УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ ЛИНЕЙНО-ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
CHIRP SIGNAL RECOGNITION DEVICE

Предлагаемое устройство для распознавания линейно-частотно-модулированных /ЛЧМ/ сигналов предназначено для работы в станциях радиотехнической разведки /РТР/ и в пассивных системах целеуказания /ПСЦУ/ в качестве аппаратуры определения вида и параметров внутриимпульсной модуляции сложных сигналов для решения задач селекции и идентификации сигнала.
В качестве первого аналога рассмотрим устройство по авт. свид. №1840896 /заявка №2206387 от 05.07.1976 г./, в котором для различения фазо-манипулированных /ФМ/ и ЛЧМ сигналов используются отдельные каналы обработки. Каждый канал содержит автокорреляторы, в состав которых входят линии задержки, перемножители и фильтры. Для формирования признака приема ЛЧМ сигнала здесь используется информация о биполярности напряжения сигнала биений на выходе фильтра нижних частот /ФНЧ/ автокоррелятора при обработке ЛЧМ сигналов. Такой способ реализации устройства различения ЛЧМ сигналов приводит к тому, что при обработке ФМ сигналов отклик автокоррелятора канала ЛЧМ сигналов также биполярный, и на его выходе формируется ложный признак приема ЛЧМ сигнала. Для исключения ложной информации при обработке ФМ сигнала производится бланкирование схемы формирования признака приема ЛЧМ сигнала, которое осуществляется признаком приема ФМ сигнала. Однако чувствительность канала обработки ЛЧМ сигнала в данном устройстве на 5-7 дБ выше чувствительности канала обработки ФМ сигналов из-за разных полос ФНЧ на выходах автокорреляторов соответствующих каналов /полоса ФНЧ канала обработки ФМ сигнала намного больше полосы ФНЧ канала обработки ЛЧМ сигнала/. Разная чувствительность каналов приводит к тому, что ФМ сигналы в динамическом диапазоне на 5-7 дБ выше уровня чувствительности канала обработки ЛЧМ сигнала принимаются за ЛЧМ сигналы, т.к. в этом диапазоне канал обработки ФМ сигналов не срабатывает и не осуществляется бланкирование канала обработки ЛЧМ сигнала. Поэтому в данном динамическом диапазоне устройство имеет низкую достоверность различения сигналов по выходу "ЛЧМ".
В качестве второго аналога рассмотрим устройство, в котором для повышения достоверности различения ЛЧМ сигналов используется алгоритм равенства временных интервалов между нуль-переходами отклика автокоррелятора на ЛЧМ сигналы. Формирование признака приема ЛЧМ сигнала здесь производят после последовательного сравнения каждого текущего интервала между соседними импульсами нуль-переходом отклика автокоррелятора с его предыдущим значением. Сравнивают всегда два соседних интервала, а решение принимают при равенстве трех и более /в зависимости от требуемой статистической надежности различения/ таких интервалов. Временные интервалы между нуль-переходами сигнала биений по выходу автокоррелятора на ФМ сигналы являются не одинаковыми и ложная информация на выходе "ЛЧМ" от их воздействия отсутствует.
В качестве третьего аналога рассмотрим устройство по авт. свид. №1841019 /заявка №3112397 от 12.04.1985/, в котором для формирования признака "ЛЧМ" используется алгоритм равенства временных интервалов между импульсами нуль-переходов отклика автокоррелятора, рассмотренный при описании второго аналога. Для повышения точности сравнения интервалов здесь введен дополнительный регистр, а схема управления регистрами выполнена таким образом, что сравнение предыдущих интервалов производится в течение всей длительности текущего интервала между соседними импульсами нуль-переходов отклика автокоррелятора. Это приводит к повышению верности формирования признака приема ЛЧМ сигналов.
В качестве четвертого аналога рассмотрим устройство, в котором для формирования признака "ЛЧМ" используется алгоритм, рассмотренный при описании второго и третьего аналогов. Достоинства данного устройства - высокая верность формирования признака приема ЛЧМ сигналов с широким диапазоном изменения параметров их внутриимпульсной модуляции и простота технической реализации.
