Цифровой коррелятор для обнаружения эхо-сигналов Советский патент 1988 года по МПК G06F17/15 

(21)4175192/24-24

(22)05.01.87

(46) 23.08.88. БКШ. № 31

(71)Московский авиационный институт им, Серго Орджоникидзе

(72)М.К.Ручьев

(53)681.3(088.8)

(56)Авторское свидетельство СССР № 879595, кл. G 06 F 15/336, 1981.

Авторское свидетельство СССР № 1107135, кл. с об F 15/336, 1983.

(54)ЦИФРОВОЙ КОРРЕЛЯТОР ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ЭХО-СИГНАЛОВ

(57)Изобретение относится к специализированным средствам вычислительной техники и может быть использовано для обнаружения в реальном масштабе времени эхо-сигнала, имеющего доплеровское смещение частоты. Целью изобретения является повышение быстродействия при широком диапазоне неизвестных догшеровских смещений частоты эхо-сигналов. Цифровой коррелятор содержит три преобразователя 1, 9 и 13 аналог-код, преобразователь 12 код - аналог, два блока 2 и 14 преобразования Фурье, два блока 3 и 15 вычисления квадрата модуля, арифметический блок 8, три 4, 10 и 16 блока задерж ки, два блока 5 и 7 экспоненциальной выборки, ключ 11 и блок 6 синхронизации. Повышение быстр одействия до.сти- гается за счет сведения входных сигналов к виду, инвариантному к изменению их временного масштаба, вызван-. ного доплеровским Смещением частоты. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

с

(Л

00

SI 4 ЭО

Изобретение относится к вычисли- тельной технике и предназначено для I обнаружения в реальном масштабе вре- меня эхо-сигнала, имеющего допле-

ровское смещение частоты.

Цель изобретения - повышение быстродействия при широком диапазоне неизвестных доплеровских смещений частоты эхо-сигналов..

На фиг. 1 изображена структурная схема цифрового коррелятора для обнаружения эхо-сигналов; на фиг. 2 - структурная схема блока экспоненциальной выборки , на фиг. 3 - времен- ные диаграммы, поясняющие работу устройства.

Цифровой коррелятор для обнаружения эхо-сигналов (фиг. 1) содержит первый преобразователь 1 аналог-код первый блок 2 преобразования Фурье, первый блок 3 вычисления квадрата модуля, второй блок 4-задержки, первый блок 5 экспоненциальной выборки, блок 6 синхронизации, второй блок 7 экспоненциальной выборки, ариф мети- ческий блок 8, второй преобразователь 9 аналог - код, первый блок 10 задержки, ключ 11, преобразователь код - аналог 12, третий преобразователь 13 аналог - код, второй блок 14 преобразования Фурье, второй блок 15 вычисления квадрата модуля, третий блок 16 задержки.

Блок экспоненциальной выборки

(фиг. 2) содержит элемент 17 деления первьм 18 и второй 19 элементы умножения, экспоненциальный преобразователь 20, генератор 21 пилообразного напряжения ,1 элемент 22 сравнения, счетчик 23, первый 24 и второй 25 источники постоянного напряжения.

Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.

Излучаемый сигнал x,(t) подается на первый вход коррелятора и поступает на информационный вход первого пр.ербразователя 1 аналог - код, на текущей вход которого поступают сигналы с выхода первого блока 5 экспо- ненциальной выборки.

Блок 5 экспоненциальной выборки (фиг. 2) работает следующим образом. С выходов первого 24 и второго 25 ис точников постоянного напряжения на- входы элемента 17 деления поступают напряженияi, пропорциональные соответственно Т с и Т.,, где Т(- - максимально возможная длительность эхо-сигнала, Т - интервал равномерной дискретизации сигнала x(t), обеспечивающий заданную погрешность дискретизации. На выходе элемента 18 деления формируется напряжение, пропоргдиональное

T.,/TC. Напряжение, пропорциональное

Т,.

