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

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиотехнических системах связи с шумоподобными сигналами.

Время поиска шумоподобного сигнала при параллельно- последовательном поиске и большой базе сигнала велико. Поэтому возникает проблема уменьшения времени поиска.

Известно устройство поиска шумоподобного сигнала, описанное в авторском свидетельстве №425367 на "Устройство поиска широкополосных сигналов", МКИ Н 04 В 1/10. Это устройство использует многоканальные корреляторы и схемы автоматической подстройки частоты (АПЧ).

Однако основным его недостатком является то, что обеспечение высокой помехозащищенности обнаружения шумоподобного сигнала может быть достигнуто за счет уменьшения шумовой полосы корреляторов и перестройки гетеродина с шагом по частоте, равным шумовой полосе корреляторов. А это приводит к увеличению времени поиска.

Блок-схема наиболее близкого устройства поиска шумоподобного сигнала приведена на фиг.1, где введены следующие обозначения:

1 - регистр сдвига псевдослучайной последовательности (ПСП);

2 - перемножители;

3 - интеграторы;

4 - амплитудные детекторы;

5 - сдвигающий триггер;

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

7 - схема сравнения;

8 - ключи;

9 - формирователь порога;

10 - сумматор;

11 - схема сравнения;

12 - схема точной дискретной ФАП;

13 - схема грубой дискретной ФАП;

14 - схема управления переключением делителей точной и грубой дискретных ФАП;

15 - опорный генератор ПСП;

16 - схема управления перестройкой опорного генератора ПСП;

17 - задающий генератор тактовых импульсов;

18 - схема принятия решений.

Задающий генератор тактовых импульсов 17 соединен со схемой 12, выход которой соединен с одним из входов схемы 13,тактовый выход которой соединен с опорным генератором ПСП 15 и регистром сдвига ПСП 1, выходы которого соединены с одним из входов корреляторов, состоящих из перемножителей 2, интеграторов 3 и амплитудных детекторов 4, соединенных последовательно, вторые входы перемножителей 2 корреляторов соединены вместе и являются общим входом устройства поиска шумоподобного сигнала. Второй вход схемы 13 подключен к сдвигающему триггеру 5, второй вход которого соединен с выходом Д регистра сдвига 1, выход сдвигающего триггера 5 соединен с перемножителем 2 среднего канала центральной группы корреляторов. Число корреляционных каналов равно m, которые разбиты на три группы: левая (Л), центральная (Ц), правая (П). Выходы корреляционных каналов каждой группы соединены с соответствующими входами схем выбора максимальных значений 6Л, 6П, 6Ц. Выходы схем выбора максимальных значений 6Л и 6П соединены со входами схемы сравнения 7 через ключи 8, а выход схемы выбора максимального значения 6Ц соединен непосредственно со схемой сравнения 7.

Пороговый вход схемы сравнения 7 соединен с формирователем порога 9, вход которого соединен со входом устройства поиска. Выходы схемы сравнения 7 (7Л и 7П) соединены со схемой 13, а 7Ц - со схемой 14 и схемой принятия решения 18.

Одновременно выходы схемы сравнения 7Д, 7Ц и 7П объединяются сумматором 10, который подключается к схеме управления 16 перестройкой опорного генератора ПСП 15. Выход схемы управления 16 соединен с ГПСП 15, сигнальный выход которого соединен с регистром сдвига 1, а второй выход дешифратора строб-импульса ГПСП 15 соединен со схемами 14, 16 и 18. Один выход схемы 18 соединен со схемой управления 16, а второй - с ключами 8. Выходы корреляционных каналов В и С центральной группы соединены со схемой сравнения 11, выходы которой соединены со схемой 12.

Выход Т схемы управления 14 соединен с другим входом схемы 12, а другой выход Г схемы управления 14 соединен со входов схемы 13.

Выход интегратора 3А среднего корреляционного канала центральной группы является информационным выходом устройства поиска щумоподобного сигнала.

