СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ И ОБРАБОТКИ ТЕЛЕМЕТРИЧЕСКОГО СИГНАЛА С ВРЕМЕННЫМ РАЗДЕЛЕНИЕМ КАНАЛОВ Российский патент 2008 года по МПК G08C15/06 G06F17/40 

Изобретение относится к радиотехнике, телеизмерительной технике и может быть использовано для систем приема, регистрации и обработки телеметрических сигналов с временным разделением каналов.

Известен способ приема, преобразования и регистрации телеметрического сигнала с временным разделением каналов, заключающийся в приеме и преобразовании радиосигнала в видеосигнал, выделении синхросигналов (маркеров), выделении измерительной информации, формировании служебной информации и сигналов времени с последующей регистрацией всей информации на магнитный носитель (Системный анализ измерительных комплексов / В.В.Васильев, Н.Б.Резвецов, А.В.Аношкин и др. М.: РВСН, 1994 г, с.172-173).

Недостатком известного способа приема, регистрации и обработки телеметрических сигналов с временным разделением каналов является то, что регистрация сигнала осуществляется после выполнения процедур детектирования, синхронизации и демодуляции, что в условиях воздействия сильных шумов приводит к возникновению так называемых ненормально больших (аномальных) погрешностей, которые превышают допустимые значения. Это приводит к некачественной оценке временной структуры телеметрического сигнала, искажению передаваемой телеметрической информации, и, как следствие, к потере результатов телеизмерений. Погрешности в системе символьной синхронизации (канальной синхронизации) приводят к погрешностям в определении времени передачи символов (канальных интервалов). Когда величина погрешности не превышает временной длительности символа (канального интервала), она влияет только на работу решающего устройства, увеличивая вероятность ошибочного решения (погрешности оценки параметра). Погрешности символьной (канальной) синхронизации, превышающие длительность символа (канального интервала), а также ошибки в системе синхронизации, по словам и кадрам, вызывают неверное разделение информации. Это приводит к полной потере телеметрических измерений (выборок) на сбойных участках. В связи с этим в системах синхронизации аппаратурного исполнения, функционирующей в режиме реального времени, приходится добиваться компромисса. С одной стороны, для обеспечения высокой помехозащищенности необходимо увеличивать интервал анализа принимаемых данных. Но это ведет к увеличению времени обработки, т.е. система синхронизации становится "инерционной", что при приеме и обработке сигнала в реальном масштабе времени приводит к потере телеметрического сообщения. Особенно это актуально для радиолиний с замираниями и систематическими нарушениями (перерывами) радиосвязи, в частности для телеметрических систем. Данные причины приводят к необходимости ограничения интервала анализа, что соответственно снижает помехозащищенность существующих систем.

Для устранения указанного недостатка необходимо осуществить регистрацию телеметрического сигнала до выполнения процедур детектирования, синхронизации и принятия решения о передаваемом сообщении, и на этапе анализа зарегистрированных данных реализовать восстановление временной структуры сигнала методом накопления, который предполагает при приеме некогерентной последовательности радиоимпульсов квадратурное суммирование огибающих взаимной корреляционной функции принимаемого сигнала и эталонного маркера.

Достигаемый при этом технический результат заключается в сокращении потерь телеизмерений, связанных с инерционностью систем синхронизации, функционирующих в масштабах реального времени.

Указанный технический результат достигается тем, что в известный способ приема, регистрации и обработки телеметрического сигнала, заключающийся в приеме и преобразовании радиосигнала в видеосигнал, выделении синхросигналов (маркеров), выделении измерительной информации, формировании служебной информации и сигналов времени с последующей регистрацией всей информации на магнитный носитель, введены операции: формирование мгновенных значений квадратурных составляющих сигнала промежуточной частоты и преобразование полученных потоков данных, отображающих квадратурные составляющие телеметрического радиосигнала в цифровой вид для регистрации всей последовательности цифровых данных на устройства памяти; восстановление временной структуры зарегистрированных данных путем вычисления квадрата огибающей взаимной корреляционной функции принимаемого сигнала и эталонного маркера (при обработке данных, зарегистрированных в условиях низкого соотношения сигнал-шум), формирование массивов, соответствующих отдельным циклам (кадрам) принимаемого сигнала, их суммирование и определение фазы цикла по максимуму результирующей функции; формирование множеств, соответствующих интервалам передачи отдельных дискретных сообщений исходя из определенной фазы цикла, и их обработка.

С целью сокращения объема данных, регистрируемых на промежуточной частоте, запоминанию подлежат последовательности квантованных по уровню отсчетов мгновенных значений квадратурных составляющих сигнала, которые связаны функционально с модулирующей функцией. Две группы отсчетов высокочастотного модулированного сигнала с известной опорной частотой ω₀ полностью представляют квадратурные амплитуды, если первая группа отсчетов производится в дискретные моменты времени

T_k=kΔT_∂, ΔT=nT_o=n2π/ω_o, k=0, 1, 2...,

причем ΔT_∂≤1/2Δf_c, а вторая группа отсчетов производится в дискретные моменты времени с указанными характеристиками, но сдвинутыми относительно моментов времени первой группы на τ_c=π/2ω_o.