Рассмотренные аналоги обеспечивают высокую достоверность решения задачи распознавания в классе ЛЧМ, ФМ и простых сигналов в большом /60-80 дБ/ динамическом диапазоне. В настоящее время классы используемых в радиолокационных станциях /РЛС/ сигналов значительно расширились. Находят практическое использование сигналы с дискретной частотной модуляцией /ДЧМ/, позволяющие значительно улучшить возможности адаптации РЛС к помеховой обстановке, повысить энергетическую и сигнальную скрытность ее работы.
В классе ЛЧМ, ДЧМ, ФМ и простых сигналов известные устройства распознавания имеют низкую достоверность различения по выходу "ЛЧМ", что является их недостатком. Уменьшение достоверности различения по выходу "ЛЧМ" обусловлено тем, что в известных устройствах для различения ЛЧМ сигналов используется только информация о равенстве временных интервалов между нуль-переходами отклика автокоррелятора и не используется информация о форме сигнала биений между нуль-переходами. При приеме ДЧМ сигналов известные устройства могут формировать ошибочные решения о приеме ЛЧМ сигналов, например, при выполнении условия:
n
з
Δω·τ=π·n
n
где Δω - n-й дискрет частоты ДЧМ сигнала;
з
τ - длительность залежки в цепи автокоррелятора;
n=0, 1, 2… - номер дискрета.
В случае равенства длительностей дискретов частоты анализируемого ДЧМ сигнала при выполнении этого условия интервалы между нуль-переходами сигнала биений на выходе автокоррелятора будут одинаковыми и известные устройства формируют ложный признак "ЛЧМ" при обработке ДЧМ сигналов.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанного выше недостатка, т.е. на повышение достоверности различения ЛЧМ сигналов.
В качестве прототипа выбираем устройство, которое из рассмотренных аналогов наиболее близко по технической сущности к предложенному устройству.
На фиг. 1 представлена блок-схема прототипа.
Прототип содержит автокоррелятор 1, детектор огибающей 2, пороговый блок 3, компаратор 4, ключ 5, одновибратор 6, элемент задержки 7, преобразователь "интервал-код" 8, регистры 9, 10, делитель 11, элемент задержки 12, пороговый блок 13, регистр 14 и блок совпадения 15.
Автокоррелятор 1, вход которого соединен с входом детектора огибающей 2 и является входом устройства, пороговый блок 3, ключ 5, преобразователь "интервал-код" 8, регистр 9, делитель 11, пороговый блок 13, регистр 14 и блок совпадения 15, выход которого является выходом устройства, соединены последовательно. Выход ключа 5 соединен также с входом элемента задержки 7 и управляющим входом регистра 10, выход и сигнальный вход которого соединены, соответственно, со вторым входом делителя 11 и с выходом регистра 9, управляющий вход которого соединен с выходом элемента задержки 7 и через элемент задержки 12 с управляющим входом регистра 14. Выход детектора огибающей 2 через компаратор 4 соединен с управляющим входом ключа 5 и с входом одновибратора 6, выход которого соединен со  сбросовыми входами преобразователя "интервал-код" 8 и регистров 9, 10, 14.
Как было указано выше, недостатком прототипа является низкая достоверность различения ЛЧМ сигналов при обработке ДЧМ сигналов, т.к. при этом формируется ложный признак приема "ЛЧМ". Это приводит к снижению качества решения задач селекции и идентификации сигналов, вероятности правильного распознавания типов РЛС и их носителей, эффективности систем радиопротиводействия.
Целью настоящего изобретения является повышение достоверности различения ЛЧМ сигналов при обработке ДЧМ сигналов.
