Устройство для оценки параметров многолучевого канала связи Советский патент 1992 года по МПК H04B3/46 

Изобретение относится к радиосвязи и предназначено для использования в системах передачи дискретных сообщений по каналам связи с рассеянием энергии принимаемых сигналов во времени (в частности, в многолучевых каналах декаметро- вого диапазона) в условиях действия сосредоточенных помех.

Наиболее близким по технической сущности является устройство для оценки параметров многолучевого канала связи.

Данное устройство содержит расщепитель входного сигнал; на низкочастотные компоненты, в каждой из которых отсчеты сигнала поступают на линию задержки, причем время задержки выбирается равным времени рассеяния в канале. Отсчеты сигнала с выхода линии задэржки поступают на сумматоры, в которых осуществляется компенсация сигналов межсимвольной интерференции путем вычитания из приходящего сигнала мешающих отсчетов импульсного отклика канала связи. Мешающие отсчеты формируются на выходе соответствующих перемножителей, где отсчеты импульсной реакции взятые с выхода усредняющих

фильтров (выходы всего устройства) умножаются на знаковые коэффициенты, хранящиеся в регистре сдвига, которые поступают на вход регистра от блока решения. Сигнал, очищенный от мешающих отсчетов, подается на перемножители, осуществляющие снятие манипуляции посредством умножения на знаковый коэффициент, хранящийся в регистре сдвига, а результат умножения поступает на усредняющий фильтр, где осуществляется весовое суммирование предыдущего и текущего результатов.

Данному прототипу присущ недостаток, обусловленный достаточно высокой средне- квадратической ошибкой (СКО) оценивания импульсной реакции канала связи в условиях действия сосредоточенных по спектру помех.

Целью изобретения является повышение точности оценивания.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для оценки параметров многолучевого канала связи, содержащее расщепитель входного сигнала, вы/од которого подключен к входу элемента задержки, блок

сл

с

00

S

Ј

оценки весовых коэффициентов, регистр сдвига и решающий блок, выход которого подключен ко входу регистра сдвига, введены Ю 1 ячеек задержки, К двухвходовых сумматоров, К блоков оценки, К(М+1)-входовых сумматоров, К зкстраполяторов, К усреднителей, блок сравнения и коммутатор, выход элемента задержки соединен с первыми входами каждого двухвходового сумматора и со входом первой ячейки задержки, выходы двухвходовы1 сум м атсГров через соответствующие ячейки задержки соединены с первыми входами соответствующих блоков оценки весовых коэффициентов, одноименные вторые входы которых объединены и соединены с соответствующими выходами регистра сдвига, вторые выходы соответствующих блоков оценки весовых коэффициентов соединены с вторыми входами соответствующих (Nt-1) входовых сумматоров, первые входы каждого из которых соединены с выходом соответствующей ячейки зад ержки выходы (N+1) входовых сумматоров соединены со входами соответствующих экстраполягоров и через усреднители со входами блока сравнения выходы соответствующих экстраполяторов соединены со вторыми входами соответствующих двухвходовых сумматоров, выходы блока сравнения соединены с управляющими входами коммутатора к первым входам которого подключены первые выходы всех блоков оценки, выходы коммутатора являются выходами устройства

Заявляемое устройство отличается от изобретения по а с № 780211 тем, что в нем осуществляется фильтрация сосредоточенных по спбктру помех по параллельной многоканальной схеме анализа путем измерения, экстраполяции (предсказания) и вычитания отсчетов сосредоточенной помехи из отсчетов приходящего сигнала в каждом канале и выбора канала в котором фильтрация помехи осуществляется наилучшим образом

На фиг 1 представлена функциональная схе ма предлагаемого устройства оценки на фиг 2 - схема блока оценки для на фиг 3 - структурно-логическая схема устройства сравнения на фиг 4 фрагмент реализации схемы коммутатора

Устройство содержит расщепитель 1 входного сигнала на низкочастотные компоненты, элемент задержки 2, ячейку задержки 3, К двухвходовых сумматоров 4, К других ячеек задержки 5, К блоков оценки 6, K(N+1)- вхОдовых сумматоров 7, К экстраполяторов

8,К усреднителей 17, устройство сравнения

9,коммутатор 10, решающий блок 11 и N- разрядный регистр сдвига 12

Блок оценки 6, раскрытый на фиг.2, содержит N сумматоров 13, N перемножителей 14 N усредняющих фильтров 15 и N перемножителей-инверторов 16.

