Устройство для оценки текущего отношения сигнал-шум

Изобретение относится к области цифровых систем приема и обработки сигналов и может найти применение для повышения эффективности работы алгоритмов мягкого декодирования, управления мощностью и выделения ресурсов, реализуемых в многоканальных системах приема ортогональных сигналов. Техническим результатом изобретения является расширение области применения устройства путем обеспечения дополнительной возможности когерентного приема детерминированных ортогональных сигналов. Устройство для оценки текущего отношения сигнал-шум дополнительно содержит в каждом канале когерентный гетеродин и два коммутатора, а в общей части - третий коммутатор и делитель на два. 4 ил.

 

Предполагаемое изобретение относится к области цифровых систем приема и обработки сигналов и может найти применение для повышения эффективности работы алгоритмов мягкого декодирования, управления мощностью и выделения ресурсов, реализуемых в многоканальных системах приема ортогональных сигналов.

Известен способ и устройство оценки текущего отношения сигнал-шум [Патент США US 7190741]. Устройство содержит квадратурный смеситель и блок оценки отношения сигнал-шум. В квадратурном смесителе выделяются синфазная и квадратурная компоненты комплексной огибающей принимаемого сигнала, по которым в блоке оценки отношения сигнал-шум вычисляется угол отклонения вектора сигнала от синфазной оси и по его статистическим характеристикам рассчитывается текущее отношение сигнал-шум. Однако оно предназначено для BPSK и QPSK сигналов и дает значительные ошибки в области малых отношений сигнал-шум.

Известен способ оценки отношения сигнал-шум [Патент США US 6317456], включающий операции усреднения, извлечения квадратного корня и деления, выполняемые над синфазной и квадратурной компонентами принимаемого сигнала. Однако он предназначен для OFDM сигналов.

Известен также «Цифровой измеритель мощности сигнала и мощности помехи в полосе пропускания канала радиоприемника в реальном масштабе времени» [Патент РФ RU 2472167], который содержит смеситель, полосовой фильтр, аналогово-цифровой преобразователь, умножители, блоки усреднения и регистры хранения. В устройстве реализованы два канала измерения, в первом из которых осуществляется когерентная, а во втором - некогерентная обработка принимаемого сигнала. Однако данное устройство не использует обработку синфазной и квадратурной компонент комплексной огибающей принимаемого сигнала.

Известно также устройство для оценки текущего отношения сигнал-шум [Патент РФ RU 2598693 «Способ и устройство для оценки текущего отношения сигнал-шум»], первый вариант реализации которого и рассмотрен в качестве аналога.

Устройство включает в себя последовательно соединенные квадратурный смеситель, блок оценки отношения сигнал-шум и блок компенсации смещения.

В квадратурном смесителе выделяются синфазная и квадратурная компоненты комплексной огибающей принимаемого сигнала. Отсчеты указанных компонент берутся на выходе квадратурного смесителя с частотой следования канальных символов. Далее в блоке оценки отношения сигнал-шум для заданной длительности выборки, составляющей К канальных символов, определяются: средние по времени значения квадратов синфазной и квадратурной компонент; квадрат среднего модуля синфазной компоненты; квадрат среднего значения квадратурной компоненты; оценка текущего отношения сигнал-шум, которая при необходимости корректируется в блоке коррекции смещения.

Таким образом, в рассматриваемом устройстве указанная оценка формируется в результате обработки последовательных временных отсчетов смеси сигнала с шумом в течение достаточно большого промежутка времени, равного длительности К канальных символов, что является одним из недостатков устройства. Кроме того, устройство предполагает использование для передачи сообщений двоичного сигнала S(t) с фазовой манипуляцией, тогда как в настоящее время широко распространены системы, использующие М различных ортогональных сигналов.

Наиболее близким к заявляемому устройству является «Устройство для оценки текущего отношения сигнал-шум» [Патент РФ RU 2732719], которое устраняет недостатки предыдущего аналога и выбрано в качестве прототипа.

Укрупненная блок-схема устройства - прототипа представлена на фиг. 1. Устройство является М-канальным (по числу сигналов, используемых для передачи сообщений), причем каждый канал содержит:

1 - квадратурный смеситель, вход которого является входом устройства, а первый и второй выходы соединены соответственно с первым и вторым входами блока оценки квадрата огибающей 2.

2 - блок оценки квадрата огибающей, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами квадратурного смесителя 1, а выход соединен с информационным входом ключа 3.

