Устройство обнаружения одиночного сверхширокополосного квазирадиосигнала произвольной формы

Полезная модель относится к области радиотехники и может быть использована в составе аппаратуры радиосвязи, радиолокации, дистанционного зондирования для обнаружения радиосигналов с неизвестными амплитудой, начальной фазой и длительностью.
В последнее время в радиофизике и ее приложениях широкое применение находят сверхширокополосные (СШП) сигналы. Поэтому становится актуальным вопрос обнаружения указанных сигналов. Однако, у этих сигналов относительная полоса частот может быть порядка единицы и более. При таких значениях относительной полосы частот обычные определения огибающей и фазы теряют ясный физический смысл. Поэтому известные методы обнаружения радиосигналов с неизвестными амплитудой и фазой, основанные на свойствах их узкополосности, не могут быть применены к сверхширокополосным сигналам.
Известен обнаружитель узкополосного радиосигнала, включающий четыре умножителя, два аттенюатора, два усилителя, три квадратора, генератор модулирующей функции, генератор гармонического сигнала (sin), фазовращатель (изменяет начальную фазу гармонического сигнала на π/2), три интегратора, работающие на интервале длительности сигнала, сумматор, делитель, пиковый детектор и решающее устройство, осуществляющее сравнение выходного сигнала пикового детектора с порогом и выносящее решение о наличии или отсутствии сигнала в наблюдаемом случайном сигнале («Обнаружение радиосигнала с неизвестными длительностью, амплитудой и начальной фазой» Трифонов А.П., Корчагин Ю.Э., Трифонов М.В. // Изв. Вузов. Радиофизика. 2015. Т. 58, №5, с. 401-414, прототип).
Недостатком известного устройства является возможность обнаружения только узкополосных сигналов.
Задача предлагаемого технического решения - обеспечение обнаружения одиночных сверхширокополосных квазирадиосигналов (СШП КРС) при априори неизвестных амплитуде, начальной фазе и длительности сигнала.
Решение задачи достигается тем, что в устройстве обнаружения одиночного сверхширокополосного квазирадиосигнала произвольной формы, содержащем на входе последовательно соединенные первый умножитель, первый аттенюатор и первый усилитель, при этом один вход первого умножителя является входом устройства, а второй вход подключен к первому выходу генератора модулирующего сигнала, второй выход которого соединен с входом третьего квадратора канала обработки модулирующего сигнала, который содержит последовательно соединенные второй аттенюатор и третий интегратор, а также последовательно соединенные второй усилитель и делитель, выход которого подключен к одному входу четвертого умножителя, второй вход которого соединен с выходом первого сумматора, а выход четвертого умножителя подключен к последовательно соединенным пиковому детектору и решающему устройству, выход которого является выходом устройства, причем первый и второй входы первого сумматора подключены соответственно к выходам 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 первый вход второго умножителя соединен с генератором гармонического сигнала непосредственно, а первый вход третьего умножителя - через фазовращатель, при этом вторые входы второго и третьего умножителей соединены между собой и подключены к выходу первого усилителя, оно дополнительно содержит первый и второй блоки удвоения частоты, пятый, шестой, седьмой, восьмой, девятый и десятый умножители, четвертый, пятый и шестой квадраторы, второй, третий и четвертый сумматоры, четвертый и пятый интеграторы, первый, второй, третий и четвертый инверторы, третий усилитель, при этом 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 первый инвертор и третий усилитель к первому входу седьмого умножителя, а через последовательно соединенные четвертый квадратор и третий инвертор - к первому входу четвертого сумматора, второй вход которого соединен с выходом пятого квадратора, включенного на выходе третьего интегратора, выход четвертого сумматора соединен с входом второго усилителя, а третий вход четвертого сумматора через последовательно соединенные пятый интегратор, 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 интегратора соединен с первым входом второго сумматора, выход третьего интегратора соединен со вторым входом второго сумматора, выход которого соединен со вторым входом шестого умножителя, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход третьего интегратора также соединен с первым входом третьего сумматора, выход второго инвертора соединен со вторым входом третьего сумматора, выход которого соединен с первым входом восьмого умножителя, второй вход которого соединен с выходом второго квадратора, а выход - с вторым входом первого сумматора, первый вход пятого умножителя соединен с выходом первого интегратора, второй вход пятого умножителя соединен с выходом второго интегратора, выход пятого умножителя соединен с входом седьмого умножителя, выход которого соединен с третьим входом первого сумматора.
Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом, на котором представлена структурная схема предлагаемого устройства, где
1 - первый умножитель;
2 - первый аттенюатор;
3 - первый усилитель;
4 - генератор гармонического сигнала (sin);
5 - фазовращатель (изменение начальной фазы гармонического сигнала на π/2);
6 - второй умножитель;
7 - третий умножитель;
8 - первый интегратор;
9 - второй интегратор;
10 - пятый умножитель;
11 - первый квадратор;
12 - второй квадратор;
13 - шестой умножитель;
14 - седьмой умножитель;
15 - восьмой умножитель;
16 - первый сумматор;
17 - генератор модулирующего сигнала;
18 - третий квадратор;
19 - второй аттенюатор;
20 - первый блок удвоения частоты;
21 - второй блок удвоения частоты;
22 - девятый умножитель;
23 - десятый умножитель;
24 - четвертый интегратор;
25 - третий интегратор,
26 - пятый интегратор;
27 - первый инвертор;
28 - третий усилитель;
29 - второй сумматор;
30 - третий сумматор;
31 - второй инвертор;
32 - четвертый квадратор;
33 - пятый квадратор;
34 - шестой квадратор;
35 - третий инвертор;
36 - четвертый инвертор;
37 - четвертый сумматор;
38 - второй усилитель;
39 - делитель;
40 - четвертый умножитель;
41 - пиковый детектор;
42 - решающее устройство.
Работает устройство следующим образом.
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 сверхширокополосными квазирадиосигналами, которые занимают промежуточное положение между двумя упомянутыми классами СШП сигналов. Структура сверхширокополосных квазирадиосигналов подобна узкополосным радиосигналам, однако условие относительной узкополосности для них не выполняется. Кроме того, в СШП КРС отсутствуют недостатки, присущие UWB IR, и реализуются они технически более просто, чем MC-UWB.
0
0
0
Приемник, в состав которого входит обнаружитель, осуществляет сканирование и анализ радиоэфира. В момент времени t=0 на вход обнаружителя начинает поступать случайный сигнал представляющий собой либо аддитивную смесь полезного сигнала s(t,a0,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,T].
Задача обнаружителя - регистрация появления в эфире полезного сигнала - одиночного сверхширокополосного квазирадиосигнала произвольной формы, математическая запись которого имеет вид
Здесь а, ϕ, ω, τ - амплитуда, начальная фаза, частота и длительность СШП КРС соответственно, a f(t) - модулирующая функция, описывающая форму одиночного импульса.
Генератор 17 обнаружителя формирует модулирующий сигнал f(t), а генератор 4 формирует гармонический сигнал sin(ω t) на частоте ω.
