RU2491717C2 - Method of increasing signal-to-noise level (ratio) using "disturbance damping principle" - Google Patents
Method of increasing signal-to-noise level (ratio) using "disturbance damping principle" Download PDFInfo
- Publication number
- RU2491717C2 RU2491717C2 RU2010117813/08A RU2010117813A RU2491717C2 RU 2491717 C2 RU2491717 C2 RU 2491717C2 RU 2010117813/08 A RU2010117813/08 A RU 2010117813/08A RU 2010117813 A RU2010117813 A RU 2010117813A RU 2491717 C2 RU2491717 C2 RU 2491717C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signal
- noise
- interference
- frequency
- time
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04B—TRANSMISSION
- H04B7/00—Radio transmission systems, i.e. using radiation field
- H04B7/02—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas
- H04B7/04—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas
- H04B7/08—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station
- H04B7/0837—Diversity systems; Multi-antenna system, i.e. transmission or reception using multiple antennas using two or more spaced independent antennas at the receiving station using pre-detection combining
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Noise Elimination (AREA)
- Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Optical Communication System (AREA)
- Ultra Sonic Daignosis Equipment (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИFIELD OF TECHNOLOGY
Изобретение относится к области приема, как электромагнитных сигналов (в том числе оптических), так и для сигналов, распространяющихся в результате упругих колебаний среды (акустических и гидроакустических), в которой они распространяются, вне зависимости от частотного диапазона. Прием сигналов осуществляется в астрономии, радиотехнике, акустике, гидроакустике и других областях человеческой деятельности, как с целью извлечения некой информации, переносимой сигналом, так и с целью измерения параметров самого сигнала. Это и определяет ту область техники, к которой относится заявляемое решение. Предполагается в связи с заявленным решением, что прием может осуществляться не только на фоне шумов естественного или техногенного характера, но и преднамеренно введенных в структуру передаваемого сигнала.The invention relates to the field of reception, both electromagnetic signals (including optical), and for signals propagating as a result of elastic vibrations of the medium (acoustic and hydroacoustic) in which they propagate, regardless of the frequency range. Reception of signals is carried out in astronomy, radio engineering, acoustics, sonar and other areas of human activity, both for the purpose of extracting some information carried by the signal, and for the purpose of measuring the parameters of the signal itself. This determines the technical field to which the claimed solution belongs. It is assumed in connection with the stated decision that reception can be carried out not only against the background of noise of a natural or technogenic nature, but also deliberately introduced into the structure of the transmitted signal.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND
Существует несколько близких аналогов предлагаемого решения. Все они в разной степени содержат зачатки нового решения.There are several close analogues of the proposed solution. All of them, to varying degrees, contain the beginnings of a new solution.
Первый аналог: Система разнесенного приема на две антенны, повышающая эффективность приема на 3…5 dB, что эквивалентно повышению мощности абонентской станции в 2 раза. [1]. Основное назначение применения системы разнесенного приема это борьба с замираниями сигнала, возникающими в результате многолучевого распространения, поэтому появившийся положительный эффект повышения эффективности приема на 3…5 dB, используемый в заявляемом изобретении как основной результат, в данном аналоге не получил дальнейшего развития.The first analogue: A system of diversity reception on two antennas, which increases reception efficiency by 3 ... 5 dB, which is equivalent to a 2-fold increase in the power of a subscriber station. [one]. The main purpose of the use of the diversity reception system is to combat signal fading resulting from multipath propagation, therefore, the positive effect that has appeared is to increase the reception efficiency by 3 ... 5 dB, used as the main result in the claimed invention, has not been further developed in this analogue.
Второй аналог: фазированная антенная решетка (ФАР, наиболее совершенный аналог радиолокатора), где суммируется до тысячи входных сигналов. Полезный сигнал выделяется способом пространственной селекции. Как излученный импульс, так и отраженный сигнал монохромной частоты синхронизируется по фазе, а не по временной задержке, как в заявляемом изобретении, перед суммированием для итогового усиления [2].The second analogue: phased array antenna (PAR, the most advanced analogue of the radar), where up to a thousand input signals are summarized. A useful signal is extracted by spatial selection. Both the emitted pulse and the reflected signal of monochrome frequency are synchronized in phase and not in time delay, as in the claimed invention, before summing for the final gain [2].
Задача, выделить полезный сигнал из шумов - здесь не ставится. Вероятно, эта задача здесь и выполняется при определенных условиях, но не по причине осознанного и целенаправленного использования данного результата.The task of isolating a useful signal from noise is not set here. Probably, this task here is carried out under certain conditions, but not because of the conscious and deliberate use of this result.
Третий аналог: система связи, состоящая из множества приемников ЭМИ, в которой из всех сигналов автоматически выбирается (и коммутируется на выход) один наиболее сильный (и, следовательно, наиболее достоверный) из принимаемых сигналов. Задача выделить полезный сигнал из шумов здесь также не ставится как осуществимая. В литературе описано много способов выбора по различным критериям наиболее оптимального канала приема, в том числе сложения сигналов из нескольких каналов [3]. Но результат увеличения дальности приема и повышения достоверности принимаемой информации здесь достигается простым инженерным решением. Наиболее близким по п.1 формулы изобретения является Патент РФ №2075832 от 20.03.1997 [4].Third analogue: a communication system consisting of many EMR receivers, in which of all the signals, one of the strongest (and, therefore, the most reliable) of the received signals is automatically selected (and switched to the output). The task of isolating a useful signal from noise here is also not posed as feasible. The literature describes many ways to select according to various criteria the most optimal receive channel, including the addition of signals from several channels [3]. But the result of increasing the reception range and increasing the reliability of the received information here is achieved by a simple engineering solution. Closest to claim 1 of the claims is RF Patent No. 2075832 of 03/20/1997 [4].
Четвертый аналог: Параболическая антенна, которая определяется как геометрическое место точек, равноудаленных от фокуса и плоскости раскрыва антенны. Этим обеспечивается синфазность поля в раскрыве антенны при ее работе в качестве излучателя и сложение (усиление) сигнала в фокусе независимо от частоты и фазы при приеме сигналов. К ее недостаткам можно отнести: 1) необходимость механического вращения для изменения направления приема, и 2) отсутствие возможности гибкого выбора алгоритмов пространственной селекции сигналов.Fourth analogue: A parabolic antenna, which is defined as the geometrical location of points equidistant from the focus and aperture plane of the antenna. This ensures that the field is in phase in the aperture of the antenna when it operates as an emitter and the addition (amplification) of the signal in focus, regardless of the frequency and phase when receiving signals. Its disadvantages include: 1) the need for mechanical rotation to change the direction of reception, and 2) the lack of flexible selection of algorithms for spatial selection of signals.
Пятый аналог (по пункту 3 формулы изобретения). В литературе описаны различные способы подавления помех радиоприему. Как теоретически идеальный, но практически трудно осуществимый, приводится компенсационный метод [5]. На практике этот метод подавления помех оказывается эффективным только тогда, когда в потоке преобладают аддитивные помехи с параметрами, регулярно изменяющимися во времени. Он используется, например, для подавления некоторых видов индустриальных и атмосферных помех. В других случаях применяют иные, как относительно простые, методы: частотной фильтрации, временной селекции и амплитудного ограничения, основанные на различии сигнала и помехи соответственно по частотному спектру, времени прихода и уровню; так и сложные для реализации методы, например: синхронное детектирование, корреляционный прием, а также используют приемные антенны с узкой диаграммой направленности, что наиболее целесообразно, когда сигнал и помеха «приходят» к антенне с разных направлений.The fifth analogue (according to
Наиболее близким по сущности аналогом по пункту 3 формулы изобретения (как способ борьбы с помехами) является синхронное детектирование, при котором полезный сигнал поступает на вход оконечного сумматора после перемножения с неким эталонным сигналом, а фрагменты помехи после перемножения с эталоном оказываются на входе оконечного сумматора в противофазе, благодаря чему, взаимно компенсируются. Выражаясь иначе, из-за не совпадения частоты помехи и эталона, в отличие от сигнала, ее спектр после перемножения сдвигается вверх по частоте относительно сигнала, что облегчает на этапе фильтрации ее (помехи) подавление [6]. Благодаря наличию оконечного сумматора в составе синхронного детектора в нем происходит явление, описываемое принципом затухания помехи [7]. С другой стороны, необходимость выделения из входного сигнала указанного выше эталонного сигнала предполагает его достаточный уровень по сравнению с уровнем помехи, поступающим на вход приемника вместе с сигналом. Что делает невозможным выделение полезного сигнала из смеси с помехой, когда уровень сигнала недостаточен или меньше, чем уровень помехи.The closest in essence analogue to
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION
В формуле дальности радиосвязи [8] отношение мощности сигнала к мощности шума является ключевым. При заданной длине волны коэффициенты усиления антенн не могут дать решающего преимущества. Отношение же мощности передатчика к мощности на входе приемника, именуемое далее как сигнал/шум (С/Ш), позволяет, с математической точки зрения, в широких пределах изменять дальность радиосвязи.In the radio range formula [8], the ratio of signal power to noise power is key. At a given wavelength, antenna gains cannot provide decisive advantages. The ratio of the transmitter power to the power at the receiver input, hereinafter referred to as signal-to-noise (S / N), allows, from a mathematical point of view, to vary the radio range over a wide range.
Исторически все технические решения в области приема сигналов, будь то сигнал радиостанции, луч лазера на выходе оптоволокна, отраженный сигнал радиолокатора или сигнал эхолота, сигнал, дошедший до нас от далекой звезды, и так далее, были направлены на повышение чувствительности принимающих эти сигналы приборов. Но создатели всегда наталкивались на некий предел, когда из-за внешних или внутренних шумов, присущих приборам, сигнал становилось принять с нужным качеством невозможно. Уровень сигнал/шум оказывался ниже критического [9]. Появились различные способы преодоления этого барьера. К одним из них относится заявляемое техническое решение.Historically, all technical solutions in the field of signal reception, whether it is a radio station signal, a laser beam at the optical fiber output, a reflected radar signal or an echo sounder signal, a signal that has come down to us from a distant star, and so on, have been aimed at increasing the sensitivity of devices receiving these signals. But the creators have always come across a certain limit when, due to external or internal noise inherent in the devices, the signal became impossible to receive with the right quality. The signal-to-noise level was below the critical level [9]. Various ways have emerged to overcome this barrier. One of them is the claimed technical solution.
Для достоверного воспроизведения переданной информации играет роль не только входное отношение С/Ш, но и способность декодера (демодулятора) извлекать информацию при данном уровне С/Ш. С учетом существования теоретического предела для отношения С/Ш, при котором еще возможно что-то извлечь из принятого сигнала при заданной пропускной способности канала связи, решение увеличения дальности связи следует искать межу входом приемника и входом декодера в области математических методов, способов и алгоритмов обработки принятого сигнала. Одним из таких решений является заявляемое изобретение.For reliable reproduction of the transmitted information, not only the input S / N ratio plays a role, but also the ability of the decoder (demodulator) to extract information at a given S / N level. Given the existence of a theoretical limit for the S / N ratio, at which it is still possible to extract something from the received signal for a given communication channel bandwidth, a solution to increasing the communication range should be sought between the receiver input and the decoder input in the field of mathematical methods, methods and processing algorithms received signal. One such solution is the claimed invention.
Традиционно конструкция "источник сигнала - канал связи - приемник" представляет собой одномерную структуру. Согласно повсеместно распространенной структуре системы связи сигнал смешивается с шумом в канале связи. Но фактически в подавляющем большинстве случаев сигнал и помеха (С+Ш) попадают в антенну, которая, по сути, является входом приемника, с разных направлений. То есть, смесь сигнала с шумом на входе приемника обладает пространственно-временной структурой. Предложенное патентное решение как раз использует это свойство входной смеси С+Ш.Traditionally, the design "signal source - communication channel - receiver" is a one-dimensional structure. According to the ubiquitous structure of the communication system, the signal is mixed with noise in the communication channel. But in fact, in the vast majority of cases, the signal and interference (C + W) fall into the antenna, which, in fact, is the input of the receiver from different directions. That is, the mixture of signal and noise at the input of the receiver has a spatio-temporal structure. The proposed patent solution just uses this property of the input mixture C + N.
Явление затухания, которому подвергается и шум, и сигнал в заявленном решении, описывается с практической точки зрения «принципом затухания помехи» (ПЗП) и раскрывается далее. Согласно классификации методов борьбы с помехами, которую привел В.А. Котельников в своей классической работе «Теория потенциальной помехоустойчивости», по п.1, 3 формулы изобретения используются одновременно первых два метода, это повышение мощности сигнала и снижение уровня помех.The attenuation phenomenon to which both the noise and the signal is exposed in the claimed solution is described from a practical point of view by the “interference damping principle” (PZP) and is described below. According to the classification of anti-interference methods, cited by V.A. Kotelnikov in his classic work "Theory of potential noise immunity", according to
Термин «пространственная селекция», используемый в п.1 формулы изобретения, понимается здесь по аналогии с общеизвестным термином «временная селекция», как физическое явление, возникающее, когда для приема используются множество пространственно разнесенных точек приема. Для получения усиления и возникновения пространственной избирательности сигналы из точек приема подаются на вход суммирующего устройства в одной и той же фазе, которая определяется по одному и тому же фронту волны. Так в параболической антенне синхронизация по времени задержки фронта волны достигается геометрическими средствами. Все другие сигналы, попадающие в фокус после отражения в результате не идеальности отражающей поверхности, являются шумом, и они починяются принципу ПЗП.The term "spatial selection" used in
На фигуре 1 показана, как пример, полученная методом численного моделирования характеристика избирательности. По оси х указан угол отстройки между направлением на источник излучения и направлением на точку приема, шаг для вычисления составлял 6 градусов. В среднем ослабление сигнала составляет 7 раз (≈17 дБ). Антенное поле включает 37 приемников, расположенных радиально относительно центра на примерно одинаковом расстоянии друг от друга. Уже при первом отклонении в 6 градусов суммарный сигнал падал до среднего из минимальных значений уровня.The figure 1 shows, as an example, obtained by numerical simulation the characteristic of selectivity. The x-axis indicates the offset angle between the direction to the radiation source and the direction to the receiving point, the step for calculation was 6 degrees. On average, signal attenuation is 7 times (≈17 dB). The antenna field includes 37 receivers located radially relative to the center at approximately the same distance from each other. Already at the first deviation of 6 degrees, the total signal fell to the average of the minimum level values.
В современной литературе различают два вида помех, аддитивные и мультипликативные. Суммарный сигнал описывают выражением:In modern literature, two types of interference are distinguished, additive and multiplicative. The total signal is described by the expression:
Где, Sp - сигнал в смеси с помехой до обработки в приемном устройстве;Where, Sp - signal in the mixture with interference before processing at the receiving device;
Ар - аддитивная помеха, ее источники - внутренние и внешние шумы;Ar is an additive noise, its sources are internal and external noise;
Мр - мультипликативная помеха, которая возникает в результате нелинейных процессов и без сигнала не наблюдается, чаще всего бывает модуляционного типа.Mr - a multiplicative interference that occurs as a result of nonlinear processes and is not observed without a signal, most often it is a modulation type.
Для модуляционного характера Мр выражение (1) перепишется в виде:For the modulating nature of Mr, expression (1) is rewritten in the form:
Где, m - коэффициент глубины модуляции.Where, m is the modulation depth coefficient.
Поскольку на практике полностью исключить Мр невозможно, а ее сведение к нолю приведет согласно выражению (1) к исчезновению сигнала, то для описания смеси сигнал/помеха более правильно использовать выражение (2), которое при пренебрежимо малом уровне Мр или m сводится к известному выражениюSince in practice it is impossible to completely eliminate Mr, and its reduction to zero will lead to the disappearance of the signal according to expression (1), then to describe the signal / noise mixture it is more correct to use expression (2), which for a negligible level of Mr or m reduces to the known expression
В результате синхронизации суммируемых полезных сигналов при приеме из дальней зоны, когда разность между минимальной и максимальной величиной сигнала Si становится пренебрежимо малой, из (1) и (2) получаем выражения (3) и (4):As a result of synchronization of the summarized useful signals when receiving from the far zone, when the difference between the minimum and maximum value of the signal S i becomes negligible, from (1) and (2) we obtain expressions (3) and (4):
В обоих приведенных выражениях первые слагаемые в правой части равенств (3) и (4) в соответствии с принципом ПЗП с ростом n увеличиваются значительно медленнее вторых сумм, благодаря чему усиливаются компоненты, содержащие в себе полезный сигнал. Выражения в скобках, содержащие суммы Мр в обоих равенствах, аналогично сумме аддитивных помех с ростом n увеличиваются значительно медленнее произведения n*S. При этом в выражении (3) с ростом уровня Мр снижается доля Ар в сигнале и теряется зависимость S от n, что также вызывает предположение о несоответствии представления сигнал/шум выражениями (1) и (3).In both expressions given above, the first terms on the right-hand side of equalities (3) and (4), in accordance with the principle of the PZP, increase significantly slower than the second sums with increasing n, due to which the components containing the useful signal are amplified. The expressions in parentheses containing the sums of Mr in both equalities, similarly to the sum of additive noise with increasing n, increase much more slowly than the product n * S. Moreover, in expression (3), with an increase in the level of Mr, the fraction of Ap in the signal decreases and the dependence of S on n is lost, which also raises the assumption that the signal-to-noise representation does not correspond to expressions (1) and (3).
