Адаптивное устройство разделения сигналов двоичной фазовой манипуляции

 

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиоприемным устройствам, применяемым на линиях многоканальной цифровой связи и сетях множественного доступа, использующих протоколы с захватом по мощности, а также может быть использовано в области цифрового радиовещания и цифрового телевидения. Техническим результатом является разработка адаптивного устройства разделения на фоне аддитивного белого гауссовского шума двух линейно зависимых сигналов двоичной фазовой манипуляции, формирующихся на основе одного несущего колебания, различающихся по мощности и независимым информационным сдвигам на 180^o, позволяющая снизить потери помехоустойчивости, возникающие из-за возможных отклонений параметров алгоритма разделения двух сигналов от оптимальных при схемной реализации, а также уменьшить количество элементов устройства и тем самым снизить его себестоимость и повысить надежность функционирования. Адаптативное устройство разделения сигналов двоичной фазовой манипуляции содержит первый, второй, третий, четвертый, пятый перемножители, первый и второй фильтры нижних частот, полосовой фильтр, первый и второй ограничители, вычитающий блок, первый и второй решающие блоки, инвертор напряжения, аналоговый сумматор, инвертирующий усилитель. Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает снижение потерь помехоустойчивости вызванных возможными отклонениями параметров алгоритма разделения двух сигналов от оптимальных при разделении с требуемым качеством двух линейно зависимых сигналов на фоне аддитивного белого гауссовского шума, а также обеспечивает уменьшение количества элементов устройства и тем самым снижает его себестоимость и повышает надежность функционирования. 3 ил, 1 табл.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к радиоприемным устройствам, применяемым на линиях многоканальной цифровой связи и сетях множественного доступа, использующих протоколы с захватом по мощности (Бунин С.Г., Войтер А. П. Вычислительные сети с пакетной радиосвязью. -К.: Техника,1989. -223 с.), а также может быть использовано в области цифрового радиовещания и цифрового телевидения.

Известно адаптивное устройство разделения неортогональных сигналов двоичной фазовой манипуляции (А. С.СССР N 1450131. A1, МПК⁵ H 04 L 27/22, 1989 г. ), которое содержит три перемножителя, два блока формирования опорного колебания, три фильтра нижних частот, два усилителя-ограничителя с управляемым порогом ограничения, два вычитающих блока и два решающих блока. В основу работы устройства положен компенсационный принцип.

Другое известное устройство (А.С.СССР N 1363520. A1, МПК⁵ H 04 L 27/22, 1987 г. ) содержит два блока опорных колебаний, пять перемножителей, блок определения величины взаимной корреляции сигналов, два фильтра нижних частот и два вычитающих блока.

Однако данные устройства обладают относительно низкой помехоустойчивостью выделения сигналов, а также относительно высокими потерями помехоустойчивости за счет возможных отклонений параметров алгоритма разделения двух сигналов от оптимальных при схемной реализации.

Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям аналогом (прототипом) к заявляемому является адаптивное устройство разделения неортогональных сигналов двоичной фазовой манипуляции (А.С. CCCP N 1786682. A2, МПК⁵ H 04 L 27/22, 1993 г.), содержащее первый, второй, третий, четвертый, пятый, шестой, седьмой перемножители, первый, второй и третий фильтры нижних частот, первый и второй управляемые усилители-ограничители, первый, второй, третий и четвертый вычитающие блоки, первое и второе решающие устройства, первый и второй полосовые фильтры, первый и второй ограничители, причем вход устройства является входом третьего и четвертого вычитающих блоков, первым входом первого и второго перемножителей, выход первого перемножителя подключен к входу первого фильтра нижних частот, выход которого соединен с первым входом первого управляемого усилителя-ограничителя и первым входом первого вычитающего блока, выход которого соединен с входом первого решающего устройства и входом первого ограничителя, к выходу которого подключены второй вход шестого перемножителя и второй вход четвертого перемножителя, к первому входу которого подключен выход третьего вычитающего блока, второй вход которого связан с выходом седьмого перемножителя, выход четвертого перемножителя соединен с входом первого полосового фильтра, к выходу которого подключены второй вход первого перемножителя, первый вход шестого перемножителя и первый вход третьего перемножителя, выход которого подключен к входу второго фильтра нижней частоты, выход которого соединен с вторым входом первого управляемого усилителя-ограничителя и вторым входом второго управляемого усилителя-ограничителя, выход которого соединен со вторым входом первого вычитающего блока, выход первого управляемого усилителя-ограничителя подключен ко второму входу второго вычитающего блока, выход которого соединен с входом второго решающего устройства и входом второго ограничителя, к выходу которого подключены второй вход седьмого перемножителя и второй вход пятого перемножителя, первый вход пятого перемножителя подключен к выходу четвертого вычитающего блока, ко второму входу которого подключен выход шестого перемножителя, вход второго полосового фильтра соединен с выходом пятого перемножителя, а выход - с первым входом седьмого перемножителя, вторым входом второго перемножителя и вторым входом третьего перемножителя, к входу третьего фильтра нижних частот подключен выход второго перемножителя, а к выходу - первый вход второго управляемого усилителя-ограничителя и первый вход второго вычитающего блока, выходы первого и второго решающих устройств являются соответственно первым и вторым выходами устройства прототипа.

