Коррелятор для широкополосных сигналов с частотным сдвигом

 

В изобретении, относящемся к области радиотехники, осуществляется многоэтапная корреляционная обработка широкополосных сигналов с частотным сдвигом. Корреляционная обработка сигналов более низкого уровня от удаленных абонентов проводится после режекции во входной смеси более мощных помех ближних абонентов. Технический результат - повышение помехоустойчивости к структурным помехам. 7 ил.

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

Известны устройства корреляционной обработки широкополосных сигналов, описанные в патентах РФ 2038697, H 04 B 1/16; 2034403, Н 04 В 1/16. Эти устройства предназначены для использования в системах связи с кодовым разделением каналов и не могут быть применены в системах связи c широкополосными сигналами с частотным сдвигом.

Известен коррелятор для широкополосных сигналов с частотным сдвигом, используемый в многоадресной системе с выбором произвольного абонента (см. Петрович Н. T., Размахнин M.К. "Системы связи с шумоподобными сигналами", М.: Сов. радио, 1969г., с.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 Тузова Г.И. "Статистическая теория приема сложных сигналов", М.: Сов. радио, 1977г., стр.111, рис.3.3, принятый за прототип.

Структурная схема устройства-прототипа приведена на фиг.1, где введены следующие обозначения: 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.

Нa 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.

Устройство-прототип, представленное на фиг.2, содержит последовательно соединенные блок перемножения 1, вход которого является входом устройства, и блок фильтрации 2, выход которого является выходом устройства, кроме того, содержит генератор копии сигнала 3, выход которого соединен с опорным входом блока перемножения 1.

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 широкополосных сигналов c частотным сдвигом, содержащий последовательно соединенные блок перемножения и блок фильтрации, а также генератор копии сигналов, выход которого соединен с опорным входом блока перемножения, введены коммутатор и (К-1) каналов, где К - число градаций уровней сигналов на входе коррелятора, каждый канал содержит последовательно соединенные блок перемножения, блок фильтрации, блок, пропускающий входной сигнал на сигнальный выход при превышении уровнем входного сигнала порога и формирующий на управляющем выходе сигнал о превышении или непревышении порога, формирователь оценки структурных помех, ограничитель, блок режекции структурных помех, при этом сигнальный выход каждого блока, пропускающего входной сигнал на сигнальный выход при превышении уровнем входного сигнала порога и формирующего на управляющем выходе сигнал о превышении или непревышении порога, соединен с соответствующим сигнальным входом коммутатора, а управляющий выход каждого блока, пропускающего входной сигнал на сигнальный выход при превышении уровнем входного сигнала порога и формирующий на управляющем выходе сигнал о превышении или непревышении порога, соединен с соответствующим управляющим входом коммутатора. В каждом из (К-1) каналов опорные входы блока перемножения и формирователя оценки структурных помех соединены c выходом генератора копии сигнала, выход блока режекции структурных помех предыдущего канала соединен с сигнальным входом блока режекции структурных помех и с сигнальным входом блока перемножения последующего канала. Вход блока перемножения первого канала, соединенный с входом блока режекции структурных помех первого канала, является входом устройства. Выход блока режекции структурных помех (К-1)-го канала соединен с сигнальным входом блока перемножения, а выход блока фильтрации соединен с соответствующим сигнальным входом коммутатора, выход которого является выходом устройства.

Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.3, где обозначено: 1,1₁÷1_K-1 - блок перемножения; 2,2₁÷2_K-1 - блок фильтрации; 3 - генератор копии сигнала;
4₁÷4_K-1 - блок, пропускающий входной сигнал на сигнальный выход при превышении уровнем входного сигнала порога и формирующий на управляющем выходе сигнал о превышении или непревышении порога;
5₁÷5_K-1 - формирователь оценки структурных помех;
6₁÷6_K-1 - блок режекции структурных помех;
7 - коммутатор,
8₁÷8_K-1 - ограничитель.

