Ортогонализатор квадратурных составляющих сигнала

 

Изобретение относится к радиолокации, к технике приема и обработки сигнала в цифровом виде. Технический результат заключается в повышении точности ортогонализации квадратурных составляющих сигнала. Ортогонализатор квадратурных составляющих сигнала содержит последовательно включенные первый умножитель, первый интегратор, второй умножитель, третий умножитель и первый сумматор, последовательно включенные четвертый умножитель, второй интегратор и инвертор. Первый вход первого умножителя и второй вход первого сумматора объединены и образуют первый вход ортогонализатора. Второй вход первого умножителя, второй вход третьего умножителя, первый и второй входы четвертого умножителя объединены и образуют второй вход ортогонализатора, который одновременно является его вторым выходом. Выход первого сумматора является первым выходом ортогонализатора, а выход инвертора подключен к второму входу второго умножителя. Согласно изобретению в него введены последовательно включенные первый ключ, пятый умножитель, третий интегратор, второй ключ, блок памяти и второй сумматор, а также синхронизатор. При этом выход синхронизатора подключен к входам управления первого и второго ключей, информационный вход первого ключа - к второму входу ортогонализатора, второй вход пятого умножителя - к выходу первого ключа, второй вход второго сумматора - к выходу второго интегратора, выход второго сумматора - к входу инвертора. 3 ил.

Изобретение относится к радиолокации, в частности к технике радиолокационного приема и обработки сигналов в цифровом виде.

Известно устройство для формирования ортогональных кватурных состовляющих сигналов в цифровом виде [1], содержащее два фазовых детектора, генератор опорного сигнала, фазовращатель, два аналого-цифровых преобразователя. Однако данное устройство не обеспечивает высокой точности ортогонализации квадратурных составляющих сигнала из-за невозможности технически выполнить фазовые детекторы и аналого-цифровые преобразователи с абсолютно идентичными характеристиками.

Из известных устройств ортогонализации квадратурных состовляющих сигнала наиболее близким по своей технической сущности является ортогонализатор [2], содержащий последовательно включенные первый умножитель, первый интегратор, второй умножитель, третий умножитель и сумматор, последовательно включенные четвертый умножитель, второй интегратор и инвертор, причем первый вход первого умножителя и второй вход сумматора объединены и образуют первый вход оргонализатора, второй вход первого умножителя, второй вход третьего умножителя, первый и второй входы четвертого умножителя объединены и образуют второй вход ортогонализатора, который одновременно является его вторым выходом, выход сумматора является первым выходом ортогонализатора, а выход интертора подключен к второму входу второго умножителя, который выбран в качестве прототипа.

Принцип работы данного ортогонализатора квадратурных составляющих сигнала заключается в вычислении коэффициента корреляции между входными сигналами и вычитании из напряжения первого входного сигнала напряжения второго входного сигнала, умноженного на нормированный коэффициент корреляции между входными сигналами. При этом формируемые на выходах ортогонализатора сигналы некоррелированы и, следовательно, ортогональны.

Однако ему присуща недостаточно высокая точность ортогонализации квадратурных составляющих сигнала при малом отношении сигнал/шум.

Цель изобретения - обеспечение повышения точности ортогонализации квадратурных составляющих сигнала при малом отношении сигнал/шум за счет исключения влияния шума на точность формируемого нормированного коэффициента корреляции.

Поставленная цель достигается тем, что в ортогонализатор квадратурных составляющих сигнала, принятый за прототип, содержащий последовательно включенные первый умножитель, первый интегратор, второй умножитель, третий умножитель и сумматор, последовательно включенные четвертый умножитель, второй интегратор и инвертор, причем первый вход первого умножителя и второй вход сумматора объединены и образуют первый вход ортогонализатора, второй вход первого умножителя, второй вход третьего умножителя, первый и второй входы четвертого умножителя объединены и образуют второй вход ортогонализатора, который одновременно является его вторым выходом, выход сумматора является первым выходом ортогонализатора, а выход инвертора подключен к второму входу второго умножителя, согласно изобретению дополнительно введены последовательно включенные первый ключ, пятый умножитель, третий интегратор, второй ключ, элемент памяти и второй сумматор, а также синхронизатор, при этом выход синхронизатора подключен к входам управления первого и второго ключей, информационный вход первого ключа - к второму входу ортогонализатора, второй вход пятого умножителя - к выходу первого ключа, второй вход второго сумматора - к выходу второго интегратора, выход второго сумматора - к входу инвертора.

Существенным отличием изобретения является то, что введены первый и второй ключи, пятый умножитель, третий интегратор, элемент памяти, второй сумматор и синхронизатор, благодаря чему исключается влияние шума на точность формируемого нормированного коэффициента корреляции квадратурных составляющих сигнала и, следовательно, повышается точность ортогонализации квадратурных составляющих сигнала при малом отношении сигнал/шум.

Аналогов подобного решения авторами не обнаружено, что подтверждает наличие существенного отличия.

Изобретение будет понятно из следующего описания и приложенных к нему чертежей.

На фиг.1 приведена структурная электрическая схема прототипа, на фиг.2 приведена электрическая структурная схема предлагаемого ортогонализатора квадратурных составляющих сигнала, на фиг.3 приведены графики зависимости величины выходного напряжения второго умножителя от величины входного отношения сигнал/шум для прототипа и предлагаемого ортогонализатора.

На чертежах и в тексте приняты следующие обозначения:

1 - первый умножитель;

2 - первый интегратор;

3 - второй умножитель;

4 - третий умножитель;

5 - первый сумматор;

6 - четвертый умножитель;

7 - второй интегратор;

8 - инвертор;

9 - первый ключ;

10 - пятый умножитель;

11 - третий интегратор;

12 - второй ключ;

13 - элемент памяти;

14 - второй сумматор;

15 - синхронизатор.

Ортогонализатор квадратурных составляющих сигнала (см. фиг.2) содержит последовательно включенные первый умножитель 1, первый интегратор 2, второй умножитель 3, третий умножитель 4 и первый сумматор 5, последовательно включенные четвертый умножитель 6, второй интегратор 7 и инвертор 8, причем первый вход первого умножителя 1 и второй вход первого сумматора 5 объединены и образуют первый вход ортогонализатора, второй вход первого умножителя 1, второй вход третьего умножителя 4, первый и второй входы четвертого умножителя 6 объединены и образуют второй вход ортогонализатора, который одновременно является его вторым выходом, выход первого сумматора 5 является первым выходом ортогонализатора, выход инвертора 8 подключен к второму входу второго умножителя 3, последовательно включенные первый ключ 9, пятый умножитель 10, третий интегратор 11, второй ключ 12, элемент памяти 13 и второй сумматор 14, а также синхронизатор 15, при этом выход синхронизатора 15 подключен к входам управления первого 9 и второго 12 ключей, информационный вход первого ключа 9 - к второму входу ортогонализатора, второй вход пятого умножителя 10 - к выходу первого ключа 9, второй вход второго сумматора 14 - к выходу второго интегратора 3, выход второго сумматора 14 - к входу инвертора 8.

Ортогонализатор квадратурных составляющих сигнала (фиг.2) работает следующим образом.

Аддитивные смеси первой квадратуры сигнала и шума V₁+n₁ и второй квадратуры сигнала и шума V₂+n₂ с выходов аналого-цифровых преобразователей (на чертежах не показаны) квадратурных каналов радиолокационного приемника подаются соответственно на первый и второй входы ортогонализатора квадратурных составляющих сигнала. Данные напряжения (здесь и далее в тексте под напряжением понимаются отсчеты напряжения, записанные в двоичном коде) поступают на входы первого 1 и четвертого 6 умножителей, на выходах которых формируются напряжения (V ₁+n₁)(V₂+n₂) и (V ₂+n₂)(V₂+n₂) соответственно.

В первом 2 и втором 7 интеграторах осуществляется временное усреднение упомянутых выше напряжений, при этом на их выходах формируются напряжения и соответственно; черта сверху означает временное усреднение (входные шумы n₁ и n₂ статистически независимы и поэтому входные шумы n₁ и n₂ и входные квадратуры сигнала V₁ и V₂ также статистически независимы и поэтому , i, j=1, 2).

Напряжение с выхода второго интегратора 7 поступает на вход инвертора 8, в котором осуществляется инвертирование напряжения. При этом на выходе инвертора 8 формируется напряжение Напряжение с выходов первого интегратора 2 и инвертора 8 поступают соответственно на первый и второй входы второго умножителя 3, на выходе последнего формируется напряжение равное нормированному коэффициенту корреляции между квадратурными составляющими сигнала. В третьем умножителе 4 осуществляется умножение напряжения с выхода второго умножителя 3 и напряжения, поступающего на второй вход ортогонализатора. Выходное напряжение третьего умножителя 4 поступает на первый вход первого сумматора 5, на второй вход последнего подается напряжение, поступающее на первый вход ортогонализатора. При этом на выходе первого сумматора 5 формируется напряжение некоррелированное (следовательно, ортогональное) с напряжением, поступающим на второй вход ортогонализатора. Таким образом, на выходах ортогонализатора формируются ортогональные квадратурные составляющие сигнала.

