СПОСОБ ОБРАБОТКИ ШУМОПОДОБНОГО СИГНАЛА Советский патент 2007 года по МПК H04B1/04 

Предлагаемый способ повышения помехозащищенности широкополосного фазоманипулированного сигнала относится к радиотехнике и может быть использован для выделения шумоподобных сигналов при воздействии различных помех в радиотехнических системах связи, в радиолокации, в радионавигации.

Причем помехи на входе радиоприемного устройства могут быть в различных сочетаниях: сосредоточенные по спектру, шумовые, импульсные и т.д.

Для борьбы с сосредоточенными по спектру и импульсными помехами используются блоки защиты (БЗ), включающие в себя m полосовых фильтров, прилегающих по частоте, с полосой пропускания каждого Δω/m, где Δω - полоса частот, занимаемая шумоподобным сигналом.

Примером конкретного выполнения БЗ служит "Устройство выделения сигнала на фоне помех с помощью многоканальной фильтрации" по патенту США №3.112.452 кл. 328-167, публикация 1963 г. В этом устройстве смесь широкополосного сигнала и помех попадает на входы полосовых фильтров. Сосредоточенная по спектру помеха проходит через соответствующий фильтр Фn(1≤n≤m) и ограничивается ограничителем On. Участки спектра, в которых сосредоточенные по частоте помехи отсутствуют, пройдут также через полосовые фильтры, но ограничения на этих участках не будет. С выходов ограничителей сигналы подаются на сумматор, а затем через дополнительный ограничитель и фильтр поступают на выход устройства и могут использоваться для дальнейшей обработки, например, с помощью коррелятора или согласованного фильтра, дополнительный ограничитель служит для подавления импульсных помех, полоса частот которых близка к полосе частот сигнала или больше ее. Принцип работы БЗ, основанный на ограничении, имеет существенные недостатки: сосредоточенные по частоте помехи не подавляются, а только ограничиваются по величине, что приводит к появлению на выходе устройства широкополосного сигнала сигнала, некоторые участки спектра которого заменены помехами; при ограничении импульсной помехи происходит замена сигнала помехой. Поэтому ухудшается эффективность работы оптимального фильтра, так как часть обрабатываемого спектра частот в некоторые отрезки времени заведомо содержит только помехи.

Авторы предложили кроме ограничения сигнала, пораженного узкополосной помехой, применить и отключение. С этой целью последовательно с ограничителями введены ключи, отключающие от сумматора фильтры, "пораженные" помехой. Таким образом, спектр на выходе устройства не содержит участков, пораженных сосредоточенными по частоте помехами, для борьбы с импульсными помехами к выходу сумматора, как и в патенте США №3.112.452 присоединен ограничитель. Но в данном случае борьба с импульсными помехами будет эффективнее, т.к. к дополнительному ограничителю в патенте США наряду с сигналом и импульсными помехами подводятся и ограниченные в канальных ограничителях сосредоточенные по частоте помехи, которые как бы "маскируют" импульсные помехи.

Дальнейшее совершенствование БЗ осуществено в устройстве-прототипе.

Блок-схема этого устройства приведена на фиг.1, где обозначено:

1 - широкополосный входной фильтр, полоса пропускания которого больше или равна полосе частот, занимаемых шумоподобным сигналом;

2 - сумматор;

3 - безынерционный ограничитель;

4 - фильтр с полосой пропускания, равной полосе частот, занимаемых шумоподобным сигналом;

5 - аттенюатор с регулируемым коэффициентом передачи;

6 - формирователь управляющих сигналов;

7 - устройство оптимальной обработки шумоподобного сигнала (согласованный фильтр);

8 - детектор;

9 - ключи;

10 - блок коммутации;

11 - устройство индикации сосредоточенных помех;

12₁-12_m - канальные ограничители;

13₁-13_m - узкопопосные прилегающие по частоте фильтры;

Широкополосный фильтр (I) соединен с аттенюатором 5, осуществляющим автоматическую регулировку уровня шумоподобного сигнала, выход которого подключен к общему входу узкополосных фильтров (13₁-13_m) и к одному из выходов блока коммутации 10.

