Устройство для обработки сложного сигнала

Устройство для обработки сложного сигнала
Полезная модель относится к технике корреляционных приемников и может быть использована в радиолокационных станциях со сложным квазинепрерывным зондирующим сигналом для обработки (сжатия) принятых сигналов в заданном диапазоне задержек и доплеровских сдвигов частоты.
Отличительной особенностью РЛС со сложным квазинепрерывным сигналом является большая длительность и широкий спектр излучаемого сигнала. Излучение происходит в квазинепрерывном режиме, когда длительность отдельных посылок и интервал между ними являются случайными (псевдослучайными) величинами. Как правило, длительность когерентно обрабатываемого сигнала многократно нревосходит диапазон анализируемых задержек принимаемых сигналов, определяемый дальностью действия РЛС. Кроме того, ширина спектра зондирз ошего сигнала также во много раз выше диапазона доплеровских сдвигов частоты, которые представляют практический интерес.
Таким образом, особенности сложного квазинепрерывного сигнала (длительность намного больше диапазона задержек, ширина снектра намного больше диапазона анализируемых частот, отсутствие регулярной частоты повторения импульсов), а также требование высокой скорости обзора (одновременная обработка сигналов во всем диапазоне задержек и доплеровских сдвигов частоты) делают неприменимыми известные устройства обработки импульсных сигналов, в том числе сложнокодированных импульсов.
Известно устройство корреляционно-фильтровой обработки сигнала, содержашее параллельные корреляционные каналы, число которых равно количеству элементов разрешения по дальности. Каждый из корреляционных каналов содержит перемножитель и подключенный к его выходу набор из параллельных доплеровских фильтров, количество которых равно количеству разрешаемых доплеровских частот. К выходу каждого из фильтров подключен детектор огибающей, выходы которых являются выходом устройства (Слока В.К. Вопросы обработки радиолокационных сигналов. М.: Сов. радио, 1970.-С.114). При длительности сигнала до десятков миллисекунд, ширине анализируемой
нолосы частот до десятков килогерц, дианазоне задержек - сотни микросекунд и ширине спектра сигнала - десятки мегагерц, количество фильтров достигает величины от сотен тысяч до миллионов, что создает большие сложности для практической реализации известного устройства.
Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату нри использовании является устройство обработки сложного сигнала, выполненное на базе устройства корреляционно-фильтровой обработки сигнала, где в каждом корреляционном канале набор из параллельных доплеровских фильтров заменен процессором быстрого преобразования Фурье (БПФ) (Слока В.К. Вопросы обработки радиолокационных сигналов. М.: Сов. радио, 1970.- С.114) (фиг.1).
Устройство обработки сложного сигнала содержит N перемножителей 1, N процессоров 2 БПФ, N детекторов 3 огибающей и последовательно соединенные генератор 4 тактовых импульсов и блок 5 формирования опорных сигналов (ФОС).
Перемножитель 1, процессор 2 БПФ и детектор 3 огибающей в каждом корреляционном канале соединены последовательно. Первые входы N перемножителей 1 являются входом устройства, а выходом являются выходы детекторов 3 огибающей. Вторые входы перемножителей 1 подключены соответственно к N выходам блока 5 ФОС.
В данном устройстве частично устранены недостатки, присущие известным устройствам аналогичного назначения и связанные с большими вычислительными затратами. Однако нри осуществлении данного устройства возникают две взаимосвязанные проблемы:
ширина анализируемого частотного диапазона определяется шириной спектра сигнала и, как правило, многократно превосходит диапазон анализируемых доплеровских сдвигов частоты, неоправданно увеличивая вычислительные затраты;
размерность БПФ, определяемая частотой следования выборок и большой длительностью сигнала, чрезмерно высока.
Задача, на решение которой направлепа данная полезная модель, заключается в создании устройства, выполняющего обработку сложного квазинепрерывного сигнала при одновременной минимизации вьгаислительных ресурсов.
Технический результат, достигаемый при использовании данной полезной модели, заключается в уменьшении затрат на аппаратурную реализацию устройства, выполняющего обработку сложного квазинепрерывного сигнала в заданном диапазоне задержек и доплеровских сдвигов частоты.