Так как отсчеты берутся в дискретные моменты времени в соответствии с условием t_k=nk2π/ω_o, то

S₁(t_k)=A(t_k)cos[2πkn+θ(t_k)]=A(t_k)cosθ(t_k).

Вторая группа отсчетов сдвинута относительно первой на π/2, поэтому можно записать

В связи с тем, что модулирующая функция изменяется значительно медленнее, чем частота несущего колебания, можно считать, что на интервале времени τ_c=π/2ω_o она является постоянной. И, следовательно, можно считать, что

Сигналы S₁ и S₂ полностью описывают квадратурные составляющие.

При реализации данного способа отсчеты второй группы могут производиться в дискретные моменты времени, сдвинутые относительно первой группы не только на четверть длины волны, но и на интервалы времени, равные

τ=n2π/ω₀+π/2ω₀, n=1, 2, 3...,

при условии, что τ≤ΔT_∂=1/2Δf_c.

Принимаемый сигнал является аддитивной смесью полезного сигнала и шума, т.о. каждый отсчет будет представлять сумму сигнальной и шумовой составляющих

z_k=s_k+n_k.

Данные, полученные в результате регистрации, можно представить как два множества {z_{c k}} и {z_{s k}}, которые соответственно отображают синфазную и квадратурную составляющие зарегистрированного телеметрического сигнала, размерности которых определяются общим числом временных дискрет k=1, 2,..., K.

В качестве базового подхода при восстановлении временной структуры зарегистрированного телеметрического сигнала используется подход, основанный на алгоритме оценки временного положения элементов кадра сигнала t_jr (моментов, соответствующих началу канальных интервалов Δt_jr), которые определяются по временному положению синхросигналов. Это означает, что одной из основных задач при восстановлении временной структуры телеметрического сигнала является оценка параметра τ₀, который характеризует положение синхросигнала относительно начала анализа. Согласно положениям теории статистических решений в системах связи при равномерном распределении априорной плотности вероятности параметра τ₀ оценка сводится к правилу максимума функции правдоподобия.

Восстановление временной структуры зарегистрированных данных осуществляется на основе реализации алгоритмов корреляционной обработки сигналов со случайными параметрами, которая эквивалентна вычислению огибающей корреляционной функции по всем возможным значениям искомого параметра.

При синхросигнале с некогерентными импульсами обработка сводится к вычислению огибающей взаимной корреляционной функции на каждом цикле, соответствующем длительности кадра телеметрического сообщения. После чего производится квадратичное суммирование огибающих составляющих взаимной корреляционной функции. Исходя из этого результирующий алгоритм можно выразить следующим выражением:

Восстановление временной структуры зарегистрированных данных реализуется путем формирования квадрата огибающей взаимной корреляционной функции для всего интервала анализа. После чего осуществляется деление полученных данных на множества, которые содержат значения, относящиеся к отдельным циклам. Т.о. сначала формируется вектор-столбец , где k=1, 2,..., K-L - порядковый номер выборки на интервале анализа.

Полученный вектор делится на множество векторов , где b=1, 2,..., V - номера циклов, а p=1, 2,..., P - номер выборки в цикле. Данные вектора суммируются, что позволяет получить результирующий вектор Решение о положении синхроимпульса принимается по индексу максимального элемента в векторе-столбце.

На основании полученных данных осуществляется формирование массивов z_jr={z_jrn}, соответствующих интервалам передачи отдельных дискретных сообщений, которые подлежат дальнейшей обработке с целью выделения передаваемого сообщения.

При осуществлении предлагаемого способа регистрации и обработки телеметрического сигнала с временным разделением каналов выполняют следующие операции (фиг.1, 2).

1. Формирование частоты временной дискретизации принимаемого телеметрического радиосигнала z(t) в соответствии с шириной полосы частот радиотракта приемного устройства f_∂≥2Δf_пр.

2. Формирование двух потоков данных (фиг.1), отображающих дискретные значения квадратурных составляющих принимаемого телеметрического радиосигнала z_c(t_k) и z_s(t_k), посредством временной дискретизации отсчетами, сдвинутыми по времени относительно друг друга на четверть длины периода несущего колебания τ_c=π/2ω₀.

3. Преобразование полученных квадратурных составляющих в цифровой вид и регистрация последовательности цифровых данных на устройства памяти ЭВМ, характеристики которых соответствуют требованиям, определяемым входным потокам данных.

4. Формирование на основании априорных сведений о телеметрическом сигнале, дискретных значений единичного эталонного синхросигнала {x_l}, размерность которого определяется дискретными выборками l=1, 2,..., N_М, где N_М - количество выборок, приходящихся на один синхросигнал.

