Материалы Международной научно-технической конференции, 1 – 5 декабря 2015 г.

МОСКВА INTERMATIC – 2 0 1 5, часть 5 МИРЭА

АЛГОРИТМ РЕЖЕКЦИИ СОСРЕДОТОЧЕННЫХ ПОМЕХ ПРИ ПРИЕМЕ КВ СИГНАЛА С ЛЧМ

© 2015 г. И.А. ЕГОШИН, А.А. КОЛЧЕВ

Марийский государственный университет, г. Йошкар-Ола

e-mail: jungl91@mail.ru, kolchevaa@mail.ru

При радиофизическом зондировании ионосферы сигналом с линейной частот-ной модуляцией (ЛЧМ) на вход приемника ЛЧМ ионозонда поступает смесь сигнала, флуктуационного шума и сосредоточенных (станционных) помех. Особое влияние на сигнал, позволяющее исказить как сам сигнал, так и затруднить дальнейшее выделе-ние полезного сигнала, оказывают станционные помехи.

Известны способы подавления такого рода помех: компенсационный способ, оптимальный выравниватель, режекция участка спектра представленные в работе [1]. Однако при их реализации необходимо иметь некоторое предположение о структуре самих помех, что в условиях приема ЛЧМ сигнала выполнить не возможно.

В связи с чем, необходимым шагом при разработке методики является исполь-зование адекватных алгоритмов обнаружения и дальнейшего подавления станционных помех, на основе выделения аномальных значений.

Классическая методика приема ЛЧМ сигнала

Излучаемый радиосигнал с частотой линейно возрастающей со временем:

( ) ( )[ ],tftf2jexpata 2o0 ππ +⋅= ,Tt0 c<< где 0a – амплитуда сигнала, 0f – начальная

частота, f – скорость перестройки частоты, cT – длительность сеанса зондирования, после его распространения в ионосфере фиксируется на приемной антенне и поступа-ет на вход приемника. Полученный радиосигнал приобретает задержку τ , зависящую от высоты отражающей области и расстояния разнесенности радиоприемного и ра-диопередающего устройств. В приемнике происходит аналого-цифровое преобразова-ние (АЦП) с целью получения дискретного сигнала, что необходимо для дальнейшей цифровой обработки. После чего производится его сжатие в частотной области, осу-ществляемое для выделения квазигармонических сигналов зондирования. Данная процедура заключается в умножении принятого сигнала )t(a τ−пр на сигнал гетероди-на (точной копией излученного сигнала):

)]sincoscos(sini

)sinsincos[(cosaa)t(a)t(a)t(A

2121

2121излпризлпр

ϕϕϕϕϕϕϕϕτ

−

++⋅=⋅−=

Для выделения полезного сигнала выполняется фильтрация низких частот

(ФНЧ). В большинстве случаев, заключительным этапом обработки является спек-

тральный анализ, т.е. непрерывно происходит оценка скользящего спектра мощности. Последовательность таких спектров образует ионограмму, связывающую задержку t (или высоту h отражающего ионосферного слоя) с частотой излучаемого сигнала.

82

Рис. 1. Блок схема классической методики приема ЛЧМ сигнала.

АЦП ФНЧ

Анализатор спектра

Гетеродин

На рис. 1 представлена Блок схема клас-сической методики приема ЛЧМ сигнала.

Известно, что мощные сосредоточенные помехи существенно искажаются в тракте при-емника и способы обнаружения, основанные на фильтрации или корреляционной обработке сигналов известной формы [2], оказываются неприменимыми, на выходе системы сжатия в частотной области. Таким образом, необходи-мо производить фильтрация помех до опера-ции сжатия в частотной области.

Способ подавления станционных помех при приеме ЛЧМ сигнала На входе системы сжатия приемника ЛЧМ ионозонда берется выборка из эле-

ментов сигнала )t(вхa общей длительностью не менее 10T =A секунд, и производится

оценка скользящего спектра мощности, таким образом, чтобы результатом являлась спектрограмма (см. рис. 2, а) с соответствующим общим временем анализа и частот-ным разрешением равным характерным значениям ширины спектра сосредоточенной помехи (или не хуже =Δf 3 кГц).

а) б)

Рис. 2. Спектрограмма входа приемника полученной на радиотрассе Кипр — Йош-кар-Ола, 16 июня 2014 г. в 13:45:40 UTC с частотой дискретизации 2 МГц а) исход-ная, б) после применения оценки аналогичной описанной в патенте [3].

Для каждой полосы частот спектрограммы [ ]f)1k(f;fkf 00 ΔΔ ⋅++⋅+ рассчиты-

вается сумма спектральной плотности мощности смеси сигнала и шума sumkP . Резуль-

тат данного суммирования проиллюстрирован на Рис. 2 (сверху) в виде гистограммы. Из рисунка видно, что суммы спектральной плотности мощности соответствующие по-лосам частот с сосредоточенной помехой в разы превышают суммы с отсутствием этих помех.

