Устройство цифровой обработки полифазных дополнительных фазокодоманипулированных сигналов Российский патент 2018 года по МПК G06F17/14 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокационных станциях в режимах сопровождения целей для обработки полифазных (p-фазных, ) пачечных фазокодоманипулированных (ФКМ) сигналов с неизвестной частотой Доплера, кодированных ансамблем дополнительных последовательностей длины , , - множество натуральных чисел, по предварительному целеуказанию в ограниченном доплеровском диапазоне частот.

Известно устройство цифровой обработки полифазных ортогональных ФКМ сигналов [1], содержащее регистр сдвига с числом ячеек N, первый и второй блоки перекрестных связей, процессор быстрого преобразования Виленкина-Крестенсона-Фурье (БПВК-Ф), блок весовых коэффициентов, N одинаковых блоков формирования автокорреляционной функции (АКФ) полифазного ортогонального сигнала, содержащего одинаковых регистров сдвига и одинаковых сумматоров комплексных чисел, N пороговых устройств, причем входом устройства является вход регистра сдвига, а выходом устройства являются выходы N пороговых устройств, при этом регистр сдвига имеет один вход и N выходов, которые соединены с соответствующими входами первого блока перекрестных связей, имеющего N входов и выходов, выходы первого блока перекрестных связей соединены с соответствующими сигнальными входами процессора БПВК-Ф, имеющего сигнальных входов, N входов весовых коэффициентов, соединенных с соответствующими выходами блока весовых коэффициентов, и выходов, которые соединены с соответствующими входами второго блока перекрестных связей, имеющего входов и выходов, выходы второго блока перекрестных связей соединены с входами N одинаковых блоков формирования АКФ полифазного пачечного сигнала по N входов в каждом, при этом каждый блок формирования АКФ полифазного пачечного сигнала имеет N входов и один выход и состоит из одинаковых регистров сдвига, имеющих один вход и один выход, с числом ячеек (Q – скважность сигнала) в каждом и одинаковых сумматоров комплексных чисел, имеющих два входа и один выход, при этом первый вход блока формирования АКФ полифазного пачечного сигнала соединен со входом первого регистра сдвига, первый вход каждого i-го сумматора комплексных чисел соединен с выходом i-го регистра сдвига, а второй вход каждого i-го сумматора комплексных чисел соединен с -м входом блока формирования АКФ полифазного пачечного сигнала, выход -го сумматора комплексных чисел является выходом блока формирования АКФ полифазного пачечного сигнала, выход каждого из N блоков формирования АКФ полифазного пачечного сигнала соединен с одним из входов одного из N пороговых устройств, имеющих по два входа и одному выходу, на вторые входы которых для сравнения подаются пороговые уровни, выходы N пороговых устройств являются выходами устройства.

Однако известное устройство обработки полифазных пачечных ФКМ сигналов, содержащее N одинаковых блоков формирования АКФ, каждый из которых состоит из одинаковых регистров сдвига с числом ячеек и одинаковых сумматоров комплексных чисел, имеет большие аппаратурные затраты.

Целью изобретения является уменьшение аппаратурных затрат путем использования устройства цифровой обработки полифазных пачечных ФКМ сигналов, кодированных ансамблем из p дополнительных последовательностей, называемых полифазными когерентными дополнительными сигналами (КДС) [2] и имеющих, как и у прототипа, АКФ с областью нулевых боковых лепестков. Однако предлагаемое устройство цифровой обработки в каждом из N одинаковых блоков формирования АКФ вместо регистров сдвига и сумматоров комплексных чисел будет иметь по регистров сдвига и сумматоров комплексных чисел, т.е. в раз меньше.

Для сжатия полифазных КДС в состав предлагаемого устройства цифровой обработки входит процессор быстрого Д-преобразования Фурье (БП-Д-Ф), использующий совмещенный алгоритм БПФ в базисах-матрицах дополнительных последовательностей [2] и дискретных экспоненциальных функций (ДЭФ), позволяющий одновременно снимать манипуляцию полифазных импульсных сигналов, кодированных ансамблями дополнительных последовательностей, и определять частоту Доплера в ограниченном доплеровском диапазоне частот по предварительному целеуказанию.

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства цифровой обработки полифазных КДС, на фиг.2 – сигнальный граф быстрого Д-преобразования Фурье при и .

Устройство содержит (фиг.1): регистр 1 сдвига с числом ячеек, равным количеству элементарных дискрет в импульсе, процессор 2 БП-Д-Ф, блок 3 перекрестных связей, блок 4 весовых коэффициентов, N одинаковых блоков 5 формирования АКФ полифазного КДС, каждый из которых содержит одинаковых регистров 6 сдвига с числом ячеек, равным периоду следования импульсов , и одинаковых сумматоров 7 комплексных чисел, N пороговых устройств 8.

