СПОСОБ И УСТРОЙСТВО АНАЛОГОВОГО ВЫДЕЛЕНИЯ И НАКОПЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2003 года по МПК H04L27/18 

Изобретение относится к технике обработки импульсных электрических сигналов, формируемых с целью исследования и измерения степени и характера ослабления электромагнитных волн при распространении в различных средах.

Оно может найти применение в радиолокации, геологоразведке, астрономии, связи (контроль ВОЛС).

Предлагаемый способ является развитием когерентных методов обработки псевдослучайных 5-коррелированных видеопоследовательностей (ПСП), позволяющий с высокой эффективностью осуществлять накопление слабых сигналов. Именно стремлением расширить возможности и упростить устройство оптического рефлектометра и вызвана разработка данного способа.

Аналогами изобретения являются, например, оптимальные фильтры (ОФ) импульсных сигналов, рассмотренные в [1]. От аналогов в изобретении используется интегрирующее звено как функциональный элемент, операция вычитания сигналов и накопитель импульсов в виде рециркулятора. Однако аналоговые ОФ [1] предполагают использование линий задержки, что при длинных ПСП выливается в непреодолимые трудности, тем более что задержки должны меняться.

Прототипом изобретения взят способ (и устройство) оптического рефлектометра HP 8145 А фирмы Hewlett Packard [2-5] с корреляционной сверткой хорошего дельта - коррелированного кода и цифровой обработкой сигнала сразу же с выхода приемника (фиг.9).

Корреляционный прием предполагает использование и накопление энергии всех битов ПСП. В прототипе токовая посылка передается в течение первой половины бита, вторая половина бита - пауза, а бестоковая - наоборот. Рефлектометры других фирм работают по свертке только токовых посылок.

Предлагаемый способ и устройство сберегают энергетику, не имеют ограничений в чувствительности к входному сигналу и реализуемы просто.

Сущность изобретения заключается в следующем.

По предлагаемому способу измеряют разницу в накопленных на интеграторах за время одного бита ближайших уровнях: (сигнал + помехи) и (помехи) и суммируют полученные на каждом бите перепады уровней на аналоговом накопителе (типа рециркулятора). Поскольку одновременно в одном канале измерить отдельно уровни (сигнал + помехи) и (помехи) невозможно, предлагается измерять их "поочередно", в соответствии с текущим чередованием "1" и "0" в ПСП, обновлять - если очередной бит не меняется по значности, и использовать для получения разности (сигнал - помехи) - (помехи) на каждом бите.

Описанная процедура иллюстрируется фиг.1. Если считать сигнал видеоимпульсом с амплитудой А и длительностью τ_и, помехи - стационарным нормальным шумом с функцией корреляции
K_r(τ) = σ2r

exp[-α|τ|],
а в качестве интеграторов использовать цепочки RC, то в момент t₂ сравнения запомненного за время τ_и в момент t₁ уровня сигнала с усредненным за τ_и результирующим среднеквадратичным уровнем шумов отношение сигнал/шум в разностном каскаде равно [6]:


β=1/R_iC₁, i=1,2 E = A²•τ_и
(здесь учтено то, что при вычитании некоррелированных нормальных шумов их дисперсии складываются).

Такой выбор К_r(τ) оправдан тем, что на входе всего приемника действует белый шум с , а устройству предшествует ФНЧ-RC, см. фиг.2, обеспечивающий неискаженный прием ПСП с ограничением общей мощности шумов на входе накопителя.

Результаты расчета μ_p для рациональных значений параметров α и β представлены на фиг.3.

Но в действительности необходимо учитывать корреляцию выборок шума на интервалах ξ(τ_и), ξτ_и+nτ_и).
При вычитании нормальных шумов результирующая дисперсия равна
σ2p

= σ2ξ(t)+σ2ξ(t+τ)-2σ_ξ(t)σ_ξ(t-τ)R(τ) ...(2)
Автором получена следующая формула для К_r(τ):

Из формулы (1) нетрудно видеть, что любая корреляция между ξ(t) и ξ(t+τ_и) улучшает отношение сигнал/шум μ_ρ сверх значений, рассчитанных по формуле (1), где нами принималось σ2p = 2σξ². И что еще более интересно, при R(τ)>0,5μ₂ (t₂) может вплотную приблизиться к значению
Во всяком случае, при ατ=12, β_τ = 0,1 имеем что дает, в сопоставлении с корреляционным приемом видеоимпульсов сравнимый результат.