0
0
C
s
0
s
C
Принимаемый случайный сигнал в первом умножителе 1 обнаружителя умножается на модулирующий сигнал генератора 17. После ослабления в первом аттенюаторе 2 в N раз, где N - числовое значение априори известной величины спектральной плотности мощности шума, сигнал усиливается в два раза в первом усилителе 3, и в итоге на его выходе имеем сигнал, усиленный с коэффициентом  Далее полученный сигнал перемножается с гармоническими сигналами генератора 4 соответственно во втором умножителе 6 на сигнал sin (ω t), а в третьем умножителе 7 - на сигнал cos (ω t), полученный после прохождения сигнала с генератора 4 через фазовращатель 5, где происходит изменение фазы гармонического сигнала на п 12. Затем полученные сигналы интегрируются в первом интеграторе 8 и втором интеграторе 9 соответственно. В результате получаем синфазную и квадратурную составляющие принимаемого сигнала, соответственно, описываемые функциями  Составляющие принимаемого сигнала на выходе первого интегратора 8 и второго интегратора 9 возводятся в квадрат в первом квадраторе 11 и втором квадраторе 12 соответственно, а в пятом умножителе 10 перемножаются друг с другом. 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 - P и нормированную квадратурную составляющую модулирующего сигнала на удвоенной частоте - P. Формирование указанных составляющих модулирующего сигнала осуществляется следующим образом. Сигнал  f(t) с выхода генератора 17 проходит через третий квадратор 18, ослабляется во втором аттенюаторе 19 в N раз, и подается на вход третьего интегратора 25 непосредственно, на вход четвертого интегратора 24 - через девятый умножитель 22, где перемножается с гармоническим сигналом удвоенной частоты с выхода первого блока 20 удвоения частоты, а на вход пятого интегратора 26 - через десятый умножитель 23, где перемножается с гармоническим сигналом удвоенной частоты с выхода второго блока 21 удвоения частоты. На выходе четвертого интегратора 24 получаем нормированную квадратурную составляющую модулирующего сигнала на удвоенной частоте P, на выходе третьего интегратора 25 - нормированную (синфазную) составляющую модулирующего сигнала на нулевой частоте Q, а на выходе пятого интегратора 26 - нормированную синфазную составляющую модулирующего сигнала на удвоенной частоте P. Указанные составляющие модулирующего сигнала описываются следующими функциями:
s
C
C
C
C
C
s
С выхода четвертого интегратора 24 сигнал P через первый инвертор 27 и третий усилитель 28 поступает на один вход седьмого умножителя 14, на другой вход которого приходит сигнал с выхода пятого умножителя 10. С выхода третьего интегратора 25 сигнал Q поступает на первые входы второго и третьего сумматоров 29 и 30 соответственно. На второй вход сумматора 29 сигнал P поступает непосредственно с выхода пятого интегратора 26, а на второй вход третьего сумматора 30 сигнал P поступает инвертированным с выхода второго инвертора 31. Таким образом, на выходе второго сумматора 29 и третьего сумматора 30 получаем комбинации сигналов Q и P (Q+P и Q-P соответственно). Сигнал с выхода второго сумматора 29 поступает на один вход шестого умножителя 13, другой вход которого соединен с выходом первого квадратора 11, а сигнал с выхода третьего сумматора 30 поступает на первый вход восьмого умножителя 15, второй вход которого соединен с выходом второго квадратора 12. Кроме того, сигнал P с выхода четвертого интегратора 24 через четвертый квадратор 32 и третий инвертор 35 поступает на один вход четвертого сумматора 37, на другой вход которого через пятый квадратор 33 с выхода третьего интегратора 25 поступает сигнал Q, а третий вход четвертого сумматора 37 через четвертый инвертор 36, шестой квадратор 34 и второй инвертор 31 связан с выходом пятого интегратора 26. С выхода четвертого сумматора 37 сигнал через второй усилитель 38 и делитель 39 поступает на один вход четвертого умножителя 40, на второй вход которого приходит сигнал с выхода первого сумматора 16, один вход которого соединен с выходом шестого умножителя 13, который является выходом канала обработки квадратурной составляющей принимаемого сигнала, второй вход соединен с выходом восьмого умножителя 15, который является выходом канала обработки синфазной составляющей принимаемого сигнала, а третий вход - с выходом седьмого умножителя 14. С выхода четвертого умножителя 40 сигнал поступает в пиковый детектор 41, который определяет максимальное значение входного сигнала и формирует соответствующий этому значению выходной сигнал.
С выхода пикового детектора 41 сигнал поступает в решающее устройство 42, в котором на основе сравнения максимального значения сигнала на выходе четвертого умножителя 40 (значения сигнала на выходе пикового детектора 41) 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 требуемого значения вероятности ошибки первого рода.
Если сигнал с выхода пикового детектора 41 превышает выбранный порог h, то принимается решение о наличие одиночного СШП КРС в принимаемом сигнале. Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает обнаружение СШП КРС при априори неизвестных амплитуде, начальной фазе и длительности сигнала.