Устройство корреляционной обработки широкополосных сигналов

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах связи с широкополосными сигналами. Технический результат заключается в построении устройства корреляционной обработки широкополосных сигналов, работающего при наличии импульсной и узкополосной помех. На основе анализа наличия помехи и ее мощности принимается решение о необходимой величине ограничения. На основе этого решения вырабатывается управляющее напряжение для амплитудного ограничителя включенного на входе корреляционного приемника, выполненного в виде переключателя, с подключенным к нему генератором копии широкополосного сигнала. 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах связи с широкополосными сигналами.

Известно устройство корреляционной обработки широкополосных сигналов при наличии узкополосных помех (а.с. СССР N 1338078, МПК H 04 B 1/10, 1985г.), содержащее вычитатель, соединенные последовательно первый перемножитель, режекторный фильтр и второй перемножитель, выходной фильтр, соединенные последовательно генератор копии широкополосного сигнала, выход которого соединен с первым входом первого перемножителя, и первый элемент задержки, выход которого соединен с другим входом второго перемножителя.

Однако данное устройство имеет узкую область применения, так как обеспечивает корреляционную обработку широкополосных сигналов при наличии только одного вида помех - узкополосной помехи.

Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям к заявленному является устройство для корреляционной обработки широкополосного сигнала при наличии узкополосных помех (а.с. CCCP N 1688416, МПК H 04 B 1/10, 1991г. ), содержащее первый перемножитель, генератор копии широкополосного сигнала, второй перемножитель, режекторный фильтр, выходной фильтр, первый аттенюатор, вычитатель, первый элемент задержки, второй элемент задержки, полосовой фильтр, ключи, вторые аттенюаторы, четвертые элементы задержки, обнаружители узкополосной помехи, третий перемножитель, третий элемент задержки, частотные каналы, причем соединены последовательно первый аттенюатор, вход которого соединен со вторым входом первого перемножителя и является входом устройства, и второй элемент задержки, выход которого соединен с входом уменьшаемого вычитателя, соединенные последовательно третий элемент задержки, вход которого соединен с выходом генератора копии широкополосного сигнала, и третий перемножитель, другой вход которого соединен с выходом вычитателя, а выход соединен с входом выходного фильтра, N частотных каналов, входы которых соединены с выходом второго перемножителя, а выходы соединены с соответствующими входами вычитаемого вычитателя, каждый частотный канал содержит обнаружитель узкополосной помехи и соединенные последовательно полосовой фильтр, вход которого является входом частотного канала, а выход соединен с входом обнаружителя узкополосной помехи, ключ, управляющий вход которого соединен с выходом обнаружителя узкополосной помехи, второй аттенюатор и четвертый элемент задержки, выход которого является выходом частотного канала.

При такой совокупности описанных элементов и связей достигается увеличение отношения мощности широкополосного сигнала к мощности узкополосной помехи.

Однако устройство-прототип имеет узкую область применения, в частности, обеспечивает компенсацию только узкополосных помех. Это объясняется тем, что входной сигнал делится на частотные полосы и из частотного спектра информационного сигнала исключается та полоса частот, в которой обнаружена помеха. При этом мощность помехи полностью подавляется, а широкополосный информационный сигнал теряет только мощность, соответствующую одной частотной полосе. В итоге получаем увеличение отношения мощности сигнала к мощности помехи. Однако, если на вход поступает импульсная помеха, то есть помеха, имеющая широкий спектр частот, пораженными оказываются все частотные полосы в спектре информационного сигнала. Все они окажутся исключенными и на выходе сигнал будет отсутствовать. Таким образом, при наличии импульсной помехи устройство-прототип не работает.

Целью изобретения является построение устройства корреляционной обработки широкополосных сигналов, работающего при наличии узкополосной и импульсной помех.

