Устройство для приема широкополосных сигналов Советский патент 1992 года по МПК H04B1/10 H04L7/02 

1

$ 1)4829210/09 1 (22) 24.05.90 (46)07.11.92. Бюл. Ns41

(71)Воронежский научно-исследовательский институт связи

(72)В. А. Маковий

(56)Авторское свидетельство СССР

№ 1637026, кл. Н 04 В 1/10. Н 04 L 7/02, 1988.

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИЕМА ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ

(57)Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах связи с широкополосными сигналами. Цель

изобретения - повышение помехоустойчивости. Устройство для приема широкополосных сигналов содержит блок-1 бланкирования импульсных помех, полосовые фильтры 2i-2m, блоки регулирования усиления, сумматор 4, аналого-цифровой преобразователь 6, блок 6 быстрого преобразования Фурье, блок 7 умножения, ключ 8, генератор 9 одиночного импульса, блок 10 выбора режима работы, блок 11 вычисления корректирующих коэффициентов, блок 12 бланкирования узкополосных помех( коррелятор 13, формирователь 14 опорного сигнала и пороговый блок 15. 1 ил.

vj XJ 4 01 О СП

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в системах связи с широкополосными сигналами.

Известно устройство цифровой обработки широкополосных сигналов, описанное в книге Мартынова В.А., Селихова Ю.И, Панорамные приемники и анализаторы спектра, М.: Сов. радио, 1980, с.260. В устройстве сигнал с выхода широкополосного тракта поступает на вход АЦП, где преобразуется в цифровую ферму. Отсчеты выходного сигнала с выхода АЦП поступают на цифровое вычислительное устройство, где определяются его спектральные характеристики.

Динамический диапазон цифрового вычислительного устройства и устройства в целом при воздействии узкополосных помех ограничен разрядностью АЦП.

Известно устройство корреляционной обработки широкополосных сигналов, описанное в статье A.Giordano, H.Sunkenberg и др A Spread Spectrum Simulcast MF-Radio Network, IEEE Trans, on Communications, vol Com.30, № 5, May 1982, pp.1060-1062.

Устройство, содержащее блок селекции узкополосных помех и два демодулятора для снятия скачков по частоте и частотной манипуляции, имеет на входе блок дискретного преобразования Фурье (БПФ). Динамический диапазон устройства ограничен и определяется разрядностью АЦП блока дискретного преобразования Фурье и уменьшается при воздействии узкополосной помехи.

Известно устройство корреляционной обработки широкополосного сигнала, описанное в статье Бахтиярова Г.Д., Тищенко А.Ю Реализация устройства цифровой обработки сигналов на основе алгоритма БПФ, Зарубежная радиоэлектроника, Ns 9, 1975,с.71-98.

В этом устройстве входной сигнал переносится в двух квадратурных каналах на видеочастоту, а затем преобразуется в АЦП в цифровую форму. Блок БПФ преобразует сигнал с выхода АЦП в частотную область. Спектр входного сигнала перемножается со спектром опорного сигнала. Произведение спектров подвергается обратному быстрому преобразованию Фурье. Результаты обратного преобразования поступают на цифровой детектор, выход которого является выходом устройства.

И для этого устройства динамический диапазон при воздействии узкополосных помех ограничен разрядностью АЦП.

Наиболее близко к предлагаемому устройство по авт ев Мг 1637026

Устройство-прототип содержит блок бланкирования импульсных помех, вход которого является входом устройства, а выход блока бланкирования через N цепочек, состоящих из последовательно соединенных полосового фильтра и блока регулировки усиления, соединен с N входами сумматора. Выход сумматора через АЦП подсоединен к входу блока БПФ, выход которого через

0 блок умножения соединен с входами блока бланкирования узкополосных помех, выходы которого соединены с группой входов коррелятора. Другая группа входов коррелятора соединена с выходами блока форми5 рования опорного сигнала, выходы блока корреляторов соединены с входами порогового устройства, выход которого является выходом устройства. Выходы блока памяти соединены с группами входов блоков пере0 множителей, одни из входов которых соединены с выходами соответствующих блоков регулировки усиления, Выходы блоков перемножения соединены с входами блока суммирования, выходы которого через блок

5 вычисления корректирующих коэффициентов, состоящего из последовательно соединенных блоков вычисления обратной величины и блока задержки, соединены с входами блока умножения.

