УСТРОЙСТВО РАЗЛИЧЕНИЯ ЛИНЕЙНО-ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННОГО, ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННОГО И ПРОСТОГО СИГНАЛОВ
DEVICE FOR DISCRIMINATION BETWEEN CHIRP SIGNALS, PHASE-SHIFT KEYED SIGNAL AND NORMAL SIGNAL

Изобретение относится к приемным устройствам радиоимпульсной информации, работающим в широком диапазоне параметров сигналов и может использоваться в системах РТР и ПЦУ для определения вида внутриимпульсной модуляции принятого сигнала.
В настоящее время известны устройства, различающие сигналы по виду их внутриимпульсной модуляции.
В качестве первого аналога рассмотрим устройство по авт. свид. №1840866 (заявка №1575095 с приоритетом от 21.02.1974 г.), предназначенное для различения ЛЧМ, ФМ и простых импульсных сигналов. Принцип действия данного устройства основан на различии ширины спектров сигналов на основной и удвоенной частотах. Сравнение ширины спектра данного сигнала на основной и удвоенной частотах позволяет определить вид его внутриимпульсной модуляции.
Недостатком данного устройства является требование большого соотношения сигнал/шум для обеспечения высокой достоверности различения.
В качестве второго аналога рассмотрим устройство по авт. свид. №1840894 с приоритетом от 5.04.1976 г. В этом устройстве для различения ЛЧМ, ФМ и простого сигналов используется операция свертки данного сигнала с определенным образом преобразованной его копией, для чего используется конвольвер-прибор, выполняющий операцию свертки сигналов на поверхностных акустических волнах.
По сравнению с предыдущим аналогом данное устройство имеет более высокую чувствительность, получаемую за счет сжатия сигналов при обработке. Однако существенным недостаткам этого устройства является, то, что сигналы с нелинейными видами внутриимпульсной модуляции принимаются за ФМ-сигнал.
Третьим аналогом является устройство различения радиолокационных сигналов, которое является по технической сущности наиболее близким к заявляемому устройству, которое выбирается в качестве прототипа. Принцип действия данного устройства основывается на различии энергетических кепстров ЛЧМ, ФМ и простого сигналов. Достоинством этого метода является повышение помехоустойчивости за счет сжатия сигнала в фурье-процессорах.
Недостатком устройства является невысокая чувствительность при обработке ЛЧМ-сигнала, обусловленная малым уровнем френелевских пульсаций энергетического спектра этого сигнала, которые используются для решения задачи различения.
При анализе параметров излучений современных РЛС было установлено, что ЛЧМ-сигналы применяются весьма широко в связи с удобством их формирования и обработки. Поэтому актуальна задача различения ЛЧМ, ФМ и простого сигналов с высокой степенью достоверности, что требует высокой чувствительности устройства.
Известное устройство содержит синхронизатор, последовательно соединенные первый фурье-процессор, логарифмический усилитель и второй фурье-процессор, последовательно включенные детектор огибающей, формирователь прямоугольного сигнала и первый измеритель длительности, входы первого фурье-процессора и детектора огибающей подключены ко входу устройства, а выход формирователя прямоугольного сигнала подключен ко входу синхронизатора, выходы которого соединены с управляющими входами фурье-процессоров, блок деления, второй измеритель длительности, формирователь управляющих импульсов, формирователь строба, два ключа, триггер, два компаратора, блок совпадений, первый и второй входы первого ключа соответственно соединены с выходами второго фурье-процессора и формирователя строба, а его выход - с первым входом триггера, выходы измерителей длительности подключены ко входам блока деления, выход которого подключен ко входам компараторов, а вход второго измерителя длительности через формирователь управляющих импульсов подключен к управляющему входу блока деления, вход синхронизатора соединен со входом формирователя строба и вторым входом триггера, входы блока совпадений подключены к выходам компараторов, а выход - к первому входу второго ключа, второй вход которого соединен с выходом второго компаратора, выход второго ключа является выходом наличия простого сигнала, последовательно соединенные третий компаратор, счетчик импульсов, пороговый элемент, второй триггер, причем выход первого ключа подключен ко входу третьего компаратора, линия задержки, четвертый компаратор, второй блок совпадения, третий и четвертый ключи, выход первого триггера через линию задержки подключен ко второму входу третьего ключа, выход которого подключен к входу второго измерителя длительности, а первый вход соединен с выходом второго триггера, второй вход которого соединен с выходом формирователя прямоугольного сигнала, выход порогового элемента соединен со входом установки нуля счетчика импульсов, а выход блока деления подключен ко входу четвертого компаратора, входы второго блока совпадений соответственно подключены к выходам первого, второго и четвертого компараторов, а его выход является выходом наличия фазоманипулированного (ФМ) сигнала и подключен ко второму входу четвертого ключа, выход первого блока совпадений подключен к первому входу четвертого ключа, третий триггер и третий блок совпадений, выход которого является выходом наличия сигнала с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ), а второй и первый входы соединены соответственно с выходами четвертого ключа и третьего триггера, первый вход которого подключен к выходу второго триггера, а второй вход - к выходу формирователя прямоугольного сигнала.