---, с выхода элемента 17 деления

ступает на первый вход первого элемента 17 умножения, на второй вход которого поступает сигнал со счетчика 23, фиксирующего число импульсов К 0,1, ...М формируемой экспоненциальной выборки (М + 1 - общее число импульсов в этой выборке). С выхода первого элб- мента 18 умножения напряжение, проТт, порциональное ---К, поступает на вход

экспоненциального преобразователя 20,

на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное . Это напряжение поступает на второй вход второго элемента 19 умножения, на первый вход которого поступает напряжение с выхода первого 24 источника постоянного напряжения, пропорциональное Т . С выхода второго элемента 19 умножения напряжение, пропорциональное Т.- е ,с поступает на первый вход .- элемента 22 сравнения, на второй вход .которого поступает напряжение с выхода генератора 21 пилообразного на- пряжения, пропорциональное времени t, прошедщему с начала формирования экспоненциальной выборки. В моменты времени tK Т,- на выходе эле-., мента 22 сравнения формируются импуль- сы, которые затем поступают на тактирующий вход первого преобразователя 1 аналог - код.

Отсчеты экспоненциальной выборки с выхода первого преобразователя 1 аналог - код в цифровой форме поступают на вход-первого блока 2 преобразования Фурье. После вычисления . отсчетов спектра экспоненциальной выборки излученного сигнала они поступают на вход первого блока 3 вычисления квадрата модуля. В момент времени t Т. + .c начала работы устройства, когда завершен предпоследний такт вычисления преобразования Фурье (Тцрф,, - время, затрагиваемое на вычисление преобразования Фурье обрабатываемого сигнала без учета последнего такта) на втором выходе блока 6 синхронизации формируются пачки из М. + 1 импульса с периодом повторения Та (фиг. За) ( время вычисления одного значения спектра сигнала на последнем такте в блоках преобразования Фурье). Им- пульсы с второго выхода блока 6 .синхронизации поступают на тактирующий вход второго блока 4 задержки. Одновременно с ними на информационный вход этого же блока поступают коды отсчетов квадрата модуля спектра экспоненциальной выборки излученного сигнала x(t), сформированные на вы10

цнентом сжатия,, равньп-г N, В ;. времени, кратные NT, цепь гщркуляцни разрьгоается, так как в это же время на управляющий вход ключа 11 поступает импульс с третьего выхода блока 6 синхронизации, размыкающий ключ 11. Благодаря этому, после (Ы-1)-й выборки записывается новая N-я в результате чего обеспечивается обновление записанной реализации на одну выборку после каждой циркуляции. Процесс записи, сжатия во времени.и обновления реализации может пронзвоходе первого блока 3 вычисления квад- 15 диться неограниченно долго, что обес-- рата модуля (фиг. 36).

В первом блоке 4 задержки может быть записана М + 1 выборка. Синхронизация блока 4 задержки осзпцествля- ется посредством подачи импульсов на 20 его тактирующий вход с второго выхода блока 6 синхронизации с,периодом

печивает взаимнокорреляционную обработку излучаемого и эхо-сигыалоз с неизвестным моментом прихода.

Объем N фop шpyeмoй выборки выбирается таким образом, чтобы часть отсчетов, а именно N-N (f, отображала эхо-сигнал максимальной длительности т.е. (N-N)N -Т TC, где (Ыф - 1)Т 1(ф-1, При этом длительность каждой сжатой копии эхо-сигнала равна (N-N)T. Это сделано для того, чтобы между моментом окончания предьщущей и моментом начала следующей копии эхо-сигнала остался промеж ток вре- . мени, равный (N(|,, )-Т, который необходим для вычисления преобразования Фурье экспоненциальной выборки очере ц- ной копии эхо-сигнала (фиг, Зе).i

повторения Tj. Таким образом, в первом блоке 4 задержки за время, равное (М + 1)Т, завершится запись всех ко-25 дов отсчетов квадрата модуля спектра экспоненциальной выборки излучен- ногр сигнала х ,(t).

