УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ АМПЛИТУДЫ НЕКОГЕРЕНТНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ КВАЗИРАДИОСИГНАЛОВ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФОРМЫ
APPARATUS FOR MEASURING THE AMPLITUDE OF AN INCOHERENT SEQUENCE OF ULTRA-WIDEBAND QUASI-RADIO SIGNALS OF ARBITRARY WAVEFORM

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в составе аппаратуры радиосвязи, радиолокации, радиоразведки, дистанционного зондирования для измерения значения амплитуды последовательности сверхширокополосных сигналов (СШП) с неизвестными начальной фазой на фоне случайных искажений.
В теории и технике радиоэлектронных устройств в последние годы активно развивается направление, связанное с применением СШП сигналов и их последовательностей. Использование СШП сигналов в радиолокации обсуждалось уже три десятилетия назад. Такие сигналы позволяют обнаруживать и сопровождать малозаметные цели в диапазоне дальностей от единиц до сотен километров при скоростях от единиц м/с. В последние годы СШП сигналы нашли применение и в системах связи. Это дало возможность улучшения характеристик систем радиосвязи и передачи данных за счет создания новых и совершенствования имеющихся алгоритмов обработки сигналов. Большое число практических задач требует измерения значения амплитуды последовательности импульсов на фоне случайных искажений. Оптимальные алгоритмы измерения амплитуды сигналов в предположении полной априорной неопределенности находят применение, например, в задаче радиоразведки или при приеме сигналов с позиционно-импульсной модуляцией.
Однако, класс СШП сигналов весьма широк и включает в себя большое количество различных математических моделей. В настоящее время среди множества СШП сигналов наиболее широкое применение получили два класса: импульсные СШП сигналы (UWB IR, Ultra-wideband Impulse Radio) и на основе несущей (MC-UWB, Multicarrier Ultra-wideband). Получение конструктивных результатов исследования алгоритмов обработки СШП сигналов любого типа довольно затруднительно. Поэтому среди множества СШП сигналов выделяют отдельный класс - СШП квазирадиосигналы (КРС), структура которых подобна узкополосным радиосигналам, но условие относительной узкополосности для них не выполняется. Предлагаемое устройство измерения амплитуды работает с некогерентной последовательностью СШП КРС, которая занимает промежуточное положение между двумя упомянутыми классами СШП сигналов. Под некогерентной последовательностью понимается последовательность импульсов, в которой каждый импульс имеет различные значения амплитуды, начальной фазы, частоты и формы огибающей. Подобное сужение класса исследуемых сигналов позволяет получить более глубокие и содержательные результаты. Кроме того, в СШП КРС отсутствуют недостатки, присущие UWB IR, и реализуются они технически более просто, чем MC-UWB. Использование последовательностей СШП КРС вместо одиночных сигналов при передаче информации позволяет повысить помехозащищенность и скрытность радиолинии.
Таким образом, синтез оптимального устройства измерения амплитуды последовательности СШП КРС с неизвестными параметрами, с одной стороны, в интересах создания перспективных систем радиосвязи и передачи данных, повысит эффективность приема сигнала с известными параметрами, которые искажаются в процессе прохождения через среду. С другой стороны, в интересах вскрытия радиолиний и их технического анализа для задач радиоразведки, позволит измерять амплитуду сигналов с априори неизвестными параметрами.
В настоящее время подробно изучены алгоритмы измерения амплитуды одиночных узкополосных радиоимпульсов с неизвестными длительностью и начальной фазой [1, 2]. Однако известные методы измерения амплитуды радиосигналов, основанные на свойствах их узкополосности, не могут быть применены к сверхширокополосным сигналам, а также к их последовательностям.
В работе [3] исследованы оценки максимального правдоподобия амплитуды одиночных сигналов без высокочастотного заполнения - прямоугольного импульса и квазидетерминированного сигнала произвольной формы. Синтезированные алгоритмы не могут быть применены к СШП КРС, поскольку в них не учитывается наличие несущей в сигнале, а также не учитывающего особенности приема пачки импульсов, что существенно упрощает его структуру.
В работе [4] было синтезировано устройство обнаружения когерентной последовательности СШП КРС с неизвестными амплитудой и начальной фазой, наблюдаемой на фоне белого гауссовского шума. Синтезированное устройство обнаружения обладает схожей структурой с предлагаемым устройством измерения амплитуды, однако отличается своим назначением.
Известно устройство измерения амплитуды одиночного сигнала [5], того же назначения, что и предлагаемое, но не имеющее с ним общих признаков и состоящее из генератора опорного напряжения, двух квадраторов, трех перемножителей, восьми интеграторов, блока управления, вычислительного блока и индикатора. На вычислительный блок поступают сигналы, формируемые первыми пятью интеграторами, дополнительно используются результаты интегрирования ортогональных составляющих опорного сигнала и результат интегрирования измеряемого сигнала за время измерения, эти сигналы формируются шестым, седьмым и восьмым интеграторами соответственно. Однако количество таких устройств должно быть равно количеству импульсов в последовательности, а выходы всех этих измерителей амплитуды должны быть заведены на общий индикатор, который формирует результат измеренного значения амплитуды сигнала. Использование большого числа параллельно подключенных измерителей амплитуды сигнала является технически и экономически нецелесообразным.
Наиболее близким по совокупности признаков является измеритель амплитуды одиночного СШП КРС [6], включающий семь умножителей, аттенюатор, усилитель, шесть квадраторов, шесть сумматоров, четыре инвертора, делитель, два удвоителя частоты, устройство сброса интеграторов, а также устройство А, которое содержит генератор модулирующей функции, генератор гармонического сигнала (sin), четыре умножителя, два интегратора, работающие на интервале длительности сигнала, фазовращатель (изменяет начальную фазу гармонического сигнала на π/2), усилитель, аттенюатор и два квадратора (прототип). Недостатком известного устройства является возможность измерения значения амплитуды только одиночного сигнала.
Задача предлагаемого технического решения - измерение амплитуды некогерентной последовательности сверхширокополосных квазирадиосигналов при априори неизвестной начальной фазе сигнала и изменяющихся от импульса к импульсу амплитуде, начальной фазе, частоте и огибающей сигнала.
Технический результат, который может быть получен при его осуществлении, заключается в реализации возможности создания новых систем связи и передачи данных с упрощенным в исполнении устройством, в которых информация передается последовательностью СШП КРС, которые могут использоваться в условиях сложной помеховой обстановки. Также устройство измерения амплитуды некогерентной последовательности СШП КРС при априори неизвестных параметрах сигнала может быть использовано в интересах задач радиоразведки проведения технического анализа сигналов.
Технический результат достигается тем, что устройство измерения амплитуды некогерентной последовательности сверхширокополосных квазирадиосигналов произвольной формы содержит на входе устройство А, содержащее последовательно соединенные первый умножитель, первый аттенюатор и первый усилитель, при этом первый вход первого умножителя является входом устройства, а второй вход подключен к первому выходу генератора модулирующего сигнала, выход первого усилителя подключен к первым входам каналов обработки синфазной и квадратурной составляющих принимаемого сигнала, при этом канал обработки квадратурной составляющей принимаемого сигнала содержит последовательно соединенные второй умножитель и первый интегратор, первый выход которого подключен к первому квадратору, канал обработки синфазной составляющей принимаемого сигнала содержит последовательно соединенные третий умножитель и второй интегратор, первый выход которого подключен ко второму квадратору, причем второй вход второго умножителя соединен с первым выходом генератора гармонического сигнала непосредственно, а второй вход третьего умножителя - с первым выходом фазовращателя, вход которого соединен со вторым выходом генератора гармонического сигнала, первый вход четвертого умножителя соединен со вторым выходом первого интегратора, второй вход четвертого умножителя соединен со вторым выходом второго интегратора, а выход четвертого умножителя через первый вход шестого умножителя соединен с третьим входом четвертого сумматора, вход первого блока удвоения частоты подключен к третьему выходу генератора гармонического сигнала, выход первого блока удвоения частоты соединен с первым входом восьмого умножителя, второй вход которого подключен к первому выходу второго аттенюатора, выход восьмого умножителя подключен к третьему интегратору, первые выходы третьего и четвертого интегратора подключены соответственно через последовательно соединенные к первому и второму входам десятого умножителя, первый инвертор и пятый усилитель ко второму входу шестого умножителя, а второй выход третьего интегратора через последовательно соединенные шестой квадратор, второй и третий выходы которого подключены к вторым входам седьмого и восьмого сумматоров, и третий инвертор - к первому входу девятого сумматора, второй вход которого подключен к седьмому квадратору, входом которого является четвертый выход четвертого интегратора, выход девятого сумматора соединен со входом делителя, а третий вход девятого сумматора через последовательно соединенные второй выход пятого интегратора, второй выход второго инвертора, восьмой квадратор и четвертый инвертор связан с выходом девятого умножителя, первый вход которого соединен с третьим выходом второго аттенюатора, а второй вход - с выходом второго блока удвоения частоты, вход которого подключен ко второму выходу фазовращателя, при этом первый выход пятого интегратора соединен с первым входом пятого сумматора, второй выход четвертого интегратора соединен со вторым входом пятого сумматора, выход которого соединен через последовательно соединенные четвертый квадратор и первый вход седьмого сумматора со вторым входом пятого умножителя, выход которого соединен с первым входом четвертого сумматора, третий выход четвертого интегратора соединен с первым входом шестого сумматора, первый выход второго инвертора соединен со вторым входом шестого сумматора, выход которого через последовательно соединенные пятый квадратор и первый вход восьмого сумматора соединен со вторым входом седьмого умножителя, первый вход которого соединен с выходом второго квадратора, а выход - со вторым входом четвертого сумматора, второй выход генератора модулирующего сигнала соединен с входом третьего квадратора канала обработки модулирующего сигнала, который содержит второй аттенюатор, второй выход которого подключен к входу четвертого интегратора, выход делителя подключен ко второму входу одиннадцатого умножителя, первый вход которого соединен с выходом блока извлеченного корня, вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, выход одиннадцатого умножителя подается на устройство сброса интеграторов, которое является выходом устройства, согласно изобретению, устройство дополнительно содержит линию задержки с N выходами, первый, второй и третий сумматоры, второй, третий и четвертый усилители, N-1 устройств А, при этом входом устройства стала линия задержки, а входом каждого устройства А стал один из N выходов линии задержки, а первым выходом - выход с первого квадратора на вход первого сумматора, выход которого подключен к первому входу пятого умножителя, вторым выходом - выход со второго квадратора на вход третьего сумматора, выход которого подключен к первому входу седьмого умножителя, а третьим выходом - выход с четвертого умножителя на вход второго сумматора, выход которого подключен к первому входу шестого умножителя, входом второго усилителя стал сигнал с выхода третьего интегратора, а первым и вторым выходом - сигнал на первый вход десятого умножителя и на вход шестого квадратора, входом третьего усилителя стал сигнал с выхода четвертого интегратора, а первым, вторым, третьим и четвертым выходом - сигнал на второй вход десятого умножителя, на второй вход пятого сумматора, на первый вход шестого сумматора и на вход седьмого квадратора, входом четвертого усилителя стал сигнал с выхода пятого интегратора, а первым и вторым выходом - сигнал на первый вход пятого сумматора и на вход второго инвертора.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом. На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства, где обозначено
1 - линия задержки;
2 - первый умножитель;
3 - генератор модулирующего сигнала;
4 - первый аттенюатор;
5 - первый усилитель;
6 - генератор гармонического сигнала (sin);
7 - фазовращатель (изменение начальной фазы гармонического сигнала на π/2);
8 - второй умножитель;
9 - третий умножитель;
10 - первый интегратор;
11 - второй интегратор;
12 - четвертый умножитель;
13 - первый квадратор;
14 - второй квадратор;
15 - первый сумматор;
16 - второй сумматор;
17 - третий сумматор;
18 - пятый умножитель;
19 - шестой умножитель;
20 - седьмой умножитель;
21 - четвертый сумматор;
22 - блок извлечения корня;
23 - третий квадратор;
24 - второй аттенюатор;
25 - первый блок удвоения частоты;
26 - второй блок удвоения частоты;
27 - восьмой умножитель;
28 - девятый умножитель;
29 - третий интегратор;
30 - четвертый интегратор;
31 - пятый интегратор;
32 - второй усилитель;
33 - третий усилитель;
34 - четвертый усилитель;
35 - десятый умножитель;
36 - первый инвертор;
37 - пятый усилитель;
38 - пятый сумматор;
39 - шестой сумматор;
40 - второй инвертор;
41 - четвертый квадратор;
42 - пятый квадратор;
43 - седьмой сумматор;
44 - восьмой сумматор;
45 - шестой квадратор;
46 - седьмой квадратор;
47 - восьмой квадратор;
48 - третий инвертор;
49 - четвертый инвертор;
50 - девятый сумматор;
51 - делитель;
52 - одиннадцатый умножитель;
53 - устройство сброса интеграторов.
Работает устройство следующим образом.
a
a
0
0
0
0
0
0
Приемник, в состав которого входит измеритель амплитуды, осуществляет сканирование и анализ радиоэфира. В момент времени t = 0 на вход измерителя амплитуды поступает случайный сигнал ξ(t) = s (t, , ϕ, τ) + n(t), представляющий собой аддитивную смесь полезного сигнала s (t, , ϕ, τ) и гауссовского белого шума n(t). Считается, что сканирование радиоэфира продолжается до момента времени t = Т, которое выбирается исходя из требуемой точности измерения, характеризующейся величинами смещения, дисперсии и рассеяния, т.е. время работы измерителя амплитуды t ∈ [0, T].
Пачка (последовательность) сверхширокополосных квазирадиосигналов произвольной формы, амплитуда которых подлежит измерению, имеет вид
0
где N - количество импульсов в последовательности, Т - период повторения,  Каждый импульс последовательности представляет собой СШП КРС, определяемый выражением
a
k
k
k
k
Здесь , ϕ, ω, ƒ (t) - амплитуда, начальная фаза, частота и модулирующая функция, описывающая форму k-го импульса последовательности соответственно, а τ - длительность, одинаковая для всех импульсов.
k
k
k
0
k
0
0
k
k
Генератор 3 измерителя амплитуды формирует модулирующие сигналы ƒ(t), а генератор 6 формирует гармонический сигнал sin (ωt) на частотах ω. Принимаемый случайный сигнал ξ(t) поступает в линию задержки 1 с N-отводами через время, равное периоду повторения импульсов в последовательности Т и задерживается. Каждый из N-выходов линии задержки 1 поступает на вход устройства А, содержащее в себе блоки 2-14. Таким образом, устройство измерения амплитуды некогерентной последовательности СШП КРС является многоканальным устройством содержащим линию задержки 1, N устройств А, а также блоки 15-53. Сигнал с каждого из N-выходов линии задержки 1 поступает на вход устройства А и в первом умножителе 2 устройства измерения амплитуды умножается на модулирующий сигнал генератора 3. Каждое из N устройств А содержит в своем составе генератор модулирующей функции 3, что позволяет для каждого импульса последовательности формировать собственную огибающую ƒ(t) для повышения эффективности измерения амплитуды и возможности приема сигнала в условиях сложной помеховой обстановки. После ослабления в первом аттенюаторе 4 в N раз, где N - числовое значение априори известной величины спектральной плотности мощности шума, сигнал усиливается в два раза в первом усилителе 5, и в итоге на его выходе имеем сигнал, усиленный с коэффициентом . Далее полученный сигнал перемножается с гармоническими сигналами генератора 6 соответственно во втором умножителе 8 на сигнал sin(ωt), а в третьем умножителе 9 - на сигнал cos(ωt), полученный после прохождения сигнала с генератора 6 через фазовращатель 7, где происходит изменение фазы гармонического сигнала на π/2. Затем полученные сигналы интегрируются в первом интеграторе 10 и втором интеграторе 11 соответственно. В результате получаем синфазную и квадратурную составляющую каждого из N импульсов последовательности . Составляющие принимаемого сигнала в одном из N-каналов на втором выходе первого интегратора 10 и второго интегратора 11 возводятся в квадрат в первом квадраторе 13 и втором квадраторе 14 соответственно, а на первом выходе в четвертом умножителе 12 перемножаются друг с другом. Таким образом, каждое из N устройств А имеет по 3 выхода с блоков 12, 13 и 14 соответственно. Сигналы с каждого из N блоков 12, поступают на второй сумматор 16, на выходе которого формируется произведение случайных величин , с блоков 13 - поступают на первый сумматор 15, на выходе которого формируется случайная величина , с блоков 14 - поступают на третий сумматор 17, на выходе которого формируется случайная величина .
2
2
Сформированные случайные величины X, XY и Y для всей последовательности сигналов позволяют завершить обработку сигнала в одноканальном режиме, что существенно позволяет упростить конструкцию устройства.
1
с1
s1
k
0
s1
1
Формирование сигналов X и Y заключается в умножении принимаемого сигнала ξ(t) на произведение модулирующей функции и гармонической несущей с последующим интегрированием, что соответствует переносу сигнала на нулевую частоту. В случае узкополосного сигнала этого достаточно для измерения амплитуды, поскольку составляющие сигнала на удвоенной частоте 2ω пренебрежимо малы. Также помимо синфазной и квадратурной составляющих принимаемого сигнала, устройство формирует нормированную (синфазную) составляющую модулирующего сигнала на нулевой частоте - Q. Так как для измерения амплитуды СШП КРС требуется учитывать помимо низкочастотных еще и высокочастотные составляющие, устройство формирует дополнительно нормированную синфазную составляющую модулирующего сигнала на удвоенной частоте - Р и нормированную квадратурную составляющую модулирующего сигнала на удвоенной частоте - P. Формирование указанных составляющих модулирующего сигнала осуществляется следующим образом. Сигнал ƒ(t) с выхода генератора 3 проходит через третий квадратор 23, ослабляется во втором аттенюаторе 24 в N раз, и подается на вход четвертого интегратора 30 непосредственно, на вход третьего интегратора 29 - через восьмой умножитель 27, где перемножается с гармоническим сигналом удвоенной частоты с выхода первого блока 25 удвоения частоты, а на вход пятого интегратора 31 - через девятый умножитель 28, где перемножается с гармоническим сигналом удвоенной частоты с выхода второго блока 26 удвоения частоты. На выходе третьего интегратора 29 получаем нормированную квадратурную составляющую модулирующего одиночного сигнала на удвоенной частоте P, на выходе четвертого интегратора 30 - нормированную (синфазную) составляющую модулирующего одиночного сигнала на нулевой частоте Q, а на выходе пятого интегратора 31 - нормированную синфазную составляющую модулирующего одиночного сигнала на удвоенной частоте . Указанные составляющие модулирующего сигнала описываются следующими функциями:
1
с1
s1
При этом, синфазные и квадратурные составляющие модулирующего сигнала на нулевой и удвоенной частоте должны формироваться для каждого из N -выходов линии задержки 1. Для упрощения устройства блоки 23-53 можно не повторять в каждом из N-каналов, а умножить сформированные величины Q, Р и P на N:
s1
1
с1
s
s
с
с
с
c
с
s
*
тогда с выхода третьего интегратора 29 сигнал P поступает на второй усилитель в N раз 32, с выхода четвертого интегратора 30 сигнал Q поступает на третий усилитель в N раз 33, с выхода пятого интегратора 31 сигнал Р поступает на четвертый усилитель в N раз 34. С выхода второго усилителя 32 сигнал P и с выхода третьего усилителя 33 сигнал Q поступают на десятый умножитель 35, на выходе которого сигнал QP через первый инвертор 36 и пятый усилитель 37 поступает на один вход шестого умножителя 19, на другой вход которого приходит сигнал с выхода второго сумматора 16. С выхода третьего усилителя 33 сигнал Q поступает на первые входы пятого и шестого сумматоров 38 и 39 соответственно. На второй вход пятого сумматора 38 сигнал Р поступает непосредственно с выхода четвертого усилителя 34, а на второй вход шестого сумматора 39 сигнал Р поступает инвертированным с выхода второго инвертора 40. Таким образом, на выходе пятого сумматора 38 и шестого сумматора 39 получаем комбинации сигналов Q и Р (Q + P и Q - Р соответственно). Сигнал с выхода пятого сумматора 38 через четвертый квадратор 41 подключен к первому входу седьмого сумматора 43, ко второму входу которого с шестого квадратора 45 поступает сигнал . В результате на выходе седьмого сумматора 43 формируется комбинация сигналов  и поступает на второй вход пятого умножителя 18, первый вход которого соединен с выходом первого сумматора 15. Сигнал с выхода шестого сумматора 39 через пятый квадратор 42 подключен к первому входу восьмого сумматора 44, вторым входом которого является сигнал  с шестого квадратора 45. Комбинация сигналов  с выхода восьмого сумматора 44 поступает на первый вход седьмого умножителя 20, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора 17. Кроме того, сигнал P с выхода второго усилителя 32 через шестой квадратор 45 и третий инвертор 48 поступает на первый вход девятого сумматора 50. С выхода третьего усилителя 33 сигнал Q через седьмой квадратор 46 поступает на второй вход девятого сумматора 50. А выход четвертого усилителя 34 через второй инвертор 40, восьмой квадратор 47 и четвертый инвертор 49 связан с третьим входом девятого сумматора 50. С выхода девятого сумматора 50 сигнал через делитель 51 поступает на один вход одиннадцатого умножителя 52, на второй вход которого приходит сигнал с выхода блока извлечения корня 22, входом которого является выход четвертого сумматора 21. Первый вход четвертого сумматора 21 соединен с выходом пятого умножителя 18, который является выходом канала обработки квадратурной составляющей принимаемого сигнала, второй вход соединен с выходом седьмого умножителя 20, который является выходом канала обработки синфазной составляющей принимаемого сигнала, а третий вход - с выходом шестого умножителя 19. С выхода одиннадцатого умножителя 52 сигнал поступает на устройство сброса интеграторов 53, которое по истечению длительности сигнала осуществляет сброс интеграторов. Выходом блока 53 является выход всего устройства, а выходным сигналом является измеренное значение амплитуды некогерентной последовательности СШП КРС.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает измерение значения амплитуды некогерентной последовательности СШП КРС при априори неизвестных начальной фазе и длительности сигнала.
Список использованных источников
1. Куликов, Е.И. Оценка параметров сигналов на фоне помех / Е.И. Куликов, А.П. Трифонов. - М.: Сов. радио, 1978. - 296 с.
2. Трифонов, А.П. Оценка амплитуды радиосигнала с неизвестной длительностью и начальной фазой / А.П. Трифонов, Ю.Э. Корчагин, О.В. Чернояров и др. // Прикладные математические науки. - 2014. - Т. 8, №111, - С. 5517-5528.
3. Трифонов, А.П. Совместное различение сигналов и оценка их параметров на фоне помех / А.П. Трифонов, Ю.С. Шинаков. - М.: Радио и связь, 1986. - 264 с.
4. Корчагин Ю.Э., Титов К.Д. Обнаружение когерентной последовательности сверхширокополосных квазирадиосигналов произвольной формы // Радиотехника, 2019, №3. - С. 26-32.
5. Патент на изобретение №2280877. Устройство измерения амплитуды сигнала. Зандер Ф.В., Резанов А.С. 20.12.2004 г.
6. Корчагин Ю.Э. Синтез и анализ алгоритмов обработки сверхширокополосных квазирадиосигналов / Ю.Э. Корчагин, К.Д. Титов. - Монография, Издательский дом ВГУ, Воронеж, 2019. - 128 с.