Способ борьбы с импульсными помехами

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для использования в системах передачи дискретных сообщений по каналам с импульсными помехами. Технический результат состоит в повышении помехоустойчивости приема сообщений в условиях воздействия импульсных помех. Для этого предусматривается многоканальная обработка, состоящая из фильтрации во временной области блоком фильтрующих функций с последующим вычислением спектра сигнала и расчетом мгновенной частоты и энтропии, принятия решения на основе представления полученных двухпараметрических оценок (частота-энтропия) в полярной системе координат с последующим преобразованием и восстановлением сигнала, что позволяет исключить участки, подверженные, воздействию импульсных помех, и провести усреднение по оставшимся участкам. 3 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для использования в системах передачи дискретных сообщений по каналам с импульсными помехами. Техническим результатом является разработка способа борьбы с импульсными помехами, позволяющего повысить помехоустойчивость приема сообщений в условиях воздействия импульсных помех. Технический результат достигается тем, что способ борьбы с импульсными помехами предусматривает дополнительную многоканальную обработку анализируемого отрезка сигнала блоком фильтрующих функций с последующим принятием решения, позволяющим исключить из анализа участки сигнала, подверженные воздействию импульсных помех, и провести усреднение по оставшимся участкам.

Известен способ борьбы с импульсной помехой, основанный на компенсации импульсной помехи, описанный в [1, стр.553], использующий широкополосность спектра помехи, что позволяет построить дополнительный компенсационный тракт, расстроенный относительно частоты сигнала, в результате сигнал проходит только через основной тракт, тогда как помеха присутствует в обоих трактах. Помеха в компенсационном тракте преобразуется так, чтобы она совпадала с помехой в основном тракте, что позволяет произвести ее компенсацию в схеме вычитания основного тракта и получить на выходе сигнал, не подверженный воздействию импульсной помехи. Однако наличие компенсационного тракта является и недостатком, так как при уровнях импульсной помехи сравнимых с уровнем сигнала, ее параметры в основном и дополнительном тракте различны, что приводит к снижению помехоустойчивости приема сообщений.

Известен также способ борьбы с импульсной помехой, основанный на бланкировании, то есть запирании тракта на время действия импульсной помехи, описанный в [2, стр.38], использующий кратковременность действия импульсной помехи относительно длительности анализируемого отрезка сигнала. Этот способ заключается в том, что определение начала и конца действия импульсной помехи позволяет осуществить запирание выхода устройства обработки сигнала на момент прохождения импульсной помехи, что исключает ее воздействие на тракт радиоприема. Недостатком такого подхода является как искажение полезного сигнала, неизбежное при бланкировании, так и снижение помехоустойчивости приема сообщений при уровнях импульсной помехи, сравнимых с уровнем сигнала, так как в этих условиях затруднительно определение времени воздействия импульсной помехи.

Наиболее близким по своей технической сущности (прототипом) к заявленному способу является способ, обеспечивающий защиту от импульсных помех, получивший название "широкополосный фильтр - ограничитель - узкополосный фильтр" (ШОУ), описанный в [3, стр.397], использующий превышение уровня импульсной помехи над уровнем сигнала. Данный способ заключается в том, что осуществляется ограничение уровня помехи до устанавливаемого уровня, как правило совпадающего с уровнем сигнала, перед фильтрами, осуществляющими частотную избирательность, что исключает появление неустранимых комбинационных помех. Недостатком прототипа является малая эффективность подавления импульсных помех и, соответственно, низкая помехоустойчивость приема сообщений в условиях, когда пиковые значения полезного сигнала и импульсных помех отличаются незначительно, а поэтому ограничение не приводит к существенному уменьшению энергии помехи, а следовательно, к повышению помехоустойчивости приема сообщений.

Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявленного способа борьбы с импульсными помехами, отсутствуют. Следовательно, изобретение соответствует условию патентоспособности "Новизна".

Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительным от прототипа признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенных признаков заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "Изобретательский уровень".