В дальнейшем изложении везде под снижением уровня помехи при суммировании следует понимать ее уменьшение относительно своего максимально возможного уровня, в противоположность тому, что происходит с полезным сигналом, который растет пропорционально произведению n на S в выражении (4) благодаря синхронизации. Синхронизация может быть выполнена либо только по несущей частоте (по п.1 формулы), либо, как в показано в одном из примеров реализации, по огибающей (по модулирующему сигналу).In the following presentation, everywhere, by reducing the level of interference during summation, we should understand its reduction relative to its maximum possible level, in contrast to what happens with a useful signal, which grows in proportion to the product of n by S in expression (4) due to synchronization. Synchronization can be performed either only by the carrier frequency (according to
Термин ПЗП, введен для обозначения явления, которое связано с тем, что при суммировании n-ного количества независимых случайных величин изменяется закон распределения вероятностей отклонения случайной величины от своего среднего значения, который в пределе сходится к нормальному закону.1 (1 Согласно Утверждению 1 при суммировании случайных величин изменяется их закон распределения вероятностей.)The term PPP is introduced to denote a phenomenon that is associated with the fact that when summing the nth number of independent random variables, the law of the probability distribution of the deviation of the random variable from its average value changes, which in the limit converges to the normal law. 1 ( 1 According to
Кроме того, условие независимости может выполняться как в случае взятия n выборок из принимаемого сигнала последовательно во времени, так и в случае взятия n пространственно разнесенных выборок одного и того же сигнала.2 (2 Утверждение 2, подтверждение справедливости которого приводится в следующем разделе данного описания.) Это приводит к наличию 4-х пунктов в формуле изобретения. Границы выполнения условий независимости приведены далее.In addition, the independence condition can be satisfied both in the case of taking n samples from the received signal sequentially in time, and in the case of taking n spatially separated samples of the same signal. 2 ( 2
Далее в описании показано, что изменение закона распределения вероятностей отклонения случайной величины от своего среднего значения при суммировании n-ного количества независимых случайных величин отчетливо проявляется и при другом распределении вероятностей суммируемых случайных величин, которое с ростом числа слагаемых также сходится к нормальному закону3. (3 Утверждение 3, пример подтверждения приводится в следующем разделе описания изобретения.)The description below shows that a change in the law of the probability distribution of a deviation of a random variable from its average value when summing the nth number of independent random variables is also clearly manifested with a different probability distribution of the summed random variables, which also converges to normal law 3 with an increase in the number of terms. ( 3
Далее также показано, что относительный уровень помехи (суммы Api и Mpi в правой части выражений (3), (4), поделенные на и и максимальное значение отклонения помехи) в соответствии с данным принципом при увеличении числа слагаемых ассимптотически стремится к некоему минимальному пределу4. (4 Утверждение 4 гласит об асимптотическом убывании относительного уровня помехи при увеличении числа суммируемых выборок.)Further, also shows that the relative level of noise (amount Api and Mpi the right side of Expression (3), (4) divided by u and the maximum deviation of noise) in accordance with the principle of increasing the number of terms asymptotically approaches a certain minimum limit 4 . ( 4
Четыре приведенных Утверждения, помеченные подчеркиванием и сносками, в совокупности и составляют основу Принципа затухания помехи.The four given Statements, marked with underlining and footnotes, together constitute the basis of the principle of interference attenuation.
В математике известна теорема A.M. Ляпунова, сформулированная и доказанная им в 1901 г., которая утверждает, что всегда, когда случайная величина образуется в результате сложения большого числа независимых случайных величин с конечными дисперсиями, закон распределения этой случайной величины оказывается практически нормальным законом. [10]. Эту теорему теории вероятностей можно и/или следует считать основой Утверждений 1 и 3 ПЗП.Theorem A.M. is known in mathematics. Lyapunov, formulated and proved by him in 1901, which claims that whenever a random variable is formed as a result of adding a large number of independent random variables with finite variances, the distribution law of this random variable turns out to be a practically normal law. [10]. This probability theory theorem can and / or should be considered the basis of
Согласно "Закона больших чисел", объединяющего группу теорем теории вероятностей, положенного в основу Утверждения 4, при определенных, достаточно общих, условиях, с увеличением числа суммируемых случайных величин среднее арифметическое их суммы стремится к среднему арифметическому математических ожиданий и в бесконечности перестает быть случайным. Интегральная теорема Лапласа, в свою очередь, задает закон изменения дисперсии полученной суммы от числа слагаемых случайных величин, которая оказывается пропорциональной корню квадратному из числа слагаемых. [11].According to the "Law of Large Numbers", which unites the group of theorems of probability theory, which is the basis of
Установка в названии ПЗП акцента на главном свойстве этого явления - свойстве затухания, введение Утверждение 2 и перенос трех вышеназванных законов из области теории вероятностей, которая описывает свойства случайных величин, в область описывающую законы распространение волн. посредством которых осуществляется перенос информации создают инструмент ПЗП, который лежит в основе изобретения.Setting the emphasis in the title of the PPP on the main property of this phenomenon - the property of damping, the introduction of
Количественной мерой независимости случайных отсчетов или случайных процессов, от которой зависит скорость затухания помехи, принято считать значения корреляционной функции. Так отсчеты, разделенные интервалами времени, кратными 1/(2F), оказываются взаимно не коррелированными, что для гауссовских величин означает независимость [12], где F - верхняя частота спектра полосы сигнала. В то же время значения случайных процессов являются некоррелированными только при неограниченной полосе частот. Любое ограничение частотной полосы вносит определенную корреляцию в процесс и независимыми друг от друга можно считать только значения процесса, отстоящие друг от друга как минимум на интервал корреляции равный 1/2F [13]. Так по выражению (4) коэффициент корреляции или значение корреляционной функции для полезного сигнала стремится к максимальному значении. Без синхронизации полезный сигнал претерпевает такое же затухание, как и помеха.Values of the correlation function are considered to be a quantitative measure of the independence of random samples or random processes, on which the noise decay rate depends. So, samples separated by time intervals that are multiples of 1 / (2F) turn out to be mutually uncorrelated, which means independence for Gaussian values [12], where F is the upper frequency of the spectrum of the signal band. At the same time, the values of random processes are uncorrelated only with an unlimited frequency band. Any limitation of the frequency band introduces a certain correlation into the process, and only process values that are at least 1 / 2F apart from each other can be considered independent of each other [13]. So, according to expression (4), the correlation coefficient or the value of the correlation function for the useful signal tends to the maximum value. Without synchronization, the useful signal undergoes the same attenuation as interference.
Для подтверждения с помощью вычислительных моделей (ВМ) Утверждения 1 ПЗП суммируемые случайные величины принимаем подчиненными случайному закону с равномерным (прямоугольным) законом распределения вероятностей. Такое распределение вероятностей близко к белому шуму, используется в компьютерном программном приложении для генерирования случайных, чисел, и отличается от него конечным спектром. [14]. Другое допущение при построении всех ВМ состоит в оперировании дискретными распределениями вероятностей и выбором шкалы динамического диапазона сигналов из ряда целых чисел [15]. Примем также, что шум в любом из n каналов приема имеет одинаковый динамический диапазон.To confirm with the help of computational models (VM)
Очередное допущение связано с переходом во всех ВМ от мощности сигнала или помехи к линейной характеристике именуемой в радиоэлектронике как средневыпрямленное значение (СВЗ в математике называется среднеарифметическим значением взятых по модулю значений) и обусловлено несколькими причинами:Another assumption is associated with the transition in all VMs from the signal power or interference to the linear characteristic referred to in radio electronics as the average straightened value (SVZ in mathematics is called the arithmetic mean of the values taken modulo the values) and is due to several reasons:
1. Согласно [13] мощность дискретного сигнала с нулевым математическим ожиданием вычисляется по формуле:1. According to [13], the power of a discrete signal with zero mathematical expectation is calculated by the formula:
где Ui(t) - i-я выборка сигнала. where U i (t) is the ith signal sample.
В то же время СВЗ равно что приводит к сокращению большого объема операций. Операция возведения в квадрат не несет никакой информации и СВЗ является линейной характеристикой относительно значений выборок.At the same time, the SVZ is equal to which leads to a reduction in the large volume of operations. The squaring operation does not carry any information and the SVZ is a linear characteristic with respect to sample values.
2. На простейших моделях для гармонического сигнала, случайного сигнала, амплитудно модулированного (AM) сигнала и узко полосной помехи (УПП) было установлено, что:2. On the simplest models for a harmonic signal, a random signal, an amplitude-modulated (AM) signal and narrow-band interference (SCP), it was found that:
Причем константа не зависит от начальной амплитуды, при изменении несущей частоты ее значение меняется незначительно лишь в третьем знаке после запятой, и зависит линейно в последних двух случаях от глубины модуляции m.Moreover, the constant does not depend on the initial amplitude; when the carrier frequency changes, its value changes insignificantly only in the third decimal place, and depends linearly in the last two cases on the modulation depth m.
- гармонический сигнал - Const равна 1,236;- harmonic signal - Const is 1.236;
- случайный сигнал - Const равна 1,32; Колебания при перевычислениях менее 3%;- random signal - Const is 1.32; Fluctuations in re-calculations less than 3%;
- AM - сигнал (Signal) и УПП-помеха (Ротепа) зависят от m очень близко.- AM - signal (Signal) and soft starter (Rothepa) depend on m very close.
Во всех ВМ и сигнал и помеха модулировались с коэффициентом модуляции m травным 0,5 при вычислении же отношения С/Ш константы в числителе и знаменателе сокращаются, что доказывает справедливость и целесообразность данного допущения.In all VMs, both the signal and the interference were modulated with a modulation coefficient m of grass 0.5, while calculating the S / N ratio, the constants in the numerator and denominator are reduced, which proves the validity and expediency of this assumption.
Приступая к описанию ВМ, подтверждающих справедливость Утверждений ПЗП, введем ряд обозначений. Для расчета изменения вероятности P(x) отклонения случайной величины (помехи) х от своего среднего значения зададимся динамическим диапазоном ее максимального отклонения D/2. Число всех возможных состояний N при суммировании n независимых случайных величин (число каналов приема) определяется выражением:Getting to the description of VM, confirming the validity of the claims of the PPP, we introduce a number of notation. To calculate the change in the probability P (x) of the deviation of a random variable (interference) x from its average value, we set the dynamic range of its maximum deviation D / 2. The number of all possible states N when summing n independent random variables (the number of receive channels) is determined by the expression:
Откуда видно, что число состояний равно удвоенному динамическому диапазону, возведенному в степень числа суммируемых независимых случайных составляющих.It can be seen that the number of states is equal to twice the dynamic range raised to the power of the number of summable independent random components.
Количество всех возможных сумм С (число событий) определится из равенства:The number of all possible sums C (the number of events) is determined from the equality:
Наименьшая и наибольшая суммы соответственно равны для случая, когда помеха меняется в положительной и отрицательной области и ее распределение симметрично относительно ноля,The smallest and largest sums are respectively equal for the case when the interference changes in the positive and negative region and its distribution is symmetrical with respect to zero,
Для положительной области в интервале от 1 до D, они соответственно равны:For a positive region in the range from 1 to D, they are respectively equal:
Вероятность появления конкретной суммы P(x), равной P(x, n) и P(C i), будет определяться числом всех возможных комбинаций, дающих сумму C i, деленному на число всех состояний N. Соответственно, сумма всех P(C i) равна единице.The probability of a specific sum P (x) equal to P (x, n) and P (C i) will be determined by the number of all possible combinations giving the sum C i divided by the number of all states N. Accordingly, the sum of all P (C i ) is equal to one.
При прямоугольном распределении вероятностей в одном канале все P(C i) равны величине обратной динамическому диапазону. При суммировании динамический диапазон растет пропорционально числу суммируемых событий (D*n), а число состояний увеличивается пропорционально динамическому диапазону, возведенному в степень числа суммируемых случайных величин (D^n). Такое несоответствие, возникающее при увеличении n, неизбежно приводит к изменению закона распределения вероятностей случайных величин, и независимо от исходного распределения в каждом канале с ростом n стремится к нормальному закону. Поэтому в основу первого утверждения ПЗП было положено суммирование.With a rectangular probability distribution in one channel, all P (C i) are equal to the reciprocal of the dynamic range. When summing, the dynamic range increases in proportion to the number of summed events (D * n), and the number of states increases in proportion to the dynamic range raised to the power of the number of summed random variables (D ^ n). Such a mismatch arising with increasing n inevitably leads to a change in the law of the probability distribution of random variables, and independently of the initial distribution in each channel, as n grows, it tends to the normal law. Therefore, the first assertion of the PPP was based on summation.
Для небольших значений D и дающих N порядка 108, вероятности P(C i) рассчитываются в офисном приложении Microsoft Excel непосредственно. Для расчета больших значений был использован несложный рекуррентный алгоритм.For small values of D and giving N of the order of 10 8 , the probabilities P (C i) are calculated directly in the Microsoft Excel office application. To calculate large values, a simple recursive algorithm was used.
Результат расчета изменения распределения вероятностей P(C i) при D равном 33 в зависимости от n показан на фигуре 2. С(33, 4) равно 129, С(33, 8) равно 257 и С(33, 16) равно 513 (эти три зависимости расположены на фигуре сверху вниз). По оси x указаны приведенные к единой шкале относительные отклонения помехи от своего среднего наиболее вероятного значения. Наибольшей вероятностью из всех сумм в приведенных распределениях обладает сумма равная нолю.The result of calculating the change in the probability distribution P (C i) when D is 33 depending on n is shown in Figure 2. C (33, 4) is 129, C (33, 8) is 257, and C (33, 16) is 513 ( these three dependencies are located on the figure from top to bottom). The x-axis indicates the relative deviations of the interference from its average most probable value, reduced to a single scale. The greatest probability of all the sums in the above distributions is the sum equal to zero.
Согласно теории, вероятность осуществления хотя бы одного из m независимых событий (независимых по вероятности) равна сумме вероятностей этих событий. Складывая вероятности всех сумм P(Cξ±i) вправо и влево от максимума, мы получаем вероятность нахождения отклонения помехи в соответствующих пределах. Из фигуры 2 видно, что с вероятностью 0,5 отклонение помехи в зависимости от n изменяется менее существенно, относительно максимального размаха, чем для вероятностей равных 0,95 и особенно 0,99. С вероятностью 0,99 помеха при n равном 4 находится в пределах 73% от своего максимального отклонения, при n равном 8 соответственно в пределах 53% и при n равном 16 в пределах 38% от своего максимального значения. Это означает, что с увеличением числа суммируемых каналов приема (числа независимых случайных величин) в четыре раза, относительный размах помехи после суммирования уменьшается примерно в два раза.According to theory, the probability of at least one of m independent events (independent in probability) is equal to the sum of the probabilities of these events. Adding the probabilities of all sums P (Cξ ± i) to the right and left of the maximum, we obtain the probability of finding the deviation of the noise in the corresponding limits. From figure 2 it can be seen that with a probability of 0.5, the deviation of the interference depending on n changes less significantly relative to the maximum amplitude than for probabilities equal to 0.95 and especially 0.99. With a probability of 0.99, the interference with n equal to 4 is within 73% of its maximum deviation, with n equal to 8 respectively within 53% and with n equal to 16 within 38% of its maximum value. This means that with a four-fold increase in the number of summarized receive channels (the number of independent random variables), the relative amplitude of the interference after summation decreases by about a factor of two.
