Способ и устройство поиска шумоподобного сигнала при воздействии узкополосных помех

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах связи с широкополосными сигналами. Достигаемый технический результат - повышение быстродействия поиска. Способ поиска заключается в том, что разделяют отсчеты входного сигнала с помехами на перекрывающиеся во времени отрезки, длительность которых определяется временем реакции на воздействие импульсных помех или на изменение узкополосных помех. Умножают указанные отрезки на "окно" с заданными спектральными свойствами. Выполняют быстрое преобразование Фурье (БПФ) результатов умножения. Режектируют узкополосные помехи. На интервале времени, равном длительности широкополосного сигнала, накапливают отсчеты каждой частоты, на которой производилась режекция. Выполняют БПФ накопленных отсчетов каждой частоты. Умножают результаты преобразований на соответствующие отсчеты комплексно-сопряженной копии сигнала. Выполняют обратное преобразование Фурье (ОБПФ) результатов умножений. Вычисляют модули взаимокорреляционной функции и производят поиск сигнала. Устройство поиска содержит запоминающее устройство (1), блок весовой обработки (2), блоки БПФ (3, 5₁-5_N), блок ОБПФ (8), блок вычисления модуля отсчетов (9), блок режекции узкополосных помех (4), генератор комплексно-сопряженной копии сигнала (7), N·N₁ блоков умножения (6). 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для поиска шумоподобного сигнала в случае воздействия узкополосных помех, белого шума и импульсных помех, в том числе в системах с CDMA и GPS.

В настоящее время известны аналоговые и цифровые методы обработки шумоподобного сигнала (ШПС).

В статье О.Ф.Бокка «Обнаружение сигнала на фоне окрашенного шума», ч.3, Техника средств связи (ТСС) серия Техника радиосвязи (ТРС), вып.7, 1989 г., с.87-95 и патенте РФ №2206179 «Приемное устройство широкополосного сигнала» подробно описан способ поиска ШПС при воздействии узкополосных помех. В этих работах рассмотрена аналоговая обработка ШПС. Хорошо известны преимущества данного вида обработки сигнала, но при больших базах сигнала значительно возрастает количество корреляторов. Трудности реализации большого количества корреляторов ведут к созданию устройств поиска на основе процедуры Вальда, а это приводит к снижению быстродействия.

В статье В.Д.Табацкого «Весовая обработка шумоподобного сигнала при воздействии узкополосных помех», ТСС серия ТРС, вып.3, 1987 г., с.143-148 рассмотрен цифровой метод обработки ШПС с использованием быстрого преобразования Фурье. Но этот способ при скачкообразном изменении помехи реагирует на нее только через время, равное времени длительности сигнала, при этом быстродействие блока режекции узкополосных помех определяется длительностью сигнала.

Наиболее близким к предлагаемому является способ, описанный в статье В.Д.Табацкого «Анализ алгоритма и структурной схемы цифрового согласованного фильтра шумоподобных сигналов», ТСС серия ТРС, вып.7, 1990 г., с.100, принятый за прототип.

Способ-прототип включает быстрое преобразование Фурье отсчетов, анализ спектра входного сигнала с помехами, режекцию узкополосных помех, умножение на копию сигнала, обратное преобразование Фурье, поиск сигнала на выходе согласованного фильтра.

Недостатком способа-прототипа является низкое и фиксированное быстродействие данного алгоритма на воздействие импульсных помех, а также скачкообразное изменение узкополосных помех.

Предлагаемый способ свободен от недостатка прототипа.

Это достигается тем, что в способе поиска широкополосного сигнала при воздействии узкополосных помех, заключающемся в делении на отрезки во временной области отсчетов входного сигнала, анализе спектра отрезков входного сигнала с помехами, взвешивании (режекции сосредоточенных помех), умножении на копию сигнала, в вычислении корреляционной функции и обнаружении наличия сигнала, согласно изобретению отрезки входного сигнала выбирают с перекрытием, длительность отрезков определяют временем реакции на воздействие импульсных помех или на изменение сосредоточенных помех, вычисляют спектр последовательности отсчетов соответствующей частоты на интервале времени, равном длительности сигнала, и в последующей сшивке результатов вычисления спектра.

