Способ повышения эффективности обработки сверхширокополосных короткоимпульсных сигналов на приёмной стороне
METHOD FOR INCREASING PROCESSING EFFICIENCY OF ULTRA-WIDEBAND SHORT PULSE SIGNALS AT A RECEIVING SIDE

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при разработке приёмных устройств, обеспечивающих повышение эффективности обнаружения и различения информационных СШП сигналов как за счёт надёжного удержания состояния синхронизма между приёмными и передающими частями радиолиний, как стационарных, так и мобильных высокоскоростных систем передачи информации, многопользовательских систем и других радиоэлектронных систем и средств, практикующих радиообмен короткоимпульсными сверхширокополосными (СШП) сигналами, так и за счёт использования динамического энергетического порога обнаружения.
Из теории и практики использования сложных сигналов известно, что для обеспечения качественного приёма информационных кодограмм (сообщений) необходимо, чтобы в процессе радиообмена между корреспондентами (абонентами) погрешность синхронизации передающего и приёмного устройств этих корреспондентов не превышала предельных величин, за которыми возможен сбой в работе радиолинии. Особенно это касается радиоэлектронных систем и средств, использующих короткоимпульсные СШП сигналы, так как в силу очень малой длительности импульсов таких сигналов и временных окон, в которых осуществляется их обнаружение на приёмной стороне, поддержание состояния синхронизма является достаточно сложной проблемой. При этом использование динамического энергетического порога, введение которого частично компенсирует отрицательное влияние внешних помеховых факторов, повышает робастность (помехоустойчивость) таких систем и средств.
В настоящее время большое распространение получил способ пороговой обработки СШП сигналов на приёмной стороне, как наиболее простой в реализации и позволяющий получать высокие технические скорости передачи, обеспечивающие повышение пропускной способности радиоканалов при достаточно высокой достоверности принимаемой информации. Один из таких способов описан в [1]. Характерным для этого способа является формирование СШП сигналов с использованием интервального кодирования небольшого количества высокоэнергетических импульсов с очень большим средним периодом следования. Такой подход обеспечивает с одной стороны низкую среднюю энергетическую плотность СШП сигнала в канале, с другой стороны – превышение амплитудой импульсов СШП сигнала в точке приёма уровня шумов. Обработка импульсов СШП сигналов на приёмной стороне осуществляется в «сигнальных» и «шумовых» временных окнах малой длительности, что обеспечивает хорошую защиту от импульсных помех. В этом случае СШП сигнал над «сигнальным» порогом в «сигнальных» временных окнах должен сохранять свою структуру, т. е. обнаруживаться по наличию надпороговой части его импульсов. При этом удержание состояния синхронизма во время обработки СШП сигналов обеспечивается за счёт повышения крутизны переднего и заднего фронтов каждого из импульсов СШП сигнала.
Выбор порога сравнения и выделения импульсов СШП сигналов осуществляется путём обработки канальных шумов в «шумовых» временных окнах. Следовательно, уровень порога обнаружения импульсов СШП сигналов в «сигнальных» временных окнах здесь определяется уровнем шума, превысившего «шумовой» порог в «шумовых» временных окнах.
К недостаткам этого способа можно отнести следующее. Во-первых, зависимость уровня СШП сигналов и качества синхронизма при обработке от степени искажения формы импульсов (в частности, от крутизны фронтов) в точке приёма, что ограничивает использование способа наличием канальной частотной дисперсии, которая очень сильно искажает форму импульсов. Во-вторых, «сигнальный» порог адаптируется к уровню внешних шумов и помех, но только в той степени, в которой они превысят «шумовой» порог в «шумовых» временных окнах. К тому же он не зависит от уровня энергии импульсов СШП сигналов. Это уменьшает его чувствительность к отрицательному воздействию внешних помеховых факторов.
В [2] представлен способ обработки смеси импульсов СШП сигналов с канальными шумами с использованием энергетического порога обнаружения СШП сигнала. Это обосновано тем, что очень часто форма импульсов СШП сигнала априори неизвестна, поэтому единственным признаком его наличия в канале является его энергия, которую только и можно обнаруживать в процессе обработки смеси СШП сигнала с канальным шумом путём сравнения принятой энергии СШП сигнала с величиной энергетического порога.
Обнаружение СШП сигнала, в основном, осуществляется по наличию энергетического пика, превышающего некоторый порог. При этом эффективность обнаружения будет зависеть от правил выбора этого порога. Так как в условиях изменяющегося или неизвестного энергетического отношения сигнал-шум фиксированное значение порога обнаружения может привести к пропуску сигнала или к ложному срабатыванию, то в [2] предложено ввести адаптацию энергетического порога обнаружения к изменению уровней, как сигнала, так и шума путём введения, так называемого ≪динамического≫ порога, позволяющего частично компенсировать негативное влияние изменяющихся внешних помеховых факторов на достоверность принимаемой информации. При этом установлено, что ≪динамический≫ порог зависит только от отношения сигнал-шум и не зависит от уровня сигнала.
