Способ синхронизации задержанных во времени псевдослучайных недетерменированных сигналов

Изобретение относится к измерительной технике и может использоваться в системах, осуществляющих синхронизацию задержанных копий недетерминированного псевдослучайного сигнала. Технический результат состоит в повышении помехоустойчивости синхронизации в условиях быстрых изменений параметров недетерминированных сигналов. Для этого применяют когерентную синхронизации, основанную на принципе частотного совмещения длительностей и фаз интервалов спектральных огибающих интерференционных минимумов (ИМ), созданных в контрольных спектрах входных суммарных сигналов. Сигналы, представленные с помощью быстрого преобразования Фурье (БПФ) в спектральном виде, подвергаются интерференционно-фазовой оценке параметров временной задержки. Интерференционно-спектральная оценка параметров сигнала предназначена для определения значений временной задержки, фазового сдвига и их начальной установки в схему синхронизации. 3 ил.

 

Изобретение относится к радиоприемной и измерительной технике и может найти применение в системах, осуществляющих синхронизацию задержанных во времени копий недетерминированного псевдослучайного сигнала и в системах, осуществляющих измерения параметров задержки сигналов.

Предлагаемый способ синхронизации может найти применение в системах пространственно-разнесенного приема для получения энергетического выигрыша при оптимальном когерентном сложении сигналов.

Этот способ синхронизации сигналов, применяемый для измерения и слежения за параметрами задержки, может использоваться для определения расстояния до объекта, местоположения объекта и его скорости.

Также синхронизированная копия сигнала может быть востребована для различных целей, в том числе для когерентного подавления другой копии сигнала, если таковая является нежелательным или мешающим фактором, в том числе в случае обработки сигналов типа «несущая на несущей» и соканального приема.

Условно можно выделить несколько способов синхронизации псевдослучайного сигнала:

- синхронизации на основе фазирования входных сигналов посредством управления фазами частот гетеродинов преобразователей;

- синхронизации на основе получения когерентности фаз несущих и символьных частот сигналов с применением схем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), управляемых по решениям детекторов;

- синхронизации на основе максимизации коэффициента взаимной корреляции сигналов применяемого для выравнивания задержек и фаз.

Синхронизации фаз входных сигналов посредством управления фазами частот гетеродинов преобразователей требует критерия настройки фазы. Это предполагает наличие схем фазового детектирования сигналов и схемы обработки результатов сравнения. Существенным недостатком этого способа является отсутствие выравнивания временных задержек сигналов.

Синхронизация на основе получения когерентности фаз несущих и символьных частот сигналов с применением схем фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), управляемых по решениям детекторов включает в себя:

- адаптивное выравнивание сигналов по времени;

- формирование когерентности фаз.

В основу работы схемы адаптивного выравнивания сигналов по времени в приемных каналах положен принцип фазовой синхронизации символьных частот модуляции сигналов. Схема построена на основе нескольких связанных петель ФАПЧ, в состав одной из них входит адаптивно управляемая линия задержки. Линия задержки представляет собой перестраиваемый интерполяционный фильтр, управление которым осуществляется с помощью петли ФАПЧ, следящей за разностью фаз символьных частот.

В основу формирования когерентности фаз несущих частот положена идея взаимной синхронизации петель ФАПЧ, работающих в схемах восстановления несущей частоты сигнала. Управление фазой осуществляется с помощью управляемого фазовращателя, выполненного в виде преобразователя частоты с комплексным перемножителем и числовым управляемым генератором.

Главный и существенный недостаток этого способа - требование наличия априорных знаний о сигналах и необходимость их демодуляции.

Корреляционная обработка сигналов лишена приведенных выше недостатков и может служить для максимизации коэффициента взаимной корреляции сигналов. В адаптивном режиме максимизация коэффициента взаимной корреляции осуществляет определение и выравнивания задержек и фаз и может применяться в способе синхронизации псевдослучайных сигналов.

