Цифровой коррелятор для обнаружения эхо-сигналов
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИН
18748 А1 (19) (11) (5И 4 G 06 F 15/336
13,"„ ..,,13
ЕВЖЛКОТР- (ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4175192/24-24 (22) 05.01.87 (46) 23. 08.88. Бюл. № 31 (71) Московский авиационный институт им. Серго Орджоникидзе (72) М.К.Ручьев (53) 681.3(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 879595, кл. G 06 F 15/336, 1981.
Авторское свидетельство СССР № 1107135, кл. G 06 F 15/336, 1983. (54) ЦИФРОВОЙ КОРРЕЛЯТОР ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ЭХО-СИГНАЛОВ (57) Изобретение относитСя к специали зированным средствам вычислительной техники и может быть использовано для обнаружения в реальном масштабе времени зхо-сигнала, имеющего доплеровское смещение частоты. Целью изобретения является повышение быстродействия при широком диапазоне неизвестных доплеровских смещений частоты эхо-сигналов. Цифровой коррелятор содержит три преобразователя 1, 9 и 13 аналог-код, преобразователь 12 код— аналог, два блока 2 и 14 преобразова. ния Фурье, два блока 3 и 15 вычисления квадрата модуля, арифметический блок 8, три 4, 10 и 16 блока задерж,ки, два блока 5 и 7 зкспоненциальной выборки, ключ 11 и блок 6 синхронизации. Повышение быстродействия достигается за счет сведения входных сигналов к виду, инвариантному к изменению их временного масштаба, вызванного доплеровским смещением частоты.
1 э.п. ф-лы, 3 ил.
1418748
Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для . обнаружения в реальном масштабе времени эхо-сигнала, имеющего доплеровское смещение частоты.
Цель изобретения — повышение быстродействия при широком диапазоне не- известных доплеровских смещений частоты эхо-сигналов. IG
На фиг. 1 изображена структурная схема пифрового коррелятора для об наружения зхо-сигналов, на фиг. 2— структурная схема блока экспоненци альной выборки; на фиг. 3 — времен, ные диаграммы, поясняющие работу уст, ройства.
Цифровой коррелятор для обнаружения эхо-сигналов (фиг. 1) содержит первый преобразователь 1 аналог-код
1 первый блок 2 преобразования Фурье, первый блок 3 вычисления квадрата модуля, второй блок 4 задержки, первый блок 5 экспоненциальной выборки, блок 6 синхронизации, второй блок 7 экспоненциальной выборки, арифметический блок 8, второй преобразователь 9 аналог — код, первый блок 10 задержки, ключ 11, преобразователь код — аналог 12, третий преобразова- 30 тель 13 аналог - код, второй блок 14 преобразования Фурье, второй блок 15 вычисления квадрата модуля, третий блок 16 задержки.
Блок экспоненциальной выборки (фиг. 2) содержит элемент 17 деления, первый 18 и второй 19 элементы умножения, экспоненциальиый преобразователь 20, генератор 21 пилообразного напряжения,l элемент 22 сравнения, 40 счетчик 23, первый 24 и второй 25 источники постоянного напряжения.
Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.
Излучаемый сигнал х,(t) подается на первый вход коррелятора и поступает на информационный вход первого преобразователя 1 аналог — код, на текущий вход которого поступают сигналы с выхода первого блока 5 экспоненциальной выборки.
Блок 5 экспоненциальной выборки (фиг. 2) работает следующим образом.
С выходов первого 24 и второго 25 источников постоянного напряжения на. входы элемента 17 деления поступают напряжения, пропорциональные соответственно Тс и Т.„ где Т вЂ” максимально возможная дпительность эхо-сигнала, Т, — интервал равномерной дискретизации сигнала х „(Г.), обеспечивающий заданную погрешность дискретизации.
На выходе элемента 18 деления формируется напряжение, пропорциональное
Т„/Т . Напряжение, пропорциональное
Ti с выхода элемента 17 деления поТс ступает на первый вход первого элемента 17 умножения, на второй вход которого поступает сигнал со счетчика 23, фиксирующего число импульсов К = 0,1, ... М формируемой экспоненциальной выборки (М + 1 — общее число импульсов в этой выборке). С выхода первого элемента 18 умножения напряжение, проТ порциональное К, поступает на вход с экспоненциального преобразователя 20„ на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное е УЪ. Это напряжение поступает на второй вход второго элемента 19 умножения, на первый вход которого поступает напряжение с выхода первого 24 источника постоянного напряжения, пропорциональное Т, .