При такой совокупности описанных элементов и связей достигается некоторое повышение помехоустойчивости по сравнению с рассмотренными аналогами.

Однако устройство-прототип имеет недостатки. При описанной совокупности элементов и связей оно обладает относительно высокими потерями помехоустойчивости за счет возможных отклонений параметров алгоритма разделения двух сигналов от оптимальных при схемной реализации. Кроме того, устройство-прототип в случае разделения линейно зависимых сигналов (Под линейно зависимыми понимаются сигналы, которые не могут быть разделены линейными методами, например с помощью согласованных фильтров или корреляторов, и разделение которых возможно с помощью нелинейных методов. Формальное математическое определение линейно зависимых сигналов дается в книге "Теория передачи сигналов": Учебник для ВУЗов / Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В., Фивд Л.М. - М.: Связь, 1980. -288 с.) имеет избыточное количество элементов, вследствие чего имеет относительно низкую надежность функционирования и относительно высокую себестоимость.

Целью изобретения является разработка адаптивного устройства разделения на фоне аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ) двух линейно зависимых сигналов двоичной фазовой манипуляции, формирующихся на основе одного несущего колебания и различающихся по мощности и независимым информационным сдвигам на 180^o, позволяющая снизить потери помехоустойчивости, возникающие из-за возможных отклонений параметров алгоритма разделения двух сигналов от оптимальных при схемной реализации, а также уменьшить количество элементов устройства и тем самым снизить его себестоимость и повысить надежность функционирования.

Поставленная цель достигается тем, что в адаптивное устройство разделения сигналов двоичной фазовой манипуляции, содержащее первый, второй, третий, четвертый перемножители, первый и второй фильтры нижних частот, полосовой фильтр, вычитающий блок, первый и второй ограничители, первый и второй решающие блоки, причем первый вход первого перемножителя является входом устройства, выход первого перемножителя соединен со входом первого фильтра нижних частот, выход первого ограничителя соединен со входом первого решающего блока и первым входом четвертого перемножителя, выход которого соединен со входом полосового фильтра, который подключен к первому входу третьего перемножителя и второму входу первого перемножителя, а выход третьего перемножителя подключен ко входу второго фильтра нижних частот, выход вычитающего блока соединен со входом второго решающего блока и входом второго ограничителя, выход которого подключен ко второму входу второго перемножителя, выходы первого и второго решающих блоков являются соответственно первым и вторым выходами устройства, дополнительно введены инвертор напряжения, аналоговый сумматор, инвертирующий усилитель и пятый перемножитель. Причем первый вход аналогового сумматора подключен к первому входу первого перемножителя и является входом устройства, а второй его вход подключен к выходу второго перемножителя. Первый вход второго перемножителя соединен с выходом инвертирующего усилителя, вход которого соединен с выходом полосового фильтра. Выход аналогового сумматора соединен со вторым входом четвертого перемножителя. Второй вход третьего перемножителя соединен с выходом полосового фильтра. Выход первого фильтра нижних частот соединен со входом инвертора напряжения, выход которого соединен со входом первого ограничителя и первым входом вычитающего блока. Второй вход вычитающего блока подключен к выходу пятого перемножителя, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходу первого ограничителя и выходу второго фильтра нижних частот.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает снижение потерь помехоустойчивости, вызванных возможными отклонениями параметров алгоритма разделения от оптимальных при разделении с требуемым качеством двух линейно зависимых сигналов на фоне АБГШ, а также обеспечивает уменьшение количества элементов устройства и тем самым снижает его себестоимость и повышает надежность функционирования.

