Устройство поиска системы связи с широкополосными сигналами

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в широкополосных системах связи при передаче дискретной информации шумоподобными сигналами с большой базой. Устройство поиска системы связи с широкополосными сигналами содержит два блока корреляторов, решающий блок, блок фазирования по задержке, два генератора псевдослучайной последовательности, блок фазовой автоподстройки, анализатор помех, дополнительный блок фазовой автоподстройки, блок выбора времени анализа, блок ввода априорных данных. Техническим результатом является сокращение времени поиска с сохранением высокой вероятности его успешного завершения. 3 ил., 1 табл.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в широкополосных системах связи при передаче дискретной информации шумоподобными сигналами с большой базой.

В начале работы системы с шумоподобными сигналами неопределенность по задержке неизбежна и не может быть устранена улучшением аппаратуры (Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. Под ред. В.Б.Пестрякова. - М.: Сов.радио, 1973, с.153).

В системах связи, где используются сигналы с большими базами, требуется значительное время на устранение неопределенности по задержке. В настоящее время широко исследуются пути сокращения времени ввода системы в синхронизм.

Известны устройства для ускоренного вхождения в синхронизм, описанные в авторских свидетельствах №315298 от 22.05.1969, МКИ Н 04 К 1/06, "Способ вхождения в синхронизм"; №347941 от 25.12.1970, МКИ Н 04 7/02, "Устройство синхронизации с М-последовательностью"; №566377 от 25.07.1977, МКИ Н 04 7/02, "Устройство синхронизации с М-последовательностью".

В упомянутых устройствах используется последовательный двухэтапный поиск шумоподобного сигнала. Причем на первом этапе осуществляется ускоренный поиск сегмента М-последовательности, а на втором - проверка синхронизации в течение достаточно большого отрезка времени. Этот метод характеризуется сравнительно невысокой помехоустойчивостью, поскольку предварительное решение о наличии сигнала выносится по анализу сегмента, а не полного периода М-последовательности (А.А.Сикарев. Устройство формирования и демодуляции сложных сигналов.- Л., 1979, с.31).

Известен другой способ, используемый в серийно выпускаемой аппаратуре "Кулон", который заключается в передаче сигнала, составленного из двух М-последовательностей кратного периода. На первом этапе приемник проводит поиск короткой последовательности, причем решение об обнаружении или необнаружении сигнала выносится после накопления нескольких полных периодов первой М-последовательности, а на втором этапе - поиск второй последовательности с шагом, равным периоду короткой последовательности.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство поиска шумоподобного сигнала.

Блок-схема устройства-прототипа представлена на фиг.1, где введены следующие обозначения:

1 - регистр сдвига синхропоследовательности (СП),

2 - перемножитель,

3 - интегратор,

4 - амплитудный детектор,

5 - сдвигающий триггер синхропоследовательности,

6Л, 6Ц, 6П - схемы выбора максимальных значений сигналов,

7 - схема сравнения на четыре входа,

8 - ключ,

9 - формирователь порога,

10 - сумматор,

11 - схема сравнения центральных каналов на два входа,

12 - управляемый делитель точной дискретной системы фазовой автоподстройки (ФАП),

13 - управляемый делитель грубой дискретной ФАП,

14 - устройство управления работой точной и грубой систем ФАП,

15 - генератор синхронизирующей псевдослучайной последовательности импульсов (ГСП),

16 - схема управления по задержке,

17 - опорный генератор,

18 - схема принятия решений,

19 - устройство фазирования по задержке,

20 - генератор информационной псевдослучайной последовательности (ГИП),

21 - регистр сдвига информационной последовательности (ИП),

22 - схема сравнения информационного канала на два входа,

23 - сдвигающий триггер ИП.

Для облегчения понимания физической сути предлагаемого устройства авторы укрупнили некоторые функциональные узлы прототипа (см. фиг.1).

Регистр сдвига СП (1), сдвигающий триггер (5), три группы корреляторов, каждый из которых состоит из перемножителя (2), интегратора (3) и амплитудного детектора (4), схемы выбора максимальных значений (6Л), (6Ц) и (6П) объединены в блок 1 - блок корреляторов синхроканала.

