устройство подавления узкополосных помех

Формула изобретения

Устройство подавления узкополосных помех, содержащее широкополосный усилитель промежуточной частоты (УПЧ), блок зашиты, n выходов которого соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого соединен с входом согласованного фильтра, выход которого является выходом устройства, причем блок защиты содержит n параллельных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных узкополосного УПЧ и элемента подавления узкополосных помех, выход каждого из которых является соответствующим выходом блока защиты, кроме того, входы узкополосных УПЧ каждого из n каналов соединены и являются входом блока защиты, согласованный фильтр содержит последовательно соединенные перемножитель и интегратор, выход которого является выходом согласованного фильтра, и генератор опорного сигнала, вход перемножителя является входом согласованного фильтра, отличающееся тем, что введены анализатор спектра, формирователь индекса децимации, генератор тактовых импульсов, первый и второй дециматоры, причем вход анализатора спектра соединен с выходом широкополосного УПЧ и первым входом первого дециматора, а n выходов анализатора спектра соединены соответственно с n входами формирователя индекса децимации, управляемый вход которого подсоединен к одному из выходов генератора опорного сигнала, выход формирователя индекса децимации соединен шиной со вторыми входами первого и второго дециматоров, третьи входы которых соединены между собой, с выходом генератора тактовых импульсов и с входом генератора опорного сигнала, другой выход которого соединен с первым входом второго дециматора, выход которого соединен со вторым входом перемножителя, выход первого дециматора соединен со входом блока защиты.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое устройство относится к области радиотехники и может быть использовано преимущественно в дуплексных радиоканалах управления и пакетных радиосетях оперативно-командной связи в позиционных районах при воздействии узкополосных помех.

Известно устройство подавления узкополосных помех (а.с. СССР №754681, кл. Н 04 В 1/10), содержащее n соединенных последовательно самонастраивающихся режекторных фильтров. Однако данное устройство вместе с помехой подавляет и часть спектра полезных сигналов.

Известно также устройство, в котором для подавления узкополосных помех используется гребенка коммутируемых фильтров (а.с. СССР №720730, кл. Н 04 В 1/10).

Недостатком такого устройства является его сложность, обусловленная наличием гребенки узкополосных коммутируемых фильтров и дополнительные электрические потери, вызванные неидентичностью и нестабильностью во времени амплитудных и фазочастотных характеристик отдельных фильтров.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является "Устройство подавления узкополосных помех", приведенное в книге "Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами" под редакцией Тузова Г.И., г.Москва, "Р. и С." 1985 г., стр.211, рис.7.3а, принятое за прототип.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства-прототипа, где обозначено:

1 - широкополосный усилитель промежуточной частоты (УПЧ);

2 - подавитель узкополосных помех (блок защиты);

3 - сумматор;

4 - согласованный фильтр;

5₁ -5_n - усилитель промежуточной частоты (УПЧ);

6₁-6_n - элементы подавления узкополосных помех;

7 - перемножитель;

8 - интегратор;

9 - генератор опорного сигнала.

Устройство-прототип содержит последовательно соединенные широкополосный УПЧ 1 и блок защиты 2, n выходов которого соединены с соответствующими входами сумматора 3, выход которого соединен с входом согласованного фильтра 4, выход которого является выходом устройства. Причем блок защиты 2 состоит из n параллельных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных УПЧ 5 и из n элементов подавления узкополосных помех 6, выходы которых являются соответствующими выходами блока 2.

Кроме того, входы УПЧ 6 каждого из n каналов соединены и являются входом блока 2. Согласованный фильтр 4 содержит последовательно соединенные перемножитель 7 и интегратор 8, выход которого является выходом фильтра 4, и генератор опорного сигнала 9, выход которого соединен со вторым входом перемножителя 7, вход которого является входом согласованного фильтра 4.

Работает устройство-прототип следующим образом.

Принятый широкополосный сигнал (ШПС) после преобразования частоты поступает на широкополосный УПЧ 1, где усиливается до необходимой величины и затем поступает на подавитель узкополосных помех 2 (блок защиты), состоящий из n узкополосных УПЧ 5₁-5_n и n элементов подавления узкополосных помех 6₁-6 _n.