Входной сигнал, расщепленный на низкочастотные компоненты в расщепителе 1, предварительно задерживается в элементе задержки 2 так, чтоб в каждом двухвходо- вом сумматоре 4 в предположении, что со0 средоточенная помеха попала в данный канал многоканальной схемы, посредством вычитания произошло компенсирование сосредоточенной помехи, полученной на выходе соответствующего экстраполятора 8,

5 который инвертирует результат предсказания. Очищенный от сосредоточенной помехи входной сигнал в каждом канале обработки дополнительно задерживается в других ячейках задержки 5 и поступает на

0 первые входы блока оценки 6 Общая задержка сигнала в блоках 2 и 5 выбирается равной задержке решения в решающем блоке 11 и равной длительности импульсного отклика многолучевого канала связи.

5Первый вход блока оценки 6 соединяется с первыми входами сумматоров 13 На другие входы сумматоров 13 с выходов перемножителей-инверторов 16 подаются сигналы межсимвольной интерференции.

0 Очищенные в сумматорах 13 от межсимвольных помех отсчеты импульсной реакции поступают на другие входы перемножителей 14, на одни входы перемножителей 14, которые объединены с од5 ними входами перемножителей-инверторов 16 и являются вторыми входами блока оценки б, поданы знаковые коэффициенты с выходом N-разрядного регистра сдвига 12, тактируемого импульсами, синхронизиро0 ванными с фронтами информационных посылок На вход N-разрядного регистра сдвига 12 информация поступает с решающего блока 11 Внутри каждого блока оценки 6 с выходов перемножителей 14 отсчеты

5 реакции подаются на соответствующие усредняющие фильтры 15 Выбор постоянной времени усредняющих фильтров 15 определяется компромиссом между требованиями эффективного подавления шумов и

0 слежения за изменением параметров канала Выходы усредняющих фильтров 15 являются первыми выходами блоков оценки 6, которые соединяются с первыми входами коммутатора 10, а вторые выходы каждого

5 блока оценки 6 соединены с соответствующими вторыми входами (Ы+1)-входовых сумматоров 7 Не очищенный от сосредоточенных помех сигнал на выходе элемента задержки 2 также задерживается в ячейке задержки 3 на время вычисления

отсчетов импульсного отклика и поступает на первые входы (Ы+1)-входовых сумматоров 7, на выходе которых разностный сигнал соответствует оценке отсчета сосредоточенной помехи. Выходы (N+ 1)- входовых сумматоров 7 непосредственно соединены со входами экстраполяторов 8 и через усреднители 17 соединены со входами устройства сравнения 9. В эксграполято- ре 8 предсказывается значение отсчета сосредоточенной помехи на следующий такт и выход каждого экстраполятора 8 соединяется со вторыми входами соответствующих .двухвходовых сумматоров 4. В устройстве сравнения 9 выявляется канал с минимальным усредненным значением сосредоточенной помехи и через выходы устройства, соединенные с управляющими входами коммутатора 10, подается сигнал, коммутирующий на выход всего устройства поданные с первых выходов блока оценки 6 на первые входы коммутатора 10 наилучшие оценки отсчетов импульсной реакции многолучевого канала связи.

Устройство работает следующим обра- зом.

Предположим, что импульсная реакция многолучевого канала связи характеризуется своими отсчетами 91, д2,...,дм, оценки которых необходимо получить на выходе устройства. Элемент задержки 2 задерживает сигнал с выхода расщепителя 1 на (N-1) тактовых интервалов Т, а задержка в блоках 3 и 5 равна Т. На выходе ячейки задержки 3 в некоторый момент времени t действует отсчет сигнала в виде:

Zi Si + V, n , , (1)

где Si aigi + a,-ig2 +...H ai-igi -и +... +at-N+igN(2)

Si - истинное значение сигнала, обус- ловленное многолучевым характером распространения сигнала в канале,

Vi - отсчет сосредоточенной по спектру помехи, источником ее может быть узкополосный сигнал мешающей станции, что на- иболее характерно для декаметрового канала связи;

гн - отсчет аддитивного флукгуационно- го шума с широким равномерным спектром и гауссовским законом распределения мгновенных значений.

