Приемник сложных фазоманипулированных сигналов с подавлением узкополосных помех

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в портативных приемниках сложных фазоманипулированных сигналов. Достигаемый технический результат - снижение сложности реализации блока подавления узкополосных помех, выполненного в виде трансверсального фильтра, что достигается перенесением блока подавления узкополосных помех в тракт опорного сигнала коррелятора. Опорный сигнал является стационарным, периодическим, действует в отсутствие помех, следовательно его спектр состоит из немодулированных гармонических составляющих, режектировать которые можно более простыми фильтрами, чем фильтры, предназначенные для режекции полосы частот входной смеси сигнала и помех. Использование вместо линии задержки группы синхронизируемых генераторов псевдослучайной последовательности (ПСП), не требующих перестройки во время работы, также значительно упрощает реализацию устройства. Заявленный приемник содержит перемножитель (4), полосовой фильтр (6), демодулятор (8), блок весовых коэффициентов (5), блок суммирования (7), блок анализа и управления (10), блок синхронизации (3), n генераторов ПСП (2¹-2ⁿ), дешифратор (1), блок ключей (9). 8 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в портативных приемниках сложных фазоманипулированных сигналов (СФМнС).

Наиболее известным способом подавления узкополосных помех в приемниках СФМнС является применение так называемого обеляющего фильтра, выполненного на основе гребенки узкополосных фильтров [Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами. Под ред. Г.И.Тузова. - М.: Радио и связь, 1985, рис.7.3. на стр.211]. Обычно обеляющий фильтр осуществляет режекцию участка спектра СФМнС, пораженного узкопоплосной помехой. Однако практическое выполнение неискажающей гребенки узкополосных фильтров с взаимосогласованными характеристиками и большим коэффициентом подавления узкополосной помехи при отключении одного из них связано со значительными трудностями, большими габаритами и высокой стоимостью.

Более перспективным считается подавление узкополосных помех с помощью дискретного (цифрового) программируемого трансверсального фильтра (ПТФ).

Функциональная схема адаптивного корреляционного приемника СФМнС, включающего ПТФ, [Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами. Под ред. Г.И.Тузова. - М.: Радио и связь, 1985, рис.7.11. на стр.221] и типовой коррелятор [Цифровые радиоприемные системы: Справочник. Под ред. М.И.Жодзишского. - М.: Радио и связь, 1990, рис.6.9. на стр.130], принятого за прототип, представлена на фиг.1, где обозначено:

I - программируемый трансверсальный фильтр (ПТФ);

II - корреляционный приемник;

1 - схема вычитания;

2 - линия задержки;

3 - блок анализа и управления;

4 - перемножитель;

5 - генератор псевдослучайной последовательности (ПСП);

6 - блок синхронизации;

7 - блок весовых коэффициентов;

8 - полосовой фильтр;

9 - блок суммирования;

10 - демодулятор.

Устройство-прототип состоит из программируемого трансверсального фильтра I, выполняющего роль блока подавления узкополосных помех, корреляционного приемника II, схемы вычитания 1 и блока анализа и управления 3. Вход линии задержки 2 является входом устройства и объединен с первым входом схемы вычитания 1, выход которой соединен с (n+1)-м входом блока анализа и управления 3 и с сигнальными входами блока синхронизации 6 и перемножителя 4, выход которого через последовательно соединенные полосовой фильтр 8 и демодулятор 10 соединен с выходом устройства. n выходов линии задержки 2 соединены с сигнальными n входами блока весовых коэффициентов 7 и с n входами блока анализа и управления 3, n выходов которого соединены с управляющими n входами блока весовых коэффициентов 7, n выходов которого подключены к соответствующим n входам блока суммирования 9, выход которого соединен со вторым входом схемы вычитания 1. Выход блока синхронизации 6 соединен со входом тактовых импульсов генератора ПСП 5, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими опорными входами блока синхронизации 6, при этом третий выход генератора ПСП 5 соединен с опорным входом перемножителя 4.

