Адаптивное устройство обнаружения и аналого-дискретного преобразования сигналов
ADAPTIVE DEVICE FOR DETECTION AND ANALOG-DISCRETE CONVERSION OF SIGNALS

Изобретение относится к области радиотехники и контрольно-измерительной техники и предназначено для обнаружения импульсных сигналов на фоне шумовых помех и аналого-дискретного преобразования (предобработки) этих сигналов, в частности для измерения текущих значений параметров выделенных импульсов из аддитивной смеси сигналов и помех при априорной неопределенности её характеристик.
Известно техническое решение «Система обнаружения радиолокационных сигналов», патент RU2262122 G01S13/04 (опубликовано 10.10. 2005 г., бюллетень №28), предназначенное для использования в радиолокационных системах контроля и управления воздушным движением и содержащая:
- N параллельно соединенных каналов обработки радиолокационных сигналов по дальности;
- N стробирующих каскадов и фильтров зоны фильтрации;
- блоки обработки радиолокационного сигнала по скорости;
- пороговое устройство;
- набор генераторов опорных сигналов с линейно-частотной модуляцией.
Недостатком этого решения является жесткая функциональная и структурная специализация, что обусловливает ограничение функциональных возможностей.
Известно еще одно техническое решение «Устройство для обнаружения и преобразования видеосигналов», АС №856024 H04B 3/46, G01R 29/00 (опубликовано 15.08.81 г., бюллетень №30), предназначенное для согласования приемного тракта с анализирующей аппаратурой (например, с информационно-измерительной системой) в части обнаружения и выделения видеосигналов на фоне помех. Это устройство содержит согласующий блок, ключ, интегратор, усилитель постоянного тока, ограничитель, два элемента задержки, пиковый детектор, формирователь опорного сигнала, блок сравнения, два сумматора (первый и второй), потенциометрический датчик.
Недостатком такого устройства являются ограниченные функциональные возможности в части управления аналого-дискретным преобразованием импульсных сигналов с целью снижения вероятности пропуска слабых сигналов и повышения точности измерения их временных параметров.
Последнее из перечисленных выше технических решений наиболее близкое к описываемому техническому решению в части функций и использования соединений отдельных типовых элементов.
Техническая задача изобретения состоит в расширении функциональных возможностей адаптивного устройства, предназначенного для обнаружения и аналого-дискретного преобразования сигналов. Решение технической задачи заключается в том, что адаптивное устройство обнаружения и аналого-дискретного преобразования сигналов (далее адаптивное устройство) содержит согласующий блок, управляемый полосой фильтр, управляемый ограничитель (пороговое устройство), первый, второй и третий дифференцирующие блоки, собирательную схему («ИЛИ»), пиковый детектор, управляемый интегратор (устройство выборки хранения), линию задержки, первый и второй ключи (вентили), первый и второй RS- триггеры, компаратор, управляемый генератор эталонных импульсов, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), цифровой контроллер и цифро-аналоговый преобразователь, причем вход согласующего блока подключен ко входу линии задержки и к сигнальному входу полосового фильтра, выход полосового фильтра соединен со входом первого дифференцирующего блока, с сигнальным входом управляемого ограничителя и с сигнальным входом управляемого интегратора; выход первого дифференцирующего блока подключен к сигнальному входу пикового детектора, выход которого соединен с управляющим входом ограничителя, выход которого подключен к сигнальному входу второго дифференцирующего блока, первый вход которого соединен с первым входом собирательной схемы («ИЛИ») и с S-входом первого RS-триггера, второй выход второго дифференцирующего блока подключен ко второму входу собирательной схемы, выход которой соединен с управляющим входом пикового детектора; выход линии задержки подключен к сигнальному входу первого ключа, управляющий вход которого соединен с выходом первого RS-триггера, а выход первого ключа подключен к сигнальному входу компаратора, управляющий вход которого соединен с выходом управляемого интегратора, а выход компаратора подключен к сигнальному входу третьего дифференцирующего блока, первый выход которого подключен к  S-выходу второго RS-триггера и к синхронизирующему входу генератора эталонных импульсов, второй вход третьего дифференцирующего блока соединен с R-выходами первого и второго RS-триггеров и с управляющим входом интегратора; выход второго RS-триггера подключен к управляющему входу второго ключа и к первому сигнальному входу контроллера; выход генератора эталонных импульсов соединен с сигнальным входом второго ключа, выход которого подключен ко второму сигнальному входу контроллера, первый информационный вход которого (порт) соединен с первым выходом ОЗУ, второй выход которого соединен со вторым информационным входом (порт) контроллера, первый цифровой выход (порт) которого подключен к первому информационному входу ОЗУ, второй информационный вход которого соединен со вторым информационным выходом (порт) контроллера, третий информационный выход которого (порт) параллельно поразрядно подключен ко входу цифро-аналогового преобразователя (ЦАП), аналоговый выход которого подключен к управляющему входу полосового фильтра; четвертый информационный выход (порт) контроллера соединен с информационной шиной ввода-вывода адаптивного устройства.