Сигнал x(t) с выхода приемника эхо-сигналов подается на второй вход jQ коррелятора и поступает на информационный- вход второго преобразователя 9 аналог - код (фиг. Зв). На его тактирующий вход поступают импульсы с третьего выхода блока 6 синхрЬниза35

цин с периодом следования Т NT

(т - период повторения импульсов рециркуляции) . С приходом тактирующего импульса производится выборка принимаемого сигнала x,(t), которая преобразуется в цифровой код и поступает на вход первого блока 10 задержки (фиг. Зг). В первом блоке 10 задержки, может быть записана (Н-1)-я выборка сигнала. Выборка, с выхода второго преобразователя 9 аналог - код задерживается в первом блоке 10 задержки на время (N-1)T (фиг. Зд) и через замкнутый ключ 11 вновь поступает на вход блока 10 задержки. Так как импульсы с третьего выхода блока 6 синхронизации следуют с периодом NT, и период циркуляции равен (N-1)T Т, то каждая последующая выборка записывается впервьй блок 10 задерж- |Ки после циркуляции предьщущей с задержкой на Т (фиг. Зг). При этом происходит запись принимаемого сообщения и сжатие его во времени с коэффи

цнентом сжатия,, равньп-г N, В ;. времени, кратные NT, цепь гщркуляцни разрьгоается, так как в это же время на управляющий вход ключа 11 поступает импульс с третьего выхода блока 6 синхронизации, размыкающий ключ 11. Благодаря этому, после (Ы-1)-й выборки записывается новая N-я в результате чего обеспечивается обновление записанной реализации на одну выборку после каждой циркуляции. Процесс записи, сжатия во времени.и обновления реализации может пронзводиться неограниченно долго, что обес--

печивает взаимнокорреляционную обработку излучаемого и эхо-сигыалоз с неизвестным моментом прихода.

Объем N фop шpyeмoй выборки выбирается таким образом, чтобы часть отсчетов, а именно N-N (f, отображала эхо-сигнал максимальной длительности т.е. (N-N)N -Т TC, где (Ыф - 1)Т 1(ф-1, При этом длительность каждой сжатой копии эхо-сигнала равна (N-N)T. Это сделано для того, чтобы между моментом окончания предьщущей и моментом начала следующей копии эхо-сигнала остался промеж ток вре- . мени, равный (N(|,, )-Т, который необходим для вычисления преобразования Фурье экспоненциальной выборки очере ц- ной копии эхо-сигнала (фиг, Зе).i

С выхода первого блока 10 задержки выборки в виде цифровых кодов.поступают на-вход преобразователя 12 кЪд-аналогS на выходе которого формируются сжатые копии принятого сигнала (фиг. Зе). Причем каждая следующая копия отличается от предыдущей за счет обновления записанной реализации на одну выборку.

Сформированные копии эхо-сигналов

, поступают на информационный вход третьего преобразователя 13 аналог-ход, на тактирующий вход которого . ют импульсы из второго блока 7 экспоненциальной выборки (фиг. Зж)-, обеспечивающего дискретизацию очередной копии сигнала. Второй блок 7 экспоненциальной выборки начинает формировать очередную экспоненциальную выборку в моменты времени;, крат. ные NT. Его работа начинается с при™ хода на входы счетчика 23 и генерато|-ра 21 пилообразного напряжения блока 7 экспоненциальной выборки очередного импульса с третьего выхода блока

6 синхронизации. Этот импульс запускает генератор 21 пилообразного на- 1{1ряже1шя и обнуляет счетчик 23. Па- 1)аметры работы второго, блока 7 экспоненциальной выборки иные, чем у первого. Так, длительность рабочего хода генератора 21 пилообразного напряжения равна (N-N)T - Tj. Этой же величине пропорционально напряжение BToisoro источника 25 постоянного на- иряжения второго блока 7 экспойенци- 4льной выборки, а напряжение первого 1 сточникв 24 постоянного напряж ения Пропорционально величине Т . Экспоненциальная выборка очередной копии эхо-сигнала определяется в мо 1|1енты времени t Т. (к 0,1, If.. ,М) , отсчитываемые от ее начала 1ФИГ. Зж). При этом L 1/N и макс Т. Поскольку NT (N тов квадрата модуля спектра экспоненциальной выборки предьщущей копии эхо-сиГнала на второй информационный вход арифметического блока (фиг. Зи) и одновременную запись на освободив- -шееся место в третьем блоке 1 б задержки кодов всех М+1 отсчетов обработанной очередной копии эхо-сигналов.

