СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ХАОТИЧЕСКОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ИМПУЛЬСОВ
METHOD OF DETECTING RANDOM PULSE SEQUENCE

Изобретение относится к методам и средствам обработки сигналов в радиотехнических системах и может быть использовано при решении задач пассивной радиолокации.
0
1
Известны традиционно применяемые в задачах активной локации методы и средства обнаружения полезного сигнала на фоне шумов [1], [2]. Полезный сигнала в них имеет вид последовательности видеоимпульсов, которые формируются после высокочастотной обработки входного сигнала и характеризуются высокой скважностью и низкой частотой их повторения. В системах активной локации параметры видеоимпульсов - длительность Т и период их повторения T - считаются известными, т.к. связаны с аналогичными параметрами зондирующих импульсов, что позволяет эффективно использовать межпериодные накопители на базе устройств задержки в качестве основного устройства обработки в системах обнаружения.
0
1
0
1
0
2
1
0
1
Рассмотрим два способа-аналога, предварительно договорившись об используемой терминологии. Будем называть «отсчетами» представление непрерывного аналогового сигнала в виде последовательности аналоговых величин, совпадающих со значениями наблюдаемого сигнала в дискретные моменты времени. Термин «отсчеты» несет не только математическое, но и конкретное техническое содержание, т.к. в результате дискретизации по времени и квантования по амплитуде аналоговые отсчеты входного сигнала приобретают форму цифровых кодов. В дальнейшем под общим термином «отсчеты» мы будем понимать как их аналоговые, так и оцифрованные формы. Сами отсчеты можно разделить на «шумовые» и «сигнальные»: первые порождаются только шумовой составляющей входного сигнала, а вторые помимо шумовой содержат полезную составляющую в виде последовательности подлежащих обнаружению видеоимпульсов. Для обеспечения функционирования устройств обнаружения в способах-аналогах используются синхронные последовательности управляющих импульсов: импульсов дискретизации (селекторных импульсов) с периодом повторения Т, тактовых импульсов с периодом T, М-кратным периоду Т, т.е. T=МТ, и цикловых импульсов (импульсов сброса) с периодом Т, N-кратным периоду T, ограничивающих время наблюдения и объем обрабатываемых данных. Причем в активной локации величины периодов Т и T совпадают с длительностью и периодом повторения зондирующих импульсов.
В первом способе-аналоге квантование входного видеосигнала по времени и амплитуде производится с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), управляемого импульсами дискретизации. На выходе АЦП поток оцифрованных отсчетов входного сигнала целесообразно представить в виде двумерного набора {C(n, m)} объемом MN, где «m» - номер элемента разрешения по дальности, «n» - номер тактового периода (такта), m=1, 2, …, M, n=1, 2, …, N, причем N тактов образуют один цикловой период (цикл). Размер самих кодов (количество в них разрядов), представляющих отсчеты в {C(n, m)}, составляет не менее 4-8. Процесс обработки набора {C(n, m)} в первом способе-аналоге можно представить в виде следующих операций [1; стр.65], [2; стр.221]:
m
1
- формирование из набора {C(n, m)} M пачек тактовых отсчетов C(n), m=1, 2, …, М по N отсчетов в каждой из них. Отсчеты каждой из пачек появляются на выходе АЦП с тактовым периодом T и характеризуются фиксированным значением «m» элемента разрешения по дальности;
m
- накопление отсчетов в пределах каждой пачки C(n) с помощью накапливающих сумматоров, учитывающих периодичность «сигнальных» отсчетов;
m
n
m
- выявление «сигнальных» отсчетов путем сравнение полученных М суммарных кодов C=ΣC(n), m=1, 2, …, M с пороговым цифровым кодом.