В устройстве-прототипе используется параллельно-последовательный поиск шумоподобного сигнала, при котором корреляционные каналы, вычисляющие функцию взаимной корреляции между приходящим шумоподобным сигналом и опорной ПСП, распределены на три группы таким образом, что на входы корреляторов первой группы поступают опорные ПСП, сдвинутые друг относительно друга на τ_о (τ_о - длительность элементарной посылки ПСП) и возможные значения сдвигов ПСП равны

На входы корреляторов второй группы, состоящей из трех корреляторов, поступают опорные ПСП, сдвинутые между собой на и возможные значения сдвигов ПСП равны

На входы корреляторов третьей группы поступают опорные ПСП, сдвинутые друг относительно друга на τ_о, и возможные значения сдвигов ПСП равны

......T(m-1)τ_o.

Поиск шумоподобного сигнале осуществляется на всем интервале Т его существования. При этом интервал поиска Т разделяется на N частотных интервалов одинаковой длительности, равной (В - база шумоподобного сигнала). Число элементарных импульсов τ_о в каждом частотном интервале равно число корреляционных каналов выбирается равным m.

Таким образом, вначале осуществляется параллельный поиск шумоподобного сигнала в i-м частотном интервале m корреляционными каналами. Если сигнал не обнаружен ни в одном из m корреляционных каналов, то осуществляется поиск в (i+1)-ом частотном интервале и т.д., т.е. при отсутствии сигнала осуществляется последовательный поиск за N частотных циклов в интервале поиска сигнала Т.

Данному устройству поиска шумоподобного сигнала может соответствовать передающее устройство, описанное, например, в книге Р.К.Диксона "Широкополосные системы". - М.: Связь, 1979 г., стр.18 19.

Блок-схема передающего устройства приведена на фиг.2, где введены следующие обозначения:

19 - генератор "несущей",

20 - генератор ПСП,

21 - формирователь шумоподобного сигнала.

Входы формирователя шумоподобного сигнала 21 соединены с выходами генератора "несущей" 19 и генератора ПСП 20.

Таким образом, можно рассматривать работу аппаратуры поиска шумоподобного сигнала.

Передающее устройство (прототип) работает следующим образом.

На формирователь шумоподобного сигнала подается кодовая последовательность и сигнал несущей частоты.

Формирователь работает как двухфазный модулятор. При этом фаза сигнала несущей частоты на выходе равна некоторому значению, если символ кодовой последовательности равен "единице" и изменяется на 180°, если этот символ равен "нулю". В обычной системе с фазовой манипуляцией неважно, какому символу кодовой последовательности соответствует какое значение фазы.

Приемное устройство аппаратуры для поиска широкополосного сигнала работает следующим образом.

Входной шумоподобный сигнал с выхода высокочастотного тракта приемного устройства подается на входы перемножителей 2 корреляционных каналов. На вторые входы перемножителей 2 поступают опорные видеосигналы ПСП с регистра сдвига 1, сдвинуты относительно друг друга по времени на длительность элементарного импульса τ_о. При этом опорные ПСП, подаваемые на перемножители 2 центральной группы корреляционных каналов, сдвинуты друг относительно друга на τ_о/2 с помощью сдвигающего триггера 5, управляемого тактовыми импульсами, сдвинутыми по времени на τ_о/2 относительно тактовых импульсов, подаваемых на генератор ПСП 15 со схемы управляемого делителя грубой дискретной системы ФАП 13.

В каждом корреляционном канале с помощью перемножителя 2, интегратора 3 и амплитудного детектора 4 вычисляется взаимно-корреляционная функция между входным сигналом и видеосигналом опорной ПСП. Результат вычисления поступает с выходов корреляционных каналов на схемы выбора максимальных значений 6Л, 6Ц, 6П. Схемы 6Л, 6Ц, 6П выбирают максимальное значение сигнала среди корреляционных каналов соответственно левой, центральной и правой групп.

В режиме поиска шумоподобного сигнала ключи 8 открыты и сигналы с выходов схем 6Л, 6Ц, 6П поступают на схему сравнения 7. Схема 7 выбирает максимальное значение среди сигналов, поступающих из схем 6Л, 6Ц, 6П, и сравнивает это максимальное значение с пороговым значением, которое формируется схемой 9.