Используя методы численного моделирования, полученная аппроксимация была подтверждена для больших значений числа каналов на ограниченном интервале числа выборок. Результаты расчетов сведены в таблицы 1 и 2. В обеих таблицах во второй строке показана расчетная величина СВЗ шумового сигнала в 1 канале (СВЗш/канал), усредненная по числу каналов. Далее вычислялось СВЗ шума после суммирования n каналов, и определялось отношение СВЗш/канал к СВЗ этой суммы. Оно указанно в 3-их строках таблиц. В 5-х строках указана погрешность между значениями из 3-й и 4-й строк, обусловленная конечной длительностью шума и гармонического сигнала и подтверждающая предлагаемую аппроксимацию. Различие результатов в таблицах понятно из их заголовков. В таблице 1 значение выборки задавалось случайным числом, а в таблице 2 синусоидой - со случайной начальной амплитудой из диапазона D/2, равного 1024, случайной начальной фазой (φ(x) из диапазона 0÷2π) и случайной частотой из диапазона KB - радиоволнах), равного 3÷30 МГц, выборки сигнала при этом брались с частотой дискретизации в 480 МГц (16 выборок на период максимальной частоты). Наблюдаемое здесь слабое различие позволяет далее перейти к генерации шумов в заданном частотном спектре и показывает справедливость перехода из области математики теории вероятностей в область физики колебаний, а также известное утверждение о том, что спектр суммы сигналов равен сумме их спектров.Using methods of numerical simulation, the obtained approximation was confirmed for large values of the number of channels on a limited interval of the number of samples. The calculation results are summarized in tables 1 and 2. In both tables, the second row shows the calculated value of the SVZ noise signal in channel 1 (SVZ sh / channel ), averaged over the number of channels. Next, the SVZ noise was calculated after summing the n channels, and the ratio of the SVZ w / channel to the SVZ of this sum was determined. It is indicated in the 3rd row of the tables. The 5 lines indicate the error between the values from the 3rd and 4th lines, due to the finite duration of the noise and harmonic signal and confirming the proposed approximation. The difference in results in the tables is clear from their headings. In table 1, the sample value was specified by a random number, and in table 2 by a sinusoid with a random initial amplitude from the D / 2 range of 1024, a random initial phase (φ (x) from the
Явление ПЗП происходит не только в описанных выше аналогах изобретения, но и в естественных условиях интерференции различного множества сигналов (волн), ПЗП существенно дополняет получаемую картину сложения сигналов в результате интерференции. На популярном уровне он может трактоваться очень просто. Если при суммировании нескольких чисел, часть из них положительны, а другие отрицательны, то результат по модулю будет всегда меньше, чем в случае, когда все слагаемые будут одного знака. Составляющие полезного сигнала в результате синхронизации перед суммированием всегда оказываются одного знака, за счет чего и происходит увеличение отношения сигнал/шум.The PZP phenomenon occurs not only in the analogues of the invention described above, but also in natural conditions of interference of various sets of signals (waves), the PZP significantly complements the resulting picture of signal addition as a result of interference. At a popular level, it can be interpreted very simply. If, when summing several numbers, some of them are positive and others are negative, then the modulo result will always be less than in the case when all terms are of the same sign. The components of the useful signal as a result of synchronization before summation always turn out to be of the same sign, due to which the signal-to-noise ratio increases.
Приведенное пояснение ПЗП показывает, что суммирование и предварительная синхронизация сигнала, отмеченные в формуле изобретения, являются необходимыми и достаточными условиями осуществления изобретения, но не исключают применение в алгоритме обработки других операций. На фигуре 1а) показаны характеристики избирательности для трех групп каналов: 37 каналов, 19 каналов (из тех же 37) и 9 каналов из 37 (3, 5, 7, 9, 13, 17, 25, 31, 37), которые очень не равномерными. Суммирование 37 каналов не дает существенного улучшения линейности, но операция выбора минимального значения из 3-х результатов дает заметное улучшение характеристики избирательности. Число и номера каналов антенного поля (АП), а также их координаты вычислялись с учетом радиальной структуры антенного поля. В центре - канал №1, в радиусе R от него - шесть каналов нумеруемых по часовой стрелке, затем в радиусе 2R - 12 каналов, далее аналогично 18.The above explanation of the PPP shows that the summation and preliminary synchronization of the signal noted in the claims are necessary and sufficient conditions for carrying out the invention, but do not exclude the use of other operations in the processing algorithm. Figure 1a) shows the selectivity characteristics for three groups of channels: 37 channels, 19 channels (from the same 37) and 9 channels from 37 (3, 5, 7, 9, 13, 17, 25, 31, 37), which are very not uniform. The summation of 37 channels does not give a significant improvement in linearity, but the operation of selecting the minimum value from 3 results gives a noticeable improvement in the selectivity characteristic. The number and channel numbers of the antenna field (AP), as well as their coordinates, were calculated taking into account the radial structure of the antenna field. In the center -
Переходя к описанию условий осуществления или режимам, при которых выполняется предложенное решение, следует остановиться на условиях независимости случайных величин, или независимых по вероятности событий, которыми должны являться выборки сигналов и являются их суммы. Для вывода Ограничения 1, приведенного ниже, по пунктам 1, 2 формулы изобретения была использована вышеописанная модель антенного поля радиальной структуры, на которой исследовались условиях независимости случайных величин и, зависящие от них характеристики пространственной избирательности. Определялись изменения СВЗ простого гармонического сигнала на выходе системы при изменении направления приема и геометрических размеров антенного поля. Численное моделирование проводилось в двух измерениях, т.е. источник сигнала и точки приема располагались в одной плоскости. Результаты полученных расчетов приведены на следующей странице в таблицах 3 и 4.Turning to a description of the conditions of implementation or the modes under which the proposed solution is implemented, we should dwell on the conditions of independence of random variables, or events that are independent in probability, which should be samples of signals and their sums. To derive the
Полученные по ним диаграммы (построенные по последним четырем столбцам, где взяты средние арифметические значения для граф с n, равными 37, 19 и 9) показаны на фигуре 3. Фигура по таблице 4 аналогична фигуре 3 и не приводится в описании.The diagrams obtained from them (constructed from the last four columns, where the arithmetic mean values are taken for graphs with n equal to 37, 19, and 9) are shown in figure 3. The figure in table 4 is similar to figure 3 and is not given in the description.
Из указанных таблиц и фигуры 3 видно, что с уменьшением максимальных размеров антенного поля (L max/min - расстояние между двумя произвольно взятыми излучателями) до и менее длины волны излучателя крутизна характеристики избирательности существенно ухудшается. Очевидно, что, продолжая уменьшать размеры поля до ноля, мы получим систему эквивалентную одному приемнику, в котором будет отсутствовать какая-либо пространственная селекция. Здесь наблюдается явление подобное физическому явлению, показывающему, как волна огибает препятствие. При размерах препятствия совпадающих или меньших, чем длина волны, область тени не образуется, то есть препятствие огибается полностью.From the above tables and figure 3 it can be seen that with a decrease in the maximum size of the antenna field (L max / min is the distance between two randomly taken emitters) to and less than the emitter wavelength, the steepness of the selectivity characteristic significantly worsens. Obviously, continuing to reduce the size of the field to zero, we get a system equivalent to a single receiver, in which there will be no spatial selection. Here, a phenomenon similar to a physical phenomenon is observed, showing how a wave goes around an obstacle. When the size of the obstacle is the same or smaller than the wavelength, the shadow region does not form, that is, the obstacle bends completely around.
На фигурах 4а) и 4б) показаны характеристики избирательности для трех антенных полей (три в одном: 37, 19, 9), которые сняты при меньшем шаге изменения максимального размера АП для пяти углов расстройки (14,02; 11,32; 7,78; 5,17 и 2,58 градуса) между направлением приема и направлением на излучатель и при длине волны излучателя (λизл.), равной 25. Фигура 4а) показывает, что конфигурация антенного поля и число приемников при равенстве внешних размеров слабо влияют на избирательность. Графики избирательности для n равных 37, 19 и 9 почти совпадают. Из фигуры 4б) видно, что избирательность начинает проявляться, когда внешние размеры АП (Lmax.) начинают существенно превышать длину волны излучателя.Figures 4a) and 4b) show the selectivity characteristics for three antenna fields (three in one: 37, 19, 9), which were taken with a smaller step of changing the maximum size of the AP for the five detuning angles (14.02; 11.32; 7, 78; 5.17 and 2.58 degrees) between the direction of reception and the direction to the emitter and at a radiator wavelength (λrad.) Of 25. Figure 4a) shows that the configuration of the antenna field and the number of receivers with equal external dimensions have a slight effect on selectivity. The selectivity graphs for n equal to 37, 19, and 9 almost coincide. From figure 4b) it is seen that selectivity begins to appear when the external dimensions of the AP (Lmax.) Begin to significantly exceed the wavelength of the emitter.
При приеме шумов, распределенных в полосе частот, условие, при котором будет наблюдаться их затухание, зависит от частоты с наибольшей длиной волны в соответствии с выражением (9).When receiving noise distributed in the frequency band, the condition under which they will be attenuated depends on the frequency with the longest wavelength in accordance with expression (9).
По пунктам 3, 4 формулы изобретения ограничение (9) на работу ПЗП не накладывается при случайном характере помехи в полосе приема. При наличии же регулярной составляющей в спектре помехи следует применять для повышения уровня сигнал/помеха компенсационный метод ее подавления.According to
Для демонстрации справедливости Утверждения 1, доставляющего основу ПЗП, была создана несложная вычислительная модель в офисном приложении Microsoft Excel. В первой строке было обозначено номерами 16 столбцов электронной таблицы. Каждая ячейка всех столбцов начиная со второй строки по последнюю с номером 65536 была заполнена выражением «=ОКРУГЛ(СЛЧИС()*32;0)», которое генерировало в них случайные целые числа в диапазоне от 0 до 32. Значение 32 было выбрано, так как при вычислении вероятностей P(C i) с помощью рекуррентного алгоритма при жестко заданной в Excele точности вычислений в 15 значащих цифр максимальное значение D равно 32 при n равном 16. Затем значение, получаемое в каждой ячейке полученной таблицы, подвергалось условию «=ЕСЛИ(А2=0;$AI$1;А2)», которое исключало ноль из набора чисел в пользу значения 32, что приводило полученное распределение случайных чисел к строго равномерному закону. Полученное число положительных исходов для каждого из чисел от 1 до 32, взятое по трем столбцам 1, 8, и 16, показано на фигуре 5а). Как видно из фигуры, распределение очень близко к прямоугольному. После проведения суммирования по восьми и шестнадцати столбцам было определено полученное распределение, которое, как и в случае до суммирования, показано в виде числа положительных исходов, а не значений вероятностей. Для вычисления распределения чисел используем инструмент «Сводная таблица» из меню «Данные» MS Excel.To demonstrate the validity of
Для понимания и правильной интерпретации построенного на фигуре 5б) графика обратимся к таблице 5. Число сумм, рассчитанное по выражению" (8), и графики числа положительных исходов на фиг.5б) приведены к единой шкале. Поскольку минимальная из выпавших сумм для n, равного 8, оказалась равной 33 в представленной реализации5 (5 Под реализацией случайного числа или их множества понимается, как и принято в литературе, конкретное значение выпавшего случайного числа или их множества, получаемое в MS Excel путем перевычисления по нажатию клавиши «F9».), то шкала начинается с этого значения. Средние суммы, указанные во второй строке таблицы, оказываются наиболее вероятными и выпадают максимальное число раз. По известной формуле, умножив рассчитанную ранее вероятность появления средней суммы на число реализации в 65534, получаем число положительных исходов, указанное в последней строке таблицы, что и наблюдаем на приведенных графиках.For understanding and correct interpretation of the graph constructed in figure 5b), we turn to table 5. The number of sums calculated by the expression "(8) and the graph of the number of positive outcomes in fig.5b) are given on a single scale. Since the minimum of the sums dropped out for n, equal to 8, turned out to be equal to 33 in the presented implementation 5 ( 5 By the implementation of a random number or their set is understood, as is accepted in the literature, the specific value of the dropped random number or their set obtained in MS Excel by recalculation by pressing the "F9" key.) then shk The la starts with this value.The average amounts indicated in the second row of the table turn out to be the most probable and drop out the maximum number of times. tables, as we observe in the above graphs.
Таким образом, из графиков на фиг.5а) и б) мы видим, что при суммировании изменяется закон распределения случайных чисел, параметры которого (распределения) в свою очередь зависят от значения n. Здесь же, можно пронаблюдать механизм затухания помехи с ростом числа суммируемых каналов, если обратиться к таблице 6.Thus, from the graphs in FIGS. 5a) and b) we see that when summing up, the distribution law of random numbers changes, the parameters of which (distribution), in turn, depend on the value of n. Here, one can observe the interference damping mechanism with an increase in the number of summed channels, if we turn to table 6.
Минимальные и максимальные значения отклонения, близкие к полученным в сводных таблицах и наблюдаемые визуально на графике фиг.5б), указаны в 1 и 2 строках таблицы. Сопоставив видимые пределы, в которых находится помеха с вероятностью очень близкой к единице, с максимально возможным отклонением по выражению «Пределы отклонения = (макс.-мин.)/ Число сумм» получим значения в последней строке табл.6. В предыдущем разделе при описании сущности изобретения уже отмечалось, что при увеличении n в 4 раза помеха затухает в 2 раза. Для приведенной реализации множества случайных чисел значения для n равного 16 и 8 отличаются от корня квадратного из 16/8 и равного
Справедливости Утверждения 2 логически вытекает из того факта, что пространственно-временные координаты случайных чисел не участвуют в суммировании. Данный факт проверяется на той же ВМ. Но здесь суммируем выборки, полученные условно будто бы последовательно во времени, взятые в одном из столбцов. Для n равного 8 в i-той строке сумма включает случайные числа Xi+Xi+1+Xi+2+…+Xi+6+Xi+7, полученные в следующих восьми строках начиная с i-той. Соответственно, для n равного 16 в i-той строке сумма включает случайные числа Xi+Xi+1+Xi+2+…+Xi+14+Xi+15, полученные в следующих шестнадцати строках начиная с i-той. Полученные графики не отличаются от приведенных на фигуре 5б).The validity of
Справедливость Утверждения 2 упрощает построение ВМ для исследования работы ПЗП по Утверждению 3 при другом (как пример, треугольном) исходном распределении независимых случайных величин, а также доказательство Утверждения 4 при расчете зависимости относительного отклонения помехи до значения n равного 1024.The validity of
Для получения другого (треугольного) исходного распределения случайных величин в первом столбце листа электронной таблицы используем случайную функцию вида f(x)=(1+СЛЧИС()-СЛЧИС())*16, которая дает изменение случайных чисел в тех же пределах. Построенные графики распределения положительных исходов для него аналогичны фигуре 5б). Данные, подобные представленным в таблице 6 для прямоугольного распределения, сведены в таблицу 7, из которых также просматривается затухание с той же скоростью, подтверждая Утверждение 3.To obtain another (triangular) initial distribution of random variables in the first column of the spreadsheet sheet, we use a random function of the form f (x) = (1 + RAND () - RAND ()) * 16, which gives a change in random numbers within the same range. The constructed graphs of the distribution of positive outcomes for him are similar to figure 5b). Data similar to those presented in table 6 for a rectangular distribution are summarized in table 7, from which attenuation at the same rate is also viewed, confirming
Опираясь на Утверждение 2 ПЗП строим график функции, показывающий скорость затухания помехи в зависимости от n. С этой целью последовательно в каждой строке массива: получаем по предыдущей ВМ прямоугольное распределение, применяем суммирование с накоплением, делим на n (получая усредненное отклонение помехи), вычитаем математическое ожидание и делим на максимальное отклонение (которое в нашей ВМ равно 16). Усреднением по 4096 реализациям с использованием несложного макроса, получаем «кривую затухания» - эмпирический график нормированного отклонения помехи от своего наиболее вероятного состояния, показанный для интервала равного 1÷300, на фигуре 6, который с максимальной погрешностью менее 1,5% совмещается с функциейBased on
Для другого (треугольного) исходного распределения вероятностей график названной зависимости визуально не отличается от представленного на фигуре 6, за исключением начальной точки, которая в пределе равна 1/3. Соответственно «кривая затухания» для этого распределения вероятностей аппроксимируется с погрешностью меньше 1% выражением, аналогичным (10), но вместо двойки в знаменателе будет цифра три. Фигура 6 является наглядным подтверждением Утверждения 4.For another (triangular) initial probability distribution, the graph of the named dependence does not visually differ from that shown in Figure 6, with the exception of the starting point, which in the limit is 1/3. Accordingly, the “attenuation curve” for this probability distribution is approximated with an error of less than 1% by an expression similar to (10), but instead of two in the denominator there will be three. Figure 6 is a visual confirmation of
На фигуре 6 также приведен график полезного сигнала «Сигнал 16», получаемый по выражению (4) в результате применения ПЗП путем деления на n и на максимальное отклонение помехи, и который представляет собой прямую горизонтальную линию параллельную оси изменения n. Расстояние ее от оси Х соответствует уровню сигнала в одном из каналов, а точка пересечения с двумя асимптотами соответствует значению n равному 16, при превышении которого сигнал становится больше шумов. При значении n, равном 1, уровень шума в 4 раза превосходит уровень сигнала, а при n равном 230 сигнал превысит шум в 3 раза.Figure 6 also shows a graph of the useful signal "
График фигуры 6 отражает два похода: слева, заявленное решение на основе ПЗП, где сочетаются два метода борьбы с помехами (увеличение мощности передатчика и уменьшение уровня помех) и крутизна затухания максимальна, - справа, тривиальный «метод накопления», основанный исключительно на «законе больших чисел».The graph of figure 6 reflects two approaches: on the left, the claimed solution based on the PPP, where two methods of combating interference are combined (increasing the transmitter power and decreasing the level of interference) and the damping slope is maximum — on the right, the trivial “accumulation method” based solely on the “law big numbers. "
Метод накопления уже в своем словесном определении содержит указание на временной характер суммирования, намек на пространственную селекцию здесь отсутствует, и тем более не вводится ограничение, накладываемое неравенством (9). Предложенный способ по п.1 формулы позволяет легко достичь многие разы улучшения С/Ш, независимо от формы сигнала (способа модуляции). С методом накопления, который закономерно дает некий выигрыш, в предложенном решении весьма далекое сходство. В методе накопления явно отсутствует понятие синхронизации сигнала или согласование сигнала с периодом накопления, общим является лишь суммирование.The accumulation method already in its verbal definition contains an indication of the temporal nature of summation, there is no hint of spatial selection, and moreover, the restriction imposed by inequality (9) is not introduced. The proposed method according to
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУРBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
На фигуре 1а) показаны полученные методом численного моделирования характеристики избирательности для трех конфигураций антенного поля. По оси x указан угол отстройки между направлением на источник излучения и направлением на точку приема, шаг для вычисления составлял 6 градусов. В среднем ослабление сигнала составляет 7 раз (≈17 дБ). Первая конфигурация АП включает все 37 приемников, вторая - 19 каналов из 37 (1 плюс все четные номера) и третья - 9 каналов из 37 (3, 5, 7, 9, 13, 17, 25, 31, 37). Уже при первом отклонении в 6 градусов суммарный сигнал падал до среднего из минимальных значений уровня. На фигуре 1б) показана характеристика избирательности, полученная в результате вычисления наименьшего значения из трех характеристик, показанных на фиг.1а).Figure 1a) shows the selectivity characteristics obtained by numerical simulation for three antenna field configurations. The x-axis shows the offset angle between the direction to the radiation source and the direction to the receiving point, the step for calculation was 6 degrees. On average, signal attenuation is 7 times (≈17 dB). The first configuration of the AM includes all 37 receivers, the second - 19 channels of 37 (1 plus all even numbers) and the third - 9 channels of 37 (3, 5, 7, 9, 13, 17, 25, 31, 37). Already at the first deviation of 6 degrees, the total signal fell to the average of the minimum level values. Figure 1b) shows the selectivity characteristic obtained by calculating the smallest value of the three characteristics shown in figa).