Если предположить, как в прототипе, что сосредоточенная помеха отсутствует, а флуктуационный шум пренебрежимо мал, то из (2) может быть найден любой отсчет импульсного отклика

gi

Si

(aigi +... (gi-1

ai +1 - i

ai- i gi -f 1 +... + ai-ы -Hg

(3)

ai+v-i

l 1,N.

в предположении, что все д, I 1,N кроме 1-го известны. В силу того, что свойства реального канала не могут изменяться скачком, в качестве известных отсчетов реакции могут быть использованы отсчеты, полученные в результате усреднения на предыдущем этапе.

В соответствии с (3) в каждой ветки вычисления g i должно производиться весовое суммирование известных отсчетов реакции (всех кроме 1-го), осуществляемое в сумматорах 13, причем в качестве весов выступают известные знаковые коэффициенты, накопленные в регистре сдвига 12, вычитание полученных сумм из отсчетов компонент принятого сигнала, снятия манипуляции и полученных разностях путем деления или умножения на соответствующий коэффициент в перемножителях 14 и усреднение полученных величин в усредняющих фильтрах 15. Так организованы вычисления в прототипе и в каждом блоке оценки 6.

В заявляемом устройстве в отличие от прототипа осуществляет фильтрация отсчетов сосредоточенной помехи Vi путем оценивания отсчета помехи на очередном такте в (Ы+1)-входовых сумматорах 7, предсказания (экстраполяции) и инвертирования значения на следующий такт в экстраполяторах 8 и вычитания предсказанного значения из смеси полезного сигнала с помехой в двухвходовых сумматорах 4, причем все эти операции выполняются в предположении, что сосредоточенная по спектру помеха, имея центральную частоту f0, попадает в один из К каналов многоканальной схемы обработки. Все каналы обработки принимаемого сигнала одинаковы. Отличие состоит лишь в предположении о том, каково истинное значение центральной частоты f0. что отражается лишь на численных значениях параметров модели помехи. Поэтому, чем больше значение К, тем лучше, т.к. увеличение К способствует более точному определению значения f0, т.е. более точному воспроизведению модели помехи в экстраполяторах.

Таким образом, схема работает так, как будто сосредоточенная помеха присутствует в каждом канале. В действительности только один канал ее схемы работает в условиях действия сосредоточенной помехи и

осуществляет ее фильтрацию. Во всех остальных каналах происходит псевдофильтрация сосредоточенной помехи, что в конечном итоге приводит к увеличению ошибки фильтрации и, как следствие, к увеличению среднеквадратической ошибки оценивания отсчетов импульсной реакции.

Выбор канала, в котором действительно присутствует сосредоточенная помеха, (в котором в силу этого осуществляется и нау- лучшая ее фильтрация) осуществляется по сигналу с выхода усреднителя 17, который является вычислителем среднеквадратиче- ского значения. В том канале, где присутствует сосредоточенная помеха и, следовательно, осуществляется ее наилучшее предсказание, на выходе (Ы+1)-входо- вого сумматора 7 действует истинное значение отсчета сосредоточенной помехи, а на выходе соответствующего усреднителя 17 - сред неквадратическое значение поме- хи. Во всех остальных каналах кроме истинного значения помехи на выходе сумматора 7 будет присутствовать дополнительная помеха, обусловленная ошибками псевдофильтрации. Т.к. ошибки псевдофильтрации принадлежат к т.н. систематическим ошибкам, то на выходе усреднителя 17 ошибочного кана/ra значение сигнала будет больше, чем у усреднителя 17 канала только с сосредоточенной помехой. Устройство сравнения 9 выбирает канал с минимальным значением сигнала на выходе усреднителя и через коммутатор 10 выдает на выход оценки отсчетов импульсной реакций того канала, где произведена наилучшая фильтрация сосредоточенной помехи и где, следовательно, меньше среднеквадратическая ошибка оценивания импульсной реакции.

