УСТРОЙСТВО ПОИСКА ШУМОПОДОБНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2003 года по МПК H04B1/10 H04L7/02 

Изобретение относится к области радионавигации, радиолокации и систем передачи дискретной информации, использующих шумоподобные сигналы на основе псевдослучайных последовательностей с фазовой (0, π) модуляцией, и может быть использовано для уменьшения времени поиска сигнала в процессе вхождения в синхронизм.

Наиболее близким по техническим признакам к настоящему устройству является приемник [1, с.12], который содержит следящую систему синхронизации 1, генератор копий сигналов 2, систему поиска 3, индикатор захвата 4 и устройство управления 5, приведенные на фиг.1.

Недостатком прототипа является то, что необходимым условием нормальной работы есть строгое согласование частотно-временных параметров и законов модуляции местных опорных и принимаемых сигналов. Такое согласование обеспечивается следящей системой синхронизации. В ее состав входит система слежения за частотными параметрами (ФАПЧ - фазовая автоподстройка частоты) и временными параметрами (ССЗ - схема слежения за задержкой сигнала). Однако переход к режиму слежения происходит при условии, что частотно-временные параметры сигнала попадают в область захвата систем слежения. Шумоподобные сигналы на основе псевдослучайных последовательностей (ПСП) с фазовой модуляцией (0, π) могут быть записаны в виде

где А - амплитуда принимаемого сигнала;
ω_н, ϕ_0н - несущая частота и ее начальная фаза;
ω_τ, ϕ_0T - тактовая частота и ее начальная фаза;
Т - длительность сигнала;
τ_з - запаздывание сигнала;
N - количество элементов ПСП на периоде сигнала;
k(n) - код ПСП;
n₀ - начальное состояние ПСП (регистров сдвига генератора ПСП).

Неизвестными параметрами в точке приема, в силу разных причин, являются несущая частота ω_н и задержка сигнала τ_з, которые для организации их поиска задаются диапазонами допустимых значений Δω и Δτ. Поиск сигнала осуществляется следующим образом. По команде из системы управления 5 в генераторе опорных сигналов 2 осуществляется формирование копий сигнала путем последовательных дискретных сдвигов очередных копий сигнала на величину, пропорциональную разрешающей способности системы слежения по оцениваемым параметрам В корреляционном приемнике разрешающая способность по оцениваемым параметрам определяется интервалом корреляции по этим же параметрам. Тогда с учетом дискретизации область поиска может быть представлена в виде
,
где Δω - диапазон возможных значений несущей частоты;
r_ω - интервал корреляции сигнала по частоте.

Корреляционный приемник, описанный в прототипе, осуществляет поиск, затрачивая на время анализа каждой точки поиска время T_a, обычно равное T_с - длительности сигнала. Время просмотра всей области поиска будет равно T_n= М•Т_a.

Система поиска 3 по команде из системы управления 5 организует траекторию поиска или порядок представления копий сигнала в следящую систему синхронизации 1. Порядок поиска определяется априорной информацией о распределении значений искомых параметров в области поиска. При равномерном распределении параметров устройство поиска осуществляет циклический поиск.

В следящей системе синхронизации 1 осуществляется корреляционная обработка смеси принимаемого сигнала и шума, при которой выходное напряжение системы сравнивается с порогом. Если превышение порога отсутствует, то блок подстройки изменяет параметры опорного сигнала каждые T_a секунд. При превышении порога выходным сигналом следящей системы синхронизации 1 на некоторой частотной позиции области поиска и номера задержки сигнала, определяющего начальное состояние регистра сдвига генератора используемой псевдослучайной последовательности, индикатор захвата 4 выдает команду о захвате сигнала в устройство управления 5. В свою очередь система управления 5 выдает команду в следящую систему синхронизации 1, в генератор копий сигнала 2 и устройство поиска 3 о прекращении поиска и переходе в режим слежения за сигналом.

Среднее время поиска Т_cр зависит от априорного распределения параметров сигнала в областях поиска, траектории поиска и отношения сигнал/шум на входе приемника. Поэтому Т_cр может быть и меньше времени просмотра области поиска Т_n, так и намного превышать его. Так, при равномерном априорном распределении и отношении С/Ш>1 при отсутствии пропусков сигнала и ложных тревог среднее время T_cп=0.5T_n составляет половину времени просмотра всей области поиска. При меньших значениях отношения сигнал/шум, т.е. при наличии пропусков сигнала и ложных тревог, среднее время поиска Т_сп>>Т_n, т.е. существенно превышает время просмотра всей области поиска.

Для устранения отмеченных недостатков в корреляционный поисковый приемник прототипа, включающий следящую систему синхронизации 1, генератор копий сигнала 2, систему поиска 3, индикатор захвата 4 и устройство управления 5, дополнительно вводится измеритель задержки сигнала.

