АДАПТИВНОЕ УСТРОЙСТВО ПОИСКА ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ Советский патент 2006 года по МПК H04L7/04 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и может найти применение в системах связи с широкополосными сигналами.

Известны устройства поиска псевдослучайных сигналов (ПСП), содержащие коррелятор, фильтр, детектор, решающую схему. См. например. Тузов Г.И. Статистическая теория приема сложных сигналов. М.: Сов. радио, 1977, с.326. Эти устройства являются одноканальными, поэтому их основной недостаток - большое время поиска.

Известны двух и многоэтапные схемы поиска (см. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации, под ред. Пестрякова В.Б., М.: Сов. радио, 1973, с.171), в которых сокращение времени поиска достигается за счет уменьшения времени накопления на первых этапах поиска. Однако в таких устройствах при больших уровнях помех время поиска (Тп) может значительно превосходить время поиска одноэтапных устройств, что объясняется снижением помехоустойчивости режима поиска на начальных этапах.

Известно устройство поиска, основанное на применении быстрого преобразования Уолша-Адамара (см. Лосев В.В. Обнаружение псевдопоследовательности Гоулда при помощи быстрых преобразований. Радиотехника и электроника, 1981, т.26, вып.8 с.1660). Это устройство предполагает запись входного сигнала в запоминающее устройство (ЗУ), адресным регистром которого является генератор поля Галуа, с последующим выполнением операции быстрого преобразования Уолша. Однако в этом устройстве Тп не может быть меньше 2Т, где Т - длительность ПСП. Другой путь уменьшения времени поиска описан в книге Лихачева В.А. Цифровые методы и устройства в радиолокации, М.: Сов. радио, 1973, в статье "Цифровые корреляторы со сжатием во времени и согласованные фильтры для активной гидролокации″. Зарубежная радиоэлектроника, 1964, №12.

В этих работах предлагается записывать входной сигнал в память, а затем быстро считывать. Однако в таких устройствах Тп также не может быть меньше 2Т, так как именно это время затрачивается на первоначальную запись входного сигнала в память, после чего начинается его ускоренная обработка.

Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности является устройство поиска, описанное в книге Диксона Р.К. "Широкополосные системы" пер. с англ. под ред. Жигулина В.И., М.:Сов. радио, 1979, с.192, рис.6.9.

Структурная схема прототипа представлена на фиг.1, где обозначено:

1 - перемножитель,

2 - генератор псевдослучайных последовательностей (ГПСП),

3 - генератор тактовых импульсов (ГТИ),

4 - решающее устройство (РУ),

5 - фильтр,

6 - детектор.

Устройство содержит последовательно соединенные перемножитель 1, вход которого является входом устройства, фильтр 5, детектор 6, РУ4, ГТИЗ и ГПСП2, выход которого соединен со вторым входом перемножителя 1.

Работает устройство следующим образом. Входная псевдослучайная последовательность (ПСП) перемножается в перемножителе 1 с опорной ПСП, результат перемножения фильтруется в фильтре 5, детектируется в блоке 6 и в РУ4 сравнивается с порогом. В режиме сканирования в ГТИ3 после каждого периода опорной ПСП вводится задержка одного такта ГТИ, за счет чего обеспечиваются циклические сдвиги опорной ПСП, относительно принимаемой. На каждом циклическом сдвиге производится сравнение результата перемножения на выходе фильтра 5 с порогом в РУ4. При превышении порога РУ4 подает команду на блок 3, по которой блок 3 фиксируется на том циклическом сдвиге, который обеспечит превышение порога.

Недостатком прототипа является большое время, затрачиваемое на поиск.

Целью предлагаемого изобретения является сокращение времени поиска.