Поиск частотных каналов пораженных сосредоточенными помехами произво-дится по методике выделения аномальных значений аналогичной описанной в патенте [3], где используется критерий обнаружения грубых ошибок в экспериментальных из-мерениях, справедливого для большого числа законов распределения, т.е. если для суммы спектральной плотности мощности сигнала sum

kP выполняется оценка:

83

))10/Klg(2E8,055,1(s|PP| sumsumk ⋅++⋅≤− ,

где K – количество полученных сумм (частотных каналов), ==

K

1i

sumi

sum PK1P , s –

среднее квадратическое отклонение сумм спектральной плотности мощности sumkP , E –

эксцесс сумм спектральной плотности мощности sumkP , то нет оснований считать, что

данное значение значительно отличающимся от среднего. Если данное неравенство для некоторой суммы спектральной плотности мощ-

ности не выполняется и sumsumk PP > , то на соответствующей полосе частот рассматри-

ваемой суммы присутствует станционная помеха. Пример обнаружения пораженных частотных каналов по данной методике ото-

бражен на Рис. 2, б. Таким образом, на основе вышеописанного оценивания формируется список

частотных каналов *kfΔ пораженных сосредоточенной помехой.

Подавление сосредоточенных помех в сигнале на входе системы сжатия при-емника ЛЧМ ионозонда )t(вхa

предлагается проводить путем реализации анализатора спектра с помощью полосовых фильтров.

Если длительность одного элемента сигнала эT , то полоса каждого фильтра

равна эT1

. Эти фильтры должны покрывать диапазон частот от )tfmin( i до )tfmax( i , где

f – скорость перестройки частоты. Количество фильтров: эii T))tfmin()tf(max(L ⋅−≥ . Причем величина эT выбирается таким образом, чтобы соответствующая поло-

са частот эfΔ была равна частотному разрешению полученной ранее спектрограммы входа приемника.

При последовательном поступлении элементов сигнала вместе со сформиро-ванным после оценивания списком частотных каналов *

kfΔ на соответствующие

фильтры kΦ )Lk1( ≤≤ , обнуляются те элементы сигнала, которые принадлежат диа-пазону полос частот с сосредоточенной помехой.

Отметим, что обнуление участка спектра необходимо производить либо с при-менением оконных функций, либо полосовых фильтров (Баттерворта или др.) для ис-ключения появления гармоник сигнала являющихся следствием периодического уда-ления смеси сигнала и шума прямоугольным окном.

На выходе фильтров kΦ )Lk1( ≤≤ полученный сигнал с подавленными сосре-доточенными помехами поступает на блок операции сжатия сигнала в частотной об-ласти.

Результат работы предлагаемой методики представлен на Рис. 3. Оценка эффективности предложенной методики проводилась при помощи

сравнения значений отношения сигнал/шум в частотной области на ионограммах (с полосой частот равной 100 кГц) полученных с удалением и без удаления станционных помех. При этом наблюдался выигрыш отношения сигнал/шум в полосе пораженной станционной помехой в среднем на 2,5 дБ, что соответствует формуле выигрыша при полной режекции участка спектра [1]:

),1)(1(Q сспp βα −+=

где ;P/PP/P шспk

шkсп ==α =kkсп PP – суммарная мощность сосредоточенных (узко-

полосных) помех; шP – мощность гладкого шума.

84

Из данной формулы следует, что выигрыш при использовании данного метода линейно убывает с расширением полосы сосредоточенной помехи и при

→==k

kc 1F/F

Ff ΔΔβ равен нулю.

а) б)

Рис. 3. Ионограммы, полученные на радиотрассе Кипр — Йошкар-Ола, 9 сентяб-ря 2014 г. а) в 5:20:15 UTC без удаления сосредоточенных помех, б) в 6:15:15 UTC с применением описанной выше методики.

Заключение

Разработанная методика позволяет производить поиск полос частот занятыми сосредоточенными помехами и выполнять их режектирование на входе системы сжа-тия в частотной области ЛЧМ ионозонда путем реализации анализатора спектра с по-мощью полосовых фильтров. Главной особенностью предложенной методики является использование алгоритма выделения аномальных значений для поиска полос частот занятыми сосредоточенными помехами, что позволяет избавиться от необходимости ввода предположения о структуре помехи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Тузов Г.И., Сивов В.А., Прытков В.И. и др. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами / Под ред. Г. И. Тузова. М.: Радио и связь, 1985. – 264 с.

2. Бернгардт О.И., Носов В.Е., Рудых Т.Ю. Способ подавления сосредоточенных по-мех в ЛЧМ-ионозонде // Материалы Байкальской молодежной научной школы по фундаментальной физике. - Иркутск: ИСЗФ СО РАН, 1999. – С. 549-554.

3. Пат. 2290756 РФ. Способ подавления сосредоточенных помех при приеме непре-рывного линейно-частотно-модулированного сигнала / А.А. Колчев, А.О. Щирый; Марийский гос. ун-т. № 2005115593/09; Заявл. 23.05.2005; Опубл. 27.12.2006.

85