Выше указывалось, что недостатком известного устройства является невысокая чувствительность при обработке ЛЧМ-сигнала.
Целью настоящего изобретения является повышение чувствительности при обработке ЛЧМ-сигнала.
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее синхронизатор, последовательно соединенные первый фурье-процессор, логарифмический усилитель и второй фурье-процессор, последовательно включенные детектор огибающей и формирователь прямоугольного сигнала, входы первого фурье-процессора и детектора огибающей подключены ко входу устройства, выход формирователя прямоугольного сигнала соединен со входом синхронизатора, выходы которого соединены с управляющими входами фурье-процессоров, три ключа, два триггера, три блока совпадений, формирователь строба, вход которого подключен к выходу формирователя прямоугольного сигнала, а выход - к управляющему входу первого ключа, входы установки нуля триггеров соединены со входом синхронизатора, введены четвертый ключ, устройство задержки, четыре инвертора, вход компаратора подключен к выходу второго фурье-процессора, а выход - ко входам первого и четвертого ключей, управляющий вход последнего через первый инвертор соединен с выходом формирователя строба, а выход - со входами второго и третьего ключей, вход устройства задержки подключен к выходу формирователя прямоугольного сигнала, а выход - к управляющему входу второго ключа и через второй инвертор - к управляющему входу третьего ключа, выходы второго и третьего ключей связаны со входами соответственно первого и второго триггеров, первый, второй и третий входы первого блока совпадений соединены соответственно с выходами первого ключа, первого триггера и четвертого инвертора, а выход его является выходом наличия ФМ-сигнала, первый, второй и третий входы второго блока совпадений соединены соответственно с выходом первого триггера через третий инвертор, с выходом первого ключа и через четвертый инвертор с выходом второго триггера, выход второго блока совпадений является выходом индикации приема ЛЧМ-сигнала, первый, второй и третий входы третьего блока совпадений связаны соответственно с выходами третьего инвертора, второго триггера и первого ключа, а выход его является выходом индикации приема простого сигнала.
Введение в известное устройство четвертого ключа, первого и второго инверторов и устройства задержки позволило использовать для различения сигналов временное расположение пиков кепстра без измерения расстояния между ними. Установление новых связей между компаратором, первым ключом и блоками совпадений дало возможность различать сигналы по одновременному наличию или отсутствию в определенных точках оси времени центрального и боковых пиков кепстра. Наличие вновь введенных третьего и четвертого инверторов и их связей с триггерами и блоками совпадений позволило реализовать такую логику принятия решений о приеме ЛЧМ-сигнала, в которой используется факт наличия в кепстре ЛЧМ-сигнала центрального пика с амплитудой намного большей, чем у боковых пиков, что и обеспечивает повышение чувствительности устройства при приеме ЛЧМ-сигнала.
Таким образом, введение в известное устройство четвертого ключа, устройства задержки, четырех инверторов и новых связей позволило получить новый эффект - повышение чувствительности при обработке ЛЧМ-сигнала.