Фигура 2 поясняет Утверждение 1, лежащее в основе ПЗП. По оси x указаны приведенные к единой шкале относительные отклонения помехи от своего среднего наиболее вероятного значения. Из фигуры видно, что с ростом вероятности нахождения помехи в заданных пределах при увеличении n относительный ее размах уменьшается. С вероятностью 0,99 помеха при n равном 4 находится в пределах 73% от своего максимального значения (отклонения), при n равном 8 соответственно в пределах 53%, а при n, равном 16 - в пределах 38% от своего максимального значения. Это означает, что с увеличением числа суммируемых каналов приема - (числа независимых случайных величин) в четыре раза, относительный размах помехи после суммирования уменьшается примерно в два раза.Figure 2 illustrates
На фигуре 3 приведены характеристики пространственной избирательности для длины волны излучателя 100 метров, из которых видно, что с уменьшением максимальных размеров антенного поля до и менее длины волны излучателя крутизна характеристики избирательности существенно ухудшается. Очевидно, что, продолжая уменьшать размеры поля до ноля, мы получим систему эквивалентную одному - приемнику, в котором будет отсутствовать какая-либо пространственная селекция.The figure 3 shows the characteristics of spatial selectivity for a wavelength of the emitter of 100 meters, from which it can be seen that with a decrease in the maximum size of the antenna field to and less than the wavelength of the emitter, the steepness of the selectivity characteristic significantly worsens. Obviously, continuing to reduce the size of the field to zero, we get a system equivalent to one - the receiver, in which there will be no spatial selection.
Фигуры 4а) и б) показывают зависимость избирательности для трех конфигураций АП при плавном изменении шага максимального размера АП для пяти углов расстройки (14,02; 11,32; 7,78; 5,17 и 2,58 градуса) между направлением приема и направлением на излучатель и при длине волны излучателя (λизл.), равной 25. Фигура 4а) показывает, что конфигурация антенного поля и число приемников при равенстве внешних размеров слабо влияют на избирательность. Графики избирательности для конфигураций АП с числом излучателей равным 37, 19 и 9 почти совпадают. Из фигуры 7б) видно, что избирательность начинает проявляться, когда внешние размеры АП (Lmax.) начинают существенно превышать длину волны излучателя.Figures 4a) and b) show the dependence of selectivity for three AP configurations with a smooth change in the pitch of the maximum AP size for the five detuning angles (14.02; 11.32; 7.78; 5.17 and 2.58 degrees) between the direction of reception and direction to the emitter and when the emitter wavelength (λrad.) is 25. Figure 4a) shows that the configuration of the antenna field and the number of receivers with equal external dimensions have little effect on selectivity. The selectivity graphs for AP configurations with the number of emitters equal to 37, 19, and 9 almost coincide. From figure 7b) it is seen that the selectivity begins to appear when the external dimensions of the AP (Lmax.) Begin to significantly exceed the wavelength of the emitter.
Из графиков на фигуре 5а) (показано распределение трех каналов из 16 для пространственной выборки до суммирования) и 5б) (распределение после суммирования) мы видим, как в соответствии с Утверждением 1 ПЗП изменяется закон распределения случайных чисел, параметры которого приведены для двух значений n. С ростом числа суммируемых каналов видимые пределы, в которых находится помеха с вероятностью очень близкой к единице, уменьшаются в 1,4 раза. Для приведенной реализации множества случайных чисел значения этого отклонения помехи от своего наиболее вероятного значения для n равного 16 и 8 отличаются от корня квадратного из двух с погрешностью, равной -3,7%.From the graphs in figure 5a) (the distribution of three channels out of 16 for spatial sampling before summation is shown) and 5b) (distribution after summation) we see how, in accordance with
На фигуре 6 показана «кривая затухания» - эмпирический график нормированного отклонения помехи от своего наиболее вероятного состояния для прямоугольного начального распределения вероятностей. График показан для интервала равного 1÷300, который с максимальной погрешностью менее 1,5% совмещается с функцией 1/(2×КОРЕНЬ(n)). Линией «Сигнал16» показан так же нормированный уровень сигнала, который при пересечении с асимптотами для равного 16, дает уровень С/Ш, равный единице.Figure 6 shows the "attenuation curve" - an empirical graph of the normalized deviation of the interference from its most probable state for a rectangular initial probability distribution. The graph is shown for an interval of 1 ÷ 300, which, with a maximum error of less than 1.5%, is combined with the
На фигуре 7 приведены осциллограммы входных и выходных сигналов системы, полученные с помощью вычислительной модели показанной на предыдущем фигуре. Фигура 7а) сверху вниз показывает изменение во времени входного сигнала, полученного из принимаемого источника, результирующий сигнал шумового поля и их сумму в одном из 37 каналов приема.The figure 7 shows the waveforms of the input and output signals of the system obtained using the computational model shown in the previous figure. Figure 7a), from top to bottom, shows the time variation of the input signal received from the received source, the resulting noise field signal and their sum in one of the 37 receiving channels.
На верхнем графике фигуры 7б) отражены, после проведения синхронизации описанной ранее, результирующие выборки суммарного сигнала шумов при выключенном принимаемом сигнале. На нижнем графике фигуры 7б) показан выходной сигнал системы, использующей ПЗП по п.1 формулы, и совмещенный с ним график входного сигнала без шума в одном из каналов, усиленного в 10 раз.In the upper graph of Fig. 7b), after the synchronization described previously, the resulting samples of the total noise signal are reflected when the received signal is turned off. The lower graph of figure 7b) shows the output signal of a system that uses the PPP according to
На фигуре 8 представлены осциллограммы входных и выходных сигналов. Фигура 8а) отражает сигналы в одном из 37 каналов приема, откуда видно, что сигнал и помеха примерно равны, но не синхронизированы. Современные средства при использовании одного приемника не позволяют в режиме реального времени разделять сигнал и помеху, лежащие в одной полосе, при таком их соотношении. На выходе системы, фигура 8б), видно соотношение суммарного выходного сигнала и помехи (при отсутствии принимаемого сигнала), а также хорошая синхронизация огибающих входного и выходного сигналов. Для исключения наложения осциллограмм суммарного сигнала и принимаемого сигнала (при отсутствии помехи) к ним было применено разное усиление.The figure 8 presents the waveform of the input and output signals. Figure 8a) reflects the signals in one of the 37 receiving channels, from which it can be seen that the signal and interference are approximately equal, but not synchronized. Modern means when using one receiver do not allow in real time to separate the signal and interference lying in the same band, with this ratio. At the output of the system, Figure 8b), you can see the ratio of the total output signal and interference (in the absence of a received signal), as well as good synchronization of the envelopes of the input and output signals. To avoid overlapping waveforms of the total signal and the received signal (in the absence of interference), different amplifications were applied to them.
На фигуре 9а) и б) представлены спектры АМ-сигнала и Узкополосной помехи, полученные с помощью дискретного преобразования Фурье (ДПФ) по числу выборок равному 2048. На фигуре 9а) в полосе пропускания в 40 кГц, на которую приходится лишь 9 из 2048 базисных гармоник ДПФ, прослеживается узкополосный характер смоделированной помехи.Figure 9a) and b) show the spectra of the AM signal and Narrowband interference obtained using the discrete Fourier transform (DFT) for the number of samples equal to 2048. Figure 9a) in the 40 kHz bandwidth, which accounts for only 9 out of 2048 basic harmonics of the DFT, the narrow-band nature of the modeled interference is traced.
Гармонические составляющие спектра помехи, находящиеся вне полосы пропускания, составляют в сумме примерно 10% от суммарного значения всех гармоник. Напротив, показанный на фигуре 9а) спектр АМ-сигнала, боковые частоты которого путем подбора совпадают с базисными гармониками, не имеет побочных гармоник. Спектр выходного сигнала системы, полученный в системе из 37 приемников, изображен на фигуре 9б). Уровень внеполосных гармоник, остатков шума не превышает 2% от выходной смеси сигнал/шум, взятой в полосе приема.The harmonic components of the interference spectrum that are out of the passband amount to approximately 10% of the total value of all harmonics. On the contrary, the spectrum of the AM signal shown in Figure 9a), the side frequencies of which coincide with the base harmonics by selection, does not have side harmonics. The spectrum of the system output signal obtained in a system of 37 receivers is shown in FIG. 9b). The level of out-of-band harmonics and noise residues does not exceed 2% of the output signal-to-noise mixture taken in the reception band.
В таблице на фигуре 10 показано, что коэффициент широкополосности для стандартного стеклянного многомодового оптоволокна и длины волны 1300 нм равен 600 МГц/км. Соответствующие значения в столбцах J, N и Р,, отмечены серым оттенком, явно указывают на данную закономерность. Из результатов приведенных в таблице видно также, что распространение сигналов в световоде происходит не вопреки, а благодаря межмодовой дисперсии и работе ПЗП. F(запазд), вычисленный как величина обратная задержке между самой быстрой и самой медленной модами, сравнивается с реальной полосой пропускания в последней строке таблицы. Благодаря работе ПЗП это отношение возрастает с увеличением длины световода. На диаграмме ниже таблицы приведен входной сигнал, а на нижней диаграмме показан выходной сигнал, полученный в режиме, отмеченном в столбце N таблицы. Светлой линией на ней отмечен порог (строка таблицы «Уров.Огр.»), по которому можно достоверно декодировать битовую последовательность. Второй, четвертый и предпоследний импульсы являются единичными. Данные в столбцах таблицы отражают «островки прохождения» битовой последовательности, при других соотношениях числа мод и длины световода прохождение (возможность визуального декодирования) отсутствовало.The table in figure 10 shows that the broadband coefficient for a standard glass multimode optical fiber and a wavelength of 1300 nm is 600 MHz / km. The corresponding values in columns J, N, and P, are marked in gray, clearly indicate this pattern. It can also be seen from the results given in the table that the propagation of signals in the fiber does not occur contrary to, but due to the intermode dispersion and the operation of the BCP. F (delay), calculated as the reciprocal of the delay between the fastest and slowest modes, is compared with the actual bandwidth in the last row of the table. Due to the work of the PZP, this ratio increases with increasing length of the fiber. The chart below shows the input signal, and the bottom chart shows the output received in the mode indicated in column N of the table. The light line on it marks the threshold (row of the table "Level. Ogr."), By which it is possible to reliably decode the bit sequence. The second, fourth and penultimate pulses are single. The data in the table columns reflect the “islands of passage” of the bit sequence; for other ratios of the number of modes and the length of the fiber, there was no passage (the possibility of visual decoding).
На фигуре 11 расположены две диаграммы. Верхняя диаграмма отображает значения выборок, которые подлежат декодированию (темные столбики), и единичные импульсы (светлые столбики) 63-битовой исходной кодовой последовательности, значения которых помножены на среднее арифметическое из подлежащих декодированию выборок. Здесь наглядно виден применяемый алгоритм декодирования, одинаковый для всех четырех вычислительных моделей по п.3 формулы. Если оцениваемая выборка меньше среднеарифметического уровня, то ее биту присваивается значение ноль, и наоборот. В случае ошибки на диаграмме в процессе моделирования наблюдается несоответствие, когда хотя бы один исходный единичный бит превышает по уровню декодируемую выборку, либо заведомо нулевая выборка превышает средний уровень. На диаграмме показана ситуация с отсутствием ошибок.In figure 11 there are two diagrams. The upper diagram displays the values of the samples to be decoded (dark bars) and single pulses (light bars) of the 63-bit source code sequence, the values of which are multiplied by the arithmetic mean of the samples to be decoded. Here, the applied decoding algorithm is clearly visible, the same for all four computational models according to
Нижняя диаграмма представляет собой графики пяти характеристик из таблицы 12, где показано получение выигрыша при применении ПЗП для варианта, когда один случайный процесс УЮТ накладывается на все k раз повторяющиеся полосы амплитудно-манипулированного сигнала. Так как на каждые k гармоник спектра сигнала в этой ВМ приходится лишь одна гармоника УПП, то плохая синхронизация, необходимая для получения выигрыша при применении ПЗП, связанная с тем, что периоды несущих частот в каждой из полос различны, не приводит к отсутствию выигрыша. Из таблицы и графика видно, что уже при четырех полосах параллельной передачи одной и той же битовой последовательности в режиме реального времени С/Ш на входе становится меньше единицы. А при 16 повторах он достигает минус 7,44 дБ.The bottom diagram is a graph of the five characteristics from table 12, which shows the gain when applying the PZP for the option when one random UTF process is superimposed on all k times repeating bands of the amplitude-manipulated signal. Since for every k harmonics of the spectrum of the signal in this VM there is only one harmonic of the soft starter, the poor synchronization necessary to obtain a gain when applying the PZP, due to the fact that the periods of the carrier frequencies in each of the bands are different, does not lead to a lack of gain. It can be seen from the table and graph that even with four parallel transmission bands of the same bit sequence in real time, the S / N at the input becomes less than one. And with 16 repetitions, it reaches minus 7.44 dB.
На фигуре 12 приведены фрагменты осциллограмм четырех процессов ВМ, показанные для двух масштабов времени (больше вверху и меньше на нижней диаграмме) при значении k, равном 16, когда полоса передаваемого сигнала повторяется k раз, а полоса УПП расширяется пропорционально 1-й гармонике единичного импульса. Сверху вниз на нем показаны: шум (УПП, черным цветом), смесь сигнала с шумом (темно серым оттенком), модулированный сигнал без воздействия шума (светло серым оттенком) и исходная битовая последовательность (белой линией). Из-за наложения осциллограмм процессов друг на друга на верхней осциллограмме график смеси Сигнал плюс Шум для большей наглядности помещен в верхний слой, и для ориентира под исходной битовой последовательностью показана таблица значений соответствующих битов. Без этой таблицы на осциллограммах на длинном отрезке процессов, трудно определить, чему соответствуют последовательности тех или иных радиоимпульсов. Благодаря априори известным параметрам передаваемого сигнала, принимаемого на фоне сильной помехи, из него благодаря применению ПЗП удается достаточно достоверно получить всю переданную информацию.Figure 12 shows fragments of the waveforms of the four VM processes shown for two time scales (more at the top and less on the bottom diagram) with a value of k equal to 16, when the band of the transmitted signal is repeated k times, and the band of the soft starter is expanded in proportion to the 1st harmonic of a single pulse . From top to bottom it shows: noise (soft starter, black), a signal mixture with noise (dark gray), a modulated signal without noise (light gray) and the original bit sequence (white line). Due to the overlapping of the process oscillograms on top of the oscillogram, the signal plus noise mixture graph is placed in the upper layer for better visualization, and for reference, a table of values of the corresponding bits is shown below the original bit sequence. Without this table, on oscillograms over a long period of processes, it is difficult to determine what the sequences of various radio pulses correspond to. Thanks to the a priori known parameters of the transmitted signal received against the background of strong interference, it is possible to sufficiently reliably obtain all the transmitted information from it due to the use of the PPP.
