Пристрій для приймання інформації

Пристрій для приймання інформації, який містить у своєму складі n приймачів інформації (головних лінійних трактів радіоприймачів), n блоків віднімання, n блоків додавання, адаптивний оптимальний лінійний фільтр, детектор, блок керування, вирішуючу схему і відтворюючий пристрій, який відрізняється тим, що в нього введені n блоків вимірювання напруги завади, n квадраторів напруги завади, n квадраторів напруги сигналу, n перемножувачів квадратів напруги сигналу і завади, n блоків ділення добутку потужностей сигналу і завади на суму потужностей сигналу і завади, блок визначення максимуму ціни гри, блок визначення максимуму напруги сигналу, причому виходи всіх приймачів (головних лінійних трактів) з'єднані зі C2 2 91233 1 3 Найбільш близьким за технічною суттю до пристрою, що заявляється, є вибраний в якості прототипу пристрій для приймання інформації (заявка №2005061 Україна з пріоритетом від 21.06.2005р., по якій завершена формальна експертиза). Недолік цього пристрою, а також аналогічних пристроїв полягає в наступному: блоки оцінювання мінімуму середньої потужності сигналу і завади мають низьку надійність і складність схем (багато діодів, підсилювачів і інверторів); оптимальна лінійна фільтрація виділених сигналів і завад після аналізу їхніх відповідних спектрів не забезпечує достатньо високу завадостійкість приймального тракту; у схемі пристрою необхідно мати три блока керування; під час рознесеного приймання не реалізується пошук оптимального корисного сигналу; в кінцевій частині приймального тракту застосовуються два адаптивних оптимальних фільтри, що значно ускладнює пристрій; у схемі пристрою потрібно мати блок порівняння та вирішуючу схему, які включені на вході детектора. Таким чином, прототип запропонованого винаходу має занадто складну схему, працездатність якої залежить від багатьох факторів, що обумовлені різноманітними ситуаціями апріорної невизначеності та конфлікту. У прототипі реалізується автоматичний вибір мінімаксної величини відношення сигнал-завада на основі аналізу миттєвого спектру сигналу і завади, що значно ускладнює принцип дії при рознесеному прийманні корисного сигналу, коли можна було б зробити лише пошук оптимальної величини сигналу в гілках рознесення. Крім того, схема запропонованого пристрою значно спрощена за рахунок усунення блоків пошуку відповідно мінімального значення спектральної щільності потужності завади і максимального значення спектральної щільності потужності сигналу, а також аналізаторів миттєвих спектрів сигналу і завади. Подальше спрощення схеми прототипу полягає в усуненні одного з адаптивних лінійних фільтрів, а також двох блоків керування, блока порівняння та вирішуючої схеми у кінцевій частині приймального тракту. В основу винаходу поставлена задача підвищення завадостійкості пристрою для приймання інформації шляхом зменшення складності схеми за рахунок усунення аналізаторів спектрів сигналу і завади, складних блоків визначення максимуму спектральної щільності потужності сигналу і мінімуму спектральної щільності потужності завади, а також одного адаптивного оптимального лінійного фільтра, блока порівняння та вирішуючої схеми і двох блоків керування. Розв'язування цієї технічної задачі здійснюється тим, що у пристрої, який має в своєму складі n приймачів інформації (головних лінійних трактів радіоприймачів), n блоків віднімання, n блоків додавання, адаптивний лінійний фільтр, детектор, блок керування, вирішуваючу схему і відтворюючий пристрій, введені n блоків вимірювання напруги завади, n квадраторів напруги завади, n квадраторів напруги сигналу, n перемножувачів