СЕЛЕКТОР-ОБНАРУЖИТЕЛЬ ПАЧЕК ПЕРИОДИЧЕСКИХ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ
PERIODIC PULSED SIGNAL PACKET SELECTOR/DETECTOR

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники, в частности к устройствам обработки импульсных сигналов и может быть использовано в качестве селектора-обнаружителя периодических импульсных последовательностей в радиолокационных маяках-ответчиках и системах вторичной радиолокации.
Известны устройства селекции и обнаружения периодических импульсных сигналов, в частности, работающие по логике "l из l" или "l из m", состоящие из схем временной задержки и схем совпадения задержанных и незадержанных видеосигналов и позволяющие выделить периодическую последовательность с заданной частотой повторения на фоне хаотических импульсных помех. Такие схемы широко используются в устройствах обработки радиолокационных сигналов для защиты от несинхронных помех при обнаружении пачек сигналов, дешифрировании частоты повторения и регенерации импульсов.
Принципы построения устройств временной селекции для подавления помех и обнаружения пачек сигналов описаны во многих источниках (например, в книгах "Теоретические основы радиолокации" под ред. Я.Д. Ширмана, М.: Сов. радио, 1970, стр.490-492; "Импульсные радионавигационные устройства", перевод с англ. под ред. Д.Д. Дьякова, М., Воениздат, 1955, стр.168-169; С.З. Кузьмин "Основы теории обработки радиолокационной информации в АСУ ПВО", изд. Артиллерийской радиотехнической академии им. Л.А. Говорова, 1964, стр.61-74). Известны и многочисленные примеры их применения, в устройстве, содержащем канал задержки сигналов на период следования и схему совпадений в цепи задержанной обратной связи, в системе устранения помех по пат. США №3263226, содержащей магнитострикционную линию задержки с отводами и стробирующие устройства совпадения (схемы "И"), в импульсном радиолокаторе по пат. Великобритании №1310343, содержащем сдвиговый регистр на период повторения импульсов и стробируемый усилитель, в устройстве для декодирования импульсной последовательности по пат. США №3732563, содержащем три линии задержки и логические устройства для обнаружения и декодирования сигналов; в системе по пат. ФРГ №1441751, использующей схемы совпадения для обработки импульсных последовательностей принимаемых сигналов; в схеме защиты от помех во вторичной радиолокационной системе по патенту Великобритании №1077424, содержащей квантователь, сдвиговый регистр на период повторения (или кодовый интервал), линии задержки и схемы совпадения; в различных вариантах схем обработки импульсных сигналов по патентам Японии №№49-2515, 49-2516, 49-18037, 49-19033, содержащих схемы квантования, схемы временной задержки и схемы совпадения, сравнения и избирательного стробирования).
Типичным примером построения селектора-обнаружителя пачки сигналов по логике "l из l" является схема, приведенная на рис.2-14, стр.68 упомянутой выше книги С.З. Кузьмина. Эта схема близка по назначению к заявляемому устройству и имеет с ним ряд общих элементов, в связи с чем она принята за прототип. Указанная схема реализует критерий обнаружения "3 из 3-х" и в соответствии с этим содержит две линии задержки на период повторения со схемами совпадения сигнала, задержанного на один и два периода, с незадержанным сигналом. На входе схемы включен квантизатор, нормализующий амплитуду и длительность импульсов, поступающих на линии задержки и схемы совпадения. Кроме того, схема-прототип содержит еще несколько элементов (дополнительную линию задержки на период повторения, схемы несовпадения и схемы "ИЛИ"), обеспечивающих вспомогательные функции восстановления пропусков импульсов и выработки признака конца пачки, не являющиеся существенными для заявляемого устройства.