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

Заявляемое устройство поясняется чертежами, на которых: - на фиг. 1 показана функциональная схема адаптивного устройства разделения сигналов двоичной фазовой манипуляции; - на фиг. 2 показан график зависимости вероятности ошибочного приема сигналов двоичной фазовой манипуляции от отношения их мощностей, поясняющий работу заявляемого устройства; - на фиг. 3 показаны: а) амплитудная характеристика управляемого усилителя-ограничителя; б) идеальная характеристика нелинейного элемента, описываемого функцией f(b_i) = Arth[th(2·R₁₂)·th(b_2-i+1)], в) границы области принятия решения.

Заявленное адаптивное устройство разделения сигналов двоичной фазовой манипуляции, показанное на фиг. 1, содержит первый 1, второй 2, третий 3, четвертый 4, пятый 5 перемножители, первый 6 и второй 8 фильтры нижних частот, полосовой фильтр 16, первый 11 и второй 15 ограничители, вычитающий блок 12, первый 13 и второй 14 решающие блоки, инвертор напряжения 10, аналоговый сумматор 7, инвертирующий усилитель 9. Первый вход первого перемножителя 1, соединенный с первым входом аналогового сумматора 7, является входом устройства. Выход первого перемножителя 1 соединен с входом первого фильтра нижних частот 6, выход которого соединен с входом инвертора напряжения 10. Выход инвертора напряжения 10 соединен с входом первого ограничителя 11 и первым входом вычитающего блока 12, второй вход которого подключен к выходу пятого перемножителя 5. Выход первого ограничителя 11 соединен с входом первого решающего блока 13, первым входом пятого перемножителя 5 и первым входом четвертого перемножителя 4. Второй вход четвертого перемножителя 4 подключен к выходу аналогового сумматора 7, а выход соединен с входом полосового фильтра 16, выход которого соединен с первым и вторым входами третьего перемножителя 3, входом инвертирующего усилителя 9, а также с вторым входом первого перемножителя 1. Выход третьего перемножителя 3 подключен к входу второго фильтра нижних частот 8, выход которого соединен с вторым входом пятого перемножителя 5. Выход вычитающего блока 12 соединен с входом второго решающего блока 14 и входом второго ограничителя 15, выход которого подключен ко второму входу второго перемножителя 2. Первый вход второго перемножителя 2 соединен с выходом инвертирующего усилителя 9, а выход - со вторым входом аналогового сумматора 7. Выходы первого 13 и второго 14 решающих блоков являются соответственно первым и вторым выходами устройства.

Входящие в общую схему элементы имеют следующее предназначение.

Перемножители 1-5 предназначены для формирования и демодуляции сложных сигналов. Могут быть использованы аналоговый перемножитель марки 526 ПС1 и другие, описанные в книге - Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов / А. А. Сикарев, С. Н. Лебедев, -М.: Радио и связь, 1983, -с. 216, ил. на с. 200-202, рис. 7.11.

Фильтры нижних частот 6 и 8 предназначены для интегрирования произвольно изменяющегося напряжения на интервале длительности символов разделяемых сигналов, описаны в книге - Справочник по расчету линейных радиотехнических цепей / Б. Ф. Емелин, -Л.: -ВАС, 1966, -с. 120-128, рис. 6.7.

Аналоговый сумматор 7 предназначен для сложения сигналов, поступающих на вход, описан в книге - Расчет и проектирование линейных аналоговых ARC-устройств /А. А. Ланнэ, -ВАС, 1980, -с. 194- 198, рис. 7.6.

Инвертирующий усилитель 9 предназначен для формирования инверсного выходного напряжения, пропорционального коэффициенту усиления и входному напряжению, описан в книге - Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов / А. А. Сикарев, С. Н. Лебедев, -М.: Радио и связь, 1985, -с. 16-17, рис. 1.9.