Дополнительно введенное устройство состоит из детектора 6, двух перемножителей 7 и 8, генератора гармонических колебаний 9, фазовращателя на π/2 10, двух интеграторов со сбросом 11 и 12, делителя 13 и вычислительного устройства 14.

Предложенное техническое решение иллюстрируется фиг.1, где представлена общая структурная схема устройства поиска шумоподобного сигнала.

Устройство работает следующим образом.

Анализ амплитудных и фазовых характеристик спектров используемых псевдослучайных последовательностей показывает, что спектр включает N гармонических составляющих, кратных Ω = 2π/T. Проведенные расчеты показывают, что начальная фаза 1-й гармоники (n=1) линейно связана с начальным состоянием регистра сдвига генератора ПСП и, следовательно, с задержкой сигнала. На графике (фиг. 2) приведена зависимость начальной фазы 1-й гармоники ϕ₀ от начального состояния генератора ПСП, состоящих из n₀ символов, которые формируются путем сдвига n₀ символов периодической ПСП на один такт.

В принимаемом сигнале спектр видеопоследовательности перенесен в высокочастотную область на несущую частоту ω_н. Для вычисления начальной фазы первой гармоники принимаемого сигнала его спектр необходимо перенести в низкочастотную область, например, с помощью линейного или квадратичного детектора. Фаза первой гармоники для квадратичного детектора вычисляется с помощью преобразования Фурье по алгоритму




где с_1g и ϕ_1g - амплитуда и начальная фаза первой гармоники.

Поскольку функция atn(*) на интервале [0, 2π] неоднозначна, то для устранения неоднозначности необходимо учитывать знаки квадратурных составляющих.

Тогда на интервале [0, 2π] начальную фазу можно записать
Ф_1g=ϕ_1g при a_1g>0, b_1g>0;
Ф_1g=π+ϕ_1g при а_1g>0, b_1g<0;
Ф_1g=π+ϕ_1g при а_1g<0, b_1g<0;
Ф_1g=2π-ϕ_1g при a_1g<0, b_1g>0.

Принимаемый сигнал с входа приемника через детектор 6 поступает на входы перемножителей 7 и 8, на другие входы которых подается напряжение с генератора гармонических колебаний 9, причем на один вход подается непосредственно, а на другой - через фазовращатель на π/2 (10). Частота генератора гармонических колебаний выбрана равной Ω = 2π/T - частоте первой гармоники видеоспектра ПСП. С выходов перемножителей сигнал поступает на входы интеграторов со сбросом 11 и 12, выходы которых подключены к первому и второму входам делителя 13. С выхода делителя сигнал поступает на вычислительное устройство 14, которое выполняет функцию y=atn(x). В предлагаемом устройстве нижний предел интегратора со сбросом с каждым тактовым импульсом сдвигается на величину периода тактовой частоты. Верхний предел смещен от нижнего на величину длительности сигнала T. Поскольку интервал корреляции по запаздыванию принимаемого сигнала равен периоду тактовой частоты, то полученные оценки начальной фазы первой гармоники спектра сигнала будут независимыми, а следовательно, и связанная с ней оценка запаздывания сигнала Фаза первой гармоники с каждым тактом запаздывания изменяется на величину Δϕ = 2π/N. Поэтому первоначально измеряется значение начальной фазы при нулевой задержке сигнала. Тогда текущий искомый номер задержки относительно известного начального состояния регистра сдвига, формирующего ПСП, на передающей стороне будет равен

который показывает на сколько текущих позиций необходимо сдвинуть копию местного генератора псевдослучайной последовательности для вхождения в синхронизм. Поскольку оценки задержки сигнала независимы, то за N испытаний вероятность захвата сигнала будет равна
P_N=1-(1-p₁)^N,
где р₁ - вероятность захвата сигнала при одном испытании.

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется чертежами:
На фиг.1 представлена структурная схема устройства поиска сигнала.

На фиг. 2 приведена зависимость текущей фазы первой гармоники спектра сигнала от задержки.

Корреляционный приемник, описанный как прототип, осуществляет поиск сигнала по несущей частоте в области M_ω и задержке в области M_τ. Входной сигнал подается на следящую систему синхронизации 1 и систему поиска 3. Система поиска организует порядок просмотра заданных областей M_ω, M_τ и по команде системы управления дискретно меняет частотные и временные параметры генератора опорных сигналов 2. Если в какой-либо момент значения частотного параметра из области M_ω и временного параметра из области M_τ одновременно попадают в области захвата системы синхронизации 1 и индикатор захвата 4 выдает команду о захвате сигнала, то устройство управления 5 выдает команду о прекращении поиска и осуществляется слежение за сигналом.