Предлагаемое устройство содержит генератор копии сигналов 3, коммутатор 7 и K-1 каналов (где К - число градаций уровней сигналов на входе коррелятора); первый (1) из которых, обрабатывающий сигналы наиболее близких абонентов, содержит последовательно соединенные блок перемножения 1₁, блок фильтрации 2₁ и (шиной из N проводов присоединен к входу) блок, пропускающий входной сигнал на сигнальный выход при превышении уровнем входного сигнала порога и формирующий на управляющем выходе сигнал о превышении или непревышении порога, управляющий выход (шина из N проводов) которого соединен с первым управляющим входом коммутатора 7, а сигнальный выход блока, пропускающего входной сигнал на сигнальный выход при превышении уровнем входного сигнала порога и формирующего на управляющем выходе сигнал о превышении или непревышении порога, соединен с первым сигнальным входом коммутатора 7 и с сигнальным же входом формирователя оценки структурных помех 5₁, опорный вход которого соединен с выходом генератора копии cигнала 3 и с опорными входами блоков перемножения 1, 1₁÷К-1, а также с опорными входами формирователей оценки структурных помех 5₁÷5_K-1; кроме того, выход формирователя оценки структурных помех 5₁ через ограничитель 8₁ соединен с опорным входом блока режекции помех 6₁, сигнальный вход которого соединен с сигнальным входом блока перемножения 1₁, который является входом первого канала и также входом устройства, а выход блока режекции структурных помех 6₁ соединен с сигнальным входом блока перемножения 1₂ и с сигнальным входом блока режекции структурных помех 6₂.

Второй (2) и последующие (до K-1) каналы содержат последовательно соединенные блок перемножения 1₂, блок фильтрации 2₂ и блок, пропускающий входной сигнал на сигнальный выход при превышении уровнем входного сигнала порога и формирующий на управляющем выходе сигнал о превышении или непревышении порога, управляющий выход которого соединен с вторым управляющим входом коммутатора 7₂, а сигнальный выход соединен со вторым сигнальным входом коммутатора 7₂ и с сигнальным входом формирователя оценки структурных помех 5₂, выход которого через ограничитель 8₂ соединен с опорным входом блока режекции структурных помех ₂, сигнальный вход которого соединен с выходом блока режекции структурных помех 6₁ и с сигнальным входом блока 1₂.

Последующие каналы - с 3 по (К-1) - имеют аналогичный состав блоков, при этом выход блока 6_i предыдущего канала (i=1, K-1) соединен c сигнальными входами блока перемножения 1_i и блока режекции 6_i последующего канала.

Канал, обрабатывающий сигналы наиболее удаленных абонентов, содержит последовательно соединенные блок перемножения 1 и блок фильтрации 2, при этом опорный вход блока 1 соединен с выходом генератора копии сигнала 3, а также c опорными входами блоков перемножения 1₁÷1_K-1 и с опорными входами формирователей оценки структурных помех 5₁÷5_K-1, а сигнальный вход блока перемножения 1 соединен с выходом блока режекции структурных помех 6_K-1 (K-1)-го канала, а выход блока фильтрации 2 (шиной из N проводов) присоединен к К-ому сигнальному входу коммутатора 7, выход которого является выходом устройства.

Предлагаемое устройство представляет собой коррелятор базовой станции сотовой системы связи, в которой используются широкополосные сигналы с частотным сдвигом. Расстояния между базовой станцией и абонентскими станциями может изменяться в широких пределах, при этом сигналы ближних абонентов воздают структурные помехи сигналам удаленных от базовой станции абонентов.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Входная смесь, содержащая сигналы от N абонентских станций, отличающихся между собой частотным сдвигом широкополосной несущей частоты, равным для соседних каналов (где Т - длительность информационного символа), являющегося адресным признаком абонента, поступает на блок ₁, где перемножается с опорным сигналом, формируемым блоком 3, который работает в синхронном режиме c сигналами N абонентов.

В результате перемножения в блоке 1 широкополосные сигналы N абонентов сворачиваются в узкополосные сигналы, отличающиеся между собой частотами (в соответствии с частотными сдвигами несущей), которые подаются на вход блока 2₁. В блоке 2₁ узкополосные сигналы фильтруются N полосовыми фильтрами, настроенными каждый на свою частоту, соответствующую адресу абонента. Отфильтрованные сигналы поступают на вход блока 4₁ (через шину из N проводов. В блоке 4₁ уровни узкополосных сигналов измеряются за счет сравнения продетектированных напряжений на выходе каждого из N фильтров с первым (высоким) порогом.