Регистр 1 сдвига имеет один вход и N выходов, причем вход регистра является входом устройства, выходы соединены с соответствующими сигнальными входами процессора 2 БП-Д-Ф.

Алгоритм работы процессора БП-Д-Ф основан на совмещении алгоритмов БПФ в базисах-матрицах дополнительных последовательностей и ДЭФ путем поэлементного перемножения каждой строки матрицы дополнительных последовательностей размером на каждую строку матрицы ДЭФ размером . Полученная при этом матрица размером представляет собой набор матриц импульсных характеристик размером на N различных частотах, т.е. строки матрицы ДЭФ играют роль частотных каналов.

Состав и алгоритм работы процессора БП-Д-Ф описывается следующим набором математических выражений:

где - вектор входного сигнала, состоящий из N дискрет;

- вектор выходного сигнала (спектра), состоящий из дискрет;

- диагональная матрица с элементами из i-й строки матрицы ДЭФ, входящая в состав блочной матрицы размером ;

- матрица дополнительных последовательностей порядка k;

j – номер итерации;

- матрица-сомножитель из алгоритма факторизации матриц методом Гуда [3];

- матрица перестановки;

- номера строк матриц и соответственно;

- число a по модулю p;

- число b в p-ичном виде;

- операция сложения по модулю p.

Первое математическое выражение, входящее в состав алгоритма, называется дискретное Д-преобразование Фурье.

Данный алгоритм определяет порядок соединения N сигнальных входов (вектор входного сигнала) и N входов весовых коэффициентов с выходами (вектор выходного сигнала) процессора БП-Д-Ф.

Выходы процессора 2 БП-Д-Ф соединены с соответствующими входами блока 3 перекрестных связей.

Блок 3 перекрестных связей имеет входов и выходов и предназначен для упорядочивания выходных значений процессора БП-Д-Ф в соответствии с набором матриц импульсных характеристик на N различных частотах Доплера: первые N выходов блока перекрестных связей представляют собой результат перемножения матрицы импульсных характеристик на отсчеты входного сигнала процессора БП-Д-Ф на нулевой частоте, вторые N выходов – на первой частоте и т.д., последние N выходов – на -й частоте. Перекрестные связи входов с выходами блока 3 перекрестных связей определяется выражениями:

где - i-й разряд -го выхода блока перекрестных связей в p-ичном виде ;

- i-й разряд -го входа блока перекрестных связей в p-ичном виде .

Блок 4 весовых коэффициентов имеет N выходов, которые соединены с соответствующими входами весовых коэффициентов процессора БП-Д-Ф.

Матрица дополнительных последовательностей (импульсных характеристик) содержит смежных ансамблей дополнительных последовательностей по p в каждом [2]. Полифазный КДС кодируется одним из смежных ансамблей дополнительных последовательностей, поэтому выходов блока перекрестных связей соединены с входами N одинаковых блоков 5 формирования АКФ полифазного КДС по p входов в каждом.

Порядок соединения выходов блока 3 перекрестных связей с входами N одинаковых блоков 5 формирования АКФ полифазного КДС определяется согласно выражению

,

где - номер блока формирования АКФ полифазного КДС;

- номер входа i-го блока формирования АКФ полифазного КДС;

- номер смежного ансамбля дополнительных последовательностей;

- номер выхода блока перекрестных связей.

Каждый блок 5 формирования АКФ полифазного КДС имеет p входов и один выход и состоит из одинаковых регистров 6 сдвига с числом ячеек , имеющих один вход и один выход, одинаковых сумматоров 7 комплексных чисел, имеющих два входа и один выход, при этом первый вход блока 5 формирования АКФ полифазного пачечного сигнала соединен с входом первого регистра 6 сдвига, первый вход каждого i-го сумматора 7 комплексных чисел соединен с выходом i-го регистра 6 сдвига, а второй вход каждого i-го сумматора 7 комплексных чисел соединен с -м входом блока 5 формирования АКФ полифазного пачечного сигнала, выход -го сумматора 7 комплексных чисел является выходом блока 5 формирования АКФ полифазного КДС.

Выход каждого из N блоков 5 формирования АКФ полифазного КДС соединен со входом одного из N пороговых устройств 8. Выходы N пороговых устройств 8 являются выходами устройства.

По номеру порогового устройства (), в котором превышен порог, определяется доплеровский сдвиг частоты.

Рассмотрим пример работы устройства обработки полифазного когерентного дополнительного сигнала с параметрами: число фаз , число дискрет в импульсе и скважность .

