УСТРОЙСТВО ПОИСКА ШУМОПОДОБНОГО СИГНАЛА Советский патент 2006 года по МПК H04B1/10 

Предлагаемое изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано преимущественно в радиотехнических системах с шумоподобными сигналами.

Вопросы поиска и обнаружения шумоподобных сигналов в радиолиниях связи с корреляционной обработкой сигнала на приемной стороне приобретает особую сложность для сигналов с большими базами.

Известны устройства поиска и обнаружения шумоподобного сигнала, описанные в книгах: "Шумоподобные сигналы в системах передачи информации" под редакцией В.Б.Пестрякова, М.: "Советское радио", 1973, Тузов Г.И. "Статистическая теория приема сложных сигналов", М.: "Советское радио", 1977.

Однако описанные в этих книгах устройства обладают основным недостатком: отличаются сложностью структуры из-за наличия большого числа параллельных корреляционных каналов обработки.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является "устройство синхронизации шумоподобного сигнала" (авторы Козленко Н.И., Сидоренко Г.Г.).

Блок-схема устройства (прототипа) приведена на фиг.1, для которой введены следующие обозначения:

1 - регистр сдвига,

2 - перемножитель,

3 - интегратор,

4 - амплитудный детектор,

5 - сдвигающий триггер,

6Л, 6Ц, 6П - схемы выбора максимальных значений сигналов,

7, 11 - схемы сравнения,

8 - ключи,

9 - формирователь порога,

10 - сумматор,

12 - управляемый делитель точной дискретной системы фазовой автоподстройки (ФАП),

13 - управляемый делитель грубой дискретной системы ФАП,

14 - устройство управления работой точной и грубой системой ФАП,

15 - генератор псевдослучайной последовательности (ГПСП),

16 - схема управления перестройкой ГПСП,

17 - опорный генератор тактовых импульсов,

18 - схема принятия решения,

19 - реверсивный счетчик ФАП,

20 - цифроаналоговый преобразователь (ЦАП),

21 - делитель стробимпульсов.

Для обеспечения понимания физической сути работы прототипа, а также учитывая, что некоторые функциональные узлы выполняют аналогичные операции, укрупним блок-схему прототипа.

1. Схемы выбора максимальных сигналов 6Л, 6Ц, 6П, схема сравнения 7, ключи 8, формирователь порога 9, сумматор 10, схема принятия решения 18 выполняют функцию принятия решения об обнаружении входного шумоподобного сигнала и вырабатывают необходимые сигналы управления. Поэтому указанное соединение функциональных узлов объединим в блок принятия решения и управления.

2. Схема сравнения 11, управляемый делитель точной дискретной системы фазовой автоподстройки (ФАП) 12, управляемый делитель грубой дискретной системы ФАП 13, устройство управления работой точной и грубой системы ФАП 14, опорный генератор тактовых импульсов 17, реверсивный счетчик ФАП 19, цифроаналоговый преобразователь 20, делитель стробимпульсов 21 выполняют следующие функции: поиск входного шумоподобного сигнала на i-ом тактовом интервале длительностью 2(М+1)τ_o, где M - число корреляционных каналов в левой или правой группе, τ_o - длительность элементарного импульса кодовой структуры ПСП, грубую подстройку по фазе опорной ПСП с шагом τ_o, точную подстройку по фазе опорной ПСП с шагом τ_o/k, где k - целое число. Поэтому вышеуказанное соединение узлов объединим в блок синхронизации.

3. Генератор псевдослучайной последовательности 15, схема управления перестройкой ГПСП 16 выполняют функцию генерирования опорной ГПСП, изменяющейся по задержке. Поэтому функциональные узлы 15, 16 заменим на управляемый генератор ГПСП.

4. Регистр сдвига 1, сдвигающий триггер 5 объединим в блок регистров сдвига.

На фиг.2 приведена укрупненная блок-схема прототипа, для которой введены следующие обозначения:

1 - блок регистров сдвига,

2 - перемножитель,

3 - интегратор,

4 - амплитудный детектор,

5 - блок принятия решения и управления,

6 - блок синхронизации,

7 - управляемый генератор ПСП.