Инвертор напряжения 10 предназначен для изменения полярности на выходе входного напряжения. Может быть построен на основе инвертирующего усилителя с коэффициентом усиления, равным единице, описан в книге - Операционные усилители /И. Достал, Пер. с англ. -М.: Мир, 1982, -с.512, на с. 182-184, рис. 6.6б. Ограничители 11 и 15 предназначены для формирования управляющих сигналов, необходимых для мягкой деманипуляции разделяемых сигналов при формировании опорного колебания. В частности, схемы ограничителей могут быть построены на основе операционных усилителей с последовательной операционной схемой, где величины входного сопротивления и сопротивления обратной связи зависят от мощности входного сигнала, при которых соотношение входного сопротивления к сопротивлению обратной связи растет пропорционально увеличению мощности разделяемых сигналов на входе устройства. Описаны в книге - Операционные усилители /И. Достал, Пер. с англ. -М.: Мир, 1982, - с.512, на с. 176-177, рис. 6.2 а.

Вычитающий блок 12 предназначен для формирования на выходе напряжения, соответствующего разности напряжений двух входных сигналов. Может быть построен как разностный усилитель, описан в книге -Операционные усилители /И. Достал, Пер. с англ. -М.: Мир, 1982, -512 с., на с. 193-194 рис. 6.17.

Решающие блоки 13 и 14 предназначены для принятия решения о принимаемых символах по правилу, описываемому функцией Хевисайда. Их схемы известны и, в частности, решающие блоки на основе компараторов, формирующих сигналы на выходе с логическими уровнями "1" или "0" в зависимости от наличия положительного или отрицательного напряжения на входе, описаны в книге - Микроэлектронные устройства формирования и обработки сложных сигналов / А. А. Сикарев, С. Н. Лебедев, -М.: Радио и связь, 1985, -с. 216, рис.7.1 на с. 203-205.

Полосовой фильтр 16 предназначен для выделения полезного сигнала из смеси сигнала и шума, описан в книге - Линейные устройства аппаратуры связи / А.Ф. Белецкий, -Л.: -ВАС, 1972, -с. 207, рис. 2.17 на с.73-76.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

На вход устройства поступает аддитивная смесь двух линейно зависимых сигналов и шума. Линейно зависимые сигналы двоичной фазовой манипуляции имеют в качестве несущего колебания сигналы, отличающиеся только по мощности. Выделение большего по мощности сигнала происходит следующим образом. Принятие решения о переданном символе осуществляется по правилу максимального правдоподобия и соответствует корреляционному приему сигнала с той лишь разницей, что в поступающей на вход устройства смеси присутствует фазоманипулированный меньший по мощности сигнал. Выделение меньшего по мощности сигнала осуществляется путем вычитания компенсирующего сигнала из сигнала, образованного как скалярное произведение поступающей на вход устройства смеси и опорного колебания большего по мощности сигнала, с последующим принятием решения по правилу максимального правдоподобия.

Опорные колебания большего и меньшего по мощности сигналов отличаются только по мощности, поэтому формирование опорного колебания для каждого из выделяемых сигналов из поступающей смеси происходит путем вычитания из нее фазоманипулированного (ФМ) сигнала меньшей мощности, снятия фазовой манипуляции с выделенного сигнала большей мощности и его фильтрации на фоне аддитивного белого гауссовского шума.

Таким образом происходит адаптация фазы опорного колебания к медленно флуктуирующей фазе каждого из сигналов в принимаемой смеси.

Функциональная схема устройства, реализующего выполнение описанных функций по оптимальному разделению двух линейно зависимых сигналов, приведена на фиг. 1.

Принцип работы предлагаемого устройства заключается в следующем.

Поступающая на вход устройства смесь двух линейно зависимых сигналов и шума имеет вид где s₁(t) - несущее колебание первого, большего по мощности сигнала; несущее колебание второго, меньшего по мощности (при l_опт²>1) сигнала;
оптимальное отношение мощностей первого и второго сигналов;
n(t) - АБГШ с односторонней спектральной плотностью мощности N_О;
символы первого и второго индивидуальных сигналов, которые предполагаются взаимно независимыми.

