Способ определения отношения сигналшум и устройство для его осуществления

(9 5)5 6 О 1 й 29/2 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОВЕДОМСТВО СССРГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ эпб опз оп 11,относится т быть исвязи с фа 21) 4916896/21(56) 1.Сацег й.Н.етс. ОгЬтег Ко - Вптецгэ 1 еб Вабаг апб СоаглопсаОБузуев.- Е Е Е ТгапзастопзСоааопсатопз,-Чо,СОМ. ййочее Ьег 1978 - р,р,1606-1619.2, Авторское свидетельство СССРМ 1509760, кл. 0 01 й 29/26, 1990.3. Авторское свидетельство СССРМ 1287048, кл, 6 01 В 29/26, 1989.(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ И УСТРОЙСТВО ДЛЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ(57) Использование: изобретениек области радиотехники и можепользовэно в аппаратуре систем с Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в аппаратуре систем связи с фазоманипулированными сигналами для оценки качества приема информации.Целью изобретения было повышение точности определения отношения сигнал/шум М-позиционных ФМ сигналов,На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства для реализации способа.Нэ фиг. 2 - функциональная схема удвоителя фазы,Предлагаемый способ определения отношения сигнал/шум включает следующую последовательность операций: зоманипулированными сигналами, для оценкй качества приема информации. Существо изобретения; способ определения отношения сигнал/шум включает когерентную демодуляцию входного сигнала, согласованную фильтрацию полученных после демодуляции синфазного и квадратурного сигналов, получение первого сигнала умножением нэ М фазы синфазного сигнала, получение второго сигнала умножением на М фазы квадратурного сигнала, измерение матожидания первого сигнала, дисперсии второго сигнала и вычисление отношения сигнал/шум по измеренным величинам. Устройство для реализации способа содержит квадратор, последовательно соединенные вычислитель отношения сигнал-шум и индикатор, два фазовых детектора, фазовращатель, управляемый генератор, четыре фильтра нижних частот, петлевой фильтр и в удвоителей фазы, где е = о 92 М, 2 ил.- осуществляют коге рентную демодуляцию входного М-позиционного фэзоманипулированного сигнала;- выполняют согласованную фильтрацию полученных после демодуляции синфаэного и квадратурного сигналов;- умножают фазу синфазного сигнална М и получают первый сигнал, умножаюфазу квадратурного сигнала нэ М и получают второй сигнал;- измеряют мэтожидание первого синала и дисперсию второго сигнала;- по измеренным величинам вычисляюотношение сигнал/шум,Ниже приведены теоретические положения, назначение и обоснование операцийпредлагаемого способа,Рассмотрим аддитивную смесь М-позиционного ФМ сигнала у(с) и стационарного 5Гауссова шума М(1) с односторонней спектральной плотностью мощности 1 чо, При этомпредполагаем, что спектральная плотностьмощности шума практически постоянна впределах полосы частот,.занимаемой сигналом, то есть в интересующей области частотшума можно считать практически белым,ФМ сигнал может быть представлен ввиде: 15у(т) = Л Асоя (пЬ т +- - ); (1)2 йК где А - среднеквадратичное значение сигнала 20ОЪ - несущая частотаМ - количество позиций ФМК - целое число из множества (1,2, . М) выбираемое в соответствии с передаваемым символом сообщения, 25Представим случайный процесс Й(т) в виде суммы квадратурных составляющих следующим образом ФЧ(с) = п 1(т)соз Оо т+ п 2(1)31 п Йэо 1, (2) 30 Яоп 1 = 2 соз( Оо т + ф ) (4)Зоп 2 = 281 П( Ио 1+ Р ) 50 СИГНаЛЫ Яоп 1 И Яоп 2 СтроГО ГОВорЯ, НЕ являются когерентными сигналу Явх, поскольку присутствует фазовая ошибка д 7. При когерентной демодуляции обеспечива