Прототип имеет следующие функциональные связи. Вход устройства соединен со входами перемножителей 2, другие входы которых соединены с блоком регистров сдвига 1, входы которого соединены с блоком синхронизации 6 и управляемым генератором 7, выход которого соединен с одним из входов блока регистров сдвига 1, далее выходы перемножителей 2 соединены с интеграторами 3, выходы которых через амплитудные детекторы 4 соединены с блоком принятия решения и управления 5, один из входов которого соединен со входом устройства, а выходы соединены с блоком синхронизации 6, входы которого соединены с выходами левого и правого корреляционных каналов центральной группы, а выходы соединены с блоком управляемого генератора ПСП.

Устройство-прототип работает следующим образом. Входной шумоподобный сигнал подается на входы перемножителей 2, на другие входы которых подаются опорные псевдослучайные последовательности с блока регистров сдвига 1, сдвинутые друг относительно друга на τ_o для корреляторов левой и правой группы и на τ_o/2 для корреляторов центральной группы.

Результат перемножителя с выхода каждого перемножителя 2 поступает на соответствующие интеграторы 3, в качестве которых используются обычные полосовые фильтры, полоса пропускания которых выбирается из требования обеспечения помехозащищенности.

Сигнал с выхода интегратора 3 поступает на амплитудный детектор 4, который осуществляет амплитудное детектирование, т.е. выделение огибающей.

Таким образом, на выходах амплитудных детекторов 4 получаются отсчеты взаимокорреляционной функции между входным шумоподобным сигналом и опорной ПСП. С выходов детекторов сигнал подается на блок принятия решения и управления 5. Этот блок выполняет следующие функции:

1) выбирает максимальные значения сигналов из всех корреляционных каналов;

2) также сравнивает выбранный максимальный сигнал с порогом, который формируется в этом блоке за счет приходящего сигнала;

3) принимает решение об обнаружении входного шумоподобного сигнала;

4) вырабатывает команды и сигналы управления для осуществления подстройки опорных псевдослучайных последовательностей по фазе.

В отсутствии превышения порога хотя бы одним сигналом с амплитудного детектора 4, на выходе блока принятия решения и управления 5 сигнал управления ″0" отсутствует.

В этом случае блок синхронизации 6 по команде CU перестраивает управляемый генератор 7 таким образом, что фаза опорной ПСП смещается на величину 2(М+1)τ_o и поиск входного шумоподобного сигнала осуществляется в (i+1) интервале времени длительностью 2(М+1)τ_о.

Число временных интервалов поиска N равно

где T_ПСП - период псевдослучайной последовательности.

Время поиска при этом составляет

Т_поиска=NT_нак,

где Т_нак - время накопления.

При превышении порога сигналом с любого детектора 4 блок принятия решения и управления 5 вырабатывает сигнал управления ″0″, которым запрещается перестройка управляемого генератора ПСП 7 на 2(M+1)τ_o и одновременно с этим вырабатывается сигнал управления грубой подстройкой ″Гр″, по которому блок синхронизации 6 сменяет фазу управляемого генератора ПСП 7 на τ_o.

Таким образом, осуществляется грубая подстройка фазы с длительностью τ_о до тех пор, пока сигнал не окажется в центральной группе.

При появлении сигнала в центральной группе блок принятия решения и управления 5 принимает решение об обнаружении входного шумоподобного сигнала и вырабатывает сигнал управления точной подстройки ″T₄″, согласно которой блок синхронизации 6 прекращает грубую подстройку и включает точную подстройку по фазе на τ_o/k, где k - целое число по управляющим сигналам В и С, которые поступают с левого и правого корреляторов центральной группы на блок синхронизации 6.

Описанное выше устройство - прототип является многоканальным устройством поиска, последовательно, имеет вытекающие из этого недостатки: сложность в изготовлении и настройке. Недостатки прототипа, обусловленные наличием 2(М+1) однотипных корреляционных каналов обработки, присущи всем известным корреляционным устройствам поиска. Снижение времени поиска шумоподобного сигнала (ШПС) в этих устройства достигается наращиванием объема аппаратуры.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение устройства поиска шумоподобного сигнала с сохранением времени поиска и помехозащищенности устройства-прототипа.