Эта цель достигается за счет введения сумматора, запоминающего устройства, двух буферных регистров, схемы управления, ключа, коммутатора, схемы совпадения, счетчика.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг.2, где обозначено,

1 - перемножитель,

2 - ГПСП,

3 - ГТИ,

4 - решающее устройство (РУ),

5 - сумматор,

6 - запоминающее устройство (ЗУ),

7 - регистр состояния ГПСП,

8 - ключ,

9 - коммутатор,

10 - схема управления,

11, 12 - буферный регистр,

13 - схема совпадения,

14 - счетчик.

Устройство содержит последовательно соединенные перемножитель 1, вход которого является входом всего устройства, сумматор 5, РУ4, регистр состояния ГПСП 7, буферный регистр 12, схему совпадения 13, счетчик 14, коммутатор 9 и ГПСП 2, причем второй выход ГПСП 2 через регистр состояния ГПСП7 соединен со вторым входом схемы совпадения 13. Второй выход регистра состояния ГПСП7 через ключ 8, второй вход которого соединен с выходом счетчика 14, соединен со вторым входом ГПСП2. Два выхода ГТИ3 соединены с двумя входами коммутатора 9 и двумя входами схемы управления 10, один выход которой соединен со вторым входом РУ4, два других выхода - с входами ЗУ6 и через буферный регистр 11 с входом сумматора 5. Выход сумматора 5 соединен с входом ЗУ6, выход которого соединен с входом буферного регистра 11.

Работает устройство следующим образом. В исходном режиме работы тактовые импульсы с первого выхода ГТИ3 через коммутатор 9 поступают на ГПСП2, обеспечивая формирование циклических сдвигов опорной ПСП также, как в устройстве-прототипе. Частота этих тактов f_о выбирается в режиме сканирования такой, чтобы длительность периода опорной ПСП в режиме сканирования Т_ск была бы равна (или меньше в целое число раз) длительности одного элемента τ_о входной ПСП. Т.е. в режиме сканирования блок 2 работает в сжатом масштабе времени по сравнению с входным сигналом. При этом тактовая частота опорной ПСП f_o в n раз выше тактовой частоты F_о входной ПСП, где n - число элементов в входной и опорной ПСП. Входная ПСП с тактовой частотой F_о поступает на вход перемножителя 1. Ее элементы могут быть представлены в виде двоичного или многоразрядного числа (х1, х2, х3... xn). На другой вход перемножителя 1 поступает опорная ПСП с тактовой частотой f_o. В перемножителе 1 каждый элемент входной ПСП перемножается с одним из клических сдвигов опорной ПСП. Результат перемножения в цифровой форме поступает в сумматор 5, а затем в ЗУ6. Сумматор 5 суммирует в цифровом виде числа, поступающие на его входы из перемножителя 1 и буферного регистра 11.

В исходном режиме работы в блоках 1 и 11 записаны нули, поэтому результат перемножения первого элемента входной ПСП х1 с первым циклическим сдвигом опорной ПСП (а1, а2, а3... an), который записывается в виде (x1, a1, x1, a2,... x1, an), проходит через сумматор 5 без изменения (складывается с нулевыми числами). В соответствии с тактами, поступающими из блока управления 10 в ЗУ6, осуществляется запись в ячейки памяти ЗУ6 результата перемножения входной и опорной ПСП. При этом число x1 а1 записывается в первую ячейку памяти ЗУ6, x1, а2 - во вторую, и т.д., x1 a_n - в n-ю ячейку.

На втором такте частоты F_о второй элемент входной ПСП х2 перемножается со вторым циклическим сдвигом опорной ПСП (а2, а3, а4,... a_n, а1), одновременно, в соответствии с тактами с блока управления 10 в ЗУ6 и буферный регистр 11, производится считывание числа x1a1 из первой ячейки памяти ЗУ6 в буферный регистр 11, сложение его с числом х2а2 в сумматоре 5 и запись суммы (x1a1 + х2а2) в первую ячейку памяти ЗУ6. Аналогичные операции производятся над всеми элементами входной ПСП. В результате таких операций на n тактов частоты F_о в первой ячейке памяти будет записана сумма х1а1+х2а2 +... x_na_n, во второй - х1а2 + х2а3 + ...x_n-1а1, т.д. В n-ой ячейке - х1a_n + х2а1...х3а2 +...+x_na_n-1.

