Способ обработки широкополосных сигналов с ортогональным сдвигом с компенсацией структурных помех

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах связи. Техническим результатом является повышение помехоустойчивости. Способ основан на перемножении входной смеси с синхронным опорным сигналом, фильтрации результата перемножения в N частотных каналах, после чего сигналы фильтруют, усиливают, детектируют и сравнивают с порогами, сигналы уровней, превысившие пороги, восстанавливают и компенсируют ими соответствующие сигналы во входной смеси. 5 ил.

Предлагаемое изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах связи с широкополосными сигналами.

Известны способы корреляционной обработки сигналов с ортогональным частотным сдвигом, используемые в многоадресной системе с выбором произвольного абонента, недостатком которых является низкая помехоустойчивость к структурным помехам.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, реализованный в устройстве корреляционной обработки сигналов с ортогональным частотным сдвигом, представленный в монографии Г. И. Тузова "Статическая теория приема сложных сигналов", М., "Сов. радио", 1977, стр. 111, рис. 3.3, принятый за прототип.

Способ, принятый за прототип, заключается в том, что входную смесь перемножают с опорным широкополосным сигналом, синхронным с полезными сигналами, результаты перемножения - свернутый сигнал - фильтруют в N полосовых фильтрах.

Для реализации указанного способа представлено устройство корреляционной обработки сигналов с ортогональным частотным сдвигом, структурная схема которого приведена на фиг. 1, где обозначено: 1 - перемножитель; 2₁ - 2_N - полосовой фильтр; 3 - генератор копии сигналов.

Устройство-прототип содержит перемножитель 1, вход которого является входом устройства, а выход соединен со входами 2₁ - 2_N полосовых фильтров, выходы которых являются выходами устройства. Кроме того, выход генератора копии сигналов 3 соединен с другим входом перемножителя 1.

На фиг. 2 представлена укрупненная схема устройства (с целью упрощения), где обозначено: 1 - блок перемножения; 2 - блок фильтрации; 3 - генератор копии сигналов.

На фиг. 2 гребенка из N фильтров объединена в блок фильтрации.

Работает устройство-прототип следующим образом. Входная смесь поступает на перемножитель 1, где перемножается с опорным широкополосным сигналом, синхронным с полезным сигналом, поступающим с генератора копии сигналов 3. Результат перемножения - свернутый сигнал - поступает в блок фильтрации 2, где фильтруется. Так как все N сигналов отличаются между собой частотным сдвигом, то каждый сигнал сворачивается в свой блок фильтрации (на свою частоту). Однако из-за неидеальности взаимокорреляционных функций сигналов в частотной области продукты взаимной корреляции сигнала данного абонента с сигналами других абонентов присутствуют в каждом блоке фильтрации. Это аналогично тому, как при кодовом разделении каналов каждый сигнал сворачивается за счет перемножения с соответствующим ему опорным сигналом, но продукты взаимной корреляции во временной области присутствуют от всех приемников.

Недостатком способа-прототипа является низкая помехоустойчивость к структурным помехам.

Для устранения указанного недостатка в способе, заключающемся в перемножении входной смеси с опорным широкополосным сигналом, синхронным с полезным сигналом, с последующей фильтрацией результата перемножения (свертки) в N частотных каналах, после перемножения и фильтрации в каждом из N частотном канале дискретно на первых (k-1) этапах измеряют уровни свернутых узкополосных сигналов, причем измерения сигналов i-го уровня выполняют после последовательного вычитания их входной смеси оценок более мощных сигналов (помех) 1, 2 ... (i-1)-го уровней, при этом оценку помех i-го уровня формируют за счет того, что перемножают свернутые узкополосные сигналы i-го уровня с опорным широкополосным сигналом.