В блок 6 - блок фазовой автоподстройки - входят управляемые делители точной и грубой дискретной системы ФАП (12) и (13) соответственно, устройство управления работой точной и грубой систем ФАП (14) и схема управления по задержке (16).

В блок 5 - блок информационного коррелятора - входят регистр сдвига ИП (21), сдвигающий триггер (23), перемножитель (2), интегратор (3) и амплитудный детектор (4).

Решающая схема (7) объединяет в себе следующие блоки: схемы сравнения (7), (11) и (22), ключи (8), формирователь порога (9), сумматор (10) и схему принятия решений (18).

Укрупненная блок-схема устройства поиска шумоподобного сигнала (прототипа) представлена на фиг.2, для которой введены следующие обозначения:

1 - первый блок корреляторов;

2 - генератор псевдослучайной последовательности;

3 - устройство фазирования по задержке;

4 - генератор псевдослучайной последовательности;

5 - второй блок коррелятора;

6 - блок фазовой автоподстройки;

7 - решающая схема.

Укрупненная схема приемника-прототипа (см. фиг.2) имеет следующие функциональные связи.

Первый вход блока корреляторов синхроканала (1) соединен со входом устройства, со входом блока информационного коррелятора (6) и первым входом решающей схемы (7), два других входа которой соединены с выходами блоков корреляторов (1) и (5), а выход решающей схемы (7) соединен со входом блока ФАП (6), подключенного к тактовым входам генераторов ПСП (2), (4) и устройства фазирования по задержке (3), выходы которого соединены со вторыми входами генераторов ПСП (2) и (4), причем выход генератора ПСП (2) подключен к блоку корреляторов синхроканала (1), а выход генератора информационной ПСП (4) подключен к блоку информационного коррелятора (5).

Приемник-прототип осуществляет параллельно-последовательный двухэтапный поиск шумоподобного сигнала. На первом этапе поиска осуществляется параллельно-последовательный поиск и обнаружение синхронизирующей псевдослучайной последовательности (СП), а на втором этапе производится поиск и обнаружение информационной псевдослучайной последовательности (ИП). После обнаружения сигнала ИП осуществляется проверка синхронизации и устройство переходит в режим приема информации.

Работа укрупненной блок-схемы прототипа происходит следующим образом.

Входной шумоподобный сигнал подается на блоки корреляторов (1) и (5) и на пороговый вход решающей схемы (7). На второй вход блока корреляторов (1) подается псевдослучайная синхронизирующая последовательность импульсов из генератора ПСП (2). В блоке корреляторов (1) происходит вычисление функции взаимной корреляции (ФВК) входного сигнала и синхропоследовательности для N временных сдвигов СП одновременно, где N - число корреляторов в блоке (1).

В решающей схеме (7) происходит сравнение сигнала ФВК с порогом. Если порог не превышен, то по команде из решающей схемы (7) блок ФАП (6) прекращает выдачу тактовых импульсов в генераторы ПСП (2) и (4) и устройство фазирования по задержке (3) на время t=N·τ_o, где N - число корреляторов в блоке (1),

τ_o - длительность элемента ПСП.

В результате происходит сдвиг СП относительно входного сигнала на время t=N·τ_o.

Если порог превышен, то по команде из решающей схемы (7) блок ФАП (6) переходит в режим подстройки с шагом t=τ_о.

После обнаружения синхропоследовательности в центральном канале блока корреляторов (1) устройство начинает последовательный поиск информационной псевдослучайной последовательности ИП.

Период информационной последовательности Т₂ кратен периоду синхропоследовательности T₁.

Т₂=кТ₁,

где к - постоянное целое число.

В режиме поиска информационной последовательности на вход генератора ИП (4) из устройства фазирования (3) поступают импульсы фазирования с периодом

Т=(к+1)Т₁.

Таким образом, после каждого цикла вычисления ФВК происходят сдвиг ИП на время, равное периоду СП.

