СПОСОБ ПОИСКА ШИРОКОПОЛОСНОГО СИГНАЛА С ФАЗОВОЙ МАНИПУЛЯЦИЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF BROADBAND SIGNAL SEARCH WITH PHASE MANIPULATION AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к области радиотехники, а конкретно к способам и устройствам обработки широкополосных сигналов, и может найти применение в радиолокационных, телеметрических, командных и связных системах. Известно, что вопросы поиска широкополосных сигналов в асинхронных системах радиосвязи с корреляционной обработкой сигнала на приемной стороне приобретают особую сложность в каналах с помехами со структурой сигнала (от соседних средств радиосвязи, работающих в том же частотном диапазоне), хаотических импульсных помех и преднамеренных шумовых помех.
В качестве аналога способа рассмотрен способ осуществления параллельного поиска шумоподобных сигналов запаздывания [Радиотехнические системы / Ю.П. Гришин, В.П. Ипатов, Ю.М. Казаринов и др. Под ред. Ю.М. Казаринова. - М.: Высшая школа, 1990, с. 64 (рис. 3.16), с. 99 (рис. 4.6)] [1], заключающийся в перемножении принятого сигнала с N парами опорных шумоподобных сигналов, квадратурными копиями принятого сигнала для N дискретных значений времени запаздывания, интегрировании результатов перемножения в 2N квадратурных каналах на интервале, равной длительности шумоподобного сигнала, выделении N значений модуля взаимной корреляционной функции (ВКФ) и выборе в качестве оценки времени запаздывания значения задержки опорного сигнала в канале с максимальным значением ВКФ.
В качестве аналога устройства рассмотрен патент RU 2206180, опубликованный 10.06.2003 [2], в котором устройство начальной синхронизации приемника псевдослучайных сигналов содержит генератор опорных сигналов, выходы которого соединены с соответствующими опорными входами N канальных корреляторов, а сигнальные входы корреляторов объединены и являются входом устройства, выходы корреляторов соединены с соответствующими входами селектора максимального сигнала, а также содержит последовательно соединенные селектор синхропоследовательности, вход которого соединен со входом устройства, и селектор фазы синхропоследовательности, а также блок управления поиском, причем выход селектора фазы синхропоследовательности соединен с управляемым входом генератора опорных сигналов, установочный вход генератора опорных сигналов соединен с первым выходом блока управления поиском, второй выход которого соединен с соответствующим входом селектора максимального сигнала, третий выход блока управления поиском соединен со вторым входом селектора фазы синхропоследовательности, а выход селектора максимального сигнала соединен со входом блока управления поиском.
В качестве устройства поиска широкополосного сигнала с фазовой манипуляцией может быть использована схема, реализуемая в ПЛИС (программируемой логической интегральной схеме).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ поиска шумоподобных фазоманипулированных сигналов и радиоприемное устройство для его осуществления, описанные в патенте RU 2505934 С1, опубликованном 27.01.2014 [3]. Данный способ и устройство выбраны в качестве прототипов заявленного изобретения.
Характеристика прототипа способа, описанного в патенте RU 2505934 С1, опубликованном 27.01.2014 [3], заключается в том, что величина заданного порога вычисляется в зависимости от определенных параметров сигнала на выходе согласованного фильтра с детектором, для этого вычисляют среднее значение сигнала на выходе согласованного фильтра с детектором в скользящем окне длиной четверть длительности широкополосного сигнала (ШПС) - Ср и запоминают величину последнего пика автокорреляционной функции (АКФ) на выходе согласованного фильтра с детектором - Ур, затем вычисляют значение заданного порога по формуле: П=k⋅(Уп-Ср)+Ср, где k - константа, пропорциональная относительной величине боковых пиков АКФ заданного ШПС, и в момент превышения заданного порога принимают решение об обнаружении определенного ШПС и формируют импульс для синхронизации приемника с моментом обнаружения ШПС.
Характеристика прототипа устройства, описанного в патенте RU 2505934 С1, опубликованном 27.01.2014 [3], заключается в том, что радиоприемное устройство содержит пиковый детектор, детектор среднего уровня, вычитающее устройство и устройство сложения сигналов, при этом выход согласованного фильтра соединен с входами пикового детектора, детектора среднего уровня и одним из входов устройства сравнения, выход пикового детектора соединен со входом уменьшаемого вычитающего устройства, а выход детектора среднего уровня соединен с входом вычитаемого вычитающего устройства и со вторым входом устройства сложения, первый вход которого соединен с выходом вычитающего устройства, выход устройства сложения соединен со вторым входом устройства сравнения, выход которого является выходом устройства поиска.