Работа приемника-прототипа происходит следующим образом. В схеме вычитания 1 осуществляется компенсация входных узкополосных помех путем вычитания из входной смеси сигнала и помех копий этих помех, сформированных трансверсальным фильтром I. ПТФ I, состоящий из линии задержки 2 с отводами, блока весовых коэффициентов 7 и сумматора 9, имеет импульсную переходную функцию, соответствующую амплитудно-частотной характеристике, подчеркивающей области частот, пораженные узкополосными помехами (формирует их копии). Формирование копий помех производится путем соответствующей подстройки весовых коэффициентов в блоке 7 по командам с блока анализа и управления 3. Точность формирования копий узкополосных помех определяется выбранным алгоритмом функционирования блока анализа и управления 3. С выхода схемы вычитания 1 входная смесь с подавленными узкополосными помехами поступает на вход корреляционного приемника II, где в перемножителе 4 с СФМнС снимается манипулирующая ПСП путем перемножения входного СФМнС с опорной ПСП, вырабатываемой генератором ПСП 5. Далее сигнал пропускается через фильтр 8, полоса которого согласована с полосой сигнала информации. Демодуляция сигнала осуществляется блоком 10, на выходе которого выделяется сигнал информации. Совмещение во времени манипулирующей и опорной ПСП обеспечивается блоком синхронизации 6.

В случае когерентной обработки входная смесь поступает на видеочастоте, поэтому необходимость использования полосового фильтра 8 отпадает, а демодулятор 10 сводится к интегратору со сбросом.

Основным недостатком устройства-прототипа является его сложность, обусловленная:

- необходимостью обеспечения большого времени задержки и большого числа отводов в линии задержки 2;

- высокой разрядностью цифровых отсчетов;

- необходимостью подстройки большого числа весовых коэффициентов в блоке 7;

- сложностью алгоритмов, закладываемых в основу функционирования блока 3, который обычно реализуется в виде микроЭВМ.

Сложность устройства-прототипа в значительной мере обусловлена тем, что линия задержки ПТФ расположена в тракте входного сигнала коррелятора. Ее аналоговая реализация весьма сложна [Захарьящев Л.И. Конструирование линий задержки. - М.: Сов. Радио, 1972. - 192 стр.].

Реализация в цифровом виде требует большого объема памяти, что обусловлено высокой разрядностью чисел (обычно 16-18) и большим числом выборок сигнала, подлежащих хранению.

Задача, которую решает предлагаемое изобретение, - снижение сложности реализации блока подавления узкополосных помех, выполненного в виде ПТФ, и обеспечение возможности его применения в портативных приемниках СФМнС. В предлагаемом устройстве это достигается:

- перенесением блока подавления узкополосных помех в тракт опорного, а не входного сигнала коррелятора. Опорный сигнал является стационарным, периодическим, всегда действует в отсутствие помех, в результате чего его спектр состоит из немодулированных гармонических составляющих, режектировать которые можно существенно более простыми фильтрами по сравнению с фильтрами, предназначенными для режекции полосы частот входной смеси сигнала и помех;

- использованием в ПТФ вместо линии задержки группы синхронизируемых генераторов ПСП, для реализации каждого из которых требуется примерно log₂N триггеров (ячеек памяти), где N - число элементов в периоде ПСП. Обычно log₂N~10-11, т.е. требуемый объем памяти более чем на порядок меньше, чем в устройстве-прототипе;

- тем, что трансверсальные фильтры с группой генераторов ПСП во время работы не требуют перестройки. Они эквивалентны полосовым фильтрам с примыкающими амплитудно-частотными характеристиками. Однако они пропускают (или не пропускают) не частотные полосы, а отдельные гармоники с фиксированными частотами. Поэтому их реализация существенно проще реализации трансверсального фильтра в устройстве-прототипе.

Для решения поставленной задачи в приемник сложных фазоманипулированных сигналов, содержащий последовательно соединенные перемножитель, полосовой фильтр и демодулятор, а также блок весовых коэффициентов, блок суммирования, блок анализа и управления, блок синхронизации и первый генератор ПСП, первый и второй выходы которого соединены с соответствующими опорными входами блока синхронизации, выход которого соединен с тактовым входом генератора ПСП, при этом сигнальный вход блока синхронизации объединен с сигнальным входом перемножителя и с (k+1)-M входом блока анализа и управления, а выход дешифратора является выходом приемника, согласно изобретению введены дешифратор, блок ключей, (n-1) генераторов псевдослучайной последовательности, тактовые входы которых соединены с выходом блока синхронизации, сигнальный вход которого является входом приемника, установочные входы всех n генераторов ПСП соединены с выходом дешифратора, m входов которого соединены с соответствующими m выходами первого генератора псевдослучайной последовательности, а (m+1)-е выходы всех n генераторов ПСП соединены с соответствующими n входами блока весовых коэффициентов, kn выходов которого соединены с соответствующими kn входами блока суммирования, k выходов которого соединены с сигнальными k входами блока ключей, управляющие k входов которого соединены с соответствующими k выходами блока анализа и управления, k входов которого соединены с соответствующими k выходами блока ключей, (k+1)-й выход которого соединен с опорным входом перемножителя.