квадратів напруги сигналу і завади, n блоків ділення добутку потужностей сигналу і завади на суму потужностей сигналу і завади, блок визначення максимуму ціни 91233 4 гри, блок визначення максимуму напруги сигналу, причому виходи всіх приймачів (головних лінійних трактів) з'єднані зі входами блоків вимірювання напруги завади і з першими входами блоків віднімання, а виходи блоків вимірювання напруги завади сполучені зі входами квадраторів напруги завади і з другими входами блоків віднімання, а виходи останніх з'єднані зі входами квадраторів напруги сигналу і також з відповідними входами блока визначення максимуму напруги сигналу, при цьому виходи квадраторів напруги завади сполучені з першими входами перемножувачів квадратів напруги сигналу і завади, а також з першими входами блоків додавання, другі входи яких з'єднані з виходами квадраторів напруги сигналу і відповідно з другими входами перемножувачів квадратів напруги сигналу і завади, а виходи останніх сполучені з першими входами блоків ділення добутку потужностей сигналу і завади на суму потужностей сигналу завади, другі входи яких з'єднані з виходами блоків додавання, причому виходи блоків ділення добутку потужностей сигналу і завади на суму потужностей сигналу і завади сполучені з відповідними входами блока визначення максимуму ціни гри, а вихід останнього з'єднаний з другим (керуючим) входом адаптивного оптимального лінійного фільтра, перший (інформаційний) вхід якого сполучений з виходом блока визначення максимуму напруги сигналу, а вихід адаптивного оптимального лінійного фільтра сполучений зі входом детектора, вихід якого з'єднаний зі входом відтворюючого пристрою. При порівнянні з прототипом запропонований пристрій забезпечує підвищення завадостійкості приймального тракту в умовах апріорної невизначеності та конфлікту (в ситуації гри оператора приймального тракту з «природою», яка створює заваду) за рахунок того, що усунено складний блок визначення найгіршого спектру завади, а також складний блок визначення максимуму спектральної щільності потужності сигналу і аналізатори спектрів сигналу та завади. Крім того, замість двох адаптивних оптимальних лінійних фільтрів (прототип) використовується тільки один такий фільтр, який функціонує в умовах «полегшеної» завадової обстановки, оскільки він виконує лише функцію узгодженого фільтра для вхідного сигналу, в якому завадова складова майже повністю скомпенсована. Крім того, у запропонованому пристрої відсутні блок порівняння та вирішуюча схема, а також замість трьох блоків керування застосовується тільки один блок. Слід також відмітити ще одну перевагу запропонованого пристрою при порівнянні з прототипом, а саме: у прототипі необхідно визначати максимінне і мінімаксне значення середньоквадратичної помилки на виході оптимальних лінійних фільтрів, а також знайти однаковість цих значень, в запропонованому пристрої треба лише визначити максимальне значення відношення добутку потужностей сигналу і завади до їхньої суми, що значно ефективніше та легше реалізується. Структурна схема запропонованого пристрою зображена на Фіг.1. На Фіг.2 зображена принципова електрична схема блока вибору максимального значення напруги сигналу, що приймається, а на 5 Фіг.3 - принципова електрична схема блока визначення ціни гри щодо реалізації алгоритму оптимальної лінійної фільтрації корисного сигналу. Пристрій для приймання інформації (Фіг.1) містить у своєму складі: головні лінійні тракти приймачів 1, 1-1, ..., 1-n, блоки вимірювання напруги завади 2, 2-1, ..., 2-n, квадратори напруги завади 3, 3-1, ..., 3n, блоки віднімання 4, 4-1, ..., 4-n, перемножувачі 5, 5-1, ..., 5-n, квадратори напруги сигналу 6, 6-1, ..., 6-n, блоки ділення 7, 7-1, ..., 7-n, блоки додавання 8, 8-1, ..., 8-n, блок визначення ціни гри 9, блок керування 10, блок визначення максимуму напруги сигналу 11, адаптивний оптимальний лінійний фільтр 12, детектор 13 і відтворюючий пристрій 14. При цьому виходи приймачів інформації (головних лінійних трактів радіоприймачів) 1, 1-1, ..., 1-n сполучені з відповідними входами блоків вимірювання напруги 2, 2-1, ..., 2-n а також з першими входами (Вхід 1) блоків віднімання 4, 4-1, ..., 4-n. Виходи блоків вимірювання напруги завади з'єднані зі входами квадраторів напруги завади 3, 3-1, ..., 3-n, а також з другими входами (Вхід 2) блоків віднімання, причому виходи квадраторів напруги завади сполучені з першими входами (Вхід 1) перемножувачів 5, 5-1, ..., 5-n, а також з першими входами (Вхід 1) блоків додавання 8, 8-1, ..., 8-n. При цьому виходи блоків віднімання 4, 4-1, ..., 4-n з'єднані зі входами квадраторів напруги сигналу 6, 6-1, ..., 6-n, а також з відповідними входами (Вхід 1 - Вхід n) блока визначення максимуму напруги сигналу 11, а виходи квадраторів напруги сигналу сполучені з другими входами (Вхід 2) перемножувачів, а також з другими входами (Вхід 2) блоків додавання. При цьому виходи перемножувачів з'єднані з першими входами (Вхід 1) блоків ділення 7, 7-1, ..., 7-n, другі входи (Вхід 2) яких сполучені з виходами блоків додавання 8, 8-1, ..., 8-n. Виходи блоків ділення з'єднані з відповідними входами (Вхід 1 - Вхід n) блока визначення ціни гри 9, а вихід останнього сполучений зі входом блока керування 10. При цьому вихід останнього з'єднаний з другим (керуючим) входом (Вхід 2) адаптивного оптимального лінійного фільтра 12, перший (інформаційний) вхід (Вхід 1) якого сполучений з виходом блока визначення максимуму напруги сигналу 11. При цьому вихід адаптивного оптимального лінійного фільтра з'єднананий зі входом детектора 13, вихід якого сполучений зі входом відтворюючого пристрою 14. Блок вибору максимального значення напруги сигналу 11 (Фіг.2) містить у своєму складі: мультиплексор MX, напівпровідниковий діод VD, джерело порогової напруги Еп, конденсатор С, генератор тактируючих імпульсів ГТІ, лічильник імпульсів ЛІ та блок формування сигналу обнуління БФСО. При цьому інформаційні входи мультиплексора MX Вхід 1, Вхід 2, ..., Вхід n сполучені з відповідними виходами блоків віднімання 4, 4-1, ..., 4-n (Фіг.1), а вихід мультиплексора F з'єднаний з анодом напівпровідникового діода VD, причому катод діода сполучений з плюсом (+) джерела порогової напруги Еп, а також з першим входом (Вхід 1) блока 12 (Фіг.1) і зі входом блока формування сигналу обнуління БФСО (Фіг.2). Вихід останнього з'єднаний з другим входом (Вхід 2) лічильника імпульсів 91233 6 ЛІ, що працює в режимі додавання, тобто сигнал обнуління, який сформовано на виході БФСО подається на входи виставлення нуля кожного з розрядів лічильника ЛІ. При цьому вихід генератора тактируючих імпульсів ГТІ сполучений з першим входом (Вхід 1) лічильника імпульсів, на виходах а, б, в якого формується бінарний n-розрядний код, причому виходи лічильника імпульсів з'єднані з відповідними входами а, б, в мультиплексора MX, що використовуються в якості сигналу селекції його входу. На Фіг.2 умовно зображено трьохрозрядні бінарні виходи лічильника і трьохрозрядні входи х, у, z сигналу селекції входу мультиплексора. Така розрядність дає змогу обслуговувати 7 головних лінійних трактів гілок рознесеного приймання корисних сигналів. Для збільшення кількості гілок необхідно відповідне збільшення розрядності лічильника імпульсів і числа входів сигналу селекції мультиплексора. Блок визначення ціни гри 9 (Фіг.3) має таку ж саму схему, як і блок вибору максимального значення напруги сигналу 11 (Фіг.2) з тією різницею, що в ньому немає генератора тактируючих імпульсів ГТІ, і вихідний сигнал останнього до першого входу (Вхід 1) лічильника імпульсів ЛІ блока 9 (Фіг.3) подається з виходу ГТІ блока 11. Блоки вимірювання напруги завади 2, 2-1, ..., 2-n відомі та виконані згідно з А.с. 146367, Кл. 21 а4, 71. На виході цих блоків можна одержати сигнал постійного струму, значення якого пропорційне величині напруги завади і не залежить від типу корисного сигналу, що надходить з виходів головних лінійних трактів приймачів 1, 1-1, ..., 1-n. Запропонований пристрій працює таким чином. З виходів лінійних трактів приймачів 1, 1-1, ..., 1-n адитивна суміш корисного сигналу і завади надходить одноразово до входів блоків вимірювання напруги завади 2, 2-1, ..., 2-n, а також до перших входів (Вхід 1) блоків віднімання 4, 4-1, ..., 4-n. На другі входи останніх (Вхід 2) подаються сигнали з виходів блоків вимірювання напруги завади, які пропорційні значенню напруги завади. Ці сигнали надходять також до входів квадраторів напруги завади 3, 3-1, ..., 3-n, на виході яких формуються сигнали, що відповідають значенню потужності завади. На виходах блоків віднімання виділяються сигнали, які є різницею адитивної суміші сигналу і завади та напруги завади, тобто напруги корисних сигналів. Ці сигнали надходять одноразово до входів квадраторів напруги сигналу 6, 6-1, ..., 6-n, а також до відповідних входів блоку визначення максимуму напруги сигналу 11, схема якого зображена на Фіг.2. Блок 11 (Фіг.2) працює таким чином. Сигнали з виходів блоків віднімання 4, 4-1, ..., 4-n надходять до відповідних сигнальних входів мультиплексора MX, вихід F якого через напівпровідниковий діод VD сполучений зі входом блока формування сигналу обнуління БФСО лічильника імпульсів ЛІ, а також з позитивною клемою джерела порогової напруги Еп. Тактируючі (синхронізуючі) імпульсні сигнали з виходу генератора тактируючих імпульсів ГТІ надходять до інформаційного входу (Вхід 1) першого розряду лічильника імпульсів, на виході якого створюється n-розрядний бінарний код, що 7 91233 подається до відповідних входів (а, б, в) сигналу селекції входів і мультиплексора MX. Зміна бінарних кодових комбінацій призводить до послідовної комутації сигнальних входів мультиплексора, тобто їхнього з'єднання з виходом F останнього. Цей процес продовжується до того часу, поки відкриється діод VD, тобто напруга сигналу на його аноді буде більшою ніж величина порогової напруги +Еп на катоді діода. Після відкриття діода кожний сигнал з виходу блока віднімання відповідного приймального тракту (Фіг.1) подається на перший інформаційний вхід (Вхід 1) адаптивного оптимального лінійного фільтру 12 (Фіг.1), а також на вхід блоку формування сигналу обнуління БФСО (Фіг.2). На виході останнього формується сигнал логічного нуля, який надходить до входів збросу кожного розряду лічильника імпульсів ЛІ (Фіг.2). При цьому лічильник обнулюється і комутація входів мультиплексора припиняється, тобто на інформаційний вхід (Вхід 1) адаптивного оптимального лінійного фільтру 12 продовжує надходити максимальна напруга сигналу, який забезпечив відкриття діоду VD. Блок формування сигналу обнуління можна реалізувати на базі асинхронного RS-тригера, на пусковий вхід якого подається через конденсатор С корисний сигнал з катоду діоду VD, а сигнал логічного нуля одержується на інверсному виході тригера. Конденсатор застосовується для розв'язки кіл постійного і змінного струмів. У тому випадку, коли вихідний сигнал мультиплексора MX зменшується до того рівня, при якому його величина менша ніж напруга +Еп, діод не відкривається і сигнал обнуління розрядів лічильника імпульсів стає відсутнім. При цьому мультиплексор продовжує роботу в режимі пошуку максимального вхідного сигналу. Сигнали з виходів квадраторів напруги сигналу 6 (Фіг.1), які пропорційні потужності корисного сигналу, надходять одноразово до других входів (Вхід 2) перемножувачів 5, 5-1, ..., 5-n та блоків додавання 8, 8-1, ..., 8-n. При цьому на перші входи (Вхід 1) перемножувачів і блоків додавання подаються вихідні сигнали квадраторів напруги завади 3, 3-1, ..., 3-n, які пропорційні потужності завади. На виходах перемножувачів формуються сигнали, які пропорційні добутку потужностей сигналу і завади Рс·Рз, а на виходах блоків додавання одержуємо суму цих потужностей, тобто Рс+Рз. Ці сигнали відповідно подаються на перший вхід (Вхід 1) і на другий вхід (Вхід 2) блоків ділення 7, 7-1, ..., 7n, на виході яких одержуємо (Рс-Рз)/{Рс+Рз). Відомо, що теоретико-ігрове оцінювання мінімальної середньоквадратичної помилки для оптимальної лінійної фільтрації сигналу в приймальному тракті системи передачі інформації дає наступний результат визначення ціни гри [Маригодов В.К., Бабуров Э.Ф., Матвеев Ю.В. Теоретикоигровой синтез систем передачи и обработки информации; под общ. ред. В.К. Маригодова. - Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2006. - С. 60-61] U* min max K N 2 K, N max min N K 2 K, N Pc Pз (1) Pc Pз 8 де U* - ціна гри; 2 K,N - середньоквадратична помилка приймання сигналу; Κ, Ν - відповідно амплітудно-частотна характеристика оптимального лінійного фільтру і спектральна щільність потужності завади. Таким чином, мінімаксні та максимінні значення середньоквадратичної помилки у випадку їхньої рівності визначають функцію виграшу або ціну гри. Таким чином, на виходах блоків ділення формується значення ціни гри U*, тобто реалізується теоретико-ігровий алгоритм роботи запропонованого пристрою. Сигнали, що пропорційні значенням ціни гри, з виходів блоків ділення надходять до відповідних входів (Вхід 1, ..., Вхід n) блока визначення максимуму ціни гри 9, схема якого зображена на Фіг.3. Алгоритм функціонування цього блоку точно такий же, як і блоку 11 (Фіг.2) з тією різницею, що тактируючі імпульси на сигнальний вхід лічильника імпульсів ЛІ подаються з виходу генератора тактируючих імпульсів ГТІ, який розташований у блоці 11 (Фіг.2). Знайдене значення максимуму ціни гри maxU* надходить до входу блоку керування 10 (Фіг.1), на виході якого формується керуючий сигнал для адаптивного регулювання АЧХ адаптивного оптимального лінійного фільтру 12 (Фіг.1). Цей сигнал подається на керуючий другий вхід (Вхід 2) фільтру. З виходу адаптивного оптимального лінійного фільтру відфільтрований корисний сигнал надходить до входу детектора 13, а з виходу останнього подається до входу відтворюючого пристрою 14. Запропонований пристрій забезпечує більшу завадостійкість при порівнянні з прототипом завдяки тому, що в ньому зменшуються похибки оцінювання ціни гри за рахунок усунення складних блоків визначення найгіршого енергетичного спектру завади та найкращого енергетичного спектру корисного сигналу, а також аналізаторів миттєвого спектру завади і сигналу. Крім того, адаптивний оптимальний лінійний фільтр у запропонованому пристрою функціонує в умовах значно полегшеної завадової обстановки, коли його роль полягає лише в узгодженні зі спектром вхідного корисного сигналу. Схема запропонованого пристрою значно спрощується за рахунок усунення одного з адаптивних оптимальних лінійних фільтрів, блоків визначення найгіршого спектра завади і найкращого спектра сигналу аналізаторів миттєвих спектрів сигналу і завади, двох блоків керування, блока порівняння та вирішуючої схеми. Наведемо розрахунок виграшу в завадостійкості, який може бути одержаним від використання запропонованого пристрою. Якщо у прототипі для аналізу миттєвого енергетичного спектру сигналу і завади використовуються аналізатори з квадратичними детекторами, то тривалість керуючого сигналу Τ на виході такого аналізатора визначається за формулою [Маригодов В.К., Бабуров Э.Ф. Синтез оптимальных радиосистем с адаптивным предыскажением и корректированием сигналов. - М.: Радио и связь, 1985. - С. 135] 9 91233 d T 2 (2) fз де d - параметр, що характеризує форму АЧХ одного з двох смугових фільтрів аналізатора, які включені на виході порівнюючого пристрою аналізатора; 2 - середньоквадратична похибка аналізатора; f3 - ефективна завадова смуга фільтру аналізатора. Нехай Τ=10 мкс, d=1 (у випадку прямокутної форми АЧХ смугового фільтру аналізатора), f3=1 МГц. Тоді із виразу (2) одержуємо 2 10% . Оскільки таку ж саму похибку має аналізатор миттєвого спектру завади, то результуюча середньоквадратична похибка двох аналізаторів визначається за формулою 2 2 2 2 2 (3) Підставляючи знайдене значення похибки у 200 14,14% . Таким вираз (3), одержуємо 2 чином, результуюча (підсумкова) середньоквадратична похибка аналізу миттєвих спектрів сигналу і завади у прототипі складає 14,14%. В запропонованому пристрою ця похибка відсутня. Визначимо також виграш у величині середньоквадратичної помилки запропонованого пристрою за рахунок значного зменшення напруги завади на вході адаптивного оптимального лінійного фільтру. Мінімальна середньоквадратична помилка на ви2 ході оптимального лінійного фільтру min визначається за виразом [Зюко А.Г. Помехоустойчивость и эффективность систем связи. - М.: Связь, 1972. - С. 81] 2 min 1 2 0 G G N N d (4) де G( ), N( ) - відповідно спектральні щільності потужності сигналу і завади; - ефективна смуга частот приймального тракту. 10 В якості найгіршої завади доцільно вибрати таку, яка відповідає теоретико-ігровому алгоритму пошуку оптимальних (мінімаксних) стратегій операторів системи передачі інформації та системи створення радіозавад (або «природою»). Така завада знаходиться за виразом [Теоретико-игровой синтез систем передачи и обработки информации / В.К. Маригодов, Э.Ф. Бабуров, Ю.В. Матвеев; под общ. ред. В.К. Маригодова. - Севастополь: Изд-во Сев-НТУ, 2006. - С. 60] N min Pз Pс G (5) де Рз, Рс - відповідно потужності завади і сигналу. Якщо підставити N( )min у формулу (4), то одержимо 2 min 1 2 G 0 d Pз Pс P 1 з Pс Pз Pс Pс P 1 з Pс (6) Припустимо, що у прототипі має місце перевищення потужності сигналу над потужністю заваP ди у 10 разів, тобто з 0,1 . У запропонованому Pс пристрою, де завада на вході адаптивного оптимального лінійного фільтру значно зменшена (принаймні в десять разів) можна прийняти, що Pз 0,01 . Тоді, використовуючи формулу (6), для Pс прототипу одержуємо 2 min 2 min 0,009Pc , а для запро 0,01Pc . Таким чином, у понованого пристрою запропонованому пристрою середньоквадратична помилка при порівнянні з прототипом зменшується в 9 разів або на 101g9=9,54 дБ. Отже, ефективність запропонованого пристрою полягає в зменшенні середньоквадратичної похибки визначень сигналу і завади на 14,14% за рахунок відсутності аналізаторів спектрів сигналу і завади, а також у зменшенні середньоквадратичної помилки лінійної фільтрації сигналу на 9,54 дБ. 11 91233 12 13 Комп’ютерна верстка О. Гапоненко 91233 Підписне 14 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601