала и помехи или равенчто, с целью повышения отношения мощности полезного сигнала к мощности помехи в условиях совпадения законов распределения плотности вероятности

ства соотношения между вторым и четвертым моментами распределения полезного сигнала и помехи, в него введены классификатор сигнал - помеха, перления усилителя 31. Интегрирующий элемент 32 изменяет свое выходное напряжение, а с ним и коэффициент /усиления усилителя 31 до тех пор, пока на его входе не станет нулевое напря- 20 вый и второй сигнальные входы соедине- жение.ны с выходами первого и второго блоТаким образом, постоянные отличия ков компенсации соответственно, соеди- уровня напряжения на входе интегри- ненные последовательно первый усили- рутощего элемента 32 от нуля, что сви- тель-ограничитель, вход которого сое- детельствует о постоянной перестрой- 25 динен с выходом первого сумматора, а

выход соединен с третьим сигнальным входом классификатора сигнал - помеха, и коммутатор, выход которого явке интегрирующего элемента 32 и о постоянном изменении сотношения амплитуд сигналов на первом и втором входах, говорят о том, что этот сигнал - полезный. Если же это помеха, то интегрирующий элемент 32 один раз подстроится, а дальше будет долгое время пребывать без изменения, и напряжения на его входе будет долгое время близко к нулю. Средний уровень этого напряжения определяется с помощью квадратора 35 и элемента 36, Его величина сравнивается с порогом в пороговом элементе 37, который вырабатывает управляющее напряжение различ- 0 сигнала оценки энтропии соединен с ных знаков в зависимости от того, пре- входом сигнала оценки энтропии клас- вышен или не превышен порогс Классификация сигналов требуется достаточно редко, так как система, которая их разделяет из входной суммы, цепная 45 ции сигнала с минимальной энтропией и после разделения может их удерживать содержит соединенные последовательно длительное время.

Использование предлагаемого двух- канального устройства позволяет эффекляется выходом двухканального устрой- 30 ства, а управляющий вход соединен с выходом классификатора сигнал - помеха, блок селекции сигнала с минимальной энтропией, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым ,,. входами двухканального устройства; выход сигнала с минимальной энтропией соединен с входами опорного сигнала первого и второго блоков компенсации и другим входом коммутатора, а выход

сификатора сигнал - помеха.

2 о Устройство по п. отличающееся тем, что блок селеквторой сумматор, первый вход которого является первым входом блока селекции сигнала с минимальной энтропией,

тивно подавлять внешние помехи систе- 50 вт°Р°й усилитель-ограничитель, выход

которого является выходом сигнала с минимальной энтропией блока селекции сигнала с.минимальной энтропией, и первый блок оценки энтропии, выход которого является выходом сигнала оценки энтропии блока селекции сигнала с минимальной энтропией, фазовращатель на 90°, вход которого соединен с вторым входом блока селекции сигнамам тропосферной связи с пространственным разнесением. При этом оно инвариантно к виду полезного сигнала и помехи, что значительно повышает помехоустойчивость связи, Формула изобрв тения

ственно, отличающееся тем, полезного сигнала и помехи или равенчто, с целью повышения отношения мощности полезного сигнала к мощности помехи в условиях совпадения законов распределения плотности вероятности

ства соотношения между вторым и четвертым моментами распределения полезного сигнала и помехи, в него введены классификатор сигнал - помеха, первый и второй сигнальные входы соедине- ны с выходами первого и второго блосигнала оценки энтропии соединен с входом сигнала оценки энтропии клас- ции сигнала с минимальной энтропией содержит соединенные последовательно

ляется выходом двухканального устрой- ства, а управляющий вход соединен с выходом классификатора сигнал - помеха, блок селекции сигнала с минимальной энтропией, первый и второй входы которого соединены с первым и вторым входами двухканального устройства; выход сигнала с минимальной энтропией соединен с входами опорного сигнала первого и второго блоков компенсации и другим входом коммутатора, а выход

сигнала оценки энтропии соединен с входом сигнала оценки энтропии клас- ции сигнала с минимальной энтропией содержит соединенные последовательно

сификатора сигнал - помеха.

2 о Устройство по п. отличающееся тем, что блок селексигнала оценки энтропии соединен с входом сигнала оценки энтропии клас- ции сигнала с минимальной энтропией содержит соединенные последовательно

второй сумматор, первый вход которого является первым входом блока селекции сигнала с минимальной энтропией,

10

15

1316194

ла с минимальной энтропией, первый и второй блоки формирования компенсирующего сигнала, содержащие первый усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, управляющий вход кото- 5 рого соединен с выходом первого интегрирующего элемента, и соединенные последовательно второй усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, третий сумматор, другой вход которого соединен с выходом второго сумматора, третий усилитель-ограничитель, второй блок оценки энтропии, первый вычитатель, другой вход которого соединен с выходом первого блока оценки энтропии, а выход соединен с входом первого интегрирующего элемента, и блок определения модуля сигнала, выход которого соединен с управляющим 20 входом второго усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, входы первых усилителей с регулируемыми коэффициентами усиления первого и второго блоков формирования компенсирую- 25 щего сигнала соединены с вторым и третьим входами второго сумматора соответственно, а их входы соединены с вторым входом блока селекции сигнала с минимальной энтропией и с выхо- -,« дом фазовращателя на 90° соответственно о .

10

15

4

5 20 25 -,«

5 ,

0

1514

тий вычитатель, другой вход которого является входом сигнала оценки энтропии классификатора сигнал - помеха, и второй квадратор, выход которого соединен с другим входом блока сравнения, соединенные первый амплитудный детектор, вход которого является первым сигнальным входом классификатора сигнал-помеха, и третий усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, управляющий вход которого соединен с выходом второго интегрирующего элемента, соединенные последовательно второй амплитудный детектор , вход которого является вторым сигнальным входом классификатора сигнал-помеха, четвертый вычитатель, выход которого соединен с входом второго интегрирующего элемента, третий квадратор, первый элемент усреднения и первый пороговый элемент выход которого соединен с другим входом четвертого сумматора

Цйц-ЦН

D-

J Фие.2

3

-я

38

23

If

2в

30

31

33

34

HL

Фи&Ь

24

1

26

27

25

CF

35

36

37

-

32

Фиг.З

Фие.5