Как только величина ФВК, вычисленная в блоке информационного коррелятора (5), превысит пороговое значение, решающая схема (7) выдает в блок ФАП (6) команду на прекращение поиска ИП. При этом период импульсов фазирования становится равным периоду ИП.

T₂=кТ₁ .

После проверки синхронизации устройство переходит в режим приема информации.

Основным недостатком устройства поиска шумоподобного сигнала (прототипа) является большое время поиска.

В устройстве (прототипе) применяется двухэтапная процедура поиска с одинаковым временем анализа (накопления) на всех этапах. Вместе с тем известно [1], что время поиска может быть существенно уменьшено за счет сокращения времени накопления на первом этапе. Однако уменьшение времени накопления на первом этапе приводит к снижению вероятности успешного завершения поиска при больших уровнях помех, так как помехозащищенность двухэтапной процедуры поиска в целом определяется помехозащищенностью первого этапа.

Целью предлагаемого изобретения является сокращение времени ввода системы поиска при сохранении высокой вероятности и его успешного завершения.

Эта цель достигается тем, что в устройство-прототип вводятся анализатор помех, блок выбора времени анализа, блок ввода априорных данных и дополнительный блок фазовой автоподстройки.

При этом вход анализатора помех соединен со входом устройства, а выход - со входом блока выбора времени анализа, второй вход которого соединен с выходом блока априорных данных, а выход блока выбора времени анализа соединен со входом блока корреляторов и блока фазовой автоподстройки, вход которого соединен с выходом решающей схемы, а выход - со входом генератора псевдослучайной последовательности.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем. Для сокращения времени поиска с сохранением высокой вероятности его успешного завершения в предлагаемом устройстве осуществляется одновременный поиск одной СП двумя каналами.

При этом в одном канале выбирается время анализа Т₀₁ , обеспечивающее минимальное значение среднего времени поиска Т_п1 при заданной вероятности успешного завершения поиска Р₁. Во втором канале выбирается Т_a1 <Т_a2, соответствующее высокой вероятности успешного завершения поиска Р₂>Р₁ для наихудших условий поиска.

Используется следующий алгоритм работы. Если превышение порога фиксируется в первом канале, то вводится проверка с временем накопления, равным Т_a2. При подтверждении обнаружения выносится решение об окончании поиска СП, в противном случае первый канал возвращается в режим поиска с временной фазой, определяемой вторым каналом.

Если превышение порога фиксируется во втором канале, то выносится решение об окончании поиска.

Выбор оптимального времени анализа первого канала Т_a1 производится на основе измерения уровня помех и ввода априорных данных об уровне сигнала и заданной вероятности Р₁ .

Поясним смысл вновь введенных блоков для оптимизации T_а. При фиксированной вероятности успешного завершения поиска Р (что соответствует фиксированной вероятности ложной тревоги F) в соответствии с [6] имеем

где D - вероятность правильного превышения порога, вычисленная при фиксированном F.

При когерентном накоплении сигнала для расчета D можно воспользоваться формулой из [5], откуда видно, что D определяется через соотношение сигнал/шум на входе порогового устройства и F. Отношение сигнал/шум на выходе накопителя пропорционально времени накопления Т_а.

q_вых˜T_a,

поэтому с увеличением Т_a увеличивается D и уменьшается второе слагаемое в формуле (1).

С другой стороны, при увеличении Т_а растет первое слагаемое. Влияние этих двух противоречивых тенденций приводит к наличию Т_п при определенном (оптимальном) значении Т_а.

Вычисление Т_а оптимум проводится на этапе проектирования аппаратуры с помощью ЭВМ для различных уровней сигнала и помех. Эти данные водятся в блок определения времени анализа, который при поступлении на его вход определенных исходных данных выдает значение Т_а оптимум.

Блок-схема предлагаемого устройства представлена на фиг.3, где введены следующие обозначения:

1 - первый блок корреляторов;

2 - генератор псевдослучайной последовательности (ГПСП1);

3 - устройство фазирования по задержке;

4 - генератор псевдослучайной последовательности (ГПСП2);

5 - второй блок корреляторов;

6 - блок фазовой автоподстройки;

7 - решающая схема;

8 - дополнительный блок фазовой автоподстройки;

9 - анализатор помех;

10 - блок выбора времени анализа;

11 - блок ввода априорных данных.