Это достигается тем, что в известное устройство, содержащее последовательно соединенные автокоррелятор, первый пороговый блок, ключ, преобразователь "интервал-код" и регистр, блок деления, второй пороговый блок, второй регистр и блок совпадения, выход которого является выходом устройства, а также первый элемент задержки, вход и выход которого соединены соответственно с выходом первого ключа и с управляющим входом первого регистра, второй элемент задержки, вход и выход которого соединены с управляющими входами соответственно первого и второго регистров, третий регистр, выход которого соединен с вторым входом блока деления, и последовательно соединенные детектор огибающей, вход которого объединен с входом автокоррелятора и является входом устройства, компаратор и одновибратор, вход и выход которого соединены соответственно с управляющим входом первого ключа и объединенными сбросовыми входами преобразователя "интервал-код" и трех регистров, введены третий элемент задержки и последовательно соединенные третий пороговый блок, вход которого соединен с вторым выходом автокоррелятора, второй ключ, управляющий вход которого соединен с выходом компаратора, элемент ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого ключа, и второй преобразователь "интервал-код", выход и сбросовый вход которого соединены, соответственно, с сигнальным и с сбросовым входами третьего регистра, управляющий вход которого соединен с выходом третьего элемента задержки, вход которого соединен с выходом элемента ИЛИ.
Такое решение обеспечивает повышение достоверности различения ЛЧМ сигналов при обработке сигналов с ДЧМ. Новые элементы /третий пороговый блок, второй ключ, элемент ИЛИ, второй преобразователь "интервал-код", третий элемент задержки/ и связи между ними позволяют исключить формирование ложного признака "ЛЧМ" при обработке сигналов с ДЧМ, что повышает достоверность различения сигналов.
Авторам не известны технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками предложенного технического решения. Следует отметить, что предложенное устройство включает в себя все без исключения элементы прототипа, сохраняет их названия и большинство связей, однако разрывы связей между входами регистра 10 /см. фиг. 1/ и другими элементами прототипа, имеющие место в предложенном устройстве по сравнению с прототипом /в предложенном устройстве сигнальный вход первого регистра подключен не к выходу второго регистра, а к выходу введенного второго преобразователя "интервал-код", а управляющий вход первого регистра подключен не к выходу первого ключа, а к выходу введенного элемента задержки/, не позволяют рассматривать предложенное устройство как дополнительное изобретение, т.к. оно не содержит всю без исключения совокупность признаков прототипа.
На фиг. 2 изображена блок-схема предложенного устройства.
Устройство содержит автокоррелятор 1, детектор огибающей 2, пороговые блоки 3, 4, компаратор 5, ключи 6, 7, одновибратор 8, элемент ИЛИ 9, элемент задержки 10, преобразователи "интервал-код" 11, 12, элемент задержки 13, регистры 14, 15, делитель 16, элемент задержки 17, пороговый блок 18, регистр 19 и блок совпадения 20.
Входы автокоррелятора 1 и детектора огибающей 2 соединены вместе и являются входом устройства. Автокоррелятор 1 выполнен по известным квадратурным схемам /см., например, фиг. 3/ и имеет два выхода квадратурных составляющих сигнала биений. Первый выход автокоррелятора соединен с входом порогового блока 3 и далее через ключ 6, преобразователь "интервал-код" 11, регистр 14, делитель 16, пороговый блок 18 и регистр 19 соединен с входом блока совпадения 20, выход которого является выходом устройства. Между сигнальным входом преобразователя "интервал-код" 11 и управляющим входом регистра 14, а также между управляющими входами регистров 14 и 19 включены соответственно элементы задержки 10 и 17. Второй выход автокоррелятора 1 соединен с входом порогового блока 4 и далее через ключ 7, элемент ИЛИ 9, второй вход которого соединен с выходом ключа 6, преобразователь "интервал-код" 12 и регистр 15 соединен с вторым входом делителя 16. Между сигнальным входом преобразователя "интервал-код" 12 и управляющим входом регистра 15 включен элемент задержки 13. Выход детектора огибающей 2 через компаратор 5 соединен с управляющими входами ключей 6, 7 и входом одновибратора 8, выход которого соединен с сбросовыми входами преобразователей "интервал-код" 11, 12 и регистров 14, 15, 19.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства. Для наглядности воспользуемся эпюрами напряжений в различных точках блок-схемы, изображенными на фиг. 4.
