Устройство обработки короткоимпульсных сверхширокополосных сигналов на приёмной стороне
APPARATUS FOR PROCESSING SHORT-PULSE ULTRA-WIDEBAND SIGNALS AT A RECEIVING SIDE

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при разработке приемных устройств, обеспечивающих повышение эффективности обнаружения и различения информационных СШП сигналов как стационарных, так и мобильных высокоскоростных систем передачи информации, многопользовательских систем и других радиоэлектронных систем, и средств, практикующих радиообмен короткоимпульсными сверхширокополосными (СШП) сигналами.
max
Известны различные предложения, характеризующие выполнение конкретных требований по реализации устройств, осуществляющих обработку информационных СШП сигналов на приемной стороне. Например, в [1] предложена полезная модель приемопередающего модуля для радиообмена закодированными визуальными и звуковыми сообщениями, использующего для этого сверхширокополосные сигналы, формируемые кодовыми последовательностями одинаковой длины, содержащими по десять логических единиц, отстоящих друг от друга на разное число отсчетов. Кодовые последовательности, модулирующие информационные нули и информационные единицы одинаковы по содержанию, но отличаются периодом расстановки импульсов. При этом импульсы заполняются высокочастотным колебанием, то есть в канал связи поступают СШП сигналы, представляющие собой потоки радиоимпульсов различной скважности для информационных нулей и информационных единиц. В режиме обнаружения осуществляется амплитудное детектирование радиоимпульсов, при котором происходит их ограничение снизу по уровню нуля. Далее выделяют огибающие ограниченных радиоимпульсов и усиливают получившиеся видеоимпульсы, которые поступают на вход компаратора с целью получения нормированных прямоугольных импульсов, которые после прохождение RS-триггера выравниваются по длительности и становятся пригодными для обработки в интерфейсе. Захват состояния синхронизма осуществляется следующим образом. На одном из выходов синхронизатора формируется цифровая последовательность, которая записывается в сдвиговый регистр и используется для проверки совпадений с заранее установленными кодовыми последовательностями. При определенном значении величины сдвига записанная в этот регистр последовательность цифровых данных обеспечит на соответствующем выходе схемы обработки максимальное значение выходного сигнала γ. Момент регистрации этого максимума и будет означать захват состояния синхронизма.
В режиме различения принятых кодовых символов критерием определения принятого символа считается превышение порога защиты от ложных срабатываний числом γ, которое определяется сигналом с выхода схемы обработки, пришедшим на один из входов блока различения кодовых символов. При этом другие числа, пришедшие на остальные входы блока различения кодовых символов за промежуток времени, равный 0,9 от длительности передачи кодового символа, не должны превысить числа γ.
К недостаткам этого устройства можно отнести следующее. Ограничение радиоимпульсов снизу будет характеризоваться соответствующими энергетическими потерями. Использование радиоимпульсов приводит к необходимости выделения огибающей применением низкочастотных фильтров, что усложняет схемотехническое исполнение устройства. Различная скважность СШП сигналов приводит к более жестким требованиям по обеспечению стабильности текущего состояния синхронизации. Кроме того, заявленные качества обеспечиваются достаточно большим усложнением алгоритма обработки СШП сигналов. При этом в приемном устройстве данного приемопередающего модуля нет адаптации порога к изменению помеховой обстановки, что будет снижать достоверность результатов обработки.
В патентах [2-4] предлагаются варианты приемных частей радиолиний, у которых в режиме обнаружения СШП синхросигнала, захвата и удержания состояния синхронизма предложено использовать два независимых канала, один из которых служит для обработки СШП синхросигнала, второй - для обеспечения ускорения процесса синхронизации. В режиме различения информационных СШП сигналов также используются два параллельных временных канала. Один временной канал служит для приема информационных СШП сигналов, второй - для оценки уровня внешних шумов. Основу каждого временного канала составляют устройства временных окон и чувствительные пороговые устройства. При этом существенное различие в функциональные схемы, определяющие особенности работы упомянутых устройств, вносят блоки, задействованные при обнаружении СШП синхросигналов и захвате в состояния синхронизма. В то время как обработка информационных СШП сигналов, приводящая к их различению, осуществляется в основном программируемыми средствами достаточно единообразно в блоке обработки и управления.
В [2] в режиме обнаружения СШП синхросигнала и захвата состояния синхронизма временные интервалы между импульсами СШП синхросигнала, поступающего в первый канал, кратны периоду гармонического сигнала, приходящего одновременно на вход второго канала. При этом они синхронизированы в максимумах этого гармонического сигнала. Выделенный гармонический сигнал по цепи, сформированной в режиме приема, синхронизирует частоту блока синхронизации с помощью встроенной системы импульсно-фазовой автоподстройки частоты (ИФАПЧ) с точностью до фазы, осуществляя захват состояния синхронизма.
В [3] в режиме обнаружения и захвата состояния синхронизма второй канал обеспечивает одновременный с СШП синхросигналом прием широкополосного (ШП) частотно- или фазоманипулированного радиосигнала. При этом моменты изменения частоты или фазы ШП сигнала соответствуют началу и концу временных окон, по центру которых располагаются импульсы СШП синхросигнала. Захват состояния синхронизма и его поддержание через заданные промежутки времени обеспечивается соответствующей обработкой ШП сигнала.
В [4] предложена радиолиния с двумя приемопередатчиками, расположенными на ее противоположных концах. На основе собственных цифровых синтезаторов частот (ЦСЧ) с помощью ИФАПЧ передатчики и приемники корреспондентов взаимно синхронизируют свои временные интервалы для передачи и приема информации с точностью до фазы путем обработки каждый в своем временном интервале СШП синхросигналов, излученных противоположными передатчиками. Повышенная точность взаимной синхронизации обеспечивается благодаря тому, что передатчик одного корреспондента и приемник второго корреспондента начинают работать от одного генератора опорной частоты.