При этом возможны следующие случаи.

1) Максимальное значение сигнала меньше порогового. В этом случае на выходах 7Л, 7Ц, 7П схемы сравнения 7, а следовательно, и на выходе сумматора 10 сигнал отсутствует. Поэтому схема управления переключением управляемых делителей ФАП 12 и 13-14 находится в исходном состоянии, при котором с выхода Г схемы 14 подается сигнал подготовки схемы 13 к работе, при условии поступления на вход схемы 14 стробирующего импульса с выхода СИ, вырабатываемого дешифратором ГПСП 15 за один цикл структуры ПСП.

Схема принятия решения 18 находится в исходном состоянии и не выдает сигнал на ключи 8 и на схему управления генератором ПСД 15-16. При этом с выхода схемы 16 на ГПСП 15, при условии поступления на вход СИ схемы 16 стробирующего импульса, подается команда продолжения поиска.

При поступлении команды продолжения поиска на ГПСП 15 он перестраивается таким образом, чтобы опорные ПСП, поступающие на входы перемножителей 2, сдвинулись на время (m-1)τ_о, относительно ПСП, генерируемых до поступления команды на продолжение поиска.

2) Максимальное значение сигнала больше порогового и сигнал появляется на выходах 7Л или 7П схемы 7, а следовательно, и на выходе сумматора 10.

Так как на выходе 7Ц сигнал отсутствует, то схемы 8, 13, 14 и 18 находятся в исходном состоянии, описанном в п.1.

При появлении сигнала на входе схемы 16 с выхода сумматора 10, схема 16 не вырабатывает команды на продолжение поиска для ГПСП 15.

Сигналы с выходов 7Л или 7П являются управляющими для делителя грубой дискретной системы ФАП 13, которая управляет перестройкой ГПСП 15 таким образом, что опорные ПСП последовательно сдвигаются с шагом на τ_о, при условии поступления стробирующего импульса на вход схемы 14 (а следовательно, и на вход схемы ФАП 13 с выхода Г схемы 14) до тех пор, пока не появится сигнал на выходе 7Ц схемы 7, а на выходах 7Л или 7П сигнал пропадет. Таким образом, появление сигналов на выходе 7Л или 7П схемы 7 указывает на наличие ошибки рассогласования по задержке между опорными ПСП, подаваемыми на корреляционные каналы центральной группы, опорными ПСП, подаваемыми на корреляционные каналы левой или правой групп, и принимаемым сигналом.

При появлении сигнала на выходе 7Ц схемы 7 схема управления 14 включает схему управляемого делителя точной дискретной системы ФАП 12 и отключает схему управляемого делителя грубой дискретной системой ФАП 13, путем переключения сигнала с выхода Г на выход Т схемы 14 в момент появления стробирующего импульса на другом входе схемы 14 с выхода СИ ГПСП 15.

Появление сигнала на выходе 7Ц также включает схему принятия решения 18, на другой вход которой поступают стробирующие импульсы с выхода СИ ГПСП - 15.

Схема 12 через схему 13 осуществляет перестройку ГПСП 15 с шагом τ_о/n (где n - любое целое число, определяемое заданной точностью удержания значения обнаруженного сигнала), сигнал рассогласования для схемы 12 вырабатывается схемой сравнения 11 сигналов с выходов В и С корреляционных каналов центральной группы.

Одновременно с включением точной дискретной ФАП 12 схема принятия решения 18, при условии совпадения подряд К (где К - любое целое число) стробирующих импульсов и сигнала с выхода 7Ц схемы 7, принимает решение об обнаружении шумоподобного сигнала и отключает корреляционные каналы левой и правой групп с помощью ключей 8. Если число совпадений подряд меньше К и равно Р, и после Р-го совпадения не произойдет подряд j (j - целое число) совпадений стробирующих импульсов с сигналом на выходе 7Ц, то схема 18 принимает решение на продолжение поиска, выдавая команду на устройство управления поиском 16.