Для достижения поставленной цели в устройство, содержащее управляемый генератор ПСП, блок синхронизации, блок принятия решения и управления, регистр сдвига, перемножители, дополнительно введены регистр сдвига, две линии задержки, два сумматора, два делителя частоты, ключ.

На фиг.3 приведена блок-схема предлагаемого устройства, для которой введены следующие обозначения:

1 - управляемый генератор псевдослучайной последовательности (ГПСП),

2 - блок синхронизации,

3 - первая линия задержка,

4 - перемножитель,

5 - регистр сдвига с параллельной записью,

6 - регистр сдвига с последовательной записью,

7 - первый сумматор,

8 - делитель частоты на m,

9 - делитель частоты на n,

10 - второй сумматор,

11 - ключ,

12 - вторая линия задержки,

13 - блок принятия решения и управления.

Предлагаемое устройство имеет следующие функциональные связи.

Вход первой линии задержки 3 является входом устройства, выходы линии задержки 3 через перемножители 4 соединены с входами первого сумматора 7, выход которого через последовательно соединенные второй сумматор 10, вторую линию задержки 12, соединен с первым входом блока принятия решения и управления 13 и соединен через ключ 11 со вторым входом второго сумматора 10; выходы блока принятия решения и управления 13 соединены со входами блока синхронизации 6, выходы которого соединены со входами управляемого генератора ГПСП 1, один из которых соединен с тактовым входом второго регистра сдвига 6 и с делителем частоты 8, а вход регистра сдвига 6 соединен с выходом управляемого генератора ГПСП 1, выход регистра сдвига 6 соединен через регистр сдвига 5 со вторыми входами перемножителей 4; выход делителя частоты 8 соединен с тактовым входом регистра сдвига 5 и через делитель частоты 9 соединен с входом управления ключа 11 и вторым входом блока принятия решения и управления 13.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Входной шумоподобный сигнал поступает на согласованный фильтр с перестраиваемыми коэффициентами. Перестройка коэффициентов согласованного фильтра осуществляется одновременно через интервал времени Т_n. Согласованный фильтр выполнен на линии задержки с отводами 3, m перемножителях 4, m разрядного параллельного регистра весовых коэффициентов 5 и m входового сумматора 7. Время задержки блока 3 τ_з выбирается меньше длительности сигнала Т_с.

Т_с=Nτ_о,

где N - база сигнала,

τ_o - длительность элемента сигнала.

τ_з=mτ_o, m<N

Число m определяет длину линий задержки 3 согласованного фильтра и определяет показатель многоканальности данного устройства. Т.е. данное устройство эквивалентно m-канальному корреляционному устройству поиска.

Когда в параллельном регистре 5 записана какая-либо кодовая комбинация, то согласованный фильтр согласован с частью или сегментами обрабатываемого сигнала. Эта часть сигнала равна m/N. Например, если база сигнала N=1000, а m=50, то согласованный фильтр будет "согласован" с 1/20 частью всего сигнала.

Если кодовую комбинацию в параллельном регистре 5 изменить, то согласованный фильтр будет согласован с другой частью сигнала.

Процесс перестройки коэффициентов согласованного фильтра осуществляется с помощью регистра с последовательной записью 6, подключенного к генератору ПСП 1, и делителя частоты на m 8. Генератор ПСП 1 формирует ПСП с длительностью элемента τ_о. ПСП поступает в регистр 6, в котором осуществляется последовательный сдвиг ПСП с тактовой частотой

Емкость сдвигового регистра с последовательной записью 6 также равна m, т.е. она согласована с емкостью регистра с параллельной записью 5.

Запись сегментов ПСП в регистр 5 производится с частотой (фиг.4в).

Таким образом, через интервал времени mτ_o осуществляется перезапись сегмента ПСП из регистра 6 в регистр 5. Этот процесс условно показан на фиг.4а. После перезаписи согласованный фильтр в течение интервала времени согласован с той частью сигнала, сегмент ПСП которой записан в регистре 5.

