ДИСКРЕТНЫЙ СОГЛАСОВАННЫЙ ФИЛЬТР Российский патент 1994 года по МПК H03H17/02 

Изобретение относится к радиотехническим средствам обработки информации и может быть использовано в приемных устройствах связных и локационных комплексов.

В настоящее время актуальной задачей, стоящей перед связными, локационными комплексами, является обработка сигналов, в том числе искаженных эффектом Доплера, в реальном масштабе времени. Одним из путем решения этой задачи является повышение быстродействия составных элементов этих комплексов и в первую очередь устройства согласованной фильтрации.

Известно устройство, содержащее два блока прямого дискретного преобразования Фурье (ДПФ), умножитель и блок обратного ДПФ, причем выход первого блока прямого ДАФ подключен к первому входу умножителя, выход второго блока прямого ДПФ - к второму входу умножителя, выход которого соединен с входом блока обратного ДПФ [1] .

Недостатком указанного устройства является низкое быстродействие (большое время обработки) при приеме входного сигнала, искаженного эффектом Доплера, поскольку для обнаружения с помощью указанного устройства входного сигнала необходим последовательный перебор импульсных характеристик, отличающихся доплеровским параметром.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является дискретный согласованный фильтр (ДСФ), содержащий первый блок прямого ДПФ, вход которого является входом ДСФ, блок обратного ДПФ, выход которого является выходом ДСФ, второй блок прямого ДПФ, вход которого является входом для отсчетов импульсной характеристики, N умножителей комплексных чисел, первые два входа которых подключены к 2N выходам второго блока прямого ДПФ соответственно, а выходы соединены с 2N входами блока обратного ДПФ соответственно, последовательно соединенные и включенные между 2N выходами первого блока прямого ДПФ и каждыми вторыми двумя входами умножителей комплексных чисел соответственно 2N блоков бинарного квантования и 2N умножителей действительных чисел, а также 2N блоков вычисления модуля сигнала, включенных между выходами второго блока прямого ДПФ и каждым вторым входами умножителей действительных чисел соответственно [2] .

Недостатком известного ДСФ является низкое быстродействие при влиянии на входной сигнал эффекта Доплера. Действительно, сигнал, пришедший от движущегося источника (отраженный от движущего объекта), имеет в общем случае вид S(α t- τ), где α = 1 + v/C , τ= R/C ; v - радиальная скорость взаимного движения источника и приемника; R - расстояние между ними; С - скорость распространения сигнала в среде. Поскольку согласованный фильтр инвариантен относительно временного сдвига входного сигнала, то положим задержку τ = 0 и будет рассматривать входной сигнал S(α t). Так как заранее в связных (локационных) системах доплеровский параметр α не известен, то для обнаружения входного сигнала при использовании известной совокупности признаков необходимо на второй вход ДСФ последовательно подавать отсчеты импульсных характеристик (эталонов), каждая из которых соответствует комплексно сопряженному входному сигналу, сжатому (растянутому) по времени в α_iраз, т. е. необходим последовательный перебор эталонов, отличающихся параметром α, что приводит к увеличению времени обнаружения входного сигнала с помощью известного ДСФ по сравнению со случаем, когда влияния эффекта Доплера на входной сигнал нет (т. е. прием и обработка сигнала ведется при неподвижных источнике и приемнике).

Цель изобретения - повышение быстродействия при влиянии на входной сигнал эффекта Доплера.

Это достигается тем, что в ДСФ, содержащий первый и второй блоки прямого ДПФ, 2N блоков бинарного квантования, 2N умножителей действительных чисел, 2N умножителей комплексных чисел, 2N блоков вычисления модуля сигнала, введены первый и второй блоки масштабирования, N вычислителей модуля комплексных чисел и N-входовой сумматор.

На чертеже представлена структурная электрическая схема предлагаемого фильтра.

Дискретный согласованный фильтр содержит первый и второй блоки 1 и 2 масштабирования, первый 3 и второй 4 блоки прямого ДПФ, блоки 5 бинарного квантования, умножители 6 действительных чисел, блоки 7 вычисления модуля сигнала, умножители 8 комплексных чисел, вычислители 9 модуля комплексных чисел и N-входовый сумматор 10.

Дискретный согласованный фильтр работает следующим образом.

Выборка y(n) входного сигнала S(t) объема N поступает на вход первого блока 1, преобразующего ее таким образом, что выборка х(n) выходного сигнала первого блока масштабирования объема N соответствует дискретному виду сигнала U(lnt), т. е. соответствует сигналу S(t) с измененными по логарифмическому закону масштабом времени. Первый блок 3 прямого ДПФ вычисляет прямое ДПФ выборки х(n), в результате чего действительная А(К) и мнимая В(К) составляющие спектральных коэффициентов (где К = 0,1, . . . , -1) сигнала U(lnt) поступают на вход соответствующих блоков 5 бинарного квантования. Выполнение логарифмического масштабирования сигнала перед вычислением прямого ДПФ приводит к тому, что в результате получается спектр Меллина, а на спектр Фурье, т. е. А(К) и В(К) - действительная и мнимая составляющие меллиновского спектрального коэффициента входного сигнала.