5. Выделение из зарегистрированных множеств {z_{c k}} и {z_{s k}} данных, соответствующих требуемому интервалу анализа, и вычисление зависимостей

6. Вычисление квадрата огибающей корреляционной функции (при обработке данных, представляющих сигнал с некогерентными синхроимпульсами, зарегистрированными в условиях низкого соотношения сигнал-шум)

7. Формирование из множества данных массивов соответствующих отдельным циклам, по N_ц элементов в каждом, количеством V, где p=1, 2,..., N_ц - индекс элемента в цикле, а b=1, 2,..., V - номер цикла.

8. На интервале, соответствующем V периодам повторения синхросигналов, определение фазы цикла по максимуму результирующей функции (фиг.2)

9. Формирование массивов z_jr={z_jrn}, соответствующих интервалам передачи отдельных дискретных сообщений Δt_jr, исходя из определенных периодичности следования синхросигналов N_ц, которая соответствует длительности циклов Т_ц, и фазы цикла, действительной для V периодов, а также на основании априорно известной структуры группового телеметрического сигнала.

10. Обработка массивов {z_jrn} с целью принятия решения о передаваемом сообщении.

Предлагаемый способ регистрации и обработки телеметрического сигнала с временным разделением каналов обеспечивает получение указанного технического результата - сокращение потерь телеизмерений, связанных с инерционностью систем синхронизации, функционирующих в масштабах реального времени.

Сравнительный анализ с известным способом показал, что предлагаемый способ регистрации и обработки телеметрического сигнала с временным разделением каналов включает в себя новые существенные признаки, изложенные в формуле изобретения. Следовательно, техническое решение соответствует критерию "новизна".

Так как требуемый технический результат достигается всей вновь введенной совокупностью существенных признаков, которые в известной патентной и научной литературе на дату подачи заявки не обнаружены, техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Изложенные выше сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- предлагаемый способ предназначен для использования в промышленности, а именно в радиотехнике, в частности в станциях приема, регистрации и обработки телеметрической информации;

- для заявленного способа в том виде, как он охарактеризован в независимых пунктах изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью известных до даты приоритета средств и методов.

Следовательно, заявленное техническое решение соответствует критерию "промышленная применимость".

При использовании предлагаемого способа регистрации и обработки телеметрического сигнала с временным разделением обеспечивается сокращение потерь телеметрических измерений, связанных с инерционностью систем синхронизации, функционирующих в масштабах реального времени.

Способ регистрации и обработки телеметрического сигнала с временным разделением каналов относится к радиотехнике, телеизмерительной технике. Достигаемый технический результат - сокращение потерь телеизмерений, связанных с инерционностью систем синхронизации, функционирующих в масштабах реального времени. Способ заключается в том, что радиотелеметрический сигнал принимают, преобразуют, регистрируют, анализируют. На этапе преобразования формируют мгновенные значения квадратурных составляющих телеметрического сигнала на промежуточной частоте, полученные данные преобразуют в цифровой вид. На этапе анализа восстанавливают временную структуру группового телеметрического сигнала. При этом на каждом интервале, соответствующем априорно известной длительности цикла телеметрического сигнала, для данных квадратурных составляющих и данных эталонного синхросигнала вычисляют функцию взаимной корреляции, вычисляют значение квадрата огибающей функции взаимной корреляции. Из множества указанных значений формируют массивы, соответствующие отдельным циклам телеметрического сигнала. На интервале длительности V циклов массивы суммируют, по максимуму суммарной функции определяют фазу цикла. Исходя из фазы цикла и априорно известной структуры телеметрического сигнала формируют множества, соответствующие данным отдельных дискретных сообщений группового телеметрического сигнала. 2 ил.

Способ регистрации и восстановления группового телеметрического сигнала, заключающийся в том, что радиотелеметрический сигнал принимают, преобразуют, регистрируют и анализируют, отличающийся тем, что на этапе преобразования формируют мгновенные значения квадратурных составляющих телеметрического сигнала на промежуточной частоте, полученные данные преобразуют в цифровой вид, на этапе регистрации на устройстве памяти регистрируют последовательность цифровых данных,

на этапе анализа восстанавливают временную структуру группового телеметрического сигнала, при этом

на каждом интервале, соответствующем априорно известной длительности цикла телеметрического сигнала, для данных квадратурных составляющих и данных эталонного синхросигнала вычисляют функцию взаимной корреляции, вычисляют значение квадрата огибающей функции взаимной корреляции,

из множества указанных значений формируют массивы, соответствующие отдельным циклам телеметрического сигнала,

на интервале длительности V циклов массивы суммируют, по максимуму суммарной функции определяют фазу цикла,

исходя из фазы цикла и априорно известной структуры телеметрического сигнала, формируют множества, соответствующие данным отдельных дискретных сообщений группового телеметрического сигнала.