Процесс обработки периодически обновляется путем подачи цикловых импульсов сброса на АЦП и накапливающие сумматоры, «обнуляющие» их содержимое.
m
Во втором способе-аналоге для квантования входного видеосигнала по времени и амплитуде используется простейший вид АЦП, реализующий так называемое бинарное квантование, когда количество разрядов в кодах {C(n, m)} равно двум. Такой АЦП, называемый бинарным (двоичным) амплитудно-временным квантователем (дискретизатором), состоит из пороговой схемы и временного селектора, управляемого импульсами дискретизации, а пачки C(n), m=1, 2, …, M представляют собой последовательность нулей и единиц, причем «единица» интерпретируется как первичное обнаружение «сигнального» отсчета с использованием первого порога, заложенного в бинарном квантователе. При такой двоичной форме отсчетов цифровые накапливающие сумматоры вырождаются в простые счетчики числа поступающих единиц, на выходе которых осуществляется второе, окончательное обнаружение интересующей нас последовательности импульсов путем сравнения подсчитанного числа единиц со вторым порогом в виде целого числа [1; стр.74-77], [2; стр.246-258].
Недостаток аналогов проявляется при попытке непосредственного использования их для решения типовых задач пассивной локации, когда возникает необходимость обнаружения импульсов с неизвестным и переменным временным интервалом между соседними импульсами. В таких ситуациях эффективность аналогов резко снижается, причем первый способ-аналог оказывается полностью неработоспособным, а у второго способа-аналога с его двухэтапной процедурой обнаружения еще сохраняется шанс достаточно эффективно решить поставленную задачу ввиду присущих ему свойств инвариантности к моментам появления «сигнальных» отсчетов.
m
M
M
M
M
n
M
Σ
В качестве способа-прототипа выберем упрощенный вариант первого способа-аналога активной локации, техническая реализация которого близка к технической реализации предложенного способа. Упрощение заключается в том, что в прототипе межпериодному накоплению подвергаются не все М пачек C(n), m=1, 2, …, M, а лишь одна пачка C(n), которая соответствует наиболее удаленному элементу разрешения по дальности. Формирование пачки C(n) из набора {C(n, m)} можно интерпретировать как выбор в каждом такте одного отсчета, соответствующего одному элементу разрешения по дальности, а именно под номером «М». Чтобы максимально упростить формулу изобретения, выделенную пачку C(n) и результат ее накопления C=ΣC(n) целесообразно обозначить через S(n) и S соответственно.
Недостаток прототипа состоит в его низкой эффективности при решении задачи обнаружения хаотической последовательности импульсов.
Целью изобретения является улучшение характеристик обнаружения хаотической последовательности импульсов.
0
1
0
2
1
Σ
n
m
Для достижения поставленной цели в способе обнаружения хаотической последовательности импульсов, в котором осуществляется генерация периодических последовательностей управляющих импульсов дискретизации с периодом Т, тактовых импульсов с периодом T, М-кратным периоду Т, и цикловых импульсов с периодом Т, N-кратным периоду T, квантование входного сигнала с помощью аналого-цифрового преобразователя с формированием двумерного набора отсчетов C(n, m) входного сигнала, где m=1, 2, …, M - номера отсчетов входного сигнала в пределах одного такта, n=1, 2, …, N - номера тактов в пределах одного цикла, формирование из набора C(n, m) выделенной пачки тактовых отсчетов S(n), n=1, 2, …, N путем выбора одного отсчета в пределах каждого n-го такта, накопление выделенной пачки S(n) с помощью накапливающего сумматора и сравнение полученного суммарного кода S=ΣS(n) с порогом, дополнительно определяются максимальные в пределах каждого n-го такта отсчеты max{C(n, m), m=1, 2, …, M} с использованием полученной выборки размера N в качестве выделенной пачки S(n).
На фиг.1 изображена одна из возможных функциональных схем обнаружителя, реализующая предложенный способ, элементы 1-4 которой несут следующее техническое содержание: 1 - АЦП; 2 - регистр; 3 - компаратор кодов; 4 - накапливающий сумматор.
Функционирование предложенного способа удобно рассмотреть, обращаясь к схеме обнаружителя фиг.1.