0 Помехоустойчивость устройства-прототипа определяется не только эффективностью обработки в корректоре, но и точностью восстановления исходного сигнала на его входе. Временной дрейф пара5 метров полосовых фильтров, погрешность установки цифровой величины коэффициента передачи блока регулировки усиления приводят к ухудшению помехоустойчивости устройства-прототипа.

0 Разработка высокостабильных полосовых фильтров и блоков регулировки усиления является сложной технической задачей. Но и решение этой задачи частично или-в полном объеме не устраняет принципиаль5 ного недостатка устройства-прототипа - его помехоустойчивость зависит от стабильности и точности полосовых фильтров и блоков регулировки усиления,

Цель изобретения - повышение помехо0 устойчивости при неизменной стабильности параметров полосовых фильтров, блоков регулировки усиления и упрощения устройства.

Поставленная цель достигается тем, что

5 в устройство-прототип введены аналоговый ключ, присоединенный между выходом блока бланкирования импульсных помех и входами полосовых фильтров, генератор одиночного импульса и блок управления и исключены блок памяти, сумматор и N перемножителей, блок выбора режима работы, вход которого соединен с выходами блоков регулировки усиления, первый выход блока управления соединен с входами соответствующих блоков регулировки усиления, а также входами аналогового ключа и генератора одиночного импульса, выход которого соединен с вторым входом аналогового ключа, второй выход блока управления соединен с входом блока памяти, группа входов которого соединена с выходами блока БПФ, а выходы соединены с группой входов блока вычисления обратной величины.

Для увеличения помехоустойчивости после установки коэффициентов передачи блоков регулировки усиления через аналоговый ключ на входы полосовых фильтров подается импульс, сформированный генератором одиночного импульса. Длительность этого импульса такова, что его спектр в полосе пропускания фильтров равномерный. С помощью импульса измеряется комплексный суммарный коэффициент передачи блоков регулировки усиления и полосовых фильтров, Результат измерения записывается в блок памяти. Затем при приеме для восстановления сигнала используются отсчеты истинного измеренного суммарного комплексного коэффициента передачи. Таким образом компенсируется изменение параметров полосовых фильтров и блоков регулировки усиления под воздействием дестабилизирующих факторов.

При дополнительном поиске не обнаружены объекты со сходными признаками отличительной части, поэтому предлагаемое решение отвечает критерию существенные отличия.

Блок-схема предлагаемого устройства представлена на фиг.1.

Устройство содержит блок 1 бланкирования импульсных помех, полосовые фильтры 2.1-2.N, блоки 3.1-3.N регулировки усиления, сумматор 4, аналого-цифровой преобразователь 5, блок БПФ 6, блок 7 умножения, аналоговый ключ 8, генератор 9 одиночного импульса, блок 10 выбора режима работы, блок 11 вычисления корректирующих коэффициентов, блок 12 бланкирования узкополосных помех, коррелятор 13, блок 14 формирования опорного сигнала, пороговый блок 15.

Блок 1 бланкирования импульсных помех, вход которого является входом устройства, соединен с аналоговым ключом 8, второй вход которого соединен с выходом генератора 9 одиночного импульса. Выход аналогового ключа 8 соединен с входами N полосовых фильтров 2.1-2.N, выходы которых через блоки 3.1-3.N регулировки усиления соединены с соответствующими входами сумматора 4.

В состав устройства входят также последовательно соединенные АЦП 5. вход 5 которого соединен с выходом сумматора 4, блок БПФ 6, блок 7 умножения, блок 12 бланкирования узкополосных помех, коррелятор 13, соответствующие входы которого соединены с выходами блока 14 формирова- 10 кия опорного сигнала, пороговый блок 15, выход которого является выходом устройства. Блок 10 выбора режима работы своим входом соединен с выходами блоков 3.1-3.N регулировки усиления, первый выход блока

5 10 выбора режима работы соединен с входом генератора 9 одиночного импульса, вторым входом аналогового ключа 8 и вторыми входами соответствующих блоков 3.1-3.N регулировки усиления.

