Устройство измерения отношения сигнал/шум

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокации, радионавигации и системах связи для измерения отношения сигнал/шум, повышения точности и достоверности получаемой информации или контроля качества канала связи. Устройство содержит последовательно включенные антенну, приемник, измеритель фазы, блок вычисления дисперсии фазы, блок вычисления отношения сигнал/шум, индикатор. Блок вычисления дисперсии фазы содержит последовательно соединенные первый квадратор, первый накапливающий сумматор, первый умножитель, выход которого подключен к первому входу блока вычитания, при этом вход первого квадратора объединен с входом второго накапливающего сумматора и является первым входом блока вычисления дисперсии фазы, а выход второго накапливающего сумматора подключен ко второму умножителю, последовательно соединенному со вторым квадратором, выход которого соединен с вторым входом блока вычитания, выход блока вычитания является выходом блока вычисления дисперсии фазы, а второй и третий входы блока вычисления дисперсии фазы являются соответственно вторым входом второго умножителя и первого умножителя. Технический результат - повышение точности измерения отношения сигнал/шум при одновременном упрощении устройства. 3 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокации, радионавигации и системах связи для измерения отношения сигнал/шум, повышения точности и достоверности получаемой информации или контроля качества канала связи.

Известно устройство измерения отношения сигнал/шум, обеспечивающее измерение среднего значения результирующей фазы, которое зависит от сложившегося отношения сигнал/шум [1]. В данном устройстве сигнал и шум принимаются антенной и приемником, а на выходе синхронно-фазового детектора формируется сигнал результирующей фазы смеси сигнала и шума. Полученные значения фазы усредняются и через блок памяти поступают на индикатор, который оцифрован в соответствии с зависимостью значений результирующей фазы от отношения сигнал/шум. Устройство содержит в своем составе два ограничителя, которые являются нелинейными элементами и вносят искажения в оцениваемую смесь сигнала и шума, что, в свою очередь, влияет на точность измерения.

Известно устройство, обеспечивающее оценку отношения сигал/шум, в состав устройства входят линии задержки и сумматоры, которые выделяют шумовую и сигнальную составляющие [2]. Недостатками устройства являются потребность в настройке параметров линий задержек, низкая стабильность параметров и неэффективность работы при изменении частоты входного сигнала, так как время задержки должно быть кратным целому числу полупериодов входного колебания.

Из известных устройств оценки отношения сигнал/шум наиболее близким к заявляемому по своему техническому исполнению является устройство [3], обеспечивающее оценку дисперсии фазы путем сравнения с генерируемыми опорными функциями фазы, результирующие значения отношения сигнал/шум получаются в результате преобразования полученной дисперсии фазы в блоке вычисления отношения сигнал/шум. Устройство включает в свой состав последовательно соединенные антенну, приемник, измеритель фазы, блок памяти, блок вычитания, блок вычисления дисперсии фазы, блок вычисления отношения сигнал/шум и индикатор, в состав устройства также входят блоки, обеспечивающие сравнение значений фазы сигнала и шума с опорными функциями, блоки генерирования опорных функций и блоки обнаружения сигнала.

К недостаткам известного устройства можно отнести сложность исполнения и низкие точностные характеристики.

В основу изобретения положена задача повышения точности измерения отношения сигнал/шум при одновременном упрощении устройства.

Поставленная задача решается тем, что в устройстве измерения отношения сигнал/шум, содержащем последовательно включенные антенну, приемник, измеритель фазы, блок вычисления дисперсии фазы, блок вычисления отношения сигнал/шум, индикатор, согласно изобретению блок вычисления дисперсии фазы содержит последовательно соединенные первый квадратор, первый накапливающий сумматор, первый умножитель, выход которого подключен к первому входу блока вычитания, при этом вход первого квадратора объединен с входом второго накапливающего сумматора и является первым входом блока вычисления дисперсии фазы, а выход второго накапливающего сумматора подключен ко второму умножителю, последовательно соединенному с вторым квадратором, выход которого соединен с вторым входом блока вычитания, выход блока вычитания является выходом блока вычисления дисперсии фазы, а второй и третий входы блока вычисления дисперсии фазы являются соответственно вторым входом второго умножителя и первого умножителя.

На фиг.1 показана структурная схема устройства измерения отношения сигнал/шум, на фиг.2 - схема блока вычисления дисперсии фазы, а на фиг.3 - зависимость значений среднеквадратического отклонения от сложившегося соотношения сигнал/шум.