С выхода второго элемента 19 умножения напряжение, пропорциональное
Т„е поступает на первый вход элемента 22 сравнения, на второй вход ,которого поступает напряжение с выхоl да генератора 21 пилообразного напряжения, пропорциональное времени прошедшему с начала формирования экспоненциальной выборки. В моменты
k7 Itc времени t = Т„е на выходе эле-, мента 22 сравнения формируются импуль- сы, которые затем поступают на тактирующий вход первого преобразователя 1 аналог — код.
Отсчеты экспоненциальной выборки с выхода первого преобразователя 1 аналог — код в цифровой форме поступают на вход первого блока 2 преобразования Фурье. После вычисления отсчетов спектра экспоненциальной выборки излученного сигнала они поступают на вход первого блока 3 вычисления квадрата модуля. В момент времени t = Т, + T
В первом блоке 4 задержки может быть записана М + 1 выборка. Синхронизация блока 4 задержки осуществляется посредством подачи импульсов на 20
его тактирующий вход с второго выхода блока 6 синхронизации с.периодом повторения Т . Таким образом, в первом блоке 4 задержки эа время, равное (М + 1)Т, завершится запись всех ко-25 дов отсчетов квадрата модуля спектра экспоненциальной выборки излученног о с иг нала х, (й) .
Сигнал х (г.) с выхода приемника эхо-сигналов подается на второй вход 30 коррелятора и поступает на информационный вход второго преобразователя
9 аналог - код (фиг. Зв). На его тактирующий вход поступают импульсы с третьего выхода блока 6 синхронизации с периодом следования ТЗ = NT (Т вЂ” период повторения импульсов рециркуляции). С приходом тактирующего импульса производится выборка принимаемого сигнала х (t), которая пре- 4о образуется в цифровой код и поступает на вход первого блока 10 задержки (фиг. 3r) . B первом блоке 10 задержки..может бьггь записана (N- l)-я выборка сигнала. Выборка. с выхода 45 второго преобразователя 9 аналогкод задерживается в первом блоке 10 задержки на время (N-1)Т (фиг. Зд) и через замкнутый ключ 11 вновь поступает на вход блока .10 задержки, Так как импульсы с третьего выхода блока.
6 синхронизации следуют с периодом
NT, и период циркуляции равен (N-1)Т=
= Т, то каждая последующая выборка записывается впервый блок 10 задерж55 ,ки после циркуляции предыдущей с задержкой на Т (фиг. Зг). При этом происходит запись принимаемого сообщения.и сжатие его во времени с коэффициентом сжатия,. равньпи N. В ком." пь. времени, кратные NT цеп|- циркуляции разрывается,, так как в это же время на управляющий вход ключа 11 поступает импульс с третьего выхода блока
6 синхронизации, размыкающий ключ
11. Благодаря этому, после (N-1) -й выборки записывается новая N-я в результате чего обеспечиваетоя обновление записанной реализации на одну выборку после каждой циркуляции. Процесс записи, сжатия во времени.и обновления реализации может пронэводиться неограниченно долго, что обеспечивает взаимнокорреляцнонную обработку излучаемогс и эхо-сигналов с неизвестным моментом прихода.
Объем N формируемой выборки выбирается таким образом, чтобы часть отсчетов, а именно N-М отображала эхо-сигнал максимальной длительности, т. е. (N-N<} N .Т = Тс, где (N< — 1) T =
Т я . При этом длительность каждой сжатой копии эхо †сигна равна (N-Хф}Т. Это сделано для того, чтобы между моментом окончания предыдущей и моментом начала следующей копии эхо-сигнала остался промежуток времени, равный (N „ )Т, котсрый необходим для вычисления преобразования
Фурье экспоненциальной выборки очередной копии эхо-сигнала (фиг. Зe}.
С выхода первого блока 10 задержки выборки в виде цифровых кодов поступают на вход преобразователя 12 код-аналог, на выходе которого формируются сжатые копии принятого сигна". ла (фиг. Зе) . Причем каждая следующая копия отличается от пр едьдущей эа счет обновления записанной реализации на одну выборку.