Поставленная цель достигается тем, что в известном устройстве корреляционной обработки широкополосных сигналов, содержащем первый перемножитель, генератор копии широкополосного сигнала, второй перемножитель, первый элемент задержки, второй элемент задержки, причем объединенные вход первого элемента задержки и информационный вход первого перемножителя являются входом устройства, выход генератора копии широкополосного сигнала соединен с сигнальным входом первого перемножителя и входом второго элемента задержки, выход которого соединен с сигнальным входом второго перемножителя, дополнительно введены решающий блок и амплитудный ограничитель. Выход первого элемента задержки подключен к информационному входу амплитудного ограничителя. Управляющий вход амплитудного ограничителя соединен с выходом решающего блока. Вход решающего блока подключен к выходу первого перемножителя. Выход амплитудного ограничителя соединен с информационным входом второго перемножителя. Выход второго перемножителя является выходом устройства.

При такой совокупности существенных признаков достигается то, что устройство корреляционной обработки широкополосных сигналов в решающем блоке осуществляет анализ наличия помехи и ее мощности, принимается решение о необходимой величине ограничения и вырабатывается управляющее напряжение для амплитудного ограничителя. В амплитудном ограничителе ограничивается амплитуда помехи, а амплитуда информационного сигнала не меняется, так как она меньше амплитуды помехи. Это повышает отношение мощности широкополосного сигнала к мощности узкополосной или импульсной помех. Тем самым обеспечивается достижение цели.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного изобретения условию патентоспособности "новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых: - на фиг. 1 - функциональная схема устройства корреляционной обработки широкополосных сигналов; - на фиг.2 - схема амплитудного ограничителя; - на фиг.3 - схема решающего блока.

Заявленное устройство корреляционной обработки широкополосных сигналов, показанное на фиг. 1, состоит из первого элемента задержки 1, амплитудного ограничителя 2, первого перемножителя 4, второго перемножителя 3, решающего блока 5, генератора копии широкополосного сигнала 6, второго элемента задержки 7. Объединенные вход первого элемента задержки 1 и информационный вход первого перемножителя 4 являются входом устройства. Выход генератора копии широкополосного сигнала 6 соединен с сигнальным входом первого перемножителя 4 и входом второго элемента задержки 7. Выход первого перемножителя 4 подключен ко входу решающего блока 5. Выход первого элемента задержки 1 соединен с информационным входом амплитудного ограничителя 2, управляющий вход которого соединен с выходом решающего блока 5. Выход амплитудного ограничителя 2 соединен с информационным входом второго перемножителя 3, сигнальный вход которого соединен с выходом второго элемента задержки 7. Выход второго перемножителя 3 является выходом устройства.

Блок решающего устройства 5, предназначенный для определения дисперсии информационного сигнала и выработки управляющего сигнала для амплитудного ограничителя, может быть реализован по схеме показанной на фиг. 2, которая включает в себя первый фильтр низкой частоты 5.1, первый перемножитель 5.2, вычитатель 5.3, усилитель 5.4, ключ 5.5, второй перемножитель 5.6, второй фильтр низкой частоты 5.7, элемент задержки 5.8, компаратор 5.9. Объединенные входы первого фильтра низкой частоты 5.1 и два сигнальных входа второго перемножителя 5.6 являются входом решающего блока 5. Выход первого фильтра низкой частоты 5.1 подключен к двум сигнальным входам первого перемножителя 5.2, выход которого соединен с первым сигнальным входом вычитателя 5.3. Выход второго перемножителя 5.6 подключен ко входу второго фильтра низкой частоты 5.7, выход которого подключен ко второму сигнальному входу вычитателя 5.3. Выход вычитателя 5.3 соединен со входом усилителя 5.4, входом элемента задержки 5.8 и со вторым сигнальным входом компаратора 5.9. Выход усилителя 5.4 соединен с информационным входом ключа 5.5. Выход элемента задержки 5.8 подключен к первому сигнальному входу компаратора 5.9, выход которого подключен к управляющему входу ключа 5.5. Выход ключа 5.5 является выходом решающего блока 5.

Элементы задержки 1 и 7, а также аналогичный входящий в решающий блок 5 элемент задержки 5.8 предназначены для формирования задержек, необходимых для согласованной работы элементов устройства корреляционной обработки широкополосных сигналов и могут быть реализованы по схеме, описанной в книге Л. Е. Варакина "Системы связи с шумоподобными сигналами".-М.: Радио и связь, 1985, представленной на рисунке 21.9 на странице 353.