Устройство измерения отношения сигнал/шум содержит последовательно соединенные антенну 1, приемник 2, измеритель фазы 3, блок измерения дисперсии фазы 4, блок вычисления отношения сигнал/шум 5 и индикатор 6. Блок вычисления дисперсии фазы 4 в своем составе имеет последовательно соединенные первый квадратор 7, первый накапливающий сумматор 8, первый умножитель 9, выход которого подключен к первому входу блока вычитания 10, при этом вход первого квадратора 7 объединен со входом второго накапливающего сумматора 11 и является первым входом блока вычисления дисперсии фазы 4, выход второго накапливающего сумматора 11 подключен ко второму умножителю 12, последовательно соединенному со вторым квадратором 13, выход последнего соединен со вторым входом блока вычитания 10. Выход блока вычитания 10 является выходом блока вычисления дисперсии фазы 4. Второй и третий входы блока вычисления дисперсии фазы 4 - это вторые входы соответственно второго умножителя 12 и первого умножителя 9.

При технической реализации антенна 1, приемник 2 и измеритель фазы 3 выполняются как типовые элементы радиосистем. Приемник 2 содержит усилители высокой частоты, преобразователи частоты и усилители промежуточной частоты. В качестве измерителя фазы 3 целесообразно использовать измеритель, который содержит преобразователь фазового сдвига между сравниваемыми сигналами y(t) и x(t) во временной интервал, который заполняется счетными импульсами [4]. Квадраторы, умножители и накапливающие сумматоры являются известными и достаточно подробно описаны в справочнике по интегральным микросхемам [6]. В качестве блока вычитания 10 возможно использовать сумматор, на второй вход которого полученное среднее значение фазы поступает в дополнительном коде [7]. Блок вычисления отношения сигнал/шум 5 может быть выполнен в виде дешифратора или перепрограммируемого постоянного запоминающего устройства (ППЗУ) [6]. Индикатор 6 может быть выполнен как цифровой индикатор [6].

Устройство измерения отношения сигнал/шум работает следующим образом.

Аддитивная смесь полезного сигнала и узкополосного шума формируется антенной 1 и приемником 2 и поступает на измеритель фазы 3 (фиг.1), где производится преобразование фазового сдвига между сигналами y(t) и x(t) во временной интервал [4], который заполняется счетными импульсами. Результат измерения фазы представляет собой числа N_i, которые подвергаются статистической обработке для определения дисперсии фазы по алгоритму, рассматриваемому ниже.

Особенности статистических характеристик фазы аддитивной смеси и возможность нахождения дисперсии фазы рассмотрим на примере поведения полной фазы смеси, которую при узкополосном стационарном шуме найдем из аддитивной смеси сигнала и шума:

x(t)=U_mcos(ω₀t+ϕ₀)+U_n(t)cos[ω₀t+θ(t)]=U(t)cosФ(t),

где U_m, ω₀, ϕ₀ - амплитуда, угловая частота и начальная фаза сигнала.

U_n(t), θ(t) - огибающая и фаза шума.

U(t) - огибающая смеси сигнала и шума.

Ф(t)=ω₀t+ϕ(t) - полная фаза смеси, состоящая из линейного ω₀t и случайного ϕ(t) слагаемого.

Случайный характер ϕ(t) обусловлен в основном действующим в приемнике аддитивным шумом, а статистические характеристики зависят от отношения сигнал/шум и определяют мощность фазовых флуктуаций.

Случайное слагаемое полной фазы смеси Ф(t) характеризуется плотностью распределения вероятностей фазы смеси и определяется выражением [5]:

где F(*) - функция Лапласа;

q=U_m/σ - отношение амплитуды сигнала к среднеквадратическому значению шума;

σ²=W₀F_э - мощность шума в канале связи;

W₀ - интенсивность энергетического спектра входного шума;

F_э - эффективная полоса пропускания приемника.

Плотность распределения фазы симметрична в интервале [ϕ₀-π; ϕ₀+π], а дисперсия фазы может быть найдена по формуле:

Дисперсия фазы вычисляется при статистической обработке результата N фазовых измерений N_i по формуле, обеспечивающей несмещенную оценку:

где N_i - цифровые отсчеты фазы, получаемые в измерителе фазы 3,

N - количество усредняемых отсчетов.

i=1÷N.

N_cp - среднее значение фазы смеси, получаемое в блоке 4.