2
Селектор-обнаружитель пачки по критерию "3 из 3-х" обеспечивает удовлетворительное качество подавления несинхронных (хаотических) импульсных помех при средней частоте их до (5÷10), 10 имп/сек; средний период ложных тревог при этом составляет единицы и даже десятки минут, что достаточно для практически беспомехового функционирования последующих устройств обработки. Однако при воздействии организованных хаотических импульсных помех (ХИП), а также при работе в районах с большим количеством близко расположенных импульсных радиотехнических средств, средняя частота следования импульсной помехи, по крайней мере, на порядок превышает указанную выше и может доходить до десятков кГц. В этих условиях эффективность селекции по критерию "3 из 3-х" оказывается недостаточной (частота ложных тревог может составлять единицы и десятки Гц) и необходимо принимать дополнительные меры для селекции полезных сигналов.
Одним из путей повышения помехоустойчивости при выделении пачек периодических импульсных сигналов на фоне ХИП является увеличение кратности селекции, т.е. повышение критерия обнаружения до 4-6 и более. В известных нам технических решениях такое повышение достигается за счет соответствующего увеличения числа устройств задержки на период повторения (единиц мсек). Эти устройства (ультразвуковые и магнитострикционные линии задержки, потенциалоскопы, магнитные барабаны, многоразрядные дискретные схемы задержки) являются наиболее сложными, громоздкими и дорогостоящими узлами селектора и имеют относительно низкую надежность (по сравнению с остальными элементами схемы). Указанные обстоятельства ограничивают возможность повышения критерия обнаружения путем простого наращивания числа линий задержки и схем череспериодного сравнения.
Таким образом, недостатком известных схем селекции и обнаружения пачек периодических импульсных сигналов на фоне ХИП, использующих одно- и двукратную задержку сигналов на период повторения, является недостаточная помехоустойчивость; возможность дальнейшего повышения критерия обнаружения пачки известными техническими путями - увеличением числа схем задержки и череспериодного сравнения, ограничиваются резким увеличением габаритов и стоимости обнаружителя и снижением надежности.
Целью предложения является повышение помехоустойчивости селектора-обнаружителя пачек импульсных сигналов и снижение частоты ложных тревог в условиях воздействия ХИП путем повышения критерия обнаружения пачки на "n" единиц без увеличения числа линий задержки на период повторения, являющихся наиболее громоздкими, ненадежными и дорогостоящими элементами схемы обнаружителя.
Указанная цель достигается путем введения в состав селектора-обнаружителя, содержащего последовательно включенные входной нормализатор и два каскада задержки со схемами череспериодного сравнения (совпадения) сигналов, цепочки из "n" последовательно соединенных проходных ключевых схем с двумя устойчивыми состояниями (открытое и закрытое), подключенной к выходу второй схемы совпадения и дополнительно связанной с первыми двумя каскадами задержки и сравнения посредством двух схем бланкирования и дополнительной ключевой схемы, осуществляющих коммутацию ключевых схем в необходимом для обеспечения селекции порядке, в зависимости от параметров потока входных сигналов. Управление каждой из ключевых схем производится по двум входам - первому ("разрешение"), после поступления сигнала, на который схема переводится в открытое состояние, и второму ("запрет"), переводящему схему в закрытое состояние. В каждой из "n" ключевых схем первый управляющий вход соединен с сигнальным входом этой схемы через элемент временного сдвига (на величину порядка длительности нормализованного сигнала); вторые управляющие входы всех "n" ключевых схем подключены к выходу первой схемы совпадения через первую схему бланкирования (несовпадения), осуществляющую логическую функцию запрета, и дополнительную ключевую схему, у которой первый управляющий вход ("разрешение") через вторую схему бланкирования соединен с выходом второй линии задержки, а второй управляющий вход ("запрет") подключен к выходу второй схемы совпадения. Запрещающий вход первой схемы бланкирования также подключен к выходу второй схемы совпадения, а запрещающий вход второй схемы бланкирования подключен к выходу входного нормализатора.
При этом последовательный перевод ключевых схем в открытое состояние производится только импульсами, принадлежащими селектируемой последовательности; схема управления осуществляет автоматическое выключение ключевых схем и приведение их в исходное состояние при воздействии сигналов, не удовлетворяющих заданным критериям, в результате чего обеспечивается прием только импульсной последовательности с заданными параметрами и с повышенным на "n" единиц критерием обнаружения пачки.