Недостатком данных способа и устройства является зависимость вероятности обнаружения от пиковых значений напряжения с выхода согласованного фильтра.
Техническая проблема заключается в сохранении пикового значения сигнала после согласованной фильтрации и использования этого значения для формирования порогового значения.
Решаемая техническая задача (технический результат) предлагаемого способа поиска широкополосного сигнала с фазовой манипуляцией и устройства для его осуществления заключается в обеспечении наибольшей помехоустойчивости к различным типам помех в частности помех со структурой сигнала, импульсных помех и шумовых помех, и решается применением динамической схемы изменения весового коэффициента, который определяет уровень порога.
Технический результат в способе поиска широкополосного сигнала с фазовой манипуляцией, заключающемся в непрерывном поиске широкополосного сигнала, согласованной фильтрации принятого широкополосного сигнала, сравнении значения сигнала после согласованной фильтрации X(t) со значением сигнала заданного порогового уровня Y(t), достигается тем, что перед сравнением значения сигнала после согласованной фильтрации - X(t) со значением сигнала заданного порогового уровня - Y(t), определяют коэффициент эффективности в настоящий момент времени - ER(t) заданного порогового уровня в зависимости от отношения разности, значения сигнала в данный момент времени X(t) и значения сигнала, задержанного на (n+1) значений X(t-n-1), (где n выбирается равным четверти длительности импульса широкополосного сигнала) к сумме модуля разностей, значения сигнала, задержанного на i значений - X(t-i), и значения сигнала, задержанного на (i+1) значений - X(t-i-1), что соответствует среднему уровню нарастания или спада за n предыдущих значений сигнала после согласованной фильтрации:
для чего измеряют значение сигнала после согласованной фильтрации в настоящий момент времени X(t) и значение сигнала после согласованной фильтрации, задержанного на (n+1) значений X(t-n-1), значение сигнала после согласованной фильтрации, задержанного на i значений X(t-i), значение сигнала после согласованной фильтрации, задержанного на (i+1) значений X(t-i-1), затем с помощью быстрого константного коэффициента - fast, медленного константного коэффициента - slow и коэффициента эффективности в настоящий момент времени ER(t) определяют коэффициент сглаживающей константы c(t):
затем с помощью значения коэффициента сглаживающей константы в настоящий момент времени c(t) и измеренного значения сигнала порогового уровня в предыдущий момент времени Y(t-1) определяют значение порогового уровня в настоящий момент времени Y(t) по формуле:
где X(t) - значение сигнала после согласованной фильтрации в настоящий момент времени, X(t-i) - значение сигнала после согласованной фильтрации, задержанное на i значений, X(t-i-1) - значение сигнала после согласованной фильтрации, задержанное на (i+1) значений, X(t-n-1) - значение сигнала после согласованной фильтрации, задержанное на (n+1) значений, Y(t) - значение сигнала порогового уровня в настоящий момент времени, ER(t) - коэффициент эффективности в настоящий момент времени, c(t) - коэффициент сглаживающей константы в настоящий момент времени, Y(t-1) - значение порогового уровня в предыдущий момент времени, i - переменная суммирования от 0 до (n+1), n - константа, число значений, соответствующее четверти длительности импульса широкополосного сигнала, fast - быстрый константный коэффициент, slow - медленный константный коэффициент.
Технический результат в устройстве поиска широкополосного сигнала с фазовой манипуляцией, содержащем согласованный фильтр, вход которого является входом устройства, выход согласованного фильтра соединен с первым входом блока сравнения, выход которого является выходом устройства, второй вход блока сравнения соединен с выходом первого блока суммирования, первый вход которого соединен с выходом первого блока умножения, первый вход которого соединен с выходом первого блока вычитания, достигается тем, что в устройство дополнительно введены первые блоки задержки, вторые блоки вычитания, третий блок вычитания, блок деления, блоки вычисления абсолютных значений, второй блок суммирования, второй блок умножения, четвертый блок вычитания, блок формирования постоянного сигнала fast, блок формирования постоянного сигнала slow, третий блок суммирования, блок формирования постоянного сигнала единичного уровня, третий блок умножения, второй блок задержки, выход согласованного фильтра соединен со входом первого из (n+1) первых блоков задержки, соединенных последовательно, а также соединен с первым входом первого из (n+1) вторых блоков вычитания, причем каждый из выходов первых блоков задержки соответственно соединен со вторым-вычитаемым входом каждого из вторых блоков вычитания и первым входом следующего из (n+1) вторых блоков вычитания, причем выход (n+1) первого блока задержки соединен с первым-вычитаемым входом третьего блока вычитания, второй из входов которого соединен с выходом согласованного фильтра, выход третьего блока вычитания соединен с первым-делимым входом блока деления, выходы вторых блоков вычитания соединены со входами (n+1) блоков вычисления абсолютных значений соответственно, выходы которых соединены соответственно со входами второго блока суммирования, выход которого соединен со вторым делящим входом блока деления, выход которого соединен с первым входом второго блока умножения, второй вход которого соединен с выходом четвертого блока вычитания, первый вход которого соединен с выходом блока формирования постоянного значения fast, второй-вычитаемый вход четвертого блока вычитания соединен с выходом блока формирования постоянного сигнала slow, выход которого также соединен с первым входом третьего блока суммирования, второй вход которого соединен с выходом второго блока умножения, выход третьего блока суммирования соединен с первым-вычитаемым входом первого блока вычитания, второй вход которого соединен с выходом блока формирования постоянного сигнала единичного уровня, выход третьего блока суммирования также соединен с первым входом третьего блока умножения, второй вход которого соединен с выходом согласованного фильтра, выход третьего блока умножения соединен со вторым входом первого блока суммирования, выход которого соединен со входом второго блока задержки, выход которого соединен со вторым входом первого блока умножения.
На Фиг. 1 приведена структурная схема устройства поиска широкополосных сигналов для реализации предлагаемого способа.
На Фиг. 2 приведены зависимости вероятности обнаружения от отношения сигнал/шум при воздействии гауссового шума для предлагаемого устройства и устройства, описанного в прототипе.
На Фиг. 3 приведена осциллограмма работы порогового устройства и согласованного фильтра, моменты времени, когда уровень сигнала с выхода согласованного фильтра превышает уровень сигнала с порогового устройства, можно принять решение о наличии сигнала.
1
n+1
1
n+1
1
n+1
1
n+1
1
n+1
1
n+1
1
n+1
На Фиг. 1 приведена структурная схема устройства поиска широкополосных сигналов для реализации предлагаемого способа. Устройство поиска широкополосного сигнала с фазовой манипуляцией (Фиг. 1) содержит согласованный фильтр 1, вход которого является входом устройства, выход согласованного фильтра 1 соединен с первым входом блока сравнения 2, выход которого является выходом устройства, второй вход блока сравнения 2 соединен с выходом первого блока суммирования 3, первый вход которого соединен с выходом первого блока умножения 4, первый вход которого соединен с выходом первого блока вычитания 5, выход согласованного фильтра 1 соединен со входом первого из (n+1) первых блоков задержки 6…6, соединенных последовательно, а также соединен с первым входом первого из (n+1) вторых блоков вычитания 7…7, причем каждый из выходов первых блоков задержки 6…6 соответственно соединен со вторым-вычитаемым входом каждого из вторых блоков вычитания 7…7 и первым входом следующего из (n+1) вторых блоков вычитания 6…6, причем выход (n+1) первого блока задержки соединен с первым-вычитаемым входом третьего блока вычитания 8, второй из входов которого соединен с выходом согласованного фильтра 1, выход третьего блока вычитания 8 соединен с первым-делимым входом блока деления 9, выходы вторых блоков вычитания 7…7 соединены со входами (n+1) блоков вычисления абсолютных значений 10…10 соответственно, выходы которых