На фигуре 13 приведены осциллограммы начального участка выборок сигнала для двух значений k, полученных на ВМ для таблица 4. Светлой линией показана смесь сигнала и помехи до суммирования повторяющихся отрезков, темной линией показана выпрямленная смесь после суммирования. Оба сигнала, входной и выходной, соответствуют одной и той же реализации УПП. Верхний график показывает режим прохождения сигнала при k, равном 16, нижний - «провал прохождения» при k равном 15. На верхнем графике явно видно, что второму единичному импульсу на выходе соответствует провал во входной смеси, а третьему и четвертому существенное превышение входными импульсами (и со сдвигом фронтов) над выходными. Фронты и спады у единичных выходных импульсов достаточно четкие, такую последовательность легко декодировать. На нижнем же графике на фоне входной смеси не видно практически ни самого сигнала, ни единичных импульсов, что в ВМ проявлялось в катастрофически возросшем количестве ошибок декодирования. Очевидно, что декодировать здесь нечего.Figure 13 shows the waveforms of the initial portion of the signal samples for two values of k obtained on the VM for table 4. The light line shows the mixture of signal and noise before summing the repeating segments, the dark line shows the straightened mixture after summing. Both signals, input and output, correspond to the same SCP implementation. The upper graph shows the signal transmission mode at k equal to 16, the lower one shows the “transmission failure” at k equal to 15. The upper graph clearly shows that the second unit pulse at the output corresponds to a dip in the input mixture, and the third and fourth significant excess of the input pulses ( and with a shift of fronts) over the weekend. Fronts and slopes of single output pulses are quite clear, such a sequence is easy to decode. On the lower graph, against the background of the input mixture, practically neither the signal itself, nor single pulses are visible, which in the VM was manifested in a catastrophically increased number of decoding errors. Obviously, there is nothing to decode here.
На фигуре 14 приведены две диаграммы процессов декодирования по п.4 формулы изобретения. В ней показано одновременное выполнение -1 и 3 пунктов формулы изобретения не разделимое физически, так как фрагменты сигнала в смеси с помехой берутся для получения временной задержки (повторения) из разных точек пространства, а роль линии задержки выполняет сама среда распространения. Декодирование битовой последовательности выполнялось двумя способами, традиционным описанным в предыдущих моделях и методом скользящего суммирования, когда каждая временная выборка (ее вес) на выходе РТС представляет собой сумму n-го количества предшествующих и n-го количества последующих выборок.The figure 14 shows two diagrams of the decoding processes according to
На фигуре приведен пример декодирования первых 32 из 63 битов импульсной последовательности при значении k, равном 16. На верхней диаграмме на фоне 32000 входных выборок показаны светлым тоном выходные (утяжеленные) выборки, а темной линией порог декодирования, совпадающий со средним значением по всем входным выборкам входной смеси сигнал и помехи. При превышении этого порога на выходе РТС имеем логическую единицу и наоборот. На нижней диаграмме показаны для наглядности, совмещенные по временной шкале с верхней диаграммой, значения на входе описанного ранее декодера и исходная битовая последовательность, амплитуда единичных импульсов которой равна порогу декодирования.The figure shows an example of decoding the first 32 of the 63 bits of the pulse sequence with a k value of 16. The upper diagram against 32,000 input samples shows the output (heavier) samples in bright tone, and the dark line decoding threshold that matches the average value for all input samples input mixture signal and interference. If this threshold is exceeded, we have a logical unit at the output of the RTS and vice versa. The lower diagram shows for clarity, combined on a timeline with the upper diagram, the values at the input of the previously described decoder and the original bit sequence, the amplitude of the single pulses of which is equal to the decoding threshold.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Для наглядного представления осуществимости и возможностей заявленного способа по пункту 1 формулы изобретения создана вычислительная модель, в которой показана возможность извлечения сигнала из шумового фона, когда его уровень по мощности (СВЗ) превосходит уровень сигнала. В этой модели шумовой сигнал формируется путем генерации гармонических сигналов со случайной амплитудой в ограниченном динамическом диапазоне, случайной частотой из интервала коротковолнового диапазона радиоволн и случайной начальной фазой в пределах 360 градусов.For a visual representation of the feasibility and capabilities of the claimed method according to
Алгоритм работы вычислительной модели состоит из двух частей. В первой части (1) в условно заданной области пространства (для простоты вычислений на плоскости) формируется шумовое поле и далее путем суммирования с накоплением создается из простых гармоник плотный спектр в заданной полосе частот и с заданной мощностью (2). Аналогично путем задания координат и амплитуды создается подлежащий приему модулированный сигнал (3). По простому закону распространения сферической волны в пространстве без учета различных потерь, кроме пространственного убывания мощности, имитируется распространение мешающих гармоник и сигнала до мест приема (4). Затем в сформированном АП вычисляются значения суммарного сигнала в точках приема (5). В результате применения в модели управляющих элементов отдельно вычисляются мощности шумов без сигнала, сигнала без шумов и суммарного сигнала, а также отношения сигнал/шум (6).The algorithm of the computational model consists of two parts. In the first part (1) in a conditionally specified region of space (for simplicity of calculations on the plane) a noise field is formed and then, by summing with accumulation, a dense spectrum is created from simple harmonics in a given frequency band and with a given power (2). Similarly, by setting the coordinates and amplitude, the modulated signal to be received is created (3). According to the simple law of the propagation of a spherical wave in space without taking into account various losses, in addition to the spatial decrease in power, the propagation of interfering harmonics and signal to the receiving sites is simulated (4). Then, in the generated AP, the values of the total signal at the reception points (5) are calculated. As a result of the application of control elements in the model, the noise power without a signal, the signal without noise and the total signal, as well as the signal-to-noise ratio (6), are separately calculated.
Вычислительный процесс был выполнен в следующей последовательности:The computational process was performed in the following sequence:
- выключен принимаемый сигнал;- the received signal is turned off;
- с применением несложного макроса сформированы значения выборок, просуммированные с накоплением, из 1024 реализации гармоник;- using a simple macro, the values of the samples are summed with accumulation from 1024 harmonics;
- после вычисления значений СВЗ для шумов в 37 каналах приема, подобрано значение СВЗ принимаемого сигнала, так чтобы отношение сигнал/шум на входе системы (т.е. в каждом из 37 каналов приема) оказалось меньше ноля децибел;- after calculating the SVZ values for the noise in 37 reception channels, the SVZ value of the received signal is selected so that the signal-to-noise ratio at the system input (i.e., in each of the 37 reception channels) is less than zero decibels;
- при суммировании, как сигнала, так и помехи, проводилась синхронизация на прием из точки, в которой находился излучатель принимаемого сигнала;- when summing both the signal and the interference, the reception was synchronized from the point where the emitter of the received signal was;
- после чего, было проведено суммирование выборок (смешение) сигнала и помехи и итоговое суммирование выборок 37 каналов, измерение СВЗ и отношений сигнал шум на выходе системы.- after which, the summation of the samples (mixing) of the signal and interference was carried out and the total summation of the samples of 37 channels, the measurement of the SVZ and signal-to-noise ratios at the system output.
- Одновременно с формированием массива выборок сигнала и помехи был сформирован спектр входных гармоник в одном из каналов.- Simultaneously with the formation of an array of signal and interference samples, a spectrum of input harmonics was formed in one of the channels.
Полученные результаты показаны на фигуре 7 и в таблице 8.The results are shown in figure 7 and in table 8.
На фигуре 7а) сверху вниз показано изменение во времени входного сигнала, полученного из принимаемого источника, результирующий сигнал шумового поля и их сумма в одном из 37 каналов приема.Figure 7a) shows the top-down change in time of the input signal received from the received source, the resulting noise field signal and their sum in one of the 37 reception channels.
На верхнем графике фигуры 7б) отражены, после проведения синхронизации описанной ранее, результирующие выборки суммарного сигнала шумов при выключенном принимаемом сигнале. На нижнем графике фигуры 7б) показан выходной сигнал системы, использующей ПЗП по п.1 формулы, и совмещенный с ним график входного сигнала без шума из одного канала, усиленного в 10 раз.In the upper graph of Fig. 7b), after the synchronization described previously, the resulting samples of the total noise signal are reflected when the received signal is turned off. The lower graph of figure 7b) shows the output signal of a system that uses the PPP according to
Из обеих фигур а) и б) видно, что на входе любого из 37 каналов принимаемый сигнал разрушается помехой, исчезает строгая периодичность суммарного сигнала. В то время как на выходе многоканальной системы мы видим выходной сигнал, визуально близко синхронизированный с входным принимаемым сигналом, и в определенной степени промодулированный по амплитуде и фазе сигналом помехи.From both figures a) and b) it can be seen that at the input of any of the 37 channels, the received signal is destroyed by interference, the strict periodicity of the total signal disappears. While at the output of a multi-channel system we see an output signal that is visually closely synchronized with the input signal received, and to some extent modulated in amplitude and phase by an interference signal.
Из таблицы 8 также видно, что на входе многоканальной системы, использующей благодаря работе ПЗП режим пространственной селекции, уровень сигнал/помеха меньше единицы, а на выходе по соотношению уровней СВЗ получается существенный выигрыш. Касаясь тех же значений, выраженных в децибелах, относительно описанной системы приема можно вести речь об отрицательных входных значениях сигнал/шум.From table 8 it is also seen that at the input of a multichannel system that uses spatial selection due to the operation of the PZP, the signal / noise level is less than unity, and at the output, a significant gain is obtained by the ratio of the levels of SVZ. Touching the same values expressed in decibels, we can talk about negative input signal-to-noise values relative to the described reception system.
Второй пример, подтверждающий способ по пункту 1 формулы изобретения, основан на аналогичной вычислительной модели, в которой используется алгоритм пространственной селекции, но отличается от предыдущего способом формирования шумового сигнала на входе системы. Здесь с некоторыми дополнительными ограничениями используется модель узкополосной флуктуационной помехи, описанная в [16], и которая задается формулой:The second example, confirming the method according to
uп(t)=Uпm(t)SIN[ω0t+φп(t)],u p (t) = U pm (t) SIN [ω 0 t + φ p (t)],
где Uпm(t) и φп(t) - случайные амплитуда и фаза узкополосного флуктуационного процесса.where U pm (t) and φ p (t) are the random amplitude and phase of the narrow-band fluctuation process.
Введенные ограничения связаны с дискретным характером сигнала и состоят в ограничении пределов изменения случайных амплитуды и фазы при переходе от текущей выборки шума к последующей. За пределы таких изменений взяты величины, получаемые в принимаемом амплитудно-модулированном сигнале. Для ограничения пределов изменения случайной амплитуды была применены модель флуктуационного процесса, которая отличается от приведенной выше формулы и основана на выражении для амплитудно-модулированного сигнала, но, кроме случайной фазы в квадратных скобках, содержит случайную фазу при модулирующей частоте.The introduced restrictions are related to the discrete nature of the signal and consist in limiting the limits of variation of the random amplitude and phase during the transition from the current noise sample to the next one. The values obtained in the received amplitude-modulated signal are taken beyond the limits of such changes. To limit the limits of variation of the random amplitude, a fluctuation process model was used, which differs from the above formula and is based on the expression for the amplitude-modulated signal, but, in addition to the random phase in square brackets, it contains a random phase at the modulating frequency.
Принимаемый сигнал узкополосной помехи (УПП) формируется введением двух случайных фаз в АМ-сигнал по выражению:The received narrowband interference (SCP) signal is formed by introducing two random phases into the AM signal according to the expression:
Где Uam(N) - N-я выборка амплитудно-модулированного сигналаWhere U am (N) - N-th sample of the amplitude-modulated signal
А - амплитуда сигнала, fn - несущая (центральная) частота сигнала;A is the amplitude of the signal, f n is the carrier (central) frequency of the signal;
Ft - частота дискретизации сигнала; Ω - модулирующая частота сигнала;F t is the sampling frequency of the signal; Ω is the modulating frequency of the signal;
N=0, 1, 2 …; - номер выборки сигнала; m=0,5 - индекс модуляции выборки узкополосной помехи Uupp(N) формируются рекуррентно по выражениям:N = 0, 1, 2 ...; - signal sample number; m = 0.5 - modulation index of a narrowband interference sample U upp (N) are formed recurrently in terms of:
φa0(ψ)=2*[ψ(01)-0,5]*k*π; - начальная фаза первой выборки изменения амплитуды помехи;φ a0 (ψ) = 2 * [ψ (01) -0.5] * k * π; - the initial phase of the first sample changes in the amplitude of the interference;
φaN(ψ)=2*[ψ(01)-0,5]*j*φ(Ω)+φa(N-1)(ψ); - случайная фаза N-ой выборки изменения амплитуды помехи;φ aN (ψ) = 2 * [ψ (01) -0.5] * j * φ (Ω) + φ a (N-1) (ψ); - random phase of the Nth sample of the change in the amplitude of the interference;
AN(ψ)=A*{1-m*SIN[2*π*N*Ω/Ft+φaN(ψ)]}; - случайная амплитуда N-ой выборки помехи:A N (ψ) = A * {1-m * SIN [2 * π * N * Ω / F t + φ aN (ψ)]}; - random amplitude of the Nth interference sample:
φξ0(ψ)=2*[ψ(01)-0,5]*k*π; - начальная фаза первой выборки изменения фазы несущей частоты помехи;φ ξ0 (ψ) = 2 * [ψ (01) -0.5] * k * π; - the initial phase of the first sample phase change of the carrier frequency of the interference;
φξN(ψ)=2*[ψ(01)-0,5]*i*ξ(Ω)+φξ(N-1)(ψ); - случайная фаза N-ой выборки изменения фазы несущей частоты помехи;φ ξN (ψ) = 2 * [ψ (01) -0.5] * i * ξ (Ω) + φ ξ (N-1) (ψ); - random phase of the N-th sample of the phase change of the carrier frequency of the interference;
Где - φ(Ω)=ξ(Ω)=4*π*Ω/Ft; - максимальное от выборки к выборке изменение фазы для получения случайной амплитуды и фазы несущей частоты; j, i=1, 2, 3, 4.Where - φ (Ω) = ξ (Ω) = 4 * π * Ω / F t ; - the maximum phase change from sample to sample to obtain a random amplitude and phase of the carrier frequency; j, i = 1, 2, 3, 4.
ψ(01)=0÷1; - случайное число с равномерным распределением в пределах от ноля до единицы. Благодаря выражению 2*[Ψ(01)-0,5] фаза изменяется в положительную либо отрицательную сторону. ПЗП начинает работать уже при k больше или равно 1/10.ψ (01) = 0 ÷ 1; - a random number with a uniform distribution ranging from zero to one. Thanks to the
В процессе формирования принимаемого сигнала (11) и узкополосной помехи (12) контролировались два параметра - СВЗ и максимальное изменение между соседними выборками, которые для сигнала и помехи отличались от одной реализации к другой не более чем на 10-12%.In the process of generating the received signal (11) and narrow-band interference (12), two parameters were monitored - SVZ and the maximum change between adjacent samples, which for the signal and interference did not differ from one implementation to another by no more than 10-12%.
В примененной вычислительной модели использовался один источник принимаемого сигнала и один источник узкополосной помехи с коэффициентами J и i равными единице, А равно 1024, Ff равно 20480000 Гц, fn равно 3040000 Гц и Ω равно 40000 Гц. Измерялись характеристика пространственной избирательности в зависимости от угла между ПРД сигнала и ПРД помехи, последний перемещался по окружности вокруг АП, а также характеристика подтверждающая Ограничение 1 по выражению (9) при изменении габаритных размеров АП. Результаты измерений приведены в Таблице 9 для первой характеристики и в Таблице 10 для второй.The applied computational model used one source of the received signal and one source of narrow-band interference with the coefficients J and i equal to unity, A is 1024, F f is 20480000 Hz, f n is 3040000 Hz and Ω is 40,000 Hz. The characteristic of spatial selectivity was measured depending on the angle between the signal transmission signal and the signal interference, the latter moved around the circle around the antenna, as well as the characteristic confirming the
Из Таблицы 9 видно, что, начиная с 4 градусов, отношение сигнал/помеха на выходе системы становится положительным при отрицательном значении на входе. Снижение выигрыша при 180 градусах говорит о наличии заднего лепестка в диаграмме направленности системы.Table 9 shows that, starting from 4 degrees, the signal-to-noise ratio at the system output becomes positive with a negative value at the input. A decrease in gain at 180 degrees indicates the presence of a back lobe in the radiation pattern of the system.
