СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПСЕВДОСЛУЧАЙНЫХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ Российский патент 1997 года по МПК H04B7/00 H03L7/00 

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для обработки широкополосных сигналов.

Известны способы оптимальной обработки псевдослучайных последовательностей (ПСП), построенные на принципах взаимокорреляционного приема. Классическая взаимокорреляционная обработка включает перемножение входного и опорного сигналов и последующее накопление, требует условий синхронизации. При низких отношениях сигнал/помеха задача синхронизации усложняется и приводит к большому числу дополнительных операций [1]
Использование при обработке ПСП с базой более 500 согласованной фильтрации, обладающей свойством инвариантности относительно времени прихода сигнала, ограничено ввиду большого числа операций задержки и суммирования.

Наиболее близким аналогом является способ обнаружения ПСП, заключающийся в том, что в этом способе входной сигнал ПСП задерживают на величину, равную половине длительности тактового импульса,и перемножают с исходным сигналом. Затем путем узкополосной фильтрации выделяют гармонику, частота которой равна тактовой частоте. По отклику, полученному от узкополосной фильтрации, принимают решение о наличии ПСП на входе [2] Однако известный способ обладает высокой вероятностью ложной тревоги на фоне мощных узкополосных помех.

Технический результат уменьшение вероятности ложной тревоги на фоне мощных узкополосных помех.

Сущность способа состоит в том, что в способе, включающем операции умножения, узкополосной фильтрации и сравнения с порогом, из исходного спектра входного сигнала, полоса которого равна 2 f_т (f_т тактовая частота), путем полосовой фильтрации выделяют 4n (n целое) одинаковых частотных полос шириной Δf; после чего производят попарное перемножение 4n сигналов, спектры которых разнесены на величину, равную тактовой частоте f_т, и из полученных сигналов путем узкополосной фильтрации выделяют 2n независимых гармоник частоты f_т, которые складывают попарно так, что i-я гармоника частоты f_т, полученная в результате сложения, соответствует двум перемножаемым парам полос: i Df,(2n+i)Df и (2n-i+1)Dt,(4-i+1)Df одновременно осуществляют попарное перемножение 2n сигналов, отвечающих n парам спектров, полосы которых равны Df и расположены симметрично относительно частоты затем из полученных сигналов путем узкополосной полосовой фильтрации выделяют n независимых гармоник частоты f_т, причем j-я гармоника соответствует j-й симметричной паре, отсчитываемой от частоты после этого i-ю гармонику, полученную в результате перемножения сигналов, спектры которых отстоят по оси частот на значение частоты f_т, складывают в противофазе с (n-i+1)-й гармоникой, полученной в результате перемножения сигналов, частотные полосы которых расположены симметрично относительно частоты ; затем n результирующих гармоник частоты f_т независимо сравнивают с порогами и при превышении порогов заданного числа откликов из n возможных, принимают решение о наличии широкополосного сигнала на входе.

Задачей способа является создание инвариантного к форме сигнала способа обработки ПСП, имеющих большие длительности элементарных посылок, а также получение удовлетворительных характеристик приема (в частности, вероятности ложной тревоги) при присутствии узкополосных помех в полосе приема.

Для пояснения сущности способа следует обратиться к теории многофазных сигналов с заданной тактовой частотой. Эти сигналы описываются с помощью кодовой последовательностиa_n}a₁, a₂,a_N, которая представляется решетчатой функцией. Кодовая последовательность с манипуляцией фазы 0, π обладает двумя свойствами: спектр кодовой последовательности периодичен с периодом длительность элементарной посылки); спектр кодовой последовательности симметричен относительно нулевой частоты (амплитудный спектр имеет четкую симметрию, а фазовый нечетную). Эти два свойства приводят к тому, что в главном лепестке спектра ПСП фазовый спектр нечетен относительно частоты, равной половине тактовой частоты, и кроме того, фазовый спектр главного лепестка ПСП совпадает с фазовым спектром бокового лепестка с точностью до π Выделение пар сигналов, отвечающих спектрам с описанной выше функциональной связью в главном лепестке, а также сигналов с функциональной связью между спектрами главного и бокового лепестков, и последующее их перемножение в каждой паре позволяет выделить гармонические колебания с тактовой частотой f_т.

Для пояснения образования частоты f_т после операции перемножения рассматриваются два примера.