Опорные колебания формируются в блоке формирования опорного колебания, выделенного на фиг. 1 пунктирной линией. При отношениях сигнал/шум, достаточных для приема символов r₁ и r₂ с допустимой вероятностью ошибки P_ош1= P_ош2≅10², где где t_k= k·T; k=1,2,3...; T - длительность символов r₁ и r₂, опорные колебания практически не отличаются от несущих колебаний s₁(t) и s₂(t), поэтому в дальнейшем будем обозначать их также s₁(t) и s₂(t).

Опорное колебание s₁(t) формируется на выходе полосового фильтра 16. Инверсное опорное колебание -s₂(t) формируется из s₁(t) за счет инверсии и ослабления в раз в инвертирующем усилителе 9 с коэффициентом усиления
Формирование s₁(t) происходит следующим образом. В перемножителе 2 происходит наложение информационной фазовой манипуляции меньшего по мощности сигнала на инверсное опорное колебание большего по мощности сигнала, ослабленного в В результате на выходе перемножителя 2 формируется инверсная "мягкая" оценка сигнала , равная где 0 ≅ α₂ ≅ 1 - коэффициент, зависящий от коэффициента усиления операционного усилителя, на базе которого выполнен ограничитель 15, и обеспечивающий "мягкую" деманипуляцию более слабого из сигналов;
r₂^* - решение о принятии символа r₂ второго индивидуального сигнала.

Таким образом, если величина входного сигнала ограничителя 15 близка к пороговому уровню принятия решения "0", а следовательно, высока вероятность ошибки принятия решения, то оценочный сигнал близок к нулю.

Так как с выхода перемножителя 2 на второй вход аналогового сумматора 7 поступает сигнал инверсный сигналу то в аналоговом сумматоре 7 происходит вычитание из смеси (1) фазоманипулированного сигнала
На выходе аналогового сумматора 7 формируется сигнал после чего происходят снятие информационной манипуляции большего по мощности сигнала в перемножителе 4 и сглаживание АБГШ в полосовом фильтре 16. На выходе полосового фильтра 16 формируется "мягкая" оценка сигнала s₁(t), приближенно равная α₁·s₁(t), где 0 ≅ α₁ ≅ 1 - коэффициент, формируемый в перемножителе 4 и зависящий от коэффициента усиления операционного усилителя, на базе которого выполнен ограничитель 11.

Таким образом, на выходе полосового фильтра 16 формируется опорное колебание α₁·s₁(t), причем, если величина входного сигнала ограничителя 11 близка к пороговому уровню принятия решения "0", а следовательно, высока вероятность ошибки, то оценочный сигнал α₁·s₁(t) близок к нулю.

Далее будет показано, что при высоких отношения сигнал/шум h₁² сигналы и α₂·s₂(t) фактически совпадают соответственно с s₁(t) и s₂(t). Поэтому в дальнейшем с целью упрощения описания они будут обозначены как s₁(t) и s₂(t). Использование мягких оценок сигналов полностью соответствует приведенным и описанным ранее в устройстве, используемом в качестве прототипа, и применяется для повышения помехоустойчивости.

Разделение линейно зависимых сигналов происходит следующим образом.

Смесь (1) и опорное колебание s₁(t) поступают соответственно на первый и второй входы перемножителя 1, в котором они перемножаются и поступают на вход фильтра нижних частот 6, который интегрирует входной сигнал на интервале (t_k-1, t_k), где k=1,2,3... На выходе фильтра нижних частот 6 формируется напряжение

Опорное колебание s₁(t) одновременно с поступлением на второй вход перемножителя 1 поступает на первый и второй входы перемножителя 3, где перемножается само на себя и интегрируется во втором фильтре нижних частот 8. На выходе фильтра нижних частот 8 формируется напряжение Данный сигнал поступает на второй вход перемножителя 5, на первый вход которого поступает сигнал с выхода ограничителя 11. На выходе перемножителя 5 формируется напряжение, соответствующее оценке более мощного из сигналов и необходимое для компенсации в вычитающем блоке 12 более мощного сигнала из инверсного сигнала (2), поступающего с выхода инвертора напряжения 10. После этого в вычитающем блоке 12 формируется сигнал, необходимый для принятия решения о символах r₂ меньшего по мощности сигнала Таким образом, напряжение на выходе перемножителя 5 можно интерпретировать как порог принятия решения о символах меньшего по мощности сигнала. Инверсный сигнал (2) также поступает на вход ограничителя 11, который, как было показано выше, участвует в формировании опорного колебания s₁(t). Сигналы, несущие информацию о передаваемых символах r₁ и r₂ поступают соответственно на входы первого 13 и второго 14 решающих блоков, в которых принимаются решения в зависимости от полярности поступающих на них сигналов в соответствии с правилом, описываемым функцией Хевисайда:

Таким образом, на выходах первого 13 и второго 14 решающих блоков формируются оценочные значения r₁^* и r₂^*, соответствующие передаваемым r₁ и r₂.