2
Поставленная задача с достижением уномянутого выше технического результата достигается тем, что в устройство для обработки сложного сигнала, содержащего N перемножителей, процессор БПФ, детектор огибающей и последовательно соединенные генератор тактовых импульсов и блок ФОС, причем входом устройства являются первые входы N перемножителей, вторые входы которых подключены соответственно к N выходам блока ФОС, а выходом устройства является выход детектора огибающей, введены N интеграторов с памятью и сбросом, делитель частоты, мультиплексор , коммутатор , первое оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), второе ОЗУ, двоичный счетчик элементов дальности и последовательно соединенные двоичный счетчнк сегментов сигнала и триггер запись-считывание, при этом выходы N перемножителей соединены соответственно с первыми входами N интеграторов с памятью и сбросом, выходы которых соединены соответственно с N входами мультиплексора , выход которого соединен с информационными входами первого ОЗУ и второго ОЗУ, выходы которых подключены к общей информационной шине, соединенной с входом процессора БПФ, выход генератора тактовых импульсов соединен с тактовыми входами интеграторов с памятью и сбросом и с входом делителя частоты, первый выход которого соединен с входом двоичного счетчика элементов дальности, а второй выход соединен с входами сброса-запоминания интеграторов с памятью и сбросом и с входом двоичного счетчика сегментов сигнала, адресная шина двоичного счетчика элементов дальности соединена с адресными входами мультиплексора, с младшими разрядами второго адресного входа коммутатора и со старшими разрядами его первого адресного входа, адресный выход двоичного счетчика сегментов сигнала соединен с младшими разрядами первого адресного входа коммутатора и со старшими разрядами его второго адресного входа, первый и второй выходы коммутатора соединены соответственно с адресными входами первого ОЗУ и второго ОЗУ, тактовые входы которых подключены к выходу генератора тактовьгк импульсов, инверсный выход триггера записьсчитывание соединен с входом запись-считывание первого ОЗУ, а его прямой выход соединен с входом запись-считывание второго ОЗУ и с управляющим входом коммутатора.
Полезная модель иллюстрируется чертежами: на фиг.2 представлена структурная электрическая схема заявляемого устройства; на фиг.З - временные диаграммы сигналов на выходах блоков заявляемого устройства. Устройство для обработки сложного сигнала в соответствии с данной полезной
моделью содержит N корреляторов сегмента сигнала, каждый из которых содержит последовательно соединенные перемножитель 1 и интегратор 6 с памятью и сбросом.
Входом устройства являются первые входы N перемножителей 1, вторые входы которых подключены соответственно к N выходам блока 5 ФОС. Выход генератора 4 тактовых импульсов соединен с входом блока 5 ФОС, с тактовыми входами N интеграторов 6 с памятью и сбросом, с входом делителя 7 частоты, а также с тактовыми входами первого ОЗУ 10 и второго ОЗУ 11. Первый выход делителя 7 частоты соединен с входом двоичного счетчика 12 элементов дальности, а второй выход соединен с входом двоичного счетчика 13 сегментов сигнала и с входами сброса - запоминания интеграторов 6 с памятью и сбросом. Адресная шина двоичного счетчика 12 элементов дальности соединена с адресными входами мультиплексора 8, с младшими разрядами второго адресного входа коммутатора 9 и со старшими разрядами его первого адресного входа. Адресный выход двоичного счетчика 13 сегментов сигнала соединен с младшими разрядами первого адресного входа коммутатора 9 и со старшими разрядами его второго адресного входа. Первый и второй выходы коммутатора 9 соединены соответственно с адресными входами первого ОЗУ 10 и второго ОЗУ 11. Инверсный выход триггера 14 запись-считывание соединен с входом запись-считывание первого ОЗУ 10, а его прямой выход соединен с входом запись-считывание второго ОЗУ 11 и с управляющим входом коммутатора 9. Выходы интегратора 6 со сбросом соединены соответственно с N входами мультиплексора 8, выход которого соединен с информационными входами первого ОЗУ 10 и второго ОЗУ 11, выходы которых подключены к общей информационной шине, соединенной с входом процессора 2 БПФ, выход которого соединен с входом детектора 3 огибающей, выход которого является выходом устройства.
Устройство работает следующим образом. Па вход устройства (первые входы N перемножителей 1) поступает входной сигнал длительностью Тс, подлежащий обработке в диапазоне доплеровских частот ДР  2Рдоп на N дискретных задержках, сдвинутых друг относительно друга на интервал То, где То - временной дискрет сложнокодированного квазинепрерывного сигнала, а Рдоп - максимальный доплеровский сдвиг частоты сигнала.
Делитель 7 частоты формирует две последовательности импульсов. Па первом выходе образуется последовательность импульсов с частотой РСЧ  AP-N, а на втором выходе образуется последовательность импульсов сброса интеграторов 6 с частотой Рсбр АР.
4 Для определённости будем считать, что входной сигнал представлен в виде
двух квадратурных видеокомнонент, прошедших аналого-цифровое преобразование с частотой fi - 1/То, На вторые входы перемножителей 1 от блока 5 ФОС поступает опорная демодулируш;ая последовательность, задержанная соответственно на п дискретов, где п - порядковый номер перемножителя.
На выходе каждого перемножителя 1 формируется демодулированный сигнал с одной определённой задержкой. Интегратор 6 с памятью и сбросом производит накопление квадратурных компонент сигнала, следующих с частотой fi, определяемой шириной спектра сигнала, в то время как считывание и сброс результатов накопления производится с частотой Рсбр, определяемой шириной анализируемого диапазона доплеровских сдвигов частоты. Интегратор 6 с памятью и сбросом является аналогом последовательно соединённых фильтра нижних частот (ФНЧ) с частотой среза, равной максимальному доплеровскому сдвигу частоты Рдоп, дециматора (прореживателя частоты следования выборок), который снижает частоту следования выборок до минимально возможной, равной удвоенной частоте среза ФНЧ, и выходного буферного регистра, в который записывается значение накопленного сигнала перед сбросом интегратора.