Фильтры низкой частоты 5.1, 5.7, предназначенные для выделения среднего значения информационного сигнала, могут быть реализованы по схеме, описанной в книге Ф.Дж. Пейтона и В. Волша "Аналоговая электроника на операционных усилителях". - М..БИНОМ, 1994, представленной на рисунке 6.16 на странице 114. Вычитатель 5.3. предназначенный для определения разности между квадратом среднего значения амплитуды информационного сигнала и средним значением квадрата амплитуды информационного сигнала, может быть реализован по схеме, описанной в книге Ф.Дж. Пейтона и В. Волша "Аналоговая электроника на операционных усилителях". - М. :БИНОМ,1994, представленной на рисунке 9.26 на странице 236 .

Усилитель 5.4 предназначен для усиления управляющего сигнала до уровня, необходимого для работы амплитудного ограничителя 2. Он может быть реализован по схеме, описанной в книге Б.И. Горошкова "Элементы радиоэлектронных устройств: Справочник".-М.: Радио и связь, 1988, приведенной на рис 4.40 на странице 74.

Ключ 5.5 предназначен для коммутации управляющего сигнала для амплитудного ограничителя. Он может быть реализован по схеме, описанной в книге под ред. С. В. Якубовского "Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник".-М.: Радио и связь, 1989, приведенной на рисунке 5.155 на странице 448.

Компаратор 5.9 предназначен для выработки управляющего сигнала для ключа 5.5. Он может быть реализован по схеме, описанной в книге В.А. Батушева, В. Н. Виниаминова, В.Г. Ковалева, О.И. Лебедева, А.И. Мирошниченко "Микросхемы и их применение: Справочное пособие".- М: Радио и связь, 1983, приведенной на рисунке 2.33(6) на странице 82.

Схема реализации амплитудного ограничителя 2, предназначенного для ограничения амплитуды помехи в информационном сигнале, представлена на фиг. 3. Она включает двусторонний амплитудный ограничитель 2.1 и инвертор 2.2. Управляющий сигнал поступает на второй управляющий вход двустороннего амплитудного ограничителя 2.1 и вход инвертора 2.2, а с его выхода на первый управляющий вход двустороннего амплитудного ограничителя 2.1. Информационный вход двустороннего амплитудного ограничителя 2.1 является входом, а выход выходом амплитудного ограничителя 2.

Двусторонний амплитудный ограничитель 2.1, предназначенный для ограничения положительной и отрицательной величины помехи в информационном сигнале, может быть реализован по схеме, описанной в книге Ф.Дж. Пейтона и В. Волша "Аналоговая электроника на операционных усилителях".- М.: БИНОМ, 1994, показанной на рисунке 11.10 на странице 287.

Инвертор 2.2, предназначенный для формирования отрицательного управляющего напряжения для двустороннего амплитудного ограничителя 2.1, может быть реализована по схеме, описанной в книге под редакцией Н.И. Чистякова "Справочная книга радиолюбителя-конструктора. В 2-х книгах. Кн.1".-М.: Радио и связь, 1993,показанной на рисунке 1.47в) на странице 30.

Генератор копии широкополосного сигнала 6, предназначенный для формирования псевдослучайной последовательности, может быть реализован по схеме, описанной в книге Л.Е. Варакина "Системы связи с шумоподобными сигналами". -М.: Радио и Связь, 1985, показанной на рисунке 3.16 на странице 53.

Перемножители 3, 4, предназначенные для демодуляции информационного сигнала, а также перемножители 5.2, 5.6 (входящие в решающий блок 5), предназначенные для возведения в квадрат информационного сигнала, могут быть реализованы по схеме, описанной в книге Ф.Дж.Пейтона и В.Волша "Аналоговая электроника на операционных усилителях".- М. .-БИНОМ, 1994, показанной на рисунке 9.7 на странице 245.

Заявленное устройство работает следующим образом.