Устройство и работа предлагаемого селектора-обнаружителя поясняются последующим подробным описанием и приложенными чертежами.
На фиг.1 показана схема селектора-обнаружителя.
На фиг.2 приведен пример построения ключевой схемы на элементах дискретной техники.
В соответствии с прототипом, схема заявляемого селектора-обнаружителя пачки по критерию "l из l", где l=3+n импульсов, содержит последовательно соединенные входной нормализатор 1 (квантизатор) сигнала (H), первую линию задержки 2 на период повторения сигнала, первую схему, совпадения 3, второй вход которой подключен к выходу нормализатора 1, вторую линию задержки 4 на период повторения и вторую схему совпадения 5, второй вход которой также подключен к выходу нормализатора 1.
В соответствии с предложением в состав схемы селектора входит подключенная к выходу второй схемы совпадения 5 цепочка из "n" последовательно соединенных проходных ключевых схем 6, 7, 8 (КС-1, КС-2, KC-n, соответственно), первые управляющие входы ("разрешение") которых подключены к сигнальным входам этих же схем через элементы временного сдвига 9, 10, 11 (ЭС-1, ЭС-2, ЭС-n - для КС-1, КС-2, КС-n, соответственно), а вторые управляющие входы ("запрет") всех "n" ключевых схем (9, 10, 11) подключены к выходу первой схемы совпадения 3 через первую схему бланкирования 12 и дополнительную ключевую схему 13 (ДКС), первый управляющий вход которой ("разрешение") через вторую схему бланкирования 14 соединен с выходом второй линии задержки 4, а второй управляющий вход ("запрет") подключен к выходу второй схемы совпадения 5. Запрещающие входы схем бланкирования 12 и 14 подключены, соответственно, к выходу второй схемы совпадения 5 и к выходу нормализатора 1.
Элементы временного сдвига ЭС-1, ЭС-2 …, ЭС-n могут выполняться на базе известных дискретных или аналоговых схем (например, в виде сдвиговых регистров, тактируемых от общего внешнего синхронизатора, или схем задержки на единицы мксек на пассивных или активных элементах).
Схемы бланкирования (несовпадения) также являются известными и широко применяемыми элементами устройств импульсной и дискретной техники.
В качестве таких схем могут быть использованы стробируемые усилители или аттенюаторы, а также логические схемы, реализующие функцию "запрет" и представляющие собой сочетание инвертора и схемы совпадения.
Проходные ключевые схемы выполняются на базе известных бистабильных устройств (триггеров) с раздельными входами включения и сброса в сочетании с управляемым проходным элементом (усилителем, аттенюатором) или схемой совпадения.
На фиг. 2 показан вариант выполнения одной из ключевых схем (для примера указана схема 6 - КС-1) на элементах дискретной техники - асинхронном триггере 15 с раздельной установкой состояний "0" и "1" (JK-триггере) и схеме совпадения 16. При этом первый управляющий вход ключевой схемы ("разрешение") является запускающим входом триггера 15 (J-входом), второй управляющий вход ключевой схемы ("запрет") соответствует другому входу триггера 15, по которому осуществляется перевод триггера в исходное, "нулевое" состояние (K-вход), единичный, (прямой) выход триггера 15 подключен к одному из входов схемы совпадения 16 (инверсный выход триггера не используется и на схеме не показан). Другой вход схемы совпадения 16 и ее выход являются, соответственно, сигнальным входом и входом ключевой схемы.
Возможны и другие варианты выполнения ключевой схемы.
Рассмотрим работу схемы селектора-обнаружителя.
В исходном состоянии, автоматически восстанавливаемом в процессе работы (при каждом последующем акте обнаружения пачки), дополнительная ключевая схема 13 (ДКС) открыта, остальные ключевые схемы 6, 7, 8 (КС-1, КС-2, … КС-n) могут находиться как в открытом, так и в закрытом состоянии.
