СПОСОБ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА Российский патент 2007 года по МПК H04B1/04 

Изобретение относится к области преобразования радио- или акустических сигналов при их обработке в процессе приема и может быть использовано в информационных каналах с доплеровским сдвигом частоты, обусловленным относительным перемещением объектов, например, при осуществлении связи между подвижными объектами или в локации.

В гидроакустике известен способ обработки сигнала, описание которого приведено в [1], основанный на использовании в системе связи фазомодулированного импульсного сигнала. Для преодоления ограничений, обусловленных доплеровским сдвигом частот, предполагается осуществлять подстройку алгоритма обработки сигнала. Недостатком способа является узкий диапазон возможных доплеровских сдвигов частоты для принимаемого сигнала, а также отсутствие возможности обработки сигнала (восстановление структуры) при наличии доплеровского сдвига частоты.

В радиотехнике широко известен способ обработки сигналов, основанный на преобразовании колебаний путем гетеродинирования [2]. При названном преобразовании каждое значение частоты сигнала изменяется на одну и ту же величину. Очевидно, такой способ не пригоден для восстановления сигнала с доплеровским сдвигом частоты.

Прототипом предлагаемого изобретения выбран способ обработки сигнала, основанный на преобразовании отраженного от объекта сигнала путем сжатия частотного спектра [3]. Как известно из теории обработки сигналов (см., например, [4]), сжатие или растяжение частотного спектра возможно осуществить путем мультипликативного преобразования спектра. При этом в зависимости от значения коэффициента транспонирования (коэффициента мультипликативного переноса частотного спектра), определяемого как k_T=F/f или

где F и f - соответственно частоты преобразованного и исходного сигналов; Δf - приращение частоты, обусловленное мультипликативным переносом частотного спектра, может осуществляться как сжатие, если указанный коэффициент меньше единицы, так и расширение частотного спектра сигнала, если названный коэффициент больше единицы. Описанный способ осуществим при значениях коэффициента k_Т≪1. Применение способа позволяет использовать доплеровский принцип локации объектов при значительной девиации частоты принимаемого сигнала.

При локации космических аппаратов во время осуществления навигации, например для выполнения маневра сближения на орбите, скорость относительного движения объектов, как правило, изменяется сравнительно медленно и хорошо известна, в частности, благодаря внешнетраекторным измерениям. Однако высокое значение скорости движения объектов, обусловленное нахождением объектов на орбите, вызывает уход частоты по причине доплеровского сдвига. Значение частоты колебаний в таком случае определяется согласно [5] в соответствии с выражением

где f - частота излучаемого сигнала; ν_r - радиальная скорость относительного перемещения объектов; с - скорость распространения сигнала; k - коэффициент, которому задают значение, равное двум при вычислении доплеровского сдвига частоты в локационных системах и равное единице при вычислении упомянутой величины в канале связи. Указанный сдвиг частоты затрудняет или делает даже невозможным применение в процессе локации или связи наиболее эффективного оптимального метода обработки сигналов, частотный спектр которых не является узкополосным, как, например, у последовательности неэквидистантных радиоимпульсов с малой длительностью. Упомянутый выше способ, ввиду многократного сжатия спектра, не обеспечивает возможности точного преобразования параметров спектра, не позволяет осуществлять обработку названных сигналов. Это является его недостатком.

По причине, указанной выше, в процессе преобразования сигнала упомянутым способом снимается фазовая модуляция (манипуляция) сигнала, тем самым исключается возможность использования названого способа для обработки сигналов в канале связи. Это также можно считать недостатком данного способа.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности радиотехнических информационных каналов за счет применения для локации подвижных объектов и связи между ними широкополосных сигналов, благодаря осуществлению компенсации доплеровского сдвига частоты.

Указанная задача решается за счет того, что в способе обработки сигнала, основанном на преобразовании сигнала с последующей оптимальной фильтрацией, осуществляют преобразование колебаний путем транспонирования (мультипликативного переноса) частотного спектра, компенсируют доплеровский сдвиг частоты сигнала, в частности, выполняют расширение частотного спектра сигнала для компенсации отрицательного доплеровского сдвига частоты и выполняют сжатие частотного спектра сигнала для компенсации положительного доплеровского сдвига частоты.

Транспонирование частотного спектра осуществляют путем временного смещения значений сигнала на величину, определяемую по формуле

где T_g - интервал между началом сигнала и данным значением, полученный на основе совместного решения уравнения (1) и нижеследующего уравнения (4), связывающего период t_c, частоту f колебаний сигнала и их приращения Δt_c и Δf,

при условии, что длительность фрагмента, представленного в виде последовательности колебаний транспонируемого сигнала, увеличена до значения T_g, а приращение названной величины (временное смещение) до величины ΔT_g=Δt_c(T_g/t_c). Коэффициент транспонирования k_T частотного спектра сигнала вычисляют в соответствии с выражением (2) как

При выполнении обработки дискретизированного во времени сигнала транспонирование частотного спектра осуществляют путем повторного считывания или пропуска значения сигнала через интервал iT₀, где Т₀ - период дискретизации сигнала; i - количество точек дискретизации в упомянутом интервале, которое определяют как ближайшее целое от числа j, вычисляемого по формуле

j=1/|1/k_T-1|.

При этом повторное чтение значения сигнала, обеспечивающее смещение последующих за данным значений, производят, если коэффициент транспонирования частотного спектра сигнала k_T<1, пропуск значения сигнала и соответственно смещение последующих значений производят, если коэффициент транспонирования частотного спектра сигнала k_T>1. Оптимальную фильтрацию сигнала производят посредством его сжатия.

Сущность изобретения поясняется на примере работы локатора, принципиальная схема которого представлена на чертеже.

Схема локатора содержит управляющее устройство (УУ) 1, к которому подключены передатчик 2, соединенный с передающей антенной 3, запоминающее устройство 4 излучаемого сигнала (ЗУИ), а также запоминающее устройство 5 принимаемого сигнала (ЗУП), которое связано с приемником 6, соединенным с приемной антенной 7; устройство 8 корреляционной обработки сигнала, соединенное с УУ 1, с ЗУИ 4 и с ЗУП 5. ЗУИ 4 и ЗУП 5 предполагается строить на основе цифровой техники. Их связь с передатчиком 2 и с приемником 6 должна осуществляться с помощью согласующих блоков, содержащих смесители, гетеродины для преобразования частоты сигнала, а также аналого-цифровые преобразователи. Последние из названных устройств на чертеже не показаны.

Обработку сигнала в процессе радиолокации осуществляют следующим образом.

По команде УУ 1 с помощью передатчика 2 и передающей антенны 3 излучают зондирующий сигнал в виде нерегулярной последовательности импульсов. Одновременно излучаемый сигнал записывается в ЗУИ 4. Предварительно осуществляют преобразование частоты сигнала, обычно гетеродинированием колебаний, и его дискретизацию. Отраженный от объекта сигнал принимают с помощью антенны 7, после чего в приемнике 6 преобразуют частоту сигнала, дискретизируют и по команде УУ 1 записывают в ЗУП 5. Далее по команде УУ 1 осуществляют считывание сигналов из ЗУИ 4, ЗУП 5 и оптимальную фильтрацию принятого сигнала посредством устройства 8 корреляционной обработки сигнала, как это описано, например, в [6]. Компенсацию доплеровского сдвига частоты осуществляют за счет транспонирования частотного спектра принимаемого сигнала путем временного смещения значений сигнала в соответствии с выражением (3). Предварительно определяют k_T - коэффициент транспонирования частотного спектра сигнала, который вычисляют, используя формулу (5). При обработке сигнала в системах локации задают значение коэффициента k=2. Если значение k_T>1 смещают значения сигнала на величину |ΔТ| к началу обрабатываемого сигнала. При значении k_T<1 смещение значений сигнала осуществляют в обратном направлении. В рассмотренной выше схеме компенсацию положительного или отрицательного доплеровского сдвига частоты принимаемого сигнала осуществляют посредством повторного считывания по команде УУ 1 значения из ЗУП 5 или пропуска очередного значения сигнала соответственно. Что вызывает также временное смещение данного и последующих за ним значений дискретизированного сигнала.

Если в зоне радиолокационного обзора находится объект, на выходе устройства 8 в процессе оптимальной фильтрации, обеспечивающей сжатие сигнала, получают импульс. Это позволяет, помимо угловых координат, по положению импульса на временной оси определять дальность до объекта.