Регистр 1 сдвига имеет один вход, являющийся входом устройства, и 8 выходов, которые соединены с соответствующими сигнальными входами процессора 2 БП-Д-Ф.

Состав и алгоритм работы процессора 2 БП-Д-Ф будет описывается следующим набором математических выражений:

где - вектор входного сигнала;

- вектор выходного сигнала, имеющего 64 отсчета;

- матрица дополнительных последовательностей порядка ;

- номера строк матриц и соответственно;

j – номер итерации.

Блочная матрица, входящая в дискретное Д-преобразование Фурье (первое выражение), состоит из следующих диагональных матриц:

;

;

;

;

;

;

;

где .

Матрицы-сомножители , и определяются с помощью алгоритма Гуда [3]:

где - матрица ДЭФ размером ;

- единичная матрица размером .

После перемножения получим следующие матрицы-сомножители:

;

;

.

Далее получим матрицы перестановки и .

Рассмотрим первую итерацию. При

Тогда при

При

При

При

В таблице представлено полученное соответствие номеров строк матрицы номерам строк матрицы .

Из таблицы следует, что для первой итерации матрица перестановки будет иметь следующий вид:

.

Тогда для первой итерации получим следующую матрицу-сомножитель:

.

Выполняя аналогичные расчеты для второй итерации при , получим следующую матрицу перестановки:

.

Тогда для второй итерации матрица-сомножитель будет иметь следующий вид:

.

В итоге дискретное Д-преобразование Фурье будет иметь вид:

,

в котором были рассчитаны все составляющие матрицы-сомножители.

Выполняя умножение вектора справа налево, получим алгоритм быстрого Д-преобразования Фурье, сигнальный граф которого изображен на фиг.2.

Данный граф определяет алгоритм вычисления спектра и порядок соединения 8 сигнальных входов (вектор ) и 8 входов весовых коэффициентов с 64 выходами (вектор ) процессора 2 БП-Д-Ф.

Выходы процессора 2 БП-Д-Ф соединены с соответствующими входами блока 3 перекрестных связей.

Блок 3 перекрестных связей имеет 64 входа и 64 выхода, которые соединены согласно выражениям

где - i-й разряд -го выхода блока 3 перекрестных связей в двоичном виде;

- i-й разряд -го входа блока 3 перекрестных связей в двоичном виде.

На фиг.2 показан порядок соединения выходов блока 3 перекрестных связей с его входами (нумерация выходов сигнального графа БП-Д-Ф). Например, первый выход блока 3 перекрестных связей соединен с его первым входом, 34-й выход – со 2-м входом, 19-й выход – с 3-м входом, 52-й выход – с 4-м входом и т.д.

Порядок соединения 64 выходов блока 3 перекрестных связей с 16 входами 8 одинаковых блоков 5 формирования АКФ полифазного КДС определяется согласно выражению

,

где - номер блока 5 формирования АКФ полифазного КДС;

- номер входа i-го блока формирования АКФ полифазного КДС;

- номер смежного ансамбля дополнительных последовательностей;

- номер выхода блока перекрестных связей.

Пусть номер смежного ансамбля дополнительных последовательностей , тогда порядок соединения -го выхода блока 3 перекрестных связей с j-м входом i-го блока 5 формирования АКФ полифазного КДС представлен в следующей таблице:

Каждый блок 5 формирования АКФ полифазного КДС имеет 2 входа и один выход и состоит из одного регистра 6 сдвига с числом ячеек 16, имеющего один вход и один выход, и одного сумматора 7 комплексных чисел, имеющего два входа и один выход, при этом первый вход блока 5 формирования АКФ полифазного КДС соединен с входом регистра 6 сдвига, первый вход сумматора 7 комплексных чисел соединен с выходом регистра 6 сдвига, а второй вход сумматора 7 комплексных чисел соединен со 2-м входом блока 5 формирования АКФ полифазного КДС, выход сумматора 7 комплексных чисел является выходом блока 5 формирования АКФ полифазного КДС.

Выход каждого из 8 блоков 5 формирования АКФ полифазного КДС соединен с входом одного из 8 пороговых устройств 8. Выходы 8 пороговых устройств 8 являются выходами устройства.

По номеру порогового устройства (), в котором превышен порог, определяется доплеровский сдвиг частоты.

Литература

1. Устройство цифровой обработки полифазных ортогональных фазокодоманипулированных сигналов. Пат. №2346324 РФ, МПК G06F 17/14. / Емельяненко Н.А., Ипанов Р.Н., Щетинин В.И., Чекмарев М.В. - 2006145187/09; заявл. 20.12.06; опубл. 10.02.09, Бюл. №4.