10 Арифметический блок 8 .выполняет попарное - перемножение отсчетов с выходов второго 4 и третьего 16 блоков задержки по мере их поступления и суммирование полученных произведений

15 в накагшивающем. сумматоре арифметического блока В. На управляющий вход арифметического блока 8 поступают импульсы с третьего выхода блока 6 синхронизации я обнуления накапливаю20 щего сумматора после каждой циркуляции сигнала, записанного во втором блоке 4 задержки. За время одной циркуляции вычисляется один отсчет вза- имнокорреляционной функции между квад-|1ф) Т + Тб(,|..,, то предпоследний Такт вычисления преобразования Фурье экс- цоненциальной выборки.в блоке 14 преобразования Фурье закончится как раз в тот момент, когда на втором выходе 25 ратом модуля спектра экспоненциальной блока 6 синхронизации начинает форми- выборки излученного сигнала и квадратом, модуля спектра экспоненциальной выборки очередной обновленной копии сжатого эхо-сигнала.

Доплеровское смещение эхо-сигнала X2(t) приводит к изменению его временного масштаба по сравнению с излученным сигналом x |(t). В устройстве влияние различий временного масштаба сигналов xДt) и Xj(t) на качество его работы устраняется преобразованием этих сигналов к виду,, инвариантному к изменению временн9Г о масштаба. Это преобразование основано на формированные на выходе второго блока 15 40 мировании выборки сигналов с экспонен- вычисления квадрата модуля. В третьем циальным шагом дискретизации. Такая блоке 16 задержки также как и во вто- процедура эквивалентна замене пере- ром может быть записана (М+1)-я вы-манных t ё , Если изменился временборка. Подача тактирующих импульсов ; ной масштаб сигнала S(t) и сигнал при- с выхода блока 6 синхронизации на-так-45 вид S(at), jo после замены перетирующий вход второго блока 4 задерж- менных ки обеспечивает пoqлeдoвaтeльнoe счи- .р.

тывание кодов всех М+1 отсчетов квад- (v)S(a-e)S(e)(v+lna),

рата модуля спектра экспоненциальной выборки излученного сигнала на пер- 50 ) S(e) .

роваться очередная пачка из М+1-го импульса с периодом повторения Т. Быстродействие блоков 2 и .14 преобразования Фурье должно отвечать уело- 30 ВИЮ (M+DT + Тбпф-)МТ., Импульсы со второго выхода блока 6 синхронизации поступают на тактирутаще входы второго 4 и третьего 16 блоков задержки. Одновременно с ними на информационный вход третьего блока .16 задержки поступают коды отсчетов квадрата модуля спектра экспоненциальной выборки очередной копии эхо-сигнала, сфор35

вый информационный вход арифметического блока 8 (фиг. Зз) к одновременную их перезапись во втором блоке 4 задержки для многократного последующего повторения. Одновременно те же тактирующие импульсы, поступая на тактирующий вход третьего блока 16 задержки, обеспечивают последовательное считывание кодов всех М+1 отсчеКак следует из приведенных соотношений, изменение ма:сштаба сигнала в с( раз трансформировалось в сдвиг по новой переменной v на Ina, Этот сдвиг 55 затем устраняется посредством вычисления квадрата модуля преобразования , Фурье от сформированной выборки сигнала. Таким образом, экспоненциальная дискретизация сигнала в сочетании с

тов квадрата модуля спектра экспоненциальной выборки предьщущей копии эхо-сиГнала на второй информационный вход арифметического блока (фиг. Зи) и одновременную запись на освободив- -шееся место в третьем блоке 1 б задержки кодов всех М+1 отсчетов обработанной очередной копии эхо-сигналов.