Перейдем к определению оптимальных параметров разделяемых линейно зависимых сигналов: оптимального отношения мощностей первого и второго сигналов l_опт², а также отношения сигнал/шум h₁² в зависимости от значения допустимой вероятности ошибки при выделении каждого из символов r₁^* и r₂^*.

В основе разделения двух неортогональных сигналов двоичной фазовой манипуляции (устройство, выполняющее данную функцию, взято в качестве прототипа) лежит известный оптимальный по критерию минимума вероятности ошибки при выделении каждого из конфликтующий цифровых сигналов (ЦС) алгоритм разделения двух не ортогональных ЦС, определяемый равносильными формулами (3а) и (3б).

r_i^*=rect{-b_i+Arth[th(2·R₁₂)·th (b_2-i+1)]}, i = 1,2; (3а)
r₁^*=rect{-th(b_i)+th(2·R₁₂)· th(b_2-i+1)}, i=1,2; (3б)
где

Применительно к линейно зависимым ЦС алгоритм (3б) для второго, меньшего по мощности сигнала может быть представлен в двух равносильных формах (4а) и (4б). Алгоритм первого, большего по мощности сигнала будет показан ниже (7).

где
В целях анализа потенциальной помехоустойчивости разделения линейно зависимых ЦС представим оптимальный алгоритм принятия решения о символах второго, меньшего по мощности сигнала в соответствии с (4) в двух эквивалентных формах: (5a) и (5б).

r₂^*=rect {-[th(b₁)·G₂(b₁,l²), (5а)
где причем
r₂^*=rect{-b₁-b₂*·sing(b₁)]}. (5б)
В алгоритме разделения, представленном в форме (5б), b₂^*>0 есть единственное решение нелинейного уравнения

иначе b₂^*=0, где
Для первого, более мощного сигнала в нашем случае всегда выполняется только условие b₁^*=0, поэтому алгоритм формирования решения r₁^* о символах первого сигнала принимает вид
r₁^*=rect(-b₁). (7)
Алгоритм формирования решения r₂^* о символах второго (более слабого) сигнала имеет нелинейную компенсационную структуру общего вида (5б), где b₂^* формируется в соответствии с (6а). Следовательно, если мешающий сигнал (в данном случае второй) слабее выделяемого (первого) сигнала, то оптимальные решения r₁^* формируются, как уже указывалось ранее, на основе обычного алгоритма линейного корреляционного приема (7). Соответственно, если на входе приемника мешающий сигнал имеет мощность большую, чем выделяемый, то оптимальный алгоритм приобретает нелинейную компенсационную структуру (6а). Поскольку для выделения первого сигнала оптимальным, как показано, является корреляционный прием (7), т.е. компенсация второго сигнала, если он линейно зависим с первым, не требуется. По этой причине отпадает необходимость применения вычитающего устройства 11 с вычитающим входом, соединенным с выходом фильтра нижних частот 6 (по схеме прототипа), и оно может быть заменено инвертором 10 в предлагаемом устройстве.

Из (5б) следует, что есть общая граница областей принятия индивидуальных решений r₂^*= 1 и r₂^*= 0 при оптимальном разделении линейно зависимых двоичных ЦС.

По получении решения b₂^* уравнения (6а) определяются вероятности принятия решений r_i^* в соответствии с правилами (5б) и (7), например
p{r₂^*=1/b₁(r₁,r₂)}= p{o<b<b^*}+p{b₁<-b^*} p{r₁^*=1/b₁(r₁,r₂)} =p{b₁ <-b^*}
Для b₂^* существует оценка сверху
Поэтому обозначим где 0 ≅ β^*₂(h²₁,l²) ≅ 1.
В соответствии с алгоритмом оптимального разделения (5б) и (7) вероятности ошибок в принятии решений о символах (битах) второго и первого сигналов абонентов (P_ош2 и P_ош1), характеризующие потенциальную помехоустойчивость оптимального разделения двух линейно зависимых ЦС, определяются соотношениями (9) и (10).

