Радиоприемное устройство цифровых сигналов

 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в системах связи для приема цифровых сигналов в условиях неопределенных помех. Изобретение направлено на повышение помехоустойчивости радиоприемных устройств цифровых сигналов в условиях воздействия оптимизированных гармонических помех с ограниченной средней мощностью. Радиоприемное устройство цифровых сигналов содержит антенное устройство 1, малошумящий усилитель 2, приемник с демодулятором 3, решающее устройство 4, блок сдвига несущей 5, высокочастотный переключатель 6, аттенюатор 7 и генератор шума 8. Повышение помехоустойчивости приема базируется на явлении, заключающемся в уменьшении вероятности ошибки приема цифровых сигналов в условиях воздействия оптимизированных гармонических помех при дополнительном увеличении фонового шума. 4 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в системах связи для приема цифровых сигналов в условиях неопределенных помех.

Известны радиоприемные устройства, использующие для демодуляции цифровых сигналов манипулированных по частоте (ЧТ) или фазе (ОФТ) помехоустойчивые методы когерентной и некогерентной обработки [1] Они содержат антенное устройство, малошумящий усилитель, приемник с демодулятором и решающее устройство.

Однако в неопределенных условиях возможно возникновение случайных или постановка преднамеренных помех некоторой наихудшей структуры, в результате чего достоверность приема цифровых сигналов данными устройствами может существенно снижаться [2, 3] При этом следует отметить, что в условиях неопределенной помеховой обстановки качество работы радиоприемников цифровых сигналов целесообразно оценивать именно по результатам воздействия наихудших (оптимизированных) помех.

Известны также радиоприемные устройства с элементами адаптации к неопределенной помеховой обстановке, которые в отличие от описанных ранее содержат специальные устройства для борьбы с помехами (патент США N 3699444, кл. H 04 B 1/56, 1972 г. заявка ФРГ, кл. H 04 B 1/10,1976 г. А.С. СССР N 369725, кл. H 04 B 15/00, А.С. СССР N 517167,кл. H 04 B 1/10,1975 г. заявка ФРГ N 3541694,кл. H 04 B 1/10,1990 г.).

Данные радиоприемные устройства цифровых сигналов позволяют эффективно бороться с импульсными, гармоническими, нестационарными, шумовыми и другими видами помех. Однако применяемые в приведенных аналогах алгоритмы адаптации могут оказаться неэффективными, если в неопределенных условиях помехи будут иметь структуру наихудшую для самого процесса адаптации. Кроме того, существуют виды оптимизированных помех с ограниченной средней мощностью близких по структуре к принимаемым сигналам [2,3] последствия воздействия которых практически не удается устранить методами адаптации.

Из известных приемников цифровых сигналов наиболее близким по технической сущности является радиоприемное устройство станции космической связи (СтКС) Р-440 ("Кристалл") [4] которое можно рассматривать в качестве прототипа (структурная схема прототипа показана на фиг. 4). Оно содержит последовательно соединенные антенное устройство (АУ), малошумящий усилитель (МШУ), приемник с демодулятором (ПРДМ), решающее устройство (РУ), а также блок сдвига несущей (БСН), выход которого подключен ко второму входу антенного устройства. При приеме сигналов ЧТ используется некогерентный метод, а при приеме сигналов ОФТ квазикогерентный метод обработки со сравнением полярностей.

В условия воздействия шумовых помех эти методы позволяют обеспечить требуемое качество информационного обмена при реальном отношении сигнал/шум h². Однако при воздействии оптимизированных прерывистых гармонических помех с ограниченной средней мощностью помехоустойчивость перечисленных приемных устройств цифровых сигналов значительно снижается [2] Целью изобретения является создание радиоприемника цифровых сигналов, обеспечивающего более высокую помехоустойчивость в условиях воздействия оптимизированных гармонических помех с ограниченной средней мощностью.

Сущность изобретения заключается в следующем. В радиоприемник цифровых сигналов, содержащий блок сдвига несущей, а также последовательно соединенные антенное устройство, малошумящий усилитель, приемник с демодулятором, решающее устройство, введены последовательно соединенные генератор шума, аттенюатор и высокочастотный переключатель. Причем выход высокочастотного переключателя соединен со вторым входом антенного устройства, а второй вход высокочастотного переключателя соединен с выходом блока сдвига несущей.

При такой схеме построения радиоприемного устройства повышение помехоустойчивости приема базируется на обнаруженном явлении, заключающемся в уменьшении вероятности ошибки приема цифровых сигналов в условиях воздействия оптимизированных гармонических помех при дополнительном увеличении фонового шума, что достигается введением в радиоприемное устройство генератора шума и аттенюатора,отсутствующих в прототипе.