С помощью фильтров узкополосных УПЧ 5₁ -5_n вся полоса ШПС делится на n парциальных каналов

где - ширина полосы одного парциального канала;

F - ширина полосы принятого ШПС;

n - число парциальных каналов.

Причем ширина полос всех n парциальных каналов должна быть одинакова и, кроме того, полосы частот парциальных каналов не должны перекрываться и поэтому амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазочастотная характеристика (ФЧХ) подавителя помех представляются как сумма АЧХ и ФЧХ отдельных каналов,

В каждом парциальном канале кроме узкополосного фильтра имеется усилитель, с помощью которого компенсируется затухание в фильтре своего парциального канала.

Выбор ширины полосы пропускания каждого парциального канала производится с таким расчетом, чтобы в каждый парциальный канал попадало не более одной узкополосной помехи.

При наличии в каком-либо из парциальных каналов более одной узкополосной помехи производится подавление ее в элементах подавления 6 ₁-6_n. Элементы подавления узкополосных помех 6₁-6_n представляют из себя нелинейные элементы, работающие либо в режиме ограничения входной смеси, либо в режиме ключа (канал открыт при малых уровнях помех, а закрыт при больших уровнях помех).

С выхода подавителя узкополосных помех 2 сигнал по n выходам поступает на сумматор 3, где суммируется по частотной полосе F=n·. С выхода сумматора 3 широкополосный сигнал поступает на согласованный фильтр 4.

В устройстве-прототипе в качестве согласованного фильтра может использоваться как пассивный согласованный фильтр, выполненный на основе многоотводной линии задержки, так и активный согласованный фильтр-коррелятор.

С помощью согласованного фильтра 4 производится слияние широкополосной модуляции, то есть сворачивание.

Недостатком прототипа является режектирование участков частотного спектра, то есть при работе элементов подавления узкополосных помех в режиме ключей и при наличии узкополосных помех больших уровней производится запирание этих ключей; большая потеря энергии принятого сигнала, заключенная в режектируемом участке, и чем больше узкополосных помех в спектре принимаемого сигнала, тем большая часть энергии теряется, в значительной степени понижая достоверность принимаемого сигнала.

Для устранения указанного недостатка в устройстве, содержащее широкополосный УПЧ и блок защиты, n выходов которого соединены с соответствующими входами сумматора, выход которого соединен с входом согласованного фильтра, выход которого является выходом устройства, причем блок защиты содержит n параллельных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных узкополосного УПЧ и элемента подавления узкополосных помех, выход каждого из которых является соответствующим выходом блока защиты, кроме того, входы узкополосных УПЧ каждого из n каналов соединены и являются входом блока защиты, согласованный фильтр содержит последовательно соединенные перемножитель и интегратор, выход которого является выходом согласованного фильтра, и генератор опорного сигнала, при этом вход перемножителя является входом согласованного фильтра, согласно изобретению, введены анализатор спектра, формирователь индекса децимации, генератор тактовых импульсов, а также первый и второй дециматоры, причем вход анализатора спектра соединен с выходом широкополосного УПЧ и первым входом первого дециматора, а n выходов анализатора спектра соединены соответственно с n входами формирователя индекса децимации, управляемый вход которого подсоединен к одному из выходов генератора опорного сигнала, выход формирователя индекса децимации соединен шиной со вторыми входами первого и второго дециматоров, третьи входы которых соединены между собой, с выходом генератора тактовых импульсов и с входом генератора опорного сигнала, другой выход которого соединен с первым входом второго дециматора, выход которого соединен со вторым входом перемножителя, при этом выход первого дециматора соединен с входом блока защиты.

На фиг.2 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, где обозначено:

1 - широкополосный усилитель промежуточной частоты (УПЧ);

2 - блок защиты (подавитель узкополосных помех);

3 - сумматор;

4 - согласованный фильтр;

5₁ -5_n - узкополосные усилители промежуточной частоты;

6₁-6_n - подавители узкополосных помех;

7 - перемножитель;

8 - интегратор;

9 - генератор опорного сигнала;

10 - анализатор спектра;

11 - формирователь индекса децимации;

12 - генератор тактовых импульсов;

13, 14 - первый и второй дециматоры.

Предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные широкополосный УПЧ 1, первый дециматор 13, блок защиты 2, состоящий из n параллельных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных УПЧ 5 и из элементов подавления узкополосных помех 6₁-6_n, выходы которых являются соответствующими выходами блока защиты 2 и соединены с соответствующими входами сумматора 3, выход которого является входом согласованного фильтра 4, состоящего из последовательно соединенных перемножителя 7 и интегратора 8, выход которого является выходом устройства, а также из последовательно соединенных генератора опорного сигнала 9 и второго дециматора 14, выход которого соединен со вторым входом перемножителя 7.

Выход УПЧ 1 соединен с входом анализатора спектра 10, n выходов которого соединены соответственно с n входами формирователя индекса децимации 11, управляемый вход которого соединен со вторым выходом генератора опорного сигнала 9. Выход формирователя индекса децимации 11 шиной соединен со вторыми входами первого дециматора 13 и второго дециматора 14, третьи входы которых соединены между собой, со входом генератора опорного сигнала 9 и с выходом генератора тактовых импульсов 12.

Работает предлагаемое устройство следующим образом. Фазоманипулированные сигналы (ФМ) представляют собой последовательность радиоимпульсов, начальные фазы которых изменяются по закону псевдослучайной последовательности (ПСП). В большинстве случаев ФМ сигнал состоит из радиоимпульсов с двумя значениями начальных фаз (0, ). Такие сигналы образуются модуляцией двоичных (бинарных) ПСП, а их комплексная огибающая представляет собой последовательность положительных и отрицательных видеоимпульсов.

Спектр комплексной огибающей ФМ сигнала имеет следующий вид:

где - длительность элементарного импульса ФМ сигнала;

N - длина ПСП (база ФМ сигнала);

S_o(W) - спектр элементарного импульса ФМ сигнала;

a_n - элементы ПСП (1 ₁-1).

Для прямоугольного импульса

Сумма в правой части выражения (1) является спектром кодовой последовательности (спектром ПСП).

Спектр ФМ сигнала можно представить в виде произведения в дискретном виде

В выражении (2) левый сомножитель зависит только от формы элементарного импульса, а правый - только от структуры ПСП. Такое представление очень удобно для дальнейших описаний.

Назовем децимацией операцию циклического выбора каждого q-го элемента ПСП. Положительное число q будем называть индексом децимации. В выражении (1) показано, что при децимации ПСП ее спектр кодовой последовательности H(K) меняется по закону

где Н(K) - спектр исходной ПСП;

Hq(K) - спектр ПСП после ее децимации.

Из выражения (5) видно, что спектр также, как и сама ПСП изменяется по закону децимации. Но если ПСП децимировать по индексу q, то спектр преобразуется децимацией по индексу 1/q. Таким образом, при децимации можно переставить спектральные составляющие по закону, определенному децимацией. Здесь следует учесть, что H(K) для М-последовательностей имеет одинаковое значение при всех К>0. Поэтому выражение (5) справедливо для усеченных М-последовательностей, последовательностей Гоула, Касами и их усечений, которые в настоящее время широко используются в современных системах связи с ШПС различного назначения.

Зная спектральное положение узкополосных помех, можно подстроить спектр сигнала под помехи.

Выше была учтена только вторая составляющая в выражении (4) при децимации. Учитывая и первую составляющую можно не только переставить местами спектральные составляющие, но и увеличить "провал" в спектре.

Следует также отметить, что при децимации ПСП ее авто- и взаимные корреляционные функции (значения их выбросов) не изменяются, выражение (2), то есть при этом помехоустойчивость на выходе оптимального фильтра не уменьшается. Более того, при децимации принимаемого ФМ сигнала вместе с шумом произойдет декорреляция отдельных отсчетов шума (см. Бессарабова А.А., Давыдов И.В., Стопкин В.М. "Корреляционные и спектральные свойства псевдослучайных последовательностей при децимации", "Радиотехника", 1987 г., т.30, №7).

Принятый ФМ сигнал после преобразования частоты поступает на широкополосный УПЧ 1, где усиливается до необходимой величины. И этот же сигнал поступает на первый вход первого дециматора 13. Сигнал имеет частотный спектр, выражение (1), который поступает на анализатор спектра 10, где с помощью узкополосных фильтров вся полоса ШПС делится на n узких полос с таким расчетом, чтобы в каждую полосу могло попасть не более одной узкополосной помехи. С n первых выходов анализатора спектра 10 сигнал в виде двоичного кода длины (0 - соответствует отсутствию помехи; 1 - соответствует наличию помехи в канале, превышающей уровень сигнала) поступает на формирователь индекса децимации 11.