Оценим дисперсию ошибки оценивания импульсной реакции.

Будем полагать, что сосредоточенная помеха V(t) представляется стационарным нормальным центрированным процессом с корреляционной функцией

В(г) В0( г) cosWo г(4)

Именно такой будет корреляционная функция у узкополосного случайного процесса с центральной частотой W0 2л f0. Тогда согласно 3, если

Во (г) o2.e Xllrl ,(5)

где Оо средняя мощность помехи,

а - , Гк - интервал корреляции помехи,

тс отсчеты помехи удовлетворяют уравнению

Vn Vi.n sin W0T,, + V2 n cos W0Tr- (6)

Vi-n a0 Xn + p Vi,n-i

V2 n ЭоУп+ yOV2.n-1

a0 (J0 /1 -f

(7)

0

5

0

5

0

5

0

p e

xn, уп - независимые между собой последовательности независимых случайных числе с нулевым средним и единичной дисперсией.

Уравнение экстраполяции для помехи (6) л

(8)

Согласно схеме устройства на выходе (N-H)-Bxofloeoro сумматора 7 того канала, где присутствует сосредоточенная помеха, на i-ом такте формируется оценка отсчета сосредоточенной помехи в виде

V, Z, - (a, 81-192 +...+а r-N+igYi) (9) где gV ,N - оценки отсчетов импульсного отклика, формируемые блоком оценки.Ошибка оценки Vj обусловлена отличием оценок gk от истинных значений 9k. Известно 4, что при использовании в качестве усредняющего фильтра RC-цепи с постоянной времени г0 , дисперсия шума на выходе RC-цепи определяется в виде:

гАых oix(l-q )/0+q)(Ю)

Т

q ,

(Ах -дисперсия шума на входе усредняющего фильтра.

Если сосредоточенной помехи нет или если она оценена и отфильтрована достаточно точно, то

Овх (% ,(11)

где On - дисперсия аддитивного шума гь .

В противном случае

а|х «п +0о(12)

Можно считать, что является верхним граничным значением для дисперсии ошиб ™7

ки AVI оценки Vi Итак А

Vi Vj + AVj

AVi2 N -ol

8ЫХ

(13)

Ha (i+1) такте значение сигнала, поступающего на первый вход блока оценки 6, запи- 55 сывается с учетам (8) как

Zn-1 Zi+1 - Vi+1 - А

Si+i н V,+i + ni+i -/oVi Si-n-t- w(14)

где ш a0xi+i sin a 0 T(i+1) + a 0 У i+ix «cosWo T(i+1) +

J /Л/1,, sin (W0Ti(cos6M0T-1) +pM, cosWoTi xsin + /Л/2.1 cos (i)Jl (cosw0T - 1) - p V2 i sin ( sin o)J -/одХ/, f n,+i . Дисперсия шума

о о| (1-р cosw0T) + Np oLx + (& (15) 5

Для канала, в котором осуществляется фильтрация сосредоточенной помехи

о21 „ых- ) 10

вых - ч + q а для канала с псевдофильтрацией

0i.x(oS+o§)(17)

С учетом (16)и (17) из (15) получаем -f-Np2 } (18)

Таким образом выигрыш по дисперсии входного шума для канала,в котором осуществляется фильтрация сосредоточенной помехи определяется величиной Np o|

Эта величина может быть весьма значительной. Так, например, при скорости передачи 2400 бит/с в полосе стандартного телефонного канала: N 8, Т 312,5 мкс. Если присутствует сосредоточенная помеха са 75 Гц и величина q реального усредняющего фильтра определяется значением q 0,7, то

1.3480§

+ q

15

20

25

30

т.е. применение фильтрации позволяет уменьшить дисперсию входного шума блока

оценки на 1,348 (% .

Все новые по отношению к прототипу блоки заявляемого устройства легко реализуются.

Экстраполятор представляет собой по- следовательное соединение усилителя с коэффициентом усиления р и инвертора.

Усреднитель выполняется в виде квадратичного детектора с усредняющим фильтром, таким же как усредняющий фильтр в блоке оценки.

