Устройство выделения шумоподобного сигнала

Устройство выделения шумоподобного сигнала

Реферат

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в широкополосных системах связи и радионавигации. Техническим результатом является повышение помехозащищенности. Устройство содержит широкополосный усилитель промежуточной части и n каналов, каждый из которых состоит из последовательно включенных узкополосного фильтра и блока подавления помех, n корреляторов, блок выбора максимального сигнала, решающий блок, блок поиска и генератор копий сигнала, три сумматора, два амплитудных детектора, блок сравнения и два ключа. 7 ил.

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано в широкополосных системах связи и радионавигации.

Как известно, прием шумоподобных сигналов со значительной базой (Б=500÷1000) происходит на фоне значительных флуктуационных импульсных и узкополосных помех. Для борьбы с узкополосными и импульсными помехами используются блоки защиты, которые включаются до оптимального фильтра, задача которого выделить сигнал из Гауссова шума, т.е. флуктуационной помехи. Устройства подавления узкополосных и импульсных помех широко рассмотрены в литературе: см. например, Гоноровский И.О. Радиотехнические цепи и сигналы, М.: Сов. радио, 1977 г.; Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. Под ред. Пестрякова, М.: Сов. радио, 1973 г. и другие.

Подробно рассмотрены вопросы построения и свойства блоков защиты в статье. Бокк О.Ф., Гармонов А.В., Луговской А.Г. Устройство защиты от сосредоточенных помех (Блок защиты). "Специальная техника средств связи" серия ТРС, вып.3(8), 1977 г.

Имеется целый ряд авторских свидетельств, улучшающих тот или иной параметр блока защиты. В этом устройстве оптимальный фильтр присоединен к УПЧ, минуя блок защиты, что позволяет избежать некоторых потерь за счет несовершенства - блоков защиты при отсутствии сосредоточенных помех.

Частные вопросы улучшения блока защиты предложены и в других а.с.

Аналогично дело обстоит и с оптимальными фильтрами на основе многоканальных корреляторов, блок-схемы которых хорошо описаны в уже упоминавшейся литературе, а также в книге Липкина И.А. Основы статистической радиотехники, теории информации и кодирования, М.: Сов. радио, 1978 г. Посвящены совершенствованию оптимальных фильтров а.с. № 90463, 95657 и другие.

В указанной литературе рассмотрены вопросы построения приемных устройств, элементами которых являются блок защиты и оптимальный фильтр. Однако во всех упомянутых случаях блок защиты и оптимальный фильтр работают по собственным программам, независимым одна от другой. Такое положение приводит к снижению помехозащищенности устройств выделения шумоподобного сигнала. Рассмотрим изменение корреляционной функции сигнала при режекции части спектра пораженного сосредоточенными помехами, если эти помехи расположены по краям полосы частот, занимаемой сигналом.

На фиг.1 приведены зависимости выходного напряжения отдельного корреляционного канала от /₀ - рассогласования копии сигнала и сигнала по времени, нормированному к длительности элементарного импульса псевдослучайной последовательности ₀.

Из фиг.1 видно, что корреляционная функция расширяется при уменьшении полосы пропускания. На фиг.2 показано изменение выходного напряжения корреляционного канала, нормированное к мощности шума, т.е. с учетом снижения мощности шума при уменьшении полосы пропускания.

При поиске шумоподобного сигнала, образованного фазовой манипуляцией по закону М-последовательности, копии сигнала сдвигают друг относительно друга на величину ₀, где ₀ - длительность элементарного импульса. Полоса, занимаемая таким сигналом, составляет около I/₀ (см. "Шумолодобные сигналы в системах передачи информации" под ред. Пестрякова В.Б. М.: Сов. радио, 1973 г.). По этой причине максимальное рассогласование сигнала и копии не превышает _0/2.

Из фиг.1 и 2 видно, что при отстройках от 0 до _0/2 при сужении полосы пропускания выходное напряжение вблизи зоны наименьшей чувствительности _0/2 увеличивается до полосы, составляющей (0,3÷0,4)I/₀. Таким образом, при поиске сигнала отсутствие помех на краях полосы частот занимаемой сигналом будет снижать помехозащищенность и по флуктуационной помехе, что является большим недостатком.