Основным недостатком этого способа можно считать отсутствие или невозможность осуществления операций, позволяющих компенсировать потерю состояния синхронизма в процессе радиообмена между абонентами.
Способ, описанный в [3], предполагает разбиение всего СШП сигнала на К непересекающихся во времени интервалов для их последующей кепстральной обработки (применяется для сигналов, представляющих собой свертку двух временных функций, которые после преобразования их в спектр образуют неперекрывающиеся на оси абсцисс импульсы). Но перед ней необходимо растянуть во времени каждый такой интервал, используя для этого задержки, для реализации которых потребуется К линий задержки. При этом находят максимальное значение кепстра (характеристика сигнала, энергетический спектр функции) в каждом из К кепстральных массивов, делят полученные максимальные значения кепстров на К-1 и принимают результаты в качестве пороговых значений для соответствующих кепстральных массивов. Путём особого сравнения величин этих порогов с каждым значением из соответствующих кепстральных массивов, принимают решение либо о наличии в данных интервалах закодированных логических единиц и нулей, из которых создают результирующий массив, представляющий собой расшифрованную кодограмму (информационное сообщение), либо об их отсутствии, что означает принятие решения об окончании приёма кодограммы.
Недостатком данного способа является то, что алгоритм его реализации является довольно сложным, затянутым во времени и требующим дополнительных технических затрат.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ, описанный в [4], принятый за прототип.
Способ-прототип включает алгоритм накопления в двух текущих «сигнальных» временных каналах энергии пачек импульсов СШП сигналов, переносящих информационные нули и единицы, с момента захвата состояния синхронизма в соответствии со следующим соотношением
,       (1)
0
0
с
un
zer
где u(t) – обоснованно выбранная форма импульса СШП сигнала длительностью τ; Т – длительность СШП сигнала; Т – период следования импульсов СШП сигнала, переносящего канальный символ, соответствующий информационной единице, с; Т – период следования импульсов СШП сигнала, переносящего канальный символ, соответствующий информационному нулю, с; ν(t) – белый гауссовский шум; N – количество импульсов в СШП сигнале. При этом порог обнаружения (П) энергетического максимума, который позволяет получить требуемую величину вероятности правильного обнаружения СШП сигнала может выбираться стандартным образом, например, заданием величины вероятности ложной тревоги (ложного обнаружения СШП сигнала), обеспечивающей минимальное значение вероятности пропуска СШП сигнала. В отсутствии СШП сигналов этот порог может периодически обновляться, чтобы в первом приближении учитывать влияние канальных шумов на обработку СШП сигналов.
Удержание состояния синхронизма осуществляется в процессе обработки указанных информационных СШП сигналов в соответствии с алгоритмом накопления энергии базовых (опорных или синхронизирующих) импульсов СШП сигналов в «опережающем», «центральном» и «запаздывающем» временных каналах, который подобен алгоритму (1), но описывает работу временного дискриминатора
в «опережающем» временном канале,
(2)
в «центральном» временном канале,
в «запаздывающем» временном канале.
bas
un
bas
adv
zer
bas
ret
adv
ret
del
Здесь Т – базовый период следования синхронизирующих (или опорных) импульсов СШП сигналов, относительно которых на заданных временных позициях располагаются импульсы, характеризующие логические единицы (Т= Т + τ) и нули (Т= Т - τ), где τ – временной сдвиг, обеспечивающий кодовым единицам следование перед соответствующим опорным импульсом, а τ - временной сдвиг, обеспечивающий логическим нулям следование после соответствующих опорных импульсов; τ – временной сдвиг между «опережающим», «центральным» и «запаздывающим» временными каналами, образующими временной дискриминатор.
un,i
zer,i
adv,i
cen,i
ret,i
После оцифровки текущих энергий (1) и (2), накопленных на длительности i-го СШП сигнала, получим величины E, E, E, E, E, надпороговые части которых являются аргументами для функции, отображающей искомое временное смещение «сигнальных» временных каналов (1) относительно момента захвата состояния синхронизма
(3)
i
adv,i
cen,i
ret,i
un,i
zer,i
Так как направление смещения всех пяти временных каналов во времени одинаково, то при переходе накопленной по (3) энергии синхроимпульсов текущего СШП сигнала из «центрального» временного канала в «опережающий» или «запаздывающий» временной канал временного дискриминатора осуществляется оценка величины и знака этого временного смещения δt = f(ΔE,ΔE, ΔE) с последующим введением этого смещения в (1) и (2) с целью его компенсации для увеличения накапливаемой по (3) энергии информационных СШП сигналов E, E, что увеличивает вероятность их правильного обнаружения.