На фиг. 1 показана структурная схема заявляемого приемного устройства цифровых сигналов; на фиг. 2 графики зависимости вероятности ошибочного приема при воздействии на приемник ЧТ сигналов непрерывно излучаемых помех и оптимизированных помех с ограниченной средней мощностью; на фиг. 3 график зависимости относительной средней мощности оптимизированной помехи для приемника ЧТ сигналов; на фиг. 4 структурная схема существующего приемного устройства цифровых сигналов (прототипа).

Радиоприемное устройство цифровых сигналов, показанное на фиг. 1, содержит АУ 1, выход которого соединен со входом МШУ 2, выход последнего соединен с ПРДМ 3, а выход ПРДМ соединен с РУ 4. Причем второй вход АУ соединен с выходом высокочастотного переключателя (ВЧП) 6, первый вход которого соединен с выходом ВСН 5, а второй вход ВЧП соединен с выходом аттенюатора (АТ) 7, вход которого соединен с выходом генератора шума (ГШ) 8.

Реализация перечисленных в заявляемом приемном устройстве цифровых сигналов АУ, МШУ, ПРДМ, РУ, ВСН ничем не отличается от реализации данных элементов в прототипе и трактах аналогичных приемных устройств [4] Реализуемость ВЧП, АТ и ГШ также показана в ряде источников [4,7] где данные элементы использовались для других целей.

Заявленное устройство работает следующим образом. Вначале рассмотрим условия функционирования данного устройства. При воздействии на приемник цифровых сигналов непрерывно излучаемых помех, вероятность ошибки P_ош определяется отношением δ мощности помехи P_п к мощности сигнала P_c на длительности элементарного сигнала P_ош = ϕ(δ) где ϕ(δ) функция, учитывающая вид используемых сигналов, параметры модуляции и структуру помехи. В данном случае δ имеет смысл относительной пиковой мощности помехи.

При воздействии помех с наихудшим распределением в классе помех с ограниченной средней мощностью зависимость P_ош от d примет вид P_ош = ϕ^*(δ), где ϕ^*(δ) выпуклое замыкание функции ϕ(δ), описываемое следующим выражением: где В данном случае d имеет смысл относительной средней мощности помехи.

Как видно из формулы (1), в зависимости от величины относительной средней мощности помех постановщик преднамеренной помехи должен придерживаться следующей стратегии.

Если d < δ_f, то на длительности элементарного сигнал τ с вероятностью m₁ = δ/δ_f излучается помеха с относительной мощностью δ₁= δ_f а с вероятностью μ_o = 1 - μ₁ не излучается вообще, т.е. δ_o0.

Если δ > δ_f то помеха излучается непрерывно с относительной мощностью δ₁= δ. Практически всегда для функций ϕ(·) описывающих качество приема цифровых сигналов ОФТ, ЧТ, характерно выполнение неравенства ϕ(δ_f) > 0,1 Величина мощности помехи в импульсе соизмерена с мощностью сигнала, т.е. 0,5.2. Величину ϕ(0), определяющую вероятность ошибки от собственного шума, обычно стремятся сделать как можно меньше, т.е. ϕ(0) _→ 0 Следовательно, в области допустимых значений вероятности ошибки P_ош=0,001.0,01 зависимость ϕ^*(δ) будет линейной, а оптимальная помеха будет прерывистой.

Фоновый шум, который присутствует на входе демодулятора цифровых сигналов и не зависит от внешних источников помех, влияет на вид функции ϕ(δ) а следовательно и ϕ^*(δ) На фиг. 2 в качестве примера представлены графики зависимостей ϕ(δ) и ϕ^*(δ) для некогерентного приемника ЧТ сигналов в условиях воздействия некогерентных гармонических помех при наличии фонового шума (отношение сигнал/шум h²₁ = 10) и при его отсутствии Аналитическая зависимость ϕ(δ) получена на основных [7] и представлена ниже: где l_o(.) модифицированная функция Бесселя О-го порядка, Q(.) функция Маркума.

При h² _→ ∞ функция ϕ(δ) принимает вид:

Как видно из графиков, зависимость ϕ^*(δ) при h²_2/ в области рабочих значений P_ош<0,1 примерно в два раза круче, чем при h², что свидетельствует о большой помехоустойчивости зашумленного приемника (h²=10) по сравнению с приемником, собственный шум которого пренебрежимо мал.

