УСТРОЙСТВО ПОИСКА ШУМОПОДОБНОГО СИГНАЛА Советский патент 2007 года по МПК H04B1/10 

Изобретение относится к устройствам обнаружения и распознавания сложных широкополосных сигналов и может быть использовано для поиска и распознавания сложных широкополосных сигналов (ШПС) в радиоэлектронных телеметрических, навигационных и связных системах связи.

Все известные многоканальные корреляционные устройства поиска ШПС включают в себя n параллельных корреляционных каналов, каждый из которых состоит из последовательно включенных:

1) перемножителя, на один вход которого подается сигнал, а на второй - его копия;

2) временного интегратора от 0 до Т. Выходы всех интеграторов присоединены к схеме выбора максимума, выход которой, в свою очередь, присоединен к схеме сравнения с порогом.

Если входной сигнал совпадает с копией в одном из n перемножителей, то выходное напряжение соответствующего интегратора в момент Т является максимальным и превышает порог в схеме сравнения с порогом. По такому принципу работают устройства, подробно описанные в книгах:

1. "Шумоподобные сигналы в системах передачи информации" под ред. В.Б.Пестрякова, Москва: Советское радио, 1973 г.

2. Г.И.Тузов "Статистическая теория приема сложных сигналов" Москва: Советское радио, 1977 г.

Недостатком указанных устройств является необходимость выбора порога значительной величины по допустимой вероятности ложных тревог Рл.т. Например, при Рл.т=10^-3 значение порога таково, что ложная тревога возникает в среднем на 1000 один раз, а в большинстве других случаев значение порога оказывается значительно завышенным, что в результате увеличивает время интегрирования Т для этих случаев, т.е. увеличивается общее время поиска.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство поиска широкополосных сигналов по авторскому свидетельству №425367, МКИ Н04L 1/10 от 25.4.74 г.

Функциональная схема прототипа приведена на фиг.1, где введены следующие обозначения:

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÷14 - вычитающие устройства,

15 - детектор максимального сигнала (ДМС),

16÷18 - вентили,

19 - схема ИЛИ,

20 - ключ,

21 - линия задержки,

22 - дополнительная схема ИЛИ.

Элементы, составляющие схему, можно функционально объединить в три группы.

Первую группу назовем блоком следящего приемника.

Блок следящего приемника, содержащий схему автоматической подстройки частоты с входящими в нее последовательно соединенными: смесителем 1 в цепи усиления, демодулятором 2, цепью усиления и коррекции 3, управляемым гетеродином 4, и схему слежения за задержкой, с входящими в нее последовательно соединенными: дискриминатором 5 с цепями усиления и коррекции, управляемым тактовым генератором 6 и n-разрядным регистром 7 с обратной связью, рассчитанным для генерирования псевдослучайной (например, М) последовательности.

Вторую группу назовем блоком сканирования области поиска 8. Первый вход этого блока подключен к выходу управляемого тактового генератора 6, второй вход - к выходу ключа 20, первый выход подключен к n-разрядному регистру 7 с обратной связью, второй выход - к управляющему входу управляемого гетеродина 4, а третий выход - к ДМС 15, а также через линию задержки 21 к управляющему входу ключа 20.

Третья группа - блок обнаружения, состоящий из m (на чертеже m-3) корреляторов 9-11, входа которых соединены с выходом смесителя 1, а выходы через вычитающие устройства 12-14 подключены ко входам ДМС 15, выходы которого через соответствующие вентили 16-18 и дополнительную схему ИЛИ 22 подключены к гетеродинным входам дискриминатора 5 и демодулятора 2, сигнальные входы которых подключены к выходу смесителя 1. Кроме того, выходы ДМС 15 подключены к схеме ИЛИ 19, выход которой через ключ 20 подключен к сбросовым входам коррелляторов 9-11.

Устройство-прототип работает следующим образом.

Приходящий сигнал через смеситель 1 подступает на входы демодулятора 2, дискриминатора 5 и m корреляторов (на чертеже m-3) 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 (Тан) области возможных состояний принимаемого сигнала, сигналы "свертки" на выходах корреляторов 9-11 не превышают уровень вычитания (порог) в устройствах 12-14, то ДМС 15 при опросе не выдает сигнала на закрытие ключа 20. Информацию о максимуме сигнала получаем только в момент опроса.

В этом случае импульсы опроса, возникающие через промежутки времени Тан на третьем выходе блока сканирования 8, поступают на второй вход блока 8 и переводят его 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, состоящая из дискриминатора 5 с цепями усиления и коррекции, управляемого тактового генератора 6, n-разрядного регистра 7 с обратной связью и схема автоматической подстройки частоты АПЧ, состоящая из смесителя 1 в цепи усиления, демодулятора 2, цепи усиления и коррекции 4 - не работают. Если же за время анализа Тан сигнал "свертки" на выходе хотя бы одного из корреляторов 9-11 превысит уровень вычитания в устройствах 12-14, то ДМС 15 при опросе выдает сигнал на закрытие ключа 20, отключая поиск, и открывает один из вентилей 16-18, через который проходит именно та копия сигнала, 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 Тан вероятность пропуска сигнала Рпр и вероятность ложной тревоги Рлт зависят от выбора уровня порога (уровень вычитания для рассматриваемого устройства).

При соответствующем выборе порога можно получить любое соотношение между вероятностями ошибок Рлт и Рпр (любое значение отношения Рлт/Рпр от нуля до бесконечности). Оптимальный приемник должен создавать такое значение отношения Рлт/Рпр, при котором время обнаружения сигнала будет минимальным. Из теории оптимальрых методов радиоприема (Л.С.Гуткин "Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуадионных помехах", Москва, Советское радио, 1972 г., стр.242-251) известно, что такое отношение всегда существует. Оптимальное значение отношения Рлт/Рпр будет зависеть от величины области неопределенности сигнала по частоте и задержке, числа поисковых корреляторов, требуемой величины порогового сигнала (минимальный сигнал, обеспечивающий заданное качество обнаружения).

Время обнаружения сигнала можно дополнительно уменьшить в том случае, если заранее не фиксировать время анализа Тан. Это достигается тем, что вместо одного постоянного порога (как у обнаружителя Неймана-Пирсона) вводятся два: высокий и низкий.

При этом, если напряжение с выхода коррелятора превышает верхний порог, то считается, что сигнал есть, а если оказывается ниже нижнего, то считается, что сигнал отсутствует, если же оказывается между порогами, то наблюдение продолжается.

Действительно, при такой процедуре реализации помехи могут оказаться настолько благоприятными, что можно намного быстрее вынести решение о наличии или отсутствии сигнала, чем в других шагах поиска, когда реализации помехи оказываются менее благоприятными. Поэтому, если заранее не фиксировать длительность Тан наблюдения, можно получить в среднем (для многих опытов) значительную экономию во времени поиска сигнала.

Такое наблюдение, при котором время анализа Тан заранее не фиксируется, а определяется самим ходом эксперимента, называется последовательным наблюдением (последовательным анализом). В отличие от этого наблюдение с заранее фиксированной длительностью называется простым или классическим (однопороговое обнаружение Неймана-Пирсона).

Сравнение последовательного обнаружения с классическим (например, Л.С.Гуткин "Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуационных помехах", Москва: Советское радио, 1972, стр.274-277) показывает, что получаемый выигрыш в уменьшении времени поиска при том же отношении Рпр/Рлт может достигать 2 и более раз. Последовательный анализ имеет недостаток, который заключается в том, что при значительном количестве опытов время наблюдения может превосходить свое среднее значение в несколько раз, а техническая реализация анализа столь длительных выборок вызывает трудности на практике.

Для ослабления этого недостатка можно применять так называемый усеченный последовательный анализ (Л.С.Гуткин "Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуационных помехах", Москва, Советское радио, 1972, стр.276-277). При этом заранее устанавливается максимально допустимое значение Тмакс времени наблюдения, по истечении которого анализ должен обязательно закончиться. В конце времени наблюдения значение порога выбирается согласно оптимальной классической однопороговой процедуре Неймана-Пирсона.

Применение усечения приводит к увеличению времени поиска ШПС, однако если выбрать Тмакс в 1,5-2 раза больше среднего времени наблюдения, то увеличение времени поиска будет незначительным.

Прототип (авторское свидетельство №425367) позволяет реализовать классическое наблюдение с заранее фиксированной длительностью анализа. Это является его недостатком, так как при незначительном усложнении схемы можно реализовать более оптимальное усеченное последовательное наблюдение (усеченный последовательный анализ), которое позволяет уменьшить время поиска ШПС.

Целью настоящего изобретения является уменьшение времени поиска ШПС, что обеспечивается применением более оптимального усеченного последовательного наблюдения (длительность анализа зависит от реализации помехи) вместо фиксированной длительности наблюдения.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство поиска ШПС введены два управляемых пороговых устройства, пороговое устройство, формирователи высокого и низкого порогового уровня и дополнительный ключ, причем входы пороговых устройств подключены к выходу схемы ИЛИ, управляющие входы первого и второго пороговых устройств подключены соответственно через формирователи низкого и высокого порогового уровня к выходу ключа, ко входу которого подключены выход первого управляемого порогового устройства и первый выход порогового устройства, а к управляющему входу ключа подключены выход второго управляемого порогового устройства, второй выход порогового устройства и управляющий вход дополнительного ключа, который включен между дополнительной схемой ИЛИ и дискриминатором. Управляющий вход порогового устройства подключен к третьему выходу блока сканирования области поиска.

Функциональная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.2, где введены следующие обозначения:

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,

15 - детектор максимального сигнала (ДМС),

16-18 - вентили,

19 - схема ИЛИ,

20 - ключ,

22 - дополнительная схема ИЛИ,

23 - формирователь низкого порогового уровня,

24 - формирователь высокого порогового уровня,

25, 26 - первое и второе управляемые пороговые устройства,

27 - пороговое устройство,

2У - дополнительный ключ.

Элементы, входящие в схему, представленную на фиг.2, можно объединить по функциональному назначению в три группы. Первую группу назовем блоком следящего приемника. Он содержит схему автоматической подстройки частоты с входящими в нее последовательно соединенными смесителем 1 в цепи усиления, демодулятором 2, цепью усиления и коррекции 3, управляемым гетеродином 4, и схему слежения за задержкой с входящими в нее последовательно соединенными дискриминатором 5 с цепями усиления и коррекции, управляемым тактовым гетеродином 6 и n-разрядным регистром 7 с обратной связью, рассчитанным для генерирования псевдослучайной последовательности (например, M-последовательности).

Вторую группу назовем блоком сканирования области поиска 8, первый вход которого подключен к выходу управляемого тактового генератора 6, второй вход - к выходу ключа 20, первый выход подключен к n-разрядному регистру 7 с обратной связью, второй выход - к управляющему входу управляемого гетеродина 4, а третий выход - к управляющему входу порогового устройства 27.

Третью группу назовем блоком обнаружения, который состоит из m (на фиг. m-3) корреляторов 9-11, входы которых соединены с выходом смесителя 1 и с опорными входами формирователя низкого порогового уровня 23, формирователя высокого порогового уровня 24 и порогового устройства 27, а выходы подключены ко входам детектора максимального сигнала 15. Выходы детектора максимального сигнала 15 через соответствующие вентили 16-18, дополнительную схему ИЛИ 22 и дополнительный ключ 28 подключены ко вторым входам дискриминатора 5 и демодулятора 2, первые входы которых подключены к выходу смесителя 1. Кроме того, выходы детектора максимального сигнала 15 через схему ИЛИ 19 подключены ко входам трех пороговых устройств. Выход второго управляемого порогового устройства 26 и второй выход порогового устройства 27 подключены к управляющим входам ключа 20 и дополнительного ключа 28, выход первого управляемого порогового устройства 25 и первый выход порогового устройства 27 подключены ко входу ключа 20, выход которого подключен к сбросовым входам корреляторов 9-11, а также подключен параллельно через формирователь низкого порогового уровня 23 и формирователь высокого порогового уровня 24, соответственно к управляющим входам первого и второго управляемых пороговых устройств 25, 26.

Устройство работает следующим образом.

Приходящий сигнал через смеситель 1 поступает на входы демодулятора 2, дискриминатора 5 и m корреляторов (на фиг.2 m-3) 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. Это происходит следующим образом.

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 опорного сигнала, коррелятор которого выдал максимальный сигнал "свертки". Кроме этого модуль огибающей максимального сигнала "свертки" через схему ИЛИ 19 поступает на входы трех пороговых устройств 25, 26, 27.

На управляющие входы первого и второго управляемых пороговых устройств 26, 27 поступают сигналы с формирователей низкого порогового уровня 23 и высокого порогового уровня 24, соответственно.

Формирователь низкого порогового уровня 23 вырабатывает монотонно нарастающее напряжение, которое имеет такой закон изменения в зависимости от времени анализа области возможных состояний принимаемого сигнала, чтобы поддерживалась постоянной заданная вероятность пропуска сигнала Рпр, а формирователь высокого порогового уровня 24 вырабатывает напряжение, которое поддерживает заданную вероятность ложной тревоги Рл.т.

Начальное значение напряжений, вырабатываемых формирователями пороговых уровней 23, 24, прямо пропорционально эффективному значению шумов, действующих на входе корреляторов 9-11.