На фиг.1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства. Оно содержит фурье-процессоры 2, 10, детектор огибающей 1, формирователь прямоугольного сигнала 3, триггеры 4, 20, блоки совпадений 5, 13, 21, логарифмический усилитель 6, синхронизатор 7, ключи 8, 16, 18, 22, инверторы 9, 12, 17, 19, устройство задержки 11, компаратор 14, формирователь строба 15.
Вход устройства подключен ко входам фурье-процессора 2 и детектора огибающей 1. Выход фурье-процессора 2 через последовательно соединенные логарифмический усилитель 6, фурье-процессор 10 и компаратор 14 подключен ко входам ключей 18 и 22. Выход детектора огибающей 1 через формирователь прямоугольного сигнала 3 связан со входами синхронизатора 7, устройства задержки 11, формирователя строба 15 и со входами установки нуля триггеров 4 и 20. Выход формирователя строба 15 подключен к управляющему входу ключа 18 и ко входу инвертора 19, выход которого соединен с управляющим входом ключа 22. Выход устройства задержки 11 подключен к управляющему входу ключа 8 и ко входу инвертора 12, выход которого связан с управляющим входом ключа 16. Выходы ключей 8 и 16 соответственно соединены со входами триггеров 4 и 20. Первый, второй и третий входы блока совпадений 5 подключены к выходам ключа 18, триггера 4 и инвертора 17, а его выход является выходом "ФМ" устройства. Первый вход блока совпадений 13 через инвертор 9 подключен к выходу триггера 4, второй - к выходу ключа 18, а третий вход через инвертор 17 связан с выходом триггера 20. Выход блока совпадений 13 есть выход "ЛЧМ" устройства. Первый, второй и третий входы блока совпадений 21 соответственно подключены к выходам инвертора 9, триггера 20 и ключа 18, а его выход является выходом "ПР" устройства. Выход ключа 22 соединен со входами ключей 8 и 16.
Работа предлагаемого устройства основана на различиях в числе и расположении пиков энергетических кепстров простого, ФМ и ЛЧМ радиолокационных сигналов.
На фиг.2 представлены схематические диаграммы энергетических кепстров простого (ПР), фазоманипулированного (ФМ) и линейно-частотно-модулированного (ЛЧМ) сигналов. Их отличие от кепстров, применявшихся в устройстве-прототипе, заключается в следующем. В устройстве-прототипе на выходе второго фурье-процессора имел место энергетический спектр только осциллирующей части выходного сигнала логарифмического усилителя. Постоянная же составляющая, возникающая в результате логарифмирования как нелинейной операции, отфильтровывалась путем установки перед вторым фурье-процессором фильтра верхних частот (ФВЧ). Поэтому отклик, соответствующий постоянной составляющей, в энергетическом спектре выходного сигнала логарифмического усилителя отсутствовал, что облегчало измерение временного интервала между пиками кепстра. При анализе ЛЧМ-сигнала в результате установки указанного ФВЧ второй фурье-процессор обрабатывал только френелевские пульсации прологарифмированного энергетического спектра ЛЧМ-сигнала, имеющие весьма малую амплитуду по сравнению со средней амплитудой спектра. Величина спектра этих пульсаций поэтому также мала.
Энергетические кепстры сигналов, представленные на фиг.2, содержат отклики, соответствующие всем составляющим выходного сигнала логарифмического усилителя.
Анализ диаграмм, приведенных на фиг.2, позволяет сделать следующие выводы:
2
o
а) кепстр простого сигнала длительностью To представляет собой три отклика вида sincx, из которых средний расположен в центре симметрии, а два крайних - в точках с координатами ±T по оси абсцисс;
o
о
о
o
б) кепстр ФМ-сигнала с длительностью огибающей T, длительностью дискрета τ и числом дискретов N сходен с кепстром простого сигнала, однако крайние пики имеют место в точках ±τ=±T/N;
o
o
o
в) кепстр ЛЧМ-сигнала длительностью T и шириной спектра Δf состоит из трех откликов, два из которых, весьма малые по амплитуде по сравнению с третьим, расположены в точках ±T/2 по оси абсцисс, а третий находится в центре симметрии кепстра, ширина его зависит от ширины спектра ЛЧМ-сигнала.