В любом из устройств по патентам [2-4] обработка информационных СШП сигналов в сигнальном и шумовом временных каналах с целью их различения и оценки текущего динамического порога осуществляется в соответствующих временных окнах, формируемых соответствующими формирователями. Обработанный СШП сигнал с выходов пороговых устройств поступает в цифровой сигнальный процессор (ЦСП), в котором с использованием различных алгоритмов анализируются уровни приходящих информационных СШП сигналов и канального шума, принимается решение о принятом информационном символе, а микроконтроллер регулирует пороговое напряжение, подаваемое на входы пороговых устройств сигнального и шумового временных каналов. Для осуществления автоматической регулировки порогового напряжения производится оценка вероятности ошибки на бит принимаемого СШП сигнала и в зависимости от результатов осуществляется регулировка чувствительности приемника путем подстройки порогов.
Существенным недостатком устройства по патенту [2] является тот факт, что в режиме поиска и обнаружения синхросигнала такая система становится неработоспособной при воздействии внешних помех (заградительных, сосредоточенных, особенно гармонических с близкой частотой) на вход второго канала.
К недостаткам устройства по патенту [3] можно отнести ее работоспособность только при отсутствии многолучевости в ШП радиоканале, то есть в присутствии многолучевости (в городах, пригородах, горах, предгорьях и т.д.) ее работоспособность нарушается.
Заметным недостатком работы объединенной системы по патенту [4] является достаточно большое время вхождения в состояние синхронизма.
Выбор порогов обнаружения импульсов СШП сигналов в [2-4] осуществляется путем обработки канальных шумов во временных окнах шумового временного канала. Следовательно, уровни порогов обнаружения импульсов СШП сигналов в сигнальных временных каналах здесь адаптируются к уровням шумов, но только в той степени, в которой они превысят шумовые пороги в пороговых устройствах шумовых временных каналов, что снижает чувствительность устройства к изменениям помеховой обстановки. Кроме того, к недостаткам, присущим этим устройствам можно также отнести необходимость использования мощных вычислительных средств, таких как ЦСП, которые, как правило, потребляют немало энергии.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является приемная часть приемопередающего модуля, представленная в [5], стр. 12, рис. 9, принятая за прототип.
Блок-схема устройства-прототипа представлена на фиг. 1, где обозначено:
1.1 - 1.5 - с первого по пятый управляемые формирователи временных окон (УФВО);
7.1 - 7.5 - с первого по пятый импульсные энергетические накопители (ИЭН);
8.1 - 8.5 - с первого по пятый формирователи порогов (ФП);
9.1 - 9.5 - с первого по пятый пороговые устройства (ПУ);
10 - блок обработки и управления (БОУ);
11.1 - 11.5 - с первого по пятый накопители канальных энергий импульсов (НКЭИ);
12 - управляемый генератор тактовых импульсов (УГТИ);
13 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП).
Устройство-прототип содержит пять идентично организованных сигнальных временных каналов (СВК) (пунктирным прямоугольником обозначен СВК, который приведен в каждой ветви схемы). Каждый из пяти СВК состоит из соответствующих последовательно соединенных УФВО 1.1 - 1.5, ИЭН 7.1 - 7.5, НКЭСИ 11.1 - 11.5 и ПУ 9.1 - 9.5, второй вход каждого из которых подключен к выходу соответствующего ФП 8.1 - 8.5. При этом первые входы УФВО 1.1 - 1.5 объединены и являются входом устройства, подсоединенным к антенному переключателю (на фиг. 1 не обозначен). Вторые входы каждого из пяти УФВО 1.1 - 1.5 подключены к соответствующим выходам УГТИ 12 и вторым входам соответствующих ИЭН 7.1 - 7.5 и НКЭСИ 11.1 - 11.5. Выходы ПУ 9.1 - 9.5 соединены с соответствующими входами АЦП 13, выход которого соединен с входом БОУ 10, первый выход которого подключен к входам ФП 8.1 - 8.5. Второй выход БОУ 10 соединен с входом УГТИ 12. Третий выход БОУ 10 является выходом устройства.
Устройство-прототип работает следующим образом. Для обнаружения СШП сигнала и захвата состояния синхронизма используются первые три СВК. Полагаем, что после включения питания калибровка проведена и канальные ФП 8.1 - ФП 8.5 выставили в ПУ 9.1 - ПУ 9.5 соответствующий энергетический порог. Далее смесь синхроимпульсов СШП сигнала и канального шума или одного канального шума с выхода антенного переключателя поступает на первые входы УФВО 1.1 - УФВО 1.5. Одновременно на вторые их входы, вторые входы ИЭН 7.1 - ИЭН 7.5 и вторые входы НКЭИ 11.1 - НКЭИ 11.5 с соответствующих выходов УГТИ 12 поступают тактовые импульсы с известными задержками для формирования текущих временных окон УФВО 1.1 - УФВО 1.5 и тактирования временных промежутков, в течение которых осуществляется накопление смеси энергий синхроимпульсов СШП сигнала и канального шума или одного канального шума в НКЭИ 11.1 - НКЭИ 11.5. Накопленная в НКЭИ 11.1 - НКЭИ 11.5 на длительности СШП сигнала энергия синхроимпульсов поступает соответственно на первые входы ПУ 9.1 - ПУ 9.5, с выхода которых на соответствующие первый - пятый входы АЦП 13 поступают надпороговые накопленные в канальных энергетических накопителях энергии либо смеси синхроимпульсов СШП сигнала с канальным шумом, либо одного канального шума. Если СШП сигнал отсутствует, то накопленные в НКЭИ 11.1 - НКЭИ 11.5 энергии не преодолеют выставленный в ПУ 9.1 - ПУ 9.5 энергетический порог, следовательно, с выхода АЦП 13 на вход БОУ 10 на этом такте поступит нуль, тогда со второго выхода БОУ 10 на вход УГТИ 12 поступит сигнал, по которому УГТИ 12 осуществит заданную задержку тактовых импульсов, поступающих на вторые входы УФВО 1.1 - УФВО 1.5, ИЭН 7.1 - ИЭН 7.5 и вторые входы НКЭИ 11.1 - НКЭИ 11.5, и поиск СШП сигнала с целью его обнаружения и захвата состояния синхронизма продолжится так, как описано выше. Проделанные выше действия будут повторяться при каждой вновь введенной задержке тактовых импульсов УГТИ 12 до тех пор, пока на первые входы УФВО 1.1 - УФВО 1.5 не поступит смесь СШП сигнала с канальным шумом и величина энергии смеси синхроимпульсов СШП сигнала и канального шума, накопленной одним из трех канальных энергетических накопителей за время, равное длительности СШП сигнала, не превысит величину энергетического порога, выставленного в ПУ 9.1 - ПУ 9.5. Очевидно, что каждый канальный энергетический накопитель представляет собой коррелятор, на выходе которого формируется соответствующая автокорреляционная функция (АКФ), максимум которой соответствует энергии всех обнаруженных и накопленных синхроимпульсов СШП сигнала. В последнем случае с выхода этого СВК на соответствующий вход АЦП 13 поступит накопленная надпороговая энергия принятой смеси синхроимпульсов СШП сигнала и канального шума, соответствующая максимуму АКФ, а на остальные его входы - нули. При этом с выхода АЦП 13 на вход БОУ 10 поступит оцифрованное значение АКФ соответствующего СВК. В БОУ 10 будет зафиксирован момент отсчета максимума АКФ и определена величина и знак задержки в этом СВК, при которой получен этот отсчет, а со второго выхода БОУ 10 на вход УГТИ 12 поступит команда, по которой найденная задержка с соответствующих его выходов будет передана на вторые входы двух остальных СВК из трех первых, а также четвертого и пятого приемных СВК с учетом их текущих задержек. На этом процесс захвата состояния синхронизма заканчивается и начинается процесс приема СШП сигналов в четвертом и пятом приемных СВК.