Предлагаемое устройство для ввода в синхронизм имеет следующие функциональные связи.

Вход анализатора помех (9) соединен со входом устройства, с пороговым входом решающей схемы (7) и со входами блоков корреляторов (1) и (5), выходы которых подключены ко входам решающей схемы (7), первый выход которой через устройство фазирования (3) подключен ко входам генераторов ПСП (2) и (4), второй выход - через блок ФАП (6) подключен ко входу генератора ПСП (4), выход которого соединен со входом блока корреляторов (5), а третий выход блока (7) через дополнительный блок ФАП (8) подключен ко входу генератора ПСП (2), соединенного с блоком корреляторов (1), причем управляющий вход дополнительного блока ФАП (8) соединен со входом блока корреляторов (1) и с выходом блока выбора времени анализа (10), первый вход которого соединен с выходом анализатора помех (9), а второй - с выходом блока ввода априорных данных (11).

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

Входной шумоподобный сигнал поступает на радиочастотные входы блоков корреляторов (1) и (5).

В блоке корреляторов (5) осуществляется вычисление функции взаимной корреляции (ФВК) между принимаемым сигналом и опорной псевдослучайной последовательностью, которая формируется в блоке (4). Время накопления в корреляторах блока (5) выбирается равным Т₂, соответствующим высокой вероятности успешного завершения поиска Р₂ .

В блоке корреляторов (1) происходит вычисление ФВК принимаемого сигнала и опорной ПСП, которая формируется в блоке (2). Время накопления в корреляторах блока (1) определяется периодом импульсной последовательности, поступающей с выхода блока выбора времени анализа (10).

Период импульсной последовательности Т ₁ в блоке (10) устанавливается по сигналам из анализатора помех (9) и блока ввода априорных данных (11) путем коммутации определенных связей делителя частоты, содержащегося в блоке (10).

Результаты вычисления ФВК из блоков (1) и (5) сравниваются с порогом в решающей схеме (7). Если порог не превышен, происходит сдвиг по времени последовательности, формируемой генератором ПСП (4), а с помощью блока ФАП (8) - сдвиг последовательности генератора (2), после чего производится очередной цикл вычисления ФВК.

Если в решающей схеме (7) фиксируется превышение порога сигналом из блока корреляторов (1), то по команде из решающей схемы (7) в блоке корреляторов (1) производится проверка обнаружения сигнала с большим временем анализа, соответствующим высокой вероятности успешного завершения поиска.

В это время в блоке корреляторов (5) продолжается поиск сигнала.

В случае подтверждения обнаружения сигнала процедура поиска СП в предлагаемом устройстве прекращается.

Поиск информационной последовательности производится после обнаружения синхропоследовательности аналогично тому, как это осуществлялось в устройстве-прототипе, описанном выше.

Таким образом, в предлагаемом устройстве за счет сокращения времени накопления на первом этапе и выбора его значения, равного оптимальному, обеспечивающему Т_{п1 min}, достигается сокращение общего временя поиска при сохранении заданной вероятности его успешного завершения.

Покажем на примере достигаемый выигрыш во времени.

Для устройства-прототипа среднее время поиска определяется формулой

где Т_сп1 - время поиска синхропоследовательности;

В_cп1 - база синхропоследовательности;

В _сп2 - база информационной последовательности;

Т _а - время анализа (накопления).

Время Т_сп1 при заданной вероятности успешного завершения поиска Р для случая Р=0,99 определяется выражением

где D - вероятность правильного превышения порога, вычисленная при заданной вероятности ложной тревоги F.

Из формул (1) и (2) видно, что при достаточно большой величине базы сигнала CП1 время поиска в основном определяется величиной Т_сп1.

Пусть требуемая вероятность успешного завершения поиска Р=0,9999.

