УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ НЕКОГЕРЕНТНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ КВАЗИРАДИОСИГНАЛОВ ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФОРМЫ
APPARATUS FOR DETECTING 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 обнаружения последовательности сверхширокополосных сигналов (СШП) с неизвестными амплитудой, начальной фазой и длительностью 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 и анализа сигналов. Большое число практических задач требует обнаружения последовательности импульсов на фоне случайных искажений. Например, в задаче радиоразведки необходимо использовать оптимальные алгоритмы обнаружения сигналов в предположении полной априорной неопределенности.
Среди множества СШП сигналов выделяют отдельный класс - СШП квазирадиосигналы (КРС), структура которых подобна узкополосным радиосигналам, но условие относительной узкополосности для них не выполняется. 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). Предлагаемый обнаружитель работает со 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 амплитуды, начальную фазу, частоту и форму огибающей. 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 обнаружения 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 обнаруживать сигналы с априори неизвестными параметрами.
В настоящее время подробно изучены алгоритмы обнаружения последовательности узкополосных радиоимпульсов с неизвестными амплитудами и начальными фазами [1]. Однако известные методы обнаружения радиосигналов, основанные на свойствах их узкополосности, не могут быть применены к сверхширокополосным сигналам.
В работах [2-3] исследованы алгоритмы обнаружения последовательности СШП импульсов. Синтезированные алгоритмы не могут быть применены к СШП КРС, поскольку в них не учитывается наличие несущей в сигнале, что существенно упрощает его структуру.
Известно устройство обнаружения одиночного СШП КРС [4], теоретически способное к обнаружению последовательности СШП КРС, однако количество таких устройств должно быть равно количеству импульсов в последовательности, а выходы всех этих обнаружителей должны быть заведены на общее решающее устройство. Использование большого числа параллельно подключенных обнаружителей одиночного СШП КРС является технически и экономически нецелесообразным.
Наиболее близким по совокупности признаков является обнаружитель когерентной последовательности СШП КРС [5], включающий линию задержки с N выходами, генератор модулирующей функции, генератор гармонического сигнала (sin), шесть умножителей, аттенюатор, два усилителя, шесть квадраторов, семь сумматоров, четыре инвертора, делитель, два удвоителя частоты, пиковый детектор, решающее устройство, осуществляющее сравнение выходного сигнала пикового детектора с порогом и выносящее решение о наличии или отсутствии сигнала в наблюдаемом случайном сигнале, а также N устройств А, каждое из которых содержит два интегратора, работающие на интервале длительности сигнала, фазовращатель (изменяет начальную фазу гармонического сигнала на π/2), четыре умножителя, один усилитель и один аттенюатор (прототип). Недостатком известного устройства является возможность обнаружения только когерентной последовательности СШП КРС, т.е. значения всех параметров каждого из импульсов постоянны и не меняются от импульса к импульсу.
Для решения задачи обнаружения некогерентной последовательности СШП КРС в настоящее время нужно использовать N обнаружителей одиночного СШП КРС, выходы которых должны быть заведены на общее решающее устройство, а обнаружитель когерентной последовательности СШП КРС неприменим.
Задача, на решение которой направлено данное изобретение, заключается в обеспечении обнаружения некогерентной последовательности сверхширокополосных квазирадиосигналов при априори неизвестных амплитуде, начальной фазе и длительности 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 обнаружитель некогерентной последовательности СШП КРС при априори неизвестных параметрах сигнала может быть использован в интересах задач радиоразведки.