Режим поиска описан выше.

Рассмотрим случай, когда сигнал на выходах 7Л или 7П схемы 7 появляется в результате вычисления функции взаимной корреляции в первом корреляционном канале левой группы или в последнем корреляционном канале правой группы. В этом случае ГПСП 15 будет перестраиваться таким образом, что вычисленное значение взаимно-корреляционной функции будет продвигаться по направлению к центральной группе корреляционных каналов, последовательно появляясь в каждом корреляционное канале левой или правой групп. Время продвижения вычисляется по формуле

Если длительность вычисленной взаимно-корреляционной функции меньше t_n, то она не сможет достичь центральной группы корреляционных каналов, а следовательно, не будет выдана команда об обнаружении сигнала.

Недостатком прототипа является большое время поиска и аппаратурная сложность при больших базах шумоподобного сигнала.

Целью предлагаемого изобретения является сокращение времени поиска и упрощение аппаратуры при больших базах широкополосных сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что введена передача двух гармонических сигналов, разность частот которых равна частоте следования ПСП. Это обеспечивается введением в передающую часть узкополосного тракта, формирующего два узкополосных сигнала (УПС). При этом в приемном устройстве обеспечивается выделение разностной частоты двух УПС, жесткое ограничение полученного синусоидального сигнала и формирование из него импульсов запуска генератора ПСП, который формирует опорные ПСП для корреляционных каналов широкополосного тракта.

Блок-схема предлагаемого устройства показана на фиг.3, где введены следующие обозначения.

Приемная часть:

1 - регистр сдвига,

2 - перемножители,

3 - интеграторы,

4 - амплитудные детекторы,

5 - сдвигающий триггер,

6 - схема сравнения,

7 - управляемый делитель точной дискретной системы ФАП,

8 - задающий генератор тактовых импульсов,

9 - генератор псевдослучайной последовательности (ГПСП),

10 - формирователь порога,

12 и 11 - узкополосные фильтры,

13 - смеситель,

14 - фильтр,

15 - ограничитель,

16 - формирователь импульсов запуска,

17 - линия задержки.

Передающая часть:

18 - генератор несущей частоты,

19 - генератор ПСП,

20 - формирователь ШПС,

21 - синтезатор,

22, 23, 25 - смесители,

24 - устройство объединения сигнала,

26 - фильтр,

27 - ограничитель,

28 - формирователь импульсов запуска.

Для передающей части имеются следующие функциональные связи. Выходы генератора 18 соединены со входами формирователя 20, ГПСП 19, формирователя импульсов запуска 28 синтезатора 21, смесителей 22 и 23, другие входы которых соединены с выходами синтезатора 21, а их выходы подключены ко входам устройства объединения сигнала 24 и смесителя 25, выход которого соединен с последовательно соединенными фильтром 26, ограничителем 27, формирователем импульса запуска 28, выход которого подключен к другому входу ГПСП 19, выход которого соединен с формирователем ШПС 20, выход которого соединен с одним из входов устройства объединения сигнала 24, выход его является выходом передатчика.

В приемной части имеются следующие функциональные связи.

Вход приемника соединен со входами фильтров 12 и 11 непосредственно, а со входами перемножителей 2 и формирователя порога 10 через линию задержки 17. Выходы фильтров 11 и 12 соединены со входами смесителя 13, выход которого соединен через последовательную цепочку, состоящую из фильтра 14, ограничителя 15, формирователя импульсов запуска 16, со входом ГПСП 9, выход которого подключен ко входу регистра сдвига 1, выходы которого соединены со входами перемножителей 2 левого и правого каналов непосредственно и центрального канала через сдвигающий триггер 5, выходы перемножителей 2 соединены со входами интеграторов 3, выходы которых подключены ко входам амплитудных детекторов 4, выходы их соединены со входом схемы сравнения 6, выход которой соединен с управляющим делителем точной дискретной системы ФАП 7, другой вход которого соединен с генератором 8, а выходы схемы 7 соединены со сдвигающим триггером 5, регистром сдвига 1 и генератором ПСП 9. Выход формирователя порога 10 соединен с одним из входов схемы сравнения 6.

