Способ обработки сигналов вч диапазона каскадом адаптивных фильтров различной инерционности с общей обратной связью по решению



Способ обработки сигналов вч диапазона каскадом адаптивных фильтров различной инерционности с общей обратной связью по решению
Способ обработки сигналов вч диапазона каскадом адаптивных фильтров различной инерционности с общей обратной связью по решению
Способ обработки сигналов вч диапазона каскадом адаптивных фильтров различной инерционности с общей обратной связью по решению

 


Владельцы патента RU 2599928:

Тумачек Александр Сергеевич (RU)

Изобретение относится к области адаптивной фильтрации, в частности к системам цифровой обработки сигналов, в которых для защиты от искажений сигнала в канале связи применяются адаптивные антенные системы. Технический результат заключается в повышении качества обработки сигналов за счет снижения влияния помех и шумов. Сигнал обрабатывают широкополосной адаптивной антенной системой (ШААС), функционирующей по алгоритму Винера и критерию минимума среднего квадрата ошибки (МСКО), при этом выходной сигнал y(k) с ШААС, которую используют в качестве первого каскада, обрабатывают дополнительным адаптивным фильтром, который используют в качестве второго каскада, управляемым алгоритмом Калмана, общим сигналом оценки эталона для ШААС и дополнительного адаптивного фильтра и сигналом ошибки e2(k) для дополнительного адаптивного фильтра, формируемым разностью между общим сигналом оценки эталона и выходным сигналом с дополнительного адаптивного фильтра, поступающим на схему принятия решения, которая вырабатывает общий сигнал оценки эталона , обеспечивающий объединяющую управляющую связь между ШААС и дополнительным адаптивным фильтром, при этом размер LII скользящего окна алгоритма Калмана меньше размера LI скользящего окна алгоритма Винера, управляемого общим сигналом оценки эталона и сигналом ошибки e1(k) для ШААС, формируемым разностью между общим сигналом оценки эталона и выходным сигналом y(k) с ШААС. 2 ил.

 

Изобретение относится к области адаптивной фильтрации, в частности к системам цифровой обработки сигналов, в которых для защиты от искажений сигнала в канале связи применяются адаптивные антенные системы (ААС). Оно может быть использовано в системах приема радиосигналов высокочастотного (ВЧ) диапазона с целью решения задачи повышения качества обработки сигналов.

Известен способ обработки радиосигнала, в котором используется широкополосная адаптивная антенная система [1]. В условиях нестационарной сигнально-помеховой обстановки (СПО) данный способ не обеспечивает достаточное подавление МСИ и достаточное качество приема сигнала. В мобильных системах связи с временным разделением (TDMA) известен способ совместной обработки сигналов с использованием последовательно включенной широкополосной ААС с регенератором принятого сигнала на основе алгоритма наименьших квадратов (МНК) с выходом на декодер Витерби в диапазоне 3-10 ГГц [3]. Недостатками способа являются: низкая скорость сходимости МНК алгоритма; плохое подавление МСИ в условиях нестационарной СПО ВЧ диапазона; система приема с оценкой эталона, на основе решений с выхода декодера Витерби, для передач с большими кадрами перемежения, как в ВЧ диапазоне, является сложно реализуемой задачей. Способы [4, 7], также не лишены недостатков.

Исходя из изложенного, наиболее близким аналогом предлагаемого способа можно выбрать широкополосную адаптивную антенную систему (ШААС) [1].

Известные способы не в полной мере учитывают особенности СПО ВЧ диапазона и не обеспечивают решение задачи защиты от искажений сигнала в канале связи и воздействия шумов, что создает трудности при их непосредственном применении. В дополнении к сказанному, общим недостатком всех описанных способов является неполнота раскрытия информации о параметрах дополнительных фильтров и применяемых алгоритмах.

При использовании дополнительных управляющих связей и возможности регулировки инерционности каскадов с увязкой на общее решение, предлагаемая модернизация ШААС позволила получить новые свойства и параметры адаптивной антенной системы, повысить качество обработки сигналов за счет снижения влияния помех и шумов.