Наиболее близким по технической сущности является устройство из книги Г.И.Тузова Статистическая теория приема сложных сигналов, М.: Сов. радио, 1977, с.127, рис.3.12

Блок-схема этого устройства изображена на фиг.3, где обозначено:

1 - широкоплосный УПЧ,

2 - узкополосные фильтры,

3 - элементы подавления помех,

4 - сумматор,

5 - оптимальный фильтр, согласованный с сигналом.

Оптимальный фильтр может быть построен по различным схемам. Например, он может состоять из следующих.элементов (см. "Шумоподобные сигналы в системах передачи информации" под ред. В.Б.Пестрякова, М.: Сов. радио, 1973 г.),

6 - корреляционные каналы,

7 - схема выбора максимума,

8 - решающая схема,

9 - генератор копий сигнала,

10 - устройство поиска.

Полная блок-схема устройства представлена на фиг.4.

Эта блок-схема позволяет описать работу оптимального фильтра. Если число каналов велико и ими перекрывается вся область неопределенности сигнала по времени, то устройство поиска не нужно.

В блок-схеме устройства широкополосный УПЧ 1 присоединен своим выходом ко входам узкополосных фильтров 2, выходы которых присоединены к элементам подавления помех 3, выходы которых соединены со входами сумматора 4, выход которого присоединен ко входу оптимального фильтра 5, т.е. ко входам перемножителей корреляционных каналов 6, ко второму входу которых присоединены выходы генератора копий сигнала 9. Выходы корреляторов присоединены к схеме выбора максимума 7, первый выход которой является и первым выходом оптимального фильтра, а второй выход присоединен к решающей схеме 8, второй вход которой соединен с источником порогового напряжения. Выход решающей схемы 8 является вторым выходом оптимального фильтра и присоединяется также ко входу устройства поиска 10, которое присоединено к управляющему входу генератора копий сигнала 9.

Работает устройство следующим образом.

Смесь полезного сигнала, импульсных, сосредоточенных по спектру и флуктуационных помех подается на вход усилителя промежуточной частоты 1. После усиления эта смесь подается на параллельно включенные узкополосные фильтры 2, а с фильтров 2 через элементы подавления помех 3 на сумматор 4, причем выходные сигналы фильтров превосходящие определенный уровень, например, минимальный, ослабляются устройствами подавления помех 3 или подавляются до нуля. Таким образом, к сумматору 4 подводятся только такие участки частотного диапазона, в которых сосредоточенные помехи отсутствуют. С выхода сумматора 4 смесь сигнала и флуктуационной помехи подводится к оптимальному фильтру 5 и обрабатывается следующим образом. Смесь сигнала и помехи перемножается в корреляторах 6 на копии сигнала, сдвинутые друг относительно друга по времени. Такие копии вырабатываются генератором копий 9. Обычно сдвиг составляет ₀. После перемножения на копию в корреляторе происходит фильтрация полученного результата, а после фильтрации получается выходное напряжение коррелятора 6, которое подводится к схеме выбора максимума 7, а затем к решающей схеме 8, ко второму входу которой подключено напряжение порога.

Если полезный сигнал отсутствует, то максимальное выходное напряжение корреляторов 6 меньше, чем напряжение порога и решающая схема 8 вырабатывает соответствующее выходное напряжение, которое условно назовем отрицательным. Это напряжение будет преобразовано устройством поиска 10 в команду на генератор копий 9 о смещении всех копий на N₀. Таким образом просматривается вся область неопределенности сигнала по времени. В том случае, если сигнал совпадает с одной из копий, то на выходе соответствующего коррелятора 6 появляется наибольшее напряжение, которое превышает порог, и решающая схема 8 вырабатывает сигнал, соответствующий обнаружению. Условно назовем его положительным. Этот сигнал, таким образом, воздействует на устройство поиска 10, что команды на перестройку генератора копий по времени не последует.