По таблице 10 видно, что при размерах АП соизмеримых с длиной волны (около 100 м) выигрыш у системы исчезает (шаг 10).According to table 10, it can be seen that for AP sizes comparable with the wavelength (about 100 m), the gain in the system disappears (step 10).
Осциллограммы входных сигналов и выходных представлены на фигурах 8а) и б).Oscillograms of the input signals and output are presented in figures 8a) and b).
Так как сигналы с расстояния в 100 км претерпели некоторое затухание по описанному выше закону для первого примера, то для визуальной оценки их относительных величин на входе и выходе системы они были усилены с различными коэффициентами, указанными на фигурах. На фиг.8а), отражающем сигналы в одном из 37 каналов приема, видно, что сигнал и помеха примерно равны, но не синхронизированы. Современные средства при использовании одного приемника не позволяют в режиме реального времени разделять сигнал и помеху при таком их соотношении. На выходе системы, фиг.8б), видно соотношение суммарного выходного сигнала и помехи при отсутствии принимаемого сигнала, а также хорошая синхронизация огибающих входного и выходного сигналов.Since the signals from a distance of 100 km underwent some attenuation according to the law described above for the first example, for a visual assessment of their relative values at the input and output of the system, they were amplified with various coefficients indicated in the figures. On figa), reflecting the signals in one of the 37 reception channels, it can be seen that the signal and interference are approximately equal, but not synchronized. Modern means when using a single receiver do not allow in real time to separate the signal and interference with such a ratio. At the output of the system, figb), you can see the ratio of the total output signal and interference in the absence of a received signal, as well as good synchronization of the envelopes of the input and output signals.
На фигуре 9а) и б) представлены спектры АМ-сигнала и Узкополосной помехи, полученные с помощью дискретного преобразования Фурье (ДПФ) по числу выборок равному 2048. Для наглядности коэффициенты J и i взяты равными 4. Значения спектров вычислялись на интервале в 240 гармонических составляющих. На фигуре 9а) в полосе пропускания в 40 кГц, на которую приходится лишь 9 из 2048 базисных гармоник ДПФ, прослеживается узкополосный характер смоделированной помехи.Figure 9a) and b) show the spectra of the AM signal and Narrowband interference obtained using the discrete Fourier transform (DFT) for the number of samples equal to 2048. For clarity, the coefficients J and i are taken equal to 4. The values of the spectra were calculated over an interval of 240 harmonic components . In figure 9a), in the 40 kHz bandwidth, which accounts for only 9 of the 2048 DFT harmonics, the narrow-band nature of the modeled interference is traced.
Гармонические составляющие спектра помехи, находящиеся вне полосы пропускания, составляют в сумме примерно 10% от суммарного значения всех гармоник, а их возникновение связано с несовпадением мгновенных гармонических составляющих шума с базисными частотами ДПФ (в диапазоне из двухсот сорока). Напротив, показанный на фигуре 9а) спектр АМ-сигнала, боковые частоты которого путем подбора совпадают с базисными гармониками, не имеет побочных гармоник. Значения его гармоник, как видно из фигуры, находятся между усредненными по 16 реализациям значениями составляющих узкополосного шума и максимальными.The harmonic components of the interference spectrum that are outside the passband amount to approximately 10% of the total value of all harmonics, and their occurrence is due to the mismatch of the instantaneous harmonic components of the noise with the basic frequencies of the DFT (in the range of two hundred and forty). On the contrary, the spectrum of the AM signal shown in Figure 9a), the side frequencies of which coincide with the base harmonics by selection, does not have side harmonics. The values of its harmonics, as can be seen from the figure, are between the values of the components of narrow-band noise averaged over 16 realizations and the maximum.
Спектр выходного сигнала системы, полученный в описанной в данном примере системе из 37 приемников, изображен на фигуре 9б). Уровень внеполосных гармоник, остатков шума, рассчитанный по описанному в предыдущем абзаце методу, не превышает 2% от выходной смеси сигнал/шум, взятой в полосе приема.The spectrum of the system output signal obtained in the system of 37 receivers described in this example is depicted in FIG. 9b). The level of out-of-band harmonics, noise residues, calculated according to the method described in the previous paragraph, does not exceed 2% of the output signal-to-noise mixture taken in the reception band.
Таким образом, на двух примерах, подтверждающих возможность осуществления изобретения по п.1 формулы, видно, что задача приема сигналов слабее шума осуществима и требует знания направления на источник излучения.Thus, in two examples, confirming the possibility of carrying out the invention according to
Для анализа работы ПЗП по п.2 формулы в области оптики на основе данных, полученных из [17], была создана очередная вычислительная модель. Вычислительный эксперимент по проверке передачи цифровой информации по оптоволоконному каналу подтвердил правильность ряда утверждений, полученных, вероятно, эмпирическим путем, и выявил работу ПЗП в процессе приема битовой последовательности на выходе световода. Сорока восьми битовая последовательность слова «Сигнал» - «D1 E8 Е3 ED Е0 ЕВ» подавалась на вход стеклянного световода с диаметром сердечника 50 нм; длина волны источника 1300 нм (в вакууме), потери в сердечнике 0,8 дБ/км. Расчеты проводились по формулам (3)-(8), приведенным в статье В. Яковлева - сотрудника Санкт-Петербургской фирмы ПРОСОФТ. Путем изменения разности показателей преломления оболочки и сердечника в процессе моделирования подбиралось необходимое число мод, изменялась длина световода L (м) и при помощи изменения длительности одного бита информации - полоса пропускания Р(пропск). Критерием для указанных изменений являлась возможность визуального декодирования битовой последовательности при сопоставлении ее с входной диаграммой.To analyze the operation of the PPP according to
Результаты эксперимента приведены в таблице на фигуре 10. Они совпадают количественно и качественно с утверждением из статьи о том, что коэффициент широкополосности для стандартного стеклянного многомодового оптоволокна и длины волны 1300 нм равен 600 МГц/км. При этом, с увеличением/уменьшением расстояния вдвое полоса уменьшается/увеличивается также вдвое. В таблице соответствующие значения в столбцах, явно указывающие на данную закономерность, отмечены серым оттенком (столбцы J, N, P).The experimental results are shown in the table in figure 10. They coincide quantitatively and qualitatively with the statement from the article that the broadband coefficient for a standard glass multimode optical fiber and a wavelength of 1300 nm is 600 MHz / km. In this case, with an increase / decrease in the distance by half, the band decreases / also increases by half. In the table, the corresponding values in the columns that clearly indicate this pattern are marked in gray (columns J, N, P).
Из результатов приведенных в таблице видно также, что дальнее распространение сигналов в световоде происходит не вопреки, а благодаря межмодовой дисперсии. Благодаря межмодовой дисперсии, вместе с явлением изменения фазы волны при отражении на 180 градусов, а также автоматическому суммированию мод на выходе световода, расстояние, на. которое способна, передаваться информация с заданной скоростью значительно возрастает. Моды, проходя разный путь, имеют, кроме различной интенсивности, разные фазы. В результате суммирования (работы ПЗП) часть мод находящихся в противофазе гасят друг друга и нейтрализуют негативный эффект, возникающий в результате дисперсии. Выделение же нужных мод на выходе световода на сегодня является сложной технической задачей. Кроме того, в процессе движения из-за различных изгибов световода они постоянно переходят из категории быстрых в категорию медленных и обратно. Распределение вероятностей здесь является двумерным.It can also be seen from the results given in the table that the distant propagation of signals in the fiber does not occur contrary to, but due to intermode dispersion. Due to intermode dispersion, together with the phenomenon of a change in the phase of the wave upon reflection by 180 degrees, as well as the automatic summation of the modes at the output of the fiber, the distance is. which is capable of transmitting information at a given speed increases significantly. The modes, passing a different path, have, in addition to different intensities, different phases. As a result of summation (the work of the PZP), some of the modes in antiphase cancel each other out and neutralize the negative effect resulting from dispersion. The selection of the necessary modes at the output of the fiber for today is a difficult technical task. In addition, in the process of movement, due to various bends of the fiber, they constantly move from the fast category to the slow category and vice versa. The probability distribution here is two-dimensional.
Расчетами было установлено, что из-за задержки во времени между самой быстрой и самой медленной модой, которая (задержка) ограничивает полосу пропускания выходного сигнала, получаемая полоса пропускания оказывается значительно меньше реальной. Параметр Р(запазд) в 5-й строка таблицы, вычисленный как величина обратная вышеназванной задержке распространения различных мод, сравнивается с реальной полосой пропускания в последней строке таблицы. Отношение реальной полосы, которая получается благодаря работе ПЗП, к полосе, ограниченной задержкой сигнала, возрастает с увеличением длины световода.The calculations found that because of the time delay between the fastest and slowest mode, which (delay) limits the bandwidth of the output signal, the resulting bandwidth is much less than real. The parameter P (delay) in the 5th row of the table, calculated as the reciprocal of the above propagation delay of various modes, is compared with the real bandwidth in the last row of the table. The ratio of the real band, which is obtained due to the operation of the PZP, to the band limited by the signal delay, increases with increasing length of the fiber.
На диаграмме ниже таблицы фигуры 10 приведен входной сигнал, а на нижней диаграмме показан выходной сигнал, полученный в режиме, отмеченном в столбце N таблицы. Светлой линией на ней отмечен порог (строка «Уров.Огр.» таблицы), по которому можно достоверно декодировать битовую последовательность. Второй, четвертый и предпоследний импульсы являются единичными.The diagram below the table of figure 10 shows the input signal, and the bottom diagram shows the output signal obtained in the mode indicated in column N of the table. The light line on it marks the threshold (line “Level.Org.” Of the table), by which it is possible to reliably decode the bit sequence. The second, fourth and penultimate pulses are single.
Другим примером, подтверждающим принцип ПЗП по п.1 формулы и Ограничение 1, является устройство органов зрения у подавляющего большинства представителей фауны. Размеры глаз относительно длины волны принимаемого света удовлетворяют условию (9), а наличие двух глаз связано с низким уровнем пространственной избирательности многоканальной системы в радиальном (вдоль луча) направлении.Another example that confirms the principle of the PPP according to
Осуществление изобретения по п.2 формулы изобретения возможно при ограниченном числе приемников, что очевидно из алгоритма работы ВМ для случая широко и узкополосной помехи, но при обязательном соблюдении неравенства (9) для размера АЛ (пример: параболическая антенна, направленный микрофон).The implementation of the invention according to
Применение ПЗП по п.3 формулы изобретения для одного приемника вписывается в известные законы теории информации, которые описывают передачу сигналов по каналам связи. Известно, что объем сигнала Vc передаваемый по каналу связи с шумом равен произведению пропускной способности С на длительность передачи Тc и для случая с белым шумом согласно формуле К. Шеннона [12] равен:The application of the PPP according to
где Fс, Pс, Pш - полоса, мощность сигнала и шума соответственно.where F s , P s , P W - band, signal power and noise, respectively.
Из (13) получаем выражение для обмена параметров канала связи при изменении шумовой обстановки (Pс/Pш).From (13) we obtain the expression for the exchange of communication channel parameters when changing the noise environment (P c / P W ).
Где h2 есть отношение Pс/Pш; при исходной (вход) шумовой обстановке, a q2 равное Pс/Pш; соответственно, при изменившейся (выход) шумовой обстановке.Where h 2 is the ratio of P with / P W ; in the initial (input) noise environment, aq 2 equal to P s / P w ; accordingly, with a changed (output) noise environment.
При ухудшении уровня С/Ш следует изменять частотно-временные параметры канала связи. Рассматривая же в качестве канала связи радиотехническую систему (РТС), которая в отношении получения выигрыша может быть как пассивной так и активной, для активной РТС выполняется обратное преобразование, повышающее отношение С/Ш до уровня выше критического, при котором декодер выдает достоверную информацию, переданную источником. Для радиосистемы, дающей выигрыш, расчетное равенство для обмена полосы и длительности сигнала на отношение С/Ш имеет тот же вид (14). В такой РТС параметр h2 следует считать выходным (вход декодера), а q2 входным отношением С/Ш. Из (14) вытекают три способа (варианта) получения выигрыша в отношении С/Ш при передаче одного и того же объема сигнала со входа на выход РТС. Выигрыш можно получить при изменении (увеличении) либо времени передачи, либо полосы сигнала, либо и того и другого одновременно. В первом варианте из (14) будем иметь:If the S / N level worsens, the time-frequency parameters of the communication channel should be changed. Considering the radio engineering system (RTS) as a communication channel, which can be both passive and active with respect to gain, the reverse transformation is performed for active RTS, increasing the S / N ratio to a level above critical, at which the decoder provides reliable information transmitted source. For the gain-generating radio system, the calculated equality for the exchange of the band and signal duration for the S / N ratio has the same form (14). In such a RTS, the parameter h 2 should be considered output (decoder input), and q 2 the input S / N ratio. From (14), three methods (options) arise for obtaining a gain with respect to S / N when transmitting the same signal volume from the input to the output of the RTS. A gain can be obtained by changing (increasing) either the transmission time, or the signal band, or both at the same time. In the first version of (14) we will have:
где i - Input (вход), о - output (выход).where i is Input, o is output.
Для расчетов k принимаем равным Тo/Тi из ряда 1, 2, 3…n; и соответственно выигрыш, получаемый в РТС, будет определяться из выражения:For calculations, k is taken equal to T o / T i from a number of 1, 2, 3 ... n; and accordingly, the gain received in the RTS will be determined from the expression:
Чем больше время передачи, тем больше теоретически возможный выигрыш, получаемый в системе связи.The longer the transmission time, the greater the theoretically possible gain obtained in the communication system.
По аналогии во втором варианте также принимаем k принимаем равным Fo/Fi из ряда 1, 2, 3…n; и получаем те же выражения (15) и (16). Несмотря на сходство выражений для первых двух вариантов, при обмене времени передачи на уровень С/Ш с целью получения выигрыша Z изменяется (падает) скорость передачи, во втором же варианте выигрыш достигается в режиме реального времени. Извлекая корень квадратный из обеих частей выражения (15), получаем по аналогии с (16) зависимость выигрыша z (зэт малое) относительно значения СВЗ взятого при k, равном 1, которое получается при изменении k и обозначается далее на фигурах как «Кривая по Шеннону».By analogy in the second embodiment, we also take k taken equal to F o / F i from a number of 1, 2, 3 ... n; and we get the same expressions (15) and (16). Despite the similarity of the expressions for the first two options, when exchanging the transmission time to the S / N level in order to obtain a gain Z, the transmission speed changes (falls), in the second embodiment, the gain is achieved in real time. Extracting the square root from both sides of expression (15), we obtain, by analogy with (16), the dependence of the gain z (zet is small) relative to the value of the SVZ taken at k equal to 1, which is obtained by changing k and is denoted below in the figures as “Shannon curve ".
Исходное выражение для расчета выигрыша при обмене полосы и длительности передачи на отношение С/Ш по третьему варианту примет вид:The initial expression for calculating the gain in the exchange of the band and the duration of the transfer to the S / N ratio according to the third embodiment will take the form:
где Eш и Fш соответственно спектральная плотность и полоса шума, которые изменяются вместе с полосой при постоянной мощности сигнала, a k1 и k2 - коэффициенты, показывающие кратность изменения времени передачи и полосы занимаемой сигналом соответственно.where E w and F w, respectively, the spectral density and the noise band that change together with the band at a constant signal power, ak 1 and k 2 are coefficients showing the rate of change of the transmission time and the band occupied by the signal, respectively.
Для третьего варианта, когда изменяется и полоса и время передачи, существует практически значимый и достаточно просто реализуемый частный случай, когда с увеличением полосы сигнала Fc во столько же уменьшается время передачи Тc. При этом, появляется возможность повторения сигнала для приведения процесса обмена информацией к режиму реального времени и получения тем самым определенного выигрыша в отношении сигнал-шум. Для этого частного случая по третьему варианту была разработана вычислительная модель.For the third option, when both the transmission band and the time change, there is a practically significant and quite simple realizable special case when, with an increase in the signal bandwidth Fc, the transmission time Tc decreases by the same amount. At the same time, it becomes possible to repeat the signal to bring the information exchange process to real-time mode and thereby obtain a certain gain in the signal-to-noise ratio. For this particular case, according to the third option, a computational model was developed.
Справедливость выражений (14) и (17) вытекает как для гипотетического теоретически возможного случая, так как является следствием закона и/или условием сохранения передаваемой информации, так и для практического случая, проверенного на вычислительной модели (ВМ). Поскольку как справа, так и слева знака равенства отражается один и тот же объем информации, декодируемый при оптимальном пороге декодирования. С этой же целью в ВМ был выбран способ модуляции - амплитудная манипуляция.The validity of expressions (14) and (17) follows both for a hypothetical theoretically possible case, since it is a consequence of the law and / or a condition for preserving the transmitted information, and for a practical case verified on a computational model (VM). Since both the right and left equal signs reflect the same amount of information, decoded at the optimal decoding threshold. For the same purpose, a modulation method — amplitude manipulation — was chosen in the VM.