Выходы узкополосных фильтров (13₁-13_m) подключены через ключи 9, усилители (14₁-14_m) и канальные ограничители (12₁-12_m) к сумматору 2 и через усилители (15₁-15_m), детекторы 8 к формирователю управляющих сигналов 6, который своими выходными сигналами управляет работой ключей 9, аттенюатора 5, устройства индикации сосредоточенных помех 11. Выход устройства индикации сосредоточенных помех 11 соединен с другим входом блока коммутации 10, к третьему входу которого подключен выход сумматора 2, а выход блока коммутации 10 соединен со входом ограничителя 3. Выход ограничителя 3 соединен со входом широкополосного фильтра 4, выход которого подключен ко входу устройства оптимальной обработки шумоподобного сигнала 7.

Работает это устройство следующим образом. На вход устройства поступает сосредоточенная помеха на фоне флуктуационной. Если амплитуда помехи на выходе одного из узкополосных фильтров (13₁, 13₂,..., 13_m) превышает амплитуду сигнала, то после сравнения продетектированного напряжения детектором 8 с пороговым значением в формирователе управляющих сигналов 6 на соответствующем выходе последнего появится сигнал, запирающий ключ 9, отключая тем самым помеху после ее ограничения от сумматора 2.

Одновременно с этим информация появления напряжения выключения хотя бы одного канала из блока формирователя управляющего сигнала 6 поступает на устройство индикации сосредоточенных помех 11, которое вырабатывает такой сигнал управления на блок коммутации 10, при котором шумоподосный сигнал к ограничителю 3 поступает только от сумматора 2, а цепь прохождения сигнала от аттенюатора 5 к ограничителю 3 оказывается разомкнутой. Импульсные помехи, как и сигнал, проходят через фильтры (13₁, 13₂,... 13_m), полоса частот которых не поражена сосредоточенной помехой, суммируются в сумматоре 2, а затем ограничиваются в ограничителе 3. Тот факт, что при выключении части фильтров происходит некоторое искажение формы импульсной помехи, не является принципиальным.

Если на вход широкополосного фильтра 1 поступает шумоподобный сигнал, а сосредоточенные помехи отсутствуют, то коэффициент передачи аттенюатора 5 устанавливается с помощью формирователя управляющих сигналов 6 таким, что сигналы, поступающие с выходов узкополосных фильтров (13₁-13_m) на входы канальных ограничителей (12₁, 12₂,... 12_m), имеют амплитуду, величина которой лежит на линейном участке характеристик канальных ограничителей (12₁-12_m) и меньше порогового значения напряжения формирователя управляющих сигналов 6. Поэтому на вход устройства индикации 11 поступают сигналы, под воздействием которых его выход управляет блоком коммутации 10 таким образом, что шумоподобный сигнал к ограничителю 3 с выхода сумматора 2 не поступает, а с выхода аттенюатора 5 - поступает. Импульсные помехи в этом случае поступают на ограничитель 3, минуя фильтры (13₁-13_m), и ограничиваются им.

Таким образом, борьба с импульсными помехами сводится к их выделению из сосредоточенных по частоте помех и последующему их ограничению.

На фиг.2а представлена мгновенная огибающая сигнала 3, флуктуационного шума 2 и импульсной помехи 1, огибающая суммы указанных сигналов до и после ограничения. Как легко видеть из фиг.2б, при ограничении амплитуда импульса на выходе значительно уменьшается, а сигнал на время ограничения подавляется ограничителем, то есть как бы заменяется помехой. Такая работа не является оптимальной. Очевидно, более верным было бы прервать сигнал на выходе на время действия импульсной помехи. Однако такое решение тоже не оптимально.

В большинстве случаев амплитуда полезного сигнала представляет собой не случайную величину как у флуктуационной помехи, а постоянную, т.к. излучать амплитудно-модулированный сигнал энергетически не выгодно. По этой причине шумоподобный сигнал получают в основном с помощью фазовой или частотной модуляции.

Рассмотрим мгновенное значение выходного напряжения при отсутствии импульсной помехи. Как видно, соотношение сигнал/помеха с течением времени меняется, причем наилучшие условия приема существуют в те моменты времени, когда амплитуда флуктуационной помехи минимальна, а наихудшие - в моменты времени, когда амплитуда флуктуационной помехи максимальна. Однако этот факт не используется в рассмотренных аналогах и в прототипе, что снижает эффективность работы следующего за блоком защиты оптимального фильтра, т.к. моменты, когда мощность флуктуационной помехи максимальна или минимальна, обрабатываются оптимальным фильтром одинаково. Следовательно, ограничитель, подключенный и выходу сумматора, не достаточно эффективно "борется" с импульсными и флуктуационными помехами.

