Пристрій для вимірювання відношення сигнал/шум в приймальних комплексах адаптивного мобільного радіозв’язку

Реферат: Пристрій для вимірювання відношення сигнал/шум містить сигнальний вхід який є входом пристрою, гетеродин, вихід якого підключений до опорного входу змішувача, перший смуговий фільтр, вхід якого підключений до виходу змішувача, послідовно включені перший вимірювач потужності, блок віднімання і другий вимірювач потужності, вихід якого підключений до інверсних входів блока віднімання, другий смуговий фільтр, вхід якого підключений до виходу змішувача, а вихід - до входу другого вимірювача потужності, при цьому вхід першого вимірювача потужності підключений до виходу першого смугового фільтра. В нього додатково введені між виходом блока віднімання і входом послідовно з'єднаним перетворюючим пристроєм і пристроєм реєстрації блок виявлення, вхід якого з'єднаний з виходом блока віднімання, блок виділення корисного сигналу (БВКС). UA 108734 U (12) UA 108734 U UA 108734 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Пристрій належить до області радіотехніки і може бути використаний в сучасних адаптивних системах радіозв'язку, адаптивних антенних системах, радіоприймальних пристроях систем радіомоніторингу для вимірювання відношення сигнал/шум високочастотної адитивної суміші сигнал і шум з апріорно невизначеною потужністю, в яких здійснюється оцінювання поточної інформації про завадосигнальну обстановку і рівнів сигналу та завад на вході приймача з метою адаптації до них різних параметрів радіоприймальних пристроїв, основного каналу радіоприймання, адаптації рівнів порогів виявлення до шумів різної інтенсивності у виявника панорамних радіоприймальних пристроїв. Для вимірювання відношення сигнал/шум в багатопроменевих радіоканалах, як правило, забезпечується перенесення високочастотного сигналу і шуму на більш низьку частоту, а потім перетворену суміш сигналу та шуму піддають безпосередньому виміру за допомогою накопичувальних вимірників миттєвої потужності, керованих ключів, блоків логарифмування, віднімання і пам'яті. Відомий радіоприймальний пристрій [1], що включає два вимірні канали, кожен з яких відбудовано за частотою на величину частотного рознесення і містить відповідно послідовно з'єднані підсилювачі, пристрої установлення початкових умов та детектори. До недоліків вимірного пристрою належать умовність і наближеність визначення відношення потужностей сигнал/шум. Відомий радіоприймальний пристрій [2], що призначений для шумового автоматичного регулювання підсилення і включає послідовно з'єднані приймальну антену, лінійний приймальний тракт, смуговий фільтр, до виходу якого підключено детектор, інтегратор, на виході якого на кожному кроці перебудови формується оцінка середньої дисперсії сукупної завади для підтримки постійним відношення сигнал/шум на виході приймача. Істотним недоліком даного пристрою є відсутність можливості одночасної оцінки середньої потужності виявленого сигналу, відношення потужностей сигнал/завада, а також низька достовірність їх сумісних вимірювань. Найбільш близьким за технічною суттю до заявленого об'єкта є вимірник відношення сигнал/шум [3], що містить змішувач, сигнальний вхід якого є входом пристрою, гетеродин, вихід якого підключено до опорного входу змішувача, перший смуговий фільтр, вхід якого підключено до виходу змішувача, послідовно включено перший вимірник потужності, блок віднімання, диференціальний логарифмічний перетворювач та реєструючий прилад і другий смуговий фільтр, вхід якого підключено до виходу змішувача, а вихід - до входу другого вимірника потужності, вихід якого підключено до інверсних входів блока віднімання і диференціального логарифмічного перетворювача. При цьому у вимірнику здійснюється одночасне вимірювання в двох сусідніх каналах: середньої потужності сукупних шумів в одному з них і сукупної середньої потужності адитивної суміші сигналу і сукупних шумів в іншому. Виміряні значення потужностей потім використовуються для обчислення невідомої середньої потужності сигналу і відношення сигнал/шум непрямим методом. Смугові фільтри першого і другого вимірних каналів мають однакові значення смуг пропускання, але значення центральних частот відрізняються на величину, що дорівнює подвоєній ширині їх смуг пропускання. До недоліків цього вимірника слід віднести обмежені можливості застосування його для сучасних широкосмугових систем безпровідного і мобільного зв'язку через малий динамічний діапазон достовірних вимірювань відношень сигнал/шум. Причини, що перешкоджають досягненню необхідного технічного результату, полягають в залежності помилок оцінки вимірювання відношення сигнал/шум від зміни ширини смуги спектра сигналу [7]. Слід також відзначити що, за наявності прицільної завади в радіоканалі, де присутній сигнал, або у разі різної інтенсивності природних завад в різних каналах, вимірювання середньої потужності шуму (завади) в каналі, де сигнал відсутній, призведе до виникнення помилки вимірювання. Ознаками прототипу, співпадаючими з істотними ознаками корисної заявленої моделі є: змішувач, гетеродин, смугові фільтри, вимірювачі потужності, блок віднімання, перетворювач і реєструючий прилад. Задачею, для вирішення якої направлено заявлену корисну модель, є розширення функціональних можливостей пристрою за рахунок підвищення достовірності результатів вимірювання відношення сигнал/шум в радіоканалах із завмираннями. Для досягнення технічного результату у відомий пристрій для вимірювання відношення сигнал/шум додатково введено між виходом блока віднімання і входом перетворювача першого каналу вимірювання блок виявлення, вихід якого підключено до входу блока виділення корисного сигналу на фоні шумів (БВКС), вихід якого з'єднано зі входом перетворювача, що підвищує достовірність результатів вимірювань відношення сигнал/шум багатопроменевого сигналу в смузі пропускання каналу приймача. 1 UA 108734 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Як блок виявлення використовується цифровий квазіоптимальний програмний виявник, практична реалізація якого є достатньо простою ([4] с. 78). Блок виявлення виконано з можливістю розбиття вхідної реалізації на інтервали стійкого і нестійкого (інтервали завмирань) радіозв'язку, тобто вхідна реалізація перетвориться в послідовність нулів і одиниць в результаті порівняння з деяким заданим пороговим значенням. При перевищенні порогового значення приймається значення одиниця, а в противному разі - нуль. Порівняння суми отриманих нулів і одиниць на деякому заданому інтервалі, який визначається із ймовірності заданої помилки першого роду (ймовірність помилкової тривоги), з заданим порогом ухвалюється рішення про наявність або відсутність сигналу на аналізованому інтервалі. Особливістю вживаного виявника є можливість фіксувати початок і кінець функції корисного сигналу в шумі. Таким чином, за допомогою цього виявника при заданому пороговому значенні визначаються ділянки початкової реалізації, в яких міститься корисний сигнал, рівень якого забезпечує стійкий і нестійкий зв'язок. У блоці виявлення і БВКС реалізується. 1. Розбиття вхідної реалізації на інтервали, відповідні ділянкам стійкого і нестійкого прийому сигналу радіозв'язку. 2. Знаходження на кожному такому інтервалі вхідної реалізації оцінок коефіцієнтів апроксимуючого полінома за допомогою методу найменших квадратів в двох паралельних каналах вимірювання. 3. Знаходження згладжуючої функції як середнього арифметичного "кусочно-квадратичних" апроксимуючих функцій в кожен момент часу в двох паралельних каналах вимірювання. 4. "Склеювання" розривів під час оцінки результуючого сигналу. Отримані оцінки корисної складової результуючого сигналу містять розриви, які з'являються в результаті оцінок функції корисного сигналу на окремих етапах. Наявність їх призводить до значного зростання погрішності вимірювання сигналу. Усунення отриманих розривів або операція спряження сусідніх відрізків апроксимації носить назву "склеювання". Пропонується реалізувати "склеювання" розривів окремих оцінок наступним чином. У точці розриву, по обидві сторони від неї, продовжується значення апроксимуючого полінома правого і лівого на інтервал "склеювання" L, таким чином, щоб вони перетиналися на інтервалі 2L. Проводиться з'єднання обох апроксимуючих поліномів кривою відповідного порядку. Таку операцію здійснює блок "склеювання" в БВКС. Це дозволяє підвищити точність оцінки сигналу. Суть корисної моделі показано на кресленнях, де на фіг. 1 і фіг. 2, наведено структурну схему заявленого пристрою. Пристрій (фіг. 1) містить гетеродин 1, змішувач 2, смугові фільтри 3 і 4, вимірювачі 5 і 6 потужностей, блок 7 віднімань, блок виявлення 8, блок виділення сигналу на фоні завад 9, перетворювач 10 і реєструючий прилад 11. Сигнальний вхід змішувача 2 з'єднано зі входом пристрою, а опорний вхід - з виходом гетеродина 1. Змішувач 2, фільтр 3, вимірювач 5, блок 7, блок 8 виявлень, БВКС 9, перетворювач 10 і реєструючий прилад 11 з'єднано послідовно. Вхід фільтра 4 з'єднано з виходом змішувача і входом фільтра 3, а вихід - зі входом вимірювача 6, вихід якого з'єднаноз інвертуючими входами блока 7 і перетворювача 10. БВКС 9 (фіг. 2) містить комутатор 12, вихід 1 якого з'єднано зі входом каналу 13 оцінки вхідної реалізації, де рівень сигналу забезпечує стійкий прийом, а вихід 2 комутатора 13 - зі входом каналу 14 оцінки вхідної реалізації, де рівень сигналу не забезпечує стійкий прийом, виходи два 13 і 14 каналів з'єднано з першим і другим входами комутатора 18, вихід якого з'єднано з послідовно з'єднаними блоком "склеювання" 19, блоком оцінки модальних значень 20, регістром зберігання результуючого сигналу 21. Синхронність роботи пристрою забезпечує генератор тактових імпульсів 22. Перший канал 13 оцінки вхідної реалізації містить послідовно з'єднані багатоканальний регістр зберігання результатів розбиття 15n, багатоканальний блок апроксимації 16n, багатоканальний регістр зберігання оцінок окремих інтервалів вимірювання корисного сигналу 17n, виходи якого з'єднані з першим входом комутатора 18. Другий канал 14 оцінки вхідної реалізації містить послідовно з'єднані багатоканальний регістр зберігання результатів розбиття 15m, багатоканальний блок апроксимації 16m, багатоканальний регістр зберігання оцінок окремих інтервалів вимірювання завмирання сигналу 17m, виходи якого з'єднано з другим входом комутатора 18. Пристрій для вимірювання сигнал/шум працює таким чином. Зі входу пристрою адитивна суміш сигналу з випадковою амплітудою і початковою фазою і шуму з невідомою інтенсивністю надходить на сигнальний вхід змішувача 2, на опорний вхід якого надходить сигнал гетеродина 1, що є безперервним високочастотним сигналом з фіксованою частотою і рівнем. Гетеродин 1 і змішувач 2 здійснюють перенесення спектра суміші сигналу з шумом, що надходить в область пропускання фільтра 3. Перетворена за 2 UA 108734 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 частотою суміш сигналу і шуму з виходу змішувача 2 надходить на входи фільтрів 3 і 4. Через фільтр 3 вона повністю проходить до блока вимірювання сигналу 5, який вимірює потужність сигналу і шуму. Результат вимірювання надходить до прямого входу блока 7. Через фільтр 4, відстроєний від центральної частоти фільтра 3 за його смугу пропускання, проходить тільки шум. Він проходить на вхід вимірника 6, який вимірює його потужність. Результат вимірювання надходить на інвертуючі входи блока 7 і перетворювача 10. З виходу блока 7 сигнал надходить на вхід блока виявлення 8, на виході якого перетворена послідовність нестаціонарних ділянок початкової вибірки результатів вимірювань надходить на вхід блока виділення корисного сигналу 9. Вихідна реалізація на інтервалі Z БВКПС розбивається комутатором 12 на дві незалежні реалізації Z1 і Z2 з інтервалами випадкової довжини, де Z1- реалізація з інтервалами, відповідними стійкому прийому сигналу, a Z2 - реалізація з інтервалами, відповідними нестійкому прийому сигналу (інтервалами завмирання сигналу). Реалізація у вигляді Z1 записується в багатоканальний регістр результатів вимірювань 15n, a Z2 - в регістр результатів вимірювань 15т, після чого вони апроксимуються на кожному з поліномів довільного ступеня, коефіцієнти якого визначаються методом найменших квадратів, тим самим формується оцінка сигналу при заданому розбитті. Таким чином, визначаються n і m оцінок для реалізацій Z1 і Z2 в кожному з двох незалежних каналів 13 і 14. Результуюча оцінка сигналу формується на основі множини оцінок, отриманих для кожного перетину початкового сигналу, яка після операції "склеювання" формується шляхом розрахунку модальних значень серед оцінок в кожному перетині сигналу і яка надходить на вхід блока зберігання результатів оцінки корисного сигналу 21 і далі сумарний сигнал надходить на прямий вхід вимірювача 10. Через фільтр 4, відстроєний від робочої частоти за смугу пропускання, проходить тільки шум, потужність Рш якого вимірюється вимірювачем 6. На виході блока 9 і прямому вході перетворювача 10 формується сигнал, пропорційний різниці сигналів на входах, тобто потужності Рс сигналу. На прямому і інверсному входах перетворювача 10 формуються сигнали, пропорційні потужності Рс сигналу і Рш шуму. Перетворювач 10 формує сигнал Рвих., пропорційний відношенню сигналів, що надходять на його входи. Сигнал Рвих. з виходу перетворювача 10 надходить на вхід реєструючого приладу 11, показники якого пропорційні відношенню сигнал/шум в децибелах. Технічна особливість пропонованого технічного рішення полягає в реалізації попереднього очищення сигналу від адитивного шуму з подальшою оцінкою реалізацій корисного сигналу в двох паралельних каналах вимірювання, в одному з яких здійснюється оцінка вхідної реалізації інтервалів сигналу, де рівень сигналу забезпечує стійкий зв'язок, а в іншому - інтервалів завмирання вхідного сигналу і застосуванням процедури "склеювання" розривів оцінки результуючого сигналу. Оцінка погрішності виділення корисного сигналу в пропонованому пристрої показала, що погрішність виділення функції вимірюваного сигналу зменшується в середньому на 10-15 % [5], а дослідження ефективності застосування операції "склеювання" - на 5-10 % [6]. Це дозволяє підвищити достовірність результатів вимірювань відношення сигнал/шум в безпровідних каналах із завмираннями і розширити функціональні можливості пристрою. Додатково дозволяє спростити обчислювальні процедури відомих алгоритмів виділення корисного сигналу на фоні шуму [5] шляхом реалізації двох незалежних каналів оцінки, де враховуються інтервали стійкого і нестійкого прийому багатопроменевого сигналу. Сукупність знов введеного блока виявлення, БВПС з новими зв'язками не є самостійним пристроєм і не випливає явним чином з рівня техніки, тому пропонований пристрій для вимірювання відношення сигнал/шум слід вважати новим і таким, що має винахідницький рівень. Джерела інформації: 1. Богданович Б.М. Радиоприемные устройства с большим динамическим диапазоном. - М.: Радио и связь, 1984. - с. 170-171 - аналог. 2. Радиоприемные устройства. Под ред. Л.Г. Барулина. - М.: Радио и связь, 1984.-272 с. аналог. 3. патент RU 2332676, G01R 29/26,09.01.2007. Устройство для измерения отношения сигнал/шум. - прототип. 4. Обнаружение радиосигналов / Акимов П.С, Евстратов Ф.Ф., Захаров С.И. - Радио и связь, 1989. - 288 с. 5. Марчук В.И., Шерстобитов А.И. Метод и алгоритмы выделения полезного сигнала на фоне шумов при обработке дискретных сигналов, г. Шахты, 2012. -с. 115. 6. Сайко В.Г. Рекурентний спосіб визначення глибини завмирань сигналів в інтерактивній гетерогенній мережі мобільного зв'язку // Зв'язок. - 2013. - № 3, с. 54-56. 3 UA 108734 U 7. Казачков В.О. Исследование метода оценки отношения сигнал/шум сигнала Long Term Evolution в условиях идеальной и неидеальной символьной синхронизации // Интернет-журнал "Науковедение", №1 (26) 2015. http://naukovedenie.ru/PDF/40TVN115.pdf (доступ свободный). 5 10 15 20 25 30 35 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Пристрій для вимірювання відношення сигнал/шум, що містить сигнальний вхід який є входом пристрою, гетеродин, вихід якого підключений до опорного входу змішувача, перший смуговий фільтр, вхід якого підключений до виходу змішувача, послідовно включені перший вимірювач потужності, блок віднімання і другий вимірювач потужності, вихід якого підключений до інверсних входів блока віднімання, другий смуговий фільтр, вхід якого підключений до виходу змішувача, а вихід - до входу другого вимірювача потужності, при цьому вхід першого вимірювача потужності підключений до виходу першого смугового фільтра, який відрізняється тим, що в нього додатково введені між виходом блока віднімання і входом послідовно з'єднаним перетворюючим пристроєм і пристроєм реєстрації блок виявлення, вхід якого з'єднаний з виходом блока віднімання, блок виділення корисного сигналу (БВКС). 2. Пристрій для вимірювання відношення сигнал/шум за п. 1, який відрізняється тим, що БВКС містить перший комутатор, перший вихід якого з'єднаний з входом каналу оцінки вхідної реалізації, де рівень сигналу забезпечує стійкий прийом, а його другий вихід - з входом каналу оцінки вхідної реалізації, де рівень сигналу не забезпечує стійкий прийом, виходи двох паралельних каналів вимірювання з'єднані з першим і другим входами другого комутатора, вихід якого з'єднаний з послідовно з'єднаними блоком "склеювання", блоком оцінки модальних значень, регістром зберігання результуючого сигналу. 3. Пристрій для вимірювання відношення сигнал/шум за п. 1, який відрізняється тим, що перший канал оцінки вхідної реалізації містить послідовно з'єднані багатоканальний регістр зберігання результатів розбиття, багатоканальний блок апроксимації, багатоканальний регістр зберігання оцінок окремих інтервалів вимірювання корисного сигналу, виходи якого з'єднані з першим входом комутатора. 4. Пристрій для вимірювання відношення сигнал/шум за п. 1, який відрізняється тим, що другий канал оцінки вхідної реалізації містить послідовно з'єднані багатоканальний регістр зберігання результатів розбиття, багатоканальний блок апроксимації, багатоканальний регістр зберігання оцінок окремих інтервалів вимірювання завмирання сигналу, виходи якого з'єднані з другим входом комутатора. 5. Пристрій для вимірювання відношення сигнал/шум за п. 1, який відрізняється тим, що між виходом другого комутатора і входом блока оцінки модальних значень включений блок "склеювання", який виконаний з можливістю сполучення сусідніх інтервалів апроксимації. 4 UA 108734 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5