Способ обработки сложного сигнала при его обнаружении

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для обнаружения сложных сигналов в радиотехнических системах связи, в радиолокации и радионавигации. Техническим результатом является повышение помехоустойчивости. Способ заключается в приеме сигнала известной длительности и преобразовании его на видеочастоту, перемножении полученного сигнала с двумя опорными сигналами, являющимися синфазной и квадратурной составляющими ожидаемого сигнала, интегрировании со сбросом результатов перемножения на интервале времени, сравнении сигнала с порогом для вынесения решения об обнаружении, интервал времени интегрирования устанавливают равным Т_c/N, где N есть отношение максимального ожидаемого изменения фазы сигнала за время Т_c к π/2 радиан, запоминают N пар квадратурных составляющих сигналов, полученных в результате операций интегрирования на N последовательных интервалах времени, формируют N+1 пар суммарных сигналов путем алгебраического сложения запомненных сигналов, квадратурно детектируют полученные N+1 пар суммарных сигналов и сравнивают по амплитуде полученные N+1 амплитудных сигналов, при этом сигнал максимальной амплитуды является сигналом для сравнения с порогом обнаружения, далее осуществляют алгебраическое сложение запомненных сигналов. 3 ил.

Предлагаемый способ обнаружения сложного сигнала относится к области радиотехники и может быть использован для обнаружения сложных сигналов в радиотехнических системах связи, в радиолокации и радионавигации.

Известен способ обнаружения сложного сигнала, примеры конкретного выполнения которого описаны в книге Г.И.Тузова "Статистическая теория приема сложных сигналов" М., 1977 г. (стр.326) и работе О.Ф.Бокка "Обнаружение гармонического сигнала с незивестной частотой, сборник "Техника средств связи", серил: "Техника радиосвязи", выпуск 7, Москва, 1980.

Он заключается в том, что выходная смесь сигнала и шума перемножается с видеокопией сигнала, затем фильтруется, детектируется, интегрируется и сравнивается с порогом. Превышение порога означает наличие сигнала.

Пример конкретного выполнения устройства, реализующего этот способ, приведен на фиг.1, где обозначено:

1 - умножитель,

2 - генератор видеокопии сигнала,

3 - фильтр,

4 - амплитудный детектор,

5 - интегратор,

6 - ключ,

7 - пороговая схема,

8 - схема формирования порога.

Приведенное на фиг.1 устройство работает следующим образом. Входная смесь сигнала и шума перемножается в умножителе (1), на видеокопию сигнала, сформированную генератором (2), с выхода умножителя (1) сигнал через фильтр (3) поступает на детектор (4), после детектирования сигнал поступает на интегратор (5). Ключ (6) открывается в момент окончания сигнала по команде с генератора видеокопии сигнала (2). Пороговое устройство (7) осуществляет сравнение выходного напряжения интегратора (5) и напряжения порога, сформированного схемой формирования порога (8). Сравнение происходит в момент окончания сигнала. Превышение порога означает обнаружение сигнала. В этом случае на выход устройства поступает напряжение высокого уровня.

При использовании этого устройства для обнаружения сигнала с неточно известной частотой полоса додетекторского фильтра определяется длительностью сигнала и величиной неопределенности его частоты. Увеличение полосы фильтра вследствие неопределенности частоты сигнала приводит, очевидно, к ухудшению помехоустойчивости.

Наиболее близким по своей сущности к заявляемому способу является способ, описанный в книге В.Б.Пестрякова "Фазовые радиотехнические системы". М., "Сов.радио", 1968 г.

Он заключается в том, что входная смесь сигнала и шума параллельно перемножается на два опорных сигнала, несущие частоты которых сдвинуты относительно друга друга по фазе на 90°, затем результаты интегрируются и вычисляется модуль квадратурных составляющих, который сравнивается с порогом. Превышение порога означает обнаружение сигнала.