После обнаружения СШП синхросигнала и захвата состояния синхронизма для приема и различения информационных СШП сигналов используются последние два СВК, а три первых (левый, центральный и правый) осуществляют поддержание состояния синхронизма. При этом смесь импульсов СШП сигнала и канального шума или одного канального шума с выхода антенного переключателя поступает на первые входы УФВО 1.4 или УФВО 1.5. Одновременно на вторые их входы, вторые входы ИЭН 7.4 и ИЭН 7.5 и вторые входы НКЭИ 11.4 и НКЭИ 11.5 с соответствующих выходов УГТИ 12 поступают тактовые импульсы с найденной задержкой для формирования текущих временных окон УФВО 1.4 и УФВО 1.5 и тактирования временных промежутков, в течение которых осуществляется накопление смеси энергий импульсов СШП сигнала и канального шума или одного канального шума в НКЭИ 11.4 и НКЭИ 11.5. Накопленная в НКЭИ 11.4 или НКЭИ 11.5 на длительности СШП сигнала энергия импульсов поступает соответственно на входы ПУ 9.4 и ПУ 9.5, с выхода которых соответственно на четвертый и пятый входы АЦП 13 поступают надпороговые накопленные в канальных энергетических накопителях энергии либо смеси импульсов СШП сигнала с канальным шумом, либо одного канального шума. В АЦП 13 осуществляется оцифровка надпороговой энергии и цифровой отсчет с выхода АЦП 13 поступает на вход БОУ 10, где в зависимости от того, в четвертом или в пятом СВК был превышен цифровой порог накопленной на длительности СШП сигнала энергией, будет принято решение о том какой из информационных символов был принят - нуль или единица. Одновременно аналогичные процедуры осуществляются в первых трех СВК. При этом в случае превышения оцифрованной в АЦП 13 накопленной на длительности СШП сигнала энергией цифрового порога в центральном СВК и в каком-либо одном из остальных двух СВК, составляющих временной дискриминатор, исходя из соотношения надпороговых энергий осуществляется оценка величины и знака временного сдвига формируемых сигнальных временных окон, которая используется для подстройки частоты и фазы УГТИ 12 с целью компенсации, этого сдвига. Таким образом, на каждом временном промежутке, равном длительности СШП сигнала осуществляется слежение за величиной задержки, доставляющей максимум энергетическим отсчетам.
К основным недостаткам устройства-прототипа можно отнести несколько факторов. Первый из них - это техническая избыточность. Принципиально прием информационных СШП сигналов и слежение за задержкой с целью поддержания состояния синхронизма можно реализовать с использованием не пяти, а трех СВК за счет небольшого усложнения алгоритма обработки, что при современной вычислительной базе реализуется достаточно просто. Вторым недостатком является достаточно большое время захвата состояния синхронизма, в среднем гораздо большее длительности СШП сигнала. Третий недостаток заключается в заниженной чувствительности алгоритма нахождения оценки временного сдвига в силу того, что в качестве его параметров используются надпороговые энергии СШП сигнала, накопленные в центральном и каком-либо другом СВК на длительности всего СШП сигнала. То есть временной сдвиг может быть оценен только в том случае, когда обе упомянутые энергии превысят цифровой порог, а до этого временной сдвиг не может быть обнаружен. Наконец, в качестве четвертого недостатка можно предъявить то, что не используется динамический энергетический порог обнаружения, позволяющий в какой-то степени компенсировать отрицательное влияние изменения внешних помеховых факторов.
Задача предлагаемого устройства состоит в уменьшении времени вхождения в синхронизм и повышении чувствительности алгоритма нахождения оценки временного сдвига, а также в упрощении устройства.