Из анализа способа-прототипа следует, что для формирования СШП сигналов, переносящих информационные нули и единицы, в нём используется позиционно-импульсная модуляция (ПИМ, в латинском варианте РРМ – Pulse-Position Modulation), когда опорные (синхронизирующие) импульсы СШП сигнала следуют на равных расстояниях друг от друга на временной оси, а логический нуль или логическая единица располагаются слева и/или справа от опорного импульса на выбранных расстояниях.
adv,i
cen,i
ret,i
i
i
Способу-прототипу присущи следующие недостатки. Во-первых, в условиях воздействия случайных внешних помеховых факторов величины накапливаемых по (3) надпороговых энергий ΔE, ΔE, ΔE от сигнала к сигналу с большой вероятностью могут в сильной степени изменяться. Но величина и знак временного смещения δt оцениваются с использованием именно этих накопленных на длительности СШП сигнала энергий, следовательно, с большой вероятностью временное смещение δt в какие-то временные отрезки будет оцениваться с большой погрешностью, что повлечёт за собой и потерю достоверности, принимаемой в «сигнальных» временных каналах информации. Во-вторых, в этом способе не предусмотрено формирование динамического порога обнаружения СШП сигналов, введение которого могло бы частично компенсировать отрицательное влияние случайных внешних помеховых факторов путём стабилизации величины надпороговой энергии обнаруживаемых СШП сигналов.
Задача предлагаемого способа состоит в увеличении достоверности, а также в уменьшение влияния отрицательных внешних помеховых факторов на информацию, принимаемую в «сигнальных» временных каналах.
Для решения поставленной задачи в способе повышения эффективности обработки сверхширокополосных короткоимпульсных сигналов на приёмной стороне, использующем для этого организацию временных каналов, сдвинутых друг относительно друга во времени на заданную величину, согласно изобретению, выбирается минимальное число временных каналов, равное трём, позволяющее обеспечить заявленные качества приёма путём весовой обработки энергии смеси импульсов текущих прямых и инверсных сверхширокополосных сигналов с канальными шумами, накапливаемых на длительности текущих «опережающего», «сигнального» и «запаздывающего» временных окон, формирующихся в соответствующих им временных каналах, включающей:
- оценку величины накапливаемых импульсных энергий;
- оценку величины надпороговых частей импульсных энергетических отсчётов;
- оцифровку текущих накопленных импульсных энергий, которые далее называются импульсными энергетическими отсчётами;
- фиксацию временных позиций надпороговых импульсных энергетических отсчётов;
- приведение ненулевых значений надпороговых импульсных энергетических отсчётов к единицам;
- оценку сумм, накопленных на длительности прямого или инверсного сверхширокополосных сигналов единичных цифровых отсчётов;
- сравнение временных позиций надпороговых импульсных энергетических отсчётов, полученных накоплением энергии на длительности текущих «сигнальных» временных окон соответствующего временного канала, с временными позициями единичных отсчётов, характеризующих временные позиции импульсов прямого и инверсного сверхширокополосных сигналов и записанных в соответствующие регистры;
при этом, если накопленные на длительности текущих «опережающих» временных окон суммы цифровых единичных отсчётов меньше половины числа импульсов в сверхширокополосном сигнале, но больше аналогичной суммы, но накопленной на длительности текущих «запаздывающих» временных окон, то принимается, что первая упомянутая сумма равна нулю; если же вторая упомянутая сумма цифровых единичных отсчётов меньше половины числа импульсов в сверхширокополосном сигнале, но больше аналогичной суммы, упомянутой первой, принимается, что вторая упомянутая сумма равна нулю; если накопленные на длительности текущих «сигнальных» временных окон соответствующего временного канала суммы цифровых единичных отсчётов не превысят величины выбранного цифрового порога, то текущий сверхширокополосный сигнал будет пропущен; если указанные цифровые суммы превысят выбранный цифровой порог, но временные позиции более половины соответствующих импульсных энергетических отсчётов не совпадут с временными позициями единичных отсчётов, хранящихся в соответствующем регистре, то снова текущий сверхширокополосный сигнал будет пропущен; если, кроме того, что упомянутыми цифровыми суммами цифровой порог будет превышен, но и временные позиции более половины соответствующих импульсных энергетических отсчётов совпадут с временными позициями единичных отсчётов, хранящихся в соответствующем регистре, то в этом случае текущий сверхширокополосный сигнал будет принят и определён как информационная единица или информационный нуль, в зависимости от того, прямой это сверхширокополосный сигнал или инверсный; одновременно:
- вычисляются приведённые к длительности временных окон модули разностей временных позиций между надпороговыми импульсными энергетическими отсчётами «опережающего» и «сигнального» временных окон, а также между надпороговыми импульсными энергетическими отсчётами «запаздывающего» и «сигнального» временных окон;
- фиксируются ненулевые приведённые разности любой величины;
- оценивается их количество;
- фиксируются приведённые разности единичной величины;
- оценивается их количество;
- оценивается знак разности между количеством ненулевых надпороговых отсчётов, полученных обработкой в «запаздывающих» временных окнах и количеством ненулевых надпороговых отсчётов, полученных обработкой в «опережающих» временных окнах соответствующих временных каналов при обработке прямого или инверсного сверхширокополосных сигналов;
- вычисляют приведённые к длительности импульса надпороговые части текущих импульсов прямого или инверсного сверхширокополосных сигналов, расположенных в «опережающем» и «сигнальном» временных окнах или «сигнальном» и «запаздывающем» временных окнах в зависимости от направления смещения временных окон относительно момента вхождения в синхронизм с последующей оценкой их средних значений;
- осуществляется оценка степени вредного влияния канальных шумов на достоверность полученных средних значений и компенсация этого влияния;
- на основе результатов проведённых вычислений осуществляется оценка временного смещения временных окон соответствующих временных каналов относительно момента захвата состояния синхронизма с последующей коррекцией этого смещения;
- оценивается величина текущего динамического порога с последующим его использованием при обработке поступающих из радиоканала сверхширокополосных сигналов.
В заявляемом изобретении используется кодово-импульсная модуляция (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. 1а) представлен «разреженный» код Неймана-Хоффмана NH(t), на базе которого формируются прямой и инверсный СШП сигналы, где чёрные заполненные кружки соответствуют временным позициям импульсов прямого СШП сигнала, а пустые квадратики - временным позициям импульсов инверсного СШП сигнала. На фиг. 1б) представлены текущие временные позиции «сигнальных» временных окон как функции и  для обнаружения в них импульсов соответственно прямого и инверсного информационных СШП сигналов на приёмной стороне, где моменты начала формирования этих текущих временных окон также задаются с помощью «разреженного» кода Неймана-Хоффмана: чёрные 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.
Поясняющие графические материалы представлены на следующих фигурах.
д,i
i
Фиг. 1а) – «разреженный» код Неймана-Хоффмана NH(t); фиг. 1б) – текущие временные позиции «сигнальных» временных окон как функции и ; фиг. 2а) – текущие временные позиции этих временных окон в своих временных каналах для обработки импульсов прямого и инверсного СШП сигналов; фиг. 2б) – укрупнённый фрагмент, содержащий три соответствующих временных окна для обработки прямого СШП сигнала; фиг. 3а) и фиг. 3в) – представлены величины энергетических отсчётов, накапливаемых импульсных (оконных) энергий смеси импульсов прямого (фиг. 3а) и инверсного (фиг. 3в) СШП сигналов с канальными шумами на своих временных позициях; фиг. 3б) и фиг. 3г) – величина энергетических отсчётов, характеризующих надпороговые части накопленных в «опережающих» временных окнах импульсных энергий; фиг. 4 (пояснение к фиг. 3) – укрупнённый масштаб ситуации до накопления текущей энергии прямого (фиг. 4а) и инверсного (фиг. 4б) СШП сигналов в «сигнальных» временных окнах своих временных каналов; фиг. 5 динамика накопления единичных цифровых отсчётов, с меньшей (фиг. 5а) и большей (фиг. 5б) физической энергетикой; фиг. 6 - фиг. 8 характеризуют те же особенности представленного способа обработки СШП сигналов на приёмной стороне, что и на фиг. 3 – фиг. 5, но в случае использования текущего значения динамического энергетического порога П и текущей оценки временного смещения δt; на фиг. 9 представлена укрупнённая блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа.
Предлагаемый способ заключается в следующем. Временной дискриминатор обрабатывает приходящие последовательности смесей импульсов и канальных шумов непосредственно прямого и инверсного информационных СШП сигналов в трёх временных каналах, используя алгоритмы накопления импульсных энергий в соответствующих текущих временных окнах, обозначенных в своих временных каналах как «опережающее», «сигнальное» и «запаздывающее». При этом «сигнальное» временное окно является собственно приёмным временным окном. На фиг. 2а) условно в виде прямоугольников тёмно-серого, чёрного 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. 2б) для большей ясности представлен укрупнённый фрагмент, содержащий только три соответствующих временных окна для обработки прямого СШП сигнала. Предварительная обработка СШП сигналов заключается в следующем.