Технический результат достигается тем, что устройство обнаружения некогерентной последовательности сверхширокополосных квазирадиосигналов произвольной формы содержит на входе линию задержки с N-выходами, каждый из которых поступает на вход устройства А, содержащее последовательно соединенные первый умножитель, первый аттенюатор и первый усилитель, при этом один вход первого умножителя является входом устройства А, 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, первый интегратор и первый квадратор, канал обработки синфазной составляющей принимаемого сигнала содержит последовательно соединенные третий умножитель, второй интегратор и второй квадратор, причем второй вход второго умножителя соединен с генератором гармонического сигнала непосредственно, а второй вход третьего умножителя - через фазовращатель, первый вход пятого умножителя соединен с выходом первого интегратора, второй вход пятого умножителя соединен с выходом второго интегратора, вход первого блока удвоения частоты подключен к выходу генератора гармонического сигнала, выход первого блока удвоения частоты соединен с одним входом девятого умножителя, другой вход которого подключен к выходу второго аттенюатора, выход девятого умножителя через четвертый интегратор подключен через последовательно соединенные третий усилитель, первый инвертор и шестой усилитель ко второму входу седьмого умножителя, а через последовательно соединенные четвертый квадратор и третий инвертор
- к первому входу седьмого сумматора, второй вход которого через пятый квадратор подключен через последовательно соединенные третий интегратор и четвертый усилитель, выход седьмого сумматора соединен со входом второго усилителя, а третий вход седьмого сумматора через последовательно соединенные пятый интегратор, пятый усилитель, второй инвертор, шестой квадратор и четвертый инвертор связан с выходом десятого умножителя, один вход которого соединен с выходом второго аттенюатора, а второй вход
- с выходом второго блока удвоения частоты, вход которого подключен к выходу фазовращателя, при этом выход пятого усилителя соединен с первым входом пятого сумматора, выход четвертого усилителя соединен со вторым входом пятого сумматора, выход которого соединен со вторым входом шестого умножителя, выход которого соединен с первым входом четвертого сумматора, выход четвертого усилителя также соединен с первым входом шестого сумматора, выход второго инвертора соединен со вторым входом шестого сумматора, выход которого соединен с первым входом восьмого умножителя, второй вход которого соединен с выходом второго квадратора, а выход - с вторым входом четвертого сумматора, второй выход генератора модулирующего сигнала соединен с входом третьего квадратора канала обработки модулирующего сигнала, который содержит последовательно соединенные второй аттенюатор, третий интегратор и четвертый усилитель, а также последовательно соединенные второй усилитель и делитель, выход которого подключен к одному входу четвертого умножителя, второй вход которого соединен с выходом четвертого сумматора, а выход четвертого умножителя подключен к последовательно соединенным пиковому детектору и решающему устройству, выход которого является выходом устройства, согласно изобретению, устройство дополнительно содержит второй сумматор, N-1 первых и вторых квадраторов, N-1 генераторов гармонического сигнала и генераторов модулирующей функции, которые перенесены внутрь устройства А, при этом входом первого квадратора являлся сигнал с выхода первого сумматора, а выходом - сигнал на вход шестого умножителя, а выходом первого квадратора стал сигнал с выхода первого интегратора, а выходом - сигнал на один из N-входов первого сумматора, входом второго квадратора являлся сигнал с выхода третьего сумматора, а выходом - сигнал на вход восьмого умножителя, а выходом второго квадратора стал сигнал с выхода второго интегратора, а выходом -сигнал на один из N-входов третьего сумматора, выход пятого умножителя соединен с одним из N-входов второго сумматора, выход которого подключен к первому входу седьмого умножителя, выход которого соединен с третьим входом четвертого сумматора, при этом выходы с пятого умножителя, первого и второго квадраторов являются выходами каждого из N устройств А, которые подключаются к одному из N-входов первого, второго и третьего сумматоров.
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 - пятый умножитель;
13 - первый квадратор;
14 - второй квадратор;
15 - первый сумматор;
16 - второй сумматор;
17 - третий сумматор;
18 - шестой умножитель;
19 - седьмой умножитель;
20 - восьмой умножитель;
21 - четвертый сумматор;
22 - третий квадратор;
23 - второй аттенюатор;
24 - первый блок удвоения частоты;
25 - второй блок удвоения частоты;
26 - девятый умножитель;
27 - десятый умножитель;
28 - четвертый интегратор;
29 - третий интегратор;
30 - пятый интегратор;
31 - третий усилитель;
32 - четвертый усилитель;
33 - пятый усилитель;
34 - первый инвертор;
35 - шестой усилитель;
36 - пятый сумматор;
37 - шестой сумматор;
38 - второй инвертор;
39 - четвертый квадратор;
40 - пятый квадратор;
41- шестой квадратор;
42 - третий инвертор;
43 - четвертый инвертор;
44 - седьмой сумматор;
45 - второй усилитель;
46 - делитель;
47 - четвертый умножитель;
48 - пиковый детектор;
49 - решающее устройство.
