Устройство для цифровой обработки сигналов Советский патент 1981 года по МПК G01R23/16 G01S9/44 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

I

Изобретение относится к радиоиз- мерительной технике и может быть использовано в радиолокадии, радионавигации и, в частности, в радиотехнических системах траекторных измерений .

Известен цифровой панорамный измеритель частоты, содержащий последовательно соедияенные генератор тактовых импульсов, счетчик импульсов, стробируемый дешифратор, запоминающий блок, блок сумматоров, квадратор и решвющий блок, а также блок формирования импульсов нулей, выход которого подключен к первому входу стробируемого дешифраторами

Указанный измеритель к концу интервала измерения длительностью Т формирует спектр сигнала, по координатам максимума которого производится оценка частоты fg, исследуемого сигнала U(t).

Недостатком устройства является низкая; точность измерения несущей

частоты короткого радиоимпульса в случае, если момент прихода его неизвестен.

Наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению является устройство для цифровой обработки сигналов, содержащее первый счетчик, первый ключ, буферный регистр, блок вычитания, запоминающий блок, блок запрета и распределитель,;

10 к М выходам которого подключены М блоков накапливающих сумматоров, выходы которых подключены к соответствующим входам буферного запоминающего устройства, выходы которого под

IS ключены ко входам последовательно соединенных квадратора, реша:ющего устройства, к управляющему входу первого ключа подключены последовательно соединенные блок формирования

