Коррелятор для сигналов с частотным сдвигом с режекцией структурных помех

 

Коррелятор для сигналов с частотным сдвигом с режекцией структурных помех относится к области радиотехники и может найти применение в системах связи с широкополосными сигналами. Достигаемый технический результат - повышение помехоустойчивости к структурным помехам на величину порядка 60-80 дБ, определяемую степенью подавления структурных помех при их режекции. Адресным признаком абонента при корреляционной обработке широкополосных сигналов является частотный сдвиг несущей частоты. Коррелятор содержит два блока перемножения, два блока фильтрации, генератор копии сигнала, измеритель уровней сигналов, формирователь оценок структурных помех, блок режекции структурных помех, блок коммутации, блок ограничения, сумматор. 7 ил.

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

Известны устройства корреляционной обработки широкополосных сигналов, описанные в патентах РФ N 2038697, H 04 B 1/10, N 2054403, H 04 B 1/10. Эти устройства предназначены для использования в системах связи с кодовым разделением каналов и не могут быть применены в системах связи с широкополосными сигналами с частотным сдвигом.

Известен коррелятор для широкополосных сигналов с частотным сдвигом, используемый в многоадресной системе связи с выбором произвольного абонента (см. Н. Т. Петрович, М. К. Размахнин "Системы связи с шумоподобными сигналами", Издательство "Сов. радио". Москва, 1969 г. , стр. 127-130), недостатком которого является низкая помехоустойчивость к структурным внутрисистемным помехам.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является коррелятор с набором фильтров, настроенных на разные частоты, приведенный в монографии Г. И. Тузова "Статистическая теория приема сложных сигналов". М. , "Сов. радио", 1977 г. , стр. 111, рис. 3.3, принятый за прототип.

Структурная схема устройства-прототипа приведена на фиг. 1, где обозначено: 1 - перемножитель; 2₁ - 2_N - полосовые фильтры; 3 - генератор копии сигнала.

Устройство-прототип содержит перемножитель 1, первый вход которого является входом устройства, опорный вход соединен с выходом генератора копии сигналов 3, а выход перемножителя 1 соединен со входами полосовых фильтров 2₁ - 2_N, выходы которых являются выходом устройства.

На фиг. 2 приведена укрупненная схема устройства-прототипа, где обозначено: 1 - блок перемножения; 2 - блок фильтрации; 3 - генератор копии сигнала.

В блок 2 объединены полосовые фильтры 2₁ - 2_N.

Работает устройство-прототип следующим образом.

Входная смесь, содержащая сигналы от N абонентов, удаленных от базовой станции на различные расстояния, представляющие собой широкополосные фазоманипулированные сигналы, которые отличаются частотным сдвигом несущих частот (значение частотного сдвига является адресом абонента), поступает на блок 1, где перемножается с опорным широкополосным сигналом блока 3, синхронным по задержке с сигналами абонентов. Результат перемножения - свернутые узкополосные сигналы поступают на блок 2. Так как сигналы N абонентов отличаются между собой частотным сдвигом несущей, то свернутый сигнал каждого из N абонентов попадает в свой полосовой фильтр блока 2, с выхода которого подается на выход устройства.

Недостатком прототипа является низкая помехоустойчивость к структурным внутрисистемным помехам.

Для устранения указанного недостатка в коррелятор для сигналов с частотным сдвигом с режекцией структурных помех, содержащий последовательно соединенные блок перемножения, сигнальный вход которого является входом устройства, и блок фильтрации, а также генератор копии сигнала, выход которого соединен с опорным входом блока перемножения, введены измеритель уровней сигналов, управляющий выход которого соединен с управляющим входом блока коммутации, первый сигнальный вход которого соединен с сигнальным выходом измерителя уровней сигналов и сигнальным входом формирователя оценок структурных помех, выход которого через блок ограничения и сумматор соединен с опорным входом блока режекции структурных помех, при этом опорный вход формирователя оценок структурных помех соединен с опорными входами первого и второго блоков перемножения и выходом генератора копии сигналов. Причем сигнальный вход первого блока перемножения через блок режекции структурных помех соединен с сигнальным входом второго блока перемножения, выход которого через второй блок фильтрации присоединен ко второму сигнальному входу блока коммутации, выход которого является выходом устройства.

Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 3, где использованы следующие обозначения: 1₁, 1₂ - первый и второй блоки перемножения; 2₁, 2₂ - первый и второй блоки фильтрации; 3 - генератор копии сигнала;
4 - измеритель уровней сигналов;
5 - формирователь оценок структурных помех;
6 - блок режекции структурных помех;
7 - блок коммутации;
8 - блок ограничения;
9 - сумматор.

Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные первый блок перемножения 1₁, первый блок фильтрации 2₁, измеритель уровней сигналов 4, управляющий выход которого (шина из N - управляющих выходов) соединен с управляющим входом блока коммутации 7, сигнальный же выход (шина из N - сигнальных выходов) измерителя уровней сигналов 4 соединен с первым сигнальным входом блока коммутации 7 и сигнальным входом формирователя оценок структурных помех 5, опорный вход которого соединен с опорными входами первого и второго блоков перемножения 1₁ и 1₂ и с выходом генератора копии сигнала 3, а выход формирователя оценок структурных помех 5 шиной через блок ограничения 8 и сумматор 9 соединен с опорным входом блока режекции структурных помех 6, сигнальный вход которого соединен с сигнальным входом первого блока перемножения 1₁ и является входом устройства, а выход блока режекции структурных помех 6 соединен с сигнальным входом второго блока перемножения 1₂, выход которого через блок фильтрации 2₂ шиной соединен со вторым сигнальным входом блока коммутации 7, выход которого является выходом устройства.

Предлагаемое устройство представляет собой коррелятор базовой станции, принимающий сигналы от абонентских станций, расстояния которых до базовой станции может изменяться в широких пределах, в результате чего сигналы ближних абонентов могут оказывать мешающее влияние на прием сигналов от удаленных абонентов. Это влияние может быть настолько сильным, что прием сигналов от удаленных абонентов становится невозможным. Адресом абонента является частотный сдвиг несущей частоты широкополосного фазоманипулированного сигнала, который выбирается таким образом, чтобы после свертки за счет перемножения с синхронным опорным широкополосным фазоманипулированным сигналом выделенные узкополосные сигналы могли быть расфильтрованы с помощью узкополосных фильтров с минимальным взаимным влиянием. Такой сдвиг для соседних каналов составляет , где Т - длительность информационного символа (часто он называется ортогональным частотным сдвигом).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Входная смесь, содержащая широкополосные фазоманипулированные сигналы от N абонентских станций, отличающиеся между собой частотным сдвигом несущих частот (ортогональным частотным сдвигом), поступает в базовой станции на блок 1, где перемножается с опорным сигналом, общим для сигналов всех абонентов и синхронным с ними, который формируется блоком 3. В результате перемножения широкополосные фазоманипулированные сигналы N абонентов сворачиваются в N узкополосные сигналы, отличающиеся между собой частотами, которые подаются на блок 2₁.

В блоке 2₁ узкополосные сигналы фильтруются с помощью гребенки из N полосовых фильтров, каждый из которых настроен на свою частоту. Отфильтрованные сигналы поступают на блок 4. В блоке 4 в каждом из N каналов сигнал усиливается и детектируется, выделенные в результате амплитудного детектирования огибающие сигналов сравниваются с порогом. Команды о превышении ("1") или непревышении ("0") порогов в каналах подаются на управляющий вход (шина из N проводов) блока 7. Узкополосные сигналы, уровни которых превысили порог, подаются одновременно на блоки 5 и 7. В блоке 5 они превращаются в широкополосные фазоманипулированные сигналы, аналогичные по структуре соответствующим сигналам ближних абонентов во входной смеси. Таким образом блок 5 формирует оценки структурных помех - копии сигналов ближних абонентов (сигналов большого уровня).

Это достигается за счет перемножения (фазовой манипуляции) узкополосных сигналов, прошедших через блок 4 (так как их огибающие превысили порог), опорным сигналом блока 3. С выхода блока 5 оценки структурных помех, через блок 8, осуществляющий их ограничение, и блок 9, осуществляющий их суммирование, подаются на опорный вход блока 6, где с их использованием из входной смеси режектируются соответствующие структурные помехи. С выхода блока 6 входная смесь, из которой исключены структурные помехи, подается на сигнальный вход блока 1₂, где перемножается с синхронным опорным сигналом блока 3. В блоке 1₂ широкополосные сигналы с частотным сдвигом малого уровня (сигналы удаленных абонентов) сворачиваются в соответствующие узкополосные сигналы. В блоке 2₂ узкополосные сигналы удаленных абонентов фильтруются каждый в своем полосовом фильтре, после чего подаются на второй сигнальный вход блока 7, выполняющий коммутацию N частотных каналов на выход устройства.