Сигналы, превысившие первый порог, c сигнального выхода блока 4₁ подаются одновременно на сигнальный вход блока 5₁ (шина из N проводов) и первый сигнальный вход блока 7 (шина из N проводов). С управляющего выхода блока 4₁ (шина из N проводов) команды о превышении (непревышении) порога в каждом из N каналов подаются на первый управляющий вход блока 7.

В блоке 5₁ узкополосные сигналы, поступившие от блока 4₁, в каждом из N каналов перемножаются с опорным сигналом блока 3, поступающим на опорный вход блока 5₁, в результате чего они становится широкополосными, аналогичными соответствующим широкополосным сигналам абонентов во входной смеси.

Таким образом, на выходе блока 5₁ формируется оценка структурных помех, которая представляет собой смесь восстановленных сигналов ближних абонентов, уровни которых превысили первый, самый высокий порог. Сформированная оценка нормируется по уровню за счет ее ограничения в блоке 8₁, с выхода которого подается на опорный вход блока 6₁, на сигнальный вход которого подается входная смесь.

В блоке 6₁ с использованием сформированной оценки структурных помех осуществляется режекция соответствующих структурных помех первого (самого высокого) уровня из входной смеси. С выхода блока 6₁ входная смесь, из которой исключены структурные помехи первого уровня, подается на блоки 1₂ и 6₂, входящие в состав второго канала, где обработка сигнала аналогична обработке в первом канале, с тем лишь отличием, что в блоке 4₂ измерение уровней сигналов проводится за счет их сравнения со вторым (более низким) порогом.

В (К-1)-ом канале восстанавливаются и режектируются помехи (К-1)-го уровня, с выхода блока 6_K-1 входная смесь, из которой исключены помехи с первого по (К-1)-й уровень, поступают на сигнальный вход блока 1₁, на опорный вход которого поступает опорный сигнал с блока 3.

В результате перемножения входной смеси с опорным сигналом в блоке 1 сворачиваются широкополосные сигналы К-го (наиболее низкого) уровня, которые остались во входной смеси после того, как из нее были исключены за счет режекции структурные помехи (К-1)-го более высоких уровней.

В частотных каналах блока 2 свернутые сигналы наиболее удаленных абонентов фильтруются, после чего они поступают на соответствующий К-й сигнальный вход блока 7 (в виде шины из N проводов). В блоке 7 осуществляется коммутация сигналов, поступающих от блоков 4₁, 4₂...4_(K-1) и 2_K на выход устройства.

Блок 1 представляет собой перемножитель, на опорный вход которого сигнал от блока 3 подается через регулируемый (при настройке) элемент задержки, величина задержки которого подбирается таким образом, чтобы обеспечивалась синхронность перемножаемых сигналов.

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

Блок 4₁ содержит N каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные элемент задержки 41₁ и ключ 42₁, а также амплитудный детектор 43₁, вход которого, соединенный со входом элемента задержки 41₁, является входом канала, и блок сравнения с порогом 44_I, выход которого, соединенный c управляющим входом ключа, является управляющим выходом канала, сигнальный выход ключа 42₁ является сигнальным выходом канала.

Блок 4₁ работает следующим образом.

В каждом канале сигнал поступает в две ветви, одна из которых содержит последовательно соединенные элемент задержки 41₁ и ключ 42, а другая - последовательно соединенные амплитудный детектор 43₁ и блок сравнения с порогом 44₁.

При превышении порога в блоке 44₁ на его выходе формируется команда "1", которая подается на управляющий вход ключа 42₁, открывая его. В этом случае сигнал данного частотного канала пропускается на сигнальный выход блока 4₁.

Одновременно команда о превышении (непревышении) порога в данном частотном канале подается на управляющий выход блока ₁.

Структурная схема блока 5₁, одинакового для каналов с 1 по (К-1), приведена на фиг.5, где использованы следующие обозначения:
51₁÷51_N - перемножитель;
52 - сумматор;
53 - полосовой фильтр;
54 - элемент задержки.

Блок 5₁ содержит N перемножителей 51₁÷51_N, входы которых являются сигнальными входами блока 5₁, выходы блоков 51₁÷51_N объединены в сумматоре 52, выход которого через полосовой фильтр 53 соединен c выходом блока 5₁.

В состав блока 5₁ входит элемент задержки 54, вход которого является опорным входом блока 5₁, а выход соединен с опорными входами N перемножителей 51₁÷51_N.