Целью предлагаемого изобретения является повышение помехоустойчивости к импульсным и флуктуационным помехам.

Для решения данной задачи автор предлагает после подавления узкополосных помех и до обработки смеси сигнала и помех оптимальным фильтром производить амплитудное детектирование огибающей смеси и модулирование смеси по закону обратно пропорциональному мгновенной мощности огибающей смеси сигнала и шума.

Блок-схема, реализующая предлагаемый способ обработки шумоподобного сигнала, представлена на фиг.3, где обозначено:

1 - широкополосный входной фильтр;

2 - сумматор;

3 - безынерционный ограничитель;

4 - фильтр с полосой пропускания, равной полосе частот, занимаемых шумоподобным сигналом;

5 - аттенюатор с регулируемым коэффициентом передачи;.

6 - формирователь управляющих сигналов;

7 - устройство оптимальной обработки шумоподобного сигнала (согласованный фильтр);

8 - детектор;

9 - ключи;

10 - блок коммутации;

11 - устройство индикации сосредоточенных помех;

12₁-12_m - канальные ограничители;

13₁-13_m - узкополосные прилегающие по частоте фильтры;

16 - блок борьбы с узкополосными помехами;

17 - детектор огибающей;

18 - модулятор;

19 - устройство задержки.

Широкополосный входной фильтр 1 соединен с аттенюатором 5, осуществляющим автоматическую регулировку уровня шумоподобного сигнала, выход которого соединен со входами узкополосных фильтров (13₁, 13₂ ... 13_m) и к одному из входов блока коммутации 10. Выходы узкополосных фильтров (13₁, 13₂, ..., 13_m) подключены через ключи 9, усилители (14₁-14_m)и канальные ограничители (12₁-12_m) к сумматору 2, а через усилитель (15₁, 15₂, ... 15_m) детекторы 8 - к формирователю управляющих сигналов 6, который своими выходными сигналами управляет работой ключей 9, аттенюатора 5, устройства индикации сосредоточенных помех 11. Выход устройства индикации сосредоточенных помех 11 соединен с другим входом блока коммутации 10, к третьему входу которого подключен выход сумматора 2, а выход блока коммутации 10 соединен со входом ограничителя 3. Выход ограничителя 3 соединен со входом фильтра 4, который соединяется со входом амплитудного детектора 17 и модулятора 18. Выход модулятора 18 соединен со входом устройства оптимальной обработки шумоподобного сигнала 7.

Работает предлагаемое устройство следующим образом. На вход широкополосного фильтра 1 поступает широкополосный фазоманипулированный сигнал и флуктуационная помеха.

Пример изменения во времени амплитуды сигнала и помех показан на фиг.2. Если сосредоточенные по частоте помехи отсутствуют, то смесь сигнала с флуктуационной помехой, поступающая на вход фильтра 1, проходит через аттенюатор 5 на вход коммутатора 10 и на входы фильтров (13₁-13_m), затем на усилители (15₁-15_m) и детектор 8.

Выходные напряжения детекторов 8 подаются на формирователь управляющих сигналов 6. В формирователе управляющих сигналов 6 вырабатывается напряжение автоматической регулировки усиления (АРУ) для управления аттенюатором 5, а также команды отключения каналов, пораженых сосредоточенными по частоте помехами. В виду того, что рассматривается случай отсутствия сосредоточенных помех, то такие команды отсутствуют. Поэтому на выходе устройства индикации сосредоточенных помех 11 вырабатывается команда, управляющая блоком коммутации 10 таким образом, что на выход этого блока 10 проходит смесь сигнала и флуктуационной помехи от аттенюатора 5, а от сумматора 2 не проходит. Смесь сигнала и шума с выхода коммутатора подается на ограничитель 3 и фильтр 4. Ограничитель 3 включен с целью ограничения мощных импульсных помех и облегчения работы последующих трактов, порог ограничения выбирается значительно выше среднего уровня смеси сигнала и шума. В фильтре 4 проводится дополнительная селекция смеси сигнала и шума. С выхода фильтра 4 смесь сигнала и шума подается на вход детектора огибающей 17, выходное напряжение которого используется для модуляции смеси сигнала с шумом в модуляторе 18. Т.к. при детектировании возникает некоторая задержка выходного напряжения детектора относительно огибающей смеси сигнала и шума из-за наличия в детекторе фильтрующих элементов, смесь сигнала и шума подается на вход модулятора 18 через устройство задержки 19, которое имеет такое же время задержки. Модулятор 18 работает таким образом, что огибающая смеси сигнала и шума на выходе обратно пропорциональна огибающей этой смеси на входе, т.е. Авых.(t)=α/Авх(t), где α - постоянная величина, t - время.