Способ синхронизации за счет максимизации коэффициента взаимной корреляции сигналов применяется в алгоритме оптимального сложения, который предложен в источнике Comm #11-2011 (Кучумов А.А., Припутин B.C., Николаев А.В. Реализация на ПЛИС алгоритма оптимального сложения для систем широкополосной связи, T-Comm #11-2011, стр. 55-57). Где вычисление коэффициента взаимной корреляции осуществляется с помощью простого итерационного алгоритма, а для расчета берутся дискретные во времени отчеты сигналов. Отметим, что схема, созданная на основе этого алгоритма и использующая корреляционный способ синхронизации, требованиям к схемам синхронизации задержанных во времени копий псевдослучайных недетерминированных сигналов в целом отвечает. Поэтому соответствующий функциональному назначению и нашедший применение в этом устройстве способ синхронизации возьмем в качестве прототипа. В прототипе расчет алгоритма взаимной корреляции требует определенных вычислительных ресурсов и времени на обработку, что приводит к снижению быстродействия. И это притом, что для расчета коэффициента корреляции берутся дискретные отчеты сигналов, а для повышения точности расчета требуется интерполяция непрерывного сигнала и поиск максимума коэффициента взаимной корреляции по фазе несущих частот сигналов.

Перечисленные факторы будут снижать точность и быстродействие этого способа синхронизации.

Технический результат заявляемого изобретения - это повышения помехоустойчивости схем синхронизации в условиях быстрых изменений параметров недетерминированных сигналов.

Данный результат в устройстве достигается применением когерентной синхронизации, основанной на принципе частотного совмещения длительностей и фаз интервалов спектральных огибающих интерференционных минимумов (ИМ), созданных в контрольных спектрах входных суммарных сигналов.

Когерентную синхронизацию, основанную на принципе совмещения контрольных спектральных интервалов ИМ посредством изменения временной задержки и фазы сигналов, с интерференционно-спектральной оценкой параметров сигналов, назовем интерференционно-фазовым способом синхронизации.

Интерференционно-спектральная оценка параметров сигнала предназначена для определения значений временной задержки, фазового сдвига и используется для начальной установки полученных данных в схему синхронизации. Эта установка существенным образом будет сокращать время первоначального вхождения схемы в синхронизм.

Суть интерференционно-спектральной оценки состоит в следующем: на частотной шкале представления сигналов при определенных значениях времени задержки между сигналами в контрольном суммарном спектре появятся интерференционные минимумы, они будут выглядеть как резкий «провал» уровней спектральных составляющих. На Фиг. 1 представлен один из спектров слагаемых сигналов и спектр суммарного сигнала с интервалом ИМ. Частотный интервал огибающей интерференционных минимумов в спектре суммарного сигнала будет определять время задержки между сигналами, а местоположение интервала на спектре сигнала - фазовый сдвиг. Этот способ определения задержки описан в источниках (Гершман С.Г., Тужилкин Ю.И. Об интерференции широкополосных шумовых сигналов. - Акустический журнал. 1965, т. 11; и патент RU № 864167 от 15.09.81 МПК G01R 23/00).

В основе интерференционно-фазового способа синхронизации лежит несколько закономерностей:

- появление в спектре суммарного сигнала характерных признаков интерференции (ИМ), возникающих из-за задержки во времени слагаемых копий;

- местоположение ИМ на суммарном спектре сигнала определяется соотношением фаз складываемых сигналов;

- максимум амплитуды ИМ возникает при равенстве уровней спектральных составляющих складываемых сигналов;

- появление нескольких интервалов ИМ на спектре определяется кратным увеличением времени задержки между сигналами;

- изменение фаз сигналов приводит к определенному частотному смещению ИМ в спектре контрольного суммарного сигнала;

- возможность управления частотой спектральных экстремумов (ИМ) суммарного сигнала посредством воздействия на фазы колебаний складываемых сигналов.

На основе этих закономерностей создан способ когерентной синхронизации сигналов, представленных в виде частотных спектров, выровненных по уровню и в которых введением искусственных временных задержек формируется несколько интерференционных минимумов (ИМ) в контрольных суммарных спектрах, а принцип синхронизации заключается в частотном совмещении интервалов и фаз спектральных огибающих ИМ. Спектры контрольных суммарных сигналов с совмещаемыми спектральными огибающими ИМ представлены на Фиг. 2.

Процесс синхронизации включает несколько этапов:

- БПФ преобразования входных сигналов;

- выравнивание входных сигналов по уровню мощности спектральных составляющих;

- формирование нескольких контрольных суммарных сигналов;

- введение в контрольный сигнал дополнительных вспомогательных задержек, расширяющих диапазон измерений временных задержек и способствующих формированию ИМ в спектрах контрольных суммарных сигналов;

- когерентная синхронизация, осуществляющая частотное совмещение длительностей и фаз спектральных интервалов ИМ в контрольных суммарных сигналах, выполненных за счет изменения времени задержки и фазы одного из входных сигналов.