Предлагаемая аппаратура для поиска широкополосных сигналов работает следующим образом.

В передающей части устройства одновременно формируется три сигнала: широкополосный (ШПС) и два узкополосных (УПС 1 и УПС 2), при этом в качестве опорного колебания для формирования всех трех сигналов используется один генератор несущей частоты ГНЧ (18), за счет чего достигается когерентность излучаемых сигналов.

УПС 1 и УПС 2 формируются соответственно в смесителях 22 и 23 за счет смешивания частоты ГНЧ 18 с выходными частотами синтезатора 21. Широкополосный сигнал формируется аналогично тому, как это сделано в прототипе.

Для осуществления привязки начала ПСП к фазам УПС в смесителе 25 формируется разностный сигнал (УПС 1 - УПС 2), который жестко ограничивается в блоке 27, далее в формирователе импульсов запуска 28 выделяется фронт колебания и осуществляется привязка выделенного импульса к фронтам тактовой частоты ГПСП 19. Импульсами с выхода ФИЗ 28 производится начальная установка ГПСП 19.

Сигналы с выходов смесителей 22, 23 и формирователя ШПС 20 подаются на устройство объединения 24.

УПС и ШПС, в принципе, могут излучаться как одновременно (при определенном соотношении мощностей УПС и ШПС), так и последовательно (при заданном соотношении времени передачи УПС и ШПС). В зависимости от выбранного режима работы (последовательно или параллельное излучение сигналов) блок объединения 24 выполняет функции либо сумматора, либо коммутатора.

С помощью синтезатора устанавливается необходимое соотношение между частотами УПС и ШПС, при этом УПС могут находиться как в полосе ШПС, так вне ее, а разность частот УПС 1 и УПС 2 жестко связана с периодом ШПС.

В приемном устройстве сигнал подается одновременно на вход широкополосного и узкополосного трактов.

В узкополосном тракте осуществляется фильтрация УПС 1 и УПС 2 фильтрами 11 и 12, выделение разностной частоты в смесителе 13, фильтрация ее с помощью узкополосного фильтра 14 и жесткое ограничение в блоке 15. С выхода ограничителя 15 прямоугольные импульсы подаются на формирователь импульсов запуска 16.

Импульсами запуска с выхода блока 16 производится начальная установка генератора ПСП 9, аналогично тому, как это происходит в передающем устройстве.

В широкополосном тракте входной сигнал через линию задержки 17 подается на входы перемножителей 2 и порогового устройства 10. На вторые входы перемножителей 2 поступают видео - ПСП с выходов регистра сдвига 1 и сдвигающего триггера 5. Последовательности сдвинуты между собой на время, равное половине длительности элементарного символа ПСП.

С выходов корреляторов, содержащих последовательно соединенные перемножитель 2, интегратор 3 и амплитудный детектор 4, сигналы поступают на схему сравнения 6, в которой формируются команды для управления делителем ФАП 7.

Если в схеме сравнения 6 зафиксировано превышение порога в левом корреляторе (т.е. фаза принимаемого сигнала опережает фазу опорной ПСП), то в управляемом делителе ФАП 7 производится добавление одного тактового импульса и максимум функции взаимной корреляции перемещается в центральный коррелятор.

Если превышение порога происходит в правом корреляторе (т.е. фаза принимаемого сигнала отстает от опорной ПСП), то в управляемом делителе ФАП 7 производится "вырезка" одного тактового импульса. За счет формирования УПС 1 и УПС 2 от одного опорного генератора достигается высокая стабильность их разностной частоты.

Стабильность разностной частоты позволяет использовать узкополосный фильтр 14 на выходе смесителя 13, что обеспечивает помехоустойчивое выделение разностной частоты.

Постановка помех противником в данном случае затруднена в виду высокой стабильности разностной частоты. В том случае, когда противник сумеет точно выставить частоты, наличие помех приводит к увеличению вероятности правильной синхронизации.

Применение двух УПС, разностная частота которых несет информацию о фазе сигнала, делает приемную часть практически беспоисковой.