На фиг.4а условно пронумерованы сегменты сигнала и номера передаточной характеристики согласованного фильтра

Рассмотрим два случая процесса поиска сигнала:

1) время задержки t₃ входного сигнала значительно отличается от времени задержки опорного сигнала, генерируемого генератором ПСП 7;

2) время задержки отличается незначительно.

Количественные характеристик отличия времени задержки поясним ниже.

Рассмотрим первый случай.

Пусть в момент времени t_о (см. фиг.4 г) входной сигнал определяется сегментом , а согласованный фильтр имеет передаточную характеристику l≠k (см. фиг.4е).

Интервал времени Δt между моментом записи в регистр сегмента является случайным.

Очевидно, что в этом случае на выходе сумматора 7 согласованного фильтра будут наблюдаться отклики взаимокорреляционных функций сегментов ПСП

и помеховая компонента. Для удобства анализа помеховую компоненту рассматривать не будем. На фиг.4ж показаны уровни напряжения на выходе сумматора 7 согласованного фильтра.

Рассмотрим второй случай.

Время задержки входного сигнала t₀ меньше времени записи сегмента S_k в регистр 5 (фиг.4 з, и) согласованного фильтра t₁, на величину Δt<mt_о, т.е. момент времени t₁ находится между t₀ и t₀+mτ₀. Тогда при любом t₁, находящемся между t_о и mτ_o, в момент времени t_o+mτ_o на выходе согласованного фильтра будет наблюдаться свертка сегмента S_k, записанного в линии задержки, с весовыми коэффициентами S_k в регистре 5.

На фиг.4к показаны отклики на выходе перестраиваемого согласованного фильтра.

Если осуществлять перестройку фаз генератора ПСП аналогично тому, как это делается в прототипе для m - канального корреляционного поиска, т.е. на m тактов через интервал времени T_A, где T_A - время анализа, то первая ситуация, рассмотренная ранее, будет соответствовать случаю отсутствия фазировки входного и опорного сигналов и продолжению поиска. А вторая ситуация - случаю обнаружения сигнала.

Чтобы сохранить характеристики обнаружения, соответствующие прототипу, необходимо осуществить накопление сверток отдельных сегментов сигнала. Это накопление соответствует, как видно из фиг.4к случаю накопления периодической импульсной последовательности, что выполняется с помощью рециркулятора. Рециркулятор построен на линии задержки 12, сумматоре 10, ключе 11. Время задержки τ_з блока 12 такое же, как и для согласованного фильтра. Коэффициент положительной обратной связи рециркулятора определяется коэффициентом передачи ключа и выбирается с учетом необходимого числа рециркуляций n. Процесс накопления в рециркуляторе показан на фиг.4л. Время анализа T_А выбирается равным Т_С или больше, что определяет необходимое число рециркуляции

Необходимое число циклов рециркуляции задается с помощью делителя частоты на n9.

После n циклов рециркуляции осуществляется сравнение результата накопления с выхода рециркулятора в пороговом устройстве блока решения и управления 13.

На ключ 11 поступает импульс длительностью mτ_э с делителя частоты 9, который закрывает ключ. Обратная связь рециркулятора размыкается, рециркулятор обнуляется и подготавливается к накоплению на новом цикле поиска.

Одновременно импульс с выхода делителя частоты 9 поступает на блок 13 и разрешает прохождение сравненного с порогом сигнала в блоке 13. На фиг.5 показана практическая схема реализации блока 13.

Блок принятия решения и управления, показанный на фиг.5, работает следующим образом. Сигнальные отклики, прошедшие через пороговое устройство идут на логические элементы "И" 7, 10-13. Если эти отклики появляются в интервале считывания (ИС), то на выходе "И" 7 возникает сигнал обнаружения 0. Для определения знака подстройки опорной последовательности ИС делится на четыре интервала: правый, левый, правый и левый центральные [см. фиг.6, эпюры а, б, в, г, д), которые формируются с помощью ждущих мультивибраторов 1-4 (фиг.5). Если отклик попал в правый или левый интервал, то формируется сигнал Гр соответствующего знака. Сигнал Тч формируется на выходе "И" 11 при попадании отклика в интервал правый центральный или левый центральный. Управляющие сигналы В и С формируются в интервале правого центрального и левого центрального соответственно. Элементы "ИЛИ" 8 и 9 необходимы для объединения интервалов правого и левого, и правого центрального и левого центрального соответственно.