Для решения поставленной задачи в устройство обработки короткоимпульсных сверхширокополосных сигналов на приемной стороне, содержащее пять управляемых формирователей временных окон (УФВО), первые входы которых объединены и являются входом, устройства, а также три импульсных энергетических накопителя (ИЭН), три пороговых устройства, формирователь порога и блок обработки и управления (БОУ), один из выходов которого через формирователь порога соединен со вторым входом первого порогового устройства, выход БОУ является выходом устройства, согласно изобретению, введены (n-5) управляемых формирователей временных окон, первые входы которых подсоединены к входу устройства, блок синхронизации, n выходов которого соединены со вторыми входами n УФВО соответственно, выходы n УФВО соединены с соответствующими входами мультиплексора, выход которого подсоединен к первому входу управляемого переключателя на три положения, первый и второй выходы которого соединены с первыми входами первого и второго управляемых переключателей на два положения, выходы которых соединены с первыми входами первого и третьего ИЭН соответственно; третий выход управляемого переключателя на три положения через демультиплексор соединен с первым входом второго ИЭН, выход которого соединен с первым входом второго порогового устройства и с третьим входом БОУ; выход первого ИЭН соединен с первым входом первого порогового устройства и со вторым входом БОУ; выход третьего ИЭН соединен с первым входом порогового устройства и с четвертым входом БОУ; выход формирователя порога подключен ко вторым входам второго и третьего пороговых устройств, выходы которых подключены соответственно к шестому и пятому входам БОУ, седьмой выход которого соединен с выходом первого порогового устройства; выходы БОУ с первого по n-й соединены с третьими входами УФВО соответственно; (n+1)-й выход БОУ соединен со входом блока синхронизации, n выходов которого соединены со вторыми входами n УФВО соответственно; (n+1)-й выход блока синхронизации соединен с объединенными третьими входами первого, второго и третьего ИЭН, (n+2)-й выход блока синхронизации соединен с входом БОУ, (n+2)-й выход которого соединен с объединенными вторыми входами первого, второго и третьего ИЭН, управляемого переключателя на три положения, первого и второго управляемых переключателей на два положения, при этом третьи входы первого и второго управляемых переключателей на два положения подсоединены к соответствующим выходам демультиплексора, выход устройства является входом/выходом.
На фиг. 2 представлена блок-схема предлагаемого устройства, где обозначено:
1 - 1.n - с первого по n-й управляемые формирователи временных окон (УФВО);
2 - мультиплексор (М);
3 - блок синхронизации (БС);
4 - управляемый переключатель на три положения (УП);
5.1, 5.2 - первый и второй управляемые переключатели на два положения (УП);
6 - демультиплексор (ДМ);
7.1 - 7.3 - с первого по третий импульсные энергетические накопители (ИЭН);
8 - формирователь порогов (ФП);
9.1 - 9.3 - с первого по третье пороговые устройства (ПУ);
10 - блок обработки и управления (БОУ).
Предлагаемое устройство содержит блок УФВО, состоящий из n управляемых формирователей временных окон (УФВО) 1.1 - 1.n, первые входы которых объединены и являются входом устройства. Выходы n УФВО 1.1 - 1.n подключены к соответствующим входам мультиплексора 2, выход которого соединен с первым входом управляемого переключателя на три положения 4, два выхода которого подсоединены к первым входам первого 5.1 и второго 5.2 управляемых переключателей на два положения соответственно. Третий выход управляемого переключателя на три положения 4 через последовательно соединенные демультиплексор 6, второй ИЭН 7.2 и второе пороговое устройство 9.2 соединен с шестым входом БОУ 10, вход/выход которого является выходом устройства обработки. Выход первого 5.1 управляемого переключателя на два положения через последовательно соединенные первый ИЭН 7.1 и первое пороговое устройство 9.1 соединен с седьмым входом БОУ 10. Выход второго 5.2 через последовательно соединенные третий ИЭН 7.3 и третье пороговое устройство 9.3 соединен с пятым входом БОУ 10. Кроме того, первый и второй выходы демультиплексора 6 подключены к третьим входам первого 5.1 и второго 5.2 управляемых переключателей на два положения соответственно. Вторые входы первого 5.1 и второго 5.2 управляемых переключателей на два положения, управляемого переключателя на три положения 4, а также первого 7.1, второго 7.2 и третьего 7.3 ИЭН объединены и подсоединены к (n+2) выходу БОУ.10. При этом выход первого ИЭН 7.1 соединен со вторым входом БОУ 10, третий вход которого подключен к выходу второго ИЭН 7.2, а выход третьего ИЭН 7.3 соединен с четвертым входом БОУ 10, (n+4) выход которого через формирователь порога 8 соединен со вторыми входами первого 9.1, второго 9.2 и третьего 9.3 пороговых устройств. Причем третьи входы первого 7.1, второго 7.2 и третьего 7.3 ИЭН объединены и подключены к (n+1) выходу блока синхронизации 3, с первого по n-й выходы которого соединены со вторыми входами УФВО 1.1 - 1.n соответственно. Вход блока синхронизации 3 подсоединен в (n+1) выходу БОУ 10, первый вход которого соединен с (n+1) блока синхронизации 3. Выходы с 1 по n-й БОУ 10 соединены с третьими входами УФВО 1.1 - 1.n соответственно. Здесь пунктирным прямоугольником слева обозначены три УФВО 1.1-1.3, осуществляющих обработку информационных СШП сигналов после захвата состояния синхронизма. Справа пунктирным прямоугольником отмечены блоки, осуществляющие разделение СВК по функциям, характерным для первой и второй решающих схем. При этом БОУ 10 предлагаемого устройства отличается от БОУ 10 устройства-прототипа расширенным списком выполняемых функций, включая функции аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей, что упрощает схемотехническую реализацию устройства, а также увеличивает скорость обработки СШП сигналов на приемной стороне.
Заявляемое устройство работает следующим образом. С момента поступления на выход/вход БОУ 10 сигнала включения питания приемной части по заданному алгоритму осуществляется процесс калибровки, основной задачей которого является установка начальных (опорных) энергетических порогов в пороговых устройствах 9.1 - 9.3.
0
ц
cc
обн
cc.