В соответствующем временном канале на длительности текущих «сигнальных» временных окон:
- оцениваются величины накапливаемых импульсных (оконных) энергий смеси импульсов СШП сигналов с канальными шумами или только шумов
(4)
- вычисляются надпороговые части оцифрованных энергий и
/
(4)
/
- оцифровываются текущие импульсные энергии (4) и (4);
/
- фиксируются временные позиции величин (4) , а их ненулевые значения приводятся к единицам
//
(4)
- оценивается сумма накопленных текущих единичных цифровых отсчётов, представляющая собой эквивалент максимума классической энергетической автокорреляционной функции в цифровом представлении
///
(4)
ц
- если , то при наличии в канале СШП сигнала он будет пропущен, так как не будет преодолён цифровой порог П принятия решения о типе СШП сигнала. При этом осуществляется переход к оконной обработке следующего СШП сигнала информационной кодограммы.
Если , а временные позиции  или  энергетических отсчётов, полученных в текущих «сигнальных» временных окнах, совпадают с временными позициями единичных отсчётов, записанных в регистр, характеризующих прямой и инверсный СШП сигналы и представленных на фиг. 1а), то осуществляются следующие операции:
///
- исходя из результатов (4), принимается решение о том, какой из информационных символов был принят, единица или нуль;
- в соответствующем временном канале на длительности «опережающих» временных окон оцениваются величины накапливаемых импульсных (оконных) энергий смеси импульсов СШП сигналов с канальными шумами или только шумов
(5)
- вычисляются надпороговые части оцифрованных энергий  и
/
(5)
/
- оцифровываются текущие импульсные энергии (5) и (5);
/
- фиксируются временные позиции величин (5) , а их ненулевые значения приводятся к единицам
//
(5)
- оценивается сумма накопленных текущих единичных цифровых отсчётов
///
(5)
- если  при , то принимается или  в силу относительной ненадёжности оценок;
- в соответствующем временном канале на длительности «запаздывающих» временных окон оцениваются величины накапливаемых импульсных (оконных) энергий смеси импульсов СШП сигналов с канальными шумами или только шумов
(6)
- вычисляются надпороговые части оцифрованных энергий  и
/
(6)
/
- оцифровываются текущие импульсные энергии (6) и (6);
/
- фиксируются временные позиции величин (6) , а их ненулевые значения приводятся к единицам
//
(6)
- оценивается сумма накопленных текущих единичных цифровых отсчётов
///
(6)
- если  при , то принимается или  также в силу относительной ненадёжности оценок.
k
k
k
0
k
k
0
0
0
Здесь t – моменты начала формирования текущих временных окон для обработки смеси импульсов прямых и инверсных СШП сигналов с канальными шумами, которые являются важнейшими из временных параметров, фигурирующих в предлагаемом способе; Т = bτ – величина текущего расстояния между импульсами прямого СШП сигнала; b – числа из псевдослучайной числовой последовательности, определяющие величины Т для прямого СШП сигнала; – величина текущего расстояния между импульсами инверсного СШП сигнала;  – числа из псевдослучайной числовой последовательности, определяющие величины для инверсного СШП сигнала; для прямого СШП сигнала и  для инверсного СШП сигнала;  для прямого СШП сигнала и  для инверсного СШП сигнала – определяют степень различия уровней шумов в «шумовых» временных окнах;  ξ – величина, от которой зависит верхний предел интегрирования для каждого члена квадратов сумм из (4)-(6), то есть для членов, содержащих только импульс СШП сигнала ξ = τ, а для членов,  содержащих либо чисто шумовые члены, либо содержащих произведения шумов с импульсами ξ = 2τ; - энергии импульсов прямых и инверсных СШП сигналов, накапливаемые в «опережающих», «сигнальных» и «запаздывающих» временных окнах, соответственно, в своих временных каналах; - взаимные энергии импульсов и канальных шумов прямых и инверсных СШП сигналов, накапливаемые в этих же временных окнах; - шумовые энергии, накапливаемые одновременно в этих же текущих временных окнах; П– значение опорного энергетического порога, определённое в процессе захвата состояния синхронизма; round(x) – округление величины х до ближайшего целого числа. Все оцифрованные импульсные энергии будем называть соответствующими энергетическими отсчётами.
