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

Предлагаемое изобретение относится к устройствам обнаружения и приема сложных широкополосных шумоподобных сигналов, может быть использовано в радиолокационных, телеметрических и связных системах.

Известно, что вопросы поиска ПШС в радиолиниях с корреляционной обработкой сигнала на приемной стороне приобретают особую сложность для сигналов с большими базами и доплеровским смещением частоты.

В этих случаях область неопределенности сигнала увеличивается настолько, что последовательный способ поиска, заключающийся в последовательном просмотре элементов функции неопределенности, приводит к недопустимо большим значениям времени поиска (см. например, "Шумоподобные сигналы в системах передачи информации" под ред. В.Б.Пестрякова, М.: Сов. радио, 1973 г.).

Для снижения времени поиска широко применяются параллельно-последовательные методы поиска, когда одновременно анализируется n элементов функции неопределенности ШПС. Среднее время поиска снижается при этом по сравнению с методом последовательного анализа в n раз.

Время известно значительное количество устройств параллельно-последовательного поиска. Например, устройство поиска шумоподобных сигналов по авт. св. №331490 содержит блок обнаружения, блок сканирования и блок слежения. В блоке обнаружения используются n параллельно включенных корреляторов, опорные входы которых соединены, с выходами генератора псевдослучайной последовательности (ГПСП). Программа анализа и длительность анализа Т_А задается блоком сканирования. За время анализа Т_А в корреляторах вычисляется значение функции взаимной корреляции (ФВК) входного сигнала с каждым из n опорных сигналов с выхода ГПСП, сдвинутых друг относительно друга по времени на длительность одного элемента ПСП.

Напряжение с выходов корреляторов поступают далее на пороговые элементы (всего n элементов), где сравниваются с порогом обнаружения. При превышении порогового уровня в каком-либо одном или группе пороговых элементов принимается решение об обнаружении сигнала в данной области неопределенности.

Далее опорные сигналы с выхода ГСПС, соответствующие номерам корреляторов с максимальными откликами, которые превысили порог обнаружения, проходят через коммутаторные вентили на блок слежения, в котором производится точное отслеживание временной задержки и частоты сигнала.

Но данное устройство обладает рядом недостатков:

- низкая помехоустойчивость устройства в режиме поиска, обусловленная неоптимальностью примененного метода обнаружения путем раздельного сравнения каждого из всех корреляционных откликов с пороговым уровнем и, следовательно, потерями энергии сигнала при обнаружении;

- значительное среднее время поиска, обусловленное тем, что интервал времени анализа Т_А заранее фиксирован;

в то же время известно, что применение последовательной процедуры анализа позволит значительно сократить среднее время поиска (см. Дорман М.И., Зинчук В.М., Дорман А.М. "Синтез оптимальных информационных систем последовательного анализа с памятью". Изв. АН СССР. Техническая кибернетика, №5, 1976 г., стр.144-154);

- сбои в работе блока слежения, обусловленные прохождением нескольких опорных сигналов с выхода ГПСП на блок слежения, и приводящее к увеличению среднего времени поиска из-за переходов устройства поиска к новому циклу поиска.

Известно устройство поиска шумоподобных сигналов по а.с. №495780, содержащее блок обнаружения, блок слежения и блок сканирования. Работа одного устройства аналогична описанному выше и обладает теми же недостатками.

Известны устройства поиска, в которых ускорение поиска достигается путем использования специального опорного сигнала, равного сумме n опорных сигналов в виде ПСП. Например, в устройстве по авт. св. №423256 с целью ускорения поиска выходы опорного ГПСП подключены к сумматору, выход которого соединен с опорным входом поискового коррелятора. Первый этап поиска заключается в нахождении выброса ФВК принятого сигнала из суммы опорных сигналов в виде ПСП. Длительность выброса ФВК зависит от числа складываемых в сумматоре опорных последовательностей. Причем эта длительность может быть сделана сколь угодно большой и при этом поиск выброса ФВК существенно ускоряется.

Второй этап синхронизации заключается в поиске сигнала дискриминатором на интервале длительности выброса ФВК.

Но расширение длительности выброса ФВК приводит к значительному снижению помехоустойчивости. Это объясняется тем, что при суммировании опорных последовательностей и вычислении ФВК с входным сигналом происходит возрастание помеховой составляющей на выходе коррелятора, пропорциональное числу суммируемых опорных последовательностей. Очевидно, что при расширении длительности выброса ФВК достоверность поиска непрерывно снижается, что приводит, как следствие, к снижению среднего времени поиска.

Устройство поиска ШПС по авт. св. №95657 содержит три группы корреляционных каналов обнаружения - левую, центральную, правую, выходы которых соединены со схемами выбора максимального значения и схемой сравнения, соединенной с формирователем порога, опорный ГПСП, регистр сдвига, схему управления по задержке и канал выделения информационного сигнала. Работа устройства заключается в параллельно-последовательном поиске временного положения сигнала с помощью группы корреляционных каналов, на каждом цикле которого принимается решение об обнаружении сигнала по превышению порога корреляционным откликом с выхода любого из корреляторов указанных трех групп.

Слежение за временным положением сигнала осуществляется с помощью центральной группы корреляторов. Но в этом устройстве отсутствует поиск по частоте, низка помехоустойчивость поиска, велико среднее время поиска.

Все эти недостатки обусловлены неоптимальностью способа обнаружения путем раздельного сравнения корреляционных откликов с порогом, а также отсутствием последовательной процедуры обнаружения сигнала на каждом этапе поиска.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство поиска шумоподобных сигналов по авт. св. №495773, блок-схема которого приведена на фиг.1.

На чертеже приняты обозначения:

1 - смеситель,

2 - широкополосный усилитель,

3 - демодулятор,

4 - узкополосный усилитель,

5 - детектор с фильтром нижних частот,

6 - управляемый гетеродин,

7 - дискриминатор,

8 - корректирующий усилитель,

9 - тактовый генератор,

10 - вентиль,

11 - схема "ИЛИ",

12 - линия задержки,

13 - вентиль,

14 - генератор псевдослучайной последовательности,

15 - вентиль,

16 - схема "ИЛИ",

17 - корреляторы,

18 - пороговые элементы,

19 - дополнительные пороговые элементы,

20 - формирователь временных интервалов,

21 - ключ,

22 - узел сканирования.

Устройство содержит схему автоматической подстройки частоты с входящими в нее последовательно соединенным смесителем 1, широкополосным усилителем 2, демодулятором 3, узкополосным усилителем 4, детектором 5 и фильтром нижних частот и управляемым гетеродином 6; схему слежения за задержкой с входящим в нее, последовательно соединенными дискриминатором 7, сигнальный вход которого присоединен к выходу широкополосного усилителя 2, корректирующим усилителем 8 и управляемым тактовым генератором 9, выход которого через вентиль 10 и первый вход схемы "ИЛИ" 11 соединен с генератором псевдослучайной последовательности (ГПСП) 14, представляющий собой n-разрядный регистр сдвига с логическими обратными связями, выходы ГПСП 14 через параллельно включенные коммутаторные вентили 15 (всего n вентилей) объединены на схеме "ИЛИ" 16, а ее выход соединен с опорным входом дискриминатора 7, схему поиска, с входящими в нее параллельно включенными канальными корреляторами 17 (всего n корреляторов), входы которых соединены с выходом широкополосного усилителя 2, а выход каждого коррелятора 17 присоединен ко входу соответствующего коммутаторного вентиля 15, основного порогового элемента 18 и дополнительного элемента 19, причем выходы всех пороговых элементов 19 соединены со входами формирователя временных интервалов 20, выход которого подключен к управляющему входу дополнительного ключа 21, соединенного своим выходом с разрядными входами канальных корреляторов 17 и первым входом узла сканирования 22, пороговые вентили 18 соединены последовательно, причем первый из них своим входом соединен первым выходом узла сканирования 22, а последний соединен с сигнальным входом дополнительного ключа 21.