Для предлагаемого устройства среднее время поиска определяется формулой

где P₁<P₂ и

(см. фиг.3) - число, показывающее, сколько раз происходит совмещение по времени принимаемого и опорного сигналов СП1 на цикле поиска СП2. Из формулы (3) видно, что Т_п при достаточно высоких значениях Р определяется первым членом Т_п1, а вероятность успешного завершения поиска определяется временем накопления СП2 (так как каналы работают параллельно).

Таким образом, различия во времени поиска в основном определяются различием в Т_п1.

Пусть база сигнала СП1 равна 1000; вероятность успешного завершения поиска P₁=0,99; P₂=0,999999.

Для больших значений P можно записать

P=1-B·F, при B·F<1,

тогда получаем вероятность ложной тревоги F=1·10⁵.

Допустим, что в блоке корреляторов производится когерентное накопление и сравнение с порогом на выходе детектора, тогда вероятность правильного превышения порога D может быть рассчитана по известной формуле, приведенной, например, в [5], или может быть определена по графикам, приведенным в этой же работе.

Положим соотношение сигнал/шум равно q_вх=0,3;

Т_а=К·τ_оК1=1000; К2=15,

что соответствует

Т_а=В·τ_о=1000·τо (как в прототипе),

Т_а=20·τ_о - в предлагаемом устройстве.

Известно, что при когерентном накоплении соотношение сигнал/шум на входе порогового устройства пропорционально числу накапливаемых импульсов, тогда

q_вых=1000·0,3=300 при Т_а =1000·τ_о,

q_вых=3 при Т_а =15·τ_о.

Из графиков фиг. [5] находим соответственно

D=1 и D=0,6.

Тогда при Т_а=1000·τ_о получаем

а при Т_а=15·τ_о

Для q_вх=0,1 значения времени поиска Т_п приведены в таблице.

Т_а DТ_п 15τ_о<0,01 1,5·10⁶ 100τ_о1 0,5·10⁵ 1000τ_о1 0,5·10⁶

Приведенный пример показывает, что выбор оптимального времени Т_а обеспечивает сокращение времени поиска более чем на порядок.

Таким образом, приведенная схема позволяет сократить время поиска с сохранением высокой вероятности успешного завершения поиска.

Источники информации

1. Шумоподобные сигналы в системах передачи информации. Под ред. В.Б.Пестрякова, М.: Сов.радио, 1973, с.153, 169.

2. А.А.Сикарев. Устройство формирования и демодуляции сложных сигналов, Ленинград, 1979, с.31.

3. Л.Е.Варакин. Теория систем сигналов, М.: Сов.радио, 1978.

4. А.М.Семенов, А.А.Сикарев. Широкополосная радиосвязь, М.: Воениздат, 1970.

5. Ю.С.Лезин. Оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов, М.: Сов.радио, 1963, с.239.

6. Г.И.Тузов. Статистическая теория приема сложных сигналов, М.: Сов.радио, 1977.

Формула изобретения

Устройство поиска системы связи с широкополосными сигналами, содержащее два блока корреляторов, первые входы которых соединены с входом устройства и входом решающего блока, выход первого блока корреляторов подключен ко второму входу решающего блока, третий вход которого соединен с выходом второго блока корреляторов, первый выход решающего блока подключен к входу блока фазирования по задержке, первый выход которого через первый генератор псевдослучайной последовательности подключен ко второму входу первого блока корреляторов, второй выход блока фазирования по задержке подключен ко второму входу второго блока корреляторов через второй генератор псевдослучайной последовательности, второй выход решающего блока через блок фазовой автоподстройки подключен ко второму входу второго генератора псевдослучайной последовательности, отличающееся тем, что, с целью сокращения времени поиска с сохранением высокой вероятности его успешного завершения, введены анализатор помех, дополнительный блок фазовой автоподстройки, блок выбора времени анализа, блок ввода априорных данных, причем выходы анализатора помех и блока ввода априорных данных соединены со входами блока выбора времени анализа, выход которого соединен с третьим входом первого блока корреляторов и входом дополнительного блока фазовой автоподстройки, другой вход которого соединен с третьим выходом решающего блока, а выход - со вторым входом первого генератора псевдослучайной последовательности, вход анализатора помех подключен к входу устройства.

РИСУНКИ