При технической реализации заявляемого устройства удобнее преобразовать (2) к виду

а учитывая, что получим рабочую формулу:

или при N>>1

который и положен в основу работы устройства.

Чтобы реализовать вычисление значений дисперсии фазы в соответствии с (3) в блоке 4 используются квадраторы 7 и 13, накапливающие сумматоры 8 и 11, умножители на константу 9 и 12 и блок вычитания 10. Поступившие на первый вход блока вычисления дисперсии фазы 4 цифровые отсчеты N_i возводятся в квадрат в первом квадраторе 7, суммируются в первом накапливающем сумматоре 8 и умножаются на константу в первом умножителе 9, таким образом реализуется алгоритм вычисления при этом параллельно производится накапливание этих отсчетов (N_i) во втором сумматоре 11, умножение на константу во втором умножителе 12 для вычисления среднего значения N_ср и возведение в квадрат во втором квадраторе 13, таким образом реализуется операция вычисления N_ср ². Эта операция происходит параллельно с вычислением После этого полученные значения вычитаются в блоке вычитания 10 в соответствии с (3) и на выходе блока вычисления дисперсии фазы 4 появляются цифровые отсчеты дисперсии фазы в требуемом диапазоне.

В предлагаемом устройстве предполагается, что для заданного диапазона значений дисперсии фазы значения отношения сигнал/шум предварительно рассчитываются и размещаются в ППЗУ блока вычисления отношения сигнал/шум с необходимой дискретностью. Зависимость значений среднеквадратического отклонения фазы от сложившегося соотношения сигнал/шум показана на фиг.3.

Так, если отношение сигнал/шум изменится от q₁=3 до q₂=3.3, то эти значения пересчитываются в значения среднеквадратического отклонения фазы от σ_ϕ1=0.715 до σ_ϕ2=0.678.

Требование к точности измерения дисперсии фазы σ_ϕ ² можно предъявить, воспользовавшись результатами, согласно которым дисперсия оценки дисперсии фазы по дискретным отсчетам определяется формулой

где

- нормированная корреляционная функция фазовых отсчетов, взятых с интервалом Т₀;

N - количество усредняемых отсчетов.

Выбирая интервал Т₀ больше интервала корреляции τ_k(Т₀>τ_k), который, в свою очередь, определяется полосой пропускания приемника 2 (τ_k=1/F_э), т.е. обеспечивая некоррелированные выборки, погрешность измерения дисперсии фазы можно определить следующим образом:

т.е. для обеспечения погрешности измерения отношения сигнал/шум на уровне 1% требуемое число отсчетов N не превышает 10²-10³.

В заявляемом устройстве измерения отношения сигнал/шум реализован оптимизированный алгоритм оценки дисперсии фазы, что позволяет повысить точность и упростить реализацию структуры предлагаемого устройства. Заявляемое устройство способно вести оперативный контроль за измеряемыми параметрами системы с погрешностью на уровне 1%.

Источники информации

1. Авторское свидетельство №1337834, G01R 29/26.

2. Авторское свидетельство СССР №808996, G01R 29/26, 1981.

3. Патент РФ №02117954, G01R 29/16, 1998.

4. Чмых М.К. Цифровая фазометрия. - М., 1993, с.7-9.

5. Пестряков В.Б. Фазовые радиотехнические системы. - М., 1968, с.23-25, с.163-169.

6. Справочник по интегральным микросхемам / Под ред. Б.В.Тарабрина. - М., 1981, с.58-62.

7. Гитис Э.И. Преобразователи информации для ЭЦВУ, 1975, с.153-160.

Устройство измерения отношения сигнал/шум, содержащее последовательно включенные антенну, приемник, измеритель фазы, блок вычисления дисперсии фазы, блок вычисления отношения сигнал/шум, индикатор, отличающееся тем, что блок вычисления дисперсии фазы содержит последовательно соединенные первый квадратор, первый накапливающий сумматор, первый умножитель, выход которого подключен к первому входу блока вычитания, при этом вход первого квадратора объединен с входом второго накапливающего сумматора и является первым входом блока вычисления дисперсии фазы, а выход второго накапливающего сумматора подключен ко второму умножителю, последовательно соединенному со вторым квадратором, выход которого соединен с вторым входом блока вычитания, выход блока вычитания является выходом блока вычисления дисперсии фазы, а второй и третий входы блока вычисления дисперсии фазы являются соответственно вторым входом второго умножителя и первого умножителя.