Суть предлагаемого способа заключается в следующем.

Производится анализ спектра входного сигнала с помехами. Длительность анализа определяется исходя из быстродействия устройств с заданной избирательностью по частоте. Режекция узкополосных помех производится одним из известных методов, аналогичных аналоговым блокам защиты. На каждой частоте, на которой производилась режекция, накапливаются отсчеты на интервале времени, равном длительности сигнала. После этого производят более тонкий анализ спектра - он соответствует анализу, который в отсутствии помех проводится на всей длительности сигнала. Потом каждый отсчет умножается на копию и из результатов перемножения вычисляется корреляционная функция и производится обнаружение входного сигнала.

Использование предлагаемого способа позволяет получить выигрыш в быстродействии, причем выигрыш увеличивается при увеличении базы сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство, описанное в статье В.Д.Табацкого «Анализ алгоритма и структурной схемы цифрового согласованного фильтра шумоподобных сигналов», ТСС серия ТРС, вып.7, 1990 г., с.104, принятое за прототип.

Схема устройства-прототипа представлена на фиг.1, где обозначено:

1.1, 1.2 - входные оперативно-запоминающие устройства (ОЗУ);

3 - блок быстрого преобразования Фурье (БПФ);

6 - блок умножения;

8 - блок обратного преобразования Фурье (ОБПФ);

9 - блок вычисления модулей полученных отсчетов;

11.1, 11.2 - блоки весовой обработки;

12 - блок управления;

13 - блок анализа спектра;

14 - блок формирования передаточной функции фильтра (ФПФ).

Устройство-прототип содержит ОЗУ 1.1 и 1.2, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих блоков весовой обработки 11.1 и 11.2, выходы которых соединены с соответствующими входами блока БПФ 3, выход которого соединен с первым входом блока формирования передаточной функции фильтра 14 и входом блока анализа спектра 13, первый выход которого соединен со вторым входом блока ФПФ 14, второй выход блока анализа спектра 13 и выход блока ФПФ 14 соединены с первым и вторым входами блока умножения 6 соответственно, выход которого соединен с первым входом блока ОБПФ 8, выход которого соединен с блоком вычисления модулей полученных результатов 9. Третий выход блока анализа спектра 13 соединен с третьим входом блока весовой обработки 11.2. Первый выход блока управления 12 соединен со вторыми входами блоков весовой обработки 11.1 и 11.2, второй выход блока 6 соединен со вторыми входами блоков ОЗУ 1.1 и 1.2, третий выход блока 12 соединен с третьим входом блока ФПФ 14, четвертый выход блока 12 соединен со вторым входом блока ОБПФ 8.

Работает устройство-прототип следующим образом.

Входной сигнал поступает в блоки ОЗУ 1.1 и 1.2, где берется выборка во временной области длительностью, равной базе сигнала, и считывается в блок весовой обработки 11.1. Оба ОЗУ 11.1 и 11.2 выполнены по параллельной схеме, что позволяет одновременно записывать и считывать входные отсчеты. Первое считывание отсчетов из ОЗУ осуществляется без умножения на весовую функцию. Блок анализа спектра 13 осуществляет обнаружение узкополосных помех и определяет число спектральных составляющих узкополосных помех. Если их число больше N/2, то в соответствии с изложенным алгоритмом записанные входные отсчеты считываются из ОЗУ повторно и в блоке весовой обработки 11.2 умножаются на весовую функцию. Повторно вычисляется спектр взвешенного входного массива отсчетов. При анализе спектра блок 13 подает на блок 14 координаты спектральных составляющих, в которых обнаружены сосредоточенные помехи. В блоке 14 формируется передаточная характеристика с точки зрения согласования и с точки зрения обеления «небелого шума». В блоке умножения 6 комплексно сопряженный сигнал умножается на копию сигнала, на выходе получается сигнал с «вырезанными» помехами и с линейной фазовой характеристикой. После перемножения в блоке 6 входной смеси и передаточной функции спектральные составляющие помехи будут равны нулю. Полученное произведение двух последовательностей в блоке ОБПФ 8 преобразуется во временную область. На выходе ОБПФ 8 получаем корреляционную функцию сигнала. А затем в блоке вычисления модуля 9 вычисляются модули полученных отсчетов. Блок управления 12 обеспечивает синхронную работу блоков 1.1, 1.2, 11.1, 11.2, 8 и 14.