При оптимальном выделении второго сигнала на фоне первого (более мощного) в присутствии АБГШ

где
Для большего по мощности сигнала в соответствии с (7) оптимальным является корреляционный прием. В связи с этим вероятность ошибок при выделении первого сигнала на фоне второго сигнала и АБГШ примет вид

Результаты анализа потенциальной помехоустойчивости разделения двух линейно зависимых сигналов представлены на фиг.2 и в таблице.

На фиг. 2 показаны зависимости вероятности ошибок в первом и втором сигналах (пунктирная и непрерывная линии соответственно) при применении алгоритмов оптимального разделения (5б) и (7) в зависимости от отношения мощностей l² этих сигналов при заданном h₁², т.е. при фиксированной мощности первого сигнала. На графиках ОР1 и ОР2 - оптимальное баесовское, КР1 и КР2 - корреляционное выделение соответственно первого и второго сигналов.

График зависимости P_ош2=f(l²) в области l²>0 дБ, т.е. при P_c2<P и P_c1= const (h₁²=const), имеет ярко выраженный минимум Р_ош2 при некотором значении l² = l_опт². Из этого следует существование решения для задачи оптимизации в целом алгоритма оптимального разделения двух конфликтующих линейно зависимых сигналов на приеме по критерию минимальной вероятности ошибки в каждом из них.

По результатам анализа синтезированного алгоритма осуществлен поиск оптимального соотношения l_опт² мощностей сигналов абонентов на передаче, выполненный по критерию минимальной вероятности ошибки в более слабом (втором) сигнале с привязкой этого минимума к допустимому значению P_ош2(мин) = P_ош(треб) и с выполнением при l²=l_опт² условия P_ош1≅P_ош(треб). Результат решения такой задачи при P_ош(треб) = 10^-6 показан на фиг.2, на котором видим, что P_ош2(мин) =P_ош(треб) = 10^-6 и P_ош1<P. При этом в рассматриваемом случае высоких требований к помехоустойчивости P_ош1 практически совпадает с P_ош2(мин) и с P_ош(треб).

В результате решения оптимизационной задачи одновременно определены требуемые отношения сигнал/шум для первого и второго сигналов, равные h₁²=16,68 дБ и h₂²= 10,78 дБ при P_ош(треб)=10^-6. Оптимальное соотношение мощностей первого и второго сигналов l_опт² = 5,89 дБ. Отметим, что для обеспечения P_ош(треб) = 10^-6 в условиях оптимального приема только одного, а не двух взаимномешающих сигналов требуется h₁²= 10,53 дБ. Это означает, что по сравнению с указанным случаем для разделения двух линейно зависимых сигналов с вероятностью ошибки P_ошi≅P_ош(треб) = 10^-6 требуется увеличение мощности первого сигнала на 6,15 дБ, а второго всего на 0,25 дБ. Аналогичные результаты, полученные применительно к другим значениям P_ош(треб), представлены в таблице.

Из таблицы видно, что при достаточно высоких требованиях к достоверности приема двух линейно зависимых сигналов, а именно при P_ош(треб)<10, величина b₂^* с высокой точностью практически совпадает со своей верхней оценкой (8), т.е. b₂^* = 2h₁².

Обоснование достижения цели.

Отметим, что устройство-прототип позволяет решать задачу разделения неортогональных сигналов при произвольной степени их неортогональности, в том числе оно позволяет разделять и линейно зависимые сигналы. Однако в случае разделения линейно зависимых сигналов устройство- прототип оказывается избыточным по числу элементов и, кроме того, в этом случае сохраняются все основные свойственные ему недостатки, связанные с возможными погрешностями формирования на выходах управляемых усилителей-ограничителей 9 и 10 (по схеме прототипа) пороговых напряжений, необходимых для принятия решения. Необходимость в такой точности формирования пороговых напряжений ухудшает помехоустойчивость при отклонениях параметров алгоритма разделения сигналов от оптимальных при схемной реализации. Возможные потери помехоустойчивости возникают из-за неизбежных при схемной реализации отклонений амплитудной характеристики управляемых усилителей-ограничителей 9 и 10 (по схеме прототипа), показанной на фиг. 3а, от оптимальной (идеальной) характеристики управляемого усилителя-ограничителя, соответствующей алгоритму разделения (3а)
f(b_i)=Arth[th(2·R₁₂)·th(b_2-i+1)], (11)
показанной на фиг.3б. К ним относятся независимые отклонения
- угла наклона амплитудной характеристики управляемого усилителя-ограничителя (фиг.3а) от оптимального в соответствии с идеальной характеристикой алгоритма разделения (3а), показанной на фиг.3б;
- точек излома амплитудной характеристики управляемого усилителя-ограничителя от оптимальных значений в соответствии с идеальной характеристикой алгоритма разделения;
- в целом хода кривой (фиг. 3б) от оптимальной в области точек излома.