Работает устройство следующим образом.
0
0
0
0
0
0
0
a
a
Приемник, в состав которого входит обнаружитель, осуществляет сканирование и анализ радиоэфира. В момент времени t=0 на вход обнаружителя поступает случайный сигнал ξ(t)=γs(t,,ϕ)+n(t), представляющий собой либо аддитивную смесь полезного сигнала s(t,,ϕ) и гауссовского белого шума n(t), если γ=1, либо только гауссовский белый шум n(t), если γ=0. Считаем, что сканирование радиоэфира продолжается до момента времени t=Т, которое выбирается исходя из требуемой эффективности обнаружения, характеризующейся значениями вероятностей ошибки первого (ложная тревога) и второго (пропуск сигнала) рода, т.е. время работы обнаружителя t∈[0,N].
Задача обнаружителя - регистрация появления в эфире полезного сигнала - пачки (последовательности) сверхширокополосных квазирадиосигналов произвольной формы, математическая запись которого имеет вид
0
где N - количество импульсов в последовательности, T - период повторения,  Каждый импульс последовательности представляет собой СШП КРС, определяемый выражением
a
f
k
k
k
Здесь , ϕ, (t) - амплитуда, начальная фаза, частота и модулирующая функция, описывающая форму k-го импульса последовательности соответственно, а τ - длительность, одинаковая для всех импульсов.
f
f
k
k
k
0
k
0
0
k
k
2
2
Генератор 3 обнаружителя формирует модулирующие сигналы (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 T и задерживается. Каждый из N-выходов линии задержки 1 поступает на вход устройства А, содержащее в себе блоки 2-14. Таким образом обнаружитель некогерентной последовательности СШП КРС является многоканальным устройством содержащим линию задержки 1, N устройств А, а также блоки 15-49. Сигнал с каждого из -выходов линии задержки 1 поступает на вход устройства А и в первом умножителе 2 обнаружителя 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 (t) для повышения эффективности обнаружения 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 выходе первого интегратора 10 и второго интегратора 11 возводятся в квадрат в первом квадраторе 13 и втором квадраторе 14 соответственно, а в пятом 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 сумматор 16, на выходе которого формируется произведение случайных величин , с блоков 13 - поступают на сумматор 15, на выходе которого формируется случайная величина , с блоков 14 - поступают на сумматор 17, на выходе которого формируется случайная величина . 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
с1
f
Формирование сигналов X и Y заключается в умножении принимаемого сигнала на произведение модулирующей функции и гармонической несущей с последующим интегрированием, что соответствует переносу сигнала на нулевую частоту. В случае узкополосного сигнала этого достаточно для обнаружения, 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 обнаружения 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 (t) с выхода генератора 3 проходит через третий квадратор 22, ослабляется во втором аттенюаторе 23 в N раз, и подается на вход третьего интегратора 29 непосредственно, на вход четвертого интегратора 28 - через девятый умножитель 26, где перемножается с гармоническим сигналом удвоенной частоты с выхода первого блока 24 удвоения частоты, а на вход пятого интегратора 30 - через десятый умножитель 27, где перемножается с гармоническим сигналом удвоенной частоты с выхода второго блока 25 удвоения частоты. На выходе четвертого интегратора 28 получаем нормированную квадратурную составляющую модулирующего одиночного сигнала на удвоенной частоте P, на выходе третьего интегратора 29 - нормированную (синфазную) составляющую модулирующего одиночного сигнала на нулевой частоте Q, а на выходе пятого интегратора 30 - нормированную синфазную составляющую модулирующего одиночного сигнала на удвоенной частоте Р. 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 22-47 можно не повторять в каждом из N-каналов, а, как показано в работе [5], умножить сформированные величины Q, Р и P на N:
s1
1
с1
s
с
с
с
c
c
s
тогда с выхода четвертого интегратора 28 сигнал P поступает на третий усилитель в N раз 31, с выхода третьего интегратора 29 сигнал Q поступает на четвертый усилитель в N раз 32, с выхода пятого интегратора 30 сигнал Р поступает на пятый усилитель в N раз 33. С выхода третьего усилителя 31 сигнал P через первый инвертор 34 и шестой усилитель 35 поступает на один вход седьмого умножителя 19, на другой вход которого приходит сигнал с выхода второго сумматора 16. С выхода четвертого усилителя 32 сигнал Q поступает на первые входы пятого и шестого сумматоров 36 и 37 соответственно. На второй вход пятого сумматора 36 сигнал Р поступает непосредственно с выхода пятого усилителя 33, а на второй вход шестого сумматора 37 сигнал Р поступает инвертированным с выхода второго инвертора 38. Таким образом, на выходе пятого сумматора 36 и шестого сумматора 37 получаем комбинации сигналов Q и Р (Q+P и Q-Pсоответственно). Сигнал с выхода пятого сумматора 36 поступает на один вход шестого умножителя 18, другой вход которого соединен с выходом первого сумматора 15, а сигнал с выхода шестого сумматора 37 поступает на первый вход восьмого умножителя 20, второй вход которого соединен с выходом третьего сумматора 17. Кроме того, сигнал P с выхода четвертого интегратора 28 через четвертый квадратор 39 и третий инвертор 42 поступает на один вход седьмого сумматора 44, на другой вход которого через пятый квадратор 40 с выхода третьего интегратора 29 поступает сигнал Q, а третий вход седьмого сумматора 44 через четвертый инвертор 43, шестой квадратор 41 и второй инвертор 38 связан с выходом пятого интегратора 30. С выхода седьмого сумматора 44 сигнал через второй усилитель 45 и делитель 46 поступает на один вход четвертого умножителя 47, на второй вход которого приходит сигнал с выхода четвертого сумматора 21, один вход которого соединен с выходом шестого умножителя 18, который является выходом канала обработки квадратурной составляющей принимаемого сигнала, второй вход соединен с выходом восьмого умножителя 20, который является выходом канала обработки синфазной составляющей принимаемого сигнала, а третий вход - с выходом седьмого умножителя 19. С выхода четвертого умножителя 47 сигнал поступает в пиковый детектор 48, который определяет максимальное значение входного сигнала и формирует соответствующий этому значению выходной сигнал.
С выхода пикового детектора 48 сигнал поступает в решающее устройство 49, в котором на основе сравнения максимального значения сигнала на выходе четвертого умножителя 47 (значения сигнала на выходе пикового детектора 48) с величиной, априори выбранного порога h, выносится решение о наличии или отсутствии в эфире полезного сигнала.
Величина порога h выбирается на основе критерия оптимальности, например, критерия Неймана-Пирсона, согласно которому величина порога h рассчитывается исходя из заданного значения вероятности ошибки первого рода.
Если сигнал с выхода пикового детектора 48 превышает выбранный порог h, то принимается решение о наличии некогерентной последовательности СШП КРС в принимаемом сигнале.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает обнаружение некогерентной последовательности СШП КРС при априори неизвестных амплитуде, начальной фазе и длительности сигнала.
Список использованных источников
1. Хелстром К. Статистическая теория обнаружения сигналов. М.: Издательство иностранной литературы, 1963. - 432 с.
2. Трифонов А.П. Сверхширокополосное обнаружение цели при зондировании разрывными импульсами / Трифонов А.П., Беспалова М.Б. // Известия вузов. Радиоэлектроника, 2003, Т. 46, №5. - С. 3-10.
3. Трифонов П.А. Обнаружение последовательности сверхширокополосных сигналов с неизвестным временем прихода при наличии узкополосных помех // Физика волновых процессов и радиотехнические системы, 2007, Т. 10, №1. - С. 27-32.
4. Патент на полезную модель №199228. Устройство обнаружения одиночного сверхширокополосного квазирадиосигнала произвольной формы. Верещагин В.Н., Корчагин Ю.Э., Титов К.Д. 24.12.2019 г.
5. Корчагин Ю.Э., Титов К.Д. Обнаружение когерентной последовательности сверхширокополосных квазирадиосигналов произвольной формы // Радиотехника, 2019, №3. - С. 26-32.