Известно, что при поступлении на вход автокоррелятора ЛЧМ сигнала /фиг. 4, а/ его отклик представляет собой гармоническое колебание с постоянной частотой, при этом на выходах квадратурных составляющих сигнала биений автокоррелятора 1 будут одинаковые гармонические колебания, сдвинутые по фазе друг относительно друга на 90° /фиг. 4, б, в/. С выходов пороговых блоков 3, 4 короткие импульсы нуль-переходов, временное положение которых соответствует переходам через нуль сигнала биений по выходам автокоррелятора /фиг. 4, г, д/, поступают на ключи 6, 7, управление которыми производится стробом с выхода компаратора 5. Строб формируется детектором огибающей 2 при обнаружении сигнала и нормируется компаратором 5 /фиг. 4, е/. Таким образом на выходах ключей 6, 7 импульсы нуль-переходов будут присутствовать только при наличии сигнала на входе устройства.
С выхода ключа 6 импульсы нуль-переходов /фиг. 4, г/ поступают на преобразователь "интервал-код" 11, где значения временных интервалов между соседними импульсами преобразуются в код. Полученное значение временного интервала записывается в регистр 14, с выхода которого поступает на вход делителя 16.
С выхода ключа 7 импульсы нуль-переходов /фиг. 4, д/ поступают на вход элемента ИЛИ 9, на второй вход которого поступают импульсы нуль-переходов с выхода ключа 6 /фиг. 4, г/. Через элемент ИЛИ 9 импульсы нуль-переходов с ключей 6, 7 /фиг. 4, ж/ поступают на преобразователь "интервал-код" 12, где значение временных интервалов между соседними импульсами преобразуются в код. Полученное значение временного интервала записывается в регистр 15, с выхода которого поступает на второй вход делителя 16. Запись кодов временных интервалов между соседними импульсами нуль-переходов в регистры 14, 15 производится импульсами нуль-переходов через элементы задержки 10, 13, которые предназначены для записи текущего интервала между соседними импульсами в соответствующие регистры после окончания преобразования интервала в код в преобразователях "интервал-код" 11, 12. Время задержки здесь выбирается из условия:
пр
з1
o
τ≤τ<τ
з1
где τ - длительность задержки элементов задержки 10, 13;
пр
τ - длительность операции преобразования интервала в код преобразователей 11, 12;
о
τ - длительность импульсов нуль-переходов.
з1
пр
з1
о
Условие τ≥τ необходимо, чтобы запись значения кодов текущих интервалов между соседними импульсами в регистры 14, 15 производилась после окончания преобразования длительности временного интервала в код в преобразователях 11, 12, а условие τ<τ необходимо, чтобы запись кодов текущих интервалов производилась в соответствующие регистры до начала измерения преобразователем новых интервалов.
Выше было указано, что при обработке ЛЧМ сигнала биения на квадратурных выходах автокоррелятора /фиг. 4, б, в/ представляют собой гармонические колебания с постоянной частотой, сдвинутые по фазе друг относительно друга на 90°. При этом временные интервалы между соседними импульсами нуль-переходов сигналов биений равны между собой, а временные интервалы между соседними импульсами по выходу ключа 6 /фиг. 4, г/ в два раза больше временных интервалов между соседними импульсами по выходу элемента ИЛИ 9 /фиг. 4, ж/. Эти особенности обработки используются в данном устройстве для распознавания ЛЧМ сигналов.
В регистре 14 хранится значение текущего интервала между соседними импульсами "нуль-переходов" по выходу ключа 6, а в регистре 15 - по выходу элемента ИЛИ 9. В делители 16 значения интервалов сравниваются. Результат сравнения испытывается на порог в пороговом блоке 18. При превышении кода интервала, записанного в регистре 14 над кодом интервала, записанным в регистре 15, в два раза на выходе порогового блока 16 формируется логическая единица. В противном случае - логический нуль.
Результат сравнения интервалов по выходу порогового блока 18 последовательно записывается в регистр сдвига 19 импульсами нуль-переходов, которые поступают на управляющий вход регистра через элемент задержки 17, длительность задержки которого выбирается из условия:
з2
ср
ан
τ≥t+t
з2
где τ - длительность задержки элемента задержки 17;
ср
t - длительность операции сравнения кодов в делителе 16;
ан
t - длительность операции анализа результата сравнения в пороговом блоке 18.