Одновременно:
- вычисляются приведённые к длительности временных окон модули разностей временных позиций между импульсными энергетическими отсчётами «опережающего» и «сигнального» временных окон, а также между импульсными энергетическими отсчётами «запаздывающего» и «сигнального» временных окон
- фиксируются ненулевые приведённые разности любой величины
- оценивается их количество
- фиксируются приведённые разности единичной величины
- оценивается их количество
- оценивается знак разности между количеством ненулевых надпороговых отсчётов, полученных обработкой в «запаздывающих» временных окнах и количеством ненулевых надпороговых отсчётов, полученных обработкой в «опережающих» временных окнах импульсов прямого (zn) или инверсного () СШП сигналов
///
///
- с учётом результатов (5) и (6) вычисляют приведённые длительности частей текущих импульсов прямого или инверсного СШП сигналов, расположенных в «опережающем» и «сигнальном» временных окнах для первого случая, и в «сигнальном» и «запаздывающем» временных окнах для второго случая
(7)
(8)
- производится усреднение (сглаживание) величин (7) и (8)
(9)
(10)
- осуществляется оценка степени вредного влияния канальных шумов на достоверность результатов (9) и (10), при которой разности
не равны нулю, поэтому необходимо это влияние компенсировать, для чего определяется вклад (вес) этого вредного влияния на каждую из величин (9), (10)
(11)
(12)
- на основе оценки весов (11), (12) осуществляется коррекция величин (9), (10) следующим образом
(13)
(14)
тогда, если операции (11)-(14) произведены без ошибок, проверка должна дать
- в случае присутствия в радиоканале текущего прямого СШП сигнала оценка временного смещения для коррекции «ухода» временных окон соответствующих временных каналов осуществляется следующим образом
(15)
(16)
(17)
- в случае присутствия в радиоканале текущего инверсного СШП сигнала оценка временного смещения для коррекции «ухода» временных окон соответствующих временных каналов осуществляется аналогично (15)-(17)
(18)
д,i
0
Одновременно с приведёнными выше действиями осуществляются операции, приводящие к оценке величины текущего динамического порога П, который будет использоваться в процессе приёма остальных СШП сигналов информационной кодограммы вместо опорного П:
- так как прямой и инверсный СШП сигналы не могут появиться в радиоканале одновременно, то текущие временные окна взаимно инверсных СШП сигналов используются при обработке последовательностей их импульсов в качестве «шумовых» временных окон, в которых накапливают соответствующие импульсные шумовые энергии для оценки текущих величин и
при этом используются очевидные соотношения
(19)
и с учётом (19) с достаточной для практики точностью можно сказать, что
то есть измеряемые (оцениваемые) величины достаточно близки к истинным значениям текущих величин;
- осуществляется оценка усреднённых на длительности текущих СШП сигналов величин энергетического отношения сигнал/шум
(20)
д,i
д,i
- оценивается величина текущего динамического порога П, исходя из того, что величина вероятности правильного обнаружения текущего СШП сигнала является функцией, зависящей от текущей величины энергетического порога обнаружения импульсов в текущих временных окнах, от полного числа импульсов в нём и от числа его необнаруженных импульсов при данном значении величины (20), при этом для любого допустимого количества необнаруженных импульсов у вероятности правильного обнаружения текущего СШП сигнала существует своя величина энергетического порога, доставляющая максимум этой вероятности, тогда текущий динамический порог П можно определить как величину, пропорциональную среднему значению энергетических порогов, доставляющих максимум вероятности правильного обнаружения текущего СШП сигнала, когда количество необнаруженных импульсов в нём меняется от одного до некоторого максимально допустимого числа при данном текущем значении величины (20);
- опорный порог заменяется текущим значением динамического порога, который минимизирует отрицательное влияние переменных внешних помеховых факторов, а полученные оценки (17) и (18) вводят в верхний и нижний пределы интегрирования в соотношениях (4), (5) и (6), определяющих результаты накопления импульсных энергий в текущих «опережающем», «сигнальном» и «запаздывающем» временных окнах, корректируя моменты начала их формирования в своих временных каналах, при этом величина надпороговой энергии обнаруживаемых в текущем «сигнальном» временном окне импульсов информационных СШП сигналов оптимизируется, а в текущих «опережающем» и «запаздывающем» временных окнах - минимизируется
(21)
0
/
/
На фиг. 3а) и фиг. 3в) в качестве иллюстрации представлены величины энергетических отсчётов, накапливаемых импульсных (оконных) энергий смеси импульсов прямого (фиг. 3а) и инверсного (фиг. 3в) СШП сигналов с канальными шумами на своих временных позициях, описанных соотношениями (4) - (6). Там же приведён опорный энергетический порог П, который изображён жирной горизонтальной пунктирной линией тёмно-серого цвета. Чёрными заполненными кружками обозначены энергетические отсчёты, накапливаемые в «сигнальных» временных окнах, чёрными пустыми квадратиками - энергетические отсчёты, накапливаемые в «опережающих» временных окнах, чёрными заполненными квадратиками - энергетические отсчёты, накапливаемые в «запаздывающих» временных окнах. На фиг.3б) и фиг. 3г) представлены надпороговые части этих энергетических отсчётов, (4) - (6). Здесь же тёмно-серыми заполненными ромбиками представлены временные позиции хранящихся для сравнения копий импульсов СШП сигналов в виде соответствующих отсчётов.  Изображение, приведённое на фиг. 4, служит пояснением к фиг. 3, так как иллюстрирует укрупнённый масштаб ситуации до накопления текущей энергии (кривые тёмно-серого цвета)
(22)
прямого (фиг. 4а) и инверсного (фиг. 4б) СШП сигналов в «сигнальных» временных окнах (прямоугольники чёрного цвета) своих временных каналов. Из анализа фиг. 4 следует, что временные окна начинают запаздывать относительно момента вхождения в синхронизм, поэтому текущая энергия смеси импульсов СШП сигналов с канальными шумами начинает перераспределяться между «опережающим» (прямоугольники тёмно-серого цвета) и «сигнальным» временными окнами. Именно по этой причине на фиг. 3б) и фиг. 3г) величина энергетических отсчётов, характеризующих надпороговые части накопленных в «опережающих» временных окнах импульсных энергий, так велика, а разброс величин энергетических отсчётов, характеризующих надпороговые части накопленных в «сигнальных» временных окнах импульсных энергий, так значителен.