Импульсные видеосигналы, поступающие на селектор с выхода приемника, нормализуются по амплитуде и длительности в нормализаторе 1 (Н) и с его выхода поступают на первую линию задержки 2, первую и вторую схемы совпадения 3 и 5, соответственно, а также на запрещающий вход второй схемы бланкирования 14.
Непериодически следующие импульсы, а также первые импульсы селектируемых периодических последовательностей (пачек) не вызывают срабатывания схем совпадения 3 и 5.
В случае наличия во входном потоке импульсов, образующих периодическую последовательность с заданным периодом (соответствующим времени задержки линий 2 и 4) второй импульс последовательности в результате совпадения с первым импульсом, запомненным на первой линии задержки 2, вызывает срабатывание первой схемы совпадения 3. Выходной сигнал схемы 3 поступает на вторую линию задержки 4 и, через открытые схемы 12 и 13, - на вторые управляющие входы "n" ключевых схем 6, 7, 8 (КС-1, КС-2, … КС-n), в результате чего эти схемы приводятся в закрытое состояние. Третий импульс периодической последовательности, совпадающий во времени с запомненными на линиях 2 и 4 вторым и первым импульсами, вызывает срабатывание схем совпадения 3 и 5. Возникающий одновременно с третьим импульсом сигнал на выходе второй линии задержки 4 поступает на вход второй схемы бланкирования 14, но не проходит на ее выход, так как в этот момент на запрещающий вход схемы 14 воздействует принимаемый очередной (третий) импульс и схема находится в закрытом состоянии. Выходной сигнал со второй схемы совпадения 5 поступает на запрещающий вход первой схемы бланкирования 12, на второй управляющий вход ("запрет") дополнительной ключевой схемы 13 (ДКС), на сигнальный вход первой ключевой схемы 6 (КС-1), находящейся в закрытом состоянии, и, через элемент временного сдвига 9 (ЭС-1) - на первый управляющий вход ("разрешение") схемы 6. При этом исключается прохождение через схему 12 выходного сигнала первой схемы совпадения 3, дополнительная ключевая схема 13 переводится в закрытое состояние, а первая ключевая схема 6, находившаяся во время действия сигнала (импульса) на ее сигнальный вход в закрытом состоянии, после окончания этого импульса переводится в открытое состояние сигналом, прошедшим через элемент сдвига 9 (ЭС-1). Четвертый импульс принимаемой периодической последовательности с выхода второй схемы совпадения 5 проходит через открытую предыдущим импульсом первую ключевую схему 6 и поступает на сигнальный вход второй ключевой схемы 7 (КС-2), находящейся в закрытом состоянии, и на вход второго элемента сдвига 10 (ЭС-2). Сдвинутый во времени сигнал с выхода элемента 10 поступает на первый управляющий вход ("разрешение") второй ключевой схемы 7 и переводит ее в открытое состояние после окончания действия импульса на сигнальном входе схемы 7. Остальные схемы в момент приема четвертого импульса функционируют в том же порядке, что и при предыдущем, третьем, импульсе.
Таким образом, в процессе приема селектируемой периодической последовательности, содержащей 3+(n-1) импульсов производится поочередное включение всех "n" последовательных ключевых схем 6, 7, 8 (КС-1, КС-2, … KC-n) так, что следующий, n-й импульс пачки, проходит через n-ю ключевую схему 8 и поступает на выход селектора, что и является признаком обнаружения пачки длительностью 3+n импульсов.
В случае приема последовательности с числом импульсов, меньшим установленного критерия 3+n, процесс включения ключевых схем окончится на некоторой промежуточной по порядку следования схеме и сигнал не пройдет на выход селектора-обнаружителя. При окончании пачки (как меньшей, так и большей установленного критерия) последний импульс, прошедший через первую схему совпадения 3 и запомненный на второй линии задержки на период повторения 4, через время задержки поступает с выхода линии 4 на вторую схему бланкирования 14. Так как по окончании пачки, когда по истечении периода повторения импульс на выходе нормализатора 1 (и, соответственно, на запрещающем входе схемы 14) отсутствует, схема бланкирования 14 открыта, импульс с выхода линии 4 поступает на первый управляющий вход ("разрешение") дополнительной ключевой схемы 13 и переводит ее в открытое положение, возвращая тем самым всю схему селектора-обнаружителя в исходное состояние.