ц
0
0
При этом в режиме обнаружения СШП синхросигнала и захвата состояния синхронизма УФВО 1.1 - 1.n начнут формировать стек временных окон со сдвигом 2τ, равным длительности временного окна. Один временной цикл работы этого стека равен среднему периоду следования импульсов в СШП синхросигнале Т. Если он присутствует на входе приемного устройства, то за время его длительности в среднем может быть обнаружен один его импульс. Следовательно, все N импульсов СШП синхросигнала могут быть обнаружены за время, равное t=NТ. Таким образом, с выхода мультиплексора 2 на первый вход управляемого переключателя на три положения 4 будет поступать либо смесь импульсов СШП синхросигнала с канальным шумом, либо один канальный шум. Одновременно с (n+2)-го выхода БОУ 10 на вторые входы управляемого переключателя на три положения 4, управляемых переключателей на три положения 5.1 и 5.2 поступит команда, по которой УП 4 начнет чередовать два крайних положения, которым соответствуют первый и второй его выходы. Следовательно, с этих выходов УП 4 на первые входы УП 5.1 и УП 5.2 через промежутки времени, равные длительности временных окон 2 то будет поступать либо смесь импульсов СШП синхросигнала и канального шума, либо одного шума также длительностью 2τ. Чередование переключений в процессе поиска СШП синхросигнала учитывает факт инертности процессов энергетического накопления в ИЭН 7.1 и ИЭН 7.3, что гарантирует минимизацию взаимного влияния этих процессов на длительности соседних временных окон стека УФВО. Одновременно на вторые входы ИЭН 7.1 и ИЭН 7.3 поступит команда, по которой в них синхронно с открытием и закрытием соответствующих временных окон, формируемых УФВО 1.1 - 1.n, будет осуществляться операция накопления импульсной энергии смеси импульсов СШП синхросигнала и канального шума или одного канального шума. В отсутствии СШП синхросигнала накопленные за время длительности соответствующих временных окон импульсные энергии с выходов ИЭН 7.1 и ИЭН 7.3 начнут поступать на второй и четвертый входы БОУ 10, а также на первые входы пороговых устройств 9.1 и 9.3, у которых начальные энергетические пороги имеют очень высокое значение, то есть на их выходе будут нули. Шумовые импульсные энергии, поступившие на второй и четвертый входы БОУ 10, оцифровываются и используются для оценки величины опорного энергетического порога П следующим образом. Производится запись величин этих энергий в регистр заданной длины m и одновременно осуществляется оценка величины отношения последующего элемента последовательности к предыдущему.
0
Если в текущих временных окнах стека присутствует только канальный шум, то величина текущего отношения оконных энергий будет колебаться в небольших пределах. При заполнении всех m ячеек регистра шумовыми энергиями с их использованием осуществляется оценка величины опорного энергетического порога П, и по команде, поступающей с выхода (n+3) БОУ 10 посредством формирователя порога 8 в ПУ 9.1 - 9.3 будет введен этот опорный порог. Если СШП синхросигнал в канале отсутствует, то с заданной периодичностью опорный порог обнуляется, описанная выше процедура повторяется путем перезаписи новых данных в m ячеек регистра и новой оценки величины опорного порога, которая вводится в ПУ 9.1 - 9.3. Далее могут реализоваться две ситуации:
- в течение перезаписи данных в m ячеек регистра, когда пороги в ПУ 9.1 и 9.3 обнулены, величина текущего отношения оконных энергий резко увеличилась;
- после записи (перезаписи) данных в m ячеек регистра, когда выставлен текущий опорный порог в ПУ 9.1 и 9.3, в какой-то момент величина текущего отношения оконных энергий резко увеличилась, а порог был превышен либо в ПУ 9.1, либо в ПУ 9.3.
Оба варианта означают, что в течение текущего временного окна стека в смеси с канальным шумом появился импульс СШП синхросигнала, который назовем опорным. При этом в первом случае дополнительной операцией будет установка в ПУ 9.1 - 9.3 предыдущего уровня опорного порога. Далее в обоих случаях, операции совпадают и выполняются одновременно:
- оцифровка поступивших с выходов ПУ 9.1 и 9.3 на 7-й и 5-й входы БОУ 10 величин;
- определение временной позиции опорного импульса СШП синхросигнала.
Одновременно с выходов ПУ 9.1 и 9.3 на 7-й и 5-й входы БОУ 10 поступает последовательность накапливаемых надпороговых энергий смеси импульсов СШП синхросигнала и канального шума. Ее элементы также оцифровываются и превращаются в энергетические отсчеты, величина, количество и временные позиции которых фиксируются.
Если количество энергетических отсчетов, соответствующих надпороговым энергиям смеси импульсов СШП синхросигнала и канального шума и их местоположение при любых временных сдвигах не совпадают с количеством и местоположением импульсов в имеющейся копии СШП синхросигнала, то осуществляется переход в исходное состояние поиска СШП синхросигнала, которое было описано выше. В противном случае оцифрованная последовательность надпороговых энергий подвергается соответствующей обработке, в результате которой в БОУ 10 осуществляется определение величины и знака временной задержки δt с использованием алгоритма оценки и сравнения величин надпороговых энергий, попадающих в соседние временные окна стека. Найденная задержка вводится в три последовательно расположенных УФВО стека для захвата состояния синхронизма и приема и различения информационных СШП сигналов на длительности текущих «опережающего», «сигнального» и «запаздывающего» временных окон, соответствующих УФВО.
cc
На этом основную задачу, возлагаемую на заявляемое приемное устройство в режиме обнаружения СШП синхросигнала и захвата состояния синхронизма, можно считать решенной. На фиг. 3а) представлен вариант сформированного семиэлементного (N = 7) СШП синхросигнала единичной амплитуды совместно с текущим временным окном
n
где C - элементы псевдослучайной числовой последовательности (ПЧП), кодирующей временные позиции его импульсов. На фиг. 3б) показан укрупненный участок этого синхросигнала, где представлена форма его импульсов.
На фиг. 4 представлены четыре основных случая, которые возможны в процессе обнаружения СШП синхросигнала и захвата состояния синхронизма. Серым цветом условно изображено текущее временное окно стека, а черным цветом - последующее временное окно стека;  - текущая смесь импульсов СШП синхросигнала и канального шума (или только канального шума), поступающей на вход стека. Здесь среднее импульсное энергетическое отношение сигнал/шум .
На фиг. 4а) - случай, когда вся энергия смеси импульсов СШП синхросигнала и канального шума попадает внутрь текущего временного окна стека.
На фиг. 4б) - случай, когда меньшая часть энергии смеси импульсов СШП синхросигнала и канального шума попадают внутрь текущего временного окна стека, а большая часть - внутрь последующего временного окна стека.