Блок 5₁ работает следующим образом.

Сигналы, уровни которых превысили пороги в соответствующем блоке 4_I, поступают на блоки 51_I÷51_N, где перемножаются с опорным сигналом блока 3, поступающим через элемент задержки 54. За счет перемножения узкополоcные (свернутые) сигналы абонентов, поcтупившие на блок 5₁, становится широкополосными, аналогичными по структуре соответствующим им сигналам абонентов (структурным помехам) во входной смеси. Эти сигналы суммируются в блоке 52, фильтруются в блоке 53, полоса пропускания которого равна полосе спектра широкополосных сигналов N абонентов. С выхода блока 53 сформированные оценки структурных помех (восстановленные сигналы соответствующего уровня) подаются на выход блока 5₁.

Структурная схема блока 6₁ приведена на фиг.6, где использованы следующие обозначения:
61, 63 - первый и второй перемножители;
62 - режекторный фильтр;
64, 65, 66 - первый, второй и третий элементы задержки.

Блок 6₁ содержит последовательно соединенные первый элемент задержки 65, вход которого является входом блока 6₁, первый перемножитель 61, режекторный фильтр 62, второй перемножитель 63, выход которого является выходом блока 6₁, содержит третий элемент задержки 66, вход которого является опорным входом блока 6₁, выход которого соединен с опорным входом первого перемножителя 61 непосредственно, а с опорным входом второго перемножителя 63 - через второй элемент задержки 64.

Блок 6₁ работает следующим образом.

На сигнальный вход блока 61 через блок 65 подается входная смесь (со входа устройства для блока 6₁ и с выхода блока 6_i-1, для блока 6_i, i=1, К-1), где К - число градаций уровней сигналов абонентских станций на входе коррелятора базовой станции.

На опорный вход блока 61 подаются восстановленные входные сигналы соответствующего уровня (оценки структурных помех соответствующего уровня). В блоке 61 производится свертка структурных помех соответствующего уровня, которая режектируетоя в блоке 62, поэтому структурные помехи соответствующего уровня не проходят на выход блока 6₁. В то же время сигналы более удаленных абонентов в блоке 61 получают дополнительную манипуляцию оценкой структурных помех, которая затем снимается в блоке 63 за счет перемножения с той же самой оценкой структурных помех.

Малая часть расширенного спектра сигналов более удаленных абонентов режектируетоя блоком 62, что, в принципе, может привести к потере мощности сигналов более удаленных абонентов. Однако этими потерями можно пренебречь ввиду чрезвычайной узости полосы режекции блока 62, обусловленной тем, что в нем режектируется результат свертки аналогичных по структуре сигналов (структурных помех и их оценки).

Таким образом, в блоке 6₁ структурные помехи (сигналы абонентов соответствующего уровня) режектируются, а сигналы меньшего уровня от более удаленных абонентов проходят практически без искажения. Блоки 64, 65, 66 обеспечивают синхронность перемножаемых сигналов, величины их задержки подбираются при настройке устройства с учетом задержек сигналов в тракте их прохождения.

Вариант аппаратурной реализации блока 7 для числа каналов К=3 представлен на фиг.7, где использованы следующие обозначения:
71₁÷71_N; 75₁÷75_N - инвертор;
72₁÷72_N; 76₁÷76_N и 77₁÷77_N - ключ;
73₁÷73_N; 74₁÷74_N и 78₁÷78_N - усилитель.

Блок 7 содержит усилители 74₁÷74_N, входы которых являются первыми сигнальными входами блока 7, выходы которых являются выходами блока, содержит N каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных ключей 72_i и усилителей 73_i, i=1, при этом сигнальные входы ключей 72_i являются вторыми сигнальными входами блока 7, а выходы усилителей 73_i соединены каждый с выходами соответствующего усилителя 74_i, а также содержит N каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных ключей 76_i и 77_i и усилителя 78_i, выходы которых соединены c соответствующими выходами блоков 74_i; при этом сигнальные входы ключей 76_i являются третьими сигнальными входами блока. Управляющие входы ключей 72_i через инверторы 71_i соединены c первыми управляющими выходами блока 4₁, управляющие входы ключей 76_i через инверторы 75_i соединены с управляющими входами блока 4₂, выходы инверторов 71_i соединены с соответствующими управляющими входами ключей 77_i.