Боковые отклики энергетического кепстра ЛЧМ-сигнала обусловлены френелевскими пульсациями его спектра, а центральный пик - огибающей этого спектра, представляющей собой при достаточно больших коэффициентах сжатия прямоугольный видеоимпульс (здесь следует учесть, что фурье-процессоры отображают ось частот на ось времени). Логарифмирование не изменяет формы прямоугольного видеоимпульса. Так как амплитуда огибающей спектра ЛЧМ-сигнала намного больше величины френелевских пульсаций (логарифмирование только увеличивает эту разницу), то и центральный пик кепстра, являющийся энергетическим спектром указанной огибающей, будет намного больше боковых пиков. Это обстоятельство и позволяет увеличить чувствительность устройства.
Таким образом, налицо явное различие в количестве и расположении пиков кепстра простого, ФМ и ЛЧМ сигналов.
Функциональная схема устройства различения радиолокационных сигналов, работающего на основе указанных различий, представлена на фиг.1. На фиг.3 изображены временные диаграммы напряжений на выходе некоторых элементов, поясняющие работу устройства.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства.
o
Входной сигнал одновременно поступает на входы фурье-процессора 2 и детектора огибающей 1. Последний выделяет огибающую входного сигнала, из которой формирователь прямоугольного сигнала 3 формирует импульс стандартной амплитуды с длительностью, равной длительности входного сигнала T (фиг.3, г). Этот импульс синхронизирует работу фурье-процессоров 2 и 10 со входным сигналом с помощью синхронизатора 7, устанавливает в нулевое положение триггеры 4 и 20 и поступает на входы устройства задержки 11 и формирователя строба 15. На выходе последнего формируется импульс стандартной амплитуды (фиг.3, д), с длительностью, равной удвоенной ширине центрального пика кепстра (фиг.2, а) по уровню 0,5. Центр данного импульса совпадает с центром указанного пика кепстра.
С выхода фурье-процессора 2 энергетический спектр входного сигнала через логарифмический усилитель 6 поступает на вход фурье-процессора 10, на выходе которого формируется энергетический кепстр входного сигнала. Компаратор 14 с соответствующе выбранным порогом (фиг.2, а, б, в) преобразует пики кепстра в стандартные по амплитуде и длительности импульсы (фиг.3, а, б, в), причем длительность их выбирается равной ширине пика кепстра по уровню 0,5.
Временной интервал устройства задержки 11 таков, что центры симметрии нормированного кепстра (фиг.3, а, б, в) и импульса формирователя прямоугольного сигнала 3, прошедшего через устройство задержки 11 с сохранением длительности (фиг.3, г), совмещаются.
Выходной сигнал компаратора 14 (нормированный кепстр) поступает на входы ключей 18 и 22, на управляющие входы которых приходят соответственно прямой и инвертированный в инверторе 19 стробирующие импульсы от формирователя строба 15. В результате этого выходной сигнал ключа 22 представляет собой нормированный кепстр входного сигнала без центрального импульса (фиг.3, е, ж), а на выход ключа 18 проходит только центральный импульс без боковых (фиг.3, з). Следовательно, на выходе ключа 18 будет присутствовать импульс в случае анализа и простого, и ФМ, и ЛЧМ сигналов, так как центральный импульс есть в кепстре любого из этих сигналов. На выходе же ключа 22 сигнал в виде двух боковых импульсов будет иметь место только при анализе простого и ФМ сигналов. Выходной сигнал ключа 22 поступает на входы ключей 8 и 16, на управляющие входы которых приходят соответственно прямой и инвертированный инвертором 12 выходной сигнал устройства задержки 11 (фиг.3, г). Выходной сигнал ключа 18 (фиг.3, з) поступает на входы блоков совпадений 5, 13 и 21.