3 - ключ, информационный вход которого подключен к выходу блока оценки квадрата огибающей, а управляющий вход является внешним входом устройства и соединен с управляющими входами всех остальных ключей. Выход ключа представляет собой выход канала устройства и подключен к соответствующему входу общего для устройства блока оценки отношения сигнал-шум 4.

Общая часть устройства, объединяющая все М каналов, содержит:

4 - блок оценки отношения сигнал-шум на М входов, каждый из которых подключен к выходу соответствующего ключа (канала устройства), и один дополнительный вход. Выход блока 4 является выходом устройства.

Квадратурный смеситель 1 и блок оценки квадрата огибающей 2 являются типовыми блоками корреляционного оптимального различителя М сигналов со случайными начальными фазами [Информационные технологии в радиотехнических системах: Учебное пособие / В.А. Васин, И.Б. Власов, Ю.М. Егоров и др. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. - С. 180].

Блок-схема блока оценки отношения сигнал-шум 4 представлена на фиг. 2. В состав блока входят:

- общий сумматор 10 на М входов, каждый из которых соединен с выходом соответствующего ключа 3 (канала устройства), а выход общего сумматора 10 подключен ко второму входу первого сумматора 9;

- первый сумматор 9, второй вход которого подключен к выходу общего сумматора 10, первый вход - к выходу пятого умножителя 5, а выход - ко входу блока извлечения квадратного корня 11;

- блок извлечения квадратного корня 11, вход которого соединен с выходом первого сумматора 9, а выход - с первым входом блока вычитания 12;

- пятый умножитель 5, объединенные входы которого соединены с дополнительным входом устройства и со вторым входом блока вычитания 12, а выход подключен к первому входу первого сумматора 9;

- блок вычитания 12, первый вход которого соединен с выходом блока извлечения квадратного корня 11, второй вход - с дополнительным входом устройства, а выход является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом. На вход устройства поступает аддитивная смесь сигнала (одного из М ортогональных сигналов и белого гауссовского шума В квадратурном смесителе 1 i-го канала выделяются синфазная и квадратурная компоненты комплексной огибающей принимаемого сигнала, поступающие на входы блока оценки квадрата огибающей 2, с выхода которого поступает на информационный вход своего ключа 3 (фиг. 1).

В момент времени T, соответствующий длительности канального символа, с управляющего входа устройства поступает сигнал на управляющие входы всех ключей 3, в результате чего на их выходах одновременно формируются отсчеты квадратов огибающих Каждый отсчет поступает на свой вход общего сумматора блока оценки отношения сигнал-шум 4 (фиг. 2). Значение М с дополнительного входа устройства подается на второй вход блока вычитания 12 и объединенные входы пятого умножителя 5, с выхода которого значение М² поступает на первый вход первого сумматора 9.

С выхода общего сумматора 10 значение поступает на второй вход первого сумматора 9, с выхода которого значение подается на вход блока извлечения квадратного корня 11, с выхода которого значение поступает на первый вход блока вычитания 12. Результат вычитания с выхода блока вычитания 12 поступает на выход устройства в качестве искомой оценки отношения сигнал-шум

Таким образом, прототип реализует полученное методом максимального правдоподобия выражение для оценки сигнал-шум

При этом отсчеты величин берутся одновременно в момент времени Т, соответствующий длительности канального символа, что позволяет устранить недостаток предыдущего аналога - в К раз сократить время, затрачиваемое на получение оценки сигнал-шум.

К недостатку прототипа следует отнести возможность его работы только при некогерентном приеме передаваемых сигналов (сигналов с неизвестной начальной фазой), тогда как в перспективе ожидается использование когерентного приема детерминированных сигналов (сигналов с известной, после измерения в устройстве фазовой автоподстройки частоты, начальной фазой).

При оптимальном когерентном приеме в каждом из М каналов устройства различения сигналов находится коррелятор или согласованный фильтр, на выходах которых формируются корреляционные интегралы

Величины q_i имеют гауссовское распределение и при различении М ортогональных сигналов статистически независимы. Их математические ожидания равны нулю при а дисперсии равны Q [Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. - М.: Радио и связь, 1983, С. 78]

где j- номер принимаемого сигнала;

- отношение сигнал-шум;

Е - энергия сигнала;

N - спектральная плотность мощности шума.

При i=j величина q_j также имеет гауссовское распределение с равными Q математическим ожиданием и дисперсией

Покажем, что, обрабатывая совокупность q₁, q₂, …,q_M, можно получить оценку Q методом максимального правдоподобия [С.З. Кузьмин. Цифровая обработка радиолокационной информации. -М.: Сов. Радио, 1967.С. 33, 35].