В начале К-того такта (К≪n) частоты по команде, поступающей с блока управления 10 в РУ4, в РУ4 начинается сравнение К сумм (полученных на К-том такте частоты) с порогом.

Так как обращение к ячейкам памяти ЗУ6 и буферного регистра 11 производится с частотой f_о=nF_о и, следовательно, суммы чисел на выходе сумматора 5 также появляются с этой же частотой f_о, то сравнение всех сумм выполняется за время равное длительности элемента входной последовательности τ_о.

При первом превышении порога в решающем устройстве 4 с его выхода на блок 7 подается команда, по которой из блока 7 переписывается его состояние (его начальное состояние - нулевое) в буферный регистр 12, а в него записывается то состояние ГПСП2, которое обеспечило превышение порога. В блоке 10 в конце К-того такта частоты F_о производится обнуление счетчика, который опять начинает счет тактов частоты F_о от 1 до К. На К-том такте (во втором цикле поиска) в решающем устройстве 4 опять сравниваются суммы, поступающие из сумматора 5, с порогом. При вторичном превышении порога РУ4 выдает команду, по которой из регистра состояния 7 переписывается его предыдущее состояние в регистр 12, а в него записывается то состояние ГПСП2, которое обеспечило это превышение порога. Состояния блоков 7 и 12 сравниваются в блоке 13 и если они совпадают, то в счетчик 14 подается импульс. Блок 14 подсчитывает число совпавших состояний блоков 7 и 12. Если оно достигает заранее установленного числа m≥1, то блок 14 подает команду на блоки 8, 9, по которой из регистра 7 через ключ 8 переписывается его состояние в ГПСП2 и одновременно отключается выход 1 ГТИЗ от ГПСП2 и подключается его выход 2, что обеспечивает подачу на ГПСП2 тактовой частоты F_o (вместо f_o). Подача тактов частоты у F_о означает перевод ГПСП2 в реальный масштаб времени, а принудительный перевод ГПСП2 в состояние, записанное в регистрах 7 и 12, соответствует переводу ГПСП2 в режим работы, синхронный с приходящей последовательностью. Если на первом цикле поиска на К-том такте частоты F_о превышение порога в решающем устройстве 4 не произошло, то в схеме управления 10, также, как и в случае превышения порога, обнуляется счетчик и начинается новый цикл поиска. Необходимо отметить, что после каждого цикла поиска (в рассматриваемом случае цикл поиска состоит из К тактов частоты F_о) в сумматоре 5 и ЗУ6 сохраняются накопленные значения сумм чисел, при этом переход к новому циклу означает продолжение накопления результата перемножения входной и опорной ПСП. Т.е. при переходе к новому циклу поиска сохраняется результат накопления на всех предыдущих циклах, при этом накопление продолжается до тех пор, пока не будет зафиксировано m превышений порога при одном и том же состоянии ГПСП.

Таким образом, в предлагаемом устройстве обеспечивается автоматическая установка времени накопления в зависимости от уровня приходящего сигнала. При большом уровне сигнала поиск закончится быстро, при этом время накопления будет равно m циклам (по К тактов в каждом). При малых уровнях сигналов накопление будет продолжаться до тех пор, пока не достигнется превышение порога. Максимальное время накопления определяется объемом памяти ЗУ6.

Остановимся на практической реализации блоков, входящих в устройство. Блоки 5, 6, 7, 8, 9, 11, 12, 13, 14 являются типичными элементами дискретной техники, при этом возможности их практической реализации не вызывают сомнений. Один из возможных вариантов построения блока управления 10 приведен на фиг.3. Схема содержит адресный счетчик 1, формирующий из тактовой частоты f_о адреса, по которым осуществляется запись в ячейки памяти блока 6, счетчик 2 частоты F_о с дешифраторами 4 и 5, а также схему совпадения 3, обеспечивающую привязку по времени тактов частоты F_о и f_о. Импульсы тактовой частоты f_о, поступающие со схемы совпадения на блоки 6 и 11, обеспечивают с момента времени, соответствующего началу такта частоты F_о, считывание чисел из блока 6 в блок 11 и запись в блок 6 нового числа. Блоки 1-5, входящие в состав блока управления 10, также реализуются на типовых элементах цифровой техники. Докажем достижение поставленной цели.