Графические материалы, представленные в заявке:

Фиг.1 - функциональная схема устройства-прототипа.

Фиг.2 - функциональная схема предлагаемого устройства.

Фиг.3 - схема формирования гармоник ПСП.

Фиг.4 - расположение гармоник на частотной оси.

Фиг.5 - пример структуры трансверсального фильтра.

Фиг.6 - функциональная схема генератора ПСП с дешифратором.

Фиг.7 - функциональная схема блока анализа и управления.

Фиг.8 - функциональная схема блока ключей.

Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где обозначено:

I - блок задержек;

II - трансверсальный фильтр;

1 - дешифратор;

2¹, 2², ... 2ⁿ - синхронизируемые генераторы ПСП;

4 - перемножитель;

5 - блок весовых коэффициентов;

6 - полосовой фильтр;

7 - блок суммирования;

8 - демодулятор;

9 - блок ключей;

10 - блок анализа и управления.

Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные перемножитель 4, полосовой фильтр 6 и демодулятор 8, выход которого является выходом приемника. Сигнальный вход перемножителя 4 объединен с сигнальным входом блока синхронизации 3, (k+1)-м входом блока анализа и управления 10 и является входом устройства Выход блока синхронизации 3 соединен с тактовыми входами всех генераторов ПСП 2¹-2ⁿ, установочные входы которых подключены к выходу дешифратора 1, m входов которого соединены с соответствующими выходами первого генератора ПСП 2¹, причем (m-1)-й и m-й выходы последнего соединены также с соответствующими опорными входами блока синхронизации 3. (m+1)-e выходы всех генераторов ПСП 2¹-2ⁿ соединены с соответствующими n входами блока весовых коэффициентов 5, kn выходов которого соединены с соответствующими kn входами блока суммирования 7, k выходов которого соединены с сигнальными k входами блока ключей 9, k выходов которого подключены к соответствующим k входам блока анализа и управления 10, k выходов которого соединены с управляющими k входами блока ключей 9, (k+1)-й выход которого соединен с опорным входом перемножителя 4.

На основе блоков 2¹-2ⁿ, 5 и 7 формируется k трансверсальных фильтров. Следовательно, блок 5 имеет k блоков весовых коэффициентов (каждый блок имеет n входов и n выходов). Отсюда общее число выходов в блоке 5 равно kn. Блок 7 содержит k сумматоров, каждый из которых имеет n входов и один выход. Следовательно, блок 7 имеет kn входов и k выходов.

Работа предлагаемого устройства происходит следующим образом. Поскольку опорный сигнал перемножителя 4 периодический, его спектр состоит из дискретных линий (гармоник), расстояние между которыми равно Т - периоду ПСП. Если центральная частота фильтра 6 равна f_пч, то на нее попадет входная синусоидальная помеха с частотой

f_уп=f_пч±f_гi

где f_гi - частота i-й гармоники ПСП. Если частота f_уп узкополосной помехи такова, что |f_уп-f₀| попадает в интервал f_гi±П/2, где f₀ - частота несущей СФМнС, а П - полоса выходного фильтра коррелятора 6, то можно сказать, что i-я гармоника ПСП является “пораженной”. Чтобы предотвратить мешающее действие этой помехи, необходимо исключить из опорной ПСП i-ю гармонику.

Таким образом, подавление входных узкополосных помех осуществляется режекцией (исключением) соответствующей “пораженной” гармоники из спектра опорной ПСП. Такую режекцию можно осуществить трансверсальным фильтром, в котором линия задержки имеет общее время задержки не менее Т/2. Но, как известно, Т=Nτ _э, где N - число элементов в периоде ПСП, а τ _э - длительность одного элемента. При больших N даже дискретная реализация линии задержки затруднительна.

Но в нашем случае трансверсальный фильтр работает с фиксированным сигналом (ПСП), поэтому для формирования задержанных сигналов с отводов линии задержки можно использовать синхронизируемые генераторы ПСП (это генераторы 2², 2³...2ⁿ на фиг.2). Количество генераторов ПСП эквивалентно количеству отводов линии задержки в приемнике-прототипе. Сдвиг ПСП во времени относительно ПСП, генерируемой блоком 2’, осуществляется начальной установкой импульса с выхода дешифратора 1. Разные начальные состояния достигаются подачей установочного импульса на соответствующие входы R или S триггеров, входящих в состав генераторов ПСП 2², 2³...2ⁿ. Сигналы на (m+1)-е (основные) выходы всех генераторов ПСП 2¹-2ⁿ поступают с (m-1)-x триггеров с задержкой на τ _э/2.

