УСТРОЙСТВО ПОИСКА ШУМОПОДОБНЫХ СИГНАЛОВ Советский патент 2006 года по МПК H04B1/10 

Предлагаемое устройство относится к устройствам обнаружения и распознавания сложных широкополосных сигналов и может быть использовано в радиолокационных, телеметрических, навигационных и связных системах связи.

Принцип работы многоканальных корреляционных устройств подробно описан в книгах "Шумоподобные сигналы в системах передачи информации" под ред. Пестрякова В.Б., М.: Сов. радио, 1973 г., "Статистическая теория приема сложных сигналов", Тузов Г.И., М.: Сов. радио, 1977 г. и др.

Все эти многоканальные корреляционные устройства поиска шумоподобного сигнала включают в себя m параллельных корреляционных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных перемножителя, на один вход которого подается сигнал, а на другой - копия, и временного интегратора от 0 до Т. Выходы всех интеграторов соединены со схемой выбора максимума, выход которой соединен со схемой сравнения с порогом.

Если входной сигнал совпадает с копией в одном из m перемножителей, то выходное напряжение соответствующего интегратора в момент времени Т является максимальным и превысит порог в схеме сравнения с порогом.

Недостатком всех этих устройств является необходимость выбора порога по допустимой вероятности ложной тревоги (Р_л.т).

Например, Р_л.т=10^-3, значение порога таково, что ложная тревога возникает из 1000 один раз, а в большинстве других случаев существует избыточность порогового напряжения в среднем. Если порог мал, то вероятность ложной тревоги растет и необходимо тратить дополнительное время на перепроверки. Это значительно увеличивает время интегрирования и тем самым увеличивает общее время поиска.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство поиска шумоподобных сигналов по авт. св. №425367.

Блок-схема устройства-прототипа представлена на фиг.1, где обозначено:

1 - смеситель;

2 - демодулятор;

3 - цепь усилителя и коррекции;

4 - управляемый гетеродин;

5 - дискриминатор;

6 - управляемый тактовый генератор;

7 - n-разрядный регистр с обратной связью;

8 - блок сканирования области поиска;

9, 10, 11 - корреляторы;

12, 13, 14 - вычитающие устройства;

15 - детектор максимального сигнала (ДМС);

16, 17, 18 - вентили;

19 - дополнительная схема ИЛИ;

20 - ключ;

21 - линия задержки;

22 - схема ИЛИ.

Элементы, составляющие схему, объединены в три основных блока. Первый, блок следящего приемника, содержит схему автоматической подстройки частоты, состоящую из соединенных в кольцо смесителя 1 в цепи усиления, демодулятора 2, цепи усиления и коррекции 3, управляемого гетеродина 4, и схему слежения за задержкой, состоящую из последовательно соединенных дискриминатора 5 с цепями усиления и коррекции, управляемого тактового генератора 6, n-разрядного регистра 7 с обратной связью, рассчитанного для генерирования псевдослучайной (например, М) последовательности, причем первый вход дискриминатора 5 соединен c выходом смесителя 1, а второй вход - через схему ИЛИ соединен с выходами вентилей 16, 17, 18.

Второй блок, блок обнаружения, состоит из m (в данном случае m=3) корреляторов 9, 10, 11, причем выход каждого коррелятора через соответствующее вычитающее устройство 12, 13, 14 соединен с детектором максимального сигнала (ДМС) 15, а выходы ДМС 15, подсоединеные к управляющим входам соответствующих вентилей 16, 17, 18 непосредственно, а к входам сброса корреляторов 9÷11 через дополнительную схему ИЛИ 19 и ключ 20, вход которого соединен с линией задержки 21.

И третий блок - блок сканирования области поиска 8. Первый управляющий вход блока сканирования соединен с ключом 20, а второй - с выходом управляемого тактового генератора 6. Первый выход блока сканирования 8 соединен с входом линии задержки, второй - с входом управляемого гетеродина 4, а третий - с входом n-разрядного регистра с обратной связью 7.