2. Ипанов Р.Н. Полифазные когерентные дополнительные сигналы. // Журнал радиоэлектроники: Электронный журнал. 2017, №1. URL: http://jre.cplire.ru/jre/jan17/14/text.pdf.

3. Трахтман А.М., Трахтман В.А. Основы теории дискретных сигналов на конечных интервалах. М.: Сов. радио, 1975, 208 с.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокационных станциях в режимах сопровождения целей для обработки полифазных (p-фазных, p≥2) пачечных фазокодоманипулированных сигналов, кодированных ансамблем из p дополнительных последовательностей длины N=p^k, k∈N, N - множество натуральных чисел, по предварительному целеуказанию в ограниченном доплеровском диапазоне частот. Техническим результатом является уменьшение аппаратурных затрат. Устройство содержит регистр сдвига, процессор быстрого Д-преобразования Фурье, блок перекрестных связей, блок весовых коэффициентов, N блоков формирования автокорреляционной функции, каждый из которых содержит p-1 регистров сдвига и p-1 сумматоров комплексных чисел, N пороговых устройств. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

1. Устройство цифровой обработки полифазных (р-фазных, где p - простое число) пачечных фазокодоманипулированных сигналов, кодированных ансамблем дополнительных последовательностей длины N=p^k, k∈N, N - множество натуральных чисел, содержащее регистр сдвига с числом ячеек N, блок перекрестных связей, блок весовых коэффициентов и N пороговых устройств, отличающееся тем, что содержит процессор быстрого Д-преобразования Фурье (БП-Д-Ф), N одинаковых блоков формирования автокорреляционной функции (АКФ) полифазного дополнительного сигнала, каждый из которых содержит по р-1 регистров сдвига и р-1 сумматоров комплексных чисел, причем входом устройства является вход регистра сдвига, а выходом устройства являются выходы N пороговых устройств, при этом регистр сдвига имеет один вход и N выходов, которые соединены с соответствующими входами процессора БП-Д-Ф, имеющего N сигнальных входов, N входов весовых коэффициентов и N² выходов, которые соединены с соответствующими входами блока перекрестных связей, определяющего порядок соединения выходов процессора БП-Д-Ф с входами блоков формирования АКФ полифазного пачечного сигнала в соответствии с набором матриц импульсных характеристик дополнительных последовательностей и доплеровской частотой, имеющего N² входов и N² выходов, перекрестные связи которых определяются выражениями

где - операции сложения по модулю p;

- i-й разряд -го выхода блока перекрестных связей в p-ичном виде ;

- i-й разряд -го входа блока перекрестных связей в p-ичном виде ;

выходов блока перекрестных связей соединены с входами N одинаковых блоков формирования АКФ полифазного пачечного сигнала по p входов в каждом согласно выражению

,

где - номер блока формирования АКФ полифазного пачечного сигнала;

- номер входа i-го блока формирования АКФ полифазного пачечного сигнала;

- номер смежного ансамбля дополнительных последовательностей;

- номер выхода блока перекрестных связей;

при этом каждый блок формирования АКФ полифазного пачечного сигнала имеет p входов и один выход и состоит из одинаковых регистров сдвига с числом ячеек , имеющих один вход и один выход, одинаковых сумматоров комплексных чисел, имеющих два входа и один выход, при этом первый вход блока формирования АКФ полифазного пачечного сигнала соединен с входом первого регистра сдвига, первый вход каждого i-го сумматора комплексных чисел соединен с выходом i-го регистра сдвига, а второй вход каждого i-го сумматора комплексных чисел соединен с -м входом блока формирования АКФ полифазного пачечного сигнала, выход -го сумматора комплексных чисел является выходом блока формирования АКФ полифазного пачечного сигнала, выход каждого из N блоков формирования АКФ полифазного пачечного сигнала соединен с одним из входов одного из N пороговых устройств, имеющих по два входа и одному выходу, на вторые входы которых для сравнения подаются пороговые уровни, выходы N пороговых устройств являются выходами устройства.

2. Устройство цифровой обработки по п.1, отличающееся тем, что процессор БП-Д-Ф имеет N сигнальных входов, N входов для весовых коэффициентов и выходов, состав и алгоритм работы которого описывается набором математических выражений

где - вектор входного сигнала, состоящий из N дискрет;

- вектор выходного сигнала (спектра), состоящий из дискрет;

- диагональная матрица с элементами из i-й строки матрицы дискретных экспоненциальных функций, входящая в состав блочной матрицы размером ;

- матрица дополнительных последовательностей порядка k;

j – номер итерации;

- матрица-сомножитель из алгоритма факторизации матриц методом Гуда;

- матрица перестановки;

- номера строк матриц и соответственно;

- число a по модулю p;

- число b в p-ичном виде.