Заявляемый способ обработки широкополосных сигналов с ортогональным частотным сдвигом с компенсацией структурных помех заключается в том, что входную смесь перемножают с опорным широкополосным сигналом, синхронным с полезными сигналами, результат перемножения (свернутый сигнал) фильтруют в N частотных каналах, причем перечисленные операции повторяют поэтапно k раз. На первых (k-1)-м этапах после фильтрации дискретно измеряют уровни свернутых сигналов в каждом частотном канале путем сравнения их с порогами, при этом порог на i-м этапе устанавливают ниже порога на (i-1)-м этапе. Ортогональные сигналы, уровни которых превысили пороги, перемножают с опорным сигналом, за счет чего преобразуют их в широкополосные.

Восстановленные широкополосные сигналы первого уровня вычитают из входной смеси, первый разностный сигнал перемножают с опорным широкополосным сигналом, результат перемножения (свернутый сигнал) фильтруют с помощью гребенки из N фильтров, далее измеряют уровни сигналов в каждом частотном канале, выделяют из смеси свернутые сигналы второго (более низкого уровня), преобразуют их в широкополосные сигналы, аналогичные широкополосным сигналом во входной смеси.

Эти восстановленные сигналы вычитают из первого разностного сигнала. Перечисленные операции повторяют (k-1) раз (где k - число измеряемых уровней). После вычитания из входной смеси сигналов 1, 2 ... 3, (k-1)-го уровней разностный сигнал перемножают с опорной псевдослучайной последовательностью, затем результат перемножения (свернутые сигналы) фильтруют в N блоках фильтрации.

Структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ, приведена на фиг. 3, где обозначено: 1 - перемножитель; 2₁, 2₂, 2₃ - первый, второй и третий блок фильтрации; 3 - генератор копии сигналов;
4₁, 4₂ - первый и второй измеритель уровней сигналов;
5₁, 5₂ - первый и второй блок восстановления сигналов;
6₁, 6₂ - первый и второй блок компенсации помех;
7₁, 7₂ - первый и второй блок перемножения и задержки сигналов;
8 - блок коммутации.

Устройство содержит последовательно соединенные перемножитель 1, первый блок фильтрации 2₁, первый измеритель уровней сигналов 4₁, первый блок восстановления сигналов 5₁, первый блок компенсации помех 6₁, первый блок перемножения и задержки сигналов 7₁, второй блок фильтрации 2₂, второй измеритель уровней сигналов 4₂ и блок коммутации 8, выход которого является выходом устройства. Выход генератора копии сигналов 3 одновременно с соответствующими входами перемножителя 1, первого и второго блока восстановления сигналов 5₁ и 5₂, первого и второго блока перемножения и задержки сигналов 7₁ и 7₂. Входы перемножителя 1 и первого блока компенсации помех 6₁ объединены и являются входом устройства, а выход блока 6₁ через последовательно соединенные второй блок компенсации помех 6₂, второй блок перемножения и задержки сигналов 7₂ и третий блок фильтрации 2₃ соединен с одним из входов блока коммутации 8. При этом выход первого измерителя уровней сигнала соединен с соответствующим входом блока коммутации 8, а точка соединения другого выхода измеритель 4₁ и входа первого блока 5₁ соединена с другим входом коммутации 8. Выход второго измерителя уровней сигналов 4₂ одновременно соединен с одним из входов блока коммутации 8 и через второй блок восстановления сигналов 5₁ - с другим входом второго блока компенсации помех 6₂.

Работает устройство следующим образом.

Для упрощения рассмотрим случай, когда сигналы разделены на три уровня: 1-й - максимальный, соответствующий ближним абонентам; 2-й - средний, 3-й - минимальный, соответствующий наиболее удаленным абонентам.

Входная смесь, содержащая сигналы N абонентов, имеющие одинаковые несущие частоты и одинаковую структуру псевдослучайных последовательностей, используемых при их формировании и отличающихся частотным сдвигом несущих частот (равным для соседних каналов где T - длительность информационного сдвига), поступает на блок 1, где перемножается с опорной псевдослучайной последовательностью, поступающей с выхода генератора 3.

В результате перемножения широкополосные сигналы сворачиваются в узкополосные, сдвинутые по частоте, которые поступают на вход блока 2₁.

В блоке 2₁ осуществляется фильтрация узкополосных сигналов с помощью гребенки из N фильтров, после чего они одновременно поступают на вход блока 4₁.