0 Второй выход блока 10 выбора режима работы через блок 11 вычисления корректирующих коэффициентов, входы которого соединены с выходами блока БПФ 6, соединен с входами блока 7 умножения.

5 Работает устройство следующим образом.

Входная смесь сигнала, импульсных, флуктуационных и сосредоточенных помех поступает на вход блока 1 бланкирования

0 импульсных помех.

С выхода блока 1 смесь сигнала, флуктуационных и сосредоточенных помех через аналоговый ключ 8 поступает одновременно на N полосовых фильтров 2.1-2.N, которые

5 разбивают диапазон частот входного сигнала на М поддиапазонов. Сигнал с выхода полосовых фильтров 2.1-2.N поступает на входы блока 3.1-3.N регулировки усиления, выходы которых соединены с входами сум0 матора 4.

Возможная реализация блока регулировки усиления 3 приведена в статье Binary galne-range amplifier operates over wide dynamic range, Electronic Design, vol 27, №

5 3, 1979, блок-схема которого (фиг.2) содержит: детектор 17, пороговое устройство 18, второе пороговое устройство 19, счетчик 20, управляемый аттенюатор 21, элемент И 22, элемент И 23 с открытым коллектором.

0 Входной сигнал поступает на первый вход управляемого аттенюатора 21, коэффициент передачи которого определяется цифровым кодом, поступающим с выхода счетчика 20 на управляющий вход аттенюа5 тора 21. С выхода управляемого аттенюатора 21 сигнал последовательно поступает на детектор 17 и на два пороговых устройства 18 и 19, которые сравнивают величину входного сигнала с заранее установленными максимальным и минимальным значениями. Если амплитуда выходного сигнала детектора 17 выше максимального значения, с выхода первого порогового устройства 18 на первый разрешающий вход счетчика 20 поступает сигнал, разрешающий уменьшение коэффициента передачи, пока выходной сигнал не станет меньше установленного значения. Если амплитуда выходного сигнала детектора 17 ниже минимального значения, с выхода второго порогового устройства 19 на второй разрешающий вход счетчика 20 поступает сигнал, разрешающий увеличение коэффициента передачи, пока выходной сигнал не станет выше установленного минимального значения. При отом на тактовый вход счетчика 20 поступают тактовые импульсы через элемент М 22, если сигнал разрешения подстройки равен 1. Если сигнал разрешения подстройки равен О1 , поде г ройка запрещена. Если одно мз пороговых устройств 18 или 19 разрешает изменение коэффициента передачи блоков регулировки усиления, на выходе элемента И с открытым коллектором 23 устанавливается низкий уровень, означающий необходимость изменения коэффициента передачи. Эти сигналы всех N блоков регулировки усиления 3 объединяются по схеме Проводное ИЛИ и поступают на вход блока выбора режима работы 10. Таким образом на входе блока 10 управления возникает положительный перепад сигнала в момент окончания подстройки всех блоков регулировки усиления 3.1-3.N.

Выходные сигналы блоков 3.1-3.N регулировки усиления поступают на входы сумматора 4. Результаты сложения через АЦП 5, например, параллельного типа (см. Хоро- виц Д,, Хилл У, Искусство схемотехники, М.: Мир, 1983, т.2, с.60), поступают на вход блока БПФ б, в котором отсчеты сигнала преобразуются из временной в частотную область (связи на фиг.1 показаны функционально).

Примео реализации блока БПФб приведен в статье Бахтиярова Г.Д., Тищенко А.КХ Реализация устройств цифровой обработки сигналов на основе алгоритма БПФ, Зарубежная радиоэлектроника № 9, 1975, с.71- 98, рис.8.

Выходной сигнал блока БПФ 6 поступает на первый вход блока 7 умножения,, при- чем все величины спектральных составляющих из блока БПФ б поступают одновременно и параллельно.