ется ср = О. Рассмотрим однако, более общий случай срО, что в дальнейшем позволит упростить понимание работы устгде пф), пг(1) - некоррелированные, совместно Гауссовы случайные процессы, перенесенные на нулевую частоту, в дальнейшем будем употреблять обозначения п 1 и п 2, под разумевая под ними функции времени,Исходя из вышеизложенного, можно записать исходный сигнал следующим образомЯвх = У(С)+ Ф) (Э) 40 В соответствии с заявляемым способом, входной сигнал подвергают когерентной демодуляции, Для этого умножим выражение(3) на опорные колебания, сдви-, нутые друг относительно друга на 90. Опор ные колебания имеют. вид, соответственно: ройства для реализации заявляемого способа,Умножая сигнал 3 вх на сигналы Яоп 1 и5 оп 2, и отбрасывая составляющие с частотой2 вь, получим. в результате демодуляции,синфазный и квадратурный сигналы, имеющие вид;2 лКЬ = у 2 АСОЗ( - - - ф+ п 1 соз р- пгз 1 п у),(5)Яа = -У 2 А 31 п( - ф) + п 181 п ф+ п 2 соз ),27 гКИзвестно, что шум является относительно широкополосным процессом, полоса которого превышает полосу сигнала. Поскольку для корректного определения отношения сигнал/шум необходимо учитывать только мощность шума в полосе частот, занимаемой сигналом, то для ограничения спектра шумов, выполняют согласованную фильтрацию полученных синфаэного Я и квадратурного Яа сигналов. При этом полоса частот, занимаемая шумовыми процессами после согласованной фильтрации, становится равной полосе Найквиста, таким образом, полоса шума ограничивается и становится равной полосе сигнала Ю,Шумовые составляющие п 1 и п 2 в выражении (5) становятся после фильтрации ограниченными по полосе, Следовательно синфазный и квадратурный сигналы после фильтрации можно записать в виде;.г 2 ЛКЗО = -у 2 А 81 и( - р) + п 181 п р+ пгсоз у .МПричем шумовые процессы п 1 и й 2 в выражении (6) представляют собой ограниченные по полосе процессы п 1 и п 1, то есть энергетический спектр полученных шумовых составляющих имеет вид:Следует отметить, что хотя спектральная плотность мощности исходного шумового процесса М(1) составляет И спектральные плотности мощности (СПМ) сигналов п 1 и п 2 (с учетом их некоррелированности) равны - ,М2Следующей операцией является умножение фазы синфаэного и квадратурного сигналов на М. При таком умножении аргументы тригонометрических функций в выражении (6) увеличится в М раз,=2 А+ пз,(10 С учетом дисперси бпг (в б и = о (2) (2) Мо Следовательно, первый и второй сигналы,полученные в результате умножения фазысигналов (6) будет иметь вид: Я 1 = 1 Г 2 Асоз (2К - М р) + пз, (8)Яг = /2 Асов (2 л К - М р) + п 4,Следует заметить, что два последних слагаемых в выражениях (6) представляют собой шумовые процессы.В результате умножения фазы сигналов Я и Яа на М, данные шумовые процессы преобразуются в новые шумовые процессы, которые обозначены, соответственно, пз и па. При этом спектральная плотность мощности процессов пз и п 4 однозначно связана со спектральной плотностью шума п 1 и пг, Конкретная зависимость СПМ шумовых процессов, после умножения фазы и до него, зависит от конкретного технического оешения, применяемого для умножения фазы синфазного и квадратурного сигналов, 8 общем случаедля СПМ сигналОв пз и п 4 можно записать,Опз (Й = Оп 4 (Йэ) = т Сп 1 (Йэ = 1 бпг (и(9) Поскольку при когерентной демодуляции выполняется условие р= О, выражение (8) можно записать следующим образом: г = п 4.