///
///
На фиг. 5 в качестве подтверждения итогов анализа фиг. 3 и фиг. 4 представлена динамика накопления единичных цифровых отсчётов, максимумы которых определяются соотношениями (4) - (6)
(23)
///
При этом на фиг. 5б) чёрными и серыми прямоугольниками условно представлены текущие временные позиции «сигнальных» временных окон для обработки прямого (чёрный цвет) и инверсного (тёмно-серый цвет) СШП сигналов в своих временных каналах. Анализ фиг. 5а) и 5б) показывает, что внешне цифровая форма оценки максима автокорреляционной функции по (4) как бы малочувствительна к смещению временных окон, так как изображённое на фиг. 5а) неотличимо от изображённого на фиг. 5б). Однако, эти изображения нельзя рассматривать отдельно от фиг. 3б) и фиг. 3г), так как из анализа представленного там материала следует, что единичные отсчёты, динамически накапливаемые по (23) и представленные на фиг. 5а) характеризуются гораздо меньшей физической энергетикой, чем аналогичные отсчёты, представленные на фиг. 5б). Это означает, что реальная вероятность правильного обнаружения СШП сигналов, импульсы которых обрабатываются в текущих «сигнальных» временных окнах гораздо выше такой же, но условной (иллюстративной) вероятности, когда обработка импульсов осуществляется в текущих «опережающих» временных окнах.
д,i
i
Иллюстративный материал, представленный на фиг. 6 - фиг. 8, характеризует те же особенности представленного способа обработки СШП сигналов на приёмной стороне, что и на фиг. 3 – фиг. 5, но в случае использования текущего значения динамического энергетического порога П и текущей оценки временного смещения δt. При этом соотношения для описания динамики накопления единичных цифровых отсчётов, аналогичны соотношениям (23), но с учётом (21).
Анализ изображённого на фиг. 6 – фиг. 8 и сравнение его с представленным на фиг. 3 – фиг. 5 показывает, что использование текущей оценки временного смещения по назначению устанавливает с большой точностью импульсы прямого и инверсного СШП сигналов по центру «сигнальных» временных окон своих временных каналов, а введение текущего динамического энергетического порога учитывает возросшую энергетику отсчётов в «сигнальных» временных окнах соответствующих временных каналов. Это влечёт за собой следующее:
- увеличение накапливаемой на длительности «сигнальных» временных окон импульсной энергии до максимальных значений;
- уменьшение разброса величин энергетических отсчётов, характеризующих надпороговые части накопленных в «сигнальных» временных окнах импульсных энергий, до минимальных значений;
- обнуление возможных остаточных шумовых энергетических отсчётов в «опережающих» и «запаздывающих» временных окнах своих временных каналов.
Из представленного анализа следует, что реализация предложенного в изобретении способа обработки информационных СШП сигналов на приёмной стороне позволит непрерывно и с минимальной погрешностью в процессе радиообмена между корреспондентами поддерживать состояние синхронизма, максимизировать вероятность правильного обнаружения СШП сигналов, минимизировать вероятность ложных тревог (ложных обнаружений СШП сигналов) и позволит сохранять значение вероятности пропуска СШП сигнала в требуемых границах. Следовательно, заявленные качества будут обеспечены.
Укрупнённая блок-схема устройства для реализации предлагаемого способа представлена на фиг. 9, где введены следующие обозначения:
1.1 – 1.3 – первый, второй и третий временные каналы (ВК);
2 – аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
3 – блок обработки и управления (БОУ);
4 – блок синхронизации (БС).