Для достижения цели предложен способ обработки сигналов (фиг. 1) заключающийся в том, что сигнал обрабатывают широкополосной адаптивной антенной системой (ШААС), функционирующей по алгоритму Винера и критерию минимума среднего квадрата ошибки (МСКО), отличающийся тем, что выходной сигнал y(k) с ШААС, которую используют в качестве первого каскада, обрабатывают дополнительным адаптивным фильтром, который используют в качестве второго каскада, управляемым алгоритмом Калмана, общим сигналом оценки эталона для ШААС и дополнительного адаптивного фильтра и сигналом ошибки e2(k) для дополнительного адаптивного фильтра, формируемым разностью между упомянутым общим сигналом оценки эталона и выходным сигналом с дополнительного адаптивного фильтра, поступающим на схему принятия решения, которая вырабатывает упомянутый общий сигнал оценки эталона , обеспечивающий объединяющую управляющую связь между ШААС и дополнительным адаптивным фильтром, при этом размер LII скользящего окна упомянутого алгоритма Калмана меньше размера LI скользящего окна алгоритма Винера, управляемого упомянутым общим сигналом оценки эталона и сигналом ошибки e1(k) для ШААС, формируемым разностью между упомянутым общим сигналом оценки эталона и выходным сигналом y(k) с ШААС, т.е. LII<LI, обеспечивая этим условия различной инерционности первого и второго каскадов; а сигналы ошибки e1(k) и e2(k) для ШААС и дополнительного адаптивного фильтра различны.

В качестве первого каскада системы адаптивной обработки используют широкополосную адаптивную антенную систему, которая функционирует по алгоритму Винера и критерию МСКО, а в качестве второго каскада - дополнительный адаптивный фильтр. В предлагаемом способе дополнительный адаптивный фильтр должен иметь нерекурсивную структуру и управляться рекурсивным алгоритмом наименьших квадратов (РНК) (фиг. 2).

Сочетание рекурсивного алгоритма наименьших квадратов [2] и нерекурсивной структуры фильтра позволяет добиться устойчивости в реализации второго узла, при этом наличие предшествующего фильтра облегчает нагрузку на адаптивный процессор второго узла и наоборот: второй узел облегчает задачу фильтрации первого узла. Таким образом, задача обработки как бы распределяется между двумя фильтрами за счет их взаимодействия по управлению.

Для достижения повышения качества обработки сигналов размер LII скользящего окна упомянутого алгоритма Калмана должен быть меньше размера LI скользящего окна упомянутого алгоритма Винера, т.е. LII<LI, обеспечивая этим условия различной инерционности первого и второго каскадов.

Предлагаемый способ позволяет решить задачу повышения качества обработки радиосигналов ВЧ диапазона, по сравнению с наиболее близким известным способом построения широкополосной адаптивной антенной системы [1].

Изобретение поясняется чертежами (фиг. 1-2), на которых изображены структурная и функциональная схемы устройства обработки сигналов при помощи модифицированной ШААС с дополнительным адаптивным фильтром.

Предлагаемый способ обработки сигналов ВЧ диапазона (фиг. 2) предполагает: АЭ1-АЭN - массив антенных элементов, блок 1 - диаграммообразующее устройство на линиях задержек, блок 4 - адаптивный процессор Винера, блок 2 - дополнительный адаптивный фильтр, блок 6 - адаптивный процессор Калмана, блок 3 - схема принятия решений, блок 5 и блок 7 - реализуют вычитание сигналов,

Массив антенных элементов предназначен для приема радиосигналов ВЧ диапазона. ШААС предназначена для совместного решения задач компенсации МСИ, снижения влияния помех, борьбы с многолучевостью, при этом эффективность решения существенно зависит от числа степеней свободы ШААС.

Приведем обозначения, применяемые на фиг. 1:

y(k) - выходной сигнал с широкополосной адаптивной антенной системы.

- выходной сигнал с дополнительного адаптивного фильтра.

- общий сигнал оценки эталона, вырабатываемый схемой принятия решения.

- оценка вектора оптимальных коэффициентов широкополосной ААС, в i-й момент времени. ВВК имеет блочную структуру в соответствии со структурой широкополосной ААС.