Из соотношений (10) видно, что матожидание сигнала Я 1 численно равно амплитуде полезной составляющей сигнала (с учетом,. того, что шумовые составляющие пэ и п 4 представляют собой некоррелированные случайные процессы с нулевым средним значением). Дисперсия сигнала Яг представляет собой мощность шумовой составляющей п 4, тогда можно записать; в(Я 1) - 1 Г 2 А,0(Яг) = ОИ (г)дС =04 (в)О со (11) ыражений (9) и (7) формул игнала Яг примет вид.Для вычисления отношения сигнал/шум необходимо получить Отношение мощности полезной состэвляюгцей к мощности шумовой составляющей. Кэк видно из 5 выражений (1) и (11) мощность полезной составляющей равна: Мощность шумовой составляющей, в соответствии с выражением (7), можно записать в виде: РМ(тИ = ИЯ, (14) Поскольку функция 1 в выражениях (9) и(12) является детерминированной функцией и зависит только от конкретного технического решения задачи умножения фазы сигналов, то можно найти функцию 1, которая является обратной по отношению к функции 1. Подставляя в (14) выражение (12) и учитывая вышеизложенное, получаем;25 РЯтИ = 2 Г 0(Яг)3. (15) Следовательно, входное отношение сигнал/шум может быть вычислено по фор 35 Таким образом, измеряя матожиданиепервого. сигнала Я, и дисперсию второго сигнала Я, можно вычислить отношение сигнал/шум при помощи формулы (16). При этом матожидание первого сигнала позво ляет определить эффективное значение сигнала (без помехи), а дисперсия второго сигнала представляет собой мощность эквивалентного шумового процесса, полезный сигнал в этом случае дает нулевой вклад, 45 Отмеченное свойство позволяет независимо измерять эквивалентные мощности полезного сигнала и шумового процесса и, используя формулу (16) для конкретного вида функции Г, определять отношения сиг нал/шум с высокой точностью.Устройство для реализации заявляемого способа определения отношения сигнал/шум М-позиционных ФМ сигналов содержит квадратор 1, последовательно со единенные вычислитель отношения сигнал/шум 2 и индикатор 3, два фазовых детектора 4 и 5, фазовращатель 6, управляемый генератор 7, четыре фильтра нижних частот 8-11, петлевой фильтр 12 и гп удвоителей фазы 13, где в =О 9 гМ, Первые входыпервого 4 и второго 5 фазовых дегекторов объединены и соединены со входом устройства, а их выходы, через соответственно первый и второй фильтры нижних частот 8 и 9, соединены с первым и вторым входами первого удвоителя фазы 13, причем первый и второй выходы 1-го удвоителя фазы 13 соединены, соответственно, с первым и вторым входами (1+1)-го удвоителя фазы 13, где 1= 1, 2,гп. Первый выход гп-го удвоителя фазы 13 через третий фильтр нижних частот 10, соединен с первым входом вычислителя отношения сигнал/шум 2, а его второй выход, через квадратор 1 и четвертый фильтр нижних частот 11, соединен со вторым входом вычислителя отношения сигнал/шум 2, а через петлевой фильтр 12 - со входом управляемого генератора 7. выход которого соединен со вторым входом первого фазового детектора 4 непосредственно, и; через фазовращатель 6, со вторым входом второго фазового детектора 5,Каждый удвоитель фазы 13 содержит два перемножителя 14 и 15, сумматор 16, вычитатель 17 и усилител ь 18, выход которого является вторым выходом удвоителя фазы 13, а вход соединен с выходом первого перемножителя 14, первый вход которого соединен с первым входом сумматора 16, первым входом вычитателя 17 и является первым входом удвоителя фазы 13. Второй вход первого перемножителя 14 соединен со вторым входом сумматора 16, вторым входом вычитателя 17 и является вторым входом удеоителя фазы 13, Выходы сумматора 16 и вычитэтеля 17 соединены соответственно с первым и вторым входами второго перемножителя 15, выход которого является первым выходом удвоителя фазы 13,Фазоеращатель 6 обеспечивает формирование фазового сдвига, равного 90 О.