Функция правдоподобия неизвестных величин Q и j имеет вид

Функция правдоподобия интересующего нас параметра Q находится из (2) известным способом

где - вероятность приема сигнала с номером j.

Применяя этот способ, получим

где - оценка номера принимаемого сигнала (результат решения задачи различения).

Для отыскания оптимальной по критерию максимума правдоподобия оценки Q необходимо решить уравнение

которое является очень громоздким. Поскольку вероятность ошибки при различении сигналов очень мала, то, полагая в (4) получим более простое выражение для отыскания квазиоптимальной оценки отношения сигнал-шум

После взятия частной производной от выражения (7) уравнение (5) принимает вид

или после преобразований

Одно из решений полученного приведенного квадратного уравнения (8), соответствующее Q>0, и дает искомое выражение для квазиоптимальной оценки отношения сигнал-шум при когерентном способе приема сигнала

В предлагаемом устройстве, как и в прототипе, отсчеты величин берутся одновременно в момент времени Т, соответствующий длительности канального символа.

Целью изобретения является расширение области применения устройства путем обеспечения дополнительной возможности когерентного приема детерминированных ортогональных сигналов, то есть устранение указанного недостатка прототипа.

Поставленная цель достигается тем, что в многоканальное устройство, содержащее в каждом канале квадратурный смеситель, вход которого является входом устройства, блок оценки квадрата огибающей, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами квадратурного смесителя, и ключ, информационный вход которого подключен к выходу блока оценки квадрата огибающей, управляющий вход является внешним входом устройства и соединен с управляющими входами всех остальных ключей, а общая часть устройства, представленная блоком оценки отношения сигнал-шум, содержит общий и первый сумматоры, пятый умножитель, блок извлечения квадратного корня и блок вычитания, причем общий сумматор имеет М входов, каждый из которых соединен с выходом соответствующего ключа, а выход общего сумматора подключен ко второму входу первого сумматора, первый вход которого соединен с выходом пятого умножителя, имеющего объединенные входы, подключенные ко второму входу блока вычитания, первый вход которого соединен с выходом блока извлечения квадратного корня, вход которого подключен к выходу первого сумматора, а выход блока вычитания является выходом устройства, в отличие от прототипа, в каждый канал устройства дополнительно введеныкоге-рентный гетеродин, первый и второй коммутаторы, а в общую часть устройства - третий коммутатор и делитель на два, причем первый и второй входы первого коммутатора соединены с выходом соответственно когерентного гетеродина и генератора, входящего в состав квадратурного смесителя, третий вход - с переключающим входом устройства, а выход первого коммутатора соединен со вторым входом первого умножителя, входящего в состав квадратурного смесителя; первый вход и выход второго коммутатора соединены соответственно с выходом четвертого умножителя и вторым входом сумматора, которые входят в состав блока оценки квадрата огибающей, а второй вход второго коммутатора - с переключающим входом устройства; дополнительный вход устройства непосредственно и через делитель на два подключен соответственно к первому и второму входам третьего коммутатора, выход которого соединен с объединенными входами пятого умножителя, а третий вход - с переключающим входом устройства.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается тем, что в каждый из М каналов дополнительно введены когерентный гетеродин и два коммутатора, а в общую часть устройства - третий коммутатор и делитель на два.

Таким образом, заявляемое устройство содержит новые блоки и связи и соответствует критерию изобретения «новизна».

Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что вновь введенные элементы известны [Горошков Б.И. Элементы радиоэлектронных устройств: Справочник. - М.: Радио и связь, 1988; Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника. - СПб: БХВ-Петербург, 2005; Петровский И.И., Прибыльский А.В., Троян А.А., Чувелев B.C. Логические интегральные схемы ЮР 1533, 1554. Справочник. В двух частях. - М.: ТОО «БИНОМ», 1993; Цифровые устройства на интегральных микросхемах. - 3-е изд. перераб. и доп. М.: Радио и связь, 1991 - (Массовая радиобиблиотека. Вып.1159); Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы. Справочник / под. ред. СВ. Якубовского. - М.: Радио и связь, 1989].

Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами в заявляемое устройство оно проявляет новые свойства, что приводит к расширению области его применения (дает возможность осуществлять не только некогерентный прием ортогональных сигналов со случайной начальной фазой, но и когерентный прием детерминированных ортогональных сигналов). Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «существенные отличия».

Укрупненная блок-схема устройства представлена на фиг. 3.

