Устройство для распознавания бинарных фазоманипулированных сигналов

Предлагаемое устройство для распознавания бинарных фазоманипулированных /ФМ/ сигналов относится к приемникам импульсной информации и предназначено для использования в станциях радиотехнической разведки /РТР/ и пассивных системах целеуказания /ПСЦУ/ в качестве аппаратуры определения вида внутриимпульсной модуляции сложных сигналов.
В качестве первого аналога рассмотрим устройство по авт. свид. СССР №1840962 /заявка 1575094 от 21.02.1974 г./, в котором для различения вида внутриимпульсной модуляции сложных сигналов используются различия в спектре откликов на выходе автокоррелятора. Спектр отклика на ЛЧМ сигнал концентрируется в относительно узкой полосе, в то время как спектр отклика ФМ сигнала существенно шире /обратно пропорционален времени задержки в цепи автокоррелятора/. Производится взвешивание энергий определенных участков спектра отклика автокоррелятора и принимается решение о виде модуляции.
Недостатком данного устройства является узкий диапазон рабочих частот канала различения ФМ сигналов и узкий диапазон параметров модуляций обрабатываемых сигналов. Это обусловлено наличием общей задержки в цепи автокоррелятора как для обработки ЛЧМ сигналов, так и для обработки ФМ сигналов, в то время как требования к длительности задержки в цепи автокоррелятора для обработки ФМ и ЛЧМ сигналов противоречивы. Для обработки ФМ сигналов длительность задержки должна быть не более длительности дискрета бинарного ФМ сигнала /практически составляет величину 0,1-0,2 мкс/, а для обработки ЛЧМ сигналов длительность задержки определяется параметрами крутизны нарастания частоты внутриимпульсной модуляции и для реальных сигналов составляет величину 1-2 мкс.
В качестве второго аналога рассмотрим устройство по авт. свид. СССР №1841158 /заявка 1587293 от 14.03.1975 г./, в котором для расширения диапазона рабочих частот различителя ФМ сигналов автокоррелятор выполнен по квадратурной схеме. Алгоритм принятия решения о виде внутриимпульсной модуляции здесь аналогичен рассмотренному выше, поэтому данным устройством обрабатываются сигналы в узком диапазоне параметров внутриимпульсной модуляции, что является его недостатком.
В качестве третьего аналога рассмотрим устройство по авт. свид. СССР №1840896 /заявка 2206387 от 5.07.1976 г./, в котором для расширения диапазона параметров модуляции обрабатываемых сигналов используются отдельные каналы обработки ЛЧМ и ФМ сигналов. Каждый канал содержит автокорреляторы, в состав которых входят линии задержки, перемножители и фильтры, причем задержка сигнала в автокорреляторе канала обработки ЛЧМ сигнала выбирается намного больше аналогичной задержки в канале обработки ФМ сигнала.
Для различения ЛЧМ сигналов используется информация о биполярности напряжений сигнала биений на выходе фильтра нижних частот автокоррелятора при обработке ЛЧМ сигналов.
Такой алгоритм реализации устройства приводит к тому, что при обработке ФМ сигналов отклик автокоррелятора канала ЛЧМ сигнала биполярный и на его выходе формируется ложный признак приема ЛЧМ сигнала. Для исключения ложной информации при обработке ФМ сигнала производится бланкирование схемы формирования признака ЛЧМ сигнала. Бланкирование осуществляется импульсом признака ФМ сигнала. Чувствительность же канала обработки ЛЧМ сигнала в данном устройстве на 5-7 дБ выше чувствительности канала обработки ФМ сигнала.
Различная чувствительность каналов приводит к тому, что в указанном динамическом диапазоне /на 5-7 дБ выше уровня чувствительности канала обработки ЛЧМ сигналов/ ФМ сигналы из-за отсутствия импульсов бланкирования принимаются за ЛЧМ сигналы. В этом динамическом диапазоне устройство имеет низкую достоверность различения сигналов по выходу "ЛЧМ".
В качестве аналога рассмотрим устройство по авт. свид. СССР №1841159 /заявка №3133807/09 от 21.01.1986 г./, в котором для распознавания фазоманипулированных сигналов используется алгоритм сравнения соседних интервалов между импульсами нуль-переходов сигнала биений на выходе автокоррелятора. При обработке ФМ сигнала в отклике автокоррелятора имеются области с временными интервалами между импульсами соседних нуль-переходов, равными времени задержки в цепи автокоррелятора. Устройство формирует признак приема ФМ сигнала по наличию трех и более таких интервалов /в зависимости от статистической надежности распознавания ФМ сигнала и от его структуры/.
Однако, как будет показано ниже, возможны условия, когда при определенных значениях параметров внутриимпульсной модуляции ЛЧМ сигналов на выходе автокоррелятора интервалы между соседними импульсами нуль-переходов оказываются равными времени задержки в цепи автокоррелятора и устройство формирует ложный признак приема ФМ сигнала при обработке ЛЧМ сигнала. В этом случае устройство будет иметь низкую достоверность различения ФМ сигналов, что является недостатком известного устройства.