Но предлагаемый способ можно усилить.

Идея состоит в том, что интегрированные уровни токовых позиций сигнала, то есть (сигнал + помехи), измеряются при одних значениях параметров α и β, а уровни бестоковых позиций (помехи) - при других. Критерием выбора α и β является максимизация μ_p(α,β).

Первый шаг в этом направлении - сужение полосы входного фильтра на интервалах приема бестоковых посылок.

Конечно, пострадает свертка, т.е. возрастут ее выбросы при несовпадении во времени последовательностей сигнала и "гетеродинной" ПСП.

Приведем пример расчета при вариации α.

Измеряем сигнал при ατ_и = 10, βτ_и = 0,1:m = 0,086065, σ21

= 0,0163, R₁(τ_и) = 0,003622.

Измеряем шум при ατ_и = 1, βτ_и = 0,1:σ22

= 0,006625, R₁(τ_и) = 0,0009048.

Тогда , σ2p

= (cм.ф-лу (2)) = 0,019305.

Но в ф-лу (1) необходимо подставить половину этой величины, т.к. двойка ушла в числитель.

Итак, .

Выигрыш в сравнении с прототипом 0,877/0,707=1,24 раз.

Сужение полосы может быть обеспечено подключением к емкости C₁ (см. фиг. 2) дополнительного конденсатора.

Небезынтересна свертка сигнала при поиске цели по этому методу. На фиг.7 показан механизм приема сигнальной последовательности, приведенной на фиг.6, но со смещением τ_и.

А на фиг. 8 - результат свертки для ПСП с N=26. При большей длине ПСП побочные выбросы уменьшаются. Большой перепад уровней у центрального выброса облегчит автоматический поиск цели, и лучше - с нарастающей задержкой ПСП, т. к. правая ветвь свертки более благоприятная (при N=26 положительных выбросов уже нет).

Устройство аналогового накопления импульсных сигналов (АНИС) содержит в качестве основных и, в то же время, отличительных элементов см. фиг.4 и 5, два канала запоминания уровней: ЗУ-1 (сигнал + помеха) и ЗУ-0 (помеха) и разностный каскад Р(1-0). Третьим основным элементом устройства является известный аналоговый накопитель (Н), например рециркулятор. Остальные известные, но вспомогательные элементы устройства: входной (предварительный) фильтр НЧ, генератор бинарной псевдослучайной последовательности (ПСП) с хорошей дельта-автокорреляцией, инвертор ПСП, схема дискретного (на n бит) смещения ПСП, счетчик тактовых импульсов ПСП, схема формирования тактовых импульсов, а также импульсов записи и сброса.

Входы ЗУ-1 и ЗУ-0 подключены соответственно через 1-й и 2-й ключи к выходу предварительного фильтра, а выходы - через ключи 3-й и 4-й соответственно - к неинвертирующему и инвертирующему входам Р(1-0), выход Р(1-0) подключен к одному из двух суммирующих входов накопителя, а к второму входу накопителя подключен выход интегратора цепи обратной связи накопителя, выход накопителя подключен к входу интегратора обратной связи.

Управляющие входы ключей К₁ и К₂ соединены соответственно с выходом генератора ПСП и инвертора ПСП, управляющие входы ключей К₃ и К₄ соединены с выходом "импульсы записи" схемы формирования.

Параллельно накопительным емкостям C₁ и С₂ запоминающих устройств подключены ключи соответственно К₅ и К₆, управляющие входы которых подключены к выходам ключей K₇ и K₈, сигнальные входы которых соединены с выходом "импульсы сброса" схемы формирования, а управляющие входы соответственно - с выходом генератора ПСП и инвертора ПСП.

Параллельно накопительным емкостям С₃ и С₄ накопителя Н и интегратора обратной связи подключены ключи К₉ и К₁₀, управляющие входы которых подключены к выходу счетчика тактовых импульсов ПСП.

Вход накопительной емкости С₃ накопителя Н подключен к входу накопителя через ключ К₁₁, управляющий вход которого подключен к выходу "импульсы записи" схемы формирования.

Постоянная заряда емкости C₃, емкости С₄Tз₄ ≈ nτ_n, где n - число бит ПСП. Возбуждение рециркулятора исключено благодаря импульсному режиму работу цепи обратной связи.

Соединение основных и вспомогательных элементов устройства показано на фиг.5.

Диаграммы напряжений, действующих в различных точках устройства, приведены на фиг.6.

Устройство работает следующим образом.

В интервалы времени, равные длительности одного бита, происходит накопление энергии токовых посылок и сглаживание флюктуации шума, но всегда в разностном каскаде сравниваются последний измеренный уровень (с+ш) и последний измеренный уровень (ш). Разница в моментах фиксации этих уровней чаще всего равна τ_и (длительность бита), реже - 2τ_и и т.д.

В разностном каскаде происходит сравнение этих уровней путем вычитания: (с+ш) -(ш), а в накопителе - накопление перепадов уровней для всей последовательности битов ПСП (и токовых и бестоковых). Это правомерно, ибо каждый бит (и токовый и бестоковый) несет в себе информационную нагрузку, проявляющуюся при свертке ПСП.

Сравним эффективность АНИС (и способа) с прототипом.

Как видно из распечатки расчета μ_p при широких вариациях параметров α и β, имеем μ_pmax = 0,95. При этом выигрыш в сравнении с прототипом составляет 0,95/0,707= 1,34 раза - 2,54 дБ. А так как в прототипе используется АЦП, то этот выигрыш возрастает до 3,54 дБ.

Перечень и пояснения чертежей
Фиг. 1 - графическая иллюстрация способа; m(t) - средние значения, σ²(t) - дисперсия шума.

Фиг.2 - пояснительный чертеж о роли предварительного фильтра НЧ.

Фиг.3 - результаты расчета отношения сигнал/шум на входе Р(1-0).

Фиг.4 - основные элементы устройства, пояснения - по тексту.

Фиг.5 - устройство в полном объеме, отличительные элементы обведены пунктиром.

Здесь 1 - предварительный фильтр НЧ, 2 и 3 - каналы запоминания уровней сигнала и помехи, 4 - разностный каскад, 5 - накопитель перепадов уровней, 6 - генератор ПСП, 7 - инвертор ПСП, 8 - формирователь тактовых импульсов а также импульсов записи и сброса, 9 - счетчик тактовых импульсов ПСП, 10 - схема сдвига последовательности ПСП.

Фиг.6 - диаграммы напряжений в различных точках устройства: а) - ПСП, б) - инверсия ПСП, в) - импульсы записи, г) - импульсы сброса ЗУ-1, д) - выход ЗУ-1, е) - выход ЗУ-0, ж) - импульсы сброса ЗУ-0, з) - неинвертирующий вход Р(1-0), и) - выход Р(1-0), к) - напряжение на емкости собственно накопителя, л) - напряжение на емкости интегратора цепи обратной связи накопителя.

Фиг.7 - механизм свертки ПСП при сдвиге Δ = +τ_и.
а) - ПСП, б) - сигнальная последовательность, в) - работа накопительной емкости ЗУ-0, г) - работа накопительной емкости ЗУ-1, д) - выход разностного каскада.

Фиг.8 - функция свертки ПСП при N=26.

Фиг.9 - структурная схема прототипа.

Устройство было испытано на макете. В качестве ЗУ и Н использовались пары ОУ (включенных повторителями) с включенными между ними цепочками RC. В качестве ключей использовались микросхемы КР590 КН8. При емкости счетчика ПСП N=50 отношение с/ш на выходе улучшалось (по сравнению с входом) ~ в 7-8 раз,
ПСП формировалась сложением выхода 1-, 4-, 5- и 7-го разрядов 8-разрядного регистра сдвига в сумматоре, выход которого подключен к входу регистра. При упомянутой емкости счетчика ПСП ближайший выброс свертки ПСП составляет
R(Δ = +τ_и) = -6/50 = -0,12,
что не хуже теоретического .

Источники информации
1. Ю.С. Лезин. Оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов. М., 1969.

2. Test and Measurement. Catalog Hewlett Packard, 1989.

3. Marht und Technik, 1987, 5, s. 52-54.

4. Fiberoptic Product News, 1987, 2, р. 43.

5. Эскизный проект "Буссоль-14". НПО "Динамика", 1992.

6. В.И. Тихонов. Статистическая радиотехника. М.-Л., 1966.

Изобретение относится к обработке импульсных сигналов, формируемых в виде псевдослучайной бинарной видеопоследовательности (ПСП). Технический результат заключается в упрощении и повышении эффективности накопления слабых сигналов. Для этого свертку ПСП осуществляют измерением разности накопленных в запоминающих устройствах за время одного бита ближайших уровнях (сигнал + помехи) и (помехи) и суммируют полученные на каждом бите перепады уровней на аналоговом накопителе. При этом изменяют параметры предварительного фильтра и запоминающих устройств в зависимости от текущей полярности опорной ПСП. 2 с. и 3 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ аналоговой свертки бинарной псевдослучайной видеопоследовательности (ПСП) из аддитивной смеси с шумом, при котором измеряют разницу накопленных в запоминающих устройствах за время одного бита ближайших уровнях: (сигнал + помехи) и (помехи) и суммируют полученные на каждом бите перепады уровней на аналоговом накопителе, причем сужают полосу предварительного фильтра на интервалах приема бестоковых посылок и изменяют параметру запоминающих устройств при переходе от приема токовой посылки к приему бестоковой и обратно. 2. Устройство аналоговой свертки бинарной псевдослучайной видеопоследовательности, содержащее генератор бинарной ПСП с высокой дельта-автокорреляцией, входной предварительный фильтр низких частот (ФНЧ), инвертор бинарной ПСП, счетчик тактовых импульсов, схему формирования тактовых импульсов, импульсов записи и сброса, схему дискретного смещения бинарной ПСП, накопитель результатов вычитания уровней, отличающееся тем, что содержит два параллельных канала запоминания уровней: ЗУ-1 (сигнал + помехи) и ЗУ-0 (помехи) и разностный каскад, причем входы ЗУ-1 и ЗУ-0 подключены, соответственно, через ключи K₁ и К₂ к выходу предварительного фильтра, а выходы - через у ключи К₃ и К₄, соответственно, - к неинвертирующему и инвертирующему входам разностного каскада, выход которого подключен к одному из двух суммирующих входов накопителя, а ко второму входу накопителя подключен выход интегратора цепи обратной связи накопителя, выход накопителя подключен ко входу интегратора цепи обратной связи накопителя, при этом управляющие входы ключей К₁ и К₂ соединены, соответственно, с выходом генератора бинарной ПСП и инвертора бинарной ПСП, управляющие входы ключей К₃ и К₄ соединены с выходом "импульсы записи" схемы формирования. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что параллельно накопительным емкостям C₁ и С₂, запоминающих устройств подключены ключи, соответственно, К₅ и К₆, управляющие входы которых подключены к выходам ключей К₇ и K₈, сигнальные входы которых соединены с выходом "импульсы сброса" схемы формирования, а управляющие входы, соответственно, - с выходом генератора бинарной ПСП и инвертора бинарной ПСП. 4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что параллельно накопительным емкостям С₃ и С₄ накопителя и интегратора цепи обратной связи накопителя подключены ключи К₉ и К₁₀, управляющие входы которых подключены к выходу счетчика тактовых импульсов. 5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что вход накопительной емкости С₃ накопителя подключен к суммирующему входу накопителя через ключ К₁₁, управляющий вход которого подключен к выходу импульса записи схемы формирования.