Структурная схема устройства, осуществляющая синхронизацию по интерференционно-фазовому способу, представлена на Фиг. 3. В соответствии с этой схемой один из входных сигналов U(t₁; ϕ1) последовательно подается на схему управляемой линии задержки 1 и на формирователь фазового сдвига 4. Затем сигнал разветвляется, поступая на выход устройства, на контрольный сумматор 12 и на управляемый аттенюатор 7. С выхода этого аттенюатора сигнал поступает на контрольный сумматор 8 Суммарный сигнал сумматора 8 подается на следующий контрольный сумматор 11 затем на схему принятия решений 13. Второй входной сигнал U2 (t₂, ϕ2) последовательно подается на схему управляемой линии задержки 2, на формирователь фазового сдвига 5. Затем сигнал разветвляется, поступая на выход устройства и на управляемый аттенюатор 9. С выхода этого аттенюатора сигнал поступает на контрольный сумматор 8

От второго (первого) входного сигнала делается ответвление для формирования третьего контрольного сигнала U3 (t₃; ϕ3). После ответвления третий сигнал последовательно подается на схему введения дополнительной временной задержки (ΔТ) 3, схему формирователя фазового сдвига (ΔФ) 6 и управляемый аттенюатор 10. Затем сигнал разветвляется и поступает на контрольные сумматоры 11 и 12 С выходов сумматоров 11,12 сигналы поступают на схему решений 13. Схема решений осуществляет определение времени задержки, фазового сдвига и выполняет установку этих значений в один из каналов. Следующий этап действий схемы решений - когерентная синхронизация, производимая частотным совмещением интервалов и фаз спектральных огибающих ИМ. Данные об ошибке частотного совмещения, из схемы принятия решений подаются на входную управляемую линию задержки 2 (1) и на схему формирования фазы 5 (4) входных сигналов.

Общий контроль и управление работой всего устройства осуществляет схема решений 13. Работа схемы решений включает в себя выравнивание уровней мощности спектров входных сигналов, формирование интервалов спектральных огибающих ИМ, оценку времени задержки между сигналами и оценку фазового сдвига между интервалами ИМ, частотное совмещение длительностей и фаз интервалов спектральных огибающих ИМ.

Выравнивание уровней спектральных составляющих входных сигналов (аттенюаторы 7,9,10) предназначено для формирования в контрольных суммарных сигналах (сумматоры 11, 12) максимальных амплитуд ИМ.

Формирование в спектрах контрольных сигналов (сумматоры 11, 12) интервалов спектральных огибающих ИМ осуществляется за счет введения в контрольный сигнал дополнительных временных задержек и фазовых сдвигов (линия задержки 3, формирователь фазы 6).

Оценка времени задержки между сигналами и оценка фазового сдвига между интервалами ИМ осуществляется для предварительной установки этих значений в один из входных сигналов (линия задержки 2(1), формирователь фазы 5(4)).

Частотное совмещение длительностей и фаз спектральных интервалов ИМ в контрольных суммарных сигналах выполняется за счет изменения времени задержки и фазы одного из входных сигналов (линия задержки 2(1), формирователь фазы 5(4)).

Алгоритм, осуществляющий синхронизацию интерференционно-фазовым способом:

- входные сигналы U1(t₁; ϕ1), U2 (t₂, ϕ2), обладающие различным временем распространения t₁, t₂, и фазовым сдвигом ϕ1, ϕ2, представленные в виде частотного спектра, выравниваются по уровню мощности;

- из сигнала U2 (t2, ϕ2) введением искусственной временной задержки ДТ и фазового сдвига ДФ формируется контрольный сигнал из

- из представленных сигналов формируются два контрольных суммарных спектра и

- с помощью изменения искусственной временной задержки ДТ и фазового сдвига ДФ вводимого в контрольный сигнал осуществляется формирование в контрольных суммарных спектрах и нескольких интерференционных минимумов (ИМ);

- производится измерение длительности Δf интервала ИМ спектральной огибающей суммарного сигнала для оценочного определения значения времени задержки между сигналами U1(t₁;ϕ1), U2 (t₂;ϕ2) по формуле Δτ=1/Δf-ΔТ;