Сформированные копии эхо-сигналов поступают на информационный вход третьего преобразователя 13 аналог-код,. на тактирующий вход которого поступа-. ют импульсы из второго блока 7 экспоненциальной выборки (фнг. Зж}, обеспечивающего дискретизацию очередной копии эхо- сигнала. Второй блок
7 экспоненциальной выборки начинает формировать очередную экспоненциальную выборку в моменты времени„ кратные NT. его работа начинается с прихода на входы счетчика 23 и генератоi.pa 21 пилообразного напряжения блока
7 экспоненциальной выборки очередного импульса с третьего выхода блока
6 синхронизации. Этот импульс эапус748
5 1418 кает генератор 21 пилообразного напряжения и обнуляет счетчик 23. Параметры работы второго. блока 7 экспоненциальной выборки иные чем у nepf
5 вого. Так, длительность рабочего хода генератора 21 пилообразного напряжения равна (N-Иф)Т = Т . Этой же веичине пропорционально йапряжение второго источника 25 постоянного напряжения второго блока 7 экспоненци л ьной выборки, а напряжение первого источнике 24 постоянного напряжения пропорционально величине Т = Т /N.
Экспоненциальная выборка очередной копии эхо-сигнала определяется в мо=
I менты времени t = Т е (К = 0 1, ...,M), отсчитываемые от ее начала (фиг. Зж), При этом L = Т /Т = 1/N и макс t = Т . Поскольку NT = (N—
Иф) T + Tgq ф 1 то предпоследний такт вычисления преобразования Фурье экспоненциальной выборки.в блоке 14 преОбразования Фурье закончится как раз в тот момент, когда на втором выходе 25 блока 6 синхронизации начинает формироваться очередная пачка из М+1-го импульса с периодом повторения Т .
Быстродействие блоков 2 и .14 преобразования Фурье должно отвечать усло" 30 вию (М+1)Т + Тздф,(NT, Импульсы со второго выхода блока 6 синхронизации поступают на тактирующие входы второгo 4и третьего 16 блоков задержки.
ОдновРеменно с ними на информационный вход третьего блока .16 задержки поступают коды отсчетов квадрата модуля спектра экспоненциальной выборки очередной копии эхо-сигнала, сформированные на выходе второго блока 15 40 вычисления квадрата модуля. В третьем блоке 16 задержки также как и во втором может быть записана (М+1)-я выборка. Подача тактирующих импульсов с выхода блока 6 синхронизации на так- 45 тирующий вход второго блока 4 задержки обеспечивает последовательное считывание кодов всех M+1 отсчетов квад-.. рата модуля спектра экспоненциальной выборки излученного сигнала на пер- 50 вый информационный вход арифметического блока 8 (фиг. Зз) и одновременную их перезапись во втором блоке 4 задержки для многократного последую.— щего повторения. Одновременно те же тактирующие импульсы, поступая на тактирующий вход третьего блока 16 задержки, обеспечивают последовательное считывание кодов всех M+1 отсчеб тов квадрата модуля спектра экспоненциальной выборки предыдущей копии эхо-сигнала на второй информационный вход арифметического блока (фиг. Зи) и одновременную запись на освободившееся место в третьем блоке 16 задержки кодов всех М+1 отсчетов обработанной очередной копии эхо-сигналов.
Арифметический блок 8 .выполняет попарное .перемножение отсчетов с выходов второго 4 и третьего 16 блоков задержки по мере их поступления и суммирование полученных произведений в накапливающем. сумматоре арифметического блока 8. На управляющий вход арифметического блока 8 поступают импульсы с третьего выхода блока 6 синхронизации для обнуления накапливающего сумматора после каждой циркуляции сигнала, записанного во втором блоке 4 задержки. За время одной циркуляции вычисляется один отсчет взаимнокорреляционной функции между квадратом модуля спектра экспоненцИальной выборки излученного сигнала и квадратом.модуля спектра экспоненциальной выборки очередной обновлениой копии сжатorо эхо-сигнала.
Доплеровское смещение эхо-сигнала
x z(t) приводит к изменению его временного масштаба по сравнению с излученным сигналом х,(t) . В устройстве влияние различий временного масштаба сигналов х,(t) и х (t) на качество его работы устраняется преобразованием этих сигналов к виду,. инвариантному к изменению временного масштаба.