Устройство работает следующим образом. Приходящий сигнал через смеситель 1 и широкополосный усилитель 2 поступает на входы канальных корреляторов 17, в которых происходит "свертка" приходящего сигнала и опорных сигналов, получаемых с выхода ГПСП 14. По величине напряжения "свертки" на выходе, канальных корреляторов 17 принимается решение о наличии или отсутствии сигнала в анализируемой области.

Схема, подключенная к выходам канальных корреляторов 17, имеет два пороговых уровня: "низкий", при превышении которого напряжением "свертки" срабатывает только пороговый элемент 19, подключенный к данному каналу, и "высокий", при превышении которого соответствующие коммутаторный вентиль 15 и пороговый элемент 18 соответственно открываются и закрываются.

Если за время анализа области возможных состояний принимаемого сигнала не происходит превышение "низкого" порогового уровня, то узел сканирования 22 выдает команду окончания анализа данной области и перехода к анализу следующей области в виде импульса, который проходит через открытые пороговые вентили 18 и ключ 21, разряжает интеграторы в канальных корреляторах 17 и, возвращаясь в узел сканирования 22, производит сдвиг опорной последовательности. Это осуществляется либо закрыванием вентиля 10 (в нормальном состоянии открыт), либо открыванием вентиля 13 (в нормальном состоянии закрыт) на время прохождения необходимого числа импульсов тактовой частоты (величину сдвига). Если за время анализа в каком либо канале обнаружения наблюдается превышение "низкого" порогового уровня без превышения "высокого", то пороговый элемент 19, подключенный к данному каналу, срабатывает и формирователь временных интервалов 20 закрывает ключ 21 на время перепроверки неопределенной ситуации. Время анализа данной области увеличивается до значения, необходимого для более достоверного принятия решения о наличии или отсутствии сигнала. Если за время перепроверки не происходит превышения "высокого" порогового уровня, ключ 21 открывается и схема переходит к анализу следующей области поиска.

Если же происходит превышение "высокого" порогового уровня, то устройство поиска принимает решение о том, что сигнал обнаружен, т.е. соответствующий коммутаторный вентиль 15 открывается, опорная псевдослучайная последовательность через схему "ИЛИ" 16 поступает на дискриминатор 7, а соответствующий пороговый вентиль 18 закрывается, отключая поиск и устройство переходит в режим слежения за сигналом.

Как следует из описания работы устройства, формирование окончательного решения о номере коррелятора, выходное напряжение которого максимально, осуществляется группой независимых (раздельных) для каждого канала коммутаторных вентилей 15. Независимость работы вентилей 15 приводит к тому, что могут быть открыты несколько вентилей одновременно, если только отклики на выходах канальных корреляторов превысили пороги вентилей 15.

Такие ситуации возможны в реальном устройстве и при этом на устройство слежения через схему "ИЛИ" 16 будут проходить несколько опорных сигналов и устройство слежения будет давать сбои за счет ложных захватов временных позиций, не содержащих сигнал, и их перепроверок, что также приведет к увеличению времени поиска.

Способ обнаружения на 1 и 2 этапе, заключающийся в сравнении выходных эффектов каждого коррелятора из группы корреляторов с порогами в раздельных пороговых элементах 18 и 19 является далеким от оптимального.