Устройство является М-канальным (по числу сигналов, используемых для передачи сообщений), причем каждый канал содержит (фиг. 4):

13 - первый и второй коммутаторы. Первый и второй входы первого-коммутаторасоединены соответственно с выходом когерентного гетеродина 14 и выходом генератора 8, третий вход - спереключающим входом устройства, а выход подключен ко второму входу первого умножителя 5. Первый вход второго коммутаторасоединен с выходом четвертого умножителя 5, а второй вход - с переключающим входом устройства.

14 - когерентный гетеродин, выход которого соединен с первым входом первого коммутатора 13.

1 - квадратурный смеситель, содержащий последовательно соединенные первый умножитель 5 и первый фильтр низких частот (ФНЧ) 6, последовательно соединенные второй умножитель 5 и второй ФНЧ 6, генератор 8 и фазовращатель 7. При этом вход квадратурного смесителя 1 соединен с первыми входами первого и второго умножителей 5, выход генератора 8 подключен ко второму входу первого коммутатора 2 и входу фазовращателя 7, выход которого подключен ко второму входу второго умножителя 5. Первым и вторым выходами квадратурного смесителя 1 являются выходы соответственно первого и второго ФНЧ 6, которые подключены соответственно к первому и второму входам блока оценки квадрата огибающей.

2 - блок оценки квадрата огибающей, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами квадратурного смесителя 1. Блок содержит третий и четвертый умножители 5, а также сумматор 9. Первый и второй входы блока оценки квадрата огибающей являются объединенными входами соответственно третьего и четвертого умножителей 5, выходы которых подключены к первым входам соответственно сумматора 9 и второго коммутатора 13. Второй вход второго коммутатора 13 соединен с переключающим входом устройства, авыход - со вторым входом сумматора 9, выход которого является выходом блока оценки квадрата огибающей 2 и соединен с информационным входом ключа 3.

Блок-схемы квадратурного смесителя 1 и блока оценки квадрата огибающей 2 полностью идентичны соответствующим блок-схемам прототипа.

3 - ключ, информационный вход которого подключен к выходу блока оценки квадрата огибающей, а управляющий вход является внешним входом устройства и соединен с управляющими входами всех остальных ключей. Выход ключа представляет собой выход канала устройства и подключен к соответствующему входу общего для устройства блока оценки отношения сигнал-шум 4.

В общую часть устройства, объединяющую все М каналов, входят (фиг. 3):

4 - блок оценки отношения сигнал-шум, который включает в себя:

- общий сумматор 10 на М входов, каждый из которых соединен с выходом соответствующего ключа 3 (канала устройства), а выход общего сумматора 10 подключен ко второму входу первого сумматора 9;

- первый сумматор 9, второй вход которого подключен к выходу общего сумматора 10, первый вход - к выходу пятого умножителя 5, а выход - ко входу блока извлечения квадратного корня 11;

- блок извлечения квадратного корня 11, вход которого соединен с выходом первого сумматора 9, а выход - с первым входом блока вычитания 12;

- пятый умножитель 5, объединенные входы которого соединены с выходом третьего коммутатора 13 и со вторым входом блока вычитания 12, а выход подключен к первому входу первого сумматора 9;

- блок вычитания 12, первый вход которого соединен с выходом блока извлечения квадратного корня И, второй вход - с выходом третьего коммутатора 13, а выход является выходом устройства.

Блок-схема блока оценки отношения сигнал-шум 4 полностью идентична соответствующей блок-схеме прототипа;

13 - третий коммутатор, первый вход которого соединен с дополнительным входом устройства, второй вход - с выходом делителя на два 15, третий вход - с переключающим входом устройства, а выход - с объединенными входами пятого умножителя 5 и вторым входом блока вычитания 12;

15 - делитель на два, вход которого подключен к дополнительному входу устройства, а выход - ко второму входу третьего коммутатора 13.

Устройство работает следующим образом. Перед началом работы задается вид приема путем подачи управляющего сигнала («1» - некогерентный прием, «0» - когерентный прием) с переключающего входа устройства на управляющие входы первого, второго и третьего коммутатора (третий, второй и третий входы соответственно). При некогерентном приеме:

- второй вход первого коммутатора соединяется с его выходом;

- первый вход второго коммутатора соединяется с его выходом;

- первый вход третьего коммутатора соединяется с его выходом.