Отклонение в целом хода кривой (фиг. 3б) от оптимальной в области точек излома вызвано разбросом вольт-амперных характеристик нелинейных элементов, входящих в управляемые усилители-ограничители.

В заявляемом устройстве, ориентированном на частный случай разделения двух линейно зависимых сигналов, перечисленная совокупность причин, вызывающих потери помехоустойчивости, теоретически снимается полностью, а при схемной реализации практически исключается, так как для формирования пороговых напряжений, соответствующих b₂^*, в алгоритме 5(б) необходимо найти только точки пересечения ±b₂^* кривой f₁(b₁)=Arth[k·th(b₁)] с прямой кaк показано на фиг.3в, и не требуется воспроизведение всего хода характеристики U_вых=f(U_вх), включая угол наклона и точки излома.

Кроме того, в предлагаемом устройстве требуется формирование одного порогового напряжения, соответствующего b₁^*, а не двух разных пороговых напряжений, поступающих на вычитающие блоки 11 и 12 в схеме прототипа, что также снижает потери помехоустойчивости, связанные с возможными отклонениями параметров алгоритма разделения от оптимальных при схемной реализации. Наконец, для разделения только линейно зависимых сигналов требуется меньшее количество элементов устройства разделения и тем самым повышается надежность функционирования и снижается его себестоимость.

Таким образом, при такой совокупности существенных признаков при разделении с требуемым качеством двух линейно зависимых сигналов на фоне АБГШ обеспечивается снижение потерь помехоустойчивости, вызванных возможными отклонениями параметров алгоритма разделения двух сигналов от оптимальных при схемной реализации, а также обеспечивается уменьшение количества элементов устройства и тем самым снижается его себестоимость и повышается надежность функционирования.

Формула изобретения

Адаптивное устройство разделения сигналов двоичной фазовой манипуляции, содержащее первый, второй, третий, четвертый перемножители, первый и второй фильтры нижних частот, полосовой фильтр, вычитающий блок, первый и второй ограничители, первый и второй решающие блоки, причем первый вход первого перемножителя является входом устройства, выход первого перемножителя соединен со входом первого фильтра нижних частот, выход первого ограничителя соединен со входом первого решающего блока и первым входом четвертого перемножителя, выход которого соединен со входом полосового фильтра, выход полосового фильтра подключен к первому входу третьего перемножителя и второму входу первого перемножителя, а выход третьего перемножителя подключен ко входу второго фильтра нижних частот, выход вычитающего блока соединен со входом второго решающего блока и входом второго ограничителя, выход которого подключен ко второму входу второго перемножителя, выходы первого и второго решающих блоков являются соответственно первым и вторым выходами устройства, отличающееся тем, что дополнительно введены инвертор напряжения, аналоговый сумматор, инвертирующий усилитель и пятый перемножитель, причем первый вход аналогового сумматора подключен к первому входу первого перемножителя, а второй его вход подключен к выходу второго перемножителя, первый вход которого соединен с выходом инвертирующего усилителя, вход которого соединен с выходом полосового фильтра, выход аналогового сумматора соединен со вторым входом четвертого перемножителя, второй вход третьего перемножителя соединен с выходом полосового фильтра, выход первого фильтра нижних частот соединен со входом инвертора напряжения, выход которого соединен со входом первого ограничителя и первым входом вычитающего блока, второй вход которого подключен к выходу пятого перемножителя, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходу первого ограничителя и выходу второго фильтра нижних частот.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4