В реальных системах задержка входного сигнала относительно опорных сигналов корреляторов принимает непрерывный ряд значений. Максимальные сигнальные "свертки" будут появляться на выходах некоторых соседних двух корреляторов из группы n корреляторов, за исключением случаев, когда сигнал попадает в область задержек крайних корреляторов из группы n корреляторов. Т.е. если задержка входного сигнала по отношению к опорному сигналу К^-го коррелятора составляет Δτ, то задержка по отношению к опорному сигналу (K+1) или (K-1) коррелятора равна τ_и-Δτ (при условии 0<Δτ<τ_и). При этом величина отклика в корреляционном канале зависит от Δτ:

если Δτ=τ_и/2, то величина сигнальных откликов равна А/2, где А - величина сигнального отклика при точной настройке или нулевой расстройке опорного сигнала относительно входного сигнала при изменении задержки Δτ от 0 до τ_и величина сигнального отклика изменяется от А до 0.

Если распределение равномерное (что и имеет место в реальном устройстве), то это приводит к тому, что с порогом в устройстве - прототипе сравнивается не максимально возможный отклик, который наблюдался бы при нулевой расстройке опорного и входного сигналов, а некоторая случайная величина отклика, среднее значение которой составляет 75% от максимально возможного. Учет этого обстоятельства в реальном устройстве приводит к необходимости снижения порога обнаружения с целью поддержания заданной величины вероятности правильного обнаружения, а это неизбежно приводит к возрастанию вероятности ложного обнаружения, что в свою очередь увеличивает время поиска.

Цель предлагаемого изобретения - уменьшение времени поиска и повышение помехоустойчивости устройства.

Для достижения этой цели в схему введены схема выбора максимума, канальные нелинейные элементы с экспоненциальной передаточной характеристикой, n - входовый сумматор. В предлагаемой схеме отклики с выходов корреляционных каналов подвергаются нелинейному преобразованию в нелинейных элементах и затем суммируются в сумматоре. Если сигнал содержится в анализируемой области неопределенности, то на выходе одного из корреляторов отклик будет максимален, а на выходе соседнего с ним корреляционного канала отклик будет по величине близок к максимальному, в то время как на выходах остальных корреляторов будут наблюдаться помеховые отклики, амплитуды которых меньше амплитуд сигнальных откликов. На выходах нелинейных элементов с экспоненциальными характеристиками соотношение амплитуд сигнальных и помеховых откликов изменяется в пользу более сильных сигнальных откликов, в то время как слабые помеховые отклики за счет экспоненциального нелинейного преобразования значительно ослабляются.

На выходе сумматора амплитуда отклика определяется в основном сигнальными откликами и при изменении задержки входного сигнала относительно опорных будет изменяться в незначительной степени, что приводит к полному использованию всей энергии сигнала при обнаружении. Суммарный сигнал сравнивается с двумя порогами обнаружения - низким и высоким в основном и дополнительном пороговых элементах. При этом реализуется процедура последовательного анализа, что значительно сокращает время поиска.

Введение схемы выбора максимума приводит к тому, что на схему слежения за задержкой приходит только один опорный сигнал, соответствующий максимальному корреляционному отклику, т.е. наиболее близкий по задержке к входному сигналу. Прохождение двух и более опорных сигналов на схему слежения при этом полностью исключается. А это позволяет устранить сбои схемы слежения, наблюдавшиеся в прототипе.

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

1-22 - блоки аналогичны блокам прототипа;

23 - схема выбора максимума;

24 - канальные нелинейные элементы с экспоненциальной передаточной характеристикой;

25 - n-входовый сумматор.