Устройство содержит три временных канала 1.1 – 1.3, аналого-цифровой преобразователь 2, блок обработки и управления 3 и блок синхронизации 4. При этом первые входы ВК 1.1 – 1.3 объединены и являются входом устройства. Вторые входы ВК 1.1 – 1.3 подключены к соответствующим выходам БОУ 3, выход которого соединен с входом блока синхронизации 4, первый, второй и третий выходы которого соединены с третьими входами ВК 1.1 – 1.3 соответственно. Выходы ВК 1.1 – 1.3 соединены шинами с соответствующими входами АЦП 2, выход которого шиной соединен с первым входом БОУ 3, второй вход которого подключен к четвертому выходу БС 4. Кроме того, вход/выход БОУ является входом/выходом устройства.
/
/
/
/
Устройство работает следующим образом. При поступлении на вход/выход БОУ 3 команды перехода в режим приёма СШП сигналов, на вход БС 4 с выхода БОУ 3 поступит сигнал начала работы, на второй вход БОУ 3 с четвёртого выхода БС 4 в заданном темпе начнут поступать тактовые импульсы, необходимые для управления состоянием ВК 1.1 - ВК 1.3, на вторые входы которых с соответствующих выходов БОУ 3 поступят сигналы, включающие их в работу, одновременно на третьи входы ВК 1.1- ВК 1.3 с соответствующих выходов БС 4 начнут поступать в соответствующем темпе синхронизирующие тактовые импульсы для управления временными позициями «опережающих», «сигнальных» и «запаздывающих» временных окон, соответствующих этим временным каналам. На первые входы ВК 1.1- ВК 1.3 начнёт поступать либо канальный шум, либо смесь импульсов СШП синхросигнала с канальным шумом. При этом с выходов ВК 1.1 - ВК 1.3 на соответствующие входы АЦП 2 будут поступать накопленные в текущих временных окнах ВК 1.1- ВК 1.3 энергии (4) - (6) и (4) - (6), а с выхода АЦП 2 на первый вход БОУ 3 эти накопленные энергии будут поступать последовательно в соответствии с очерёдностью работы временных окон ВК 1.1 ВК - ВК 1.3. В БОУ 3 оцифрованные энергии (4) – (6) в виде соответствующих энергетических отсчётов будут использованы для оценок временного смещения (17), (18) соответствующих временных окон ВК 1.1- ВК 1.3 относительно момента вхождения в синхронизм, а оцифрованные энергии (4) – (6) – для оценки величины текущего динамического порога. Полученные оценки по окончании длительности текущего СШП сигнала поступают на вторые и третьи входы ВК 1.1 - ВК 1.3 с соответствующих выходов БОУ 3 и БС 4, корректируя временные позиции «опережающих», «сигнальных» и «запаздывающих» временных окон, соответствующих своим временным каналам, адаптируя одновременно энергетический порог к текущей помеховой обстановке. С поступлением на вход устройства очередного СШП сигнала описанная процедура повторяется. Этот процесс заканчивается вместе с поступлением на вход/выход БОУ 3 сигнала окончания радиообмена между корреспондентами.
Реализация устройства, осуществляющего предлагаемый способ, не вызывает затруднений, так как функциональные узлы, входящие в блоки устройства, общеизвестны, широко представлены в отечественных и зарубежных патентах, а также описаны в технической литературе. Все описанные в укрупнённой блок-схеме устройства, приведены, например, в [4] и [5].
Источники информации
1. Агейкин, В.И. К вопросу использования технологии сверхширокополосных сигналов в интересах создания перспективных средств связи, разведки и РЭБ тактического звена управления / В.И. Агейкин, Л.М. Каплярчук, А.П. Степанов// Радиоэлектронная борьба в Вооружённых Силах Российской Федерации, ч. 1.  – 2017, с. 40-44.
2. Попов, А.С. Детектирование импульсных сигналов в сетях беспроводного абонентского доступа / А.С. Попов, В.А. Ковтун, В.А. Саламов// Научный альманах. Технические науки – 2016, №2-2 (16), с. 385-388.
3. Патент РФ 2416162. Асинхронный способ выделения закодированной информации, передаваемой потребителю с помощью сверхширокополосных импульсов. МПК H04B 7/00. Жбанов И.Л., Силаев Н.В., Митрофанов Д.Г., Сеньков М.А., Жбанова В.Л., Васильченко О.В., Гаврилов А.Д. Заявка № 2009146425/09 от 14.12.2009. Опубл. 20.06.2010 г.
4. Корниенко А.В. Алгоритмы синтеза и обработки короткоимпульсных сверхширокополосных сигналов в радиосистемах передачи информации с учётом мешающих факторов. / Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук. – Рязань. – 2008. – С. 17.
5. Патент РФ 2315424. Система связи с высокой скоростью передачи информации сверхширокополосными сигналами. МПК Н04B 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.