Недостатком устройства-прототипа является низкое и фиксированное быстродействие при воздействии импульсных помех и скачкообразном изменении узкополосных помех.

Предлагаемое устройство свободно от недостатка прототипа.

Это достигается тем, что в устройстве поиска широкополосного сигнала при воздействии узкополосных помех, содержащем последовательно соединенные запоминающее устройство, блок весовой обработки, первый блок быстрого преобразования Фурье, последовательно соединенные первый блок умножения, блок обратного преобразования Фурье, блок вычисления модуля полученных отсчетов, согласно изобретению первый блок быстрого преобразования Фурье рассчитан на интервал, определяемый временем реакции на воздействие импульсных помех или изменение сосредоточенных помех, выходы которого соединены с соответствующими входами блока режекции узкополосных помех, выходы которого соединены с входами N соответствующих блоков быстрого преобразования Фурье, рассчитанных на длительность сигнала, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих блоков умножения, вторые входы которых соединены с выходами генератора комплексно-сопряженных копий сигнала, выходы (N·N₁-1) блоков умножения соединены с соответствующими входами блока обратного преобразования Фурье, выход блока вычисления модуля полученных отсчетов соединен с входом устройства обнаружения.

Схема предлагаемого устройства поиска приведена на фиг.2, где обозначено:

1 - ОЗУ;

2 - блок взвешивания и умножения на копию;

3 - первый блок быстрого преобразования Фурье (БПФ);

4 - блок режекции узкополосных помех;

5₁-5_N - блоки быстрого преобразования Фурье (БПФ);

- блоки умножения;

7 - генератор комплексно-сопряженных копий сигнала;

8 - блок обратного преобразования Фурье (ОБПФ);

9 - блок вычисления модулей полученных отсчетов;

10 - устройство обнаружения.

Примеров исполнения устройства обнаружения в литературе очень много, например рис.7.12, с.285 В.И.Борисов, В.М.Зинчук, А.Е.Лимарев, Н.П.Мухин, Г.С.Нахмансон «Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью» под редакцией В.И.Борисова. М., «Радио и Связь» 2003 г., рис.2.5.1 стр.70 «Шумоподобные сигналы в системах передачи информации» под редакцией В.Б.Пестрякова. М., «Сов. радио», 1973 г.

Предлагаемое устройство поиска содержит последовательно соединенные ОЗУ 1, блок взвешивания и умножения на копию 2, первый блок БПФ 3, N выходов которого соединены с соответствующими входами блока режекции узкополосных помех 4, N выходов которого соединены с входами соответствующих блоков БПФ 5₁-5_N, N₁ выходов каждого блока БПФ 5₁-5_N соединены с первыми входами соответствующих блоков умножения количество которых N·N1, вторые входы блоков умножения соединены с соответствующими выходами генератора 7, выходы блоков умножения соединены с соответствующими входами блока ОБПФ 8, выход которого соединен с входом блока вычисления модулей 9, выход которого соединен с входом устройства обнаружения 10.

Работает предлагаемое устройство поиска следующим образом.