Таким образом, блок 13 выполняет следующие функции:

- сравнивает результат накопления в рециркуляторе с порогом после n циклов накопления. Порог формируется за счет приходящего сигнала также как и в прототипе;

- принимает решение об обнаружении входного шумоподобного сигнала;

- вырабатывает команды и сигналы управления для осуществления подстройки опорных псевдослучайных последовательностей по фазе.

В отсутствии превышения порога, на выходе блока принятия решения и управления 13 (фиг.3) сигнал управления 0 отсутствует. В этом случае блок синхронизации 2 по команде СИ перестраивает управляемый генератор ПСП 1 таким образом, что фаза опорной ПСП смещается на величину mτ_о. Число временных интервалов поиска N равно

где Т_псп - период псевдослучайной последовательности.

В частном случае m может быть выбрано равным 2(М+1), тогда устройство-прототип и предлагаемое устройство будут полностью эквивалентны по времени поиска.

Время поиска при этом составит

Т поиска=N·Т нак

где Т нак - время накопления.

При превышении порога сигналом, блок принятия решения и управления 13 вырабатывает сигнал управления ″0″, которым запрещается перестройка управляемого генератора ПСП 1 на mτ_о и одновременно с этим вырабатывается сигнал управления грубой подстройкой Гр, по которому блок синхронизации 2 сменяет фазу управляемого генератора ПСП 1 на τ_о.

Таким образом, осуществляется грубая подстройка фазы с длительностью τ_о до тех пор, пока фаза принимаемого и опорного сигналов не совпадут. Блок 13 в этом случае вырабатывает сигнал управления точкой подстройки ″Т₄″, согласно которой блок синхронизации 2 прекращает грубую подстройку и включает точную подстройку по фазе на τ_o/k (где k - целое число) по управляющим сигналам В и С, которые поступают с блока 13 на блок синхронизации 2.

Таким образом, в предлагаемом устройстве поиска за счет отказа от многоканального корреляционного метода обработки шумоподобного сигнала и использования одноканального метода обработки ШПС, эквивалентного по своим статистическим характеристикам поиска многоканальному, значительно упрощено устройство.

Изобретение относится к области радиосвязи и может быть использовано в радиотехнических системах с шумоподобными сигналами. Техническим результатом изобретения является упрощение устройства поиска шумоподобного сигнала с сохранением времени поиска и помехозащищенности. Для чего в устройство, содержащее управляемый генератор псевдослучайной последовательности, блок синхронизации, блок принятия решения и управления, регистр сдвига, перемножители, дополнительно введены регистр сдвига, две линии задержки, два сумматора, два делителя частоты и ключ. 5 ил.

Устройство поиска шумоподобных сигналов, содержащее последовательно соединенные блок синхронизации, управляемый генератор псевдослучайной последовательности (ПСП), регистр с последовательной записью, а так же блок принятия решения соответствующие выходы которого соединены с соответствующими входами блока синхронизации, тактовый выход которого подключен к тактовому входу управляемого генератора ПСП и тактовому входу регистра последовательной записи, отличающееся тем, что, с целью упрощения устройства путем обеспечения поиска на базе перестраиваемого фильтра, согласованного с частью исходного щумоподобного сигнала, введены последовательно соединенные перестраиваемый согласованный фильтр и рециркулятор, выход которого соединен с первым входом блока принятия решения, а так же регистр сдвига с параллельной записью и последовательно соединенные первый и второй делители частоты, при этом вход первого делителя частоты соединен с тактовым выходам блока синхронизации, а выход - с тактовым входом регистра параллельной записи, выход второго делителя частоты соединен со вторыми входами блока принятия решения и рециркулятором, соответствующие выходы регистра сдвига с последовательной записью соединены с соответствующими входами регистра сдвига с параллельной записью, соответствующие выходы которого соединены с соответствующими входами перестраиваемого согласованного фильтра.