Усилитель 18 имеет коэффициент передачи по напряжению, равный 2,Устройство работает следующим образом,М-позиционный ФМ сигнал, определяемый в соответствии с выражением (1)-(3) поступает на объединенные входы фазовых детекторое 4 и 5 (фиг.1), на другие входы которых поступают, соответственно, колебание Яоп 1 с выхода управляемого генератора 7, и колебания Яоег с выхода фазоеращателя на 90 С, Сигналы Я и Яо на выходах фазовых детекторов 4 и 5 определяются в соответствии с выражением (5), э ,после прохождения через фильтры нижних частот 8 и 9 сигналы Я и Яо определяются из выражения (6).С выходов соответствующих фильтровнижних частот сигналы Я и Яо поступают на входы первого удвоителя фазы 13,В соответствии с фиг. 2, на выходах пер вого удвоителя фазы 13 формируются сигналы Я 11 и Яо 1 причем сигнал Яц получается путем суммирования сигналов Я и Яа в блоке 16, их вычитания в блоке 17 и перемножения полученных результатое в блоке 15, а 10 сигнал Яо 1 получается перемножением сигналов 311 и Яо в блоке 14 и усиления результэта в 2 раза в блоке 18.Аналитически это выглядит следующимобразом.15 Я 11 = (Я + Яа)(Ь + Яа),Яо 1 = 2 Ь Яа(17) Подставляя значения сигналов Я 1 и Яа 20 из выражений (6) в формулы (17) и выполняя алгебраические преобразования, получим следующие выражения:Рассмотрим случай двухпозиционногоФМ сигнала, в этом случае М = 2 и зэявляе мое устройство содержит только один удвоитель фазы, сигналы на выходах которого определяется в соответствии с выражения.ми (18),В этом случае сигналы Я 1 и Яа 1 являют.45 ся сигналами с выхода последнего (единственного) удвоителя фазы 13. Первое слагаемое в выражении (18) для Яо 1 представляет собой полезный сигнал. а остэль.ные слагаемые - есть случайные процессы с 50 нулевым средним значением, следовательно выражение для Яо 1 можно записать в виде(с учетом М = 2): 55 Яа 1 А з 1 п 2 у+ с (р ), (19) где 4 (ф, т) эквивалентный шум, предае ляющий собой сумму слагаемых со второо по пятое в формуле для Яо 1 е выраже ия 118) г 4 кКФм25 МЯ 1 = А соз ( - - - 2 р) + (п 1 - п)соз 2 р +2 лКПостоянная составляющая в выражении (19) не содержит составляющей, связанной с фазоеой манипуляцией, и пропорциональна величине фазового рассогласования управляемого генератора 7 и 5 входного сигнала. Этот сигнал, через петлевой фильтр 12, подавляющий шумовые компоненты, поступает на вход управляемого генератора 7 При этом изменяется фаза генератора 7 вплоть до компенсации фазо вой ошибки ул То есть, работает петля 12 фазойой синхронизации и обеспечивается когерентный режим работы устройства, то есть р=О.Для дальнейшего анализа выражений 15 (18), определим автокорреляционные функции (АКФ) сигналов Я 1 и 301. Можно показать, что сигналы 511 и Яо представляют собой суммы, слагаемыми которых являются некоррелированные случайные процес сы. следовательно, автокорреляционнэя функция суммы таких процессов равна сумме автокорреляционных функций каждого из слагаемых. АКФ соответствующих сигналое определяется в соответствии с выраже нием:й( г ) = Е(х(т).х(т+ г , (20) где символом Е( ) обозначается матожидание величины, заключенной в фигурные скобки, 30Применяя формулу (20) к выражениям (18), получаем формулы для АКФ сигналов 311 и Яо 1 в следующем виде(с учетом М = 2 и г=О)Из 1 (г) = А 4 + - зпс (л ф/ г ) +4 1 2 35г=1 -5Тдлительность символа передаваемого сообщениягс 1 = отношение сигнал/шум,Йо 1 й/Как видно из фиг, 1. сигнал 51 с первого 5 выхода удвоителя фазы 13 поступает на вход ФНЧ 10, где усреднением по времени формируется матожидание данного сигна-.