В блоке7умножения происходит параллельное умножения величии спектральных составляющих на соответствующие отсчеты обратного комплексного коэффициента передачи полосовых фильтров 2.1-2.N с учетом коэффициентов усиления в блоках

После окончания подстройки блоков

0 3.1-3.N регулировки усиления возникает положительный перепад на входе блока 10 выборе режима работы. Возможная реализация блока 10 выбора режима работы представлена на фиг.З, где обозначено:

5 10.1 - одновибратор, запускаемый положительным перепадом;

После окончания подстройки БРУ

0 3.1-3.N устройство переходит в режим измерения суммарного комплексного коэффициента передачи, запускается одно- вибратор 10.1. Высокий уровень с первого выхода блока 10 выбора режима работы по5 ступает на управляющий вход аналогового ключа 8, переключая его так, что выход генератора 9 одиночного импульса подключается к входам полосовых фильтров 2.1-2.N. Одновременно он поступает на вторые вхо0 ды БРУ 3.1-3.N и запрещает изменение их коэффициентов передачи, а также поступает на вход генератора одиночного импульса 9 и запускает его.

Одиночный короткий импульс имеет

5 спектр Su((«) равномерный в полосе пропускания. После прохождения через N блоков 3.1-3.N регулировки усиления, полосовые фильтры 2.1-2.N и сумматор 4 его спектр на выходе блока БПФ

0,

N

(y)Su(ft)- Z Ki(j u)) Ki,(1)

g где Ki(j ft) - коэффициент передачи {-го полосового фильтра;

К - коэффициент передачи 1-го блока регулировки усиления;

N - число полосовых фильтров.

g Длительность импульса одновибратора 10.1 такова, что к моменту его окончания на выходах блока БПФ6, присутствуют отсчеты спектра 5 и(й), Поскольку Su(y) постоянна в полосе частот, ее величину можно обознаg чить постоянной D. Отсчеты спектра на выходе блока БПФ 6 с точностью до постоянного множителя совпадают с отсчетами суммарного комплексного коэффициента передачи N полосовых фильтров, N блоков регулировки усиления, сумматора и

АЦП. После окончания импульса на выходе одновибратора 10.1 запускается одновиб- ратор 10.2, и сигнал с второго выхода блока 10 выбора режима работы записывает отсчеты с выхода блока БПФ 6 в блок 11 вычисления корректирующих коэффициентов параллельно.

Длительность импульса одновибратора 10.2 равна минимально необходимому времени для надежной записи всех отсчетов параллельно и одновременно в блок 11 вычисления корректирующих коэффициентов.

Поскольку форма сигнала на входе блока БПФ 6 во время контрольного измерения не совпадает с формой принимаемого полезного широкополосного сигнала, сигнал на выходе коррелятора 13 не достигает значений, превышающих порог блока 15, сигнал на выход устройства не поступает.

На этом заканчивается измерение установившегося суммарного комплексного коэффициента передачи, и устройство возвращается в режим приема. С первого выхода блока 10 выбора режима работы сигнал низкого уровня запрещает работу генератора 9 одиночного импульса, разрешает подстройку блоков 3.1-3.N регулировки усиления и переключает аналоговый ключ 8 так, что сигнал с выхода блока 1 бланкирования импульсных помех поступает на вход полосовых фильтров 2.1-2.N.

Рассмотрим подробнее работу устройства в режиме приема. Предположим, что на вход поступает сигнал со спектральной плотностью S(o). Тогда на выходе БПФ его спектр

N S(u)) S{u))- SKi(ju)Ki

Отсчеты измеренного комплексного коэффициента передачи поступают параллельно на входы блока 11 вычисления корректирующих коэффициентов На выходе блока 11 имеем отсчеты обратного суммарного коэффициента передачи

N,

Ko6p(jft) D 2KiOu))Kir

Эти отсчеты поступают параллельно на второй вход блока 7 умножения, где происходит умножения спектральных отсчетов сигнала (формула 2) на соо гветствующие отсчеты обратного коэффициента передачи (формула 3). Блок 7 умножения может быть выполнен как К умножителей, где К-число отсчетов на выходе блока БПФ 6, Спектр сигнала на выходе блока умножения

N SO) 2Ki(jft) К,

D Z Ki(jft) Ki

45

Восстановленный таким образом сигнал поступает на вход блока 12 бланкирования узкополосных помех, где подавляются

10 спектральные составляющие этих помех.

В спектре смеси сигнала, флуктуацион- ных и сосредоточенных помех спектральные составляющие узкополосной помехи представляют собой импульсы, значительно

15 превосходящие по амплитуде другие спектральные составляющие. Следовательно, блок 12 бланкирования узкополосных помех может быть выполнен как блок бланкирования импульсных помех в спектральной обла20 сти, аналогично блоку 1 бланкирования входных импульсных помех.