20 импульсов нулей и делитель, выход блока вычитания через схему сравнения с порогом подключен к управляющему входу схемы запрета; последовательно соединенные триггер, второй ключ и второй счетчик, первый вход которого соединен с установочным вхо дом триггера; последовательно соединенные блок памяти, третий ключ, накапливающий сумматор 2D. Это устройство формирует отсчеты -кг выходного эффекта, по которому принимается решение о наличии или отсутствии сигнала при фиксированной задержке D . Недостатками.известного устройства являются невысокое быстродейст вие, так как вычисление выходного эффекта Y (f) начинается после :завершения всех отсчетов комплексного выходного эффекта {Y(&.,)1 ; бллыдой аппаратурный объем (М сумматоров); радиосигнал обнаруживается на временных интервалах ограниченной длительности. Цель изобретения - повышение быст родействия, снижение аппаратурного объема и расширение функциональных возможностей устройства. Поставленная цель достигается тем что в устройство для цифровой обработки сигналов,, содержащее первый счетчик, последовательно соединенные формирователь импульсов нуль-пересечений, делитель, первый ключ, бу ферный регистр, пеовый блок вычитания и блок постоянной памяти последовательно соединенные квадоатор и решакяций блок последовательно со-; единенные блок памяти, второй ключ и первый накапливающий сумматор, вы ходы которого подключены ко вторым входам первого блока вычитания, выход делителя подключен к управляющем входу триггера и установочному входу первого накапливающего сумматора, к выходу триггера подключены последовательно соединенные третий ключ и второй счетчик, выход котооого под ключен к установочному входу триггера, последовательно соединенные пороговый блок и блок запрета, а также блок накаштаваяяцих сумматоров, введены два кпкта, вторые блок вычита,ния и накапливающий сумматор, элемент ИЛИ и последовательно соединенjBiie второй блок запрета и блок переменной памяти, выход которого подключен к первому входу блока накапли вающих мматоров, выход первого бл ка запрета соединен с управляющими входами четвертого и пятого ключей, второго блока запрета и первым входо элемента ИЛИ, выходы блока памяти через последовательно соединенные четвертый ключ и второй накапливающий сумматор подключены к первым входам второго блока вычитания, выходы которого подключены в входам порогового блока и первого ключа, выходы . блока постоянной памяти через блок накапливающих сумматоров соединены с входами второго блока запрета и пятого ключа, выходы которого соединены с входами квадратора, выход третьего ключа подключен к управлякидему входу второго ключа и второму входу элемента ИЛИ, выход, которого соединен с тактирующим входом блока перемен- ной памяти, выход триггера подключен к управляющему входу первого блока запрета, выходы первого счетчика соединены с входами второго блока вычитания. На чертеже представлена структурная электрическая схема устройства. Устройство содержит первый счетчик 1, блок 2 вычитания, первый ключ 3, буферный регистр 4, блок 5 вычитания, блок 6 постоянной памяти, блок 7 накапливающих сумматоров, ключ 8, квадратор 9, решающий блок 10, пороговый блок 11 и первый блок 12 запрета, блок 13 памяти, ключ 14, накапливающие сумматоры 15,16, ключ 17, триггер 8, ключ 19 и второй счетчик 20, элемент ИЛИ 21, блок 22 переменной памяти, второй блок 23 запрета, формирователь 24 импульсов нульпересечений и делитель 25. На входы . 26 и 27 устройства от внешнего синхронизатора (на чертеже не показан) подаются импульсы-Сответственно счет ной и тактовой частот. Измерительный сигнал подается на вход 28 форми рователя 24 импульсов нуль-пересечнний, являющийся сигнальным входом всего устройства. Устройство работает следукмцим образом, В момент начала измерения обнуляются счетчик 1, блок 7 сумматоров, накапливакидие сумматоры 16 и 15, счетчик 20 и блок 22 переменной памяти. После этого на вход 26 счетчика 1 начинают поступать от внешнего синхронизатора (на рисунке не показан) импульсы счетной частоты, а на вход 17 ключа 19 импульсы тактовой чао тоты. Одновременно на вход 28 формирователя 24 импульсов нуль-пересечений поступает измерительный сигнал U(t) , представляю ций собой смесь узкополосной нормальной помехи h(t) и импульсного радиосигнала SHJ известной формы длительностью Т.. . Пред полагается, что спектр смеси сигнала и помехи полностью сосредоточен в п лосе fe(f,-F , f(3+ F) , где ffl- центра льная частота полосы 2F спектра смеси, причем kf. Формирователь 24 импульсов нуль пересечений вырабатывает короткие импульсы в момент положительного перехода сигнала U(t) через нулевую ось амплитуд. Делитель 25 прореживает в п раз поток поступающих на его вход импульсов нуль-пересечений, где п выбирается из условия ф-fПервый импульс с выхода делителя 25 открывает на короткий временной интервал ключ 3, через который в буфёршлй регистр 4 с выхода блока 2 вы читания переписывается двоичное числ соответствующее моменту t первого из прореженных делителем 25 импульсов нуль-пересечений, модифицированкое с помощью константы constn , находящейся в накапливающем сумматоре 15. Измерение времени реализации t осуществляется по отношению к моменту t 0. В исходный момент содержимое сумматора 15 равно нулю, и момент первого нуль-пересечения не модифицируется . Импульс с выхода делителя 25 уста навливает накапливающий сумматор 16 в состояние О, а триггер 18 - в состояние 1. Ключ 19 открьгаается, и через него на счётный вход счетчика 20, на управляющий вход ключа 17 и через элемент ИЛИ 21 - на тактирующий вход блока 22 переменной памяти начинают поступать импульсы тактовой частоты. Счетчик 20, осуществ. ляющий счет по модулю М (т.е. обну-ляется, как только его содержимое рревысит М), в момент обнуления возвращает в исходное состояние О триггер 18, в результате чего прохождение импульсов тактовой частоты через ключ 19 прекращается. Тактовая частота данном устройстве должна выбираться так, чтобы полное запо нение и обнуление счетчика 20 всегда происходило до прихода очередного импульса нуль-пересечения с выхода делителя 25. Математически указанное ограничение на тактовую частоту fтакт запишется в виде где М - число одновременно (параллельно) анализируемых в данном устройстве текущих дискретных задержек ук. const + k 1 ,М, на которых -призводится обнаружение - измерение наблюдаемого на фоне шумов импульсного радиосигнала S(t). Const представляет собой число, записанное в -: сумматоре 15, а величина kif формируется в процессе работы устройства всумматоре 16 с помощью блока памяти 13 и ключа 17. Физически const,, соответствует наибольшей из дискретных задержек, на которой выходной эффект уже сформирован. Как и в известном устройстве, обнаружение импульсного радиосигнала при фиксированной задержке const,,+ kalT производится путем согласованной фильтрации 4ir) где h - комплексная импульсная характеристика принимаемого сигнала, отличная от нуля при значении аргумента k - число прореженных нуль-пересечений смеси сигнала и шума в моменты t|, для которых при данном значении постоянной t, аргумент Xf,. constjj - kifудовлетворяет условиямnl 0 ni TC В номер первого из нуль-пересечеий tn в группе, для которых услоие (1) выполняется. Численно веичина k примерно равна произведению олосы 2F спектра наблюдаемой смеси а длительность Т информационно го-i мпульсного сигнала S(t), (k2s2F«Tc). ля формирования всех одновременно нализируемых отсчетов выходного эфекта используются блок 7 сумматоов и блок 22 объемом М комплексных исел, где М - число одновременно . нализируемых значений задержки (). С приходом itttnynbca нуль-пересеения ключ 19 открывается, и черезнего на управляющий вход ключа I7 поступает первый импульс тактовой частоты, по которому осуществляется засылка (путем сложения с содержимым, равным в этот момент нулю) из блока 13 памяти в сумматор 16 const, численно равной дТ. Сигналы С выхода буферного регистра 4, сумматора 16 поступают на соответствующие входы блока 5 вычитания, в результате чего происходит формирование аргумента импульсной характеристики h(x) информационного импульс ного сигнала S(t) при первом нульпересечении t для дискретной задерж ки ur(k 1) X : t -0-Ai Синхронизация работы блока 5 вычи тания осуществляется тактовой частотой (вычитание выполняется в момент поступления чисел с выхода накапливающего сумматора 16 на вторые входы блока 5 вычитания). Двоичный код, со ответствующий сформированному значению аргумента x.j импульсной характеристики, с выхода блока 5 вычитания поступает на адресные шины блока 6, результате чего осуществляется выбор ка заранее записанной в нем строки данных - комплексного числа, соответствующего значению импульсной характеристики h(x) при данном дискре ном значении аргумента х/)-,. Упомянутая строка данных поступ.