Это преобразование основано на формировании выборки сигналов с экспоненциальным шагом дискретизации. Такая процедура эквивалентна замене переменных t = е . Если изменился временной масштаб сигнала S(t).и сигнал при-. нял вид S(at), то после замены переменных
Vf(v) =S(a e )- () = q,(v+1na) где q.(ч) = Я(е )
Как следует из приведенных соотношений, изменение масштаба сигнала в а раз трансформировалось в сдвиг по новой переменной v на 1па. Этот сдвиг затем устраняется посредством вычисления квадрата модуля преобразования
Фурье от сформированной выборки сигна- ла ° Таким образом, экспоненциальная дискретизация сигнала в сочетании с
1А18748 процедурой вычисления квадрата моду-, ля преобразования Фурье позволяет трансформировать исходные сигналы к виду инвариантному к изменению .вре5 менного масштаба. Сформированные таким образом сигналы не инвариантны к сдвигу исходных сигналов. Поэтому максимальное значение взаимнокор-реляционной функции межпу преобразованным излученным сигналом и очередной обновленной копией преобразованного эхо-сигнала будет получено в тот момент, когда сдвиг во времени между ними будет отсутствовать, 15
Формула изобретения
1. Цифровой коррелятор для обнаружения эхо-сигналов, содержащий пер- 2б вый преобразователь аналог-код, информационный вход которого является входом излученного сигнала коррелятора, три блока задержки, арифметический блок, выход которого является 25 выходом коррелятора, ключ, блок синхронизации H второй преобразователь аналог-код, информационный вход которого является входом эхо-сигнала коррелятора, а выход соединен с информа- 30 ционным,входом первого блока задержки, выход которого соединен с информационным входом ключа, выход которого соединен с информационным входом первого блока задержки, выход вто- З5 рого блока задержки подключен к пер- вому информационному входу арифметического блока, о т л и ч а ю щ и и —, с я тем, что, с целью повышения быстродействия, в него введены два блока 4б преобразования Фурье, два блока вычисления квадрата модуля, два блока экспоненциальной выборки, преобразователь код — аналог и третий преобразователь аналог — код, причем выход первого преобразователя аналог — код через последовательно соединенные первый блок преобразования Фурье и первый блок вычисления квадрата модуля подключен к информационному входу 5б второго блока задержки, выход которого соединен с его информационным вхо- дом через монтажное ИЛИ, выход первого блока задержки через преобразователь код-аналог соединен с информа ционным входом третьего преобразова1 теля аналог-код, выход которого через последовательно соединенные второй блок преобразования Фурье и второй блок вычитания квадрата модуля под- ключен к информационному входу трЕтьего блока задержки, выход которого соединен с вторым информационным входом арифметического блока, первый выхоц блока синхронизации через первый блок экспоненциальной выборки подключен к тактирующему входу первого преобразователя аналог-код, второй выход блока синхронизации соединен с тактирующими входами второго и третьего блоков задержки, третий выход блока синхронизации соединен с управляющими входами арифметического блока и ключа тактирующим входом второго преобразователя аналог-код и через второй блок экспоненциальной выборки . с тактирующим входом третьего преобразователя аналог-код, четвертый выход блока синхронизации поцключен к тактирующему входу первого блока задержки.
2. Коррелятор по п. 1, о т л ич а ю шийся тем, что блок экспоненциальной выборки содержит цва источника постоянного напряжения, два ,элемента умножения, экспонепциальный преобразователь, генератор пилообразного напряжения, элемент сравнения, счетчик и элемент деления, вход делимого которого подключен к выходу первого источника постоянного напряжения, вход делителя элемента деления соединен с выходом второго источника постоянного напряжения, а выход подключен к первому входу первого элемента умножения, выход которого через экспоненциальньш преобразователь соединен с первым входом второго элемента умножения, второй вход которого соединен с входом делимого элемента деления, а выход подключен к первому входу элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, вход запуска которого, являющийся входом блока, соединен с входом сброса счетчика, счетный вход которого соединен с выходом элемента сравнения, являющимся выходом блока, а выход счетчика соединен с вторым входом первого элемента умножения.
1418748
Составитель Е.Хуртин
Редактор Г.Волкова Техред И.Попович КоРРектоР Л.Патай
Заказ 4 156/48 Тираж 704 Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5
Производственно"полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4