Одновременно с выработкой максимального напряжения схема выбора максимума 7 вырабатывает по первому выходу и напряжение, соответствующее номеру коррелятора, в котором напряжение максимально. Таким образом, при наличии сигнала в одном из корреляционных каналов на выходе оптимального фильтра появляется напряжение, соответствующее номеру корреляционного канала, в котором копия совпала с сигналом, и выходное напряжение, соответствующее обнаружению полезного сигнала. Эти команды означают окончание поиска и служат исходными для работы приемного устройства в режиме синхронизации, который в нашем случае не рассматривается. Следует отметить, что при числе каналов N равных базе, т.е. вся область неопределенности по времени перекрывается сразу, то в устройстве поиска 10 нет необходимости.

Однако устройство-прототип имеет недостаток, заключающийся в снижении помехозащищенности при отсутствии сосредоточенных помех в крайних частях диапазона частот шумоподобного сигнала. Рассмотрим это явление подробнее. На фиг.5 представлена зависимость выходного напряжения в функции от смещения сигнала по времени относительно копии в i-м корреляционном канале.

Из чертежа видно, что наименьшую помехозащищенность устройство имеет в областях =(2n+I)·_0/2, в которых величина корреляционного пика составляет 0,5 от максимального значения. При отключении частотных каналов, пораженных помехами, корреляционная функция меняет свою форму с учетом уменьшения мощности шума в зависимости от уменьшения полосы частот, подключенных к оптимальному фильтру 5. При уменьшении полосы пропускания до 0,4 от полосы, занимаемой шумоподобным сигналом (f=I/₀), помехозащищенность достигает максимума, а при дальнейшем уменьшении (меньше 0,3 f) помехозащищенность падает. На фиг.6 показана зависимость изменения отношения сигнал/шум в функции от количества отключенных крайних полосовых фильтров. Из этого чертежа видно, что помехозащищенность (т.е. отношение сигнал/шум) при отсутствии отключенных узкополосных фильтров меньше, чем в случае, если их значительное число (около 60%) отключено. Уменьшение помехозащищенности безусловно является недостатком прототипа. Следует отметить, что при смещении копий друг относительно друга больше или меньше ₀ суть явления не меняется, а изменяются лишь численные значения.

Цель предлагаемого изобретения - повышение помехозащищенности.

Для достижения этой цели вводятся в схему два дополнительных сумматора, амплитудные детекторы, ключи, схема сравнения.

Блок-схема предлагаемого устройства приведена на фиг.7, где обозначено:

1-10 - то же самое, что и на фиг.4,

11, 17 - дополнительные сумматоры,

12, 13 - амплитудные детекторы,

14, 16 - ключи,

15 - схема сравнения.

Функциональные связи между блоками 1-3, 6-10 остаются таким же, как в прототипе. Выходы элементов подавления помех 3 соединены с сумматором 4 и дополнительным сумматором 11. Выходы сумматоров 11 и 4 соединены со входами детекторов 12, 13, выходы которых соединены со схемой сравнения 15. Выход схемы сравнения соединен со входом ключа 16, второй вход которого соединен с выходом решающей схемы 8 или выходом оптимального фильтра 5. Выход же ключа 16 соединен с одним из входов ключа 14, второй вход которого соединен с выходом сумматора 11, а выход - со входом сумматора 17, второй вход которого соединен с выходом сумматора 4, выход же сумматора 17 соединен со входами корреляционных каналов 6 (или со входом оптимального фильтра 5).

Работает устройство следующим образом.

Сигнал через широкополосный УПЧ 1 подается на входы параллельно соединенных узкополосных фильтров 2, проходит через элементы подавления помех 3, причем выходы нескольких крайних элементов подавления помех 3 подключены к сумматору 11, а выходы нейтральных элементов с сумматором 4. Так же как в устройстве-прототипе происходит подавление помех сосредоточенных по спектру и они на сумматоры 4 и 11 не проходят.