Пример 1. Взаимодействие основного и бокового лепестков

выражено в сигналах,соответствующих основному и боковому лепесткам соответственно.

Здесь S₁(t) и S₂(t) разложены в ряд Фурье на отрезке [0,T]
T длительность сигнала
1-я гармоника
C_n, B_n значения амплитуд составляющих
Φ_n фазы частотных составляющих

т. е. после преобразования (перемножения) образуются суммарные и разностные гармоники с амплитудами и гармоники частотой ω_T/ с амплитудой и фазой π
Пример 2. Взаимодействие "симметричных" полос в основном лепестке.

сигнал в полосе [0, f_т/2]
сигнал в полосе [f_т/2, f_т]

т.е. после преобразования (умножения появляется гармоника частоты ω_T а с амплитудой и гармоники в области низких частот и в районе частоты ω_T с нулевой фазой (слева и справа от ω_T ) с амплитудами Более детальный анализ показывает, что среднестатистическое значение амплитуды составляющих на частотах, отличных от ω_T по крайней мере в раз меньше, чем амплитуда гармоники на частоте ω_T/ , здесь N число составляющих спектра.

Анализ помехоустойчивости данного способа и прототипа при помехе типа белый шум приводит к эквивалентным результатам.

Для расчета помехоустойчивости при наличии помехи типа белый шум при N>1 (N число элементарных посылок) можно пользоваться известными выражениями. Так для вероятности правильного обнаружения справедлива формула: , где q отношение сигнал/шум по мощности на выходе, h нормированный порог.

В нашем случае:

P_c мощность сигнала на входе;
P_ш мощность шума на входе в полосе Г;
F 2f_т полоса сигнала;
T длительность обработки.

Способ может иметь предпочтение в указанных выше условиях, когда задержку использовать нежелательно, например, если длительность элементарной посылки τ_o велика, то величина, которую трудно на практике реализовать. Существенным является тот факт, что при обнаружении ПСП на фоне мощных узкополосных помех появляется возможность снижения ложной тревоги. Так если в спектре ПСП присутствуют две или более мощные узкополосные помехи (например, ПСП получен в результате демодуляции ФМ сигнала из КВ диапазона), частоты которых отстоят на величину f_т, то в прототипе произойдет ложная тревога. Аналогичная ситуация имеет место, если в полосе, отвечающей основному лепестку, относительно частоты f_т/2 расположены, в частности, две симметричные узкополосные помехи.

В способе наличие на входе полезного сигнала определяется по заданному числу r откликов, превышающих свои пороги из общего числа откликов, равных числу каналов n. При отсутствии сигнала отклики от узкополосных помех, указанных выше типа, проявляются лишь в малом числе каналов, что при соответствующем выборе r позволяет контролировать реакцию на мощные узкополосные помехи.

Полезность разбиения спектра входного сигнала на частотные полосы отчетливо проявляется, например, когда идет поиск ФМ-сигнала в некоторой полосе на фоне узкополосных помех. В результате перестройки после демодуляции в спектре ПСП найдется хотя бы одна пара полезных узкополосных помех, которая может вызвать ложную тревогу. В данном способе вероятность ложной тревоги снижается за счет выбора числа каналов r (r>1), по которым принимается решение.

Динамика работы способа соответствует следующей картине. Исходный сигнал подвергается полосовой фильтрации, при этом выделяют 4n непересекающихся одинаковых по ширине частотных участка и проводят n-канальную обработку. В каждом из каналов выделяют четыре сигнала, отвечающих четырем непересекающимся частотным каналам, две из которых принадлежат основному лепестку спектра ПСП, расположенных симметрично относительно частоты и две боковому лепестку, расположенные симметрично относительно частоты причем эти пары частотных полос отстоят от осей симметрии (соответственно и ) на одинаковый частотный интервал. Затем под выделенными в результате полосовой фильтрации сигналами производят попарное перемножение таким образом, что перемножаемым сигналам основного лепестка спектра ПСП и бокового лепестка соответствуют спектры, разнесенные на значение частоты f_т, а перемножаемым сигналам основного лепестка соответствуют спектры, расположенные симметрично относительно После попарного независимого перемножения полученные три сигнала подвергают узкополосной полосовой фильтрации, в результате чего выделяют три гармонические составляющие с частотой f_т, которые затем складывают в фазе. Полученный отклик сравнивают с порогом. При превышении порога в каналах заданного числа из n возможных принимают решение о наличии ПСП на входе.