Пример конкретного выполнения устройства, реализующего способ, приведен в книге В.Б.Пестрякова "Фазовые радиотехнические сист емы". М., "Сов.радио", 1968 г. (стр.258) и приведен на фиг.2, где обозначено:

1, 2 - умножители,

3 - генератор копий сигнала,

4, 5 - интегратор,

6, 7 - схема возведения в квадрат,

8 - сумматор,

9 - схема извлечения квадратного корня,

10 - пороговая схема.

Приведенное на фиг.2 устройство работает следующий образом. Смесь сигнала и шума со входа устройства поступает на перемножители (1), (2) с опорными сигналами, сдвинутыми относительно друг друга по фазе на . Опорные сигналы формируются генератором копий сигнала (3). С умножителей (1), (2) сигнал поступает на интеграторы (4), (5) и затем на схема возведения в квадрат (6) и (7). Результаты суммируются сумматором (8). Затем из суммы схемой (9) извлекается квадратный корень. Выходной сигнал схемы извлечения квадратного корня (9) сравнивается с порогом в пороговой схеме (10). При превышении порога с выхода пороговой схемы (10) на выход устройства выдается сообщение об обнаружении сигнала.

Анализ обнаружения сигнала при неточно известной частоте с использованием способа прототипа проведен О.Ф.Бокком в работе "Обнаружение сигнала при неточно известной частоте", сборник "Техника средств связи", "серия: "Техника радиосвязи", выпуск 7, Москва, 1982 г.

В работе показано, что при обнаружении гармонического сигнала модуль выходного напряжения (Uвых), после возведения в квадрат квадратурных интегралов (Uc и Us), их суммирования и извлечения квадратного корня определяется выражением:

где U_m - амплитуда сигнала, T - длительность сигнала, δω=ω_с-ω_o - разность частот принимаемого (ω_c) и опорного сигналов (ω_o), sinc(δω·Т/2)=sin(δω·T/2)/δω·T/2.

Таким образом, для получения той же величины U_вых, что и при δω=0, при изменении разности фаз за время накопления на δω, необходимо иметь сигнал U_m в I/sinc (δω·Т/2) раз больше. Так, при ϕ=π/2 потери, очевидно, составят 1 дБ, а при ϕ=π будут равняться 4 дБ. Если ϕ=2π, то накопления сигнала не происходит.

Целью предлагаемого изобретения является улучшение помехоустойчивости обнаружения сложного сигнала при неточно известной частоте.

Поставленная цель достигается тем, что в каждом квадратурном канале обнаружителя после перемножения принимаемой смеси сигнала и шума с опорным сигналом и интегрирования запоминаются следующие друг за другом N интегралов и в обеих квадратурных каналах из этих N интегралов формируется (N+1) алгебраических сумм, которые создают эффект проектирования сигнала на (N+1) вращающихся с различными скоростями системы координат. Создаваемый эффект вращения систем координат компенсирует в одной из вращающейся системе координат разбег фаз между принимаемыми и опорным сигналами, возникающий за время накопления.

Каждая сумма соответствует повороту координатных осей на один из углов 0, ±π, ±2π...+ .

N π/2 - угол максимально возможного разбега фаз принимаемого и опорного сигналов.

Правило формирования в каждом квадратурном канале N +1 сумм определяется следующими выражениями:

I_ci и I_si - интегралы, полученные соответственно в косинусном и синусном квадратурных каналах.

l изменяется от 1 до (N/2+1).

Вся область применения i от 1 до N разбивается на m интервалов m=1, 2,..., 2(l-1). Интервал изменения i с номером m определяется выражением:

где частные от деления в правой и левой части неравенства округляются до целого числа.

M_il =1, если i принадлежит интервалу с номером m=1, 3,... [2(l-1)-1].

M_il=0, если m=2,4,..., 2(l-1).

Если М _il=0, то и если М_il=1, то .

, если m=1+4n или m=4n,

, если m=2+4n или m=3+4n,

, если m=1+4n или m=2+4n,

, если m=3+4n или m=4n.

n=0, 1, 2...