При отсутствии компенсации доплеровского сдвига частоты выходной сигнал будет иметь несколько максимумов с гораздо меньшей амплитудой. Это затрудняет обнаружение полезного сигнала на фоне помехи и не обеспечивает однозначности измерения дальности до объекта.

Аналогичным образом производят компенсацию доплеровского сдвига частоты принимаемого сигнала при осуществлении связи с подвижным объектом. Задают значение коэффициента k=1 и определяют коэффициент транспонирования k_T частотного спектра сигнала, который вычисляют в соответствии с выражением (5). Осуществляя компенсацию, учитывают знак доплеровского сдвига частоты принимаемого сигнала, как это было показано выше.

Как подтвердилось в процессе моделирования и обработки записанных реальных сигналов, способ обеспечивает высокую точность компенсации доплеровского сдвига частоты в диапазоне изменения величины |1/k_T-1| от долей процента до десятков процентов как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения частоты.

Благодаря компенсации доплеровского сдвига становится возможным применение широкополосного сигнала при организации связи с подвижным объектом, что обеспечивает увеличение пропускной способности канала связи в десятки раз. Компенсация доплеровского сдвига широкополосного сигнала обеспечивает возможность применения сложных сигналов при локации подвижных объектов, что позволяет при минимальной мощности излучения точно определять, помимо угловых координат, дальность до объекта.

Источники информации

1. Граве А.Н. О передаче измерительной информации по гидроакустическому каналу с высокой скоростью. /Проблемы и методы гидроакустических измерений. - Сб. науч. тр. НПО "ВНИИФТРИ". - М. - 2003. - с.80-86.

2. Сифоров В.И. Радиоприемные устройства. - М.: Воениздат, 1954. - с.237-240.

3. Патент RU 2175139, МПК 7 G01S 13/00, В64G 9/00, 20.10.2001, (прототип).

4. Измерения в электронике: Справ. /В.А.Кузнецов и др., под ред. Кузнецова В.А. М.: Энергоатомиздат, 1987. С.449-450.

5. Лезин Ю.Г. Введение в теорию и технику радиотехнических систем. - М.: Радио и связь, 1986. С.34.

6. Белоцерковский Г.Б. Основы радиолокации и радиолокационные устройства. - М.: Сов. радио, 1975. - с.38-54.

Изобретение относится к области преобразования радиосигналов или акустических сигналов и может быть использовано в информационных каналах с доплеровским сдвигом частоты. Достигаемый технический результат - повышение эффективности радиотехнических информационных каналов. В способе обработки сигнала преимущественно в информационных каналах с доплеровским сдвигом частоты, обусловленным относительным перемещением объектов, основанном на преобразовании сигнала с последующей оптимальной фильтрацией, осуществляя преобразование сигнала путем транспонирования частотного спектра, компенсируют доплеровский сдвиг частоты сигнала. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ обработки сигнала преимущественно в информационных каналах с доплеровским сдвигом частоты, обусловленным относительным перемещением объектов, основанный на преобразовании сигнала с последующей оптимальной фильтрацией, отличающийся тем, что, осуществляя преобразование сигнала путем транспонирования частотного спектра, компенсируют доплеровский сдвиг частоты сигнала.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что транспонирование частотного спектра сигнала осуществляют путем временного смещения его значений на величину

ΔT_g=T_g(1/k_T-1),

где T_g - интервал между началом сигнала и данным значением;

k_T - коэффициент транспонирования частотного спектра сигнала, который вычисляют в соответствии с формулой

k_T=1/(1+kν_r/с),

где ν_r - радиальная скорость относительного перемещения объектов;

с - скорость распространения сигнала;

k - коэффициент, которому задают значение равное двум при вычислении коэффициента k_T для обработки локационного сигнала и равное единице при вычислении упомянутого коэффициента для обработки сигнала в канале связи,

при этом осуществляют оптимальную фильтрацию сигнала посредством его сжатия.

где Т₀ - период дискретизации сигнала;

i - количество точек дискретизации в упомянутом интервале, которое определяют как ближайшее целое от числа j, вычисляемого по формуле

j=1/|1/k_T-1|,

при этом повторное чтение значения сигнала производят, если значение коэффициента транспонирования частотного спектра сигнала k_T<1, и пропуск значения сигнала производят, если значение названного коэффициента k_T>1.