Работает устройство следующим образом. Приходящий сигнал через смеситель 1 поступает на входы демодулятора 2, дискриминатора 5 и корреляторы 9÷11, в которых происходит "свертка" приходящего сигнала и опорных сигналов, получаемых с выходов n-разрядного регистра с обратной связью 7. По величине напряжения "свертки" на выходе корреляторов 9÷11 принимается решение о наличии или отсутствии сигнала в анализируемой области. Если за время анализа Т_ан области возможных состояний принимаемого сигнала сигналы "свертки" не превысят уровень вычитания (порог) в устройствах 12÷14, то ДМС 15 при опросе не выдаст команды на закрытие ключа 20. В этом случае импульсы опроса, возникающие через промежутки времени Т_ан на управляющем выходе блока сканирования 8, поступают на управляющий вход схемы 8 и переводят ее в режим сканирования, а также на сбросовые входы корреляторов 9÷11 и разряжают интеграторы. При этом вентили 16÷18 закрыты, а схема слежения за задержкой и схема автоматической подстройки частоты АПЧ не работают.

Если же за время анализа Т_ан сигнал "свертки" на выходе хотя бы одного из корреляторов превысит уровень вычитания в устройствах 12÷14, то ДМС 15 при опросе выдаст команду на закрытие ключа 20, прекращает поиск и открывает один из вентилей 16÷18, через который проходит именно тот образцовый сигнал, коррелятор которого выдал наивысший потенциал. Через схему "ИЛИ" 22 этот сигнал поступает на гетеродинные входы дискриминатора 5 и демодулятора 2 и в случае правильного обнаружения приемник производит автозахват.

Обнаружение носит вероятностный характер, так как при отсутствии сигнала могут происходить ложные тревоги или пропуски сигнала при его наличии. При заданном времени анализа Т_ан вероятность пропуска сигнала Р_пр и вероятность ложной тревоги Р_л.т зависят от выбора уровня порога (уровень вычитания для рассматриваемого устройства). При соответствующем выборе порога можно получить любое соотношение между вероятностями ошибок Р_л.т и Р_пр (любое значение Р_л.т/Р_пр от нуля до бесконечности). Оптимальный приемник должен создавать такое значение отношения Р_л.т/Р_пр, при котором время обнаружения сигнала будет минимальным. Из теории оптимальных методов радиоприема (см., например, Гуткин А.С. Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуационных помехах. - М.: Сов. радио, 1972 г., стр.242-251) известно, что такое соотношение всегда существует.

Оптимальное значение Р_л.т/Р_пр будет зависеть от величины области неопределенности сигнала по частоте и задержке, числа поисковых корреляторов, требуемой величины порогового сигнала (минимальный сигнал, обеспечивающий заданное качество обнаружения).

Существенным недостатком прототипа является то, что время анализа Т_ан области возможных состояний принимаемого сигнала фиксируется заранее.

Можно получить лучшие результаты, если заранее (до начала наблюдения) не фиксировать длительность наблюдения, а решать вопрос о том, когда следует закончить наблюдение, в процессе самого наблюдения в зависимости от получаемых результатов. Такое наблюдение, при котором время анализа Т_ан заранее не фиксируется, называется последовательным наблюдением (анализом). Но при последовательном анализе время наблюдения превосходит свое среднее значение в несколько раз, а техническая реализация столь длительных выборок вызывает трудности на практике. При использовании усеченного последовательного наблюдения заранее устанавливается максимальное время наблюдения, по истечении которого анализ должен закончиться обязательно. В конце времени наблюдения значение порога выбирается согласно классической процедуре.

Но применение усеченного анализа также приводит к увеличению среднего времени поиска.

Целью предлагаемого изобретения является уменьшение времени поиска шумоподобного сигнала.

Для достижения этой цели в устройство поиска введен формирователь порогового уровня, основное и дополнительное пороговые устройства и дополнительный ключ. Вместо фиксированной длительности наблюдения применен метод оптимального усеченного наблюдения, и длительность анализа зависит от хода эксперимента.

