СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ПОИСКА И ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛОВ
DEVICE AND METHOD FOR SIGNAL SEARCH AND DETECTION

Изобретение относится к области радиоэлектроники и может быть использовано для определения несущей частоты и других параметров сигналов (например для цифрового сигнала структуры КИМ-ФМ (кодово-импульсный фазомодулированный сигнал) и КИМ-ОФМ), принимаемых в заданном диапазоне частот с большой априорной неизвестностью по времени прихода, частоте, уровня сигнала и помеховой обстановке в зоне приема.
Из уровня техники известны способы определения частоты и устройства для их реализации. Из известных способов и устройств наиболее близкими к предлагаемому техническому решению является патент RU 2331077 С1 от 26.02.2007 «Способ определения частоты и устройство для его реализации», выбранный в качестве аналога.
Указанный способ и устройство обеспечивают обнаружение сложных сигналов и определение их параметров и реализуются с помощью замкнутого (и как правило, одноканального) алгоритма. Такая реализация требует меньше ресурсов.
Недостатком известного технического решения является необходимость наличия вспомогательного режима вхождения в связь и как следствие увеличение времени приема и обработки сигналов. В случае срыва режима вхождения в связь принять сигнал будет невозможно даже при его наличии.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом заявленного изобретения является уменьшение времени приема и обработки сигнала в силу многоканальности и отсутствия режима вхождения в связь при большой неопределенности прихода сигнала по времени, ограниченности временных и энергетических параметрах радиолинии, а так же неопределенности по энергетике и неопределенности по частоте, повышение достоверности обрабатываемой информации. Запись информационных параметров сигнала позволяет снять ограничения на продолжительность процедур обработки т.к. они будут выполняться не в реальном, а в машинном масштабе времени, что позволит использовать сложные и эффективные алгоритмы обработки. Минимальная задержка выдачи информации в этом случае будет равна продолжительности сеанса связи плюс время обработки, которое при использовании современных вычислительных средств будет незначительной.
i
k
nk
i
k
i
i
k
i
k
i
k
i
i
i
k
nk
i
k
i
k
k
i
k
i
i
k
i
0
k
i
i
i
i
i
n
0
n
0
k
nk
i
k
nk
nk
n
k
nk
i
k
i
n
i
k
i
n
kn
i
k
x
i
y
i
Технический результат достигается тем, что способ цифрового поиска и обнаружения сигналов заключающийся в том, что обнаруживают отрезок несущей частоты сигнала, устанавливают границы отрезка несущей частоты сигнала с точностью до длительности окна анализа, равной длительности синхропосылки, при этом на первом этапе анализируют Ф(Ω) выборку фазовых отсчетов, относительно опорного колебания k-й частоты на заданном временном интервале Tobn наблюдения скользящим окном и решают задачу обнаружения сигнала, в случае принятия решения об обнаружения сигнала, записывают номера начального F(н) и конечного F(к) фазовых отсчетов, соответствующих концу и началу интервала успешного анализа, длительность окна анализа Тa при этом меньше длительности самой посылки, которое выполняет анализ одного частотного канала, из исходной фазовой выборки вводят поправки, далее формируют фазовые выборки относительно других опорных частот, для каждой опорной частоты выполняют анализ наличия сигнала при помощи скользящего окна и многократно повторяют эту процедуру, уменьшают длительность окна анализа, определяют границы синхропосылки с точностью до длительности окна анализа и частотной поправки Δ, формируют массивы фазовых отсчетов Ф(Ω) используя измеритель временных интервалов τ(t) между нулевыми уровнями входной смеси сигнала и опорным колебанием, значения τ(t) с точностью до известной частоты опорного колебания ω равны искомой разности фаз Ф(ω, t)=ω τ(t), так же на преобразователь подаются сигналы меток времени t, значения шагов квантования по времени Δt и по уровню Δ, запоминают сформированные массивы фазовых отсчетов Ф(Ω), подают массивы фазовых отсчетов на формирователь частотных каналов с шагом Δ, где фазовые отсчеты Ф(ω, t) относительно k-й опорной частоты ωФ(ω, t)=Ф(Ω, t)=Ф(Ω)=Ф=φ+ΩΔt(i-1)+ξ=θ+ξ, где i - номер отсчета, ξ - шумовые флюктуации разности фаз, в следующем частотном канале фазовые отсчеты относительно n-й опорной частоты равны Ф(Ω)=φ+ΩΔt(i-1)=φ+(Ω+Δ)Δt(i-1)=Ф(Ω+Δ), при этом разность частот сигналов n-й и k-й опорных частот Δ=Ω-Ω, что дает алгоритм введения поправок Δ к массиву Ф(Ω) для получения массива фазовых отсчетов Ф(Ω), в другом частотном канале, при обработке из массива Ф(Ω) формируют массивы отсчетов соседних частотных каналов Ф(Ω) путем введения поправок Δ,, из фазовых отсчетов каждого частотного канала Ф(Ω) путем весового суммирования периодических функций (квазисинусов и квазикосинусов) формируются величины
и
весовые функции П(t), П(t) выбираются в зависимости от решаемой данным способом обработки задачи обнаружения сигнала, которые являются образцами (аналогами) модулирующей функции П(t), сигнал обнаруживают по участку несущей сигнала, производят поиск сигнала по времени и по частоте, с точностью до длительности окна анализа (Тa) известен конец участка несущей сигнала (начало участка тактовой синхронизации), после обнаружения участка несущей сигнала анализируемым алгоритмом время прихода сигнала известно с точностью до длительности (Тa) последнего окна анализа, а расстройка по частоте относительно частоты настроенного частотного канала не превышает полуширины (ΔF) полосы эквивалентного цифрового фильтра.
i
оп
оп
i
nk
Устройство, реализующее способ включает в себя антенно-фидерного устройство (АФУ), формирователь фазовых отсчетов, первый вход которого соединен с выходом АФУ, запоминающее устройство, блок формирования частотных каналов, первый вход которого соединен с выходом запоминающего устройства, блок квадратурной обработки сигналов, общий вход которого соединен с выходом блока формирования частотных каналов, блок обработки выходных данных, причем в состав блока квадратурной обработки сигналов входят первый и второй формирователи квазисинусного и квазикосинусоного каналов, входы которых являются общим входом блока квадратурной обработки сигналов, первый и второй умножители, первые входы которых соединены с выходами первого и второго формирователей квазисинусного и квазикосинусоного каналов соответственно, первый и второй сумматоры, первые входы которых соединены с выходами первого и второго сумматоров соответственно, выходы первого и второго сумматоров являются первым и вторым выходами блока квадратурной обработки сигналов соответственно, блок формирования весовых функций, на вход которого поступают сигналы меток времени t, первый выход соединен с вторым входом первого умножителя, второй выход соединен с вторым входом второго умножителя, на вторые входы первого и второго сумматоров по дается время анализа Та, выходы первого и второго сумматоров соединены с первым и вторым входами блока обработки выходных данных, на второй вход формирователя фазовых отсчетов поступает опорное колебание напряжением U(t, ω), на третий вход поступают сигналы меток времени t, на четвертый вход поступают значения шагов квантования по времени Δt, на пятый вход поступают значения шагов квантования по уровню Δ, на второй вход блока формирования частотных каналов поступает значение частотных поправок Δ, первый и второй выходы блока квадратурной обработки сигналов соединены с первым и вторым входами блока обработки выходных данных, выход блока обработки выходных данных является выходом устройства. Устройство цифрового поиска и обнаружения отличающееся тем, что количество блоков квадратурной обработки сигналов равно n, где n≥1, количество выходов блока формирования частотных каналов равно n, каждый выход i блока формирования частотных каналов соединен с каждым общим входом i блоков, где i=1, 2..n, блока обработки выходных данных имеет 2×n входов, каждый i-й и 2×i выход i-го блока квадратурной обработки сигналов соединен с входами i и 2×i блока обработки выходных данных.
Рассматривается цифровая структура сигнала КИМ-ФМ и КИМ-ОФМ получившая широкое распространение [2, 3].