Заявленные объекты изобретения поясняются чертежами, на которых на фиг.1 представлена общая схема реализации способа; на фиг.2 - графическое изображение фильтрующих функций; на фиг.3 - график зависимости отношения мощности импульсной помехи к мощности сигнала от различных положений импульсной помехи относительно интервала наблюдения.

Заявленный способ, схема которого представлена на фиг.1, заключается в ограничении уровня входного сигнала с(t) (блок 1) до уровня, установленного в соответствии с измерением импульсной реакции канала (блок 2) и формированием уровня ограничения (блок 3). Ограниченный сигнал обрабатывается k параллельными каналами, каждый из которых осуществляет фильтрацию сигнала (блоки 4₁÷4_k), формирование спектра сигнала (блоки 5₁÷5_k) и вычисление мгновенной частоты и энтропии (блоки 6₁÷6_k), что позволяет сформировать изображение в плоскости "частота-энтропия". Далее сформированное изображение представляется в полярной системе координат, для чего осуществляется вычисление векторов (блок 7). Далее происходит преобразование из полярной системы координат в декартову (блок 8) и восстановление сигнала (блок 9).

Более подробно реализация заявленного способа заключается в следующем. Сигнал с(t) в условиях наличия импульсной помехи после ограничения уровня (блоки 1, 2, 3) поступает на k каналов обработки, каждый из которых реализует следующие действия:

- обработка фильтрующей функцией F(t), в виде ядра Чоя-Вильямса [4, стр.83], модифицированное представление которого задается выражением (1)

где τ - параметр фильтрующей функции, 0<τ<T;

σ₁, σ₂ - переменные величины, выбираемые из соображения формирования "обуживающей" функции [5, стр.172], т.е. плавно спадающей к краям.

Вид фильтрующих функций представлен на фиг.2. Набор из k фильтрующих функций позволяет локализовать различные участки обрабатываемого сигнала.

- формирование спектра сигнала [6, стр.31], определяемого с помощью амплитудного и фазового спектров, выражение (2) и (3) соответственно.

где

- коэффициенты преобразования Фурье;

с(t) - анализируемый сигнал.

- на основе сформированного спектра сигнала осуществляется вычисление мгновенной частоты (так как для узкополосных сигналов ширина спектра сигнала значительно меньше его средней частоты [7, стр.21], то мгновенная частота является медленно изменяющимся процессом относительно некоторого значения f_c) и энтропии [6, стр.62] для каждого из k каналов, определяемых выражениями (4) и (5) соответственно:

где - мощность спектральной составляющей сигнала.

В результате формируется изображение из k точек в плоскости "частота-энтропия" (f_c-Э).

Далее осуществляется формирование k-1 векторов в полярной системе координат [8, стр.22] в соответствии с выражениями 6 и 7 (ρ_i - полярный радиус, ϕ_i - полярный угол).

При этом за полюс принимается точка с наибольшим значением энтропии Э_max и соответствующей ей частотой . Значения частот, соответствующие формируемым векторам, сохраняются.

Затем осуществляется преобразование из полярных координат в декартовы в соответствии со следующей последовательностью:

- всем векторам, имеющим одинаковый угол ϕ_i ставится в соответствие то значение частоты, которое имеет вектор максимальной длины;

- формируется гистограмма "оцениваемого параметра", где ось ординат соответствует значениям частоты, а ось абсцисс - сумме длин векторов имеющих значение:

На заключительном этапе происходит восстановление сигнала на основе сформированной гистограммы.

Преобразования, осуществляемые в соответствии с предлагаемой последовательностью действий, позволяют исключить каналы, в которых проявляется импульсная помеха (ее наличие приводит к увеличению энтропии), что приводит к повышению помехоустойчивости приема и подтверждается оценкой эффективности, проведенной для случая приема информации в условиях воздействия импульсных помех в соответствии со следующим выражением [3, стр.389]:

где - площадь импульса [B·сек] (A² - является спектральной плотностью энергии реального импульса y(t));

|c|_макс - пиковое значение сигнала [B];

- пикфактор сигнала;

- мощность принимаемого сигнала с(t) [B];

T - длительность принимаемого сигнала [с].