На четырех простейших вычислительных моделях для гармонического сигнала с амплитудной манипуляцией, с помощью которого передавалась 63-битовая последовательность, были определены значения выигрышей, получаемых при использовании ПЗП для вышеописанных случаев.On the four simplest computational models for a harmonic signal with amplitude manipulation, with the help of which a 63-bit sequence was transmitted, the winnings obtained by using the PPP for the above cases were determined.
- В первом варианте увеличение времени передачи Те достигалось простым повторением во времени k раз исходного сигнала. Модель узкополосной помехи (УПП), использованная в вычислительной модели была описана выше.- In the first embodiment, an increase in the transmission time of Te was achieved by simply repeating in time k times the original signal. The narrowband interference model (SCP) used in the computational model has been described above.
- По второму варианту моделировались два случая. В первом случае, увеличение полосы передаваемого сигнала производилось путем повторения полосы исходного сигнала в соседней вышестоящей полосе частот за счет изменением несущей частоты. При этом полоса УПП расширялась одновременно с ростом Fc в k раз путем увеличения модулирующей частоты, а несущая (центральная) частота шума смещалась в центр полосы сигнала. Исходя из предположения о постоянстве спектральной плотности мощности помехи, она в данной ВМ корректировалась по формуле:- According to the second option, two cases were modeled. In the first case, an increase in the band of the transmitted signal was made by repeating the band of the original signal in the adjacent higher frequency band due to a change in the carrier frequency. In this case, the SCP band expanded simultaneously with an increase in Fc by a factor of k by increasing the modulating frequency, and the carrier (central) noise frequency was shifted to the center of the signal band. Based on the assumption that the spectral density of the interference power is constant, it in this VM was corrected by the formula:
N=P1/Fl=P2/F2=P2/(F1*k); =>P2=P1*k; откуда СВЗ2=КОРЕНЬ(k)*СВЗ1;N = P 1 / F l = P 2 / F 2 = P 2 / (F1 * k); => P 2 = P 1 * k; whence SVZ 2 = ROOT (k) * SVZ 1 ;
Наличие выигрыша проверялось и для второго случая, при котором полоса шума увеличивалась в k раз вместе с сигналом путем повторения (как сигнал в первом случае). При этом, для получения выигрыша, аналогичного первому случаю, потребовалось выпрямлять сигнал + шум отдельно в каждой из k-тых полос. На практике это означает необходимость иметь k каналов приема.The presence of a gain was also checked for the second case, in which the noise band increased k times with the signal by repetition (as a signal in the first case). Moreover, to obtain a gain similar to the first case, it was required to straighten the signal + noise separately in each of the k-th bands. In practice, this means having k receive channels.
- В третьем варианте увеличение полосы Fc в k раз и уменьшение Тc в k раз достигалось уменьшением в k раз длительности единичного импульса бита информации. Укорочение длины единичного импульса означает возрастание в k раз частоты его первой гармоники, а следовательно, и полосы, занимаемой сигналом. Полоса УПП изменялась пропорционально значению первой гармоники единичных битовых импульсов. Затем для приведения сигналов к режиму реального времени 63-битовая последовательность повторялась k раз. Спектральная плотность мощности помехи здесь также корректировалась по формуле, приведенной для второго варианта.- In the third embodiment, an increase in the Fc band by a factor of k and a decrease in Tc by a factor of k was achieved by reducing by k times the duration of a single pulse of an information bit. Shortening the length of a single pulse means increasing k times the frequency of its first harmonic, and, consequently, the band occupied by the signal. The SCP band was varied in proportion to the value of the first harmonic of single bit pulses. Then, to bring the signals to real-time mode, the 63-bit sequence was repeated k times. The spectral density of the interference power here was also corrected by the formula given for the second option.
Для всех трех вариантов выходное отношение С/Ш (при k=1), при котором согласно теории информации [9], [12] выполняется устойчивое декодирование битовой последовательности, было выбрано и закономерно оказалось равным h2≈10 дБ. Зависимости теоретически предельной «Кривой по Шеннону» и кривой, полученной на четырех выше означенных ВМ при применении ПЗП по п.3 формулы изобретения, приведены в таблицах 11, 12, 13, 14. Значение порога декодирования (ПД) показанное на фигурах подбиралось эмпирически по уровню 15-30% от среднего значения на выходе сумматора, когда число ошибок декодирования нулей и единиц по 16-ти реализациям УПП, по которым производилось усреднение значений выигрыша z как функции z(k), сводилось к нолю. При ПД меньше 15-20% число ошибок на 16 реализации УПП превышало 2, 3 случая. А при ПД больше 30% снижалось значение выигрыша z. Наличие небольшого числа (≤3) ошибок, показанных в таблицах на фигурах, свидетельствует о правильности выбора порога декодирования, то есть об оптимальности получаемого ПД.For all three variants, the output S / N ratio (for k = 1), at which, according to the information theory [9], [12], a stable decoding of the bit sequence is performed, was chosen and naturally turned out to be h 2 ≈10 dB. The dependences of the theoretically limiting “Shannon curve” and the curve obtained at the four indicated VMs when applying the PPP according to
1Repeat Number
one
Декодирование производилось путем суммирования предварительно взятых по модулю выборок по всей длине единичного импульса. Синхронизация начальной фазы процесса суммирования проводилась, в качестве примера на модели для одного из вариантов, применением простого коррелятора, в котором выбор начальной фазы производился по двум критериям: по минимуму ПД и минимуму ошибок декодирования.Decoding was carried out by summing pre-taken modulo samples along the entire length of a single pulse. The synchronization of the initial phase of the summation process was carried out, as an example on the model for one of the options, using a simple correlator in which the initial phase was selected according to two criteria: by the minimum of PD and the minimum of decoding errors.
Значения ПД в таблицах представляет собой минимальное расстояние между самой маленькой единичной выборкой и самой высокой нулевой выборкой из всей 63-битовой последовательности в процентах относительно среднего уровня. Уровень С/Ш выходной, как отношение СВЗ сигнала и СВЗ шума, определялся во всех ВМ до начала декодирования. Соответственно «Отношение», как один из критериев получаемого выигрыша, есть отношение между С/Ш выходным к входному. «Выигрыш относительный» вычислялся аналогично «Кривой по Шеннону» как отношение С/Ш вход при k, равном 1, к текущему значению. «Сумма ошибок» есть сумма ошибок по 16 реализациям УПП, по которым усреднялись все измеряемые характеристики вычислительных моделей, т.е. число ошибок из 1008 бит. Все результаты моделирования получены при j и i, равными 1, в настройках УПП.The AP values in the tables represent the minimum distance between the smallest single sample and the highest zero sample of the entire 63-bit sequence as a percentage of the average level. The S / N output level, as the ratio of the SVZ signal to the SVZ noise, was determined in all VMs before decoding. Accordingly, the “Ratio”, as one of the criteria for the gain, is the ratio between S / N output to input. The “relative gain” was calculated similarly to the “Shannon curve” as the ratio S / N input at k equal to 1 to the current value. “The sum of errors” is the sum of errors over 16 SCP implementations, over which all measured characteristics of computational models were averaged, i.e. the number of errors out of 1008 bits. All simulation results were obtained with j and i equal to 1 in the soft starter settings.
Из таблиц видно, что при применении ПЗП, во всех случаях выигрыш в отношении С/Ш устойчиво возрастает при увеличении k, но оказывается меньше теоретически предельного (как в случае с бельм шумом по формуле К. Шеннона). Из них также видно, что после некоторого значения k отношение С/Ш на входе РТС становится меньше единицы. Следовательно, и для п.3 формулы изобретения применение ПЗП позволяет добиться отрицательного (в дБ) входного отношения С/Ш.It can be seen from the tables that when applying the PPP, in all cases, the gain in the S / N ratio steadily increases with increasing k, but it turns out to be less than the theoretically limiting one (as in the case of white noise according to the K. Shannon formula). They also show that after a certain value of k, the S / N ratio at the input of the RTS becomes less than unity. Therefore, for
Полученные результаты вычислений по первому варианту для наглядности показаны на фигуре 11, на которой расположены две диаграммы. Верхняя диаграмма отображает значения выборок, которые подлежат декодированию (темные столбики), и единичные импульсы (светлые столбики) 63-х битовой исходной кодовой последовательности, значения которых помножены на среднее арифметическое из подлежащих декодированию выборок. С помощью последних наглядно виден применяемый алгоритм декодирования, который одинаков для всех четырех вычислительных моделей. Если оцениваемая выборка меньше среднеарифметического уровня, то ее биту присваивается значение ноль. И наоборот, если она больше среднего уровня, то - единица. В случае ошибки на диаграмме наблюдается несоответствие, когда хотя бы один исходный единичный бит превышает по уровню декодируемую выборку, либо заведомо нулевая выборка превышает средний уровень. На диаграмме показана ситуация с отсутствием ошибок.The obtained results of calculations according to the first embodiment are shown for illustration purposes in FIG. 11, in which two diagrams are located. The upper diagram displays the values of the samples to be decoded (dark bars) and single pulses (light bars) of the 63-bit source code sequence, the values of which are multiplied by the arithmetic mean of the samples to be decoded. Using the latter, the decoding algorithm used is clearly visible, which is the same for all four computational models. If the estimated sample is less than the arithmetic mean level, then its bit is assigned the value zero. And vice versa, if it is more than the average level, then - one. In the event of an error in the diagram, a discrepancy is observed when at least one source single bit exceeds the level of the decoded sample, or a knowingly zero sample exceeds the average level. The diagram shows a situation with no errors.
Нижняя диаграмма представляет собой графики пяти характеристик из таблицы 12, где показано получение выигрыша при применении ПЗП для первого случая по второму варианту, когда один случайный процесс УПП накладывается на все k раз повторяющиеся полосы амплитудно-манипулированного сигнала. Так как на каждые k гармоник спектра сигнала в этой ВМ приходится лишь одна гармоника УПП, то плохая синхронизация, необходимая для получения выигрыша при применении ПЗП, связанная с тем, что периоды несущих частот в каждой из полос различны, не приводит к отсутствию выигрыша. Из таблицы и графика видно, что уже при четырех полосах параллельной передачи одной и той же битовой последовательности в режиме реального времени (в отличие от первого варианта) С/Ш вход (СВЗ) становится меньше единицы. А при 16 повторах он достигает минус 7,44 дБ. Спектральная плотность мощности УПП остается в результате описанной выше коррекции практически постоянной, а кривая «относительного выигрыша» достигает значения большего семи.The bottom diagram is a graph of the five characteristics from table 12, which shows the gain when applying the PPP for the first case according to the second option, when one random SCP process is superimposed on all k times repeating bands of the amplitude-manipulated signal. Since for every k harmonics of the spectrum of the signal in this VM there is only one harmonic of the soft starter, the poor synchronization necessary to obtain a gain when applying the PZP, due to the fact that the periods of the carrier frequencies in each of the bands are different, does not lead to a lack of gain. The table and graph show that even with four parallel transmission bands of the same bit sequence in real time (unlike the first option), the S / N input (SVZ) becomes less than one. And with 16 repetitions, it reaches minus 7.44 dB. The power spectral density of the soft starter remains almost constant as a result of the correction described above, and the curve of "relative gain" reaches a value of more than seven.
На фигуре 12 приведены фрагменты осциллограмм четырех процессов ВМ по таблице 12, показанные для двух масштабов времени (больше вверху и меньше на нижней диаграмме) при значении k равном 16. Сверху вниз на нем показаны: шум (УПП, черным цветом), смесь сигнала с шумом (темно серым оттенком), модулированный сигнал без воздействия шума (светло серым оттенком) и исходная битовая последовательность (белой линией). Из-за наложения процессов друг на друга на верхней осциллограмме, график смеси С+Ш для большей наглядности помещен в верхний слой, и для ориентира под исходной битовой последовательностью показана таблица значений соответствующих битов. Без этой таблицы на осциллограммах на длинном отрезке процессов, трудно определить, чему соответствуют последовательности тех или иных радиоимпульсов. Благодаря априори известным параметрам передаваемого сигнала, принимаемого на фоне сильной помехи, из него благодаря применению ПЗП удается достаточно достоверно получить всю переданную информацию.Figure 12 shows fragments of the waveforms of the four VM processes according to Table 12, shown for two time scales (more at the top and less at the bottom diagram) with a k value of 16. From top to bottom it shows: noise (soft starter, black), signal mixture with noise (dark gray shade), a modulated signal without noise (light gray shade), and the original bit sequence (white line). Due to the overlapping of processes on each other in the upper waveform, the graph of the C + W mixture is placed in the upper layer for clarity, and for reference, a table of values of the corresponding bits is shown below the original bit sequence. Without this table, on oscillograms over a long period of processes, it is difficult to determine what the sequences of various radio pulses correspond to. Thanks to the a priori known parameters of the transmitted signal received against the background of strong interference, it is possible to sufficiently reliably obtain all the transmitted information from it due to the use of the PPP.
Из-за неудовлетворительного процесса синхронизации выборок (периоды несущих частот в каждой из полос различны) в третьей ВМ без предварительного выпрямления смеси С+Ш в каждом из каналов для второго случая по второму варианту (таблица 13) с целью получения ощутимого выигрыша обойтись не удалось. Здесь на каждую гармонику спектра сигнала, в отличие от предыдущей ВМ, приходится одна гармоника спектра УПП, следовательно, в результате суммирования перед декодированием происходит затухание не только помехи, но и сигнала. В этой ВМ приведен пример синхронизации полезного сигнала по огибающей, поскольку синхронизация по несущей частоте с переносом спектров для сложения (применения ПЗП) существенно усложнила бы ВМ. Несмотря на то, что С/Ш на входе едва достигает единицы, очевидно, что в продолжении он неизбежно пересечет нулевое (в дБ) значение. В отличие от ВМ для первого случая, выигрыш, получаемый на выходе декодера, здесь достигает минус 4,59 дБ.Due to the unsatisfactory process of sampling synchronization (the periods of the carrier frequencies in each of the bands are different) in the third VM, without preliminary rectification of the C + N mixture in each channel for the second case according to the second option (table 13), it was not possible to manage to get a tangible gain. Here, for each harmonic of the spectrum of the signal, in contrast to the previous VM, there is one harmonic of the SCP spectrum, therefore, as a result of summing before decoding, not only the noise but also the signal is attenuated. This VM provides an example of synchronization of the useful signal along the envelope, since carrier-frequency synchronization with spectral transfer for addition (application of the PZP) would significantly complicate the VM. Despite the fact that the S / N at the input barely reaches unity, it is obvious that in the continuation it will inevitably cross the zero (in dB) value. In contrast to the VM for the first case, the gain obtained at the output of the decoder here reaches minus 4.59 dB.
Результаты получения выигрыша для отмеченного выше частного случая по третьему варианту показаны в таблице 14. Сложность процесса синхронизации, как неотъемлемого условия осуществления изобретения, обнажились в этой ВМ наиболее ярко. Приведение режима передачи и приема к режиму реального времени путем повтора сигнала необходимое число раз было выполнено двумя способами, которые отражены в двух рядах значений «число повторов 1 и «число повторов 2» с пометкой серым цветом «провалов в прохождении» сигналов. Аналогичное явление, описанное выше для случая передачи информации по световоду, наблюдалось из-за рассогласования фаз различных мод, где возникали «островки прохождения». В данной вычислительной модели на общем положительном фоне роста выигрыша, в результате увеличения числа повторов, обнаружились «провалы прохождения».The results of obtaining a win for the particular case noted above in the third embodiment are shown in Table 14. The complexity of the synchronization process, as an integral condition for carrying out the invention, was most clearly revealed in this VM. Bringing the transmission and reception modes to real-time by repeating the signal, the required number of times was performed in two ways, which are reflected in two rows of values "number of
Различное расположение провалов было получено за счет того, что для получения времени существования сигнала, как при k, равном 1, со всеми повторами для последовательности «число повторов 1» при вычислениях допускалась некоторая погрешность, в то время как для второй последовательности «число повторов 2» было введено в процесс вычислений дополнительное округление промежуточного результата с коррекцией времени существования сигнала за счет изменения частоты дискретизации. При тех значениях k, при которых возникали провалы, достичь прохождения не удавалось даже увеличением на порядок амплитуды входного сигнала. Отсутствие прохождения проявлялось в катастрофически возросшем количестве ошибок декодирования. Для этих значений k приведенные значения характеристик указанных в таблице и на графиках были получены путем интерполяции. Значения характеристик, отмеченные прохождением, для обеих последовательностей совпали с большой точностью.A different arrangement of the dips was obtained due to the fact that to obtain the signal lifetime, as for k equal to 1, with all repetitions for the sequence “number of
На фигуре 13 приведены осциллограммы начального участка выборок сигнала для двух значений k. Светлой линией показана смесь сигнала и помехи до суммирования повторяющихся отрезков, темной линией показана выпрямленная смесь после суммирования. Оба сигнала, входной и выходной, соответствуют одной и той же реализации УПП. Верхний график показывает режим прохождения сигнала при k, равном 16, нижний - «провал прохождения» при k, равном 15. На верхнем графике явно видно, что второму единичному импульсу на выходе соответствует провал во входной смеси, а третьему и четвертому существенное превышение входными импульсами (и со сдвигом фронтов) над выходными. Фронты и спады у единичных выходных импульсов достаточно четкие, такую последовательность легко декодировать. На нижнем же графике на фоне входной смеси не видно практически ни самого сигнала, ни единичных импульсов. Декодирование здесь исключается.Figure 13 shows the waveforms of the initial portion of the signal samples for two values of k. The light line shows the mixture of signal and interference before summing the repeating segments, the dark line shows the rectified mixture after summing. Both signals, input and output, correspond to the same SCP implementation. The upper graph shows the signal transmission mode at k equal to 16, the lower one shows the “transmission failure” at k equal to 15. The upper graph clearly shows that the second single pulse at the output corresponds to a dip in the input mixture, and the third and fourth significant excess of the input pulses (and with a shift of fronts) over the weekend. Fronts and slopes of single output pulses are quite clear, such a sequence is easy to decode. On the lower graph, against the background of the input mixture, practically neither the signal itself, nor individual pulses are visible. Decoding is excluded here.