При случайном образовании ложной импульсной последовательности из 3-х и более импульсов за счет воздействия ХИП во время приема истинной пачки последний импульс ложной последовательности также переводят схему 13 в открытое состояние, но, при продолжающемся приеме истинной последовательности, следующий ее импульс с выхода схемы 5 вновь переведет схему 13 в закрытое состояние и дальнейшее функционирование селектора-обнаружителя будет происходить, как описано выше.
Работа показанной на фиг.2 ключевой схемы, построенной на логических элементах (триггере 15 и схеме совпадения 16) происходит следующим образом. Поступающий по первому управляющему входу сигнал "разрешение" (для первой ключевой схемы 6 таким сигналом является импульс с выхода элемента сдвига 9) подается на прямой вход триггера с раздельной установкой состояний "1" и "0" (JK-триггера) 15 и переводит его в единичное состояние, когда по его выходу постоянно выдается сигнал. Этот сигнал поступает на один из входов схемы совпадения 16 и приводит ее в постоянно открытое состояние. Следующий приходящий на сигнальный вход ключевой схемы импульс (для схемы 6 это будет четвертый и последующие импульсы селектируемой последовательности) поступает на другой вход открытой схемы совпадения 16 и проходит на выход ключевой схемы. При поступлении сигнала на второй управляющий вход ("запрет") ключевой схемы (для схемы 6 таким сигналом будет выходной импульс первой схемы совпадения 3 при условиях отсутствия импульса на выходе второй схемы совпадения 5 и нахождения схемы 13 в открытом состоянии) этот сигнал подается на второй вход триггера 15, в результате чего триггер переходит в "нулевое" состояние и выдача постоянного сигнала на схему 16 с прямого выхода триггера 15 прекращается. При этом схема совпадения 16 не пропускает сигналов, что соответствует нахождению ключевой схемы в закрытом состоянии.
<mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mfrac><mi>n</mi><mn>2</mn></mfrac><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow>
Положительный эффект предлагаемого технического решения может быть оценен соотношениями технико-экономических показателей (массогабаритных характеристик, надежности, стоимости) заявляемой схемы и примеров решения той же технической задачи известным путем, т.е. применением "n" дополнительных схем задержки и череспериодного сравнения сигналов. Учитывая, что габариты, масса, стоимость и надежность обнаружителя-селектора определяются, в основном, соответствующими характеристиками линий задержки на период повторения (доля остальных элементов - схем совпадения, ключевых схем, нормализатора, элементов сдвига не превышает единиц процентов) выигрыш от применения предлагаемой схемы вместо обычной может быть приближенно оценен соотношением
, где q - соотношение сравниваемых параметров для известного и предлагаемого построения селектора-обнаружителя. Например, при критерии обнаружения "5 из 5" (n=2) показатели предлагаемой схемы (по стоимости, надежности и т.п.) будут в 2 раза лучше по сравнению с обычной схемой, реализующей тот же критерий. Учет вклада остальных элементов несущественно изменяет указанную величину выигрыша; так, для одного из конкретных случаев выполнения обнаружителя-селектора на базе интегральных микросхем - линий задержки на сдвиговых регистрах серии 186 (элемент "Радикал"), а остальных схем на элементах серии 133 ("Логика-2"), выигрыш при указанном выше критерии обнаружения составляет, примерно, 1,9 раза (вместо двух по упрощенной оценке). Для случая использования аналоговых элементов задержки (магнитострикционных линий задержки на период повторений и линий МЛЗ - в качестве элементов сдвига) величина выигрыша остается практически той же, что при использовании схем дискретной техники.