0
0
0
1
1
2
Σ
Σ
В начале каждого цикла обнаружения все элементы схемы устанавливаются в исходное «нулевое» состояние. На информационный вход АЦП 1 поступает аналоговый входной сигнал положительной полярности. На выходе АЦП формируется поток цифровых кодов, обновляемых с периодом Т под действием импульсов дискретизации, поступающих на управляющий вход АЦП. В рассматриваемый интервал времени длительностью Т с выхода АЦП текущий код поступает на вход регистра 2 и на первый вход компаратора кодов 3, на второй вход которого поступает код, хранящийся в регистре 2. Выход компаратора кодов подключен к управляющему входу регистра. На выходе компаратора кодов 3 вырабатывается напряжение «логическая единица» или «логический ноль» в зависимости от того, какой из двух сравниваемых кодов - текущий или содержащийся в регистре - оказывается большим. В первом случае разрешается запись текущего кода в регистр, а во втором случае такая запись не производится. В следующие интервалы времени (той же длительностью Т) изложенный процесс сравнения кодов и обновления содержимого регистра повторяется и продолжается в течение всего текущего такта длительностью T, к концу которого в регистре 2 будет записан максимальный в этом такте код. Регистр 2 и компаратор кодов 3, охваченные обратной связью, можно рассматривать как единую схему выбора максимума на интервале времени, равном периоду T тактовых импульсов [3, стр.152]. Запись максимального кода в накапливающий сумматор 4 осуществляется под управлением тактового импульса. Он же - после небольшой задержки - устанавливает регистр 2 в исходное «нулевое» состояние, подготавливая его к процессу выбора максимума в следующем такте. В результате на вход накапливающего сумматора 4 в каждый n-й тактовый период будет поступать максимальный для n-го такта код S(n). Накопление S(n) в 4 и обновление его содержимого производится под управлением тактовых импульсов и продолжается в течение всего цикла обнаружения длительностью Т, к концу которого в сумматоре 4 будет записан суммарный в текущем цикле код S. Цикл обнаружения заканчивается сравнением S с пороговым кодом и установкой сумматора 4 в исходное «нулевое» состояние при поступлении на его управляющий вход циклового импульса.
Положительный эффект, достигаемый предложенным способом, качественно можно обосновать, вводя следующие упрощающие предположения относительно параметров обнаруживаемых импульсов. Будем считать, что:
- длительность импульсов известна;
1
1
- интервалы между соседними импульсами, оставаясь случайными и изменяющимися от одного такта к другому величинами, имеют постоянное среднее значение, совпадающее с длительностью тактового периода T, а их разброс не превышающим (0,5-0,7)T.
При этих предположениях на каждый тактовый период с высокой долей вероятности будет приходиться один «сигнальный» отсчет. Учитывая, что величина «сигнального» отсчета в среднем превышает величину «шумового» отсчета, моменты появления максимальных отсчетов можно интерпретировать как оценки моментов появления «сигнальных» отсчетов, а на выходе схемы выбора максимума к концу каждого тактового интервала с высокой долей вероятности будут наблюдаться «сигнальные» отсчеты, пачка которых будет эффективно накапливаться ввиду постоянного временного интервала между ними. Наличие в предложенном способе процедуры накопления отсчетов входного сигнала сближает его со структурой оптимальных алгоритмов обработки, например с алгоритмом, вытекающим из обобщенного критерия отношения правдоподобия [4; стр.96-102], когда не представляющие интереса оценки моментов появления «сигнальных» отсчетов не фиксируются и не участвуют в принятии решения.
Аналогично «единичный» результат бинарного квантования при втором способе-аналоге можно интерпретировать как момент появления «сигнального» отсчета. Однако существенная нелинейность процедуры бинарного квантования, снижающая отношение «сигнал/шум», предположительно не позволяет второму способу-аналогу эффективно конкурировать с предложенным способом.
Изложенный алгоритм функционирования соответствует высшему, т.е. информационно-логическому, уровню описания предложенного способа и указывает на принципиальную возможность его технической реализации. В то же время дальнейшая детализация схемы фиг.1, включающая выбор выпускаемых промышленностью образцов микросхем, рассмотрение вопросов их согласованной работы с использованием вспомогательных синхросигналов (стробов) и т.п., означала бы переход на более низкий уровень описания - уровень схемотехнического проектирования, что в рамках настоящего документа является чрезмерно подробным и нецелесообразным.
Источники информации
1. Бакулев П.А. Радиолокационные системы. - М.: Радиотехника, 2004 г.
2. Лезин Ю.С. Введение в теорию и технику радиотехнических систем. М.: Радио и связь, 1986 г.
3. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. - М.: Мир, 2001 г.
4. Г. Ван Трис. Теория обнаружения, оценок и модуляции. Том 1. Пер. с англ., под ред. проф. В.И. Тихонова. М.: «Сов. Радио», 1972 г.