Поясним на примере выигрыш во времени поиска и в упрощении аппаратуры, достигаемые при использовании предлагаемой аппаратуры по сравнению с прототипом.

Пусть база сигнала В=10⁶, длительность элементарного импульса τ_о=0,5 мксек.

Средняя время поиска в прототипе определяется

где n - число корреляционных каналов.

В прототипе n=8, при этом получаем

При использовании предлагаемой аппаратуры определяется

Так при к=1

Таким образом, при К=1 выигрыш в среднем времени поиска составляет 6·10⁴ раз. При К=10 он составляет 6·10³ раз.

Величина К выбирается из удобства реализации фильтров в приемном и передающем устройствах.

При этом аппаратурная сложность остается одной и той же и для малых, и для больших баз сигналов. В то время как стремление уменьшить время поиска в прототипе приводит к резкому усложнению аппаратуры. Так, например, для достижения Тп=1 сек в прототип для рассматриваемого примера необходимо ввести 104 корреляционных канала.

Устройство поиска широкополосных сигналов, содержащее в передающей части генератор несущей частоты, а в приемной части - регистр сдвига. В передающую часть введены три смесителя, синтезатор, блок объединения сигналов, фильтр, ограничитель и формирователь импульсов запуска, в приемную часть введены три фильтра, ограничитель, формирователь импульсов запуска, смеситель. В приемной части входы первого фильтра, второго фильтра и линии задержки объединены, выходы первого и второго фильтров подключены к входам смесителя, выход которого через последовательно соединенные третий фильтр, ограничитель и формирователь импульсов запуска соединен со вторым входом генератора псевдослучайной последовательности, а выход линии задержки подключен к входу формирователя порога. Техническим результатом является уменьшение времени поиска. 3 ил.

Устройство поиска широкополосных сигналов, содержащее в передающей части генератор несущей частоты, первый выход которого подключен к формирователю широкополосного сигнала (ШПС) непосредственно, а второй выход - через генератор псевдослучайной последовательности (ПСП), а в приемной части - регистр сдвига, один вход которого соединен с первым выходом управляемого делителя точной дискретной фазовой автоподстройки (ФАН) непосредственно, а второй - через генератор ПСП, три корреляционных канала, каждый из которых состоит из последовательно соединенных перемножителя, интегратора и детектора, выходы которых соединены с входами схемы сравнения, другой вход которой подключен к выходу формирователя порога, а выход - к входу управляемого делителя точной дискретной ФАП, другой вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а второй выход подключен к первому входу сдвигающего триггера, второй вход которого соединен с вторым выходом регистра сдвига, а выход - с первым входом перемножителя второго корреляционного канала, первые входы перемножителей первого и третьего корреляционных каналов соединены соответственно с первым и третьим выходами регистра сдвига, вторые входы перемножителей подключены к входу формирователя порога, отличающееся тем, что, с целью уменьшения времени поиска, в передающую часть введены три смесителя, синтезатор, блок объединения сигналов, фильтр, ограничитель и формирователь импульсов запуска, в приемную часть введены три фильтра, ограничитель, формирователь импульсов запуска, смеситель, причем в передающей части третий выход генератора несущей частоты подключен к первым входам первого и второго смесителей и к входу синтезатора, два выхода которого подключены соответственно ко вторым вводам первого и второго смесителей, выходы которых подключены к двум входам блока объединения сигналов и двум входам третьего смесителя, выход которого через последовательно соединенные фильтр, ограничитель и формирователь импульсов запуска подключен ко втором входу генератора ПСП, второй вход формирователя импульсов запуска соединен со вторым выходом генератора несущей частоты, выход формирователя ШПС соединен с третьим входом блока объединения сигналов, в приемной части входы первого фильтра, второго фильтра и линии задержки объединены, выходы первого и второго фильтров подключены к входам смесителя, выход которого через последовательно соединенные третий фильтр, ограничитель и формирователь импульсов запуска соединен со вторым входом генератора ПСП, а выход линии задержки подключен к входу формирователя порога.