Принимая во внимание факт того, что полоса частот не относится к категории времени, а скорее является пространственной характеристикой, второй вариант с расширением полосы сигнала можно отнести также к п.1 формулы изобретения. Соответственно третий вариант, когда выигрыш получаем за счет расширения полосы и за счет увеличения/уменьшения времени передачи, следует отнести к п.1 и 3 формулы изобретения одновременно.Taking into account the fact that the frequency band does not belong to the time category, but rather is a spatial characteristic, the second option with the expansion of the signal band can also be attributed to
Очередная ВМ по п.4 формулы изобретения построена для вырожденного случая, когда k раз повторяется всего один бит информации и сужение полосы происходит за счет увеличения длины единичного импульса. Входное отношение С/Ш было подобрано равным 3 дБ при k, равном 16, на ультразвуковой частоте 36,7 кГц.The next VM according to
В ней показано одновременное выполнение 1 и 3 пунктов формулы изобретения не разделимое физически, так как фрагменты сигнала в смеси с помехой берутся для получения временной задержки (повторения) из разных точек пространства, а роль линии задержки выполняет сама среда распространения.It shows the simultaneous implementation of 1 and 3 claims that are not physically separable, since fragments of the signal in the mixture with interference are taken to obtain a time delay (repetition) from different points in space, and the propagation medium plays the role of a delay line.
Декодирование битовой последовательности выполнялось двумя способами, традиционным описанным в предыдущих моделях и методом скользящего суммирования, когда каждая временная выборка (ее вес) на выходе РТС представляет собой сумму n-го количества предшествующих и n-го количества последующих выборок. Для скорости звука 330 м/с и 895 суммируемых выборок общая длина цепочки расположенных на одной линии в направлении излучателя приемных устройств составила 1,14 метра. Пример, показанный в этой ВМ, может реально быть использован для передачи телеметрической информации или команд дистанционного управления в ультразвуковом диапазоне [18]. Приведенные в таблице данные показывают, как с изменением в k раз длины единичного импульса, асимптотически снижается число ошибок на выходе декодера, а на фигуре 14 приведены две диаграммы процессов декодирования.The decoding of the bit sequence was carried out in two ways, the traditional described in previous models and the method of moving summation, when each time sample (its weight) at the output of the RTS is the sum of the n-th number of previous and n-th number of subsequent samples. For a sound speed of 330 m / s and 895 summed samples, the total length of the chain of receivers located on one line in the direction of the emitter was 1.14 meters. The example shown in this VM can actually be used to transmit telemetric information or remote control commands in the ultrasonic range [18]. The data presented in the table show how, with a k-fold change in the length of a single pulse, the number of errors at the decoder output decreases asymptotically, and figure 14 shows two diagrams of the decoding processes.
При изменении числа повторов полоса УПП, ее амплитуда и амплитуда сигнала не менялись. На фигуре же приведен пример декодирования первых 32 из 63 битов импульсной последовательности при значении k, равном 16. На верхней диаграмме на фоне 32000 входных выборок показаны светлым тоном выходные (утяжеленные) выборки, а темной линией порог декодирования, совпадающий со средним значением по всем входным выборкам входной смеси сигнал и помехи. При превышении этого порога на выходе РТС имеем логическую единицу и наоборот. На нижней диаграмме показаны для наглядности, совмещенные по временной шкале с верхней диаграммой, значения на входе описанного ранее декодера и исходная битовая последовательность, амплитуда единичных импульсов которой равна порогу декодирования. Из верхней диаграммы видно, что значения нулей и единиц явно не следуют из входной последовательности выборок, а после скользящего суммирования битовая последовательность вне зависимости от скорости передачи информации вырисовывается достаточно достоверно.When the number of repetitions changes, the SCP band, its amplitude, and the signal amplitude did not change. The figure also shows an example of decoding the first 32 of the 63 bits of the pulse sequence with a k value of 16. The upper diagram against 32,000 input samples shows the output (heavier) samples in bright tone, and the dark line decoding threshold that matches the average value for all input samples of the input mixture signal and interference. If this threshold is exceeded, we have a logical unit at the output of the RTS and vice versa. The lower diagram shows for clarity, combined on a timeline with the upper diagram, the values at the input of the previously described decoder and the original bit sequence, the amplitude of the single pulses of which is equal to the decoding threshold. It can be seen from the upper diagram that the values of zeros and ones clearly do not follow from the input sequence of samples, and after rolling summation, the bit sequence, regardless of the information transfer rate, is quite reliable.
В случае необходимости повышения С/Ш при передаче и приеме сигналов с угловой модуляцией применение ПЗП можно выполнить двумя подходами. В первом случае (по п.3 формулы), необходимо сначала произвести декодирование, то есть перевести угловую модуляцию в амплитудную, а затем применить синхронизацию по огибающей и суммирование в соответствии с ПЗП. Декодирование угловой модуляции можно выполнить, как пример, по выражению:If it is necessary to increase the S / N during the transmission and reception of signals with angular modulation, the application of the PZP can be performed in two approaches. In the first case (according to
Где U(t) - Значение текущего отсчета огибающей;Where U (t) - The value of the current envelope reference;
К - коэффициент пропорциональности;K is the coefficient of proportionality;
Ui, Ui-1 - значения двух соседних отсчетов;Ui, Ui-1 - values of two adjacent samples;
Umax - максимальное значение из отсчетов сигнала на интервале демодуляции.Umax - the maximum value of the signal samples in the demodulation interval.
sin-1 - функция арксинуса.sin -1 is the arcsine function.
Во втором случае, при использовании варианта с расширением полосы сигнала для получения выигрыша в отношении С/Ш, выполнить синхронизацию по несущей частоте с переносом спектров сигналов в единую полосу для суммирования. Затем произвести демодуляцию. По п.1 формулы вид модуляции не имеет значения.In the second case, when using the option with expanding the signal band to obtain a gain in the S / N ratio, perform synchronization on the carrier frequency with the transfer of the signal spectra into a single band for summing. Then perform demodulation. According to
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫBIBLIOGRAPHY
http://Modern automation technology No. 4 of 2002, p. 74. V. Yakovlev. The basics of fiber optic technology. Page 74.
http: //
Claims (7)
Priority Applications (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010117813/08A RU2491717C2 (en) | 2010-05-04 | 2010-05-04 | Method of increasing signal-to-noise level (ratio) using "disturbance damping principle" |
PCT/RU2011/000296 WO2011145981A2 (en) | 2010-05-04 | 2011-04-27 | Method for increasing signal-to-noise level (ratio) using a "disturbance damping principle" |
EA201200755A EA201200755A1 (en) | 2010-05-04 | 2011-04-27 | METHOD FOR INCREASING THE LEVEL (RELATIONS) OF A SIGNAL NOISE WHEN APPLYING THE “HUMAN-DUMPING PRINCIPLE |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2010117813/08A RU2491717C2 (en) | 2010-05-04 | 2010-05-04 | Method of increasing signal-to-noise level (ratio) using "disturbance damping principle" |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2010117813A RU2010117813A (en) | 2010-12-27 |
RU2491717C2 true RU2491717C2 (en) | 2013-08-27 |
Family
ID=44055498
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2010117813/08A RU2491717C2 (en) | 2010-05-04 | 2010-05-04 | Method of increasing signal-to-noise level (ratio) using "disturbance damping principle" |
Country Status (3)
Country | Link |
---|---|
EA (1) | EA201200755A1 (en) |
RU (1) | RU2491717C2 (en) |
WO (1) | WO2011145981A2 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2517234C2 (en) * | 2012-10-16 | 2014-05-27 | Павел Иванович Попик | Multi-station passive location radio system (industrial vision) |
RU2680860C1 (en) * | 2017-12-07 | 2019-02-28 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Method of passive determination of coordinate of sources of sonar radiation |
RU2711420C1 (en) * | 2018-10-30 | 2020-01-17 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | Method for processing signals with hyperbolic frequency modulation |
RU2809757C2 (en) * | 2021-12-08 | 2023-12-15 | Павел Александрович Молчанов | Method for high-speed transmission and reception of information in hydroacoustic multibeam communication channel |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN111179185B (en) * | 2019-12-04 | 2023-07-18 | 中国四维测绘技术有限公司 | Remote sensing image color correction method and system based on cloud pickling film and MSR |
RU2756290C1 (en) * | 2021-01-19 | 2021-09-29 | Мария Вячеславовна Крылова | Method for adding power of transceiver radio devices spread out in space |
Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2107989C1 (en) * | 1993-08-27 | 1998-03-27 | Квэлкомм Инкорпорейтед | Antenna system and base station of communication system; method for producing multibeam transmitted-signal propagation in it |
US6240148B1 (en) * | 1996-08-09 | 2001-05-29 | Ntt Mobile Communications Network, Inc. | Path-diversity receiving method and system of spread spectrum communication |
US6249669B1 (en) * | 1998-06-11 | 2001-06-19 | Hitachi, Ltd. | Diversity wireless communication method and its wireless communication apparatus |
US6356605B1 (en) * | 1998-10-07 | 2002-03-12 | Texas Instruments Incorporated | Frame synchronization in space time block coded transmit antenna diversity for WCDMA |
RU2264045C2 (en) * | 2004-01-28 | 2005-11-10 | Закрытое акционерное общество "Кодофон" | Method for synchronization of signals and device for realization of said method |
RU2276464C2 (en) * | 2000-02-29 | 2006-05-10 | Уорлдспейс Корпорейшн | Device and method for receipt and synchronization at mobile platform in direct digital satellite broadcast system |
RU2289202C2 (en) * | 2004-11-23 | 2006-12-10 | Зао "Элвиис" | Digital multi-channel reprogrammable reception path |
RU2369016C2 (en) * | 2003-09-02 | 2009-09-27 | Квэлкомм Инкорпорейтед | Synchronisation in ofdm broadcasting system using time-division multiplexed pilot signals |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
SE513656C2 (en) * | 1997-11-21 | 2000-10-16 | Ericsson Telefon Ab L M | Method and apparatus for receiving radio signals by means of antenna lobes |
-
2010
- 2010-05-04 RU RU2010117813/08A patent/RU2491717C2/en active
-
2011
- 2011-04-27 EA EA201200755A patent/EA201200755A1/en unknown
- 2011-04-27 WO PCT/RU2011/000296 patent/WO2011145981A2/en active Application Filing
Patent Citations (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2107989C1 (en) * | 1993-08-27 | 1998-03-27 | Квэлкомм Инкорпорейтед | Antenna system and base station of communication system; method for producing multibeam transmitted-signal propagation in it |
US6240148B1 (en) * | 1996-08-09 | 2001-05-29 | Ntt Mobile Communications Network, Inc. | Path-diversity receiving method and system of spread spectrum communication |
US6249669B1 (en) * | 1998-06-11 | 2001-06-19 | Hitachi, Ltd. | Diversity wireless communication method and its wireless communication apparatus |
US6356605B1 (en) * | 1998-10-07 | 2002-03-12 | Texas Instruments Incorporated | Frame synchronization in space time block coded transmit antenna diversity for WCDMA |
RU2276464C2 (en) * | 2000-02-29 | 2006-05-10 | Уорлдспейс Корпорейшн | Device and method for receipt and synchronization at mobile platform in direct digital satellite broadcast system |
RU2369016C2 (en) * | 2003-09-02 | 2009-09-27 | Квэлкомм Инкорпорейтед | Synchronisation in ofdm broadcasting system using time-division multiplexed pilot signals |
RU2264045C2 (en) * | 2004-01-28 | 2005-11-10 | Закрытое акционерное общество "Кодофон" | Method for synchronization of signals and device for realization of said method |
RU2289202C2 (en) * | 2004-11-23 | 2006-12-10 | Зао "Элвиис" | Digital multi-channel reprogrammable reception path |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Радиоприемные устройства. 2-е издание, переработанное и дополненное. Под редакцией профессора Н.Н. Фомина. Радио и связь, 2003, с.390, 391, 430-434. * |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2517234C2 (en) * | 2012-10-16 | 2014-05-27 | Павел Иванович Попик | Multi-station passive location radio system (industrial vision) |
RU2680860C1 (en) * | 2017-12-07 | 2019-02-28 | Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" | Method of passive determination of coordinate of sources of sonar radiation |
RU2711420C1 (en) * | 2018-10-30 | 2020-01-17 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-Морского Флота "Военно-морская академия им. Адмирала Флота Советского Союза Н.Г. Кузнецова" | Method for processing signals with hyperbolic frequency modulation |
RU2809757C2 (en) * | 2021-12-08 | 2023-12-15 | Павел Александрович Молчанов | Method for high-speed transmission and reception of information in hydroacoustic multibeam communication channel |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2011145981A3 (en) | 2012-03-15 |
EA201200755A1 (en) | 2013-02-28 |
WO2011145981A2 (en) | 2011-11-24 |
RU2010117813A (en) | 2010-12-27 |
WO2011145981A9 (en) | 2012-01-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2491717C2 (en) | Method of increasing signal-to-noise level (ratio) using "disturbance damping principle" | |
US9184815B2 (en) | Systems, methods, and media for selecting antennas and beamformers | |
Ipanov et al. | Radar signals with ZACZ based on pairs of D-code sequences and their compression algorithm | |
CN111239839B (en) | Frequency spectrum density calculation method and device for frequency domain electromagnetic method | |
US20220232318A1 (en) | Sound signal processing method, apparatus and device based on microphone array | |
CN114616488A (en) | Signal noise filtering method and device, storage medium and laser radar | |
Song et al. | High-resolution time delay estimation algorithms through cross-correlation post-processing | |
CN110231589B (en) | Multipath signal direction-of-arrival estimation method with large diffusion angle | |
Bilgehan et al. | Fast detection and DOA estimation of the unknown wideband signal sources | |
CN113056000B (en) | Positioning system, method and device based on super surface | |
CN115825953B (en) | Forward-looking super-resolution imaging method based on random frequency coding signal | |
Kim et al. | A study on pulse train waveforms for high duty cycle sonar systems: optimization scheme and relationship between orthogonality and bandwidth | |
CN111257891B (en) | Deconvolution-based MIMO sonar distance sidelobe suppression method | |
Cang et al. | Toeplitz-based blind deconvolution of underwater acoustic channels using wideband integrated dictionaries | |
Guo et al. | New BSS‐based ABF for heterogeneous ionospheric clutter mitigation in HFSWR | |
Liu et al. | Joint transmit-receive beamspace design for colocated MIMO radar in the presence of deliberate jammers | |
Ebrahimi et al. | Wideband Laguerre adaptive array with pre‐steering constraints | |
Kalinin et al. | Features of Calculating the Noise Immunity of UWB Radiosystems in the INDOOR Mode | |
Lebret | Antenna pattern synthesis through convex optimization | |
CN118311507B (en) | Method for suppressing coding cycle auxiliary radio frequency interference time domain, electronic equipment and storage medium | |
US20240046423A1 (en) | Ultrasound image processing apparatus | |
CN117880817B (en) | Unmanned aerial vehicle track and beam forming vector determination method and device and electronic equipment | |
US12040552B2 (en) | Phased array antenna with reduced node count | |
CN114755640B (en) | Radar signal interference method, device, electronic equipment and storage medium | |
Irfan et al. | Performance analysis of adaptive algorithms for space‐time adaptive processor (STAP) in phased array radar |