Рассмотрим это подробнее. Известно, что сигнал биений на выходе автокоррелятора представляет собой колебание с постоянной частотой:
б
з
ω=μτ=const,
б
где ω - частота сигнала биений на выходе автокоррелятора при приеме ЛЧМ сигналов;
μ - крутизна нарастания ЛЧМ сигнала;
з
τ - время задержки в цепи автокоррелятора.
При этом временной интервал между соседними импульсами нуль-переходов определится из выражения: ,
i
где t - временной интервал между соседними импульсами нуль-переходов;
б
б
T=1/f - период повторения сигнала биений;
б
б
f=ω/2π - частота сигнала биений.
i
з
При t=τ устройство формирует признак приема ФМ сигналов, т.е.
.
Решая это выражение относительно крутизны нарастания ЛЧМ сигнала, получим значение крутизны, при которой формируется ложный признак приема ФМ сигнала
.
з
Так как в известном устройстве результат сравнения текущих интервалов с постоянно записанным значением τ испытывается на порог во втором пороговом блоке /точность сравнения до 20%/, то последнее выражение можем записать в виде
.
Таким образом крутизна нарастания ЛЧМ сигнала, при которой известное устройство для распознавания бинарных фазоманипулированных сигналов формирует ложный признак приема ФМ сигнала при обработке ЛЧМ сигнала, определяется только временем задержки в цепи автокоррелятора.
з
з
Например, при τ=0,5 мкс ложный признак приема ФМ сигнала формируется при обработке ЛЧМ сигнала с крутизной нарастания μ=10÷15 МГц/мкс; при τ=1 мкс - μ=2,5-3,8 МГц/мкс. То есть в широком диапазоне изменения параметров внутриимпульсной модуляции ЛЧМ сигнала известное устройство имеет низкую достоверность различения ФМ сигналов, что является недостатком устройства.
Низкая достоверность различения ФМ сигналов снижает качество решения задачи опознавания радиоэлектронных средств вероятного противника по виду внутриимпульсной модуляции сигналов.
Предлагаемое техническое решение направлено на устранение указанного недостатка.
По своей технической сущности к предлагаемому устройству наиболее близко устройство по авт. свид. СССР №1841159 /заявка №3133807/09 от 21.01.1986 г./, которое выбираем в качестве прототипа.
Известное устройство /фиг. 1/ содержит последовательно соединенные автокоррелятор, первый пороговый блок, ключ, преобразователь "интервал-код", первый регистр, делитель, ко второму входу которого подключен выход второго регистра, второй пороговый блок, элемент И, счетчик импульсов и блок совпадения, а также содержит элемент задержки и последовательно соединенные детектор огибающей, компаратор и одновибратор, при этом входы автокоррелятора и детектора огибающей соединены вместе и являются входом устройства, выход компаратора соединен с управляющим входом ключа, выход которого соединен с управляющим входом первого регистра и через элемент задержки - с вторым входом элемента И. Входы сброса преобразователя "интервал-код", первого регистра и счетчика импульсов соединены вместе и подключены к выходу одновибратора.
Как было указано выше, недостатком известного устройства является низкая достоверность различения сигналов, что снижает качество решения задачи опознавания радиоэлектронных средств вероятного противника по виду внутриимпульсной модуляции сигналов.
Целью настоящего изобретения является повышение достоверности различения ФМ сигналов.
В конечном итоге это позволит повысить вероятность опознавания типа РЛС вероятного противника и его носителя при решении задач РТР и ПСЦУ и качество организации эффективного радиопротиводействия.
Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержащее последовательно соединенные автокоррелятор, первый пороговый блок, ключ, преобразователь "интервал-код", первый регистр, делитель, второй пороговый блок, первые элемент И и счетчик импульсов, а также второй регистр, выход которого соединен с вторым входом делителя, первый элемент задержки, вход и выход которого соединены, соответственно, с управляющим входом первого регистра и с вторым входом первого элемента И, и последовательно соединенные детектор огибающей, компаратор и одновибратор, выход которого соединен со сбросовыми входами преобразователя "интервал-код", первого регистра и счетчика импульсов, а выход компаратора соединен с управляющим входом ключа, при этом входы автокоррелятора и детектора огибающей соединены вместе и являются входом устройства, в него введены последовательно соединенные третий регистр, второй делитель, третий пороговый блок, второй элемент И, триггер, второй счетчик импульсов, четвертый пороговый блок и третий элемент И, выход которого является выходом устройства, а также пятый пороговый блок, вход которого соединен с выходом второго делителя, четвертый элемент И, вход и выход которого соединены, соответственно, с выходом пятого порогового блока и с вторым входом триггера, второй элемент задержки и шестой пороговый блок, выход которого соединен с вторым входом третьего элемента И, при этом вход шестого порогового блока соединен с выходом первого счетчика импульсов, сбросовый вход которого соединен с сбросовыми входами второго счетчика импульсов и третьего регистра, сигнальный вход которого соединен с вторым входом второго делителя и с выходом первого регистра, а управляющий вход третьего регистра соединен с выходом ключа и входом второго элемента задержки, выход которого соединен с входом первого элемента задержки, выход которого соединен также с вторыми входами второго и четвертого элементов И.