На фиг. 4в) - случай, когда энергия смеси импульсов СШП синхросигнала и канального шума распределена достаточно равномерно между текущим и последующим временными окнами стека.
На фиг. 4г) - случай, когда большая часть энергии смеси импульсов СШП синхросигнала и канального шума попадает внутрь текущего временного окна стека, а меньшая часть - внутрь последующего временного окна стека.
На фиг. 5 в качестве примера показаны предварительные этапы обработки СШП синхросигнала, соответствующие случаю, изображенному на фиг. 4б). Здесь
cc,k
E - энергетические отсчеты смеси импульсов СШП синхросигнала и канального шума, временные позиции которых соответствуют моментам окончания соответствующих временных окон стека (заполненные кружки);
- энергетические отсчеты канального шума, оцененные для сравнения во временных окнах, сдвинутых относительно временных окон стека на некоторую величину (пустые крупные квадраты), приведенные к временным позициям энергетических отсчетов смеси импульсов СШП синхросигнала и канального шума;
- энергетические отсчеты канального шума, оцененные во временных окнах стека (заполненные ромбики) - приведены для сравнения;
также для сравнения сплошной тонкой линией показана текущая величина .
0
жирной черной штриховой горизонтальной линией показан начальный (опорный) энергетический порог П.
cc,k
0
cc
Искомая задержка δt является функцией E, П и вычисляется в БОУ 10. На фиг. 6 приведен условный пример расположения соседних текущих временных окон стека относительно временных позиций текущих смесей импульсов СШП синхросигнала и канальных шумов U (t). Фиг. 6а) - фиг. 6г) представляют тот случай, когда задержка не была введена в УФВО стека, а на фиг. 6а') - фиг. 6г') - случай, когда она введена. Здесь прямоугольниками серого цвета обозначены позиции соседних текущих временных окон стека: FO(t), когда задержка не скомпенсирована, FO(t+δt) - когда скомпенсирована. Как следует из 6а') - фиг. 6г') 4 а') введение вычисленной задержки действительно устанавливает временные позиции текущего временного окна стека так, что импульсы СШП синхросигнала оказываются на его середине, что эквивалентно состоянию синхронизма.
В режиме приема и различения информационных СШП сигналов необходимо учитывать, что в заявляемом устройстве предлагается использовать кодово-импульсную модуляцию (КИМ), при которой СШП сигналы, переносящие информационные единицы и нули, формируются следующим образом. Выбирается некоторый код (здесь 24-х элементный код Неймана-Хоффмана как самый сбалансированный), паузы между импульсами этого кода пропорциональны числам псевдослучайной числовой последовательности, у которой количество элементов такое же, как и у выбранного кода. Для СШП сигнала, переносящего информационную единицу (далее прямой СШП сигнал), в качестве временных позиций импульсов выбираются позиции, соответствующие единицам кода Неймана-Хоффмана, а для СШП сигнала, переносящего информационный нуль (далее инверсный СШП сигнал), в качестве временных позиций выбираются позиции, соответствующие нулям кода Неймана-Хоффмана. На фиг. 7а) представлен «разреженный» код Неймана-Хоффмана NH(t), на базе которого формируются прямой и инверсный СШП сигналы, где черные заполненные кружки соответствуют временным позициям импульсов прямого СШП сигнала, а пустые квадратики - временным позициям импульсов инверсного СШП сигнала. На фиг. 7б) представлены текущие временные позиции «сигнальных» временных окон как функции времени FO(t) и  для обнаружения в них импульсов соответственно прямого и инверсного информационных СШП сигналов на приемной стороне. Здесь моменты начала формирования этих текущих временных окон также задаются с помощью «разреженного» кода Неймана-Хоффмана: черные прямоугольники соответствуют текущим временным позициям «сигнальных» временных окон для обнаружения в них импульсов прямого СШП сигнала, а серые прямоугольники - текущим временным позициям «сигнальных» временных окон для обнаружения в них импульсов инверсного СШП сигнала.
Таким образом, различение информационных символов на приемной стороне соответствует совпадению временных позиций достаточного количества энергетических отсчетов, полученных оцифровкой обнаруженных и накопленных за время существования текущего «сигнального» временного окна импульсных энергий, с временными позициями соответствующих элементов копии «разреженного» кода Неймана-Хоффмана, хранящейся в регистре. Очевидно, что в радиоканале оба СШП сигнала - прямой и инверсный не могут присутствовать одновременно, поэтому в процессе обработки импульсов прямого СШП сигнала в ткущем «сигнальном» временном окне те его временные позиции, которые соответствуют временным позициям импульсов инверсного СШП сигнала используются в качестве временных позиций «шумовых» временных окон и наоборот, то есть в процессе обработки импульсов инверсного СШП сигнала в ткущем «сигнальном» временном окне те его временные позиции, которые соответствуют временным позициям импульсов прямого СШП сигнала используются в качестве временных позиций «шумовых» временных окон.
0
0
Далее, после обнаружения СШП синхросигнала, захвата состояния синхронизма и введения в ПУ 9.1 - 9.3 опорного энергетического порога П используется выбранный из стека k-й УФВО, который формирует текущее «сигнальное» (индекс sig) временное окно для приема и различения информационных СШП сигналов, моменты начала формирования которого определяются временными позициями «разреженного» кода Неймана-Хоффмана. Для поддержания состояния синхронизма используются два соседних УФВО, при этом в УФВО 1.k-1 формирует текущее «опережающее» (индекс adv) временное окно, а УФВО 1.k+1 формирует текущее «запаздывающее» (индекс ret) временное окно. Текущие временные окна этих УФВО смещены друг относительно друга на длительность временного окна 2τ, поэтому они одновременно образуют временной дискриминатор. На фиг. 8а) условно в виде прямоугольников темно-серого, черного и светло-серого цветов соответственно представлены текущие временные позиции этих временных окон в своих временных каналах для обработки импульсов прямого и инверсного СШП сигналов. На фиг. 8б) для большей ясности представлен укрупненный фрагмент, содержащий только три соответствующих временных окна для обработки прямого СШП сигнала.