Выражение (9) определяет пороговое значение спектральной плотности энергии импульсной помехи. При меньшей спектральной плотности импульсная помеха не вызовет ошибок при принятии решения.

Считая пиковое значение сигнала постоянной величиной, преобразуем выражение (9)

Так как использование фильтрующих функций, задаваемых выражением (1), оказывает влияние как на импульсную помеху, так и на сигнал, то построение графика зависимости левой части выражения (10) от положения импульсной помехи на интервале анализа, позволяет осуществить сравнение помехоустойчивости способа-прототипа и заявленного способа.

Пусть сигнал длительностью T=10 мс определяется следующим выражением, описанным в [9] на стр.224:

где с_max=1000 В - максимальное значение сигнала;

f_c=1800 Гц - частота сигнала;

f_d=8000 Гц - частота дискретизации,

а импульсная помеха определяется в соответствии с выражением, описанным в [10] на стр.350:

где A₀=10000 В - максимальное значение импульсной помехи;

a=0,5 - коэффициент, характеризующий скорость спадания импульсной помехи.

Результат сравнительного анализа способа борьбы с импульсными помехами, основанного на многоканальной обработке с последующим принятием решения по сравнению со способом-прототипом при различных положениях импульсной помехи на интервале наблюдения, представлен на фиг.3. Кривая 1 получена в результате вычисления значения левой части выражения (10) при применении способа-прототипа; кривая 2 - для предлагаемого способа. Анализ представленных графиков показывает, что в наихудшем случае (положение импульсной помехи в центре анализируемого отрезка сигнала) предлагаемый способ обеспечивает повышение эффективности подавления импульсной помехи по сравнению с прототипом не менее 20% (так как значение левой части выражения 9 согласно полученным графикам (фиг.3) для способа-прототипа равно 0,071218, а для заявленного способа - 0,056564).

Источники информации

1. Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Советское радио, 1970.

2. Квасников С.И., Комаров В.Н. и др. Борьба с импульсными помехами в декаметровой радиосвязи // Электросвязь. - 1989. - № 7.

3. Бураченко Д.Л., Заварин Г.Д., Клюев Н.И. и др. Общая теория связи. Л: BAC, 1970. - 411 c.

4. Л.Коэн. Времячастотные распределения: Обзор ТИИЭР, т.77, № 10, октябрь 1989.

5. С.Л.Марпл-мл. Цифровой спектральный анализ и его приложения. - М.: Мир, 1990. - 583 с.

6. Алексеев А.А., Кириллов А.Б. Технический анализ сигналов и распознавание радиоизлучений. - С.-Пб.: ВАС, 1998, - 368 с.

7. Тихонов В.И. Нелинейные преобразования случайных процессов. - М.: Радио и связь, 1986. - 296 с.

8. Введение в контурный анализ и его приложения к обработке изображений и сигналов. Под редакцией Я.А.Фурмана. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. - 592 с.

9. Куприянов М.С., Матюшкин Б.Д. Цифровая обработка сигналов: процессоры, алгоритмы, средства проектирования. - СПб.: Политехника, 1998. - 592 с.

10. Головин О.В. Радиоприемные устройства. - М.: Высшая школа, 1987. - 440 с.

Способ борьбы с импульсными помехами, заключающийся в формировании уровня ограничения, как правило, совпадающим с уровнем сигнала, с последующим ограничением смеси "сигнал + импульсная помеха" до сформированного уровня, отличающийся тем, что дополнительно предусматривается многоканальная обработка, состоящая из фильтрации во временной области блоком фильтрующих функций с последующим вычислением спектра сигнала и расчетом мгновенной частоты и энтропии, принятия решения на основе представления полученных двух параметрических оценок частота-энтропия в полярной системе координат с последующим преобразованием и восстановлением сигнала.