Таким образом корреляционная обработка сигналов малого уровня (сигналов удаленных абонентов) осуществляется после режекции из входной смеси сигналов большого уровня - сигналов ближних абонентов, которые рассматриваются как структурные помехи по отношению к сигналам удаленных абонентов.

Структурная схема блока 4 приведена на фиг. 4, где использованы следующие обозначения:
41₁ - 41_N - элемент задержки;
42₁ - 42_N - ключ;
43₁ - 43_N - усилитель;
44₁ - 44_N - амплитудный детектор;
45₁ - 45_N - блок сравнения с порогом.

Блок 4 состоит из N каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные элемент задержки 41 и ключ 42, а также последовательно соединенные усилитель 43, детектор 44, блок сравнения с порогом 45, выход которого соединен с управляющим входом ключа 42 и одновременно является выходом канала, выход ключа 42 является сигнальным выходом канала, входы элемента задержки 41 и усилителя 43 объединены между собой и являются входом канала.

Блок 4 работает следующим образом. В каждом из N каналов сигнал усиливается в блоке 43, детектируется в блоке 44, выделенная огибающая сравнивается с порогом в блоке 45. Одновременно в каждом канале сигнал через элемент задержки 41 подается на ключ 42. Величина задержки блока 41 выбирается равной задержке в тракте, состоящем из блоков 43, 44, 45. Команды о превышении порогов с выходов блоков 45 подаются на управляющий вход блока 9 (шина из N проводов). Узкополосные сигналы, превысившие пороги, подаются одновременно на сигнальный вход блока 7 (шина из N проводов) и сигнальный вход блока 5 (шина из N проводов).

Структурная схема блока 5 приведена на фиг. 5, где использованы следующие обозначения:
51₁ - 51_N - перемножитель;
52₁ - 52₁ - полосовой фильтр;
53₁ - 53_N - элемент задержки.

Блок 5 состоит из N каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные перемножитель 51, полосовой фильтр 52 и элемент задержки 53. Входы блоков 51₁ . . . 51_N являются сигнальными входами блока 5, а выходы блоков 52₁. . . 52_N являются выходами блока 5. Объединенные входы элементов задержки 53₁ . . . 53_N являются опорным входом блока 5, выходы блоков 53₁ . . . 53_N соединены с соответствующими опорными входами блоков 51₁ . . . 51_N.

Блок 5 работает следующим образом.

Блок 8 представляет собой N каналов, каждый из которых содержит ограничитель.

В блоке 8 осуществляется нормирование уровней напряжения в каждом из N каналов за счет их ограничения.

В блоке 9 производится суммирование нормированных уровней каналов с использованием (при необходимости) развязывающих элементов (резисторов, эмиттерных повторителей и т. д. ).

Структурная схема блока 6 приведена на фиг. 6, где использованы следующие обозначения:
61, 63 - первый и второй перемножители;
62 - режекторный фильтр;
64, 65 - первый и второй элементы задержки.

Блок 6 содержит последовательно соединенные первый элемент задержки 64, вход которого является входом блока, первый перемножитель 61, режекторный фильтр 62, второй перемножитель 63, выход которого является выходом блока 6, а также второй элемент задержки 65, при этом опорный вход блока 6 соединен с опорным входом блока 61 непосредственно, а с опорным входом блока 63 через элемент задержки 65.

Блок 6 работает следующим образом.

Входная смесь со входа устройства через блок 64 поступает на сигнальный вход блока 61, на опорный его вход поступает смесь оценок структурных помех с выхода блока 9. Величина задержки блока 64 подбирается при настройке устройства таким образом, чтобы обеспечивалась синхронность сигналов на входах блока 61. За счет перемножения входной смеси с синхронными оценками структурных помех в блоке 61 происходит свертка широкополосных структурных помех в узкополосный низкочастотный сигнал, близкий к постоянной составляющей (перемножаемые сигналы имеют одинаковую структуру и отличаются начальными фазами), который режектируется в блоке 61. В то же время сигналы удаленных абонентов в блоке 61 получают дополнительную манипуляцию смесью оценок структурных помех, которая снимается в блоке 63 за счет перемножения с тем же опорным сигналом, поступающим от блока 9 через блок 65. Величина задержки блока 65 подбирается при настройке устройства таким образом, чтобы обеспечивалась синхронность перемножаемых сигналов. Таким образом структурные помехи (мощные сигналы ближних абонентов) режектируются и поэтому не проходят на выход блока 6, а сигналы удаленных абонентов проводят через блок 6 практически без искажения.