Таким образом, время просмотра всей области поиска частотных M_ω и временных M_τ параметров составляет
T_n = M_ω•M_τ•T_a,
где T_а - время анализа одной точки области поиска.

Обычно Т_а принимают равным T - длительности сигнала.

Одновременно входной сигнал подается на устройство измерения временного параметра - задержки сигнала τ_з. Сигнал через детектор 6 поступает на перемножители 7 и 8, другие входы которых подсоединены к генератору гармонических колебаний 9 непосредственно и через фазовращатель 10. Результаты перемножения входного сигнала подаются на два интегратора со сбросом 11 и 12, выходы которых подсоединены к делителю 13. Результат деления подается на вычислительное устройство, реализующего функцию y=atn(x), на выходе которого и получается оценка задержки сигнала Таким образом, в следящую систему синхронизации на каждой тактовой позиции по команде устройства управления на каждой частотной позиции области поиска M_ω подается оценка текущего значения задержки сигнала Следовательно, в данном случае время просмотра всей заданной области поиска определяется временем просмотра только частотной области поиска и T_n=M_ω•Т_а. Поэтому в предложенном техническом решении время просмотра области поиска уменьшается в M_τ раз. Поскольку M_τ - есть число элементов используемых псевдослучайных последовательностей сложного сигнала, т.е. его база, то M_τ>>1.

Сравнительный анализ предлагаемого технического решения с прототипом показал, что заявленное устройство отличается от прототипа введением измерителя задержки принимаемых сложных сигналов, что позволяет в каждом тактовом интервале сигнала получать текущую оценку фазы первой гармоники, а следовательно, и связанную с ней оценку задержки . Это позволяет исключить этап поиска сигнала по запаздыванию, а следовательно, в M_τ раз уменьшить общее время поиска сигнала.

Таким образом, совокупность введенных устройств и их связей позволяет получить оценку текущей задержки сигнала, что устраняет необходимость поиска сигнала по запаздыванию, и уменьшить общее время поиска в M_τ раз (где M_τ = N - число элементов ПСП сигнала), что было невозможно при использовании прототипа. Следовательно, техническое решение соответствует критерию "новизна". Кроме того, так как требуемый технический результат достигается всей введенной совокупностью существенных признаков, которая в известной патентной и научно-технической литературе не обнаружена на дату подачи заявки, изобретение соответствует критерию "изобретательский" уровень.

Источники информации
1. Журавлев В.И. Поиск и синхронизация в широкополосных системах. - М.: Радио и связь, 1986. - 240 с.

2. AC 330563 (СССР). Устройство синхронизации. Опубликовано в БИ 8, 1972.

3. AC 311415 (СССР). Устройство для циклического поиска широкополосных шумоподобных сигналов по задержке. Опубл. в БИ 24, 1971.

Изобретение относится к радионавигации, радиолокации и системам передачи дискретной информации, использующим шумоподобные сигналы на основе псевдослучайных последовательностей с фазовой (0, π) модуляцией, и может быть использовано для уменьшения времени поиска сигнала в процессе вхождения в синхронизм. Технический результат - уменьшение времени поиска. В устройстве уменьшается время просмотра заданной области поиска частотных и временных параметров сигнала. Измеритель задержки сигнала состоит из детектора, двух перемножителей, двух интеграторов со сбросом, генератора гармонических колебаний, делителя и вычислительного устройства, реализующего функцию у=atn(x). Измеритель задержки сигнала измеряет запаздывание приходящего сигнала, что позволяет исключить из общей области частотных и временных параметров область поиска сигнала по задержке, что позволяет уменьшить время просмотра всей области поиска в M_r раз (в базу раз). 2 ил.

Устройство поиска сложных сигналов, состоящее из следящей системы синхронизации, генератора копий сигналов, системы поиска, индикатора захвата и устройства управления, отличающееся тем, что в устройство дополнительно введены детектор, первый и второй перемножители, генератор гармонических колебаний, фазовращатель на π/2, первый и второй интеграторы со сбросом, делитель и вычислительное устройство, реализующего функцию у= atn(x), причем вход детектора подключен ко входу устройства, выход детектора подключен к первым входам первого и второго перемножителей, выход генератора гармонических колебаний подключен ко второму входу первого перемножителя и через фазовращатель на π/2 ко второму входу второго перемножителя; выход первого перемножителя подключен ко входу первого интегратора со сбросом, выход второго перемножителя подключен ко входу второго интегратора со сбросом; выход первого интегратора со сбросом подключены к первому входу делителя, выход второго интегратора со сбросом подключен ко второму входу делителя, выход делителя подключен ко входу вычислительного устройства, реализующего функцию у= atn(x), выход вычислительного устройства соединен со вторым входом устройства управления.