Очевидно, что при работе канала связи с применением широкополосных сигналов может иметь место ситуация, когда мощные узкополосные или импульсные помехи будут приводить к нарушениям связи. Восстановление связи в таких условиях будет осуществляться путем ограничения амплитуды помехи во входном сигнале. Решение о наличии помехи и уровне ее ограничения принимается на основе анализа принятого сигнала путем определения дисперсии D_i каждого информационного символа и сравнении величин дисперсий двух соседних символов, в результате чего принимается решение: 1. Если D_i≠ D_i+1, то уровень ограничения обратно пропорционален величине дисперсии, при этом выполняется соотношение A_i=(L-N)/(D_i+1)+N где A_i - уровень ограничения на i-ом информационном символе, L - верхний предел уровня ограничения (при D_i=0), N - нижний предел уровня ограничения при D_i→ ∞ ), D_i(D_i+1) - дисперсия на i-ом (i+1) информационном символе.

2. Если D_i=D_i+1, то ограничение сигнала отсутствует.

Теоретическое обоснование данного алгоритма выработки решения на ограничения сигнала дано в статье Путилина А.Н. и Чуднова А.М. "Оптимизация приемника фазоманипулированных псевдослучайных сигналов при наихудшей помехе с ограниченной средней мощностью", опубликованной в журнале "Радиотехника и электроника", том 35, выпуск 8, стр. 1646-1650, 1990 г.

Функциональная схема устройства, реализующего выполнение описанных функций повышения отношения мощности широкополосного сигнала к мощности узкополосной и импульсной помех, приведена на фиг. 1.

Принцип работы предлагаемого устройства заключается в следующем. Входной сигнал поступает на информационный вход первого перемножителя 4 и вход первого элемента задержки 1, с выхода которого сигнал поступает на информационный вход амплитудного ограничителя 2. На сигнальный вход первого перемножителя 4 поступает опорный сигнал с генератора копии широкополосного сигнала 6, на выходе первого перемножителя 4 формируется информационный сигнал, который поступает на вход решающего блока 5. Решающий блок 5 определяет наличие помехи и вырабатывает управляющий сигнал, который поступает на управляющий вход амплитудного ограничителя 2, где происходит ограничение амплитуды помехи, а амплитуда информационного сигнала не меняется, так как она меньше порога ограничения амплитудного ограничителя 2. Это значительно повышает отношение мощности сигнала к мощности помехи. С выхода амплитудного ограничителя 2 сигнал поступает на информационный вход второго перемножителя 3, а на его сигнальный вход поступает опорный сигнал генератора копии широкополосного сигнала 6, задержанный вторым элементом задержки на время, необходимое для синхронизации с работой решающего блока 5. На выходе второго перемножителя 3 получаем информационный сигнал, мощность помехи в котором значительно ослаблена амплитудным ограничителем 2.

Принцип работы решающего блока 5, показанного на фиг. 3, заключается в следующем. Входной сигнал поступает на вход решающего блока 5, то есть одновременно на вход первого фильтра низкой частоты 5.1 и оба сигнальных входа второго перемножителя 5.6. Фильтр низкой частоты 5.1 выделяет среднюю составляющую из входного сигнала, то есть определяет математическое ожидание, дальше обработанный сигнал проходит на оба сигнальных входа первого перемножителя 5.2, где происходит возведение в квадрат значения математического ожидания, после перемножителя 5.2 полученный сигнал поступает на первый сигнальный вход вычитателя 5.3. Второй перемножитель 5.6 производит возведение в квадрат входного сигнала, далее этот сигнал поступает на вход второго фильтра низкой частоты 5.7, где происходит выделение средней составляющей, после чего данный сигнал подается на второй сигнальный вход вычитателя 5.3. На выходе вычитателя 5.3 мы имеем сигнал, пропорциональный дисперсии входного сигнала. Данный алгоритм можно пояснить следующей формулой:
D_i = M²[x(t)]-M[x²(t)],
где D_i - дисперсия на i-ом информационном символе,
M[*] - математическое ожидание от "*";
x(t)- входной сигнал.