Рассмотрим работу устройства в нескольких режимах:

а) сосредоточенные по спектру помехи отсутствуют.

Смесь сигнала и флуктуационного шума проходит через узкополосные фильтры 2 и элементы подавления 3 без искажений. Выходные напряжения крайних элементов подавления 3 складываются в сумматоре в сумматоре 11, а центральных - в сумматоре 4. Выходное напряжение сумматоров 4 и 11 детектируется амплитудными детекторами 12 и 13. Коэффициент передачи детекторов в этом случае отрегулирован так, что выходное напряжение U_{вых 2} детектора 13 превышает выходное напряжение U _{вых 1} детектора 12. Схема сравнения 15 при U _{вых 2} > U_{вых 1} вырабатывает команду на отключение ключа 14, которая проходит к управляющему входу ключа 14 через замкнутый ключ 16. Таким образом, на сумматор 17 подается напряжение только с сумматора 4. Это напряжение с выхода сумматора 17 подводится на входы корреляторов 6. Т.к. узкополосные фильтры 2, подключенные к сумматору 11 отключены от оптимального фильтра 5, то по изложенным выше причинам поиск происходит более эффективно.

Оптимальный фильтр работает совершенно также, как и в прототипе, т.е. в случае отсутствия сигнала происходит сдвиг копий в генераторе 9 на N₀, а при его обнаружении сдвига не происходит. Кроме того, под действием управляющего напряжения с выхода решающей схемы 8 при обнаружении сигнала происходит не только срабатывание устройства поиска 10, но и размыкание ключа 16.

Таким образом, команда от схемы сравнения 15 на размыкание ключа 14 не подается, т.е. к сумматору 17 подводится выходное напряжение уже от двух сумматоров 4 и 11. Тем самым повышается помехозащищенность в режиме слежения, в котором отстройки копии от сигнала малы и выходное напряжение коррелятора близко к максимальной величине.

б) случай воздействия одной или нескольких помех сосредоточенных по спектру, при которых производится режекция крайних участков диапазона частот, соответствующих фильтрам 2, подключенным к сумматору 11. В этом случае условие U _{вых 2} > U_{вых 1} сохраняется и устройство работает также как и в случае а);

в) случай отключения под действием сосредоточенных по спектру помех центральных узкополосных фильтров 2 от сумматора 4.

В этом случае неравенство U _{вых 2} > U_{вых 1} не выполняется, причем уже U_{вых 2} < U _{вых 1}. Следовательно, на ключ 14 никакой команды не поступает и он находится в замкнутом состоянии, сигнал от сумматоров 4 и 11 проходит на сумматор 17, а затем - на входы корреляторов 6. В дальнейшем обработка смеси сигнала и шума оптимальным фильтром происходит аналогично тому, как рассмотрено для прототипа.

Формула изобретения

Устройство выделения шумоподобного сигнала, содержащее: широкополосный усилитель промежуточной частоты и n каналов, каждый из которых состоит из последовательно включенных узкополосного фильтра и блока подавления помех, причем выход широкополосного усилителя соединен со входами n каналов, и первый сумматор, входы которого соединены с выходами центральных каналов, а также n корреляторов, первые входы которых объединены, а выходы через последовательно соединенные и замкнутые в кольцо блок выбора максимального сигнала, решающий блок, блок поиска и генератор копии соединены со вторыми входами n корреляторов, причем другой выход блока поиска соединен с другим входом решающего блока, другой выход блока выбора максимального сигнала является выходом устройства, отличающееся тем, что, с целью повышения помехозащищенности, введены последовательно включенные: второй сумматор, K входов которого подключены к выходам крайних каналов, первый амплитудный детектор, блок сравнения, первый ключ, другой вход которого подключен к выходу решающего блока, второй ключ и третий сумматор, выход которого подключен к общему входу корреляторов, а также второй амплитудный детектор, включенный между выходом первого сумматора и другим входом блока сравнения, причем другой вход второго ключа соединен с выходом второго сумматора, а другой вход третьего сумматора подключен к выходу первого сумматора.

РИСУНКИ