- выполняется определение фазы ф спектральной огибающей интервала ИМ суммы входных сигналов и фазы интервала ИМ суммы входного сигнала U3(t₃;ϕ3) и суммы входных сигналов представленных выражением:

- определяется значения фазового сдвига между интервалами ИМ сумм сигналов по формуле:

- производится предварительная установка значений Δτ и Δф в сигнал U2 (t₂;ϕ2);

- выполняется когерентная синхронизация частотным совмещением длительностей и фаз спектральных огибающих интервалов ИМ сумм и совмещение осуществляется за счет адаптивной корректировки значений Δτ и Δф, в водимых в сигнал U2 (t₂+Δτ; ϕ₂+Δф) из суммы U1(t₁; ϕ1)+U2 (t₂;ϕ2). Адаптивная корректировка позволяет выравнивать время задержки t2+Δτ=t₁ и фазы

ϕ2+Δф=ϕ1 в слагаемом сигнале U2.

Таким образом, преобразуемый сигнал U2 (t₂+Δτ; ϕ2+Δф) становится когерентным сигналу U1(t₁;ϕ1). Равенство, являющееся критерием когерентной синхронизации:

Основная обработка сигналов заключается в выполнении быстрого преобразования Фурье и простых математических операций, что повышает быстродействие и упрощает реализацию данного способа синхронизации.

Способ когерентной синхронизации двух задержанных во времени псевдослучайных недетерминированных сигналов , обладающих различным временем распространения t₁, t₂ и фазовым сдвигом ϕ₁, ϕ₂, представленных с помощью быстрого преобразования Фурье в спектральном виде, отличающийся тем, что из одного из входных сигналов U2 (U1) введением временной задержки ΔT и фазового сдвига ΔФ, формирующий задержанную и сдвинутую по фазе копию - третий сигнал, U3 (t₃;ϕ₃)=U2 (t₂+ΔТ; ϕ₂+ΔФ) (U3(t₃;ϕ₃)=U1(t₁+ΔТ; ϕ₁+ΔФ)); из трех сигналов, представленных в виде частотного спектра, выровненных по уровню мощности, создающий в контрольных суммарных спектрах U3(t₃;ϕ₃)+U1(t₁;ϕ₁) и U3(t₃;ϕ₃)+{U1(t₁;ϕ₁)+U2(t₂;ϕ₂)}, за счет введенной временной задержки ΔТ и фазового сдвига ΔФ, несколько интерференционных минимумов (ИМ); осуществляющий измерение длительности Δf интервала ИМ спектральной огибающей суммарного сигнала U3(t₃;ϕ₃)+U1(t₁;ϕ₁) и определяющий оценочное значение времени задержки между сигналами U1(t₁;ϕ₁) и U2(t₂;ϕ₂) по формуле Δτ=1/Δf-ΔT; определяющий фазу спектральной огибающей ф интервала ИМ суммы сигналов ф{U3(t₃;ϕ₃)+U1(t₁;ϕ₁)} и фазу спектральной огибающей ф интервала ИМ суммы сигнала U3(t₃;ϕ₃) и суммы сигналов U1(t₁;ϕ₁)+U2 (t₂;ϕ₂), представленных выражением ф{U3(t₃;ϕ₃)+(U1(t₁;ϕ₁)+U2(t₂;ϕ₂))}; определяющий оценочное значения фазового сдвига между интервалами ИМ сумм сигналов по формуле:

и для ускорения процесса синхронизации выполняющий начальную установку предварительных значений Δτ и Δф в сигнал U2 (t₂;ϕ₂); для когерентной синхронизации осуществляющий частотное совмещение длительности и фазы спектральных огибающих интервалов ИМ посредством адаптивной корректировки значений Δτ и Δф и таким образом выравнивающий значение задержки t₂+Δτ=t₁ и фазы ϕ₂+Δф=ϕ₁ в сигнале U2 (t₂;ϕ₂) из суммы U1(t₁;ϕ₁)+U2(t₂;ϕ₂), и в результате этого преобразованный сигнал U2 (t₂+Δτ; ϕ₂+Δф) становится когерентным сигналу U1 (t₁;ϕ₁); равенство, являющееся критерием когерентной синхронизации: