Способ измерения задержки радиосигналов
METHOD OF MEASURING DELAYS OF RADIO SIGNALS

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиолокации, навигации, связи для определения местоположения излучателей и синхронизации.
Известные корреляционные способы измерения задержки основаны на умножении анализируемого сигнала на опорное колебание и интегрировании произведения для всех возможных временных сдвигов между ними. Указанная совокупность преобразований носит специальное название - свертка. Сигналы принимают на фиксированном интервале наблюдения, вне его, при временных сдвигах в процессе выполнения свертки, их различными способами доопределяют.
Известен способ измерения задержки, включающий аналого-цифровое преобразование анализируемого и опорного сигнала на заданном интервале наблюдения, круговую свертку сигналов и определение положения максимума результатов круговой свертки [Отнес Р., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов. Основные методы: - М.: Мир, 1982, с. 273, 257-260].
Круговую свертку осуществляют по формуле преобразования
n
n
N
где m - задержка в тактах дискретизации, s, u - отсчеты анализируемого и опорного сигнала, n, N - номер и число отсчетов, <•> - операция по модулю N (остаток от деления числа, заключенного в скобки на N).
В данном способе интегрирование заменяется суммированием, а опорный сигнал должен быть известной формы. При выполнении свертки сдвинутый во времени опорный сигнал доопределяют за пределами интервала наблюдения периодическим продолжением. Это обеспечивается применением операции по модулю N. По указанным причинам область применения способа ограничена классом периодических относительно интервала наблюдения сигналов известной формы.
Известен способ измерения задержки, включающий аналого-цифровое преобразование анализируемого и опорного сигнала в течение заданного времени, формирование расширенных вдвое выборок сигналов путем дополнения недостающих отсчетов нулями, круговую свертку расширенных выборок и определение положения ее максимума [Отнес Р., Эноксон Л. Прикладной анализ временных рядов. Основные методы: - М.: Мир, 1982, с. 256, 266-274].
Выполнение круговой свертки расширенной выборки выполняют по приведенной ранее формуле преобразования с учетом удвоения числа отсчетов. Другой вариант состоит в выполнении обратного преобразования Фурье произведения прямых преобразований Фурье расширенных выборок анализируемого и опорного сигнала.
В данном способе доопределение сигналов выполняют дополнением их нулями на участке, шириной, равной заданному времени, образуется линейная некруговая свертка с переменной степенью перекрытия анализируемого и опорного непрерывного сигнала. Как следствие, амплитуда корреляционного отклика снижается при увеличении взаимного сдвига сигналов, а измеренные задержки смещаются в сторону меньших по модулю значений, что является недостатком способа. Для снижения смещения предлагается корректировать результаты круговой свертки ρ(m)=:ρ(m)⋅N/(N-m), где равенство с двоеточием =: обозначает операцию переопределения. Однако это сопровождается смещением измерений задержки импульсных сигналов.
Из известных способов наиболее близким к предлагаемому по технической сущности (прототип) является способ измерения времени задержки радиосигналов, включающий прием анализируемого и опорного радиосигналов в течение заданного времени, формирование их корреляционного отклика по возможным задержкам и определение положения его максимума [Фалькович С.Е. Оценка параметров сигнала. -М.: Советское радио, 1970, с. 43, 59-62, 90-91].
Режимы и варианты выполнения составных операций способа различаются в зависимости от условий. При неизвестной начальной фазе радиосигналов выполняют квадратурный прием (с помощью квадратурных каналов), а корреляционный отклик формируют путем определения модуля комплексной свертки, которую получают по формуле преобразования
,
где τ - возможное значение задержки, Т, t - заданное и текущее время наблюдения, ,  - анализируемый и опорный радиосигнал, звездочка - операция комплексного сопряжения.
При выполнении свертки сдвинутый во времени опорный сигнал определяют равным нулю за пределами интервала наблюдения [0, T].
Для сигналов известной формы выполняют одноканальный прием с заменой в вышеприведенной формуле свертки комплексных величин на действительные и с исключением операции определения ее модуля.
Недостаток способа-прототипа заключается в ограничении области применения классом импульсных сигналов, полностью попадающих на интервал наблюдения. Из-за переменной длительности радиосигналов при выполнении свертки измерение задержки непрерывных сигналов приводит к значительным погрешностям смещения в область меньших по модулю значений.
Технической задачей настоящего изобретения является расширение области применения на непрерывные радиосигналы.
Поставленная задача достигается тем, что в способе измерения задержки радиосигналов, включающем прием анализируемого радиосигнала на заданном интервале времени и прием опорного радиосигнала, формирование их корреляционного отклика и определение положения его максимума, прием опорного радиосигнала начинают с запаздыванием на абсолютное значение минимально измеряемой задержки, а завершают с опережением на величину максимально измеряемой задержки, соответственно относительно начала и окончания приема анализируемого радиосигнала.
Предлагаемый способ отличается от известного режимом выполнения операции приема опорного сигнала. Изначально на уровне технических требований задают диапазон измерений в виде минимально и максимально измеряемой задержки. В соответствии с предлагаемым решением прием начинают с запаздыванием на абсолютное значение минимально, а завершают с опережением на величину максимально измеряемой задержки. При этом формируется опорный радиосигнал фиксированной укороченной на ширину диапазона измеряемых задержек длительности. Тем самым достигается постоянство времени существования опорного радиосигнала на интервале наблюдения при всех возможных его сдвигах в диапазоне измеряемых задержек, что устраняет причину снижения амплитуды корреляционного отклика при увеличении взаимного сдвига между сигналами и смещение измеренных задержек.
Таким образом, обеспечение постоянства длительности опорного радиосигнала на интервале наблюдения при всех возможных его сдвигах в соответствии с предложенным новым условием выполнения операции приема опорного радиосигнала, позволяет устранить смещение измерений задержки и решить поставленную техническую задачу: расширить область применения способа на непрерывные радиосигналы.
На фиг. 1 показана структурная схема измерителя задержки по предложенному способу;
на фиг. 2 - зависимости погрешности измерений от величины задержки.
Измеритель задержки (фиг. 1) содержит радиоприемные устройства 1.1, 1.2, генератор импульсов 2, ключ 3, коррелятор 4, в состав которого входят корреляционные каналы обработки 5.1-5.N и N-отводная линия задержки 6, и устройство определения максимума 7, входами 1…N подключенное к выходам соответственно корреляционных каналов обработки 5.1-5.N. Радиоприемное устройство 1.1 выходом соединено с первыми входами корреляционных каналов обработки 5.1-5.N, ко вторым входам которых подключены соответственно выходы 1…N линии задержки 6, вход которой подключен к выходу ключа, первый вход которого соединен с выходом радиоприемного устройства 1.2, а второй вход - с вторым выходом генератора импульсов 2, первый выход которого соединен с нулевыми входами корреляционных каналов обработки 5.1-5.N и устройства определения максимума 7.
Радиоприемные устройства 1.1, 1.2 обеспечивают квадратурный прием радиосигналов с представлением их в комплексном виде. Корреляционные каналы обработки также квадратурного типа. Линия задержки 6 коррелятора 4 многоотводная, с фиксированным шагом. Генератор импульсов 2 вырабатывает два типа импульсов: на заданном интервале времени приема-измерения, заданной длительности, выход 1, и укороченный на ширину диапазона измеряемых задержек длительности импульса выход 2.
min
max
min
max
min
Принцип функционирования измерителя задержки состоит в следующем. Анализируемый и опорный радиосигналы принимают с помощью радиоприемных устройств 1.1 и 1.2. Момент начала/окончания приема анализируемого сигнала задается сигналом с выхода 1 генератора импульсов 2, который поступает на нулевые входы управления корреляционных каналов обработки 5.1-5.N и устройства 7 определения максимума. В момент начала импульса начинается работа корреляционных каналов обработки 5.1-5.N (начало интегрирования), которая и прием анализируемого сигнала завершается по окончании заданного T времени. С запаздыванием относительно начала приема анализируемого сигнала на абсолютное значение минимально измеряемой задержки |τ| генератор 2 по выходу 2 вырабатывает импульс длительностью T-(τ-τ), где τ>0 - максимально измеряемая задержка, τ≤0. Таким образом, момент окончания импульса происходит с опережением на величину максимально измеряемой задержки относительно момента окончания приема анализируемого радиосигнала.
На интервале существования сформированного импульса, поступающего с выхода 2 генератора импульсов 2 на второй вход ключа 3, выполняют прием опорного радиосигнала с выхода радиоприемного устройства 1.2 по первому входу ключа 3. Вне этого интервала на выходе ключа устанавливается нулевой уровень.
Принятый указанным образом опорный сигнал подают на линию задержки 6 коррелятора 4. На ее выходах 1-N получают сдвинутый во времени с заданным шагом квантования задержки опорный радиосигнал. В каналах корреляционной обработки 5.1-5.N по анализируемому радиосигналу, поступающему на их первые входы, и задержанному опорному радиосигналу, поступающему на вторые входы с соответствующих выходов линии задержки 6, формируют корреляционный отклик
max
где  - анализируемый и опорный радиосигнал, Т, t - заданное и текущее время наблюдения, Δτ - шаг квантования задержки, n=0, 1, …, N-1 - номер кванта, N - число квантов, причем N⋅Δτ=τ<T, звездочка - операция комплексного сопряжения.
Поскольку опорный радиосигнал получен фиксированной, укороченной на ширину диапазона измеряемых задержек, длительности, то он полностью попадает в пределы интегрирования формулы (1), а амплитуда корреляционного отклика не изменяется при изменении задержки между радиосигналами.
В устройстве определения максимума 7 по завершении заданного времени T, то есть по заднему фронту импульса с выхода 1 генератора импульсов 2 определяют положение максимума корреляционного отклика  и тем самым измеряемую задержку .
Эффективность изобретения выражается в устранении смещения измерений задержки непрерывных радиосигналов. Формированием опорного радиосигнала укороченной на ширину диапазона измерений длительности достигается постоянство времени его существования на интервале наблюдения при всех возможных сдвигах в процессе корреляционного анализа, это устраняет причину снижения амплитуды корреляционного отклика при увеличении взаимного сдвига между сигналами и смещение измеренных задержек способа-прототипа.
Количественная оценка выполнена методом имитационного моделирования для частотно-модулированных по синусоидальному закону радиосигналов с частотой модуляции 1 кГц, девиацией частоты 5 кГц. Время приема T=2,56 мс, диапазон измеряемых задержек ± 200 мкс, шаг квантования задержки Δτ=10 мкс. Уточнение измерений в пределах кванта выполнялось с применением интерполяции [Бронштейн И.К, Семендяев К.А. Справочник по математике. – М.: Наука, ГРФМЛ, 1986, с. 510].
-3
На фиг. 2 показаны ошибки измерения задержки  от истинного значения τ, толстой линией с применением способа-прототипа, тонкой линией вблизи оси абсцисс - предлагаемым способом. Погрешности способа-прототипа, достигающие по модулю 0,8-0,9 мкс, в предлагаемом способе снижаются до среднего квадратичного значения 5,3⋅10 мкс.
Таким образом, предложенное техническое решение устраняет смещение измерений задержки и позволяет расширить область применения способа на класс непрерывных радиосигналов.