Заявленный цифровой способ и устройство поиска и обнаружения сигналов, основан на использовании разомкнутых цифровых многоканальных алгоритмах [6, 7] и обработки массивов фазовых отсчетов [1, 3-5].
Такая реализация требует больше ресурсов, но в силу многоканальности не имеет режима вхождения в связь.
Переход к цифровой обработке позволяет алгоритмически решить задачи адаптации параметров обработки к условиям приема сигналов.
В качестве информационного параметра в структуре сигнала выступает фаза и поэтому заявляемые далее способ и устройство его реализации являются фазовыми. Заявленный способ основан на цифровой обработке записей информационных параметров принимаемых сигналов.
Заявленный способ обработки информационных параметров сигналов разомкнутой структуры, поскольку в ней отсутствует режим вхождения в связь, который при ограниченных временных и энергетических ресурсах радиолиний может быть причиной снижения достоверности приема информации.
Обработке подвергается запись информационных параметров сигналов. Это позволяет практически снять ограничения на продолжительность процедур обработки, т.к. они будут выполняться не в реальном, а в машинном масштабе времени. Минимальная задержка выдачи информации в этом случае будет равна продолжительности сеанса связи плюс время обработки, которое при использовании современных вычислительных средств может быть обеспеченно приемлемо малым.
Краткое описание чертежей
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами, где показано следующее.
На фиг.1 представлено устройство, реализующее способ поиска и обнаружения сигналов
На фиг.2 представлена блок-схема способа поиска и обнаружения сигналов
На фиг.3 представлено формирование фазовых отсчетов.
На фиг.4 представлена частотная характеристика канального цифрового фильтра.
На фиг.5 представлено обнаружение отрезка несущей частоты сигнала скользящим окном.
На фигуре 1 цифрами обозначено:
1. Антенно-фидерное устройство;
2. Формирователь фазовых отсчетов;
3. Запоминающее устройство;
4. Блок формирования частотных каналов;
5. Блок квадратурной обработки сигналов;
6. Формирователь квазисинусного канала;
7. Формирователь квазикосинусного канала;
8. Первый умножитель;
9. Второй умножитель;
10. Первый сумматор;
11. Второй сумматор;
12. Блок формирования весовых функций.
13. Блок обработки выходных данных.
Осуществление изобретения
Заявленный способ заключается в следующем. Производится синхронизация по несущей частоте сигнала включающая процедуру обнаружения отрезка несущей сигнала и установление ее границ с точностью до длительности окна анализа. В свою очередь данную процедуру разделим на два этапа:
На первом этапе анализируется выборка фазовых отсчетов относительно опорного колебания k-ой частоты на заданном временном интервале наблюдения скользящим окном и решается классическая задача обнаружения сигнала.
При принятии решения об обнаружения сигнала записываются номера начального и конечного фазовых отсчетов, соответствующих концу и началу интервала успешного анализа. Длительность окна анализа при этом меньше длительности самой посылки. По существу при этом выполняется анализ одного частотного канала.
На втором этапе из исходной фазовой выборки путем введения поправок формируются фазовые выборки относительно других опорных частот. Для каждой из них выполняется анализ наличия сигнала методом скользящего окна. Многократно повторяем эту процедуру, уменьшая длительность окна анализа. В итоге решается задача обнаружения сигнала, определяются границы синхропосылки с точностью до длительности окна анализа.
Подобная процедура является адаптивной, которую можно выполнить только в записи.
Предлагается использовать, во-первых, запись информационных параметров сигналов, во-вторых, разомкнутые алгоритмы цифровой обработки сигнала. Это позволяет при обработке записи сигнала практически снять ограничения на продолжительность процедур обработки, т.к. они будут выполняться не в реальном, а в машинном масштабе времени, что позволит использовать сложные и эффективные алгоритмы обработки. Минимальная задержка выдачи информации в этом случае будет равна продолжительности сеанса связи плюс время обработки, которое при использовании современных вычислительных средств может быть обеспеченно приемлемо малым.
При реализации способа информационным параметром сигнала, на основе обработки которого выделяется полезная информация, является разность фаз входной смеси сигнала и помех относительно гармонического опорного колебания.
i
i
k
Для формирования фазовых отсчетов используется измеритель временных интервалов τ(t) между «нулями» входной смеси и опорным колебанием, показанный на фиг.3. Значения τ(t) с точностью до известной частоты опорного колебания ω равны искомой разности фаз
i
k
i
k
i
Ф(ω, t)=ω τ {t).
i
k
i
k
Фазовые отсчеты Ф(ω, t) относительно k-й опорной частоты ω записываем в виде
k
с
k
c
k
где Ω=ω-ω разность частот сигнала ω и опорного ω k-ой частоты;
Δt - шаг квантования по времени;
i - номер отсчета;
i
ξ - шумовые флюктуации разности фаз;
i
0
k
θ=φ+ΩΔf(i-1).
Фазовые отсчеты относительно n-ой опорной частоты равны
nk
n
k
где Δ=Ω-Ω - разность частот сигналов n-й и k-й опорных частот.
nk
i
k
i
n
Формула (2) дает алгоритм введения поправок Δ к массиву Ф(Ω) для получения массива фазовых отсчетов Ф(Ω) в другом частотном канале и является основой способа поиска сигнала по частоте.
i
k
i
i
k
i
k
i
n
kn
Для формирования фазовых отсчетов Ф(Ω), помимо опорного колебания, на формирователь фазовых отсчетов подаются сигналы меток времени t, значения шагов квантования по времени Δt и по уровню Δ. Фазовые отсчеты Ф(Ω) запоминаются. При обработке из массива Ф(Ω) формируются массивы отсчетов соседних частотных каналов Ф(Ω) путем введения поправок Δ.
i
k
Из фазовых отсчетов каждого частотного канала Ф(Ω) согласно способу, путем весового суммирования периодических функций (квазисинусов и квазикосинусов) от фазовых отсчетов формируются величины:
i
i
i
где x=ksin Ф=ksin (Ф+2π) - «квазисинус»;
i
i
i
у=kcos Ф=kcos (Ф+2π) - «квазикосинус»;
i
i
ksin Ф=kcos (0,5π-Ф);
x
y
П(i), П(i) - весовые функции.
x
Весовые функции П(i), Пy(i) выбираются в зависимости от решаемой данным способом обработки задачи обнаружения сигнала.
Из X и Y формируются величины
1
Обнаружение сводится к сравнению величин Z или Z с порогом. Схема (фиг.3) способа обработки, аналогична (эквивалентна) схеме двухканальной квадратурной обработки.
Сигнал на входе представляет аддитивную смесь гармонического сигнала:
c
0
S(t)=a sin(ωt+φ)
и гауссова шума:
с
0
c
0
n(t)=A(t) sin(ωt+φ)+B(t)cos(ωt+φ)
2
с нулевым средним и дисперсией σ.
- отношение сигнал/шум.
x
y
Вычисления (первоначально) проведем при единичных весах П(i)=П(i)=1.
i
i
i
i
i
Представим закон распределения фазовых отсчетов W(Ф), квазисинусы x=ksinФ и квазикосинусы у=kcosФ в виде рядов Фурье:
k
k
Зависимости G(Ω) (фиг.4) можно трактовать как «частотную характеристику» эквивалентного канального цифрового фильтра. Полоса этого фильтра по первым нулям равна
и характеризуют его избирательность. Максимальное значение mZ будет при Ω≈0,
.
max
k
01
Для того чтобы обеспечить Z≈Z, допустимые значения расстроек Ω в локальном канале должны быть существенно меньше Ω,
k
01
Ω<<Ω.