Период следования импульсов сброса-запоминания интеграторов 6 с памятью и сбросом определяет длительность сегмента сложнокодированного сигнала Тсегм 1/AF, обрабатываемого без учета доплеровского сдвига частоты.
Последовательно соединенные перемножитель 1 и интегратор 6 с памятью и сбросом представляют собой типовой функциональный узел - коррелятор, обеспечивающий обработку одного сегмента сигнала. Выходные отсчеты N интеграторов 6 с памятью и сбросом объединяются в один поток путем их временного мультиплексирования. Очерёдность подключения задается кодом текущего элемента дальности, поступающего на адресный вход мультиплексора 8 с выхода двоичного счетчика 12 элементов дальности.
Первое ОЗУ 10 и второе ОЗУ 11 имеют размер оперативной памяти MxN элементов, где М  AF-TC - размерность БПФ. Адресные входы ОЗУ 10 и ОЗУ 11 подключены соответственно к первому и второму выходам коммутатора 9.
Совместная работа коммутатора 9, первого ОЗУ 10 и второго ОЗУ 11 обеспечивает запись L  MxN квадратурных отсчётов сигнала в память в виде матрицы MxN и последующее считывание с задержкой L отсчётов. Причем если запись производится по строкам, то считьшание - по столбцам матрицы (или наоборот). Таким образом, на
5
вход блока 2 БПФ последовательно поступают результаты накопления М сегментов сигнала на одном элементе дальности, М сегментов сигнала на другом элементе дальности и так далее до N-ro элемента дальности, после чего процесс повторяется с периодом L отсчетов. Процессор 2 БПФ принимает М квадратурных отсчетов, соответствующих одному элементу дальности, и выполняет стандартную процедуру БПФ размерности М. Результатом являются М частотных отсчетов, соответствующих спектральному анализу сигнала в диапазоне частот AF. Па выходе детектора 3 огибающей формируется выходной сигнал. Поясняющие временные диаграммы сигналов на выходах блоков устройства приведены на фиг.З, где изображены диаграммы одной квадратурной компоненты сигнала в четырех каналах корреляционной обработки.
В корреляторе .№1 условно показано накопление сигнала от мощной неподвижной цели. Сплошные линии соответствуют процессу накопления сигнала, а пунктирные - результату на выходе, то есть тому значению, которое запоминается перед сбросом интегратора и хранится в течение следующего интервала накопления.
Сигнал на выходе второго коррелятора отличается от первого только интенсивностью - он более слабый, а в третьем корреляторе условно показано накопление шума.
Сигнал в корреляторе .№4 имеет регулярный доплеровский сдвиг частоты, период которой в данном случае равен длительности восьми сегментов, то есть отсчеты выходного сигнала этого коррелятора соответствуют одному периоду косинуса.
Следующая временная диаграмма показывает выходной сигнал мультиплексора, который образован периодическим опросом выходных сигналов корреляторов. В этой диаграмме черед)тотся во времени сигналы, соответствующие различным задержкам (корреляционным каналам), что делает их неприемлемыми для спектральной обработки. Упорядочивание (грзшпировка) временных отсчетов, соответствующих одинаковым задержкам, выполняется с помощью двух ОЗУ. Результат упорядочивания показан на предпоследней диаграмме. Хорошо видно, что группы из М (здесь ) отсчетов подготовлены для выполнения процедуры БПФ размерности М.
Паконец, последняя диаграмма иллюстрирует выходной сигнал устройства. Сначала на выходе появляются амплитудные значения М спектральных отсчетов, соответствующих корреляционному каналу №1, далее - М спектральных отсчетов канала .№2 и так далее. Порядок следования спектральных отсчетов, показанный на фиг.З, такой, как общепринято в цифровом спектральном анализе, то есть постоянная составляющая и первые положительные гармоники сначала, гармоники с максимальной частотой в центре и гармоники, соответствующие отрицательному доплеровскому сдвигу
частоты, в конце.
Таким образом, на выходе рассматриваемого устройства с высокой частотой следования появляются результаты обработки сложного сигнала во всем анализируемом диацазоне задержек и донлеровских сдвигов частоты, исключая необходимость построения сложных многоканальных схем.
По сравнению с устройством корреляционно-фильтровой обработки с раздельными процессорами БПФ данное устройство имеет объем аппаратуры в десятки-сотни раз меньше. Так, например, устройство обработки квазинепрерывного фазоманипулированного сигнала длительностью до 50 мсек и шириной спектра 20 МГц в диапазоне доплеровских сдвигов частоты 80 кГц для 1024 дискретных задержек реализовано на одной печатной плате стандартного размера 233,5x160 мм. Очевидно, что реализация корреляционно-фильтрового устройства обработки с аналогичными характеристиками на 4 миллиона дальностно-доплеровских каналов разрешения практически трудно выполнима.
7