Устройство для коррекции амплитудно-частотной характеристики трактов связи

Изобретение относится к электросвязи и может быть использовано для коррекции амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) трактов связи. Достигаемый технический результат - увеличение пропускной способности тракта связи путем корректирования формы его АЧХ. Устройство для коррекции АЧХ трактов связи содержит контрольный генератор, тракт связи, корректор, анализатор спектра, блок регуляторов, вычислитель коэффициентов, который состоит из формирователя коэффициентов, двух ключей, вычислителя параметров, вычислителя пропускных способностей, вычислителя улучшенных коэффициентов, вычислителя среднего расстояния между коэффициентами, блока сравнения и блока усреднения. 2 ил.

 

Изобретение относится к электросвязи и может быть использовано для коррекции амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) трактов связи.

Известно устройство для автоматической коррекции амплитудно-частотных искажений трактов систем передачи информации [1], содержащее контрольный генератор, тракт связи, корректор, блок согласования, перемножитель, опорный генератор, переключатель частот, блок регуляторов, два компаратора, фильтр опорной частоты, фильтр промежуточной частоты, три выпрямителя, блок управления опорным генератором, блок вычитания, блок синхронизации и два блока управления.

Недостатком данного устройства является низкая пропускная способность откорректированного тракта системы передачи информации.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство для автоматической коррекции амплитудно-частотных искажений трактов систем передачи информации [2], содержащее контрольный генератор, тракт связи, корректор, блок согласования, два перемножителя, опорный генератор, блок регуляторов, переключатель частот, компаратор, два интегратора, два квадратора, сумматор, стробирующий блок, нормирующий блок, измеритель мощности, линию задержки, генератор тактовых импульсов и фазовращатель.

Недостатком данного устройства является низкая пропускная способность откорректированного тракта системы передачи информации.

Данный недостаток обусловлен тем, что корректировка АЧХ тракта связи направлена на повышение точности коррекции искажений сигналов в системе передачи информации и не учитывает изменение пропускной способности тракта в ходе корректирования.

Технической задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является разработка устройства для увеличения пропускной способности тракта связи путем корректирования формы его АЧХ в рамках заданного шаблона.

При этом вычисление пропускной способности осуществляется исходя из параметрических равенств [3]:

где С - пропускная способность; - квадрат амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) тракта связи; В - некоторый параметр; - спектральная плотность мощности белого шума, S' - мощность сигнала на выходе тракта связи, f - частота.

Выражения (1) и (2) не позволяют в явном виде выразить величину пропускной способности от характеристик тракта связи. Поэтому первоначально определяется значение параметра В из уравнения, составленного по методу невязки квадратичной метрики между левой и правой частями (2) [4]. С помощью алгоритма, реализующего метод Ньютона, находится решение этого уравнения. Далее по известной величине В вычисляется С по формуле (1). Таким образом, алгоритм, с помощью которого вычисляется пропускная способность тракта связи, имеет следующий вид.

Исходные данные:

- мощности сигналов на выходе линейной системы - S';

- квадрат АЧХ тракта связи - ;

- СПМ аддитивного шума - ;

- ограничение g>0 на модуль градиента функционала F(B);

- значение коэффициента скорости спуска γ>0.

Выходные данные:

- пропускная способность тракта связи С.

Алгоритм 1:

1. Вычисляется начальное значение S_j (j=1), равное отношению:

2. Определяются для данного В_j (где j - номер итерации) действительные корни f_i,j уравнения:

где N - общее число действительных корней f_i,j.

3. Вычисляется градиент целевого функционала

- первообразная в точке f_i,j;

х_i=1 или -1 - параметр, определяющий начало или конец интервала интегрирования;

на основании В_j и f_i,j:

4. Если переходим к пункту 2 алгоритма 1;

5. Значение пропускной способности канала:

где H_l(f_i,j)^* - первообразная в точке f_i,j.

Увеличение пропускной способности системы «тракт связи - корректор» осуществляется подбором коэффициентов корректора, квадрат АЧХ которого имеет вид [5]:

где a_i, - коэффициенты полинома числителя корректора; b_j, - коэффициенты полинома знаменателя корректора; n≤m; w=2πf - циклическая частота.

Квадрат АЧХ результирующей системы «тракт связи - корректор», а также ограничение на шаблон, в котором должен находиться квадрат АЧХ системы «тракт связи - корректор», определяется выражением:

Учитывая данное ограничение, с целью увеличения пропускной способности этой системы производится направленный поиск коэффициентов корректора по алгоритму, совместно реализующему методы штрафных функций и Нелдера и Мида [4]. Таким образом, алгоритм, осуществляющий направленный поиск улучшенных коэффициентов квадрата АЧХ корректора а_i и b_j, имеет следующий вид.

Исходные данные:

- мощность сигнала на выходе линейной системы - S';

- количество коэффициентов числителя и знаменателя квадрата АЧХ корректора - n и m;

- СПМ аддитивного шума - ;

- квадрат АЧХ тракта связи ;

- требования на неравномерность остаточного затухания в эффективно передаваемой полосе частот (ЭПГТЧ) - Δa_r(w);

- коэффициенты k_S, α, β, γ, χ, k_P.

Выходные данные:

- вектора коэффициентов квадрата АЧХ сформированного корректора - А,В, А=(а₁ а₂ ... a_n)^T, B=(b₁ b₂ ... b_m).

Алгоритм 2:

1. В качестве целевой функции выбирается функция штрафа:

где k_s - весовой коэффициент свертки штрафных функций;

R_b(w), R_t(w) - нижняя и верхняя граница шаблона в точке w;

М - число точек дискретизации ограничения:

где а_rt (w) - верхняя граница шаблона остаточного затухания канала на частоте w;

a_rb(w) - нижняя граница шаблона остаточного затухания канала на частоте w,

w_u - частота, на которой стандартизирована норма на остаточное затухание тракта связи;

w_j, - точки дискретизации ограничения (11), определяемые как решения уравнений:

т.е. целевая функция равна:

2. Определяются случайные вектора, формирующие вершины начального многогранника: - расширенный вектор А_i, В_i, размерностью n+m, .

3. Вычисляются значения целевой функции: F_i=F_C(Q_i), , при этом, если пропускная способность С является вторым слагаемым целевой функции F_C(Q_i) - (17), то она вычисляется по алгоритму 1 для квадрата АЧХ результирующей системы «тракт связи - корректор» |Н'(w, Q_i)|².

4. Рассчитываются номера векторов:

5. Если F_l=0, то переходим к пункту 6 алгоритма 2; если нет, то - к пункту 7 алгоритма 2.

6. В качестве целевой функции выбирается функция:

переходим к пункту 2 алгоритма 2.

7. Определяются значения целевой функции в центре многогранника:

8. Рассчитываются значения целевой функции отраженного вектора относительно центра:

где α - коэффициент отражения.

9. Если F_n+m+2<F_l, то переходим к пункту 10 алгоритма 2; если нет, то - к пункту 14 алгоритма 2.

10. Определяются значения целевой функции растянутого отраженного вектора:

где γ - коэффициент растяжения.

11. Если F_n+m+3<F_l, то переходим к пункту 12 алгоритма 2; если нет, то - к пункту 13 алгоритма 2.

12. Q_h=Q_n+m+3, F_h=F_n+m+3, переходим к пункту 19 алгоритма 2.

13. Q_h=Q_n+m+2, F_h=F_n+m+2, переходим к пункту 19 алгоритма 2.

14. Если F_n+m+2<F_h, то переходим к пункту 13 алгоритма 2; если нет, то - к пункту 15 алгоритма 2.

15. Рассчитываются значения целевой функции сжатого вектора относительно центра:

где β - коэффициент сжатия.

16. Если F_n+m+4<F_h, то переходим к пункту 17 алгоритма 2; если нет, то - к пункту 18 алгоритма 2.

17. Вычисляется: Q_h=Q_n+m+4, F_h=F_n+m+4, переходим к пункту 19 алгоритма 2.

18. Рассчитываются значения целевых функций масштабированных векторов:

19. Определяется средний радиус многогранника:

20. Если U<χ, то завершаем работу алгоритма; если нет, то переходим к пункту 4 алгоритма 2.

Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство для автоматической коррекции амплитудно-частотных искажений трактов передачи информации, содержащее контрольный генератор, тракт связи, корректор, блок регуляторов введены анализатор спектра и вычислитель коэффициентов (см. фиг.1). Выход контрольного генератора подключен ко входу тракта связи, выход которого подсоединен к первому входу корректора. Выход корректора подключен ко входу анализатора спектра, выход которого подсоединен к вычислителю коэффициентов. Выход вычислителя коэффициентов подключен ко входу блока регуляторов, выход которого подсоединен ко второму входу корректора.

Вычислитель коэффициентов (см. фиг.2) состоит из формирователя коэффициентов, двух ключей, вычислителя параметров, вычислителя пропускных способностей, вычислителя улучшенных коэффициентов, вычислителя среднего расстояния между коэффициентами, блока сравнения и блока усреднения. Первый вход формирователя коэффициентов является входом вычислителя коэффициентов. Первый выход формирователя коэффициентов подключен к первому входу первого ключа, выход которого подсоединен ко входу вычислителя параметров. Выход вычислителя параметров подключен ко входу вычислителя пропускных способностей, выход которого подсоединен ко входу вычислителя улучшенных коэффициентов. Выход вычислителя улучшенных коэффициентов подключен ко второму входу формирователя коэффициентов, второй выход которого подсоединен ко входу вычислителя среднего расстояния между коэффициентами и к первому входу второго ключа. Выход вычислителя среднего расстояния между коэффициентами подключен ко входу блока сравнения, первый выход которого подсоединен ко второму входу первого ключа, а второй выход - ко второму входу второго ключа. Выход второго ключа подключен ко входу блока усреднения, выход которого является выходом вычислителя коэффициентов.

Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показаны:

на фиг.1 - общая структурная схема устройства,

на фиг.2 - схема вычислителя коэффициентов.

Устройство для коррекции амплитудно-частотной характеристики трактов связи (фиг.1) содержит контрольный генератор 1, тракт связи 2, корректор 3, анализатор спектра 4, вычислитель коэффициентов 5 и блок регуляторов 6.

Вычислитель коэффициентов 5 состоит из формирователя коэффициентов 5-1, ключей 5-2 и 5-8, вычислителя параметров 5-3, вычислителя пропускных способностей 5-4, вычислителя улучшенных коэффициентов 5-5, вычислителя среднего расстояния между коэффициентами 5-6, блока сравнения 5-7 и блока усреднения 5-9.

В качестве анализатора спектра 4 можно использовать прибор типа С4-25. Формирователь коэффициентов 5-1, ключи 5-2 и 5-8, вычислитель параметров 5-3, вычислитель пропускных способностей 5-4, вычислитель улучшенных коэффициентов 5-5, вычислитель среднего расстояния между коэффициентами 5-6, блок сравнения 5-7 и блок усреднения 5-9 из вычислителя коэффициентов 5 могут быть выполнены на серийных микросхемах, например серии КМ155ИП2 [6].

Устройство работает следующим образом.

На передающей стороне контрольный генератор 1 формирует многочастотный сигнал с постоянной амплитудой. Данный сигнал поступает на вход тракта связи 2, где искажается вследствие неравномерности АЧХ тракта связи 2. С выхода тракта 2 искаженный cm над проходит через корректор 3 и поступает на вход анализатора спектра 4. Значения АЧХ с анализатора спектра 4 поступают на вычислитель коэффициентов 5, на основе которых в формирователе коэффициентов 5-1 (реализуются п.1 и п.2 алгоритма 2) образуются m+1 блоков (векторов) коэффициентов а_i, b_j для реализации алгоритма Нелдера и Мида. Полученные коэффициенты попадают в вычислитель среднего расстояния между коэффициентами 5-6 (реализуются п.3-7 и п.19 алгоритма 2), с выхода которого на блок сравнения 5-7 приходит значение среднего квадрата разности между блоками коэффициентов и их средним значением (23). Блок сравнения 5-7 (реализуется п.20 алгоритма 2) подает сигнал открытия ключу 5-2 при меньшем значении порога срабатывания χ, чем пришедшая величина, в противном случае сигнал открытия поступает на ключ 5-8. В первом случае блоки коэффициентов совместно с измеренной анализатором спектра 4 АЧХ тракта связи с выхода формирователя коэффициентов 5-1 поступают на вход вычисли теля параметров 5-3 (вычисляются коэффициенты квадрата АЧХ результирующей системы «корректор - канал» согласно (9), на основании которых реализуются п.1-4 алгоритма 1, пока выполняется условие п.4 алгоритма 2, т.е. вычисляется значение параметра В), а во втором только блоки коэффициентов - на блок усреднения 5-9 (вычисляются средние величины каждого из коэффициентов векторов коэффициентов квадрата АЧХ корректора - А=ΣА_i, В=ΣВ_i). Полученное значение параметра В совместно с блоками коэффициентов и АЧХ тракта попадают в вычислитель пропускных способностей С 5-4 (реализуется п.5 алгоритма 1). Далее информация поступает в вычислитель улучшенных коэффициентов 5-5 (реализуются п.3-18 алгоритма 2). В нем алгоритм 2, реализующий методы штрафных функций и Нелдера и Мида, определяет блок коэффициентов, при котором система «тракт связи - корректор» имеет большее значение С, чем пропускная способность системы «тракт связи - корректор» на предыдущем цикле работы устройства. Далее вычисленные коэффициенты поступают в формирователь коэффициентов 5-1, где заменяют блок коэффициентов, соответствующий предыдущему значению С. Отсюда полученные блоки коэффициентов вновь поступают на ключ 5-2. Цикл повторяется до тех пор, пока не выполнится условие срабатывания ключа 5-8. В этом случае дальнейшее повышение С невозможно, и блоки коэффициентов поступают с выхода ключа 5-8 на блок усреднения 5-9, откуда вычисленные коэффициенты корректора поступают на блок регуляторов 6. Блок регуляторов 6 осуществляет управление регулировкой АЧХ корректора 3.

Таким образом, формируется такая форма АЧХ корректора, при которой система «тракт связи - корректор» имеет повышенную пропускную способность по сравнению с трактом связи.

Источники информации

1. Авторское свидетельство СССР №1020995 от 30.05.1983 г.

2. Заявка №2003126161/09 от 10.08.2004 г

3. Галлагер Р. Теория информации и надежная связь. Пер. с англ., под ред. М.С.Пинскера и Б.С.Цыбакова. - М.: Советское радио, 1974. - 720 с.

4. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. Пер. с англ., под ред. М.Л.Быховского. - М.: Мир, 1975. - 534 с.

5. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы: Учебник. - М.: Высш. школа, 1983. - 536 с.

6. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. - 2-е изд., исправленное. - М.: Радио и связь, 1989. - 352 с.

Устройство для коррекции амплитудно-частотной характеристики трактов связи, содержащее контрольный генератор, тракт связи, ко входу которого подключен выход контрольного генератора, корректор, к первому входу которого подключен выход тракта связи и блок регуляторов, выход которого подключен ко второму входу корректора, отличающееся тем, что дополнительно введены анализатор спектра и вычислитель коэффициентов, состоящий из формирователя коэффициентов, двух ключей, вычислителя параметров, вычислителя пропускных способностей, вычислителя улучшенных коэффициентов, вычислителя среднего расстояния между коэффициентами, блока сравнения и блока усреднения, выход корректора подключен ко входу анализатора спектра, выход которого подсоединен к вычислителю коэффициентов, выход вычислителя коэффициентов подключен ко входу блока регуляторов, выход которого подсоединен ко второму входу корректора, первый вход формирователя коэффициентов является входом вычислителя коэффициентов, первый выход формирователя коэффициентов подключен к первому входу первого ключа, выход которого подсоединен ко входу вычислителя параметров, выход вычислителя параметров подключен ко входу вычислителя пропускных способностей, выход которого подсоединен ко входу вычислителя улучшенных коэффициентов, выход вычислителя улучшенных коэффициентов подключен ко второму входу формирователя коэффициентов, второй выход которого подсоединен ко входу вычислителя среднего расстояния между коэффициентами и к первому входу второго ключа, выход вычислителя среднего расстояния между коэффициентами подключен ко входу блока сравнения, первый выход которого подсоединен ко второму входу первого ключа, а второй выход подключен ко второму входу второго ключа, выход второго ключа подключен ко входу блока усреднения, выход которого является выходом вычислителя коэффициентов.