Выполняемые в предлагаемом устройстве операции могут быть пояснены записью в матричной форме.

В матрице (1) в виде столбца записана входная последовательность из n чисел, поступающих в реальном масштабе времени с тактовой частотой F_о. Длительность записанной последовательности равна Т=nτ_o, где T - ее период, τ_о - длительность одного элемента входной ПСП, n - их число. Матрица (2) соответствует записи ПСП опорного генератора, работающего в сжатом масштабе времени, т.е. генерирующего всю ПСП (а₁, а₂,...a_n) за время равное τ_о.

Во второй строке матрицы (2) записан первый циклический сдвиг опорной ПСП, в третьей строке - второй циклический сдвиг и т.д., в n-ой строке - (n-1)-ый циклический сдвиг. В матрице (3) записан результат перемножения матрицы (1) на матрицу (2). Поскольку в матрице (3) каждое новое число в столбце суммируется с предыдущим, то на К-том такте частоты F_о через время равное T₁=kτ_о≪T в матрице (3) сформированы суммы n столбцов (Σ1,Σ2,Σ3,...Σn). Каждый из столбцов представляет собой результат перемножения входной последовательности (x₁, х₂, ...x_n) на один из циклических сдвигов опорной ПСП, а суммирование эквивалентно его накоплению. Таким образом, в предлагаемом устройстве за время Т₁≪Т вычисляется коэффициент корреляции сегмента входной ПСП длиной Т₁=К·τ_o со всеми циклическими сдвигами сегмента опорной ПСП (также длиной Т₁) и определяется тот циклический сдвиг, который соответствует максимальному значению коэффициента корреляции - максимальной сумме в столбце матрицы (3), превышающей порог.

Предлагаемое устройство, являясь по схемному решению одноканальным, за счет сжатия во времени опорной ПСП и реализации предложенного алгоритма обработки выполняет функции фильтра, согласованного c сегментом входной ПСП, при этом длина сегмента выбирается автоматически самим устройством и в зависимости от уровня полезного сигнала может как составлять доли длины входной ПСП, так и превышать ее в несколько раз. Таким образом, в предлагаемом устройстве осуществляется адаптация к помеховой обстановке за счет изменения времени накопления. Это обеспечивает сокращение среднего времени поиска. Покажем это на числовом примере.

Для прототипа, являющегося одноканальным корреляционным устройством, среднее время поиска ПСП из n элементов определяется по формуле (см. Г.И.Тузов "Статистическая теория приема сложных сигналов". М.: Сов. радио, 1977).

где nT - время, затрачиваемое на совмещение по времени принимаемого и опорного сигналов,

- время, определяемое действием помех,

m - число проверок,

n - число элементов в ПСП,

T=nτ_o - период ПСП,

τ_о - длительность элемента ПСП,

D - вероятность правильного обнаружения при фиксированном значении вероятности ложных тревог.

Для предлагаемого устройства определяется формулой

Формула (2) дает для оценку сверху, т.е. его наибольшее значение. Действительно, если на первом этапе поиска при времени накопления Тн₁=Кτ_о вероятность правильного обнаружения Д равна заданному значению, то на втором этапе время накоплении увеличивается вдвое (Тн₂=2кτ_о), на третьем - втрое (Тн₃=3кτ_о) и т.д. При этом соответственно растет значение Д.

Рассмотрим два крайних случая:

- случай большого уровня сигнала, когда Д=1,

- случай малого уровня сигнала, когда Д=0,1.

Положим m=10, n=1000, τ_о=мкс.

Тогда при Д=1 для прототипа имеем:

Тп=nT+mT=1,0 1 с.

Для предлагаемого устройства даже при К=n имеем

При Д=0,1 для прототипа имеем:

Для предлагаемого устройства при К=n

Таким образом, в обоих случаях достигается значительное сокращение при использовании предлагаемого устройства по сравнению c прототипом.

В качестве базового объекта, соответствующего современному уровню техники, может быть принята серийно выпускаемая аппаратура (см. "Аппаратура "Кулон-III". Техническое описание, 1975).

В этой аппаратуре реализована двухэтапная процедура поиска. На первом этапе выполняется поиск короткой последовательности (СП) с базой Б₁ меньшей базы длинной последовательности (ИП) Б₂ более чем в 10 раз. При этом на первом этапе поиска время накопления Тн₁ выбрано примерно в 10 раз меньше времени накопления Тн₂ на втором этапе поиска. Однако при малых уровнях сигнала время накопления на первом этапе может быть недостаточным, что приводит к резкому возрастанию .

Действительно, для двухэтапной процедуры поиска определяется

Тогда для рассматриваемого ранее примера Б₂=n=1000, Б₁=100, Тн₂=1 млс, Тн₁=0,1 млс, m=10, при Д=1

При Д=0,1

Полагая для предлагаемого устройства первый этап таким же, как для аппаратуры "Кулон-III", при Д=1 имеем

=Кτ_оm=100·0,001·10=1 млс

При Д=0,1

Таким образом в устройстве по сравнению с базовым объектом достигается значительное сокращение .

Изобретение относится к области радиотехники, а именно - к системам связи с широкополосными сигналами. Технический результат - сокращение времени поиска. Сущность изобретения состоит в том, что предлагаемое устройство содержит последовательно соединенные перемножитель 1, вход которого является входом всего устройства, сумматор 5, РУ4, регистр состояния ГПСП7, буферный регистр 12, схему совпадения 13, счетчик 14, коммутатор 9 и ГПСП 2, причем второй выход ГПСП 2 через регистр состояния ГПСП7 соединен со вторым входом схемы совпадения 13. Второй выход регистра состояния ГПСП7 через ключ 8, второй вход которого соединен с выходом счетчика 14, соединен со вторым входом ГПСП2. Два выхода ГТИ3 соединены с двумя входами коммутатора 9 и двумя входами схемы управления 10, один выход которой соединен со вторым входом РУ4, два других выхода - со входами ЗУ6 и через буферный регистр 11 со входом сумматора 5. Выход сумматора 5 соединен со входом ЗУ6, выход которого соединен со входом буферного регистра 11. 3 ил.

Адаптивное устройство поиска псевдослучайных последовательностей (ПСП), содержащее перемножитель, один вход которого является входом устройства, а второй подключен к выходу генератора ПСП, генератор тактовых импульсов и решающий блок, отличающееся тем, что, с целью сокращения времени поиска введены сумматор, блок памяти, блок управления, регистр состояния генератора ПСП, коммутатор, ключ, два буферных регистра, элемент И, счетчик, причем выход перемножителя через последовательно соединенные сумматор, решающий блок, регистр состояния генератора ПСП подключен к первому входу элемента И, второй вход которого через первый буферный регистр подключен к другому выходу регистра состояния генератора ПСП, выход элемента И, через счетчик соединен с ключом и коммутатором, выход которого подключен к первому входу генератора ПСП, а другие входы к выходам генератора тактовых импульсов и входам блока управления, первый выход которого соединен со вторым входом решающего блока, второй выход - с первым входом блока памяти, а третий выход - со вторым входом блока памяти и через второй буферный регистр со вторым входом сумматора, третий вход блока памяти подключен к выходу сумматора, а выход - ко второму входу второго буферного регистра, третий выход регистра состояний генератора ПСП соединен через ключ со вторым входом генератора ПСП, другой выход которого соединен с другим входом регистра состояний генератора ПСП.