Структурно-логическая схема устройства сравнения приведена на фиг 3, где введеныобозначения1АЦПаналого-цифровой преобразователь, ОГ - опорный генератор, СФР - схема формирования и распределения импульсов, Рг.А - регистр адреса, Рг.Ч - регистр числа, К/Е - ключ с входом управления Е. жгут с определенным числом проводов Схема ра- ботает следующим образом Все аналоговые сигналы с выходов усреднителей переводятся в цифровую форму, причем каждому каналу присваивается определенный адрес, записываемый в Рг А, стоящий

5

0

5

0

5

0

5

0

5

0 5

рядом с соответствующим АЦП. На рис.3 предполагается, что Рг.А содержит 4 разряда, что позволяет присвоить адреса 16 каналам.

Результат каждого аналого-цифрового преобразования хранится в регистре внутри каждого блока АЦП, Под воздействием импульсов управления с выхода СФР содержание каждого адреса и значение числа в АЦП (используется только 4 старших разряда числа) переписываются через ключи в Рг.А и Рг.Ч, относящиеся к цифровому компаратору, выполненному на микросхеме 564ИП2, Содержимое двух РгЧ сравниваются в компараторе и если число В меньше числа А, то В переписывается на место А вместе с адресом. После просмотра всех АЦП в верхнем около компаратора Рг.А остается адрес канала с наименьшим значением сигнала на выходе усреднителя. Этот адрес и подается на управляющий вход коммутатора. Элементная база устройства сравнения: ОГ - 564 ГГ4, СФР - 564ИЕ10 (или ИЕ11, ИЕ14, ИЕЗ), ключи - 564КТЗ, Рг.А и Рг.Ч -564ТМЗ, АЦП-572ПВ1 +521САЗ + 154УДЗ.

Схема коммутатора реализуется на основе мультиплексора 564КП2, приведенного на фиг.4, где коммутируется один отсчет импульсной реакции (gi) при 16 каналах обработки Для коммутации N отсчетов импульсной реакции требуется N таких схем

Формула изобретения Устройство для оценки параметров многолучевого канала связи, содержащее расщепитель входного сигнала, выход которого подключен к входу элемента задержки, блок оценки весовых коэффициентов, регистр сдвига и решающий блок, выход которого подключен к входу регистра сдвига, отличающееся тем, что, с целью повышения точности оценки, введены К+1 ячеек задержки, К двухвходовых сумматоров, К блоков оценки K( 1)-входовых сумматоров, К экс- траполяторов, К устреднителей, блок сравнения и коммутатор, выход элемен а задержки соединен с первыми входами каждого двухвходового сумматора и с входом первой ячейки задержки, выходы двухвходовых сумматоров через соответствующие ячейки задержки соединены с первыми входами соответствующих блоков оценки весовых коэффициентов, одноименные вторые входы которых объединены и соединены с соответствующими выходами регистра сдвига, вторые выходы соответствующих блоков оценки весовых коэффициентов соединены с вторыми входами соответствующих (N+ 1)-входовых сумматоров, первые входы каждого из которых соединены с выходом, соответствующей ячейки задержки, выходы (М-И)-входовых сумматоров соединены с входами соответствующих экстра- поляторов и через усреднители с входами блока сравнения, выходы соответствующих экстраполяторов соединены с вторыми входами соответствующих двухвходовых сумматоров, выходы блока сравнения - с управляющими входами коммутатора, к первым входам которого подключены первые выходы всех блоков оценки, выходы коммутатора являются выходами устройства.

Использование: радиосвязь. Сущность изобретения: устройство содержит расщепитель 1, элемент задержки 2, К+1 ячеек задержки 3,5. К двухвходовых сумматоров 4, К блоков оценки 6, К(П+1)-входовых сумматоров 7, К экстраполяторов 8, блок сравнения 9, коммутатор 10. решающий блок 11, П-разрядный регистр сдвига 12, К усреднителей 17. 1-2-3-7-8-4-5-6-10, 6-7, 11-12-6. 7- 17-9-10. 4 ил.

Фиг. 2.

с

СМ

СО

со г(lOib iL

-Л ин эм

L i

&JO

j aoMoiry

J.O

Фиг. 4