Режекция нефлуктационных помех с помощью адаптивного фильтра на основе анализа огибающей спектра

Цели. Активное развитие беспроводных технологий, включая IoT (Internet of Things, интернет вещей) и 5G/6G, сопровождается ростом уровня электромагнитных помех, что ставит перед инженерами задачу разработки эффективных методов их подавления. Особую сложность представляют нефлуктуационные помехи разного рода. Цель данного исследования заключается в реализации и анализе эффективности метода режекции нефлуктуационных помех с использованием адаптивного фильтра, основанного на анализе огибающей спектра.
Методы. В работе использованы методы математического моделирования, спектрального анализа и адаптивной фильтрации. Предложен подход, основанный на выделении огибающей спектра для идентификации и последующего подавления нефлуктуационных помех.
Результаты. Проведено исследование эффективности адаптивного алгоритма подавления нефлуктуационных помех на основе анализа огибающей спектра, который позволяет выделять огибающую спектра помехи, что обеспечивает формирование амплитудно-частотной характеристики режекторного фильтра в реальном времени. В ходе исследования реализованы и протестированы методы обработки для 3 типов нефлуктуационных помех: гармонической, частотно-манипулированной (ЧМ) и фазоманипулированной (ФМ). В качестве полезного сигнала использован сигнал с квадратурной амплитудной модуляцией. Экспериментальные результаты демонстрируют хорошую эффективность предложенного метода, Разработанный адаптивный режекторный фильтр на основе анализа огибающей спектра обладает высокой эффективностью при борьбе с гармонической помехой: энергетический выигрыш в зависимости от относительной интенсивности помехи может составлять до 8–9 дБ. При увеличении количества помех эффективность фильтра сохраняется, хотя и несколько снижается. Алгоритм при определенных условиях работоспособен в условиях воздействия узкополосных ЧМ- и ФМ-помех.
Выводы. Предложенный адаптивный алгоритм подавления нефлуктуационных помех на основе анализа огибающей спектра наиболее эффективен при наличии в канале связи гармонических помех и менее эффективен при наличии более широкополосных помех. Работа имеет практическую значимость для систем цифровой связи, где требуется высокая помехоустойчивость в условиях сложной электромагнитной обстановки.

1. Помехозащищенность приема дискретных сигналов; под ред. Ю.И. Савватеева, О.В. Назарова. М.: Радиотехника; 2015. 584 с. ISBN 978-5-93108-094-9

2. Борисов В.И., Зинчук В.М. Помехозащищенность систем радиосвязи. Вероятностно-временной подход. М.: РадиоСофт; 2008. 260 с. ISBN 5-93274-011-6. https://www.elibrary.ru/catzhm

3. Паршуткин А.В., Маслаков П.А. Помехоустойчивость каналов связи с амплитудно-фазовой модуляцией к воздействию непреднамеренных нестационарных помех. Вопросы оборонной техники. Серия 16. Технические средства противодействия терроризму. 2019;11–12:96–101.

4. Ложкин К.Ю., Петров А.В., Миронов В.А., Михалёв В.В., Прожеторко С.С. Аналитические зависимости средней вероятности искажения бита W-КАМ-сигнала на фоне гармонической или фазоманипулированной помех с учетом замираний. Радиотехника. 2020;84(4–8):27–35. https://doi.org/10.18127/j00338486-202004(8)-03

5. Куликов Г.В., Нестеров А.В., Лелюх А.А. Помехоустойчивость приема сигналов с квадратурной амплитудной манипуляцией в присутствии гармонической помехи. Журнал радиоэлектроники. 2018;11:2. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2018.11.9

6. Куликов Г.В., Лелюх А.А., Баталов Е.В., Кузеленков П.И. Помехоустойчивость приема сигналов с квадратурной амплитудной манипуляцией в присутствии фазоманипулированной помехи. Журнал радиоэлектроники. 2019:7. URL: http://jre.cplire.ru/jre/jul19/10/text.pdf, https://doi.org/10.30898/1684-1719.2019.7.10

7. Куликов Г.В., Шамшура А.О., Печенин Е.А., Шаталов Е.В. Анализ помехоустойчивости приема сигналов с квадратурной амплитудной манипуляцией на фоне частотно-манипулированной помехи. Вестник Воронежского института ФСИН России. 2022;2:9–15.

8. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов: пер. с англ. М.: Радио и связь; 1989. 439 с. ISBN 5-256-00180-9

9. Farhang-Boroujeny B. Adaptives Filters: Theory & Applications. Wiley, UK; 1998. 529 p.

10. Shynk J.J. Frequency-domain and multirate adaptive filtering. IEEE Signal Process. Mag. 1992;9(1):14–37. https://doi.org/10.1109/79.109205

11. Попов Д.И. Анализ рекурсивных режекторных фильтров в переходном режиме. Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2023;4:259–264. https://www.elibrary.ru/guzddw

12. Попов Д.И. Оптимизация параметров рекурсивных режекторных фильтров. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2022;2(62):26–35. https://doi.org/10.21685/2072-3059-2022-2-2, https://www.elibrary.ru/fcnxab

13. Куликов Г.В., Коняшкин Г.В. Адаптивный режекторный фильтр для подавления нефлуктуационных помех: пат. 232764 U1 РФ. Заявка № 2024135726; заявл. 28.11.2024; опубл. 19.03.2025. Бюл. № 8.

14. Friedlander B., Porat B. The Modified Yule-Walker Method of ARMA Spectral Estimation. IEEE Transactions on Aerospace Electronic Systems. 1984;AES-20(2):158–173. https://doi.org/10.1109/TAES.1984.310437

15. Солонина А., Улахович Д. Алгоритмы и процессоры цифровой обработки сигналов. СПб.: БХВ-Петербург; 2002. 464 с.

16. Нгуен Тьен Фат. Обработка радиотехнических сигналов на фоне помех: Монография. Вьетнамский государственный технический университет им. Ле Куй Дона. Тамбов: ООО «Консалтинговая компания Юком»; 2018. 76 с. https://www.elibrary.ru/xoyrql