Блок-схема предлагаемого устройства представлена на фиг.2, где обозначено:

1 - смеситель,

2 - демодулятор,

3 - цепь усиления и коррекции,

4 - управляемый гетеродин,

5 - дискриминатор,

6 - управляемый тактовый генератор,

7 - n-разрядный регистр с обратной связью,

8 - блок сканирования области поиска,

9÷11 - корреляторы,

12 - формирователь порогового уровня,

13 - пороговое устройство,

14 - дополнительное пороговое устройство,

15 - детектор максимального сигнала,

16÷18 - вентили,

19 - дополнительная схема ИЛИ,

20 - ключ,

21 - дополнительный ключ,

22 - схема ИЛИ.

Схема имеет три основных блока: блок следящего приемника, содержащий схему АПЧ и схему сложения за задержкой, блок обнаружения, блок сканирования поиска.

Схема автоматической подстройки частоты АПЧ содержит соединенные в кольцо смеситель 1 в цепи усиления, модулятор 2, цепь усиления и коррекции 3, управляемый гетеродин 4.

К выходу смесителя присоединена схема слежения за задержкой, состоящая из последовательно соединенных дискриминатора 5 с цепями усиления и коррекции, управляемого тактового гетеродина 6 и n-разрядного регистра сдвига 7 с обратной связью, рассчитанного для генерирования псевдослучайной последовательности.

Выходы n-разрядного регистра 7 соединены с входами вентилей 16, 17, 18 и корреляторов 9÷11, вторые входы которых соединены с выходом смесителя 1, а выходы соединены со входом детектора максимального сигнала 15. Объединенные входы корреляторов 9÷11, формирователя порогового уровня 12, выход которого соединен с входом порогового устройства 13, и блока сканирования поиска соединены с выходом ключа 20. Выходы детектора максимального сигнала 15 через первую схему ИЛИ соединены с входами порогового устройства 13 и дополнительного порогового устройства 14, а через вентили 16÷18 - с входами второй схемы ИЛИ 22, которая через дополнительный ключ 21 соединена с дискриминатором 5. Выход порогового устройства 13 соединен с входами ключа 20 и дополнительного порогового устройства 14, третий вход которого соединен с выходом блока сканирования поиска 8, а выход - с управляющими входами ключей 20 и 21.

Работает устройство следующим образом. Приходящий сигнал через смеситель 1 поступает на входы демодулятора 2, дискриминатора 5 и корреляторов 9÷11, в которых происходит "свертка" приходящего сигнала и опорных сигналов, получаемых с выходов n-разрядного регистра с обратной связью 7. По величине напряжения "свертки" на выходе корреляторов 9÷11 принимается решение о наличии или отсутствии сигнала в анализируемой области.

С выходов корреляторов 9÷11 сигналы свертки поступают на входы ДМС 15, на соответствующем выходе которого появляется модуль огибающей максимального сигнала "свертки", который открывает один из вентилей 16÷18 для того образцового сигнала, коррелятор которого выдал максимальный сигнал "свертки".

Кроме этого модуль огибающей максимального сигнала "свертки" через дополнительную схему "ИЛИ" 19 поступает на вход дополнительного порогового устройства 14 и на первый вход порогового устройства 13, на второй вход которого поступает сигнал с выхода формирователя порогового уровня 12. Формирователь порогового уровня 12 вырабатывает монотонно нарастающее напряжение, которое имеет закон изменения, зависящий от времени анализа области возможных состояний, и поддерживает постоянной заданную вероятность пропуска сигнала Р_пр. Если в какой-то момент времени анализа модуль огибающей максимального сигнала "свертки" окажется меньше напряжения порога, формируемого устройством 12, то принимается решение об отсутствии сигнала в анализируемой области. На выходе порогового устройства 13 формируется импульс, проходящий через открытый ключ 20, поступает на сбросовые входы корреляторов 9÷11 и разряжает интеграторы в них, возвращает в начальное состояние формирователь порогового уровня 12, а также поступает на управляющий вход блока сканирования области поиска 8, который переводит устройство к анализу следующей области возможных состояний принимаемого сигнала.