k
k
0
Одновременно на второй вход УП 4 с (n+2)-го выхода БОУ 10 поступает команда, инициирующая в нем подключение третьего выхода, с которого на вход демультиплексора 6 будут поступать размещенные последовательно во времени отрезки длительностью 2 то либо смеси импульсов информационного СШП сигнала с канальным шумом, либо только канального шума, выделяемые в «опережающем», «сигнальном» и «запаздывающем» временных окнах, формируемых соответственно УФВО 1.k-1, УФВО 1.k и УФВО 1.k+1. Таким образом, в состоянии синхронизма с первого и второго выходов демультиплексора 6 на третьи входы УП 5.1 и 5.2 соответственно будут поступать только шумовые отрезки, которые с их выходов поступят на первые входы ИЭН 7.1 и 7.3 соответственно, в то время как с третьего выхода демультиплексора 6 на первый вход ИЭН 7.2 будут поступать отрезки, содержащие смесь импульсов информационного СШП сигнала и канального шума. Одновременно на третьи входы ИЭН 7.1, ИЭН 7.3 с (n+2)-го выхода БОУ 10 поступит команда, по которой в них начнется процесс накопления импульсных энергий, а на третьи входы ИЭН 7.1 - 7.3 с (n+1)-го выхода БС 3 начнут поступать тактирующие импульсы, задавая моменты начала и темп накопления. Накопленные на длительности временных окон импульсные энергии, полученные как на длительности текущих временных окон, соответствующих импульсам приходящего СШП сигнала, так и на длительности текущих временных окон, соответствующих его инверсии, с выходов ИЭН 7.1 - 7.3 поступают одновременно на первые входы ПУ 9.1 - 9.3 и на второй, третий и четвертый входы БОУ 10 соответственно. Результаты, поступившие на второй, третий и четвертый входы БОУ 10, а также надпороговые импульсные энергии (ΔE=E-П с соответствующими нижними индексами: adv, sig или ret), поступившие с выходов ПУ 9.1 - 9.3 на седьмой, шестой и пятый входы БОУ 10 соответственно, оцифровываются, превращаясь в энергетические отсчеты. На основе первых вычисляются текущие значения импульсного энергетического отношения сигнал/шум для импульсов прямого СШП сигнала
или для импульсов инверсного СШП сигнала
Здесь в пренебрежении взаимной энергией импульса СШП сигнала и канального шума  - соответственно энергии смеси прямого и инверсного СШП сигналов с канальным шумом. Таким образом, при обработке прямого СШП сигнала в отсутствии инверсного СШП сигнала во временных окнах, соответствующих временным позициям импульсов инверсного СШП сигнала будет накапливаться только энергия канального шума. Это относится и к случаю обработки инверсного СШП сигнала.
д,i
Далее осуществляется усреднение по количеству обнаруженных импульсных энергий текущего импульсного энергетического отношения сигнал/шум (2) или (3), то есть получение величин  с использованием которых оценивается значение текущего динамического энергетического порога П, который поступит на вторые входы ПУ 9.1 9.3 перед обработкой следующего СШП сигнала. Здесь i - номер текущего СШП сигнала.
i
Одновременно оценивается количество вторых (характеризующих надпороговые импульсные энергии) полученных отсчетов прямого  или инверсного  информационных СШП сигналов с соответствующими индексами, фиксируются их временные позиции. Если количество оцифрованных энергетических отсчетов, полученных обработкой на длительности текущего «сигнального» временного окна превышает заданный цифровой порог, то далее на основе этих отсчетов, а также аналогичных отсчетов с их временными позициями, но полученных обработкой либо на длительности текущего «опережающего» временного окна, либо на длительности текущего «запаздывающего» временного окна, в соответствии с заданным алгоритмом осуществляется оценка текущего временного смещения «сигнального» временного окна δt, являющаяся причиной снижения импульсной энергии, накапливаемой на длительности текущего «сигнального» временного окна. Далее это временное смещение перед обработкой следующего СШП сигнала поступает на третьи входы УФВО 1.k-1, УФВО 1.k и УФВО 1.k+1 и ИЭН 7.1 - 7.3, корректируя моменты начала формирования текущих временных окон и моменты начала накопления импульсных энергий таким образом, что импульсные энергии, накапливаемые на длительности текущего «сигнального» временного окна оптимизируются, а импульсные энергии, накапливаемые на длительности «опережающего» и «запаздывающего» временных окон минимизируются. В обозначениях соответствующих величин будет присутствовать верхний индекс: min или opt.
0
Если же упомянутый выше цифровой порог не будет превышен суммой оцифрованных энергетических отсчетов, полученных обработкой на длительности текущего «сигнального» временного окна, то текущий СШП сигнал будет пропущен. На фиг. 9 - фиг. 14 представлены результаты имитационно-математического моделирования процесса функционирования предлагаемого устройства. Так на фиг. 9а) и фиг. 9в) в качестве иллюстрации представлены величины энергетических отсчетов, накапливаемых импульсных энергий смеси прямого (фиг. 9а) и инверсного (фиг. 9в) СШП сигналов с канальными шумами на своих временных позициях. Там же приведен опорный энергетический порог П, который изображен жирной горизонтальной пунктирной линией темно-серого цвета. Черными заполненными кружками обозначены энергетические отсчеты, накапливаемые в текущем «сигнальном» временном окне, черными пустыми квадратиками - энергетические отсчеты, накапливаемые в текущем «опережающем» временном окне, черными заполненными квадратиками - энергетические отсчеты, накапливаемые в текущем «запаздывающем» временном окне. На фиг. 9б) и фиг. 9г) представлены надпороговые части этих энергетических отсчетов. Здесь же темно-серыми заполненными ромбиками представлены временные позиции хранящихся для сравнения копий элементов «разреженного» кода Неймана-Хоффмана. Изображение, приведенное на фиг. 10, служит пояснением к фиг. 9, так как иллюстрирует укрупненный масштаб ситуации до накопления текущей энергии (кривые темно-серого цвета) прямого (фиг. 10а) и инверсного (фиг. 10б) СШП сигналов в текущем «сигнальном» временном окне (прямоугольники черного цвета). Из анализа фиг. 10 следует, что все текущие временные окна начинают запаздывать относительно момента вхождения в синхронизм, поэтому текущая энергия смеси импульсов СШП сигналов с канальными шумами начинает перераспределяться между текущим «опережающим» (прямоугольники темно-серого цвета) и текущим «сигнальным» временными окнами. Именно по этой причине на фиг. 9б) и фиг. 9г) величина энергетических отсчетов, характеризующих надпороговые части накопленных в текущем «опережающем» временном окне импульсных энергий, так велика, а разброс величин энергетических отсчетов, характеризующих надпороговые части накопленных в текущем «сигнальном» временном окне импульсных энергий, так значителен.