Блоки 2¹-2ⁿ, 5 и 7 образуют группу из k трансверсальных фильтров II с постоянными весовыми коэффициентами, которые выбираются таким образом, чтобы каждый трансверсальный фильтр пропускал определенный набор гармоник ПСП. В сумме эти наборы охватывают все гармоники ПСП.

Рассмотрим один из простейших случаев формирования четырех наборов гармоник ПСП. Для этого примера общая схема формирования наборов гармоник ПСП приведена на фиг.3, где обозначено:

S_H - набор нечетных гармоник (1, 3, 5, 7... );

S_ч - набор четных гармоник (2, 4, 6, 8... );

S_нн - набор гармоник с номерами (5, 9, 13, 17... );

S_нч - набор гармоник c номерами (3, 7, 11, 15... );

s_HHH - набор гармоник с номерами (9, 17, 25... );

S_ннч - набор гармоник с номерами (5, 13, 21... ).

Т/2, Т/4, Т/8 - элементы задержки;

∑ - сумматор;

Δ - схема вычитания.

Расположение гармоник на частотной оси показано на фиг.4. Так, формирование набора гармоник S_ннн осуществляется согласно выражению:

S_ннн(t)=S_нн(t)+S_нн(t-Т/8)=S(t)+S(t-T/2)+S(t-T/4)+S(t-3T/4)+S(t-T/8)+S(t-5T/8)+S(t-3T/8)+S(t-7T/8)

Из этого выражения вытекает структура соответствующего трансверсального фильтра, приведенная на фиг.5.

Генераторы ПСП являются общими для всех трансверсальных фильтров. Остальные трансверсальные фильтры синтезируются аналогично.

Следует заметить, что в рассматриваемом случае весовые коэффициенты принимают значения ±1, поэтому блок весовых коэффициентов не требуется.

Выходной сигнал каждого из k трансверсальных фильтров II транзитом через блок ключей 9 поступает в блок анализа и управления 10, где подается в качестве опорного на первый вход перемножителя анализирующего корреляционного канала 10.1 (фиг.7), на второй вход которого поступает входная смесь сигнала и узкополосных помех.

Выходные сигналы всех анализирующих каналов сравниваются по уровню, в результате чего определяется, какой набор является “пораженным”, а какой нет. Наряду с описанным параллельным анализом можно использовать и последовательный анализ. По командам с блока 10 в блоке 9 закрываются соответствующие ключи, в результате чего “пораженные” наборы гармоник ПСП режектируются и не поступают на опорный вход перемножителя 4. Таким образом осуществляется подавление узкополосных помех, которые не попадают в фильтр 6.

В предлагаемом устройстве режектируются не только “пораженные” гармоники, а наборы гармоник, включающие и “непораженные” гармоники. Хотя это и приводит к дополнительным потерям в отношении сигнал/шум, но технически устройство значительно проще осуществимо.

Функциональная схема генератора ПСП 2¹ с дешифратором 1 представлена на фиг.6.

Генератор ПСП 2¹ представляет собой регистр сдвига, выполненный на D-триггерах T₁, Т₂,... Т_m. Выход каждого из триггеров в зависимости от выбранного кода либо соединяется, либо не соединяется с входом сумматора по модулю 2. Обратная связь осуществляется соединением выхода сумматора по модулю 2 с входом D первого триггера. В зависимости от требуемого начального состояния генератора ПСП 2¹ установочный импульс подается либо на вход R, либо на вход S триггера. Если ПСП с (m-1)-гo и m-го триггеров используются в блоке синхронизации 3 (фиг.2), то в центральный (сигнальный) канал на (m+1)-й выход генератора 2¹ поступает задержанная на τ _э/2 ПСП с выхода (m-1)-гo триггера.

Дешифратор 1 выполнен по схеме И. Он фиксирует начальное состояние генератора ПСП 2¹. Если в качестве начального состояния выбраны состояния триггеров 01000... 00, то используется прямой выход второго триггера и инверсные выходы всех остальных. При достижении этого состояния на выходе дешифратора 1 формируется импульс, которым устанавливаются заданные начальные состояния всех генераторов ПСП 2.

Генераторы ПСП 2¹-2ⁿ выполнены по одной схеме (фиг.6). Генераторы 2²-2ⁿ отличаются от генератора 2’ тем, что в них используется выход только (m-1) триггера, а остальные выходы - нет.