На чертеже представлен вариант реализации способа обработки псевдослучайных сигналов.

Устройство содержит n каналов, каждый из которых содержит четыре полосовых фильтра I_1,2,3,4, перемножители 2, узкополосные фильтры 3, сумматор 4, вычитающий блок 5, пороговый блок 6, решающий блок 7. Полосы пар фильтров для i₁, i₂ и i₃,i₄ любого отстоят друг от друга на значение тактовой частоты f_т, причем для каждой пары полосы фильтров расположены в разных лепестках (основном и боковом). Полосы пары фильтров i₁, i₄ расположены симметрично относительно и лежат в основном лепестке. Полосы пары фильтров i₂, i₃ расположены симметрично относительно частоты и лежат в боковом лепестке.

Способ относится к области радиотехники и является инвариантным к форме ПСП и работоспособен в условиях наложения белого шума и сосредоточенных по спектру помех. Сущность способа заключается в использовании функциональных связей в спектре ПСП, а именно спектральной связи в главном лепестке спектра ПСП, а также связи между основным и боковым лепестком. Для этого исходный спектр входного сигнала разбивается на 4n (n - целое) неперекрывающихся одинаковых частотных полос, и организуется п-канальная обработка. Каждому из п каналов соответствует четыре непересекающиеся одинаковые по ширине полосы, две из которых лежат в главном лепестке и расположены симметрично относительно частоты , (f_т-тактовая частота) и две других полосы лежат в боковом лепестке и расположены симметрично относительно частоты . С сигналами, соответствующими этим 4n полосам, проводится преобразования (основные из них - переменожение и узкополосная фильтрация), в результате которых выделяется гармоника, частота которой равна тактовой частоте f_т, и по возникновению которой судят о наличии отклика от ПСП. По результатам превышения порогов заданного числа откликов в n-каналах принимают решение о наличии ПСП на входе. Способ, в частности, позволяет получить низкую вероятность ложной тревоги, вызванную реакцией на мощные сосредоточенные помехи. Кроме того, данный способ работоспособен при малых входных отношениях сигнал/шум (меньших единицы), так как использует по сути принципы корреляции, что при достаточной базе сигнала гарантирует высокие вероятностные характеристики приема, фильтры I_1,2,3,4 - n_1,2,3,4, перемножители 2, узкополосные фильтры 3, сумматоры 4, вычитающий блок 5, пороговый блок 6, решающий блок 7. 1 ил.

Способ обработки псевдослучайных последовательностей (ПСП), включающий операции умножения, узкополосной фильтрации и сравнения с порогом, отличающийся тем, что из исходного спектра входного сигнала, полоса которого равна 2f_т (f_т тактовая частота), путем полосовой фильтрации выделяют 4n (n целое) одинаковых частотных полосы шириной f_т, перекрывающих всю полосу входного сигнала, затем в спектре основного лепестка ПСП осуществляют попарное перемножение 2n сигналов, соответствующих парам спектров, полосы которых равны и расположены симметрично относительно частоты f_т/2, после чего из полученных сигналов, используя узкополосную полосовую фильтрацию, выделяют n независимых гармоник частоты f_т, помимо этого каждый из сигналов, принадлежащий частотной паре в основном лепестке, расположенной симметрично относительно частоты f_т/2, независимо перемножается с соответствующим сигналом, принадлежащим одной из полос частотной пары бокового лепестка, расположенной симметрично относительно 3f_т/2, причем у перемножаемых сигналов соответствующие пары частотных полос основного и бокового лепестков отстоят по оси частот на величину, равную тактовой частоте f_т, затем из полученных после перемножения сигналов путем узкополосной полосовой фильтрации выделяют 2n независимых гармоник частоты f_т, затем после преобразования над каждой из двух пар полос, одна из которых расположена симметрично f_т/2, а другая расположена симметрично относительно 3f_т/2, путем указанных выше преобразований после узкополосной фильтрации выделяют три гармоники и синфазно их складывают, образуя результирующий сигнал и учитывая, что одна из гармоник, полученная в результате преобразований в основном лепестке, находится в противофазе по отношению к двум другим гармоникам, затем n результирующих сигналов независимо сравнивают с порогами, сформированными каким-либо способом в зависимости от исходных условий, и при превышении порогов заданного числа откликов из n возможных принимают решение о наличии широкополосного сигнала на входе.