Математическое ожидание определяется фильтрами низких частот, а возведение в квадрат происходит в перемножителе, на входы которого поданы одинаковые сигналы.

После вычитателя 5.3 обработанный сигнал поступает на входы усилителя 5.4 и элемента задержки 5.8, а также и на второй сигнальный вход компаратора 5.9. Усилитель 5.4 усиливает сигнал до уровня, необходимого для работы амплитудного ограничителя 2, и передает его на информационный вход ключа 5.5, который пропускает этот сигнал на выход при наличии разрешающего сигнала на управляющем входе. Элемент задержки 5.8 задерживает сигнал на длительность одной информационной посылки, и с его выхода данный сигнал поступает на первый сигнальный вход компаратора 5.9, который вырабатывает управляющий сигнал, поступающий на управляющий вход ключа 5.5. Управляющий сигнал замыкает ключ 5.5, если сигналы на входах компаратора 5.9 не совпадают, и размыкает ключ 5.5, если совпадают. С выхода ключа 5.5 сигнал проходит на вход амплитудного ограничителя 2.

Принцип работы амплитудного ограничителя 2, показанного на фиг. 2, заключается в следующем. Управляющий сигнал с решающего блока 5 поступает на управляющий вход амплитудного ограничителя 2, то есть одновременно на вход инвертора 2.2 и второй управляющий вход двустороннего амплитудного ограничителя 2.1, а на первый управляющий вход двухстороннего амплитудного ограничителя 2.1 поступает инвертированный управляющий сигнал с выхода инвертора 2.2. Информационный сигнал поступает на информационный вход амплитудного ограничителя 2, то есть на вход двустороннего амплитудного ограничителя 2.1, где и происходит ограничение его амплитуды. Причем порог ограничения в области отрицательных значений определяется инвертированным управляющим сигналом, а в области положительных - неинвертированным. С выхода двустороннего амплитудного ограничителя 2.1 сигнал поступает на информационный вход второго перемножителя 3.

Таким образом, при такой совокупности существенных признаков получаем устройство корреляционной обработки широкополосных сигналов, которое работает как при узкополосной, так и при импульсной помехах. Это устройство на основе анализа величины дисперсии входного сигнала принимает решение о необходимой величине ограничения помехи во входном сигнале, что позволяет увеличить отношение мощности широкополосного сигнала к мощности узкополосной и импульсной помех при корреляционной обработкe широкополосного сигнала.

Формула изобретения

Устройство корреляционной обработки широкополосных сигналов, содержащее первый перемножитель, генератор копии широкополосного сигнала, второй перемножитель, первый элемент задержки, второй элемент задержки, причем объединенные вход первого элемента задержки и информационный вход первого перемножителя являются входом устройства, выход генератора копии широкополосного сигнала соединен с сигнальным входом первого перемножителя и входом второго элемента задержки, выход которого соединен с сигнальным входом второго перемножителя, отличающееся тем, что дополнительно введены решающий блок и амплитудный ограничитель, выход первого элемента задержки подключен к информационному входу амплитудного ограничителя, управляющий вход которого соединен с выходом решающего блока, вход которого подключен к выходу первого перемножителя, выход амплитудного ограничителя соединен с информационным входом второго перемножителя, выход которого является выходом устройства, причем решающий блок состоит из первого и второго фильтров низкой частоты, первого и второго перемножителей, вычитателя, усилителя, ключа, элемента задержки, компаратора, выход первого фильтра низкой частоты подключен к двум сигнальным входам первого перемножителя, выход которого соединен с первым сигнальным входом вычитателя, выход второго перемножителя подключен к входу второго фильтра низкой частоты, выход которого подключен к второму сигнальному входу вычитателя, выход вычитателя соединен с входами усилителя, элемента задержки и с вторым сигнальным входом компаратора, к первому сигнальному входу которого подключен выход элемента задержки, выход усилителя соединен с информационным входом ключа, выход компаратора подключен к управляющему входу ключа, объединенные входы первого фильтра низкой частоты и двух сигнальных входов второго перемножителя являются входом, а выход ключа является выходом решающего блока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3