УСТРОЙСТВО ДЛЯ РАСПОЗНАВАНИЯ ЧМ СИГНАЛОВ
DEVICE FOR IDENTIFYING FM SIGNALS

Предлагаемое устройство для распознавания вида частотной модуляций (ЧМ) сигналов относится к приемникам импульсной информации и предназначено для использования в станциях радиотехнической разведки (РТР) и пассивных системах целеуказания (ПСЦУ).
Известное устройство по авт. свид. №1841012 (заявка №3062966/09 от 04.04.1983 г.) для различения вида внутриимпульсной модуляции ЧМ сигналов использует различия во временных интервалах между импульсами нуль-переходов сигнала биений по выходу автокоррелятора. При этом, используя алгоритм равенства временных интервалов между импульсами нуль-переходов сигнала биений, удается уверенно различать линейно-частотно-модулированные (ЛЧМ) сигналы и сигналы с ЧМ по пилообразному закону (сигнала типа ЛЧМ-пила).
Современные и проектируемые РЛС вероятного противника располагают набором типов зондирующих сигналов, среди которых находят практическое применение сигналы с параболической (квадратичной) ЧМ (КЧМ сигналы). Автокорреляционная функция КЧМ сигналов имеет низкий уровень боковых лепестков и форму тела неопределенности, приближающуюся к кнопочной (идеальной), что позволяет с высокой разрешающей способностью производить совместное измерение дальности и скорости.
Реализация фильтров сжатия и формирование КЧМ сигналов основана на технологии устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Фильтры на ПАВ являются относительно дешевыми и имеют высокую надежность. Кроме того, при формировании КЧМ сигнала используют цифровые методы (аппроксимация КЧМ сигнала многофазным кодом Фрэнка) с последующей весовой обработкой с помощью линий задержки с отводами.
При обработке КЧМ сигнала известным различителем последний не формирует признак приема ЧМ сигнала, так как временные интервалы между импульсами нуль-переходов сигнала биений на выходе автокоррелятора при воздействии на его вход КЧМ сигнала будут не одинаковыми (до середины импульса будут возрастать, а затем вновь уменьшаться).
Известно, что одной из основных задач, стоящих перед РТР, является опознавание образа радиоэлектронных средств (РЭС) вероятного противника и определение их тактико-технических данных, которые производятся, на основании обнаруженных радиоизлучений и осуществляются на основании сравнения измеренных в процессе РТР параметров с априори известными параметрами сигналов РЭС вероятного противника. Одним из множества независимых параметров, однозначно определяющих образы конкретных РЭС вероятного противника, является вид внутриимпульсной модуляции сигнала, поэтому ошибки в ее определении являются существенным недостатком известного различителя.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанного выше недостатка известного устройства в части распознавания частотно-модулированного сигнала с параболическим законом внутриимпульсной модуляции.
Известное устройство (фиг. 2, авт. свид. №1841012) содержит последовательно соединенные автокоррелятор (2), первый пороговый элемент (4), ключ (8), преобразователь интервал-код (12), первый регистр (14), блок деления (17) второй пороговый элемент (18), второй регистр (22), первый элемент И (24), а также последовательно соединенные детектор огибающей (3), компаратор (5) и первый одновибратор (9), причем выход компаратора (5) соединен с управляющим входом ключа (8), выход которого соединен с управляющими входами первого (14) и второго (22) регистров и блока деления (17), а выход преобразователя интервал-код (12) соединен со вторым входом блока деления (17). Выход ключа (8) соединен также со входом триггера (1), первый выход которого через последовательно соединенные второй одновибратор (6), второй элемент И (10), третий одновибратор (11) и элемент ИЛИ (13) соединен с обнуляющими входами преобразователя интервал-код (12), первого (14) и второго (22) регистров. Второй выход триггера соединен через дифференцирующий элемент (7) со вторым входом второго элемента И (10). Выход третьего одновибратора (11) соединен также через последовательно соединенные первый счетчик импульсов (15), третий пороговый элемент (19), третий элемент И (23) и элемент НЕ (25) с первым входом четвертого элемента И (26). Выход первого элемента И (24) соединен со вторым входом четвертого элемента И (26) и через последовательно соединенные второй счетчик импульсов (16) и четвертый пороговый элемент (20) подключен также ко второму входу третьего элемента И (23). Выход первого одновибратора (9) соединен с третьим входом четвертого элемента И (26) и через четвертый одновибратор (21) со вторым входом элемента ИЛИ (13) и обнуляющими входами первого (15) и второго (16) счетчиков импульсов. При этом соединенные между собой входы автокоррелятора (2) и детектора сгибающей (3) являются входом устройства распознавания. Выходы третьего (23) и четвертого (26) элементов И являются выходами сигналов распознавания пилообразного ЧМ сигнала и, соответственно, сигнала распознавания ЛЧМ сигнала устройства распознавания.
