ПРИЕМНИК ИМПУЛЬСНОГО СИГНАЛА Российский патент 2014 года по МПК G06F17/00 H04B1/10 

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться в средствах радиоконтроля, радиолокации и радионавигации для приема и обработки сигналов.

Известны различные приемники импульсных сигналов, например, приемник простого импульсного сигнала [Давыдов Ю.Т., Данич Ю.С., Жуковсий А.П. и др. Радиоприемные устройства. Под ред профессора А.П.Жуковского. М., «Высшая школа», 1989 г.342 с, рис.12.1, с.234], содержащий широкополосную часть и оптимальный обнаружитель.

Из известных устройств наиболее близким по технической сущности к заявленному (прототипом) является приемник некогерентной импульсной РЛС [Волошин И.А., Быков В.В., Васин В.В. и др. Справочник по радиоэлектронным системам: в 2-х томах, под ред. Б.Х.Кривицкого. М.; Энергия, 1979 г. 368 с., рис 7.4, с 82].

Известный приемник содержит усилитель высокой частоты, вход которого является входом приемника, смеситель, связанный первым входом с выходом усилителя высокой частоты, а выходом с входом усилителя промежуточной частоты, гетеродин, связанный со вторым входом смесителя и амплитудный детектор. Принцип работы известного приемника заключается в следующем. Поступивший на вход радиоимпульс на рабочей частоте усиливается в усилителе высокой частоты, затем в смесителе с помощью напряжения гетеродина преобразуется в радиоимпульс промежуточной частоты. Этот радиоимпульс получает основное усиление в усилителе промежуточной частоты и детектируется в амплитудном детекторе, на выходе которого будет видеоимпульс, представляющий собой огибающую радиоимпульса.

Недостатком известного приемника является низкая помехоустойчивость в условиях импульсных и шумовых помех.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в компенсации помеховых составляющих входной смеси.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении помехоустойчивости приема радиоимпульсного сигнала.

Технический результат достигается тем, что в известный приемник, содержащий последовательно соединенные усилитель высокой частоты, смеситель, усилитель промежуточной частоты, а также амплитудный детектор и гетеродин, выход которого связан со вторым входом смесителя, введен блок прямого вейвлет-преобразования (ПВП), соединенный входом с выходом усилителя промежуточной частоты, а выходом с входом амплитудного детектора, а также введены последовательно включенные два блока пересечения, при этом выход амплитудного детектора связан с первым входом первого блока пересечения непосредственно, а со вторым его входом через первый блок задержки, первый вход второго блока пересечения связан с выходом первого блока пересечения непосредственно, а второй его вход через второй блок задержки, а выход второго блока пересечения является выходом приемника. Кроме того, во введенном блоке ПВП используют базис вейвлета Морле с девятым масштабным коэффициентом и процедуру пресечения.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в преобразовании радиоимпульсного сигнала с помощью блока ПВП на основе базиса вейвлета Морле с девятым масштабным коэффициентом и процедурой пересечения в сложный фазоманипулированный сигнал с огибающей в виде импульсно-временного кода и последующей свертки его с помощью последовательно включенных блоков пересечения. При этом происходит компенсация импульсных и шумовых помех и обеспечивается, тем самым, повышение помехоустойчивости обнаружения радиоимпульсного сигнала.

Предлагаемое изобретение поясняется чертежами графического материала. На фиг.1 представлена структурная схема заявляемого приемника, где обозначено: 1 - усилитель высокой частоты, 2 - смеситель, 3 - гетеродин, 4 - усилитель промежуточной частоты, 5 - блок прямого вейвлет-преобразования, 6 - амплитудный детектор, 7.1, 7.2 - первый и второй блоки задержки, 8.1,8.2 - блоки пересечения. На фиг.2 и фиг.3 показаны характерные сечения вейвлет-спектра импульсного сигнала для обычного (фиг.2) и с применением процедуры пересечения ПВП (фиг.3) на основе вейвлета Морле. Эпюры фиг.4 иллюстрируют процесс обработки входной смеси в элементах заявляемого приемника и прототипа, когда на входе схемы действуют на фоне нормально распределенного шума полезный сигнал в виде прямоугольного радиоимпульса единичной амплитуды - 9, короткоимпульсная помеха - 10, длинноимпульсная помеха - 11 и помеха типа «шумовая вспышка» - 12. На фиг.5 представлена структурная схема исследования эффективности известного и заявляемого приемника при использовании их в схемах обнаружителей. На фиг.6 - 9 представлены результаты оценки вероятностных показателей: вероятность ложной тревоги (фиг.6), вероятность правильного обнаружения (фиг.7), вероятность ошибки для короткой помехи (фиг.8) и вероятность ошибки для длинной помехи (фиг.9).

Прежде всего обоснуем необходимость блока ПВП с базисом вейвлета Морле и процедурой пересечения для достижения технического результата. Традиционное ПВП имеет вид:

Здесь W(a, b) - выходной сигнал блока,

S(t) - входной сигнал блока;

ψ(a, b, t) - базис, конструируемый с помощью масштабного коэффициента a и переносов b в пределах длительности принимаемого сигнала в виде:

.

Указанный базис конструируется для действительной или мнимой части вейвлета Морле, задаваемого соотношением

$$\psi \left(t\right)=e^{i\cdot 2\cdot \pi \cdot f\cdot t}\cdot e^{-\frac{t^2}{2}},\left(2\right)$$

где t - время, f - частота, i - комплексная переменная, π=3.14. Проведем трансформацию традиционного ПВП введением в подынтегральное выражение (1) процедуры пересечения. Эта процедура введена и описана в [Гордиенко В.И., Дубровский С.Е., Рюмшин Р.И. Фенев Д.В. Универсальный многофункциональный структурный элемент систем обработки информации. /Радиоэлектроника/ Изв. ВУЗов, №3, 1998] и имеет вид:

$$z=\left|x+y\right|-\left|x-y\right|,\left(3\right)$$

где x и y - произвольные функции, на вид которых ограничения не накладываются, в частности, примем в качестве одной функции S(t), а в качестве другой - элементы базиса ψ(a,b,t).

Тогда выражение (1) преобразуется к виду

Здесь K - постоянный множитель, удовлетворяющий неравенству K>>S_m, где S_m - амплитуда сигнала на входе блока ПВП.

Результаты моделирования традиционного ПВП в соответствии с (1) и ПВП с применением процедуры пересечения в соответствии с (4) радиоимпульса единичной амплитуды с несущей частотой f=8·10⁶ Гц приведены на фиг.2 и фиг.3.

Здесь в координатах амлитуда-время (в условных единицах) показаны характерные сечения вейвлет-спектра радиоимпульса для традиционного ПВП (фиг.3) и ПВП на основе использования процедуры пересечения (фиг.4).

На фиг.2, а изображен исследуемый радиоимпульс. Эпюры б, в, г, д, е, ж иллюстрируют сечения вейвлет-спектра радиоимпульса для масштабных коэффициентов а=3, а=6, а=7, а=9, а=11, а=12, соответственно. Одним из характерных свойств разложения радиоимпульсного сигнала по элементам базиса вейвлета Морле является появление зон нечувствительности (отсутствия части преобразованного сигнала). Как видно из рисунка, зоны нечувствительности проявляются на а=3, а=6, а=11, а=12. Приемлемые для анализа сечения, где сохраняется несущая частота и достаточная амплитуда, имеют место при а=7 и а=9, однако, на этих масштабах у традиционного ПВП отсутствуют зоны нечувствительности и практически исключена возможность свертки сигнала.

Исследуемый радиоимпульс и аналогичные сечения вейвлет-спектра для ПВП на основе использования процедуры пересечения показаны на фиг.3. Здесь так же, как и в случае традиционного ПВП, приемлемыми для анализа сечениями с сохраненной несущей частотой являются сечения а=7 и а=9 (фиг.3 г, д.). Однако достижению технического результата удовлетворяет только сечение а=9. Это сечение представляет собой амплитудно-модулированный фазоманипулированный сигнал в виде двух пар парциальных радиоимпульсов, расположенных попарно симметрично на участке длительности анализируемого радиоимпульса. Длительность парциального импульса соответствует длительности вейвлета Морле τ_в.

Огибающая всего сигнала, как видно из рисунка, может быть рассмотрена как импульсно-временной код, структура которого позволяет произвести его свертку с помощью последовательно включенных блоков пересечения с элементами задержки, соответствующим временной структуре полученного сигнала.

Принцип работы предлагаемого приемника заключается в следующем.

Пусть на входе приемника (фиг.1) на фоне шума n(t) с нормальным распределением мгновенных значений действует смесь полезных и помеховых импульсов в виде:

$$S\left(t\right)=U_c\left(t\right)+U_{n1}\left(t\right)+U_{n2}\left(t\right)+U_{n3}\left(t\right)+n\left(t\right).\left(5\right)$$

Здесь U_c(t)=U_msin2πft - полезный сигнал (радиоимпульс) длительностью τ и амплитудой U_m;

U_nl(t)=U_m1sin2πft - короткоимпульсная помеха с параметрами U_m1>U_m, τ_n1<τ, где τ_n1 длительность помехи;

U_n2(t)=U_m2sin2πft - длинноимпульсная помеха с параметрами U_m2>U_m, τn₂<τ, где τ_n2 длительность помехи;

U_n3(t) - помеха типа «шумовая вспышка» с параметрами τ_n3~τ, $${\overline{U}}_{m3}>U_m$$ , где $${\overline{U}}_{m3}$$ - среднее значение огибающей помехи.