x
y
x
y
Показанная на фиг.4 частотная характеристика эквивалентного канального цифрового фильтра получена в предположении, что в формулах (3)-(4) весовые функции П и П приняты равной единице (П(i)=П(i)=1). При этой эквивалентной частотной характеристике уровень первого бокового лепестка составляет порядка минус 17 дБ [7]. Формирование этой частотной характеристики имеет математическую аналогию с выбором частотной характеристике цифровых фильтров или построением диаграммы направленности ФАР. Этот вопрос достаточно подробно исследован в литературе. Например, в книге Шахтарина [стр.54-55. 7] показано, что для построения эквивалентной частотной характеристики фильтра с учетом весовых функций можно добиться того, что уровень первых боковых лепестков относительно опорного будет порядка минус 58 дБ. Избирательность фильтра в этом случае может быть качественно увеличена. Хотя при этом, как известно, несколько возрастает ширина главного лепестка. При анализе, когда сигнал ищется и по времени, и по частоте наличие боковых лепестков является недостатком. Чем меньше уровень боковых лепестков, тем лучше. Весовое суммирование позволяет довести эти значения боковых лепестков до приемлемых величин.
Рассматривается сигнал, состоящий из служебной и информационной части. Служебная часть сигнала - преамбула содержит участок несущей и участок тактовой синхронизации.
1
2
Фазовые отсчеты записываются, а затем из них путем весового суммирования формируются квадратурные сигналы X и Y. В качестве весовых функций в этом случае берутся сигналы П(t) или П(t), которые являются образцами (аналогами) модулирующей функции П(t).
Предполагается, что сигнал обнаруживается по участку несущей сигнала. Причем производится поиск сигнала, как по времени, так и по частоте. В итоге с точностью до длительности окна анализа (Тa) известен конец участка несущей сигнала (начало участка тактовой синхронизации). Поэтому (если позволяет энергетика радиолинии) за счет итерационной процедуры обнаружения окном анализа все меньшей длительности можно достаточно точно определить участок сигнала тактовой синхронизации.
Способ обнаружения, предусматривает поиск сигнала не только по времени, но и по частоте. После обнаружения участка несущей сигнала анализируемым алгоритмом время прихода сигнала известно с точностью до длительности (Тa) последнего окна анализа, а расстройка по частоте относительно частоты настроенного частотного канала не превышает полуширины (ΔF) полосы эквивалентного цифрового фильтра. Эти значения неопределенности сигнала по времени (Δt≈Ta) и по частоте
являются исходными условиями для алгоритма тактовой синхронизации.
В алгоритме, используется при обнаружении способ скользящего окна фиг.5. где Tsig - длительность полезного сигнала;
Та - длительность окна анализа;
dT - шаг окна анализа;
Δt - шаг квантования по времени;
Тн - отсчет начала сигнального интервала или интервал наблюдения;
i - номер отсчета;
j - номер положения окна анализа, где
;
F(i) - отсчет фазы;
F(н) номера начального и конечного f(к) фазовых отсчетов соответственно.
Последовательно окном анализа сканируется с шагом весь временной интервал вероятного расположения сигнала. В алгоритме используется шаг равный длине окна.
В исходных данных задается временной интервал который анализируется скользящим окном, имеющим длительность Та, и решается задача обнаружения сигнала.
n
k
При принятии решения об обнаружении сигнала записывается номера начального i и конечного i фазовых отсчетов, соответствующих концу и началу интервала успешного анализа. Интервал анализа при этом меньше длительности самой посылки.
Многократно повторяя эту процедуру, уменьшая длительность окна анализа, определяются границы сигнального промежутка с точностью до длительности окна анализа Та. Подобная процедура временного поиска по является адаптивной, которую можно выполнить только в записи.
оп
оп
i
с
k
k
c
k
k
i
i
k
i
k
nk
i
k
i
k
k
i
k
i
i
k
i
0
k
i
i
i
n
i
n
0
n
0
k
nk
i
k
nk
nk
n
k
nk
i
k
i
n
x
i
y
i
x
i
y
i
ik
ik
Заявленное устройство работает следующим образом. Антенно-фидерное устройство 1 предназначено для приема, усиления и предварительной фильтрации в широком диапазоне частот сигнала. Далее сигнал поступает на формирователь фазовых отсчетов 2, где происходит формирование фазовых отчетов, на вход которого подается опорное колебание напряжением U(t, ω), сигналы меток времени t, значения шагов квантования по времени Δt и по уровню Δ, разность частот сигнала ω и опорного ω k-й частоты ω=ω-ω, с выхода которого сформированные фазовые отчеты Ф(ω, t) поступают на запоминающее устройство 3, где массивы фазовых отсчетов Ф(Ω) запоминаются. С запоминающего устройства 3 массивы фазовых отсчетов Ф(Ω) подаются на формирователь частотных каналов 4 с шагом Δ, где фазовые отсчеты Ф(ω, t) относительно k-й опорной частоты ω Ф(ω, t)=Ф(Ω, t)=Ф(Ω)=Ф=φ+ΩΔt(i-1)+ξ=θ+ξ, а в следующем частотном канале фазовые отсчеты относительно n-й опорной частоты ω равны Ф(Ω)=φ+ΩΔt(i-1)=φ+(Ω+Δ)Δt(i-1)=Ф(Ω+Δ), при этом разность частот сигналов n-й и k-й опорных частот Δ=Ω-Ω, что дает алгоритм введения поправок Δ к массиву Ф(Ω) для получения массива фазовых отсчетов Ф(Ω) в другом частотном канале. В результате на выходе формирователя частотных каналов 4 получаются массивы фазовых отчетов с соответствующем значением частоты и далее поступают на блок квадратурной обработки сигналов 5 формирующий квазисинусный ksin 6 и квазикосинусный kcos 7 канал обработки массива фазовых отчетов, поступающих на первый 8 и второй 9 умножители, куда также подаются значения выбранных соответствующих весовых функции П(t) и П(t), весовые функции П(t), П(t) выбираются в зависимости от решаемой данным способом обработки задачи обнаружения сигнала, которые являются образцами (аналогами) модулирующей функции П(t), на выходе умножителей формируются значения x и y, добавляя время анализа Тa в первый и второй сумматоры 10, 11 в них формируются величины
и
сигнал обнаруживается по участку несущей сигнала, производится поиск сигнала, как по времени, так и по частоте, с точностью до длительности окна анализа (Та) известен конец участка несущей сигнала (начало участка тактовой синхронизации), после обнаружения участка несущей сигнала анализируемым алгоритмом время прихода сигнала известно с точностью до длительности (Та) последнего окна анализа, а расстройка по частоте относительно частоты настроенного частотного канала не превышает полуширины (ΔF) полосы эквивалентного цифрового фильтра, величины
и
поступают на блок обработки выходных данных 13.
Таким образом, использование заявленного способа и устройства его реализующего позволяет обеспечить решение поставленной задачи поиска и обнаружения сигналов с достижением ожидаемого технического результата.
Источники информации
1. Березин, Л.В. Принципы обработки результатов фазовых измерений / Л.В. Березин, В.А. Вейцель. - М.: Сов. радио, 1977. - 448 с.
2. Петрович, Н.Т. Оптимизация режимов работы многоканальных фазовых систем при нелинейном групповом тракте / Н.Т. Петрович, А.С. Сухоруков. - М.: Связь, 1970. - 168 с.
3. Петрович, Н.Т. Передача сигналов методом КИМ-ОФМ / Н.Т. Петрович, М.В. Каблукова, Н.И. Козленке. - М.: Связь, 1974. - 112 с.
4. Савинов, В.А. Цифровое устройство для обнаружения и грубого измерения частоты сигнала / В.А. Савинов // Вопросы обработки информации в фазовых измерительных радиосистемах / под ред. В.А. Вейцеля. - М.: МАИ. - 1970. Вып.201. - С.29-60.
5. Симонгауз, В.И. Цифровая обработка сигнала для получения оценки фазы модулирующей функции при неизвестной несущей частоте / В.И. Симонгауз // Вопросы обработки информации в фазовых измерительных радиосистемах / под ред. В.А. Вейцеля. - М.: МАИ. - 1970. Вып.201. - С.61-87.
6. Шахтарин, Б.И. Обнаружение сигналов / Б.И. Шахтарин. - М.: Гелиос АРВ, 2006. - 528 с.
7. Шахтарин, Б.И. Методы спектрального оценивания случайных процессов / Б.И. Шахтарин. - М.: Гелиос АРВ, 2005. - 248 с.