соединены соответственно со входами второго блока суммирования 11, выход которого соединен со вторым делящим входом блока деления 9, выход которого соединен с первым входом второго блока умножения 12, второй вход которого соединен с выходом четвертого блока вычитания 13, первый вход которого соединен с выходом блока формирования постоянного значения fast 14, второй-вычитаемый вход четвертого блока вычитания соединен с выходом блока формирования постоянного сигнала slow 15, выход которого также соединен с первым входом третьего блока суммирования 16, второй вход которого соединен с выходом второго блока умножения 12, выход третьего блока суммирования 16 соединен с первым-вычитаемым входом первого блока вычитания 5, второй вход которого соединен с выходом блока формирования постоянного сигнала единичного уровня 17, выход третьего блока суммирования 16 также соединен с первым входом третьего блока умножения 18, второй вход которого соединен с выходом согласованного фильтра 1, выход третьего блока умножения 18 соединен со вторым входом первого блока суммирования 3, выход которого соединен со входом второго блока задержки 19, выход которого соединен со вторым входом первого блока умножения 4. Перечисленные выше блоки имеют стандартные, опубликованные в литературе схемы и имеют соответствующие системы электропитания, где n – число, соответствующее количеству значений, содержащихся в четверти длительности ШПС
1
n+1
1
n+1
1
n+1
n+1
Рассмотрим осуществление способа поиска широкополосного сигнала с фазовой манипуляцией и работу устройства для его осуществления. Непрерывный поиск широкополосного сигнала - это поиск широкополосного сигнала с использованием памяти на n измеренных предыдущих значений сигнала, с помощью которых вычисляется пороговый уровень. Все блоки устройства подключаются к сети электропитания, далее вносятся значения уровня сигналов в блок slow формирования постоянного сигнала slow 15 и сигнала fast в блок формирования постоянного сигнала fast 14 (в примере конкретной реализации slow=2048, fast=4096). n - выбирается равным четверти длительности импульса ШПС с учетом частоты дискретизации (в примере при базе импульса ШПС, равной 128, n=64), далее сигнал, пройдя через согласованный фильтр 1, поступает в блок сравнения 2, где сравнивается со значением порогового уровня Y(t), формирование которого заключается в суммировании вторым блоком суммирования 11 абсолютных значений с выходов блоков вычисления абсолютных значений 10...10 разностей значений сигнала с выходов вторых блоков вычитания 7…7, задержанных на i значений и значений сигнала, задержанных на i+1 значений с выходов первых блоков задержки 6…6, делением блоком деления 9 на полученное значение, значения с выхода третьего блока вычитания 8, полученного вычитанием из сигнала с выхода согласованного фильтра 1 в настоящий момент времени X(t) сигнала с блока задержки 6, задержанного на (n+1) значений X(t-n-1), таким образом получаем значение коэффициента эффективности ER(t), далее полученный коэффициент эффективности в настоящий момент времени ER(t) поступает на вход второго блока умножения 12, на второй вход которого поступает сигнал с четвертого блока вычитания 13, в котором сигнал с выхода блока формирования постоянного сигнала fast 14 вычитается из сигнала с блока формирования постоянного сигнала slow 15, далее полученное значение суммируется третьим блоком суммирования 16 со значением сигнала с блока формирования постоянного сигнала slow 15, далее полученное значение умножается третьим блоком умножения 18 на значение сигнала с выхода согласованного фильтра 1 в настоящий момент времени X(t), затем суммируется первым блоком суммирования 3 со значением, полученным с выхода первого блока умножения 4 порогового уровня в предыдущий момент времени Y(t-1), задержанного вторым блоком задержки 19, и значения с выхода первого блока вычитания 5, получаемого разностью сигнала с выхода блока формирования постоянного сигнала единичного уровня 17 и сигнала с выхода третьего блока суммирования, на выходе первого блока суммирования 3 получаем значение порогового уровня в настоящий момент времени Y(t), с которым сравнивается в блоке сравнения 2 значение с выхода согласованного фильтра и принимается решение о наличии или отсутствии сигнала. На фиг. 2 изображены зависимости от отношения сигнал/шум вероятностей обнаружения, полученные в результате статистического эксперимента для предлагаемого порогового устройства (сплошная линия) и порогового устройства, описанного в прототипе. На фиг. 3 изображены зависимости сигнала с выхода согласованного фильтра 1 (пунктирная линия) и сигнала с выхода первого блока суммирования 3 (сплошная линия).
По сравнению с прототипом предлагаемый способ поиска широкополосного сигнала с фазовой манипуляцией и устройство для его осуществления позволяют принимать решение о наличии сигнала при меньшем отношении сигнал/шум.