Из теории статистического последовательного анализа (см. А.Е.Башаринов, Б.С.Флейшман. Методы статистического последовательного анализа и их приложения. - М.: Сов. радио, 1962, с.58-59) известно, что объем выборки при неблагоприятных реализациях помехи может превосходить среднее значение в несколько раз. Для ослабления этого недостатка применяется так называемый усеченный последовательный анализ. При этом устанавливается заранее максимальное значение Т_max времени наблюдения, по истечении которого анализ должен обязательно кончиться (если он не закончился раньше).

Для реализации усеченного последовательного анализа в предлагаемом устройстве введено дополнительное пороговое устройство 14, порог в котором выбирается согласно оптимальной классической процедуре.

Если в течение времени Т_max модуль огибающей максимального сигнала "свертки" не опустится ниже порога, формируемого устройством 12, то на управляющем выходе блока сканирования поиска 8 возникает импульс, который опрашивает дополнительное пороговое устройство 14.

Если модуль огибающей максимального сигнала "свертки" в момент опроса окажется меньше уровня порога, на первом выходе дополнительного порогового устройства 14 формируется импульс, который проходит через открытый клич 20 и разряжает интеграторы в корреляторах 9÷11, возвращает в исходное состояние формирователь порогового уровня 12, а также поступает на управляющий вход блока сканирования области поиска 8, который переводит устройство к анализу следующей области возможных состоянии принимаемого сигнала.

Если же модуль огибающей максимального сигнала "свертки" в момент опроса превзойдет уровень порога, то принимается решение о наличии сигнала в анализируемой области, на втором выходе дополнительного порогового устройства 14 формируется сигнал, закрывающий ключ 20, отключающий поиск и открывающий ключ 21, через который проходит именно тот образцовый сигнал, коррелятор которого выдал наивысший потенциал. Этот сигнал поступаем на гетеродинные входы дискриминатора 5 и демодулятора 2 и в случае правильного обнаружения приемник производит автозахват.

Включение порогового устройства на выходе схемы ИЛИ, а также введение новых элементов отличает предлагаемое устройство от прототипа, так как значительно сокращает время поиска вследствие реализации более оптимального последовательного усеченного наблюдения с переменным порогом и переменным временем анализа области возможных состояний сигнала вместо классической процедуры с фиксированным порогом и временем анализа. В результате среднее время поиска шумоподобного сигнала уменьшается в 1,5 и более раз.

Изобретение относится к устройствам обнаружения и распознавания сложных широкополосных сигналов и может быть использовано в радиолокационных, телеметрических, навигационных и связных системах связи. Технический результат заключается в уменьшении времени поиска. Для этого устройство содержит блок автоматической подстройки частоты гетеродина, блок слежения за задержкой, блок сканирования поиска, блок обнаружения с входящими в его состав корреляторами, детектор максимального сигнала, управляемые вентили, элемент ИЛИ, ключ, формирователь порогового уровня, два пороговых блока, дополнительный ключ, дискриминатор, блок слежения за задержкой, дополнительный элемент ИЛИ, первый и второй пороговые блоки. 2 ил.

Устройство поиска шумоподобных сигналов, содержащее блок автоматической подстройки частоты гетеродина, блок слежения за задержкой, блок сканирования поиска и блок обнаружения с входящими в его состав корреляторами, выходы которых через детектор максимального сигнала и через управляемые вентили подключены к входам элемента ИЛИ, выходы детектора максимального сигнала дополнительно соединены с входами дополнительного элемента ИЛИ, и ключ, отличающееся тем, что, с целью уменьшения времени поиска, введены формирователь порогового уровня, два пороговых блока и дополнительный ключ, причем дополнительный ключ включен между дискриминатором блока слежения за задержкой и выходом элемента ИЛИ, а между дополнительным элементом ИЛИ и ключом включен первый пороговый блок, управляющий вход которого через формирователь порогового уровня подключен к входам корреляторов, другой вход первого порогового блока объединен с одним из входов второго порогового блока, управляющий вход которого соединен с выходом первого порогового блока, а выход соединен с входами ключа и дополнительного ключа, другой вход второго порогового блока соединен с выходом блока сканирования.