Однако при малом отношении сигнал/шум вычисляемый нормированный коэффициент корреляции W будет значительно отличаться от истинного, что обусловлено влиянием шумов n₂. В результате существенно ухудшится точность ортогонализации квадратурных составляющих сигнала на выходах ортогонализатора.

Для исключения влияния шумов n₂ на точность формируемого нормированного коэффициента корреляции W в ортогонализатор квадратурных составляющих сигнала (фиг.2) введены последовательно включенные пятый умножитель 10, третий интегратор 11 и второй сумматор 14. На выходе третьего интегратора 11 формируется напряжение , которое вычитается во втором сумматоре 14 из выходного напряжения второго интегратора 7 . Таким образом, на выходе второго сумматора 14 формируется напряжение , не зависящее от мощности шумов n₂.

Для подключения входов пятого умножителя 10 к второму входу ортогонализатора на интервалах времени, когда на входы ортогонализатора не поступают квадратуры сигнала, в ортогонализатор (фиг.2) введены синхронизатор 15 и управляемые импульсами напряжения с выхода синхронизатора 15 первый 9 и второй 12 ключи. Например, в импульсном радиолокаторе выходные импульсы напряжения синхронизатора 15 будут замыкать нормально разомкнутые первый 9 и второй 12 ключи в конце периода зондирования, когда на вход приемника радиолокатора не поступают эхосигналы от целей.

Для запоминания значения выходного напряжения третьего интегратора 11 в течение времени, когда первый 9 и второй 12 ключи разомкнуты, в ортогонализатор (фиг.2) введен элемент памяти 13.

Так как все блоки устройства являются широко известными в радиотехнике, то реализация устройства не представляется трудной.

Таким образом, благодаря включению в ортогонализатор квадратурных составляющих сигнала дополнительных блоков 9-15 с новыми функциональными связями удается устранить влияние шумов на точность формируемого нормированного коэффициента корреляции и повысить, следовательно, точность ортогонализации квадратурных составляющих сигнала при малом отношении сигнал/шум.

Для подтверждения работоспособности и оценки эффективности предлагаемого ортогонализатора квадратурных составляющих сигнала авторами было проведено математическое моделирование его на ЭВМ. В результате проведенных исследований были получены зависимости величины выходного напряжения второго умножителя W₁ и W₂ соответственно для прототипа и предлагаемого ортогонализатора от величины отношения сигнал/шум на втором входе ортогонализатора представленные на фиг.3. Данное напряжение представляет собой нормированный коэффициент корреляции между входными напряжениями ортогонализатора. Видно, что при малых отношениях сигнал/шум g=(1...100) величина вычисляемого в прототипе нормированного коэффициента корреляции W₁ существенно зависит от g, в то время как для предлагаемого ортогонализатора аналогичная величина W₂ не зависит от g. При g=10 отношение W ₂/W₁ достигает величины 1,1, что говорит о существенном повышении точности ортогонализации квадратурных составляющих сигнала. Таким образом, использование предлагаемого ортогонализатора дозволяет повысить точность ортогонализации квадратурных составляющих сигнала при малом отношении сигнал/шум.

Источники информации

1. Патент США №4463356, кл.343-7.7, 1984.

2. Патент США №4489392, кл.364-724, 343-7.7, 1984.

Формула изобретения

Ортогонализатор квадратурных составляющих сигнала, содержащий последовательно включенные первый умножитель, первый интегратор, второй умножитель, третий умножитель и первый сумматор, последовательно включенные четвертый умножитель, второй интегратор и инвертор, причем первый вход первого умножителя и второй вход первого сумматора объединены и образуют первый вход ортогонализатора, второй вход первого умножителя, второй вход третьего умножителя, первый и второй входы четвертого умножителя объединены и образуют второй вход ортогонализатора, который одновременно является его вторым выходом, выход первого сумматора является первым выходом ортогонализатора, а выход инвертора подключей к второму входу второго умножителя, отличающийся тем, что, с целью повышения точности ортогонализации квадратурных составляющих сигнала, в него введены последовательно включенные первый ключ, пятый умножитель, третий интегратор, второй ключ, блок памяти и второй сумматор, а также синхронизатор, при этом выход синхронизатора подключен к входам управления первого и второго ключей, информационный вход первого ключа - к второму входу ортогонализатора, второй вход пятого умножителя - к выходу первого ключа, второй вход второго сумматора - к выходу второго интегратора, выход второго сумматора - к входу инвертора.

РИСУНКИ