Отметим, что название элементов схемы и их нумерация соответствует фиг. 2 авт. свид. №1841012 (заявка №3062966 от 04.04.1983 г.) и формуле изобретения.
Как было указано выше, недостатком известного устройства является низкое качество решения задачи опознавания РЭС вероятного противника по виду внутриимпульсной модуляции сигналов при использовании опознаваемым РЭС КЧМ сигналов.
Целью настоящего изобретения является повышение эффективности устройства для распознавания вида ЧМ сигналов, выраженной в распознавании КЧМ сигналов.
Это позволит повысить вероятность опознавания типа РЛС вероятного противника и его носителя при решении задач РТР и ПСЦУ.
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее последовательно соединенные автокоррелятор, первый пороговый элемент, ключ, преобразователь интервал-код, первый регистр, блок деления, второй пороговый элемент, второй регистр, первый элемент И, а также последовательно соединенные детектор огибающей, компаратор и первый одновибратор, причем выход компаратора соединен с управляющим входом ключа, выход которого соединен с управляющими входами первого и второго регистров и блока деления, а выход преобразователя интервал-код соединен со вторым входом блока деления; выход ключа соединен также со входом триггера, первый выход которого через последовательно соединенные второй одновибратор, второй элемент И, третий одновибратор и элемент ИЛИ соединен с обнуляющими входами преобразователя интервал-код, первого и второго регистров; второй выход триггера соединен через дифференцирующий элемент со вторым входам второго элемента И; выход третьего одновибратора соединен также через последовательно соединенные первый счетчик импульсов, третий пороговый элемент, третий элемент И и элемент НЕ с первым входом четвертого элемента И; выход первого элемента И соединен со вторым входом четвертого элемента И и через последовательно соединенные второй счетчик импульсов и четвертый пороговый элемент подключен также ко второму входу третьего элемента И; выход первого одновибратора соединен с третьим, входом четвертого элемента И и через четвертый одновибратор со вторым входом элемента ИЛИ и обнуляющими входами первого и второго счетчиков импульсов; при этом соединенные между собой входы автокоррелятора и детектора огибающей являются входом устройства распознавания, выходы третьего и четвертого элементов И являются выходами сигнала распознавания пилообразного ЧМ-сигнала и, соответственно, ЛЧМ сигнала устройства распознавания, введены последовательно соединенные линия задержки, пятый элемент И, третий счетчик импульсов, пятый пороговый элемент, шестой элемент И, четвертый счетчик импульсов шестой пороговый элемент и седьмой элемент И, а также введены второй элемент НЕ, седьмой и восьмой пороговые элементы, восьмой элемент И и соединенные последовательно девятый пороговый элемент, девятый элемент И, второй триггер, пятый счетчик импульсов, десятый пороговый элемент и десятый элемент И, выход которого соединен со вторыми входами седьмого и восьмого элементов И, причем второй вход второго триггера соединен с выходом шестого элемента И, второй вход шестого элемента И соединен с выходом седьмого порогового элемента, а второй вход девятого элемента И соединен с первым входом шестого элемента И и через второй элемент НЕ со вторым входом пятого элемента И, реверсивный вход четвертого счетчика импульсов подключен к выходу девятого элемента И, первый вход восьмого элемента И соединен с выходом восьмого порогового элемента, вход которого соединен с выходом четвертого счетчика импульсов, причем выходы седьмого и восьмого элементов И являются информативными выходами признаков приема устройством сигналов с симметричной и несимметричной, соответственно, параболической частотной модуляцией, вход линии задержки соединен с сигнальным входом преобразователя интервал-код, и с третьими входами шестого и девятого элементов И, входы седьмого и девятого пороговых элементов соединены вместе и подключены к выходу блока деления, второй вход десятого элемента И подключен к выходу первого одновибратора, третий вход десятого элемента И подключен к выходу первого элемента НЕ, а обнуляющие входы третьего, четвертого и пятого счетчиков импульсов соединены вместе и подключены к выходу четвертого одновибратора.
Таким образом, введение в устройство новых элементов и связей позволило получить новый эффект - распознавание внутриимпульсной модуляции КЧМ сигналов. Новые элементы (линия задержки, шесть элементов И, элемент НЕ, три счетчика импульсов, шесть пороговых элементов, триггер) и связи реализуют алгоритм различения КЧМ сигналов.
Авторам не известны технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками предложенного технического решения.
На фиг. 1 изображена блок-схема предлагаемого устройства.
Устройство содержит триггер (1), автокоррелятор (2), детектор огибающей (3), одновибратор (4), дифференцирующую цепь (5), пороговый элемент (6), компаратор (7), элемент И (8), ключ (9), одновибратор (10), линию задержки (11), элемент НЕ (12), одновибратор (13), преобразователь интервал-код (14), элемент ИЛИ (15), элемент И (16), регистр (17), счетчики импульсов (18, 19, 20), блок деления (21), пороговые элементы (22, 23, 24, 25, 26, 27), регистр (28), одновибратор (29), элементы И (30, 31, 32, 33), триггер (34), счетчики импульсов (35, 36) пороговые элементы (37, 38, 39), элемент НЕ (40), элементы И (41, 42, 43, 44).
Входы автокоррелятора 2 и детектора огибающей 3 соединены вместе и являются входом устройства распознавания. Выход автокоррелятора 2 через последовательно включенный пороговый элемент 6, ключ 9, преобразователь интервал-код 14, регистр 17, блок деления 21, пороговый элемент 25, регистр 28 и элемент И 33 соединен с элементом И 41, выход которого "Вых. 2" является информативным выходом устройства признака приема ЛЧМ сигнала. Выход ключа 9 соединен также с управляющими входами регистров 17, 28, блока деления 21 и со входом триггера 1 выход которого через одновибратор 4, элемент И 8, одновибратор 13, счетчик импульсов 19, пороговый элемент 23, элемент И 32 и элемент НЕ 40 подключен ко второму входу элемента И 41. Выход элемента И 32 "Вых. 1" является информативным выходом устройства признака приема сигнала типа ЛЧМ-пила. Второй выход триггера 1 через, дифференцирующую цепь 5 подключен ко второму входу элемента И 8. Выход одновибратора 13 через элемент ИЛИ 15 подключен также к обнуляющим входам преобразователя интервал-код 14 и регистров 17, 28. Выход элемента И 33 через счетчик импульсов 20 и пороговый элемент 24 исключен ко второму входу элемента И 32.
Выход ключа 9 через линию задержки 11, элемент И 16, счетчик импульсов 18, пороговый элемент 22, элемент И 31, счетчик импульсов 36 и пороговый элемент 38 подключен ко входу элемента И 43, выход которого "Вых. 3" является информативный выходом устройства признака приема КЧМ сигнала с симметричной частотной параболической модуляцией. Выход блока деления 21 подключен ко входам пороговых элементов 26, 27. Выход порогового элемента 26 через последовательно соединенные элемент И 30, триггер 34, счетчик импульсов 35, пороговый элемент 37 и элемент И 42 подключен ко вторым входам элемента И 43 и элемента И 44, выход которого "Вых. 4" является информативным выходом устройства признака приема КЧМ сигнала с несимметричной частотной параболической модуляцией.
Выход порогового элемента 27 подключен ко второму входу элемента И 31, первый вход которого соединен также со вторым входом элемента И 30 и через элемент НЕ 12 подключен ко второму входу элемента И 16.
Вход линии задержки 11 соединен с третьими входами элементов И 30, 31. Выход элемента И 31 подключен также ко второму входу триггера 34, а выход элемента И 30 подключен также к реверсивному входу счетчика импульсов 36, выход которого через пороговый элемент 39 соединен со вторым входом элемента И 44. Выход детектора огибающей 3 через компаратор 7 подключен к управляющему входу ключа 9 и входу одновибратора 10, выход которого соединен с третьим входом элемента И 41, вторым входом элемента И 42 и через одновибратор 29 покдлючен ко второму входу элемента ИЛИ 15 и к обнуляющим входам счетчиков импульсов 18, 19, 20, 35, 36.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства. Для наглядности воспользуемся эпюрами напряжений в различных точках блок-схемы, представленными на фиг. 2.
При поступлении на вход ЛЧМ сигнала или сигнала с ЧМ по пилообразному закону работа устройства не отличается от рассмотренной в описании к авт. свид. №1841012 (зявка №3062966/09 от 04.04.1983 г.), поэтому рассмотрим работу устройства при приеме КЧМ сигнала.
и/2
и/2
и/2
з
з
На фиг. 2а представлена зависимость амплитуды входного КЧМ сигнала от времени, а на фиг. 2б - зависимость частоты от времени КЧМ сигнала на входах перемножителя автокоррелятора. Сигнал биений на выходе ФНЧ автокоррелятора представляет собой разностную частоту сигналов на входах премножителя. Из фиг. 2б видно, что разность частот между задержанным и незадержанным сигналами на входах перемножителя вначале плавно уменьшается до момента времени τ. На интервале времени от (τ до τ+τ (τ - время задержки в цепи автокоррелятора) вследствие разных знаков фазовых членов разность частот практически равна нулю, а затем разностная частота вновь плавно увеличивается до первоначального значения (фиг. 2в). При этом временные интервалы между импульсами нуль-переходов сигнала биений по выходу автокоррелятора 2, формируемые пороговым элементом 6, будут в начале увеличиваться, а затем уменьшаться (фиг. 2г).
С выхода порогового элемента 6 серия этих импульсов поступает через ключ 9, управляемый стробом с выхода компаратора 7 (фиг. 2д) поступает на преобразователь интервал-код 14, после чего значения интервалов между соседними импульсами нуль переходов последовательно записываются в первый регистр 17. В блоке деления 21 каждое текущее значение интервалов сравнивается с предыдущим и испытывается на порог в пороговых элементах 25, 26, 27.
Случай равенства соседних интервалов соответствует обработке ЛЧМ сигнала. В этом случае блок деления 21 выдает "1". Срабатывает пороговый элемент 25, настроенный на этот порог. Результат последовательно записывается во второй регистр 28 и поступает на элемент совпадения 33, который при наличии на его входе трех и более единиц подряд формирует признак приема ЛЧМ сигнала.
Для распознавания КЧМ сигналов в устройстве используются следующие особенности временных интервалов между импульсами нуль-переходов сигнала биений по выходу автокоррелятора при обработке такого вида сигнала:
з
и/2
з
- в отрезке времени от τ до (τ+τ) отношение текущего интервала к предыдущему >1;
и/2
з
и
- в отрезке времени от (τ+τ) до τ отношение текущего интервала к предыдущему <1;
- имеется один переход от признака отношений интервалов ">1" к признаку "<1";
- при симметричной параболической частотной модуляции число отношения соседних интервалов между импульсами нуль-переходов ">1" равно числу "<1", а при несимметрии - эти числа разные.
Алгоритм обработки, учитывающий указанные особенности КЧМ сигналов, реализуется в предложенном устройстве для распознавания вида ЧМ сигналов.
з
з
и/2
>1
В случае неравенства соседних интервалов между импульсами нуль-переходов блок деления выдает знак либо ">1", либо "<1". При обработке КЧМ сигнала в отрезок времени от τ до (τ+τ) блок деления выдает знак ">1". Срабатывает пороговый элемент 26, настроенный на этот порог, и разрешает прохождение импульсов нуль-переходов через элемент И 30, поступающих с выхода ключа 9 (фиг. 2з). Триггер 34 первым импульсом устанавливается в единичное состояние, а число n текущих интервалов между импульсами нуль-переходов, превышающих предыдущее значение интервала, подсчитывается счетчиком импульсов 36.
и/2
з
и
<1
>1
<1
В отрезок времени от (τ+τ) до τ блок деления 21 при обработке КЧМ сигнала выдает знак "<1", так как значение текущего интервала между импульсами нуль переходов меньше предыдущего. Срабатывает пороговый элемент 27, настроенный на соответствующий порог и разрешает прохождение импульсов нуль-переходов с выхода ключа 9 через элемент И 31 (фиг. 2и). Первый же из серии этих импульсов перебросит триггер 34 в исходное состояние (фиг. 2к), а число текущих интервалов n менее предыдущих поступает на реверсивный вход счетчика 36, где производится вычитание (n)-(n).
Счетчик импульсов 35 по выходу триггера 34 подсчитывает число N переходов отношений текущих интервалов между импульсами нуль-переходов к предыдущим от >1 к <1 и наоборот. Как было указано выше число таких переходов в случае, обработки КЧМ сигнала равно единице. На такой порог N=1 установлен логический пороговый элемент 37. При N=1 пороговый элемент 37 разрешает прохождение через элемент И 42 команды выдачи признака приема КЧМ сигнала на элементы И 43, 44.
>1
<1
0
0
0
Если в результате вычитания в счетчике (36) |n-n|≤ξ где ξ - некоторая заданная погрешность, обусловленная статистическими свойствами сигнала с шумом и аппаратурной погрешностью, то срабатывает пороговый элемент 38, настроенный на порог (≤ξ), и после поступления с выхода первого одновибратора 10 через элемент И 42 команды выдачи признака приема КЧМ сигнала (фиг. 2л) на выходе "Вых. 3" устройства будет присутствовать сигнал признака приема симметричного КЧМ сигнала.
>1
<1
0
0
Если же в результате вычитания в счетчике 36 |n-n|>ξ то срабатывает пороговый элемент 38, настроенный на порог (>ξ) и на выходе "Вых. 4" устройства будет присутствовать сигнал признака приема несимметричного КЧМ сигнала.
Следует отметить, что сравнение отношений интервалов следует производить при наличии минимум двух интервалов, то есть, начиная с третьего импульса нуль-перехода, так как первые два импульса внесут ошибки в алгоритм различения КЧМ сигнала. Действительно, при приходе первого импульса нуль-перехода на пороговые элементы 26, 27 с выхода ключа 9 на входах блока деления 21 не будет еще кода значений интервалов и на выходе блока деления будет неопределенность, в результате чего может сработать или пороговый элемент 26, или пороговый элемент 27, что может привести к срабатыванию триггера 34 и записи в счетчик 35 единицы до начала анализа сигнала. К этому же приведет и появление второго импульса нуль-перехода, так как текущее значение интервала будет сравниваться с предыдущим, код которого не был записан в регистре 17 (интервала не было) и сработает пороговый элемент 26.
Для исключения влияния первых двух импульсов нуль-переходов на достоверность распознавания КЧМ сигнала на элементы И 30, 31 поступает команда разрешения прохождения сигнала с третьего импульса нуль-перехода, которая формируется линией задержки 11, элементом И 16, счетчиком импульсов 18, пороговым элементом 22 и элементом НЕ 12. В исходном состоянии счетчик импульсов 18 обнулен и на выходе порогового элемента 22, настроенного на порог "2" по выходу счетчика 18, присутствует уровень логического нуля, который запрещает прохождение сигналов через элементы И 30, 31, а через элемент НЕ 12, разрешает прохождение импульсов с выхода линии задержки 11 (фиг. 2е) на счетчик импульсов 18. При поступлении на счетчик импульсов 18 двух импульсов нуль-переходов срабатывает пороговый элемент 22 и разрешает прохождение сигнала через элементы И 30, 31 (фиг. 2ж), а через элемент НЕ 12 и элемент И 16 блокирует вход счетчика импульсов 18.
После окончания входного сигнала одновибратор 10 вырабатывает команду выдачи признака приема ЧМ сигнала (фиг. 2л) и на соответствующем выходе будет присутствовать сигнал признака приема. Так как при распознавании сигнала с ЧМ по пилообразному закону в соотношениях между соседними интервалами, сравниваемыми в блоке деления 21, присутствуют, как соотношения ">1", так и соотношение "<1", то для исключения ложного формирования признака приема КЧМ сигнала при обработке сигнала типа ЛЧМ-пила, выход "Вых.1" признака приема сигнала ЛЧМ-пила устройства блокирует прохождение команды выдачи признака с выхода одновибратора 10 через элемент И 42 на элементы И 43, 44 информативных выходов признаков приема КЧМ сигналов.
Все узлы предлагаемого устройства выполнены по известным типовым схемам современной цифровой техники на микросхемах серии 100, 133.
5
1
Удовлетворительная помехоустойчивость распознавания КЧМ сигналов обеспечивается при уровнях соотношения сигнал/шум на входе ≥12÷14 дБ. Например, для обеспечения достоверности различения (вероятности правильного распознавания) 0,96 требуется соотношение сигнал/шум на входе устройства не менее 14 дБ (с/ш≥/).
Использование предлагаемого устройства в станциях РТР и ПСЦУ позволяет улучшить качество решения задач селекции и идентификации сигналов, повысить вероятность опознавания типа РЛС и его носителя.