На фиг. 1 представлена структурная схема адаптивного устройства обнаружения и аналого-дискретного преобразования сигналов, на фиг. 2 приведен график амплитудно-частотной характеристики регулируемого полосового фильтра, на фиг. 3 приведены эпюры, поясняющие принцип работы адаптивного устройства.
В состав заявленного адаптивного устройства входят (фиг. 1) согласующий блок 1, полосовой управляемый фильтр 2, первый, второй и третий дифференцирующие блоки соответственно 3, 6 и 13, пиковый детектор 4, управляемый ограничитель 5, собирательная схема 7, первый и второй RS-триггеры соответственно 8 и 14, линия задержки 9, первый и второй ключи соответственно 10 и 15, управляемый интегратор 11, компаратор 12, управляемый генератор эталонных импульсов (УГЭИ) 16, контроллер 17, ОЗУ 18 и цифро-аналоговый преобразователь 19.
Адаптивное устройство работает следующим образом.
Входное воздействие  (фиг. 3 эпюр а),
где t – время, λ–плотность входного потока, S– сигнал,  -шумовая помеха поступающая на согласующий блок 1 и далее на вход управляемого полосового фильтра 2, а также через линию задержки 9 (фиг. 3 эпюр д) на вход первого ключа 10. В исходном состоянии полосовой фильтр 2 согласован с входным потоком λ таким образом, что его полоса пропускания  выбрана из условия (фиг. 2)
(1)
где  - начальная ширина полосы пропускания фильтра 2, определяемая как разность частот среза  на характеристике ;
- минимальная длительность импульса из потока сигналов в соответствии с априори заданным диапазоном длительности импульсных сигналов, содержащихся во входном воздействии ;
- максимальная частота в спектре принимаемых сигналов. (фиг. 2)
При этом предполагается, что полоса пропускания внешнего приемного устройства, формирующего входное воздействие  для адаптивного устройства, намного шире исходной полосы . Известно (например, Брюханов Ю.А., Лукашевич Ю.А. Влияние аналого-цифрового преобразования сигналов на нелинейные явления в радиоприемных устройствах // Радиотехника – 2017. - №.2 – С. 31-35), что ширина спектра шумовой помехи
(2)
где  - дисперсия (мощность) шума;
- спектральная плотность шума ().
Динамическое согласование адаптивного устройства по полосе при априорной неопределенности диапазона изменения
(3)
возможно с учетом того, что информация, полученная о ив r-той реализации может быть использована для прогнозирования полосы пропускания фильтра 2 с учетом этих величин для r+1- й реализации входного воздействия в предположении, что оно - стационарный случайный процесс, по крайней мере для интервала , если длительность реализации выбирается из условия
(4)
где  - максимальное значение (априорное) интервала (периода) следования импульсов входного воздействия.