На вход опорного сигнала формирователя индекса децимации 11 подается сигнал видеокопии с генератора опорных сигналов 9. В формирователе индекса децимации 11 по коду модулирующей ПСП, поступающей с генератора опорного сигнала 9 и двоичному коду, поступающего с анализатора спектра 10 и соответствующему наличию помех в частотных каналах определяется индекс децимации q, необходимый для децимации в дециматорах 13 и 14, которые подсоединены с формирователем индекса децимации 11.

В первом дециматоре 13 производится перестановка во времени спектральных составляющих в соответствии с индексом децимации. С выхода дециматора 13 скорректированный ФМ сигнал, имеющий спектр кодовой последовательности, выражение (5), поступает на блок защиты 2.

Аналогичная децимация производится во втором дециматоре 14 с опорным сигналом генератора 9.

В формирователе индекса децимации 11 по двоичному коду ПСП j, j=1...N, поступающему с генератора опорного сигнала 9, в соответствии с выражением (3) определяется спектр кодовой последовательности Н(K). Определяются номера Ki для L наименьших значений (L - количество провалов в спектре, i=1...L).

Формируется код "дырок спектра" G_j, j=1...N,

С анализатора спектра 10 поступает двоичный код наличия помехи в частотных каналах a_j; j=1...N.

Последовательно определяются индексы децимации q_ij для спектральных составляющих: i=1...L; j=1...M,

где М - количество одиночных символов в коде a_i.

где m_i - номера единичных символов в коде a _i.

После децимации спектральных составляющих Н(K) в соответствии с индексом децимации q_ij определяется количество совпадающих единичных элементов W кодов a_i и b_i. Выбирается q_ijmax, для которого W имеет максимальное значение.

Индекс децимации для ПСП определяется в соответствии с выражением (5).

На фиг.4а приведен спектр кодовой последовательности H(K), для последовательности Гоулда длина N=31, на фиг.4б приведен спектр ПСП, полученный в результате децимации по индексу q=3.

Из фиг.4б видно, что спектральные составляющие при этом преобразовались в соответствии с децимацией по индексу

На фиг.5а и 5б приведены спектры ФМ сигналов с узкополосными помехами до децимации и после соответственно.

В этом примере составляющие ПСП переставляются в соответствии с децимацией по индексу q=3 и тогда элементы этой ПСП будут в следующей последовательности:

0, 3, 6, 9, 12, 15, 18, 21, 24...,

а составляющие спектра кодовой последовательности при этом в соответствии с

будут 0, 6, 12, 18, 24, 30, 5, 11, 17...

В подавителе узкополосных помех 2 (блоке защиты) вся полоса ШПС делится на n парциальных каналов с помощью фильтров узкополосных УПЧ 5 ₁-5_n. Причем ширина полос всех n парциальных каналов должна быть одинакова и, кроме того, полосы частот парциальных каналов не должны перекрываться. Поэтому амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) и фазочастотная характеристика (ФЧХ) подавителя помех 2 представляются как сумма АЧХ и ФЧХ отдельных каналов.

Выбор ширины полосы пропускания каждого парциального канала производится с таким расчетом, чтобы в каждый парциальный канал попадало не более одной узкополосной помехи. При наличии в каком-либо из парциальных каналов узкополосной помехи производится подавление ее в элементах подавления 6₁-6_n. Элементы подавления узкополосных помех 6₁-6_n представляют из себя нелинейные элементы, работающие либо в режиме ключа (канал открыт при отсутствии или малых уровнях помех и закрыт при больших уровнях помех), либо в режиме ограничения входной смеси.

С выхода подавителя узкополосных помех 2 сигнал по n выходам поступает на сумматор 3, где суммируется по частотной полосе и с выхода сумматора 3 широкополосный сигнал поступает на согласованный фильтр 4. В качестве согласованного фильтра может использоваться как пассивный согласованный фильтр, выполненный на основе многоотводной линии задержки, так и активный согласованный фильтр-коррелятор.

В предлагаемом устройстве используется коррелятор, состоящий из перемножителя 7, интегратора 8, генератора опорного сигнала 9 и дециматора 14.