Сигнал с выхода блока 12 бланкирования узкополосных помех поступает на первый вход коррелятора 13, на второй вход

25 которого поступает сигнал с выхода блока 14 формирования опорного сигнала. Коррелятор может быть выполнен как последовательно соединенные блок умножения и блок обратного быстрого преобразования

30 Фурье.

В корреляторе 13 определяется взаимно-корреляционная функция опорного сигнала и сигнала с выхода блока 12 бланкирования узкополосных помех. Вы35 борки с выхода коррелятора 13 поступают на пороговый блок 15. Превышение порога означает обнаружение сигнала.

В устройстве-прототипе сигнал после восстановление имеет спектр вида

40

N 3,0) 2К, (J со)-К,

8п(а) -н1-, (5)

2 ()-Ku(jG)

где di - погрешность установки коэффициента усиления в 1-том блоке регулировки усиления;

50 Ku(j со) - комплексный коэффициент передачи 1-го полосового фильтра, занесенный в блок памяти.

Таким образом, при восстановлении сигнала в устройстве-прототипе из-за нали55 чия ошибок восстановления помехоустойчивость ниже, чем в предлагаемом

В предлагаемом устройстве из-за периодического измерения истинного коэффициента передачи отсутствуют погрешности

восстановления, ухудшающие помехоустойчивость и вызванные неточностью блоков регулировки усиления и нестабильностью полосовых фильтров.

Если амплитуда сигнала неизменна, контрольное измерение производится однократно, после первоначального включения устройства. Практически из-за изменения входного сигнала, атмосферных и иных помех временной интервал между контрольными измерениями недостаточен для заметного изменения параметров полосовых фильтров вследствие температурной и временной нестабильности.

Выигрыш при 16 полосовых фильтрах и 10-разрядном АЦП составляет не менееЗ дБ по сравнению с устройством-прототипом. Выигрыш увеличивается, если узкополосная помеха попадает в область частичного перекрытия амплитудно-частотной характеристики полосовых фильтров, т.е. в область наименьшей стабильности параметров.

Упрощение достигается за счет исключения N блоков перемножения в устройстве-прототипе. Каждый из этих блоков представляет М устройств перемножения комплексных чисел, где М - количество отсчетов на выходе блока БПФ. Каждое устройство перемножения комплексного числа содержит четыре устройства умножения действительных чисел.

Таким образом, в предлагаемом устройстве на 4MN меньше перемножителей комплексных чисел. При N 8, М 128 выигрыш - более четырех тысяч умножителей, что существенно упрощает устройство по сравнению с прототипом.

Разрешение подстройки

Формула изобретения Устройство для приема широкополосных сигналов, содержащее блок бланкирования импульсных помех, последовательно

соединенные аналого-цифровой преобразователь (АЦП), блок быстрого преобразования Фурье, блок умножения,-к другим входам которого подключены соответствующие выходы блока вычисления корректиру0 ющих коэффициентов, блок бланкирования узкополосных помех, корреляюр, к другим входам которого подключены соответствующие выходы формирователя опорного сигнала, а также М полосовых фильтров, входы

5 которых соединены между собой, а выходы соединены с входами соответствующих блоков регулирования усиления, выходы которых через сумматор подключены к входу АЦП, отличающееся тем, что, с целью

0 повышения помехоустойчивости, введены последовательно соединенные блок выбора режима работы, генератор одиночного импульса и ключ, включенный между выходом блока бланкирования импульсных помех л входами М полосовых фильтров, выходы сигнала ошибки М блоков регулирования усиления соединены с соответствующим входом блока выбора режима работы, первый выход которого соединен с соответствую0 щими входами ключа и М блоков регулирования усиления, а второй выход блока выбора режима работы соединен с управляющим входом блока вычисления корректирующих коэффициентов, к другим входам которого подключены соответствующие вы5

5

ходы блока быстрого преобразования Фурье.

Выход

подстройка

Фиг 2.

uyiepeHi/e

комплексного

KQ-i(p(,- fepedfW

L подстройку

, -ю

Фиг.З

запцсь нового

комплексного коэффии, nepedwt/