ет на первый вход блока 7 сумматоров, на второй вход которого (под воздействием импульса тактовой частоты, проходяще го через элемент ИЛИ 21) подается Число, хранящееся в первой строке блока 22. По импульсу тактовой часто ты содержимое всех строк блока 22 переменной памяти перезаписывается, смещаясь на одну строку по направлению ко входу блока 7 сумматоров. Результат сложения через открытый блок 23 запрета записывается в освободивщуюся последнюю - М-ю строку блока 22 переменной памяти. С приходом очередного тактового импульса к содержимому накапливающего сумматора 16 добавляется величина utr. С помощью блока 5 вычитания осуществляется вычисление аргумента импульсной характеристики при следующем дискретном значении задер ки С; 2ьТ , при которой вычисляет ся значение выходного эффекта (4) 8 Чтение соответствующей аргументу строки блока 6 и сложение с содержимым следующей строки данных блока 22 (которая поступает на второй вход блока 7 сумматоров под воздействием следующего импульса тактовой частоты) позволяет учесть вклад нуль-пересечения t в значение выходного эффекта при задержке 2uf. Повторение указанной процедуры М раз позволяет учесть вклад нуль-пересечения t во все М параллельно формируемые отсчеты выходного эффекта С ( )} . После прихода М-ного импульса тактовой частоты счетчик 20 обнуляется, одновременно возвращая в исходное состояние О триггер 18, и ключ 19 закрывается. На этом цикл обработки информации, содержащейся в зарегистрированном нуль-пересечении Ц смеси сигнала и шума, заканчивается. За М тактов содержимое блока 22 переменной памяти циклически смесг тилось на М слов, т.е. к моменту прихода импульса очередного нуль-пересечения в первой строке 22 снова находится отсчет комплексного выходного эффекта, соответствующий первой из анализируемьпс задержек &f . С приходом импульса очередного нуль-пересечения с выхода делителя 25 на управляющий вход ключа 3 производится перезапись содержимого выходного регистра блока 2 вычитания в буферный регистр 4. Этот же импульс обнуляет сумматор 16 и устанавливает в О триггер 18, в результате чего повторяется цикл обработки информации, содержащейся во временном положении очередного зарегистрированного импульса нуль-пересечения смеси сигнала и щума. Как уже отмечалось, импульсная характеристика h(x) сигнала S(t) отлична от нуля только при значениях аргумента О . Поэтому, если -е нуль-пересечение зарегистрировано в момент tpTTc+uf, оно уже не должно использоваться для формирования выходного эффекта при Vi ЛТ. Более того, ни один из последующ 1х импульсов нуль-пересечений t также не удовлетворит условию ненулевых значений импульсной характеристики. Это означает, что комплексный выходной эффект для значения задержки лТ сформирован полностью, и он может быть переслан из первой ячейки блока 22 через блок 7 сумматоров, ключ 8 и квадратор 9 в решающий блок 10. Опознание момента времени, в который необходимо прекратить накопление первого (очередного) отсчета выход1|ого эффекта, осуществляется с по мощью подключенного к выходу, блока вычитания порогового блока 11. Появление сигнала превыщения порога в | блоке 11 никак не связано с импульсами нуль-пересечений измерительного сигнала и поэтому с большой вероя ностью может произойти в то время, когда устройство занято обработкой информации, заключающейся в последнем из зарегистрированных нуль-пересечений . Чтобы обеспечить отсутствие сбоев за счет несинхронной работы, сигнал превьшения порога запоминается в блоке 11 до окончания циклической процедуры по обработке последнего импульса нуль-пересечения - учету вклада за счет этого нуль-пересечения во все М формируемых отсчетов комплексного выходного эффекта. В мо мент ее завершения триггер 18 возвращается в исходное состояние, блок 12 запрета открывается, и сигнал с выхода порогового блока 11 через элемент ИЛИ 21 поступает на тактирую щий вход блока 22 переменной памяти. Под воздействием указанного импульса первая строка данных из блока 22 комплексное числр соответствующее комплексному выходному эффекту Yft) через блок 7 для задержки сумматоров и открытый ключ 8 поступа ет в квадратор 9, где вычисляется квадрат его модуля 1У(С )1 .Вычислен кое значение отсчета выходного эффек та Y (t ) поступает в решаюпщй блок 10. Так как первый (очередной) отсчет выходного эффекта уже сформирован и передан в решающий блок, в блоке 22 освобождается М-ная строка, в которой может быть начато формирование последующего (текущего) отсчета выходного эффекта для значения задерж ки tjj (М + Ол. Чтобы обнулить указанную строку блока 22 переменной памяти, в момент подачи импульса от порогового блока 11 через элемент ИЛИ 21 на тактирующий вход блока 22 закрывается блок 23 запрета. Сигнал с выхода блока 11 через блок 12 зап рета поступает также на управляющий вход ключа 11, что ведет к увеличению содержимого накапливающего сумматора 15 на дТ. С поступлением очередных нуль-пересечений t ri устройство продолжает циклическую обработку заключакицейся в их временном положении информации до тех ЧОР, пока снова не будет зафиксировано превышение порога в блоке II. Это означает, что очередной отсчет комплексного выходного эффекта сформирован полностью. После выполнения необходимых операций по пересылке отсчета выходного эффекта в решающее устройство и увеличения constn в накапливающем сумматоре 15 на величину дТГ обработка последующих Hyjib-пересечений продолжается. Длительность интервала наблюдения; в течение которого непрерывно формируются отсчеты выходного эффекта ограничивается лишь разрядностью счетчика 1, накапливающего сумматора 15 и блока 2 вычитания. Аппаратурный объем данного устройства существенно меньше, чем известного C2J. Данное устройство содержит всего один блок сумматоров при практи чески неограниченной длительности интервала наблюдения, тогда как известное устройство для обеспечения анализа на интервале наблюдения Тц должно содержать (МхТц )/Гр сумматоров, где М - число разрешимых элементов по дальности, укладывающихся на длительности информационного сигнала обычно M-J 10. Быстродействие данного устройства выше, чем известного, поскольку вычисление квадрата модуля отсчета комплексного выходного эффекта выполняется в текущем времени - все сформированные отсчеты Y(t,) с временньш шагом uf подаются на вход квадратора, где по ним вычисляются отсчеты Y(tr,-). В настоящем устройстве на длительность интервала наблюдения никаких принципиальных ограничений не накладагаается, и ояо может использоваться например для фиксации одиночных сооб щений (разовых команд), время прихода которых априорно известно, например, с (ТОЧНОСТЬЮ до нескольких часов. Формула изобретения Устройство для цифровой обработки игналов, содержащее первый счетчик.