Один из возможных вариантов реализации дециматоров 13 и 14 приведен на фиг.6а и 6б соответственно. Дециматор 13, функциональная схема которого приведена на фиг.6а, работает следующим образом. Элементы принимаемой М-последовательности поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 13.15, где из аналоговой формы преобразуются в цифровую и через первый коммутатор 13,1 попеременно через интервал времени N/ _т, равный периоду М-последовательности, записываются поочередно в первое ОЗУ 13.2 и второе ОЗУ 13.3. Во время записи в первое ОЗУ 13.2 происходит считывание из второго ОЗУ 13.3 и наоборот. Считываемая информация через второй коммутатор 13.4 поступает на вход цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 13.6, где преобразовывается в аналоговую форму и затем на выход дециматора. Фаза коммутации коммутаторов 13.1 и 13.4 управления режимами считывания и записи ОЗУ 13.2 и 13.3 определяется состоянием выходов триггера 13.5, на вход которого поступают импульсы с частотой _т/N с делителя частоты 13.8, на вход которого поступают импульсы тактовой частоты с генератора тактовых импульсов. Тактовые импульсы также поступают на вход первого счетчика 13.9, с выхода которого параллельный двоичный код поступает на первый вход третьего коммутатора 13.6. На второй счетчик 13.12 поступают импульсы с частотой N· _т с умножителя частоты 13.11, на входы которого поступают импульсы тактовой частоты. Параллельный двоичный код с выхода второго счетчика 13.2 поступает на входы схемы совпадения 13.13 и регистра защелки 13.10, с выхода которого параллельный двоичный код поступает на первый вход четвертого коммутатора 13.7. На второй вход схемы совпадения подается индекс децимации q в виде двоичного кода. С выхода схемы совпадения 13.13 сигнал логической единицы поступает на второй вход регистра - защелки 13.10 и на первый вход схемы "И" 13.14, на второй вход которой поступают тактовые импульсы, а с выхода сигнал поступает на вход сброса в нулевое состояние второго счетчика 13.12. На синхровходы третьего коммутатора 13.6 и четвертого 13.17 сигнал поступает с прямого и инверсного выходов триггера 13.5 соответственно. Выходы этих коммутаторов являются адресными входами ОЗУ 13.3 и 13.2 соответственно.

Введенные блоки 13.10, 13.11, 13,12, 13.3, 13.4 позволяют сформировать адрес для ОЗУ в соответствии с прореживанием входного сигнала по заданному индексу децимации q.

Функциональная схема второго дециматора 14 приведена на фиг.6б, который отличается от первого дециматора 13 отсутствием АЩ и ЦАП. Принцип работы его аналогичен принципу работы первого дециматора 13.

На фиг.3 приведена функциональная схема одного из возможных вариантов реализации анализатора спектра 10. Блок анализатора спектра с одним входом и двумя парами n выходов можно реализовать, как показано на фиг.3, который работает следующим образом. Сигнал поступает на входы полосовых фильтров 10.1₁-10.1_n, с помощью которых ширина полосы частот принимаемого сигнала делится на n полос. Выходы полосовых фильтров 10.1₁-10.1_n являются входами n устройств сравнения 10.2₁-10.2_n, на вторые входы которых подается постоянное напряжение n порога. Выходы схем сравнения 10.2₁-10.2_n являются выходами анализатора спектра 10.

Формирователь индекса децимации блок 11 может быть реализован программно на микропроцессоре. Блок-схема алгоритма расчета индекса децимации q приведена на фиг.7а и 7б.

В блоках 1-5 алгоритма формируется код "дырок спектра" Cj и двоичной ПСП bj и рассчитывается количество провалов в спектре L.

В блоках 6-9 формируются номера частотных каналов с помехами m_к и количество М.

В блоках 10-19 рассчитываются индексы децимации q_ij для разных "дырок спектра" и выбирается q_max, обеспечивающий максимальное количество совпадений и "дырок спектра" ФМ сигнала с помехами в каналах блока защиты (БЗ).

Входные данные: двоичный код наличия помех в частотном канале

a _i, i=1...N с блока 10;

- двоичный код ПСП b _i, i=1...N с блока 9;

- минимальное значение спектральной составляющей H_min задается разработчиком.

Выходные данные: - индекс децимации q.