В результате схема предлагаемого устройства полностью совпадает со схемой прототипа, работа которого рассмотрена выше. Поэтому имеет смысл рассмотреть работу устройства при когерентном приеме, при котором:

- первый вход первого коммутатора соединяется с его выходом;

- первый вход второго коммутатора отсоединяется от его выхода;

- второй вход третьего коммутатора соединяется с его выходом. Результатом указанных действий является отключение блоков устройства, обеспечивающих обработку квадратурной составляющей принимаемого сигнала, и подключение когерентного гетеродина 14 вместо генератора 8, входящего в состав квадратурного смесителя 1.

При когерентном приеме на вход устройства (фиг. 4) поступает аддитивная смесь сигнала S_j(t). (одного из М детерминированных ортогональных сигналов) и белого гауссовского шума n(t) В первом умножителе 5i-го канала производится умножение принимаемого сигнала y(t) на опорный сигнал S_i(t) с выхода когерентного гетеродина 14. Результат перемножения y(t)S_i(t) поступает на вход первого фильтра низких частот 6, с выхода которого значение корреляционного интеграла подается на объединенные входы третьегоумножителя 5, с выхода которого значение через сумматор 9 поступает на информационный вход ключа 3.

В момент времени Т, соответствующий длительности канального символа, с управляющего входа устройства поступает сигнал на управляющие входы всех ключей 3, в результате чего на их выходах одновременно формируются отсчеты Каждый отсчет поступает на свой вход блока оценки отношения сигнал-шум 4, каждый из которых представляет собой вход общего сумматора 10 (фиг. 3). Значение М с дополнительного входа устройства подается на вход делителя на два 15, с выхода которого значение через третий коммутатор поступает на второй вход блока вычитания 12 и объединенные входы пятого умножителя 5, с выхода которого значение поступает на первый вход первого сумматора 9. С выхода общего сумматора 10 значение поступает на второй вход первого сумматора 9, с выхода которого значение подается на вход блока извлечения квадратного корня 11, с выхода которого значение поступает на первый вход блока вычитания 12.

Результат вычитания с выхода; блока вычитания 12 поступает на выход устройства в качестве искомой оценки отношения сигнал-шум

Устройство для оценки текущего отношения сигнал-шум, являющееся многоканальным, содержащее в каждом канале квадратурный смеситель, вход которого является входом устройства, блок оценки квадрата огибающей, первый и второй входы которого соединены соответственно с первым и вторым выходами квадратурного смесителя, и ключ, информационный вход которого подключен к выходу блока оценки квадрата огибающей, управляющий вход является внешним входом устройства и соединен с управляющими входами всех остальных ключей, а общая часть устройства, представленная блоком оценки отношения сигнал-шум, содержит общий и первый сумматоры, пятый умножитель, блок извлечения квадратного корня и блок вычитания, причем общий сумматор имеет М входов, каждый из которых соединен с выходом соответствующего ключа, а выход общего сумматора подключен ко второму входу первого сумматора, первый вход которого соединен с выходом пятого умножителя, имеющего объединенные входы, подключенные ко второму входу блока вычитания, первый вход которого соединен с выходом блока извлечения квадратного корня, вход которого подключен к выходу первого сумматора, а выход блока вычитания является выходом устройства, отличающееся тем, что в каждый канал устройства дополнительно введены когерентный гетеродин, первый и второй коммутаторы, а в общую часть устройства - третий коммутатор и делитель на два, причем первый и второй входы первого коммутатора соединены с выходом соответственно когерентного гетеродина и генератора, входящего в состав квадратурного смесителя, третий вход - с переключающим входом устройства, а выход первого коммутатора соединен со вторым входом первого умножителя, входящего в состав квадратурного смесителя; первый вход и выход второго коммутатора соединены соответственно с выходом четвертого умножителя и вторым входом сумматора, которые входят в состав блока оценки квадрата огибающей, а второй вход второго коммутатора - с переключающим входом устройства; дополнительный вход устройства непосредственно и через делитель на два подключен соответственно к первому и второму входам третьего коммутатора, выход которого соединен с объединенными входами пятого умножителя, а третий вход - с переключающим входом устройства; квадратурный смеситель содержит последовательно соединенные первый умножитель и первый фильтр низких частот, последовательно соединенные второй умножитель и второй фильтр низких частот, причем вход квадратурного смесителя соединен с первыми входами первого и второго умножителей, выход генератора подключен ко входу фазовращателя, выход которого подключен ко второму входу второго умножителя, а первым и вторым выходами квадратурного смесителя являются выходы соответственно первого и второго фильтра низких частот; блок оценки квадрата огибающей содержит третий умножитель, а первый и второй входы блока оценки квадрата огибающей являются объединенными входами соответственно третьего и четвертого умножителей, выходы которых подключены к первым входам соответственно сумматора и второго коммутатора.