После усиления и преобразования на промежуточную частоту входной сигнал подается на блок 5 (фиг.1). В блоке 5 с входной смесью производится ПВП на основе применения процедуры пересечения в соответствии с (4), при этом а=9, K>>U_m, где U_m=1, а в качестве базисной функции используется мнимая часть вейвлета Морле (2).

В результате ПВП на выходе блока 5 будет амплитудно-модулированный фазоманипулированный сигнал в составе четырех парциальных радиоимпульсов, обозначенных цифрой 9 на фиг.4, б (Эпюры представленные на фиг.4 являются результатом имитационного моделирования работы схемы на выходе соответствующих блоков). Здесь длительность входного радиоимпульса подобрана таким образом, что пары парциальных радиоимпульсов выходного сигнала блока 5 следуют с небольшой задержкой. В общем случае, когда, τ>4τ_в выходной сигнал представляет собой две пары радиоимпульсов, разделенных зоной нечувствительности (фиг.3, д).

Соответствующие преобразования претерпевают и помеховые сигналы в составе смеси. Однако, их временная структура существенно отличается от полезного сигнала, что в дальнейшем и используется для компенсации помех (фиг.4б). После детектирования в блоке 6 огибающая смеси имеет вид, показанный на фиг.4, в.

Далее, полезный сигнал и помеховые импульсы поступают на первый вход первого блока пересечения 8.1 непосредственно, а на второй вход первого блока пересечения через блок задержки 7.1. При этом необходимо отметить, что задержка в этом блоке соответствует интервалу между импульсами в паре τ_з1. В соответствии с алгоритмом работы блока пересечения (3) сигнал на выходе первого блока пересечения 8.1 будет определяться выражением:

$$U_{8.1}\left(t\right)=\left|U_6\left(t\right)+U_6\left(t-{\tau }_{з1}\right)\right|-\left|U_6\left(t\right)-U_6\left(t-{\tau }_{з1}\right)\right|\left(6\right)$$

Вид этого сигнала представлен на фиг.4, г. Как следует из рисунка, произошла свертка каждой пары полезного сигнала в один импульс. Это же касается и длинноимпульсной помехи. Короткоимпульсная помеха скомпенсирована полностью, а от помехи типа «шумовая вспышка» остался небольшой «всплеск». Существенно уменьшается дисперсия шума (для представленного масштаба и отношения сигнал/шум этот шум не наблюдается).

С выхода первого блока пересечения сигнал поступает на первый вход второго блока пересечения 8.2 непосредственно, а на второй вход этого блока через второй блок задержки 7.2. Задержка в этом блоке соответствует временному сдвигу между парами импульсов в полезном сигнале τ_з2.

По аналогии с (6) сигнал на выходе второго блока пересечения 8.2 будет

$$U_{8.2}\left(t\right)=\left|U_{8.1}\left(t\right)+U_{8.1}\left(t-{\tau }_{з2}\right)\right|-\left|U_{8.1}\left(t\right)-U_{\mathrm{8,1}}\left(t-{\tau }_{з2}\right)\right|\left(7\right)$$

Вид этого сигнала представлен на фиг.4, д.

Как видно из рисунка, произошла окончательная свертка полезного сигнала, который представляется одним импульсом, полная компенсация длинноимпульсной помехи из-за отличий ее временной структуры от структуры полезного сигнала и помехи типа «шумовая вспышка». Такой результат является следствием двукратной реализации процедуры пересечения, которая каждый раз в силу своих свойств производит выбор меньшего из двух поступающих на входы сигналов. При равенстве нулю хотя бы одного из них результат пересечения так же будет равен нулю. Этим и объясняется уменьшение дисперсии шума во входной смеси. Полная компенсация помеховых сигналов и существенная компенсация шума объясняется тем, что при подаче на входы блока пересечения входной смеси временные составляющие помех совпадают с временными составляющими шума, в связи с этим на выходе блоков пересечения будет шум, при этом полезный сигнал сохраняется, удваиваясь по амплитуде с каждой реализацией процедуры.