Введение в устройство новых элементов /второй элемент задержки, второй делитель, третий регистр, триггер, второй счетчик импульсов, второй, третий и четвертый элементы И, третий, четвертый, пятый и шестой пороговые блоки/ и связей между ними позволило получить новый эффект - повышение достоверности различения ФМ сигналов.
Это поясняется тем, что алгоритм различения ФМ сигналов в предложенном устройстве использует кроме наличия в структуре импульсов нуль-переходов отклика автокоррелятора на ФМ сигнал областей с временными интервалами между соседними импульсами нуль-переходов, равными времени задержки в цепи автокоррелятора, также дополнительных отличительных признаков, а именно: наличие в структуре импульсов нуль-переходов отклика автокоррелятора на ФМ сигнал значительно отличающихся друг от друга соседних интервалов между импульсами нуль-переходов, при этом отношение текущего интервала к предыдущему то значительно больше единицы, то значительно меньше, а изменение знака происходит столько раз, сколько перебросов фаз во внутриимпульсной структуре ФМ сигналов. Такой алгоритм обработки ФМ сигналов реализуют введенные в устройство новые элементы и связи. Временные интервалы между импульсами нуль-переходов отклика автокоррелятора при обработке ЛЧМ сигналов одинаковы и устройство не формирует ложный признак приема ФМ сигналов, что и повышает достоверность различения ФМ сигналов.
Авторам не известны технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками предложенного технического решения.
На фиг. 2 изображена блок-схема предложенного устройства.
Устройство содержит автокоррелятор 1, детектор огибающей 2, пороговый блок 3, компаратор 4, ключ 5, одновибратор 6, элемент задержки 7, преобразователь "интервал-код" 8, регистры 9, 10, делитель 11, регистр 12, элемент задержки 13, пороговый блок 14, делитель 15, пороговые блоки 16, 17, элементы И 18, 19, триггер 20, элемент И 21, счетчики импульсов 22, 23, пороговые блоки 24, 25, элемент И 26.
Входы автокоррелятора 1 и детектора огибающей 2 соединены вместе и являются входом устройства. Выход автокоррелятора через последовательно соединенные пороговый блок 3, ключ 5, преобразователь "интервал-код" 8, регистр 9, делитель 11, пороговый блок 14, элемент И 18, счетчик импульсов 22 и пороговый блок 24 соединен с первым входом элемента И 26, выход которого является выходом устройства. Выход регистра 9 соединен также с входом делителя 15 и с сигнальным входом регистра 12, выход которого соединен с вторым входом делителя 15. Выход делителя 15 через пороговый блок 16 и элемент И 19 соединен с первым входом RS-триггера 20, а через пороговый блок 17 и элемент И 21 - с вторым входом RS-триггера 20, выход которого через счетчик импульсов 23 и пороговый блок 25 соединен с вторым входом элемента И 26. Выход детектора огибающей 2 соединен с входом компаратора 4, выход которого соединен с входом одновибратора 6 и с управляющим входом ключа 5, выход которого соединен также с управляющим входом регистра 12 и входом элемента задержки 7, выход которого соединен с управляющим входом регистра 9 и входом элемента задержки 13, выход которого соединен с вторыми входами элементов И 18, 19, 21. Выход одновибратора 6 соединен со сбросовыми входами преобразователя "интервал-код" 8, регистров 9, 12 и счетчиков импульсов 22, 23. Второй вход делителя 11 соединен с выходом регистра 10, который в данном устройстве выполняет функцию постоянного запоминающего устройства /ПЗУ/.
Рассмотрим работу предлагаемого устройства. Для наглядности воспользуемся эпюрами напряжений в различных точках блок-схемы, представленными на фиг. 3.
з
Огибающая ФМ сигнала изображена на фиг. 3,а. На фиг. 3,б, фиг. 3,в представлены законы изменения фазы ФМ сигнала на входах перемножителя автокоррелятора /на одном из входов сигнал задержан на время задержки в цепи автокоррелятора τ относительно другого входа/. Огибающая отклика автокоррелятора на бинарный ФМ сигнал представлена на фиг. 3,г. Пороговый блок 3 формирует короткие импульсы нуль-переходов сигнала биений по выходу автокоррелятора, которые через ключ 5 поступают на преобразователь "интервал-код" 8.
Управление ключом 5 производится стробом с выхода компаратора 4. Строб формируется детектором огибающей 2 при обнаружении сигнала и нормируется компаратором 4 /фиг. 3,а/. