Известия РАН. Энергетика, 2019, № 3, стр. 76-84

АЛГОРИТМ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КВАДРАТУРНОГО КОМПЕНСАТОРА ИМПУЛЬСНЫХ ПОМЕХ

ККИП осуществляет выделение и подавление импульсов СИП. Общая упрощенная блок-схема ККИП, поясняющая принцип его работы, приведена на рис. 1. Более подробно алгоритм работы ККИП изложен в [5], [6], [7], [8].

Рис. 1.

Блок-схема ККИП.

После переноса принимаемой смеси полезного сигнала, шумовой и импульсной помех на нулевую частоту в квадратурном смесителе и ее оцифровки в квадратурном аналого-цифровом преобразователе (АЦП) на входе ККИП имеется оцифрованная комплексная огибающая принимаемого сигнала, которая обычно представляется в виде отсчетов синфазной и квадратурной компонент сигнала на нулевой частоте.

Данный сигнал поступает на два квадратурных канала, в каждом из которых осуществляется предварительная фильтрация (блоки 1 и 2), выделение импульсов помехи, превышающих некоторый заданный уровень обнаружения, и формирование управляющих импульсов (блок 5) (рис. 1). Затем управляющие импульсы синфазного и квадратурного каналов объединяются по заданному критерию, например, “ИЛИ” (блоки 5 и 6), и используются для управления стробированием СИП. Возможна реализация одноэтапного и двухэтапного подавления импульсной помехи. В первом случае сформированные управляющие импульсы непосредственно используются для устранения импульса помехи. Во втором случае для дополнительного подавления “хвостов” импульса помехи путем расширения зоны стробирования осуществляется дополнительное преобразование управляющих импульсов.

Подавление (компенсация импульсов) помехи осуществляется путем определения области воздействия каждого импульса помехи и интерполяции принимаемого сигнала на данном интервале. Данный алгоритм учитывает наличие корреляционной связи импульсов помехи в квадратурных каналах и рассчитан на подавление импульсных помех с параметром $\mu = \frac{{{{T}_{s}}}}{{{{{\bar {\tau }}}_{{\text{p}}}}}}$ > 1, где ${{T}_{s}}$ – длительность канального импульса передаваемого сигнала, ${{\bar {\tau }}_{{\text{p}}}}$ – средняя длительность импульса помехи.

Примеры эпюр сигналов в ККИП приведены на рис. 2. На верхнем графике (А1) представлена огибающая входной смести сигнала, аддитивного белого гауссовского шума (АБГШ) и импульсной помехи. На среднем графике (А2) изображены сформированные в соответствии с предложенным алгоритмом управляющие импульсы ККИП. Каждый управляющий импульс соответствует импульсу помехи. На нижнем графике (А3) изображен выходной сигнал ККИП, очищенный от импульсной помехи.

Рис. 2.

Эпюры сигналов в ККИП.

АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ КВАДРАТУРНОГО КОМПЕНСАТОРА ИМПУЛЬСНЫХ ПОМЕХ

С учетом нелинейного характера алгоритмов компенсации импульсных помех использование аналитических методов для исследования их характеристик связано со значительными математическими трудностями. Поэтому в качестве инструментария анализа эффективности данных алгоритмов выбран метод имитационного моделирования [9]. Математические модели радиосистемы связи были реализованы в среде MATLAB/Simulink. В данную модель введены блоки компенсации влияния импульсных помех КОИП и ККИП.

В качестве примера рассмотрим канал цифровой радиосвязи Земля-КА, аналогичный описанному в [2]. Предполагается, что используется модуляция в виде фильтрованной ФМн-2 (FBPSK) c фильтрами типа “приподнятого косинуса”, которая широко применяется во многих системах космической связи для обеспечения максимальной дальности действия.

В блоке КОИП реализован известный алгоритм ШОУ [4]: на выходе линейной части приемника каждая квадратурная компонента принимаемого сигнала подвергается ограничению с заданным пороговым уровнем и согласованной фильтрации.

По результатам моделирования были получены зависимости вероятности битовой ошибки (BER) на выходе демодулятора от отношения сигнал-шум (ОСШ) $h_{{sn}}^{2} = \frac{{{{E}_{{\text{s}}}}}}{{{{N}_{0}}}}$ и отношения сигнал-импульсная помеха (ОСИП) $h_{{sp}}^{2} = \frac{{{{E}_{s}}}}{{{{{\overline E }}_{p}}}},$ где ${{E}_{s}}$ – энергия канального символа, ${{\overline E }_{p}}$ – средняя энергия импульса помехи. Учитывая, что при изменении средней скважности СИП Q меняется средняя частота воздействия помехи на сигнал, хотя значение ОСИП остается постоянным, далее для получения более общих результатов будет использоваться ОСИП, нормированное к Q.

Результаты были получены как для идеальной фазовой и символьной синхронизации, так и для случая работы систем фазовой и символьной синхронизации (алгоритм Гарднера), имеющих постоянную времени 100T_s, далее – “реальная” синхронизация. Как показал анализ, энергетический выигрыш от применения ККИП может достигать 3 дБ при ОСИП 10 дБ, 7 дБ при ОСИП 5 дБ и более 12 дБ при ОСИП 0 дБ. Так при высоком уровне импульсных помех ($h_{{sp}}^{2}$ < 10 дБ) ККИП обеспечивает существенный энергетический выигрыш по сравнению с КОИП, который составляет от 1.5 дБ при ОСИП 10 дБ (BER = 8 × 10^–4) до 5 дБ при ОСИП 0 дБ (BER = 1.5 × 10^–2).

При сравнении ККИП и КОИП необходимо учитывать, что в каждом из них имеется пороговое устройство, которое характеризуется некоторым своим заданным пороговым уровнем. В случае КОИП этот уровень будем описывать нормированным уровнем ограничения сигнала ${{U}_{l}},$ а в случае ККИП – нормированным уровнем обнаружения ИП ${{U}_{n}}.$ Абсолютные значения порогов могут быть определены как ${{U}_{{p\,Abs}}}$ = = $1 + {{K}_{k}}{{U}_{p}}{{\sigma }_{n}},$ где ${{\sigma }_{n}}$ – СКО АБГШ, ${{K}_{k}}$ – поправочный коэффициент, ${{U}_{p}}$ – нормированный уровень ограничения или обнаружения ИП.

Для того, чтобы корректно сравнивать эффективность рассматриваемых компенсаторов, сравнение необходимо проводить для оптимальных значений этих порогов, обеспечивающих максимальную эффективность каждого вида компенсаторов.

На рисунках 3–6 приведены зависимости, которые позволяют отразить это в более наглядной форме. Данные графики описывают зависимость вероятности битовой ошибки от нормированных порога ограничения ${{U}_{l}}$ и порога обнаружения ${{U}_{n}}.$

Рис. 3.

Зависимость BER от пороговых уровней для ОСШ 5 дБ (идеальная синхронизация).

Рис. 4.

Зависимость BER от пороговых уровней для ОСШ 10 дБ (реальная синхронизация).

Рис. 5.

Зависимость BER от пороговых уровней для ОСШ 10 дБ (идеальная синхронизация).

Рис. 6.

Зависимость BER от пороговых уровней для ОСШ 10 дБ (реальная синхронизация).

Для удобства отображения используется одна ось абсцисс для этих порогов.

Графики на рис. 3 и 4 построены для отношения сигнал-шум 5 дБ. Первый график соответствует идеальной синхронизации, второй – учитывает работу систем фазовой и символьной синхронизации. Видно, что неидеальность синхронизации оказывает влияние на характеристики помехоустойчивости для каждого компенсатора. При ОСИП 0 и 5 дБ ККИП при оптимальном значении порога обеспечивает выигрыш соответственно в 2.4 и 1.4 раза по вероятности битовой ошибки по сравнению с КОИП для реальной синхронизации. При больших отношениях сигнал-помеха и оптимальных значениях порогов ККИП и КОИП обеспечивают примерно одинаковую помехоустойчивость. На рисунках 5 и 6 приведены аналогичные зависимости для отношения сигнал–шум 10 дБ. В этом случае наблюдается меньшая зависимость вероятности ошибки от функционирования систем синхронизации. Выигрыш по вероятности ошибки ККИП при оптимальных значениях порогов и отношении сигнал-помеха 0 и 5 дБ по сравнению с КОИП составляет 4.5 и 3.5 раза соответственно.

Зависимость отношения BER_КОИП к BER_ККИП для всех рассмотренных ОСИП представлена на рис. 7, где для каждого из рассмотренных ОСШ 5 дБ и 10 дБ построены зависимости BER_КОИП/BER_ККИП для идеальной и реальной синхронизации. Видно, что ККИП начинает давать выигрыш по сравнению с КОИП, начиная с ОСИП 10 дБ для ОСШ 10 дБ и с ОСИП 5 дБ для ОСШ 5 дБ. Необходимо отметить, что для выбора оптимального значения порогов в ККИП и КОИП необходимо знать текущее значение ОСШ.

Рис. 7.

Зависимость отношения BER_КОИП к BER_ККИП от ОСИП.

Таким образом, для компенсации воздействия рассматриваемых типов импульсных помех целесообразно использовать ККИП в сочетании с каналом измерения текущего ОСШ для выбора оптимального значения порога обнаружения.

ВЫВОДЫ

На основе проведенных исследований могут быть сделаны следующие основные выводы:

1. Энергетический выигрыш от использования предложенного алгоритма ККИП в условиях воздействия АБГШ и радиоизлучения СПД может достигать 3 дБ при ОСИП 10 дБ (BER = 2 × 10^–3) и 7 дБ при ОСИП 5 дБ (BER = 3 × 10^–2).

2. Сравнение ККИП с КОИП (ШОУ) показывает, что при комбинированном воздействии АБГШ и СИП для µ > 1 ККИП позволяет получить выигрыш по вероятности ошибочного приема символа фильтрованной ФМн-2 по сравнению с алгоритмом КОИП (ШОУ).

Так, при ОСШ 5 дБ и ОСИП 0 и 5 дБ ККИП при оптимальном значении порога обеспечивает выигрыш соответственно в 2.4 и 1.4 раза по вероятности битовой ошибки по сравнению с КОИП. А при ОСШ 10 дБ и ОСИП 0 и 5 дБ выигрыш по вероятности битовой ошибки ККИП по сравнению с КОИП составляет 4.5 и 3.3 раза соответственно.

3. При высоком уровне импульсных помех (ОСИП от 10 дБ и ниже) ККИП обеспечивает энергетический выигрыш по сравнению с КОИП от 1.5 дБ при ОСИП 10 дБ (BER = 8 × 10^–4) до 5 дБ при ОСИП 0 дБ (BER = 1.5 × 10^–2).