В блоке 4₁ в каждом частотном канале сигналы усиливаются, детектируются и сравниваются с первым (самым высоким) фиксированным порогом. Команды о превышении порога и узкополосные сигналы, превысившие порог, подаются на управляющие и сигнальные входы блока 8 соответственно.

Узкополосные сигналы, превысившие порог одновременно, подаются на блок 5₁, где они превращаются в широкополосные сигналы, аналогичные сигналам во входной смеси.

Это достигается за счет перемножения (фазовой манипуляции) узкополосных сигналов с опорной псевдослучайной последовательностью, поступающей от генератора 3.

Восстановленные широкополосные сигналы большого уровня (превышающие первый порог) с выхода блока 5₁ подаются на блок 6₁, где они компенсируют соответствующие сигналы во входной смеси. С выхода блока 6₁ входная смесь, из которой исключены сигналы большого уровня, поступает на блок 7₁, где она перемножается с опорным сигналом блока 3. В результате перемножения широкополосные сигналы сворачиваются в узкополосные, которые фильтруются гребенкой из N фильтров в блоке 2₂ и далее поступают на блок 4₂, где проводится сравнение уровней сигналов со вторым (средним) порогом.

Команды о превышении порога и сигналы, уровни которых превысили 2-й порог, подаются с выходов блока 4₂ соответственно на управляющий и сигнальный входы блока 8. Узкополосные сигналы подаются одновременно и на блок 5₂, где превращаются в широкополосные сигналы, аналогичные соответствующим сигналам во входной смеси, за счет фазовой манипуляции их опорной псевдослучайной последовательности блока 3.

Восстановленные сигналы компенсируют соответствующие им сигналы среднего уровня во входной смеси в блоке 6₂, на вход которого поступает входная смесь с блока 6₁, из которой исключены сигналы первого уровня. С выхода блока 6₂ входная смесь, в которой скомпенсированы сигналы первого и второго уровней, подаются на блок 7₂, где осуществляется свертка сигналов малого уровня, и далее подаются на блок 2₃, где происходит их фильтрация. С выхода блока 2₃ сигналы малого уровня подаются на вход блока 8. В блоке 8 с использованием управляющих команд, поступающих от блоков ₁ и 4₂, осуществляются коммутация и развязка сигнальных выходов блоков 4₁, 4₂ и 2₃, обеспечивая подключение к каждому выходу устройства выход одного из блоков 4₁ или 4₂, или 2₃ и исключение взаимного влияния блоков 4₁, 4₂ и 2₃.

Рассмотрим аппаратурную реализацию блоков.

На фиг. 4 представлена блок-схема измерителя уровней сигнала 4₁ и 4₂, где обозначено:
41₁ - 41_N - элемент задержки;
42₁ - 42_N - ключ;
43₁ - 43_N - усилитель;
44₁ - 44_N - детектор;
45₁ - 45_N - блок сравнения с порогом.

Блок измерителя уровней сигнала 4₁(4₂) содержит N идентичных линеек, каждая из которых содержит последовательно соединенные элемент задержки 41 и ключ 42, причем выход ключа 42 является выходом блока, который соединяется с блоками 5 и 8. Вход блока 4 соединен с объединенными входами элемента задержки 41 и усилителя 43, выход которого через последовательно соединенные детектор 44 и блок сравнения 45 соединен с другим входом ключа 42 и одновременно является выходом блока 4, который подсоединяется к блоку 8.

Блок 4 работает следующим образом. Узкополосный сигнал с выхода каждого из полосовых фильтров блока фильтрации 2 усиливается в блоке 43, детектируется в блоке 44 и сравнивается с порогом в блоке 45. Командой блока 45 о превышении порога открывается ключ 42, который пропускает узкополосный сигнал (поступающий на ключ 42 от блока 2 через элемент задержки 41) на сигнальные входы блоков 5 и 8. Одновременно команды блоков 45 о превышении ("1") или непревышении ("0") порогов подаются на управляющие входы блока 8.

Блок восстановления сигналов 5₁(5₂) содержит последовательно соединенные сумматор и перемножитель, на опорный вход которого подается сигнал от блока 3 через элемент задержки, величина задержки которого выбирается таким образом, чтобы обеспечивалась синхронность перемножаемых сигналов.

Блок 6₁(6₂) представляет собой вычитатель, на второй вход которого сигнал может подаваться через элемент задержки и аттенюатор, обеспечивающие выравнивание сигналов на его входах по фазе и амплитуде.

Блоки 7₁, 7₂ выполняются в виде перемножителя, на опорный вход которого опорный сигнал подается через регулирумый элемент задержки, обеспечивающий синхронность перемножаемых сигналов.

Структурная схема блока коммутации 8 приведена на фиг. 5, где обозначено:
81_1-N, 85_1-N - инверторы;
82_1-N, 86_1-N, 87_1-N - ключи;
83_1-N, 84_1-N, 88_1-N - усилители.

Блок коммутации 8 работает следующим образом. На сигнальные входы ключей 82₁ - 82_N подаются узкополосные сигналы от блока 4₂, с выходов этих ключей сигналы через усилители 83₁-83_N поступают на входы устройства, куда поступают также сигналы от блока 4₁ через усилители 84₁-84_N и сигналы от блока 2₃, поступающие через последовательно соединенные ключи 86₁-86_N, 87₁-87_N и усилители 88₁-88_N. Управление ключами 82₁-82_N и 87₁-87_N осуществляется командами от блока 4₁, поступающими через инверторы 81₁-81_N. При появлении на управляющих выходах блока 4₁ команды "1" ключи 82₁-82_N и 87₁-87_N закрываются, не пропуская сигналы от блока 4₂ и 2₃ на соответствующие выходы устройства, обеспечивая прохождение только сигналов от блока 4₁. Управляющими командами от блока 4₂ осуществляется запрет на прохождение соответствующих сигналов от блока 2₃ на выходы устройства.

Усилители 83_1-N, 84_1-N и 88_1-N обеспечивают прохождение сигналов в одном направлении и исключают взаимное влияние блоков 4₁, 4₂, 2₃, 5₁ и 5₂.

Способ-прототип основан на одновременной корреляционной обработке сигналов ближних и дальних абонентов, при этом мощные сигналы ближних абонентов оказывают мешающее воздействие на прием сигналов от удаленных абонентов. Мешающее воздействие обусловлено наличием выбросов функции взаимной корреляции широкополосных сигналов в частотной области.

В соответствии с монографией под редакцией В.Б. Пестрякова "Шумоподобные сигналы в системах передачи информации", М., "Сов. радио", 1978, стр. 383, допустимое превышение мощности одной структурной помехи над сигналом, определяемое их взаимокорреляционными свойствами, при Б = 10³ (где Б - база сигнала), не превышает 20 дБ. При увеличении числа структурных помех эта цифра снижается.

Заявляемый способ предполагает выполнение корреляционной обработки сигналов удаленных абонентов после компенсации из входной смеси сигналов ближних абонентов. Поэтапная компенсация структурных помех обеспечивает дополнительный выигрыш в помехоустойчивости к структурным помехам 20-40 дБ, при этом допустимый уровень помех составит для рассматриваемого примера 40-60 дБ, что значительно больше, чем для прототипа.

Формула изобретения

Способ обработки широкополосных сигналов с ортогональным частотным сдвигом с компенсацией структурных помех, основанный на перемножении входной смеси с синхронным опорным сигналом, фильтрации результата перемножения в N частотных каналах, отличающийся тем, что после фильтрации сигналы усиливают, детектируют, сравнивают с первым (высоким) порогом, сигналы большого уровня, превысившие первый порог (структурные помехи большого уровня), восстанавливают и компенсируют ими соответствующие сигналы во входной смеси, с которой опять совершают перечисленную последовательность операций, компенсируя структурные помехи второго, третьего и так далее уровней, после компенсации из входной смеси структурных помех ее перемножают с синхронным опорным сигналом, результат перемножения фильтруют в N частотных каналах.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5