Для сравнения на фиг.4, е, ж показаны результаты обработки входной смеси в известном приемнике. Здесь эпюра, изображенная на фиг.4, е представляет собой выходной сигнал усилителя промежуточной частоты являющегося согласованным фильтром для радиоимпульса. Эпюра, показанная на фиг.4, ж, представляет собой выходной сигнал амплитудного детектора известного приемника. Сравнение эпюр, представляющих собой выходные сигналы предлагаемого и известного приемников, на качественном уровне показывает очевидное преимущество предлагаемого в помехоустойчивости.

Как показывает анализ, качество подавления импульсных помех для схемы с двумя блоками пересечения может быть оценено с помощью коэффициента подавления в виде

$${К}_{под}\approx \frac{U_{пвх}^2{\tau }_{пвх}}{{\sigma }_{швх}^2\tau },\left(8\right)$$

где: $$U_{пвх}^2$$ и τ_пвх амплитуда и длительность импульса помехи на входе,

σ_швх - среднеквадратическое значение шума на входе.

Из (8) следует, что при фиксированных σ_швх и τ коэффициент подавления определяется только параметрами помехи, т.е. подавление обеспечивается ровно настолько, насколько это необходимо для сведения ее к уровню шума.

Для количественной оценки эффективности заявляемого приемника проведено определение статистических показателей качества на основе имитационного моделирования.

Для этого на основе заявляемого устройства и прототипа построены обнаружители, а схема исследования показателей качества представлена на фиг.5.

Здесь 13 - генератор сигнала, 14 - генератор шума, 15 - генератор помех, 16 - сумматор, 17 - схема прототипа, 18 - схема заявляемого устройства, 19, 20 - пороговые устройства, 21 - счетчик.

За показатели качества приняты: вероятность ложной тревоги Р_лт, вероятность правильного обнаружения Р_об, вероятность ошибки Р_ош. При этом под Р_лт понимается вероятность превышения шумом заданного порога обнаружения; под Р_об - вероятность превышения смесью сигнал плюс шум фиксированного порога; под Р_ош - вероятность превышения смесью помеха плюс шум этого порога.

Оценка указанных вероятностей проводилась в частотном смысле как отношение числа положительных исходов n, определяемого счетчиком 21 на выходе пороговых устройств 19, 20, к общему числу опытов N: $$P^{*}=\frac{n}{N}$$ .

Зависимость вероятностей ложной тревоги от относительного порога обнаружения приведена на фиг.6 в виде:

$$P_{лт}=f(\frac{U_{пор}}{{\sigma }_{ш}})$$ .

Здесь U_nop - значение порога, σ_ш - среднеквадратическое значение шума на выходе исследуемой схемы. Кривая, обозначенная цифрой 22, характеризует заявляемый приемник, а цифрой 23 - прототип. Из рисунка видно, что при одинаковых значениях порога, уровни ложных тревог для заявляемого устройства существенно ниже, чем для прототипа. Иначе говоря, уровень шумов на выходе заявляемого приемника значительно ниже, чем для прототипа.

На основании зависимостей Р_лт установлены пороги для определения других показателей качества.

Оценка Р_об проведена при фиксированных для каждой схемы порогах обнаружения, обеспечивающих одинаковую вероятность ложной тревоги Р_лт=0,016 для сопоставления результатов.

Зависимости вероятностей правильного обнаружения от относительного значения сигнала на входе приведены на фиг.7 в виде $${Р}_{об}^{*}=f\left(U/{\sigma }_{ш}\right)$$ при Р_лт=0,016. Здесь $$\frac{U_c}{{\sigma }_{ш}}$$ - отношение сигнал/шум на входе исследуемых устройств. Кривая, обозначенная цифрой 24, соответствует заявляемому приемнику, цифрой 25 - прототипу.

Ход кривых Р_об свидетельствует о наличии потерь полезного сигнала в заявляемом приемнике по сравнению с прототипом (кривая 24 правее кривой 25), что, как было указано, обусловлено алгоритмом работы заявляемого приемника. Однако, потери эти невелики.

Зависимости вероятностей ошибочного срабатывания в условиях импульсной помехи от отношения помеха/шум на входе приведены на фиг.8-9 в виде

$${Р}_{ош}=f(\frac{U_{п}}{U_{ш}})$$

при Р_лт=0,016, здесь $$\frac{U_{п}}{{\sigma }_{ш}}$$ - отношение помеха/шум на входе исследуемых устройств.

Кривые, обозначенные на фиг.8, соответствуют вероятности ошибки приема при действии «короткой» помехи, где кривая, обозначенная цифрой 26, соответствует вероятности ошибки заявляемого приемника, цифрой 27 - прототипу, а кривые, обозначенные на фиг.9, соответствуют вероятности ошибки при действии «длинной» помехи, где кривая 28 соответствует вероятности ошибки для заявляемого приемника, а 29 - прототипа.