0 Арифметический блок 8 .выполняет попарное - перемножение отсчетов с выходов второго 4 и третьего 16 блоков задержки по мере их поступления и суммирование полученных произведений

5 в накагшивающем. сумматоре арифметического блока В. На управляющий вход арифметического блока 8 поступают импульсы с третьего выхода блока 6 син. хронизации я обнуления накапливаю0 щего сумматора после каждой циркуляции сигнала, записанного во втором блоке 4 задержки. За время одной циркуляции вычисляется один отсчет вза- имнокорреляционной функции между квад5 ратом модуля спектра экспоненциальной выборки излученного сигнала и квадратом, модуля спектра экспоненциальной выборки очередной обновленной копии сжатого эхо-сигнала.

50 ) S(e) .

Как следует из приведенных соотношений, изменение ма:сштаба сигнала в с( раз трансформировалось в сдвиг по новой переменной v на Ina, Этот сдвиг 55 затем устраняется посредством вычисления квадрата модуля преобразования Фурье от сформированной выборки сигнала. Таким образом, экспоненциальная дискретизация сигнала в сочетании с

процедурой вьмисления квадрата коду- ля преобразования Фурье позволяет трансформировать исходные сигналы к виду инвариантному к изменению временного масштаба. Сформированные таким образом сигналы не инвариантны к сдвигу исходных сигналов. Поэтому максимальное значение взаимнокор-г реляционной функции меяоду преобразованным излученным сигналом и очередной обновленной копией преобразованного эхо-сигнала будет получено в тот момент, когда сдвиг во времени между ними будет отсутствовать.

Формула изобретения

хронизации и второй преобразователь аналог-код, информационньй вход которого является входом эхо-сигнала коррелятора, а выход соединен с информа- 30 ционным озходом первого блока задержки, выход-которого соединен с информационным входом ключа, выход которого соединен с информационным вхо- - дом первого блока задержки,выход вто- g рого блока задержки подключен к пер- вому информационному входу арифметического блока, отличающий-I с я тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены два блока 40 преобразования Фурье, два блока вычисления квадрата модуля, два блока экспоненциальной выборки, преобразователь код - аналог и третий преобразователь аналог - код, причем выход первого преобразователя аналог - код через последовательно соединенные первый блок преобразования Фурье и первый блок вычисления квадрата модуля подключен к информационному входу 50 второго блока задержки, выход которого соединен с его информационным вхо- дом через монтажное ИЛИ, выход первого блока задержки через преобразова-

45

тель код-аналог соединен с информа-, ционным входом третьего преобразова-

0

5

0

0 g 0 0

теля аналог-код, выход которого через последовательно соединенные второй блок преобразования Фурье и второй блок вычитания квадрата модуля под- ключен к информационному входу третьего блока задержки, выход .которого соединен с вторым информационным входом арифметического блока, первый выход блока синхронизации trepe3 первый блок экспоненциальной выборки подключен к тактирующему входу первого преобразователя аналог-код, второй выход блока синхронизации соединен с тактирующими входами второго и третьего блоков задержки, третий выход блока синхронизации соединен с управляющими вхолаьш арифметического блока и ключа тактируюЕгим входом второго преобразователя аналог-код и через второй блок экспоненциальной выборки с тактирующим входом третьего преобразователя аналог-код, четвертый выход блока синхронизации подключен к тактирующему входу первого блока задержки .

30 g 40 50

55

входу элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, вход запуска которого, являющ 1йся входом блока, соединен с входом сброса счетчика, счетный вход которого соединен с выходом элемента сравнения, являющимся выходом блока, а выход счетчика соединен с вторым входом первого элемента умножения.

а S 6 е

ж

Фи$.3