Структурная схема блока 7 приведена на фиг. 7, где использованы следующие обозначения:
71₁ - 71_N - инвертор;
72₁ - 72_N - ключ;
73₁ - 73_N - усилитель;
74₁ - 74_N - усилитель.

Блок 7 содержит N первых каналов, каждый из которых содержит блок 74, N вторых каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные блоки 72 и 73 и N третьих каналов, каждый из которых содержит блок 71, при этом выходы первых усилителей 73 соединены с соответствующими выходами вторых усилителей 74, входы которых являются первыми N входами блока 7, а выходы являются N выходами блока 7. Вторые N входов блока 7 соединены с соответствующими сигнальными входами блоков 72, при этом N управляющих входов блока 7 соединены через соответствующие блоки 71 с соответствующими управляющими входами ключей 72.

Блок 7 работает следующим образом.

Сигналы ближних абонентов поступают на первый вход блока 4. Через усилители 74₁ - 74_N подаются на выходы блока 7. Сигналы удаленных абонентов поступают на второй вход блока 7 от блока 2₂. Через ключи 72₁ - 72_N и усилители 73₁ - 73_N они поступают на соответствующие выходы блока 7. Управление ключами 72₁ - 72_N осуществляется командами блока 4, поступающими через инверторы 71₁ - 71_N. При появлении на управляющих выходах блока 4 команды "1" соответствующие им ключи 72 запираются, за счет этого обеспечивается прохождение на выход блока 7 сигналов ближних абонентов с выходов блока 4, а сигналов от удаленных абонентов - с выходов блока 2₂, при этом управляющими командами блока 4 производится запрет на прохождение сигналов тех каналов блока 2₂, которые открыты в блоке 4. Усилители 73₁ - 73_N, 74₁ - 74_N обеспечивают прохождение сигналов в одном направлении, за счет чего исключается взаимное влияние блоков 4, 5, 2₂.

Блоки 1₁ и 1₂ представляют собой перемножители, на сигнальные и опорные входы которых сигналы подаются через элементы задержки, величины задержки которых подбираются при настройке устройства и могут иметь значения от нуля до конечной величины. Элементы задержки, которые могут входить в состав блоков 1₁ и 1₂, обеспечивают синхронность перемножаемых сигналов с учетом их задержек в аппаратуре.

Устройство-прототип обеспечивает одновременную корреляционную обработку на базовой станции сигналов как ближних, так и удаленных абонентов. Мощные сигналы ближних абонентов оказывают мешающее воздействие на прием сигналов более удаленных абонентов, что обусловлено наличием выбросов функции взаимной корреляции широкополосных сигналов в частотной области. Таким образом прототип имеет низкую помехоустойчивость к структурным помехам.

В заявляемом устройстве производится двухэтапная корреляционная обработка сигналов. На первом этапе осуществляется корреляционная обработка мощных сигналов ближних абонентов. Корреляционная обработка слабых сигналов удаленных абонентов производится на втором этапе после режекции из входной смеси восстановленных сигналов ближних абонентов (структурных помех), за счет чего обеспечивается повышение помехоустойчивости к структурным помехам на величину порядка (60 - 80) дБ, определяемую степенью подавления структурных помех при их режекции.

Формула изобретения

Коррелятор для сигналов с частотным сдвигом с режекцией структурных помех, содержащий последовательно соединенные первый блок перемножения, сигнальный вход которого является входом устройства, и первый блок фильтрации, а также генератор копии сигнала, выход которого соединен с опорным входом первого блока перемножения, отличающийся тем, что введены измеритель уровней сигналов, на который поступают отфильтрованные в первом блоке фильтрации сигналы, осуществляющий сравнение выделенных огибающих сигналов с порогом и вырабатывающий управляющие команды для блока коммутации, а также формирователь оценок структурных помех, выход которого соединен с блоком ограничения, осуществляющим нормирование уровней напряжения сигналов, суммирование которых осуществляется в сумматоре, с выхода которого просуммированные сигналы поступают на вход блока режекции структурных помех, при этом опорный вход формирователя оценок структурных помех соединен с опорными входами первого и второго блоков перемножения, причем сигнальный вход первого блока перемножения через блок режекции структурных помех соединен с сигнальным входом второго блока перемножения, выход которого через второй блок фильтрации присоединен к второму сигнальному входу блока коммутации, выход которого является выходом устройства, кроме того, управляющий выход измерителя уровней сигналов соединен с управляющим входом блока коммутации, первый сигнальный вход которого соединен с сигнальным выходом измерителя уровней сигналов и сигнальным входом формирователя оценок структурных помех.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7