o
o
При анализе простого (ПР) сигнала интервал между импульсами на выходе ключа 22 равен 2 T (фиг.3, е). Так как центры симметрии выходных сигналов ключа 22 и устройства задержки 11 (фиг.3, г) совпадают, а длительность последнего равна To, то на выходе ключа 8 отклики будут отсутствовать из-за несовпадения во времени этих сигналов (фиг.3: е, г). Отсюда триггер 4 останется в нулевом состоянии и на выходе ФМ устройства сигнал будет отсутствовать из-за нулевого потенциала на одном из входов блока совпадений 5. На управляющий вход ключа 16 поступает инвертированный сигнал устройства задержки 11, поэтому выходной сигнал ключа 22 пройдет на его выход (фиг.3, к). Первый импульс нормированного кепстра установит триггер 20 в единичное состояние, а второй - в нулевое. В результате на выходе триггера 20 сформируется импульс длительностью 2T (фиг.3, м), поступающий на вход блока совпадений 21. На другой его вход приходит выходной сигнал инвертора 9, имеющий единичный уровень ввиду нулевого состояния триггера 4, а на третий - выходной импульс ключа 18 (фиг.3, з). Так как на всех трех входах блока совпадений 21 присутствуют одновременно единичные сигналы, то на его выходе, являющемся выходом ПР устройства, появляется импульс, сигнализирующий о приеме простого сигнала.
o
o
o
o
Если принят ФМ-сигнал, то интервал между импульсами выходного сигнала ключа 22 равен 2τ=2T/N (фиг.3, ж). Так как эти два импульса попадают внутрь интервала T, то они совпадают во времени с сигналом устройства задержки 11, проходят на выход ключа 8 (фиг.3, и) и формируют на выходе триггера 4 импульс длительностью 2τ (фиг.3, л). При этом на выходе ключа 16 сигнал отсутствует, следовательно, на выходе триггера 20 остается нулевое состояние, в результате чего на выходе ПР устройства сигнал появится не может. На выходе инвертора 17, соединенного с выходом триггера 20, имеется в это время единичный уровень, поступающий на вход блока совпадений 5. На другие два его входа приходят совпадающие во времени единичные сигналы с выходов триггера 4 и ключа 18, поэтому на выходе ФМ устройства появляется импульс, свидетельствующий о приеме ФМ-сигнала. Заметим, что при приеме простого или ФМ сигналов блок совпадений 13 будет закрыт из-за наличия на одном из его входов нулевого сигнала с выходов инверторов 17 или 9. В связи с этим при анализе простого или ФМ сигналов на выходе ЛЧМ устройства сигнал отсутствует.
В случае приема ЛЧМ-сигнала на выходе компаратора 14 появится только один импульс, расположенный в центре симметрии кепстра (фиг.3, в). Поэтому на выходе ключа 22 сигнала не будет, следовательно, его не будет и на входах триггеров 4 и 20. В результате последние останутся в нулевом состоянии, и на некоторых входах блоков совпадений 5 и 21 будут иметь место нулевые потенциалы, что воспрепятствует появлению сигналов на выходах ПР и ФМ устройства. В то же время на всех входах блока совпадений 13 появятся совпадающие во времени единичные сигналы с выходов инверторов 8 и 15 и ключа 18 (фиг.3, з), что приведет к наличию на выходе ЛЧМ устройства импульса, оповещающего о приеме ЛЧМ-сигнала.
Таким образом, устройство различения радиолокационных сигналов, используя различия в структуре энергетических кепстров, позволяет определить вид принятого сигнала.
Фурье-процессоры и решающее устройство выполнены на современной элементной базе с использованием приборов на поверхностных акустических волнах и элементов цифровой и аналоговой схемотехники.
Устройство задержки для импульсов фиксированной длительности может быть выполнено на линиях задержки или интегральных цифровых микросхемах.
Предлагаемое устройство позволяет получить новый эффект - повышение чувствительности и, как следствие, достоверности различения при обработке ЛЧМ-сигналов с сохранением при этом высоких параметров при анализе простого и ФМ сигналов.
Данный эффект дает возможность повысить качество решения задач селекции и идентификации радиолокационных сигналов в системах ПЦУ и РТР, повысить вероятность правильного распознавания типа РЛС и ее носителя, улучшить эффективность средств радиопротиводействия.