С выхода полосового фильтра 2 ограниченное по полосе входное воздействие (смесь сигналов и шумов) поступает на вход первого дифференцирующего блока 3, на сигнальный вход ограничителя 5 и на управляемый интегратор 11, его сигнальный вход. Первый дифференцирующий блок 3 осуществляет операцию дифференцирования входного воздействия с целью выделения высокочастотной шумовой составляющей  как информационного колебания, используемого для формирования порога обнаружения сигналов (например, А.А. Бурмака, Ю.В. Цыплаков, Т.Н. Говорухина Обнаружение видеосигналов на фоне аддитивной шумовой помехи при априорной неопределенности характеристик входного воздействия. Радиотехника. 2017. №2. С. 47-52). Это колебание  c выхода первого дифференцирующего блока 3 поступает на сигнальный вход пикового детектора 4, формирующего квазипостоянное (на время r-й реализации входного воздействия) пороговое напряжение  (фиг. 3, эпюры а) и б)), которое поступает на управляющий вход ограничителя 5, реализующего в соответствии с критерием Неймана-Пирсона (вероятность пропуска сигнала - , вероятность ложной тревоги ) операцию обнаружения импульсных сигналов на фоне помех.
Нормированные по амплитуде импульсные сигналы, превысившие пороговый уровень  (фиг. 3, эпюр в), с выхода ограничителя 5 поступают на сигнальный вход второго дифференцирующего блока 6. При этом на первом выходе блока 6 формируется импульс короткой длительности (фиг. 3, эпюр г)), соответствующий по времени фронту (переднему) выходного импульса ограничителя. Этот импульс поступает на первый вход собирательной схемы 7 (фиг. 1) и на S-вход первого RS-триггера 8. На второй вход собирательной схемы 7 с выхода второго дифференцирующего блока 6 поступает импульс также короткой длительности  (фиг. 3, эпюр г)), соответствующий спаду (заднему фронту) обнаруженного импульса. С выхода собирательной схемы 7 эти импульсы поступают на управляющий вход пикового детектора 4 для бланкирования его по входу в моменты времени, соответствующие импульсам  и, присутствующим также на выходе первого дифференцирующего блока 3. Это выполняется для того, чтоб энергия этих импульсов не влияла на формирование импульсным детектором 4 порогового напряжения . Первый RS-триггер 8 при поступлении на его S-вход импульса  устанавливается в состояние «единица» (фиг. 3, эпюр е)), при котором по управляющему входу открывается первый ключ 10 и импульсный сигнал, задержанный линией 9 (фиг. 3, эпюр д)) через открытый ключ 10 поступает на сигнальный вход (фиг. 3, эпюр ж)), компаратора 12 (фиг. 1). Управляемый интегратор 11 (фиг. 1) выполняет функцию устройства выборки хранения. При этом на его выходе формируется напряжение, уровень которого, в среднем, соответствует уровню выделенных импульсов в измерительном канале ИИС. Это напряжение с выхода интегратора 11 поступает на управляющий вход компаратора 12 (фиг. 3, эпюр з)), который на своем выходе формирует импульс, нормированный по амплитуде, длительность которого соответствует измерительному уровню, установленному в соответствии с выходным напряжением управляемого интегратора 11 (например, на уровне 0,5эпюры ж) и з)). Этот импульс (фиг. 3, эпюр и)) с выхода компаратора 12 (фиг. 1) поступает на вход третьего дифференцирующего блока 13, с первого выхода которого импульс , соответствующий фронту выходного i-го импульса компаратора 12 (фиг. 3, эпюр к)), поступает на синхронизирующий вход интегратора эталонных импульсов 16 (фиг. 1) и на S-вход второго RS-триггера 14. Импульс , соответствующий спаду выходного импульса компаратора 12 (фиг.3, эпюр к)) со второго выхода дифференцирующего блока 13 поступает: на управляющий вход интегратора 11, R–вход первого 8 и второго 14 RS-триггеров, устанавливая все эти устройства в исходное состояние, то есть устанавливаются в уровень «ноль». Импульс  (фиг. 3, эпюр к)), поступающий на вход генератора эталонных импульсов 16, синхронизирует его работу таким образом, что первый импульс длительностью  формируется на входе через эталонный интервал , причем . Этим действием синхронизируется начало отсчета эталонных интервалов, чтобы уменьшить среднеквадратичное отклонение погрешности при цифровом представлении временных интервалов как параметров преобразуемых сигналов:  - длительность импульса на заданном уровне,  - период следования импульсов,  - межимпульсный интервал,  - период следования пачек (серий) импульсов. В этом случае среднеквадратическая погрешность равна (Ефимов В.М. Квантование по времени при измерении и контроле. М., Энергия. – 1969. – 88 с.)
(5)
в противном случае (при отсутствии синхронизации) эта погрешность составляет
(6)
т.е. среднеквадратическая погрешность без синхронизации увеличивается в 1.41 раз. Эталонные импульсы с выхода генератора 16 поступают на сигнальный вход второго ключа 15 (фиг. 1), на управляющий вход которого поступают импульсы с выхода второго RS-триггера 14. При этом с выхода второго ключа 15 пачки эталонных импульсов , количество которых пропорционально длительности выходных импульсов триггера 14, поступают на второй сигнальный вход контроллера 17. Таким образом, в контроллере 17 формируется цифровое значение длительности входных импульсов в измерительной части адаптивного устройства. Триггер 14 предназначен для устранения «дребезга» фронтов выходных импульсов компаратора 12 и третьего дифференцирующего блока 13. Выходные импульсы триггера 14 поступают также на первый сигнальный вход контроллера 17, используемый для цифрового представления величин  и, например, с формированием временного интервала – аналога  (фиг. 3, эпюр л)).
Кроме формирования числовых величин временных параметров обнаруженных сигналов в реальном масштабе времени контроллер 17 осуществляет управление полосой пропускания фильтра 2 следующим образом. В процессе преобразования сигналов реализации в контроллере 17 формируются цифровые значения и , которые, соответственно, по первому и второму цифровому выходу (портам) контроллера 17 поступают на первый и второй информационные входы оперативного запоминающего устройства 18.
По истечению времени для r-той реализации накопленная в ОЗУ 18 информация для  и  соответственно с первого и второго выходов ОЗУ поступает в контроллер, где реализуются алгоритмы поиска величин и , которые поочередно параллельно поступают с третьего информационного выхода (порта) контроллера 17 на вход цифро-аналогового преобразователя 19. ЦАП 19, таким образом, на своем выходе формирует аналоговое напряжение, управляющее перестройкой полосы пропускания фильтра 2 (фиг. 1), амплитудно-частотная характеристика , которого показана на фиг. 2, где на уровне  от максимума определяются частоты среза  и , определяющие границы полосы пропускания. Эти частоты устанавливаются для r+1-й реализации по аналоговым значениям  и, определенные при анализе контроллером 17 выборок параметров  и  в пределах r-ой реализации и в предположении, что характеристики шумовых помех в r+1-й реализации соответствуют стационарному случайному процессу. Сама процедура управления полосовым фильтром (например, Лэм Г. Аналоговые и цифровые фильтры, расчет и реализация. М,:Мир. – 1982. – 592 с., с.34-45) может быть реализована с использованием замены катушек индуктивности управляемыми узлами, построенными на основе операционных усилителей (ОУ) и линейных элементов (резисторов и конденсаторов) в цепях обратных связей с тем, чтобы их переходная характеристика соответствовала индуктивности, которой можно управлять в этом случае с помощью изменения напряжения, формируемого цифро-аналоговым преобразователем 19. Если в r+1-й реализации сигнально-параметрическая ситуация не меняется, то подстройки частот среза не происходит. Если поток  во входном воздействии не предполагает коррекции параметров сигналов, то до изменения ситуации настройка фильтра 2 (фиг. 1) осуществляется с учетом априорных данных о и . Таким образом, построение адаптивного устройства обнаружения и аналого-дискретного преобразования сигналов, содержащего две цепи обратной связи, решают задачу адаптации устройства к априори неизвестным характеристикам входного воздействия с целью повышения достоверности обнаружения импульсных сигналов на фоне аддитивных шумовых помех и повышения точности измерения временных параметров этих сигналов. Поскольку все компоненты адаптивного устройства могут быть построены с использованием общедоступной элементной базы, выпускаемой серийно, то серийное изготовление, эксплуатация и модернизация адаптивного устройства не вызывают технологических затруднений.