Затем вычисляются модули алгебраических сумм, полученных в квадратурных каналах. Максимальный модуль сравнивается с порогом.

Рассмотрим пример. Пусть за счет нестабильности опорных генераторов передатчиков и приемника максимальная разность частот принимаемого и опорного сигналов равна 100 Гц, а время накопления сигнала равно 10 м/с.

Тогда за время 2,5 мс разность фаз принимаемого и опорного сигналов изменяется не более чем на π/2. За 10 мс разность фаз может изменится на 2π. Разделим время накопления 10 мс на четыре интервала по 2,5 мс. На каждом из этих интервалов будем интегрировать со сбросом. Обозначим: I_s1, I_s2, I_s3, I _s4 интервалы, полученные в синусном канале, I_c1 , I_c2,I_c3, I_c4 - в косинусном канале, , , , , - суммы, полученные в косинусном канале, , , , , - суммы, полученные в синусном канале.

Определим для этого примера значения M_il, , и .

В этом случае L принимает значение 1, 2, 3, a i=1, 2, 3, 4. Для l=2, m=1, 2 и i изменяется в интервалах 0<i≤2 и 2<i≤4. Тогда M₁₂=M₂₂=1, M₃₂ =M₄₂=0, Для l=3, m=1, 2, 3, 4. Тогда M₁₃=1, M ₂₃=0, M₃₃=1, M₄₃=0,

В соответствии с выражениями (1), (2), (3), (4) и (5) запишем суммы, полученные в косинусном и синусном каналах, в виде:

, - соответствуют разности фаз между опорным и принимаемым сигналами не более π/2.

, - разности фаз, равной π.

, - разности фаз, равной минус π.

, - разности фаз, равной 2π.

, - разности фаз, равной минус 2π.

Полученные пять пар сумм обрабатываются выше описанным способом и результаты сравниваются с порогом. Превышение означает обнаружение сигнала.

Если в приведенном примере для обнаружения сигнала использовать способ, взятый в качестве прототипа, то, как было показано выше, накопление сигнала происходить не будет, так как разность фаз принимаемого и опорного сигналов за время накопления изменяется на 2π.

Пример конкретного выполнения устройства, реализующего заявляемый способ обнаружения сигнала, приведен на фиг.3, где обозначено:

1, 2 - умножители,

3 - генератор копий сигнала,

4, 5 - интеграторы,

6, 7 - аналого-цифровые преобразователи,

8 - схема коммутации,

9 - постоянное запоминающее устройство,

10 - пороговая схема,

11, 12 - сумматоры,

13, 14 - оперативные запоминающие устройства,

15 - схема вычисления модуля,

16 - схема выбора максимума.

Вход устройства соединен с входами умножителей (1), (2). Вторые входы умножителей соединены с входами генератора копий сигнала - (3). Выходы умножителей (1) и (2) - с входами интеграторов (4) и (5). Выходы интеграторов (4) и (5) соединены с входами аналого-цифровых преобразователей (6), (7). Выходы аналого-цифровых преобразователей (6) и (7) соединены с входами схемы коммутации, вход схемы коммутации соединен также с выходом постоянного запоминающего устройства (9). Выходы схемы коммутации (8) соединены с входами сумматоров (11) и (12). Вторые входы сумматоров соединены с выходами оперативных запоминающих устройств (13), (14). Выходы сумматоров (11), (12) соединены с входами оперативных запоминающих устройств (13), (14), выходы которых соединены с входами схемы вычисления модуля (15). Последовательно со схемой вычисления модуля (15) включены схемы выбора максимума (16) и пороговая схема (10). Выход пороговой схемы (10) соединен с выходом устройства.

Устройством работает следующим образам. Входная смесь сигнала и шума поступает на перемножители (1), (2), где перемножается со сдвинутыми по фазе на π/2 относительно друга друга копиями сигнала, сформированными генератором копий сигнала (3). Затем сигналы параллельно интегрируются схемами (4) и (5) и преобразуются в цифровую форму схемами (6) и (7). Выборки, поступающие с аналого-цифровых преобразователей (6) и (7) на схему коммутации (8) командами с постоянного запоминающего устройства (14), которое может быть выполнено на микросхеме 556РТ5, коммутируются на два сумматора (11) и (12).