ла. В то же время, сигнал Яо 1 со второго выхода удвоителя фазы 13 поступает нэ по Вх (О)=-ОхРх( ф) =- Гпх2(23) Следовательно, для получения квадрата сигнала 5 п на выходе ФНЧ 10 ну кно положить в выражении 21 значение г - со, а для получения сигнала Яо на выходе ФНЧ 11, нужно в выражении(22) доложить г=- О, при этом получим: Яв =1/р ( ) =2 А(24) о - зо 1(0) - А2 +42 цПодставляя значение из первой формулы выражения (24) во вторую и выполняя преобразования получаем следующее выражение: 4 яоцгвгц - ящ 2: О(25) Данное выражение представляет собой квадратное уравнение относительно неизвестного отношения сигнал/шум.Сигналы Яп и Яо поступают на соответствующие входы вычислителя отношения сигнал/шум 2, Работа блока 2 заключается в нахождении решения квадратного уравнения (25), в результате работы блока 2. на его выходе появится сигнал, содержащий информацию о величине отношения сигнал/шум о, Данная информация поступает в индикатор 3, представляющий собой устройство отображения информации е требуемой потребителю форме (визуальной, графической и др.).Блок 2 может быть выполнен в виде цифрового устройства, которое может быть реализовано гораздо проще, чем в устройстве-прототипе, поскольку не требует вычисления функций Бесселя и показательных функций.Покажем теперь, что заявляемое устройствообеспечивает определение отношения сигнал/шум не только двухпозиционных ФМ сигналов (М = 2), но и сигналов с произвольным М = 2 в. Перепишем выражение (18) в следующем виде: 31 = А соз 2 (2- р + пс 1 (26) следовательно спели енцн .1 дрэ 1 пр 1 и ФНЧ 11, при этом нэ ь 1 хлд 1 НЧ 11 формируется сигнал, представянцпй собой дисперсию процесса 5 1.Определим сигналы нэ выл.дэх блоков 10 и 11, воспользовавшись ел-дующими свойствами АКФгде пс 1 и п 81 - эквивалентные шумовые сигналы,Сравнивая выражения (Б) и (26), соответственно, на входе и выходе первого удвоителя фазы 13, видим, что полезная составляющая сигналов на выходах блока 13 удваивает свою фазу, следовательно, сигналы на выходах 1-го удвоителя фазы 13 можно записать в виде: Яи = - А зп(2 ( - р+псь(27)501 = - А 8 п(2 ( -- 0+пвь27 гК Следовательно, на выходе п 1-го удвоителя фазы (где а = 1 оц 2 М), сигналы можно записать в виде: 5 в =А 2" соз (2" р)+ псе. Бап при обработке М-позиционного ФМ. сигнала, также как сигнал Яд 1 в выражении(19) для случая двухпозиционного сигнала,не содержит составляющей, связанной с ма. нипуляцией фазы, данный сигнал, черезпетлевой фильтр 12 и управляемый генера-тор 7 обеспечивает синхронный режим работы устройства, то есть ф = О,Определение отношения сигнал/шум вобщем случае М2 выполняется аналогично рассмотренному выше случаю, При этом,поскольку все удвоители фазы 13 выполняют с сигналами нэ их входах. одинаковыеоперации, то для определения отношениясигнал/шум можно использовать результаты; полученные выше для случая М = 2, Одиниз возможных путей состоит в рекурентном. вычислении с использованием уравненияР 5),Из выражений (10) и (18) видно. что матожидание первого сигнала (т,е. сигнала напервом выходе п 1-го удвоителя фазы 13) независит от уровня шумовой компоненты, адисперсия второго сигнала(то есть, сигналана втором выходе а-го удвоителя фазы), независит от уровня полезного сигнала,Таким образом, возможен непосредственный отсчет величин, которые посредством априорно известной функции (см.