На фиг. 11 в качестве подтверждения итогов анализа фиг. 9 и фиг. 10 представлена динамика накопления количества оцифрованных отсчетов. При этом на фиг. 11б) черными и серыми прямоугольниками условно представлены временные позиции текущего «сигнального» временного окна для обработки прямого (черный цвет) и инверсного (темно-серый цвет) СШП сигналов. Здесь  Анализ фиг. 11а) и 11б) показывает, что внешне цифровая форма оценки максимума автокорреляционной функции (полной суммы оцифрованных отсчетов) как бы малочувствительна к смещению временных окон, так как изображенное на фиг. 11а) неотличимо от изображенного на фиг. 11б). Однако, эти изображения нельзя рассматривать отдельно от фиг. 9б) и фиг. 9г), так как единичные отсчеты, динамически накапливаемые и представленные на фиг. 11а) характеризуются гораздо меньшей физической энергетикой, чем аналогичные отсчеты, представленные на фиг. 11б). Это означает, что реальная вероятность правильного обнаружения СШП сигналов, импульсы которых обрабатываются на длительности текущего «сигнального» временного окна гораздо выше такой же, но условной (иллюстративной) вероятности, если бы накопление оцифрованных отсчетов осуществлялось на длительности текущего «опережающего» временного окна.
д,i
i
Иллюстративный материал, представленный на фиг. 12 - фиг. 14, характеризует те же особенности обработки СШП сигналов на приемной стороне, что и на фиг. 9 - фиг. 11, но в случае использования текущего значения динамического энергетического порога П и текущей оценки временного смещения δt. При этом для иллюстраций, представленных на фиг. 12 - фиг. 14, , . Анализ изображенного на фиг. 12 - фиг. 14 и сравнение его с представленным на фиг. 9 - фиг. 11 показывает, что использование текущей оценки временного смещения по назначению устанавливает с большой точностью импульсы прямого и инверсного СШП сигналов по центру текущего «сигнального» временного окна, а введение текущего динамического энергетического порога (показан на фиг. 12а) и фиг. 12в) черной жирной штриховой горизонтальной линией) учитывает возросшую энергетику отсчетов, характеризующих накопление импульсной энергии на длительности текущего «сигнального» временного окна, что влечет за собой следующее:
- увеличение накапливаемой на длительности текущего «сигнального» временного окна импульсной энергии до максимальных значений;
- уменьшение разброса величин энергетических отсчетов, характеризующих надпороговые части накопленных на длительности текущего «сигнального» временного окна импульсных энергий, до минимальных значений;
- обнуление возможных остаточных шумовых энергетических отсчетов в текущих «опережающем» и «запаздывающем» временных окнах.
Из представленного выше материала следует, что предлагаемое устройство обеспечит заявленные качества.
Реализация заявленного устройства не должна вызывать затруднений, так как функциональные узлы, входящие в блоки устройства, кроме мультиплексора М 2, демультиплексора ДМ 6, управляемых переключателей УП 4, УП 5.1, 5.2 известны из [2-5]. Варианты исполнения мультиплексоров и демультиплексоров приведены, например, в [6], а варианты реализации блоков переключения с управлением предложены, в частности, в [7, 8].
Источники информации
1. Патент 157935 (РФ). Приемопередающий модуль для обмена данными с помощью сверхширокополосных сигналов. МПК Н04В 1/38, H04L 9/00 / Зайцев А.В., Митрофанов Д.Г., Тимофеев И.А., Красавцев 0.0., Кичулкин Д.А., Терещенко А.А., Азаров B.C., Черников А.К., Чижов А.А. Заявка №2014147229/08 от 24.11.2014. Опубл. 20.12.2015 г.
2. Патент 2315424 (РФ). Система связи с высокой скоростью передачи информации сверхширокополосными сигналами. МПК Н04В 1/69, H04L 5/26. Бондаренко В.В., Кыштымов Г.А., Бондаренко В.В., Кыштымов С.Г. Заявка №2006119887/09 от 06.06.2006. Опубл. 20.01.2008 г.
3. Патент 2354048 (РФ). Способ и система связи с быстрым вхождением в синхронизм сверхширокополосными сигналами. МПК Н04В 7/00 / Кыштымов Г.А., Бондаренко В.В., Кыштымов С.Г. Заявка. №2007144256/09 от 28.11.2007. Опубл. 27.04.2009 г.
4. Патент 2441320 (РФ). Система связи сверхширокополосными сигналами с повышенной точностью и стабильностью синхронизации. МПК Н04В 7/00 / Кыштымов Г.А., Усачёв И.П., Кыштымов С.Г., Стецура Е.И. Заявка №2010119288/08 от 13.05.2010. Опубл. 27.01.2012 г.
5. Корниенко А.В. Алгоритмы синтеза и обработки короткоимпульсных сверхширокополосных сигналов в радиосистемах передачи информации с учетом мешающих факторов. / Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Рязань. - 2008. - С. 17.
6. Гольденберг, Л.М. Импульсные устройства / Л.М. Гольденберг. - М.: Радио и связь, 1981. - 224 с.
7. Горшков, Б.И. Радиоэлектронные устройства / В.И. Горшков. - М.: Радио и связь, 1984. - 400 с.
8. Пухальский, Г.И. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах. Справочник. / Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. - М.: Радио и связь, 1990. - 304 с.