Предлагаемое устройство состоит из схемы автоматической подстройки частоты с входящими в него последовательно соединенными смесителем 1, широкополосным усилителем 2, демодулятором 3, узкополосным усилителем 4, детектором 5 с фильтром нижних частот и управляемым гетеродином 6; схему слежения за задержкой с входящими в нее последовательно соединенными дискриминатором 7, сигнальный вход которого соединен с выходом широкополосного усилителя 2, корректирующим усилителем 8 и управляемым тактовым генератором 9, выход которого через вентиль 10 и первый вход схемы "ИЛИ" 11 и через линию задержки 12, вентиль 13 и второй вход схемы "ИЛИ" соединен с генератором псевдослучайной последовательности (ГПСП) 14, представляющим собой n-разрядный регистр сдвига с логическими обратными связями, выходы ГПСП 14 через коммутаторные вентили 15 объединены на схеме "ИЛИ" 16, выход которой соединен со входом дискриминатора 7; схему поиска с входящими в нее параллельно-включенными канальными корреляторами 17 (всего n корреляторов), входы которых соединены с выходом широкополосного усилителя 2, а выходы каждого коррелятора соединены с соответствующими входами n-канальной схемы выбора максимума 23, выходы которой соединены со входами вентилей 15, а также со входами нелинейных элементов 24 (всего n элементов), соединенных по выходу с сумматором 25, выход сумматора 25 соединен со входами основного 18 и дополнительного 19 пороговых элементов; выход дополнительного порогового элемента 19 через формирователь временных интервалов 20 соединен с управляющим входом дополнительного ключа 21, соединенного своим выходом с разрядными входами канальных корреляторов 17 и первым входом узла сканирования 22, второй вход основного порогового элемента 18 соединен с выходом узла сканирования 22, а выход элемента 18 соединен с входом дополнительного ключа 21.

Устройство работает следующим образом. Приходящий сигнал через смеситель 1 и широкополосный усилитель 2 поступает на входы канальных корреляторов 17, в которых осуществляется вычисление функции взаимной корреляции приходящего сигнала и опорных сигналов, поступающих с выхода ГПСП 14. Но величине напряжений на выходах корреляторов 17, пропорциональных коэффициентам взаимной корреляции сигналов, принимается решение о наличии или отсутствии сигнала в анализируемой области. К выходам канальных корреляторов 17 подключена схема выбора максимума 23, которая определяет номер коррелятора с максимальным значением корреляционного отклика из всей совокупности n корреляционных откликов. При этом на соответствующем выходе схемы 23 формируется высокий уровень напряжения, в то время как на остальных, выходах напряжение близко к нулю. Это приводит к тому, что из группы n вентилей 15 всегда будет открыт только один вентиль, соответствующий максимальному отклику корреляционного канала и через него на выход схемы "ИЛИ" 16 и далее на дискриминатор 7 схемы слежения будет проходить только один опорный сигнал с выхода ГПСП 14.

Если сигнал содержится в анализируемой области, то на выходе одного из корреляторов отклик будет максимален. Но так как соответствующий опорный сигнал не может иметь точно нулевую задержку относительно входного сигнала, то, следовательно, значение функции взаимной корреляции этих сигналов вычисляется для произвольного случайного взаимного временного сдвига. Это приводит к тому, что значение максимального отклика оказывается заниженным относительно того значения отклика, которое могло быть получено при нулевом взаимном сдвиге. При этом отклик соседнего корреляционного канала оказывается близким к максимальному. На остальных выходах корреляционных каналов будут присутствовать относительно слабые отклики. Проходя через нелинейные элементы 24 сильные сигнальные отклики подчеркиваются по амплитуде относительно слабых помеховых, т.е. соотношение амплитуд изменяется в пользу более сильных сигнальных откликов. На выходе сумматора 25 амплитуда суммарного отклика определяется в основном сигнальными откликами и при изменении задержки входного сигнала относительно опорных будет изменяться в незначительных пределах, что приводит к минимуму потерь энергии сигнала при обнаружении. Сумма корреляционных откликов с выхода сумматора 25 поступает на два пороговых элемента - дополнительный пороговый элемент 19 с низким порогом и основной пороговый элемент 18 с высоким порогом, в которых происходит сравнение суммы корреляционных откликов с порогами и принимается решение об обнаружении сигнала.

При этом реализуется процедура последовательного анализа, минимальное время анализа области неопределенности, или длительность 1 этапа, задается узлом сканирования 22. На первом этапе возможны следующие ситуации:

- не превышен ни один из порогов,

- превышен только нижний порог, но верхний не превышен,

- превышены оба порога.