Выборка Z(n) объема N, соответствующая импульсной характеристике Sих(t) согласованного фильтра, поступает на вход второго блока 2, выходной сигнал которого подается на вход второго блока 4 прямого ДПФ, в результате с 2N выходов второго блока 4 поступает действительная С(k) и мнимая D(k) составляющие меллиновских спектральных коэффициентов импульсной характеристики Sих(t) ДСФ.

Блоки 5 бинарного квантования работают по правилу: A_кв(k) = B_кв(k) =
Блоки 7 вычисляют модули действительных и мнимых составляющих меллиновских спектральных коэффициентов импульсной характеристики: Р(k) = C(k)|, (k) = |D(k)|.

Умножители 6 выполняют умножение в соответствии с формулами П(k) = А_кв(k) Р(k), Т(k) = B_кв(k) F(k).

В умножителях 8 перемножаются меллиновские спектральные коэффициенты импульсной характеристики S_их(t) на выходные сигналы умножителей 6 по правилу:
(k) = П(k) C(k) - Т(k) D(k),
(k) = C(k) T(k) + П(k) D(k).

Вычислители 9 осуществляют вычисление модуля в соответствии с выражениями M(K) = L(k)+jR(k) = , а N - входовой сумматор 10 суммирует все полученные сигналы (k).

Показываем, что в устройстве действительно достигается повышение быстродействия при влиянии на входной сигнал эффекта Доплера, учитывая, что при согласованной фильтрации спектр импульсной характеристики S_их(t) комплексно сопряжен спектру опорного сигнала S(t).

Для большей наглядности дальнейшего рассмотрения пользуемся не дискретной, а интегральной формами записи функционирования ДСФ и считаем также, что на вход ДСФ поступает один сигнал.

Можно показать, что спектр Меллина сигнала S(t) отличается от спектра Меллина сигнала S (αt) лишь комплексным коэффициентом. Действительно, спектр Меллина сигнала S(αt t) имеет вид
S_α(ω) = S(αt)t^jω-1dt = S(αt)l^jωlntd(lnt) , сделая замену переменных α t = q, получаем S_α(ω) = S(q)l^{jω(lnq-lnα)}d(lnq) = lq)l^jωlnqd(lnq) = → →= α^-jωS(ω) , (1) где S(ω) = S(t)l^jωlntd(lnt) - спектр Меллина сигнала S(t).

Таким образом, вычисленный с помощью блоков 1 и 3 спектр Меллина входного сигнала S(α t) описывается выражением (1).

Вычисленный с помощью блоков 2 и 4 спектр Меллина импульсной характеристики S_их(t) записывает
S_ux(t)l^jωlntd(lnt) = S^*(ω) , где * - знак комплексного сопряжения.

На выходе умножителей В получаем сигнал _l(ω)==α -jω_·S(ω)S*_(ω)=
Вычислители 9 осуществляют операцию
l(ω) = S(ω) = S(ω)= S(ω).

После этого сумматор 10 интегрирует спектральные составляющие ln|(ω)|: l(ω)dω = S(ω)dω = E , (2) где Е - энергия сигнала S(t).

Из выражения (2) видно: отклик ДСФ не зависит от доплеровского параметра α и определяется лишь энергией сигнала. Следовательно, чтобы обработать (обнаружить) входной сигнал с помощью ДСФ достаточно подать на его второй вход только одну импульсную характеристику, определяемую опорным сигналом S(t) (перебор по α не нужен), что и позволяет повысить быстродействие.

(56) 1. Применение цифровой обработки сигналов. Пож ред. Э. Онненгейма, М. : Мир, 1980, с. 295.

2. Авторское свидетельство СССР N 1169147, кл. Н 03 Н 17/00, 1983.

Использование: радиотехника, приемные устройства связных и локационных комплексов. Сущность изобретения: дискретный согласованный фильтр (ДСФ) содержит первый и второй блоки масштабирования, первый и второй блоки прямого ДСФ, блоки бинарного квантования, умножители действительных чисел, блоки вычисления модуля сигнала, умножители комплексных чисел, вычислители модуля комплексных чисел и N-входовый сумматор. В изобретении обеспечивается повышение быстродействия при влиянии на входной сигнал эффекта Доплера. 1 ил.

ДИСКРЕТНЫЙ СОГЛАСОВАННЫЙ ФИЛЬТР, содержащий первый и второй блоки прямого дискретного преобразования Фурье (ДПФ), N умножителей комплексных чисел, первые два входа которых подключены к 2 N выходам второго блока прямого ДПФ, последовательно соединенные и включенные между 2 N выходами первого блока прямого ДПФ и каждыми вторыми двумя входами умножителей комплексных чисел соответственно 2 N блоков бинарного квантования и 2 N умножителей действительных чисел и 2 N блоков вычисления модуля сигнала, включенных между выходами второго блока прямого ДПФ и каждыми вторыми входами умножителей действительных чисел соответственно, отличающийся тем, что в него введены первый блок масштабирования, вход которого является входом дискретного согласованного фильтра, а выход подключен к входу первого блока прямого ДПФ, второй блок масштабирования, вход которого является входом для отсчетов импульсной харатеристики, а выход подключен к входу второго блока прямого ДПФ, N вычислителей модуля комплексных чисел и N-входовый сумматор, выход которого является выходом дискретного согласованного фильтра, при этом входы каждого из N вычислителей модуля комплексных чисел подключены к выходам соответствующего умножителя комплексных чисел, а выходы вычислителей модуля комплексных чисел подключены к входам N-входового сумматора.