Если в какой-то момент времени анализа модуль огибающей максимального сигнала "свертки" окажется меньше напряжения порога, формируемого устройством 23, то принимается решение об отсутствии сигнала в анализируемой области - на выходе первого управляемого порогового устройства 25 формируется импульс, который проходит через открытый ключ 20, поступает на сбросовые входы корреляторов 9-11 и разряжает интеграторы в них, возвращает в начальное состояние формирователи низкого и высокого порогового уровня 23 и 24, а также поступает на второй вход блока сканирования области поиска 8, который переводит устройство к анализу следующей области возможных состояний принимаемого сигнала.

Если же модуль огибающей максимального сигнала "свертки" окажется больше напряжения порога формируемого устройства 24, то принимается решение о наличии сигнала 8 анализируемой области на выходе второго управляемого порогового устройства - 26 формируется сигнал, закрывающий ключ 20, отключая поиск, и открывающий дополнительный ключ 28, через который проходит именно тот образцовый сигнал, коррелятор которого выдал наивысший потенциал. Этот сигнал поступает на гетеродинные входы дискриминатора 5 и демодулятора 2 и в случае правильного обнаружения приемник производит автозахват. Как отмечалось выше, техническая реализация анализа выборок с большим объемом вызывает технические трудности, одной из которых является необходимость увеличения динамического диапазона корреляторов 9-11, ДМС 15, пороговых устройств 25 и 26 и формирователей порогового управления 23, 24, поэтому в предлагаемом устройстве максимальный объем выборки фиксируется заранее.

Для этого в предлагаемое устройство параллельно управляемым пороговым устройствам 25, 26 введено пороговое устройство 27, порог в котором выбирается согласно оптимальной классической процедуре Неймана-Пирсона.

Если в течение времени Тмакс модуль огибающей максимального сигнала "свертки" не опустился ниже порога формируемого устройством 23 и не поднялся выше порога формируемого устройством 24, то на третьем выходе блока сканирования области поиска 8 возникает импульс, который опрашивает пороговое устройство 27. В этом случае, если модуль огибающей максимального сигнала "свертки" в момент опроса окажется меньше уровня порога, то на первом выходе порогового устройства 27 формируется импульс, который проходит через открытый ключ 20, разряжает интеграторы в корреляторах 9-11, возвращает в исходное состояние формирователи пороговых уровней 23 и 24, а также поступает на второй вход блока сканирования области поиска 8, который переводит устройство к анализу следующей области возможных состояний принимаемого сигнала.

Если же модуль огибающей максимального сигнала "свертки" в момент опроса окажется больше порога, то принимается решение о наличии сигнала в анализируемой области - на втором выходе порогового устройства 27 формируется сигнал, закрывающий ключ 20, отключая поиск и открывающий дополнительный ключ 28, через который проходит именно тот образцовый сигнал, коррелятор которого выдал наивысший потенциал. Этот сигнал поступает на гетеродинные входы дискриминатора 5 и демодулятора 2 и в случае правильного обнаружения приемник производит автозахват.

Опрос происходит только в том случае, когда за максимальное время Тмакс не принято решение об отсутствии или наличии сигнала.

Для большей наглядности процесс поиска широкополосного сигнала представлен графически на фиг.3.

На фиг.3а показаны:

напряжение И₂₃ на выходе формирователя низкого порогового уровня 23;

напряжение И₂₄ на выходе формирователя высокого порогового уровня 24;

напряжение И₁₉ на выходе схемы ИЛИ 19.

Пунктиром показано напряжение порога И₂₇ в пороговом устройстве 27.

На фиг.3б показано напряжение И₂₀ не выходе ключа 20, которое складывается из напряжения И₂₇ на первом выходе порогового устройства 27 и напряжения И₂₅ на выходе первого управляемого порогового устройства 25.

На фиг.3в показано напряжение И₈ на третьем выходе блока сканирования области поиска 8.

Напряжение И"₂₇ на втором выходе порогового устройства 27 показано на фиг.3г сплошной линией, пунктирной линией показано напряжение И₂₆ на выходе второго управляемого порогового устройства 26.

В момент включения приемного устройства (момент времени t=0) на третьем выходе блока сканирования области поиска 8 возникает импульс, который опрашивает пороговое устройство 27, и поскольку на его входе отсутствует напряжение (приемник был выключен), то на первом выходе порогового устройства 27 формируется импульс, который проходит через открытый ключ 20 и приводит в исходное состояние формирователи пороговых уровней 23, 24. В дальнейшем напряжения на выходе формирователей пороговых уровней 23, 24 монотонно нарастают. На фиг.3 для упрощения графических построений напряжения пороговых уровней нарастают линейно, хотя более оптимальным может оказаться другой закон нарастания пороговых напряжений. На фиг.3 показано, что для обнаружения сигнала пришлось произвести анализ 8 областей возможных состояний принимаемого сигнала. Время Тан, затраченное на анализ различных областей, неодинаково. Наибольшее время Тан=Тмакс было затрачено на анализ 5 и 8 областей. В этом случае решение о наличии сигнала было принято после опроса порогового устройства 27 импульсом И₈ с третьего выхода блока сканирования области поиска.

При опросе устройства 27 после анализа 5-й области напряжение порога И₂₇ оказалось больше напряжения максимальной "свертки" И₁₉. Поэтому был произведен перевод устройства к анализу 6-й области импульсом И'₂₇ с первого выхода порогового устройства 27.

При опросе устройства 27 после анализа 8-й области напряжение порога И₂₇ оказалось меньше напряжения максимальной "свертки" И₁₉. Поэтому поиск был отключен напряжением И"₂₇ на втором выходе устройства 27.

При анализе остальных областей реализации помехи оказались более благоприятными и время анализа Тан этих областей оказалось меньше максимального Тмакс времени анализа. В этом случае переход к анализу следующей области осуществлялся импульсом И₂₅ с выхода первого управляемого порогового устройства.

Следует заметить, что решение о наличии сигнала в анализируемой области также может быть принято за время меньшее Тмакс. Подобный случай изображен на фиг.3а и 3г пунктирной линией. В этом случае поиск отключается напряжением И₂₆ на выходе управляемого порогового устройства 26.

Введение новых элементов: формирователей низкого и высокого порогового уровня, двух управляемых пороговых устройств, порогового устройства и дополнительного ключа позволяет значительно уменьшить время поиска сигнала вследствие реализации более оптимального последовательного усеченного наблюдения с переменным временем анализа области возможных состояний сигнала вместо классической процедуры с фиксированным порогом и временем анализа.

В результате среднее время поиска широкополосного сигнала уменьшается в 1,5-2 и большее число раз, в зависимости от требуемых вероятностей ложной тревоги, пропуска сигнала и соотношения сигнал/шум.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в устройствах обнаружения и распознавания сложных шумоподобных сигналов в радиоэлектронных, телеметрических и навигационных системах связи. Техническим результатом является уменьшение времени поиска сигнала. Для достижения технического результата устройство, содержащее блок автоматической подстройки частоты, состоящий из смесителя, демодулятора, блока коррекции и управляемого гетеродина, блок слежения за задержкой, содержащий дискриминатор, управляемый тактовый генератор, n-разрядный регистр с обратной связью, блок сканирования, блок обнаружения сигналов, состоящий из m групп корреляторов, детектор максимального сигнала и первый элемент ИЛИ, снабжено двумя формирователями пороговых уровней, пороговыми блоками, дополнительным ключом и вторым элементом ИЛИ. 3 ил.

Устройство поиска шумоподобного сигнала, содержащее блок автоматической подстройки частоты, состоящий из последовательно соединенных смесителя, демодулятора, блока коррекции и управляемого гетеродина, блок слежения за задержкой, состоящий из последовательно соединенных дискриминатора, управляемого тактового генератор и n-разрядного регистра с обратной связью, блок сканирования, блок обнаружения сигналов, состоящий из m групп корреляторов, выходы которых подключены через детектор максимального сигнала к соответствующим входам первого элемента ИЛИ и ко входам вентилей, выходы которых соединены с соответствующими входами второго элемента ИЛИ, при этом выход смесителя соединен с входом дискриминатора и первыми входами корреляторов, вторые входы которых подключены к соответствующих выходам n-разрядного регистра с обратной связью, выход управляемого тактового генератора подключен к входу блока сканирования, первый выход которого соединен с другим входом n-разрядного регистра с обратной связью, второй выход подключен ко второму входу управляемого гетеродина, выход которого соединен с входом смесителя, третьи входы корреляторов соединены с выходом ключа, отличающееся тем, что, с целью уменьшения времени поиска сигнала, введены два формирователя пороговых уровней, пороговые блоки и дополнительный ключ, при этом входы формирователей пороговых уровней соединены с выходом ключа и дополнительным входом блока сканирования, первые входы пороговых блоков соединены с выходом смесителя, вторые входы подключены к выходу первого элемента ИЛИ, третьи входы первого и второго пороговых блоков подключены соответственно к выходам первого и второго формирователей пороговых уровней, третий вход третьего порогового блока соединен с третьим выходом блока сканирования, второй выход с выходом первого порогового блока и первым входом ключа, второй вход которого подключен к выходам второго и третьего пороговых блоков и первому входу дополнительного ключа, второй вход которого соединен с выходом второго элемента ИЛИ, а выход соединен со вторыми входами дискриминатора и демодулятора.