Блок 7₁ работает следующим образом.

На сигнальные входы ключей 72₁÷72_N подаются свернутые (узкополосные) сигналы от блока 4₂, с выходов ключей 72₁÷72_N они через усилители 73₁÷73_N подаются на выходы устройства, куда поступают также узкополосные сигналы от блока 4₁ через усилители 74₁÷74_N и узкополосные сигналы от блока 2, поступающие через последовательно соединенные ключи 76_I÷76_N, 77₁÷77_N и усилители 78₁÷78_N. Управление ключами 72₁÷72_N и 77₁÷77_N осуществляется командами блока 4₁, поступающими на них через инверторы 71₁÷71_N.

При появлении на отдельных управляющих выходах блока 4_I команды "1" соответствующие им ключи 72₁ и 77₁ запираются, не пропуская узкополосные сигналы блоков 4₂ и 2 на соответствующие выходы устройства, обеспечивая прохождение на эти выходы только сигналов блока 4₁.

Управляющими командами блока 4₂ осуществляется запрет на прохождение сигналов блока 2 на соответствующие выходы устройства. Блоки 74, 73, 78 обеспечивают прохождение сигналов в одном направлении, за счет чего исключается взаимное влияние блоков 2₁, 4₁ и 5₁.

Устройство-прототип обеспечивает одновременную корреляционную обработку сигналов на базовой станции системы связи как ближних, так и удаленных абонентов, при этом мощные сигналы ближних абонентов оказывают мешающее воздействие на прием сигналов от удаленных абонентов. Взаимное влияние сигналов абонентов обусловлено наличием выбросов функции взаимной корреляции широкополосных помех в частотной области.

Таким образом, устройство-прототип имеет низкую помехоустойчивость к структурным помехам, определяемую полностью взаимокорреляционными свойствами используемого ансамбля сигналов.

В заявляемом устройстве на базовой станции на первом этапе выполняется корреляционная обработка наиболее мощных сигналов ближних абонентов. Корреляционная обработка сигналов более низкого уровня от более удаленных абонентов производится после режекции во входной смеси мощных сигналов ближних абонентов. Обработка производится на К этапах, где К - число уровней сигналов абонентов. За счет указанной обработки повышается помехоустойчивость к структурным помехам на величину порядка (60÷80) дБ, определяемую степенью подавления свернутых структурных помех в режекторном фильтре.

Формула изобретения

Коррелятор для широкополосных сигналов с частотным сдвигом, содержащий последовательно соединенные блок перемножения и блок фильтрации, а также генератор копии сигнала, выход которого соединен с опорным входом блока перемножения, отличающийся тем, что введены коммутатор и (К-1) каналов, где К - число градаций уровней сигналов на входе коррелятора, каждый канал содержит последовательно соединенные блок перемножения, блок фильтрации, блок, пропускающий входной сигнал на сигнальный выход при превышении уровнем входного сигнала порога и формирующий на управляющем выходе сигнал о превышении или непревышении порога, формирователь оценки структурных помех, ограничитель, блок режекции структурных помех, при этом сигнальный выход каждого блока, пропускающего входной сигнал на сигнальный выход при превышении уровнем входного сигнала порога и формирующего на управляющем выходе сигнал о превышении или непревышении порога, соединен с соответствующим сигнальным входом коммутатора, а управляющий выход каждого блока, пропускающего входной сигнал на сигнальный выход при превышении уровнем входного сигнала порога и формирующего на управляющем выходе сигнал о превышении или непревышении порога, соединен с соответствующим управляющим входом коммутатора, в каждом из (К-1) каналов опорные входы блока перемножения и формирователя оценки структурных помех соединены с выходом генератора копии сигнала, выход блока режекции структурных помех предыдущего канала соединен с сигнальным входом блока режекции структурных помех и с сигнальным входом блока перемножения последующего канала, вход блока перемножения первого канала, соединенный с входом блока режекции структурных помех первого канала является входом устройства, выход блок режекции структурных помех (K-1)-гo канала соединен с сигнальным входом блока перемножения, а выход блока фильтрации соединен с соответствующим сигнальным входом коммутатора, выход которого является выходом устройства.

РИСУНКИ

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