Пример выполнения блока синхронизации 3 приведен на рис.18.13 на стр.503 книги: Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. Пер. с англ. / Под ред. В.В.Маркова. - М.: Связь, 1979.

Блок весовых коэффициентов 5 может быть выполнен в виде набора резистивных аттенюаторов.

Блок суммирования 7 представляет набор типовых сумматоров, например, резистивных.

Блок ключей 9 может быть выполнен по схеме, представленной на фиг.8. К наборов гармоник ПСП с выходов сумматоров 7 трансверсальных фильтров II поступают транзитом через блок 9 (при параллельном анализе) на соответствующие входы блока анализа и управления 10 и на сигнальные входы соответствующих ключей. Если в наборе имеются “пораженные” гармоники, то из блока 10 на управляющий вход соответствующего ключа поступает запирающий сигнал и этот набор исключается из опорной ПСП, которая формируется на (k+1)-м выходе блока ключей 9.

Блок сравнения и управления 10 может быть выполнен по схеме, представленной на фиг.7, где обозначено:

10.1¹, 10.1²...10.1^k - перемножители;

10.2¹, 10.2²...10.2^k - полосовые фильтры;

10.3¹, 10.3²...10.3^k - амплитудные детекторы;

10.4¹, 10.4²...10.4^k - интеграторы;

10.5¹, 10.5²...10.5^k - пороговые устройства;

10.6 - блок вычисления порога.

Блок сравнения и управления 10 состоит из k параллельных анализирующих каналов, каждый из которых содержит последовательно соединенные перемножитель 10.1, первый вход которого является соответствующим (от 1 до k) входом блока 10, полосовой фильтр 10.2, амплитудный детектор 10.3. интегратор 10.4 и пороговое устройство 10.5, выход которого является соответствующим выходом блока 10, при этом (k+1)-й вход блока анализа и управления 10 подключен ко вторым входам перемножителей 10.1. Выходы интеграторов 10.4 соединены с соответствующими k входами блока вычисления порога 10.6, выход которого подключен ко вторым входам k пороговых устройств 10.5.

Работа блока сравнения и управления 10 происходит следующим образом. На входы 1, 2... k блока 10 с выходов соответствующих трансверсальных фильтров II транзитом через блок ключей 9 поступают сигналы, спектр которых представляет определенный набор гармоник ПСП, а на (k+1)-й вход поступает входная смесь сигнала и узкополосных помех. Если какой-либо набор содержит “пораженные” гармоники, то соответствующие узкополосные помехи проходят на выход полосового фильтра 10.2 этого канала, что порождает высокий уровень напряжения на выходе соответствующего интегратора 10.4. На основе напряжений с выходов интеграторов 10.4 всех каналов блок вычисления порога 10.6 формирует пороговое напряжение. Если в пороговом устройстве 10.5 напряжение с выхода интегратора 10.4 превышает пороговое, на выходе формируется команда, которая запрещает в блоке ключей 9 (фиг.2) прохождение набора с “пораженной” гармоникой на опорный вход перемножителя 4 (фиг.2).

Приемник сложных фазоманипулированных сигналов с подавлением узкополосных помех, содержащий последовательно соединенные перемножитель, полосовой фильтр и демодулятор, а также блок весовых коэффициентов, блок суммирования, блок анализа и управления, блок синхронизации и первый генератор псевдослучайной последовательности (ПСП), (m-1)-й и m-й выходы которого соединены с соответствующими опорными входами блока синхронизации, выход которого соединен с тактовым входом генератора ПСП, при этом сигнальный вход блока синхронизации объединен с сигнальным входом перемножителя и с (k+l)-м входом блока анализа и управления, а выход демодулятора является выходом приемника, отличающийся тем, что в него введены дешифратор, блок ключей, (n-1) генераторов псевдослучайной последовательности, тактовые входы которых соединены с выходом блока синхронизации, сигнальный вход которого является входом приемника, установочные входы всех n генераторов ПСП соединены с выходом дешифратора, m входов которого соединены с соответствующими m выходами первого генератора псевдослучайной последовательности, а (m+1)-е выходы всех n генераторов ПСП соединены с соответствующими n входами блока весовых коэффициентов, kn выходов которого соединены с соответствующими kn входами блока суммирования, k выходов которого соединены с сигнальными k входами блока ключей, управляющие k входов которого соединены с соответствующими k выходами блока анализа и управления, k входов которого соединены с соответствующими k выходами блока ключей, (k+1)-й выход которого соединен с опорным входом перемножителя.