- оценка вектора оптимальных коэффициентов дополнительного адаптивного фильтра канальных искажений в k-й момент времени.

- вектор отсчетов сигналов в линиях задержки широкополосной ААС.

- вектор отсчетов сигнала в линии задержки дополнительного адаптивного фильтра.

LI - размер скользящего окна алгоритма Винера.

LII - размер скользящего окна алгоритма Калмана (РНК - рекурсивный алгоритм наименьших квадратов).

e1(k) - сигнал ошибки для дополнительного адаптивного фильтра.

e2(k) - сигнал ошибки для ШААС.

Блок 1 предназначен для формирования адаптивной диаграммы направленности в направлении прихода полезного сигнала и когерентного сложения лучей. Длина линии задержки может быть разной.

Блок 4 осуществляет расчет вектора весовых коэффициентов (ВВК) по алгоритму Винера. В расчете используется процедура оценки выборочной корреляционной матрицы входного сигнала на скользящем окне и решение ур-я Винера-Хопфа посредством решения системы линейных уравнений. Размер LI скользящего окна алгоритма Винера выбирается эмпирически.

Уравнение Винера-Хопфа имеет вид:

В каждый дискретный i - момент времени имеем:

где j - номер канала; i - номер дискретного временного отсчета; LI - размер скользящего окна алгоритма Винера или интервал стационарности; L - длина линии задержки адаптивного фильтра; N - число ветвей ШААС; «+» - эрмитово сопряжение; - вектор корреляции комплексного сигнала с оценкой комплексного эталона; - оценка выборочной корреляционной матрицы (ВКМ) входного комплексного сигнала, на скользящем окне. Размер скользящего окна меняется в зависимости от СПО; - вектор отсчетов сигналов в линиях задержки широкополосной ААС. - оценка оптимального ВВК линейного фильтра, рассчитывается по критерию минимума среднеквадратической ошибки (МСКО).

Дополнительный адаптивный фильтр осуществляет обработку выходного сигнала y(k) с широкополосной ААС по критерию МСКО, но может работать и на основании другого критерия [8]. Важно, что широкополосная ААС и дополнительный адаптивный фильтр работают по общему сигналу оценки эталона , это обеспечивает согласованность минимизации мультимодальной целевой функции.

Блок 5 и 7 предназначены для получения: сигнала ошибки e1(k) для широкополосной ААС формированием разности между общим сигналом оценки эталона для ШААС и дополнительного адаптивного фильтра и выходным сигналом y(k); сигнала ошибки e2(k) для дополнительного адаптивного фильтра формированием разности между упомянутым общим сигналом оценки эталона для ШААС и дополнительного адаптивного фильтра и выходным сигналом с дополнительного адаптивного фильтра.

Возможны и другие комбинации управляющих связей адаптивных фильтров и варианты получения сигналов ошибок e2(k) для дополнительного адаптивного фильтра и e1(k) для ШААС (комбинационные ошибки; аддитивные, разностные), но они не обеспечивают достижения технического результата. Параметры алгоритмов 4-го и 6-го блоков, а именно размер LII скользящего окна упомянутого алгоритма Калмана, должен быть меньше размера LI скользящего окна упомянутого алгоритма Винера.

Блок 2 - линия задержки с отводами, предназначена для коррекции остаточных искажений в сигнале, после обработки в широкополосной ААС. Длина линии задержки может варьироваться.

Блок 6 предназначен для расчета ВВК дополнительного адаптивного фильтра по алгоритму Калмана с размером LII скользящего окна алгоритма Калмана. Размер скользящего окна может меняться в зависимости от СПО, выбирается так же эмпирически.

Блок 3 предназначен для формирования общего сигнала оценки эталона .

Блок 11 на фигуре 1 представляет собой структурную схему широкополосной ААС на линиях задержек с отводами, блок 12 - структурную схему дополнительного адаптивного фильтра, 13 - схема принятия решений. Реализация описанного способа может быть аппаратной, программной или аппаратно-программной.

Достигаемым техническим результатом является процедура обработки сигналов ВЧ диапазона каскадом адаптивных фильтров различной инерционности с общей обратной связью по решению, повышение качества обработки сигналов за счет снижения влияния помех и шумов.