В блоке 1 производится разбиение на перекрывающиеся массивы так, что после умножения на «окно» при сложении получается исходная последовательность. При этом в зависимости от типа применяемого окна и коэффициента перекрытия последовательность может иметь паразитно-амплитудную модуляцию (ПАМ), что приводит к некоторому ухудшению чувствительности устройства. При построении устройства выбором коэффициента перекрытия контролируют уровень ПАМ допустимой величины снижения чувствительности устройства. В блоке 2 проводится умножение на «окно», т.е. обеспечивается требуемая избирательность блока защиты. При проектировании выбирается «окно» с соответствующими спектральными свойствами, обеспечивающими необходимый динамический диапазон по защите от сосредоточенных помех («Использование окон при гармоническом анализе методом дискретного преобразования Фурье». Ф.Дж.Хэррис, ТИИЭР, т.66, №1, январь 1978 г.). В блоке 3 производится вычисление БПФ взвешенных с «окном» массивов. Каждый отсчет на выходе блока БПФ 3 соответствует своей частоте блока режекции узкополосных помех 4. Блок 4 осуществляет режекцию узкополосных помех традиционными алгоритмами. В каждом блоке БПФ 5₁-5_N происходит вычисление последовательности с каждого выхода блока режекции узкополосных помех 4 на интервале сигнала. С N1 выходов каждого блока БПФ сигнал поступает на входы перемножителей 6, количество которых равно N·N1, на вторые входы которых с блока 7 поступают отсчеты комплексно-сопряженной копии. В блоках 6 производится умножение на комплексно-сопряженную копию. Полученное произведение в блоке ОБПФ 8 преобразуется во временную область. В блоке 9 вычисляются модули взаимокорреляционной функции. С блока вычисления модуля 9 сигнал поступает в устройство обнаружения 10, где производится поиск сигнала по традиционному алгоритму.

Технико-экономическую эффективность применения данных способа и устройства по сравнению с прототипом покажем на примере использования быстрого преобразования Фурье (БПФ), чтобы условия были одинаковыми с прототипом.

Пусть, например, база сигнала В=2047, коэффициент ограничения ширины полосы , т.е. полоса, занимаемая сигналом, в 1,6 раза больше тактовой частоты.

Для способа-прототипа количество отсчетов для БПФ равно:

N=В·2·К=6550 точек,

для заявляемого способа:

N1=n·K,

где n - количество каналов, по которым производится режекция.

Максимальное количество каналов, которое применяют в аналоговых приемниках, n≈40.

Таким образом, N1=60 точек. Выигрыш по сравнению с прототипом составляет . Причем при увеличении базы сигнала (В) выигрыш будет еще больше.

1. Способ поиска широкополосного сигнала при воздействии помех, заключающийся том, что разделяют отсчеты входного сигнала с помехами на перекрывающиеся во времени отрезки, длительность которых определяется временем реакции на воздействие импульсных помех или на изменение узкополосных помех, умножают указанные отрезки на "окно" с заданными спектральными свойствами, выполняют быстрое преобразование Фурье (БПФ) результатов умножения, осуществляют режекцию узкополосных помех, на интервале времени, равном длительности широкополосного сигнала, накапливают отсчеты каждой частоты, на которой производилась режекция, выполняют БПФ накопленных отчетов каждой частоты, умножают результаты преобразований на соответствующие отсчеты комплексно-сопряженной копии сигнала, выполняют обратное преобразование Фурье (ОБПФ) результатов умножений, вычисляют модули взаимокорреляционной функции и производят поиск сигнала.

2. Устройство поиска широкополосного сигнала при воздействии помех, содержащее последовательно соединенные запоминающее устройство, блок весовой обработки и первый блок БПФ, последовательно соединенные блок ОБПФ и блок вычисления модуля полученных отсчетов, отличающееся тем, что N выходов первого БПФ соединены с соответствующими входами блока режекции узкополосных помех, N выходов которого соединены со входами N соответствующих блоков БПФ, N1 выходов каждого из N блоков БПФ соединены с первыми входами соответствующих блоков умножения, вторые входы которых соединены с выходами генератора комплексно сопряженной копии сигнала, выходы N•N₁ блоков умножения соединены с соответствующими входами блока ОБПФ, выход блока вычисления модуля полученных отсчетов соединен с входом устройства обнаружения, при этом время преобразования первого блока БПФ определяется временем реакции на воздействие импульсных помех или на изменение узкополосных помех, время преобразования каждого из N блоков БПФ определяется длительностью широкополосного сигнала.