Если задано допустимое значение вероятности ошибки P^*, то для подавления приемника оптимизированная помеха должна иметь относительную среднюю мощность, как следует из (1), не менее
δ^*= δ_f[P^*-ϕ(0)]/[ϕ(δ_f)-ϕ(0)] (4)
Данная величина однозначно характеризует помехоустойчивость приемника, и решив оптимизационную задачу поиска, можно определить наилучшее значение h^2*, гарантирующее максимальную помехоустойчивость. На фиг. 3 представлен для примера график зависимости (h²) для некогерентного приемника ЧТ сигналов при P^*=0,01,из которого видно, что оптимальная помехоустойчивость достигается при зашумлении приемника, обеспечивающая h²≈13-14. Обычно же для достижения достаточного запаса относительно преднамеренных или случайных шумовых помех обеспечивается h²>10³-10⁴, что практически соответствует графику на фиг. 3 при h²₂ _→ ∞
Ожидаемый выигрыш в величине помехоутойчивости δ^* от использования предлагаемого приемника цифровых сигналов в условиях воздействия оптимизированных помех с ограниченной средней мощностью может достигать, как видно из графика на фиг. 3, величины 3 дБ, а реально зависит от начального значения h².

Функционирование данного приемного устройства, впрочем как и прототипа, подразделяется на два этапа:
в режиме проверки станции;
в режиме приема сигналов корреспондента.

Рассмотрим работу приемного устройства на каждом из этих этапов.

В режиме проверки станции эталонный сигнал поступает с выхода ВСН 5 на вход ВЧП 6, который осуществляет коммутацию данного сигнала на вход АУ 1. С выхода АУ сигнал поступает на МШУ 2, в котором осуществляется усиление и перенос сигнала на промежуточную частоту (ПЧ). С выхода МШУ сигнал на ПЧ поступает на вход ПРДМ 3, в котором происходит демодуляция сигнала. Затем демодулированный сигнал поступает в РУ 4, который осуществляет декодирование сигнала, далее сигнал поступает на оконечную аппаратуру.

В режиме приема сигнала корреспондента ВСН 5 выключается, что позволяет в процессе сеанса связи использовать второй вход АУ для других целей. В частности, для достижения целей заявляемого изобретения на вход АУ 1 должен подключаться ГШ 8 (через аттенюатор 7). Для подключения того или иного устройства ко второму входу антенного устройства используется ВЧП 6. Аттенюатор, подключенный к выходу ГШ, необходим для установки оптимальной величины h₂.

Таким образом, на первый вход АУ поступает сигнал корреспондента и помеха (при воздействии средств подавления), а на второй вход АУ поступает шумовой сигнал от ГШ. В АУ происходит сложение сигнала корреспондента, помехи и шума. Далее тракт прохождения аналогичен описанному ранее в режиме проверки станции.

Источники информации:
1. Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. Пер. с англ./под. ред. В.В. Маркова. М. Связь, 1979, с. 295-302.

2. Мальцев А.Д. Одоевский С.М. Сравнительный анализ помехозащищенности систем передачи информации в условиях наихудших помех.//Радиотехника. 1990. N 4. с. 79-80. (Изв. высш. учеб. заведений).

3. Чуднов А.М. Анализ систем в структурно неопределенных условиях // Радиотехника. 1983. N 3. с. 17-20. (Изв. высш. учеб. заведений).

4. Козлов В. М. Панфилов В.А. Федоров А.В. Методические рекомендации к практическим работам на СтКС Р-440АН. Л. ВАС, 1987, с. 84.

5. Козлов М.Р. Помехоустойчивость разнесенного приема сигналов с ППРЧ в условиях сетки гармонических помех // Радиотехника. 1990. N 1. с. 12-16.

6. Сикарев А.А. Фалько А.И. Оптимальный прием дискретных сообщений. - М. Связь, 1978. с. 82.

7. Немировский А.С. Данилович О.С. Маримонт Ю.И. и др. Под ред. Немировского А.С. Радиорелейные и спутниковые системы передачи: Учебник для вузов. М. Радио и связь, 1986, с. 85-91, 147-153, 317-325.

Формула изобретения

Радиоприемное устройство цифровых сигналов, содержащее блок сдвига несущей и последовательно соединенные антенное устройство, малошумящий усилитель, приемник с демодулятором, решающее устройство, отличающееся тем, что дополнительно введены последовательно соединенные генератор шума, аттенюатор и высокочастотный переключатель, причем выход высокочастотного переключателя соединен с вторым входом антенного устройства, а второй вход высокочастотного переключателя с выходом блока сдвига несущей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4