выражения(12),(15),(16),(25) связаны с мощностью сигнальной и шумовой компонентына входе устройства. Возможность непосредственного отсчета указанных величинпозволяет обеспечить повышение точностипредлагаемых способа и устройства для определения отношения сигнал/шум,На дату подачи заявки, в Ростовском НИИ радиосвязи разработано техническое предложение, а также изготовлен и испытан макет удвоителя фазы. Кроме того, было проведено моделирование на ЭВМ процесса определения отношения сигнал/шум с помощью заявляемого способа и сравнения полученных результатов со случаем использования способа-прототипа. Сравнение производилось для различной степени ограничения спектра входного сигнала, а также для случая узкополосной и широкополосной помехи. Повышение точности определения отношения сигнал/шум заявляемым способом составило от 30 - и ри неограниченном входном спектре сигнала и широкополосной помехе, до 70 О/ - при жестко ограниченном спектре выходного сигнала и узкополосной помехе, Результаты испытаний макета удвоителя фазы подтвердили возможность достижения цели изобреФормула изобретения 1. Способ определения отношения сигнал/шум, при котором иэ входного сигналаформируют первый и второй сигналы, измеряют математическое ожидание первого сигнала и дисперсию второго сигнала и по измеренным величинам вычисляют отношениесигнал/шум, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения отношения сигнал/шум М-позиционных фазомэнипулированных сигналов, входной сигнал подвергают когерентной демодуляции, выполняют согласованную фильтрацию полученных после демодуляции синфазного и квадратурного сигналов, умножают фазу синфазного сигнала на М и получают первый сигнал, умножают фазу квадратурного сигнала на М и получают второй сигнал.2, Устройство для определения отноше-. ния сигнал/шум, содержащее квадратор и последовательно соединенные вычислитель отношения сигнал/шум и индикатор, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности определения отношения сигнал/шум М-позиционных фазоманипулированных сигналов, в него введены два фазовых детектора, фазовращатель, управляемый генератор, четыре фильтра нижних частот, петлевой фильтр и в удвоителей фазы, где гп = 1 оц 2 М, при этом первые входы первого и второго фазовых детекторов обьединены и соединены с входом устройства, а их выходы, через соответственно первыйи второй фильтры нижних частот, соединены с первым и вторым входами первого удвоителя фазы, причем первый и второй выходы 1-го удвоителя фазы соединены соответственно с первым и вторым входами (1+ 1)-го удвоителя фазы. где 1 = 1, 2,е, первый выход е-го удвоителя фазы через третий фильтр нижних частот, соединен с первым входом вычислителя, отношения сигнал/шум, а его второй выход через квадратор и четвертый фильтр нижних частот соединен с вторым входом вычислителя отношения сигнал/шум, а через петлевой фильтр - с входом управляемого генератора, выход которого соединен с вторым входом первого фазового детектора непосредственно и через фазовращатель, с вторым входом второго фазового детектора. 3. Устройство поп. 2, о тл и ч а ю ще ес я тем, что каждый удвоитель флзц содержит два перемножителя, сумматор, вычитатель и усилитель, выход которого является5 вторым выходом удвоителя фазы. я вход соединен с выходом первоо перемно.кителя,первый вход которого соединен с первымвходом сумматора, первым входом вычитателя и является первым входом удвоителя10 фазы, а второй вход первого перемножителя соединен с вторым входом сумматора,вторым входом вычитателя и является вторым входом удвоителя фазы, выходы сумматора и вычитателя соединены15 соответственно с первым и вторым входами второго перемножителя, выход которого является первым выходом удвоителяфазы,1798738Составитель Б. Ботащев дактор С,Куркова Техред М.Моргентал Корректор З.Салко 3 770 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035, Москва. Ж, Раушская наб 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101