Таким образом, когда мощность шума (флуктуационной или импульсной помехи) велика, амплитуда смеси на выходе модулятора 18 мала и наоборот, в то время, когда мощность шума минимальна, напряжение на выходе модулятора 18 максимально. Выход модулятора присоединен к оптимальному фильтру, в котором происходит дальнейшая обработка смеси сигнала и шума.

Предложенный способ обработки смеси сигнала и шума реализует оптимальное изменение коэффициента передачи путем амплитудного детектирования смеси сигнала и шума и модуляции этой смеси обратно пропорционально мгновенной мощности. По этой причине эффективность выделения оптимальным фильтром 7 сигнала из смеси сигнала с шумом значительно повышается.

Следует отметить, что выходное напряжение амплитудного детектора зависит не только от огибающей шума, а от огибающей смеси сигнала и шума. Поэтому только при мощности шума значительно превосходящей мощность сигнала можно считать огибающую смеси А(t), равной огибающей шума N(t).

В предельных условиях работы систем с шумоподобными сигналами, т.е. в условиях, при которых отношение шум/сигнал максимально, применение указанного метода дает максимальный выигрыш по увеличению помехозащищенности. Реальные системы связи с использованием шумоподобных сигналов работают при соотношении шум/сигнал 20÷26 дБ, очевидно, что при указанных значениях отношения шум/сигнал влиянием сигнала на огибающую смеси сигнала и шума можно пренебречь. При отношении шум/сигнал меньше предельного выигрыш, даваемый применением модуляции смеси сигнала и шума обратно пропорционально величине ее мгновенной мощности, уменьшается.

Если сигнал значительно превосходит шум, огибающая смеси сигнала и шума постоянна и модуляции в модуляторе 18 не происходит и обработка сигнала ведется обычным образом. В этих условиях в повышении помехозащищенности и нет необходимости.

Следует отметить, что предлагаемый способ всегда будет осуществлять подавление импульсных помех, мгновенная мощность которых превосходит мощность сигнала.

Рассмотрим случай, при котором в составе смеси сигнала и помех имеется сосредоточенная по спектру помеха значительной величины. Наличие такой помехи маскирует огибающую шума N(t), поэтому эту помеху необходимо подавить. При этом в блоке борьбы с узкополосными помехами 16 происходит редактирование участка спектра, пораженного указанной помехой, а шумоподобный сигнал и флуктуационная помеха, занимающие непораженный участок спектра пройдет на вход ограничителя 3. Дальнейшая обработка смеси сигнала и шума происходит аналогично первому случаю, т.е. детектор 17 управляет коэффициентом передачи модулятора 18 таким образом, что коэффициент передачи его меняется обратно пропорционально мгновенной мощности смеси сигнала и шума. Тот факт, что при ремонтировании отдельных участков спектра появляются некоторые искажения огибающей сигнала и шума, не является принципиальным.

Экспериментальные исследования показали, что выигрыш в отношении сигнал/шум, полученный при реализации указанного способа, составляет от 2 до 4 дБ.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиотехнических системах связи, в радиолокации и в радионавигации. Техническим результатом является повышение помехоустойчивости. Способ заключается в том, что из спектра, принятого шумоподобными сигналами, исключают участки, пораженные узкополюсными помехами. Модулируют смесь сигнала и шума по закону обратно пропорциональному мгновенной мощности огибающей смеси сигнала и шума. А затем производят оптимальную фильтрацию смеси сигнала и шума. 3 ил.

Способ обработки шумоподобного сигнала, при котором из спектра принятого шумоподобного сигнала исключают участки спектра, пораженные узкополосными помехами, и производят оптимальную фильтрацию смеси сигнала и шума, отличающийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости перед оптимальной фильтрацией, модулируют смесь сигнала и шума по закону обратно пропорциональному мгновенной мощности огибающей смеси сигнала и шума.