Сумматоры (11) и (12) складывают поступающие выборки и результаты записываются в оперативные запоминающие устройства (13) и (14), которые могут быть выполнены на микросхемах 537РУ2А. Причем в каждом канале формируется (N+1) сумм. Из полученных сумм схемой (15), один из возможных вариантов которой приведен в книге "Поиск, обнаружение и измерение параметров сигналов в радионавигационных системах" под редакцией Ю.М.Еазаринова, М., "Сов.радио", 1975 г. (стр.122), вычисляются модули и затем схемой (16) выбирается максимальное значение модуля, которое схемой (10) сравнивается с порогом.

Докажем достижение поставленной цели.

Если максимальная разность частот принимаемого и опорного сигналов равна ±δf, то для обнаружения с последетекторным накоплением, величина порога определяется выражением Е_пор=E_o+Е ₁, где Е_о=1,2σ_вх, σ_вх - входная дисперсия шума в полосе 2:δf, а Е₁ определяется дисперсией шума на выходе линейного амплитудного детектора (σ_вых=0,65σ_вх, расширением спектра в раза на выходе детектора и величиной дофильтрации D=2:δf/1/Т_с=2:δf·Т_с.

Коэффициент в вышеприведенном выражении учитывает интегрирование со сбросом, а n₁ определяется величиной ложной тревоги (И.С.Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы. М., 1977, стр.416-418).

Уровень сигнала на выходе интегратора в этом случае будет определяться выражением:

где n₂ определяется требуемой величиной вероятности пропуска сигнала.

Для предлагаемого способа в случае потерь, не превышающих 1 дБ, максимальное время интегрирования Т_и определяется 2π·δf·Т_и=π/2, и соответственно равно Т_и=1/4·δf.

При применении способа прототипа для когерентного сложения имеем:

Выигрыш определяется как

Из полученного выражения видно, что выигрыш определяется только n₁, n₂ и D. Так, если n₁=n₂=3,1, при D=4 выигрыш равен 3 дБ, а при D=16 - 5 дБ.

Формула изобретения

Способ обработки сложного сигнала при его обнаружении, состоящий в приеме сигнала известной длительности Tc и преобразовании его на видеочастоту, перемножении полученного сигнала с двумя опорными сигналами, являющимися синфазной и квадратурной составляющими ожидаемого сигнала, интегрировании со сбросом результатов перемножения на интервале времени длительностью Т, а также сравнении сигнала с порогом для вынесения решения об обнаружении, отличающийся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости обнаружения сигнала при неточно известной средней частоте принимаемого сигнала, интервал времени интегрирования Т устанавливают равным Т_с/N, где N - отношение максимального ожидаемого изменения фазы сигнала за время T_c к π/2 радиан, запоминают N пар квадратурных составляющих сигналов, полученных в результате операций интегрирования на N последовательных интервалах времени, формируют N+1 пар суммарных сигналов путем алгебраического сложения запомненных сигналов, квадратурно детектируют полученные N+1 пар суммарных сигналов и сравнивают по амплитуде полученные N+1 амплитудных сигналов, при этом сигнал максимальной амплитуды является сигналом для сравнения с порогом обнаружения, а алгебраическое сложение заполненных сигналов осуществляют в соответствии с выражениями

где I_ci, I_si - квадратурные составляющие результатов интегрирования;

- суммарные сигналы;

l=1, 2,... , М_il=1, если i принадлежит интервалу

с нечетными номерами m=1, 3,..., [2(l-1)-1] и М_il=0, если i принадлежит указанному интервалу с четными номерами m=2, 4,...

при m=1+4n или m=4n, n - целое число,

при m=2+4n или m=3+4n,

при m=1+4n или m=2+4n,

при m=3+4n или m=4n.

РИСУНКИ