Литература

1. Уидроу (В. Widrow), Мантей (Р.Е. Mantey), Гриффите (L.J. Griffits) и др.: Адаптивные антенные системы. - ТИИЭР №12, 1967 г.

2. Грант П.М., Коуэн К.Ф.Н., Фридлендер Б., Трейчлер Д.М., Феррара Э.Р., мл., Адамс П.Ф. Адаптивные фильтры: Пер. с англ. / Под ред. К.Ф.Н. Коуэна и П.М. Гранта. - М.: Мир, 1988.

3. Masaaki Fujii, Joint Processing of an Adaptive Array and an MLSE for Frequency-Selective Fading Channels., 0-7803-3925-8/97, IEEE, 1997.

4. Yoshiharu DOI, Takeo OHGANE, Yoshio Karasawa.: ISI and Canceller with preselecting adaptive array and cascaded equalizer in digital mobile radio. IEICE TRANS. COMMUN., VO1. E81-B, NO., 1998.

5. Куреши Ш.У.Х. Адаптивная коррекция // ТИИЭР. - 1985. - т. 73. - №2. - С. 10-13, 14-24.

6. Куреши Ш.У.Х. Адаптивная коррекция // ТИИЭР. - 1985. - т. 73. - №2. - С. 28.

7. Goldsmith A. Wireless communication, Stanford University. 2004 - p. 317-318.

8. Реклейтис Г., Рейвиндран А., Рэгсдел К. Оптимизация в технике: В 2-ч кн. / Пер. с англ. - М.: Мир, 1986. - 848 с.

Способ обработки сигналов, заключающийся в том, что сигнал обрабатывают широкополосной адаптивной антенной системой (ШААС), функционирующей по алгоритму Винера и критерию минимума среднего квадрата ошибки (МСКО), отличающийся тем, что выходной сигнал y(k) с ШААС, которую используют в качестве первого каскада, обрабатывают дополнительным адаптивным фильтром, который используют в качестве второго каскада, управляемым алгоритмом Калмана, общим сигналом оценки эталона для ШААС и дополнительного адаптивного фильтра и сигналом ошибки e2(k) для дополнительного адаптивного фильтра, формируемым разностью между упомянутым общим сигналом оценки эталона и выходным сигналом с дополнительного адаптивного фильтра, поступающим на схему принятия решения, которая вырабатывает упомянутый общий сигнал оценки эталона , обеспечивающий объединяющую управляющую связь между ШААС и дополнительным адаптивным фильтром, при этом размер LII скользящего окна упомянутого алгоритма Калмана меньше размера LI скользящего окна алгоритма Винера, управляемого упомянутым общим сигналом оценки эталона и сигналом ошибки e1(k) для ШААС, формируемым разностью между упомянутым общим сигналом оценки эталона и выходным сигналом y(k) с ШААС, т.е. LII<LI, обеспечивая этим условия различной инерционности первого и второго каскадов; а сигналы ошибки e1(k) и e2(k) для ШААС и дополнительного адаптивного фильтра различны.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике цифровой связи и сигнализации и может быть использовано для квазиоптимального асинхронного приема сообщений. Технический результат - упрощение реализации и повышение надежности работы фильтра.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в адаптивных устройствах режектирования многочастотных пассивных помех. Достигаемый технический результат - повышение точности адаптивной компенсации текущего значения доплеровской фазы многочастотных пассивных помех.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в автоматизированных когерентно-импульсных системах для выделения сигналов движущихся целей на фоне пассивных помех.

Изобретение относится к области вычислительной техники и может быть использовано для построения в общесистемной аппаратной среде цифровых авторегрессионных фильтров и фильтров с конечным импульсным откликом, устройств идентификации, свертки и модульных вычислений.

Изобретение относится к цифровой обработке радиолокационных сигналов. .

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в когерентно-импульсных РЛС обнаружения и управления воздушным движением для селекции сигналов движущихся целей на фоне пассивных помех с неизвестными корреляционными свойствами.

Изобретение относится к радиотехнике и может найти применение в качестве устройства адаптивной фильтрации в медицинской визуализации. .
Наверх