С выхода регистра сдвига 19 последовательно записанные результаты сравнения соседних интервалов поступают на вход блока совпадения 20, на выходе которого формируется признак приема ЛЧМ сигнала при наличии трех и более единиц подряд в ячейках регистра сдвига 19, что соответствует равенству трех и более /в зависимости от требуемой статистической надежности различия/ следующих друг за другом временных интервалов между импульсами нуль-переходов по выходу ключа 6 и превышению длительности интервалов между соседними импульсами нуль-переходов по выходу ключа 6 над длительностью интервалов по выходу элемента ИЛИ 9 в два раза.
После окончания импульса строба по выходу компаратора 5 запускается одновибратор 8, с выхода которого задним фронтом импульса /фиг. 4, и/ сбрасываются преобразователи "интервал-код" 11, 12 и регистры 14, 15, 19. Устройство вновь подготовлено для анализа входных сигналов.
При обработке ДЧМ сигнала /фиг.5, а/ биения на квадратурных выходах автокоррелятора представляют собой напряжения, пропорциональные набегу фазы на выходах автокоррелятора. В пределах дискрета частоты ДЧМ сигнала амплитуда сигнала биений постоянна. Изменение амплитуды сигнала биений происходит в момент изменения частоты ДЧМ сигнала одновременно на двух квадратурных выходах.
Это можно объяснить следующим образом.
б
Известно, что сигнал биения V на выходе автокоррелятора при воздействии на его вход сигнала с постоянной частотой представляет собой:
б
o
o
з
V=V·cos(ωτ)
o
o
где V, ω - амплитуда и частота сигнала на входе автокоррелятора.
При воздействии на вход автокоррелятора ДЧМ сигнала сигнал биения будет иметь вид:
бДЧМ
o
o
n
з
o
o
з
n
з
o
з
n
з
V=V·cos[(ω+Δω)·τ]=V[cos(ωτ)·cos(Δω·τ)-sin(ωτ)·sin(Δω·τ)]
n
где Δω - изменение частоты дискрета ДЧМ-сигнала.
o
з
Принимаем V cos(ω·τ)=1, тогда
бДЧМ
o
n
з
V=V·cos(Δω·τ)
На втором квадратурном выходе автокоррелятора сигнал биения будет:
бДЧМ
o
n
з
V=V·sin(Δω·τ)
n
Из последних двух выражений видно, что изменение амплитуды сигнала биений происходит одновременно на двух квадратурных выходах автокоррелятора в момент изменения частоты дискрета Δω ДЧМ сигнала /фиг. 5, б, в/.
В случае равенства длительностей дискретов частоты ДЧМ сигнала интервалы между импульсами нуль-переходов сигнала биения на выходе автокоррелятора будут одинаковыми. Импульсы нуль-переходов с выходов пороговых блоков 3, 4 /фиг. 5, г, д/ совпадают во времени, поэтому с выхода элемента ИЛИ 9 /фиг. 5, ж/ на вход преобразователя интервал-код 12 импульсы нуль-переходов будут поступать одновременно с импульсами нуль-переходов на вход преобразователя интервал-код 11. В регистрах 14, 15 будут записаны коды одинаковых интервалов, поэтому пороговый блок 18 не срабатывает и устройство не формирует ложный признак "ЛЧМ" при обработке ДЧМ сигнала.
Все узлы предлагаемого устройства выполнены по известным типовым схемам современной аналоговой и цифровой техники с использованием микросхем серий 100, 530, 556.
Квадратурный автокоррелятор 1 может быть выполнен, например, по схеме, представленной на фиг. 3. Здесь квадратурный автокоррелятор содержит элемент задержки 1, перемножитель 2, широкополосный квадратурный направленный ответвитель 3, перемножитель 4 и фильтры нижних частот 5, 6. Принцип работы такого автокоррелятора пояснения не требует.
Использование предлагаемого устройства в станциях РТР и ПСЦУ позволяет улучшить качество решения задач селекции и идентификации сигналов, повысить вероятность опознавания типа РЛС и его носителя, улучшить организацию эффективного радиопротиводействия.