Таким образом, полученные оценки и результаты моделирования подтверждают работоспособность, реализуемость и достижение технического результата заявляемым приемником, который по сравнению известным приемником заключается в существенном (более чем на порядок) улучшении показателей помехоустойчивости в условиях импульсных и шумовых помех.

Возможность практической реализации заявляемого приемника следует из того, что он строится на типовых, известных и технологически отработанных элементах и алгоритмах.

Например, возможно его построение по универсальной аналогово-цифровой схеме.

В этом случае широкополосная часть строится в аналоговом виде, а блок модифицированного ВП на основе вейвлета Морле - в цифровом, на основе высокоскоростных многоразрядных АЦП, цифровых преобразователей частоты на основе цифровых синтезаторов ДДS и программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), позволяющих путем реконфигурации своей «прошивки» всю трудоемкость по организации процедур обработки сосредоточить в области программного обеспечения при неизменной аппаратной части [Н.Г.Пархоменко, Б.М.Баташов. «Решение задачи оптимальной обработки сигналов со сложными видами модуляции при помощи универсальных устройств на ПЛИС». «Радиоконтроль». Выпуск №5, 2002 г., с.81-88, рис.1, с.82, рис.2,3, с.83, рис.4, с.85].

Блоки задержки 7.1, 7.2 для частот до 0,3 ГГц могут быть построены на элементах с сосредоточенными параметрами [Голубков А.П., Долматов А.Д., Лукошкин А.П., и др. Проектирование радиолокационных приемных устройств. Под ред. Соколова М.А. - М.: Высш. Шк., 1984, с.122, 123].

Вычитающие устройства и сумматоры блока пересечения 8.1 и 8.2 могут быть выполнены по обычной схеме усилителей на два входа или с прямым и инверсным входами [Алексеенко А.Г. Применение прецезионных аналоговых интегральных микросхем. - М.: Радио и связь, 1981, с 77, рисунок 2, 3].

Устройства вычисления модуля бока пересечения 8.1 и 8.2 могут быть собраны по схеме двухполупериодного выпрямителя на операционных усилителях [Боровский В.П., Костенко В.И., Михайленко В.М. и др. Справочник по схемотехнике для радиолюбителя. Под ред. Бобровского А.П. - К.: Техника, 1989, с.211, рисунок 12.4].

Анализ известных технических решений в области принципов и устройств приема импульсных сигналов показывает, что заявляемое изобретение благодаря существенным признакам, определившим путь достижения технического результата, не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники и соответствует требованию «изобретательского уровня».

Заявителем не обнаружен аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения. Определение прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков аналога позволило выявить в заявляемом объекте существенные по отношению к техническому результату отличительные признаки, что позволяет считать заявленное изобретение удовлетворяющим критерию «изобретательская новизна».

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в средствах радиоконтроля, радиолокации и радионавигации для приема и обработки сигналов. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости приема радиоимпульсного сигнала. Для этого в приемник введены блок прямого вейвлет-преобразования, соединенный входом с выходом усилителя промежуточной частоты, а выходом с входом амплитудного детектора, а также последовательно включенные первый и второй блоки пересечения, при этом первый вход первого блока пересечения связан с выходом амплитудного детектора непосредственно, а второй его вход через первый блок задержки, первый вход второго блока пересечения связан с выходом первого блока пересечения непосредственно, а второй его вход через второй блок задержки. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Приемник импульсного сигнала, содержащий последовательно соединенные усилитель высокой частоты, смеситель, усилитель промежуточной частоты, а также амплитудный детектор и гетеродин, выход которого связан со вторым входом смесителя, а входом приемника является вход усилителя высокой частоты, отличающийся тем, что в него введены блок прямого вейвлет-преобразования, первый и второй блоки задержки, первый и второй блоки пересечения, при этом вход блока прямого вейвлет-преобразования связан с выходом усилителя промежуточной частоты, а выход - со входом амплитудного детектора, первый вход первого блока пересечения связан с выходом амплитудного детектора непосредственно, а второй его вход через первый блок задержки, первый вход второго блока пересечения связан с выходом первого блока пересечения непосредственно, а второй его вход через второй блок задержки, выход второго блока пересечения является выходом приемника.

2. Приемник импульсного сигнала по п.1, отличающийся тем, что в блоке прямого вейвлет-преобразования используют базис вейвлета Морле с масштабным коэффициентом a=9.