Если не превышен ни один из порогов на 1 этапе, то импульс, с выхода узла сканирования 22 проходит через открытый основной пороговый элемент 18 и ключ 21 на вход узла сканирования 22 и разрядные входы корреляторов 17, и осуществляется переход к анализу следующей области неопределенности.

Если на 1 этапе превышен только нижний порог в дополнительном пороговом элементе 19, то происходит срабатывание соединенного с ним формирователя временных интервалов 20, который закрывает ключ 21 и удлиняет время анализа данной неопределенной ситуации, т.е. осуществляется переход ко второму этапу обнаружения, на котором за счет увеличения времени накопления выносятся более достоверные решения об отсутствии или наличии сигнала.

Если на первом этапе обнаружения происходит превышение нижнего и верхнего порогов, то это приводит к одновременному срабатыванию основного и дополнительного пороговых элементов 18 и 19, происходит обнаружение сигнала, т.к. прохождение импульсов сканирования через пороговый элемент 18 прекращается.

На втором этапе обнаружения решение об обнаружении сигнала принимается в основном пороговом элементе 18. Если к концу 2 этапа верхний порог обнаружения превышен, то пороговый элемент 18 закрывается, сигнал считается обнаруженным и устройство переходит в режим слежения за задержкой.

Если к концу второго этапа порог обнаружения не будет превышен, то пороговый элемент не закрывается и импульс с выхода узла сканирования 22 переведет устройство к анализу другой области неопределенности. Переход к анализу другой области неопределенности осуществляется прохождением импульса с выхода узла сканирования 22 через открытые основной пороговый элемент 18 и ключ 21, этот импульс разряжает интеграторы в канальных корреляторах 17 и, возвращаясь в узел сканирования 22, производит сдвиг опорных последовательностей, что осуществляется либо закрыванием вентиля 10 (в нормальном состоянии открыт), либо открыванием вентиля 13 (в нормальном состоянии закрыт) на время прохождения необходимого числа импульсов тактовой частоты (величину сдвига). Узел сканирования 22 также управляет перестройкой частоты управляемого гетеродина 6 по заданной программе перестройки. Работа схемы автоматической подстройки частоты осуществляется обычным образом: выходной сигнал детектора 5 с фильтром нижних частот подстраивает частоту управляемого гетеродина 6, которая поступает на вход смесителя 1.

В предлагаемом устройстве для обнаружения сигнала на 1 и 2 этапах поиска использован метод суммирования корреляционных откликов, подвергнутых нелинейному преобразованию в каждом канале, позволит получить энергетический выигрыш по сравнению с устройством-прототипом. Кроме того, для слежения за задержкой использована схема выбора максимального корреляционного отклика.

Эти меры в совокупности позволили уменьшить время поиска и повысить помехоустойчивость устройства.

Предлагаемое устройство, обладая высокими характеристиками помехоустойчивости, вместе с тем отличается сравнительной простотой технической реализации.

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 и повышении помехоустойчивости. Для этого в устройство введены блок выбора максимума, нелинейные элементы с экспоненциальной передаточной характеристикой (ЭПХ) и сумматор, причем выходы канальных корреляторов соединены с входами блока выбора максимума, выходы которого соединены с управляющими входами коммутаторных вентилей и через нелинейные элементы с ЭПХ с соответствующими входами сумматора, выход которого подключен к входам пороговых элементов. 2 ил.

Устройство поиска шумоподобных сигналов по авт. св. №495773, отличающееся тем, что, с целью уменьшения времени поиска и повышения помехоустойчивости, введены блок выбора максимума, нелинейные элементы с экспоненциальной передаточной характеристикой (ЭПХ) и сумматор, причем выходы канальных корреляторов соединены с входами блока выбора максимума, выходы которого соединены с управляющими входами коммутаторных вентилей и через нелинейные элементы с ЭПХ с соответствующими входами сумматора, выход которого подключен к входам пороговых элементов.