оследовательно соединенные формироатель импульсов нуль-пересечений, елитель, первый ключ, буферный per гистр, первый блок вычитания и блок остоянной памяти, последовательно соединенные квадратор и решающий блок, последовательно соединенные блок памяти, второй ключ и первый накапливающий сумматор, выходы которого подключены ко вторым входам первого блока вычитания, выход делителя подключен к управляющему входу триггера и установочному входу первого накапливающего сумматора, к выходу триггера подключены последовательно соединенные третий ключ и второй счетчик, выход которого подключен к установочному входу триггера, последовательно соединенные пороговый блок и блок запрета, а также блок накапливающих сумматоров, отличающееся тем, что, с целью повьшения быстродействия, снижения аппаратурного объема и расширениям функциональных возможностей, в него введены два ключа, вторые блок вычитания и накапливаниций сумматор, элемент ИЛИ и последовательно соединенные второй блок запрета и блок переменной памяти, выход которого I, подключен к первому входу блока сум. маторов, выход первого блока запрета

соединен с управляющими входами четвертого и пятого ключей второго блока запрета и первым входом злемента ИЛИ, выходы блока памяти через последовательно соединенные четвертый ключ и второй накапливающий сумматор подключены к первым входам второго блока вычитания, выходы которого подключены к входам порогового блока и первого ключа, выходы блока постоянной памяти через блок накапливающих сумматоров соединены с выходами второго блока запрета и пятого ключа, выходы которого соединены со входами квадратора, выхрд третьего ключа подключен к управляющему входу второго ключа и второму входу элемента ИЛИ,, выход которого соединен с. тактирую - пщм входом блока переменной памяти,

выход триггера подключен к управляющему входу первого блока запрета, выхо ды первого счетчика соединены с входами второго блока вычитания.

о

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе I. Заявка № 2551687/18-21,

кл, G 01 R 23/16; G О S 9/44,

кл. G 01 R 23/J6; G 01 S 9/44,

21.02.80 (прототип.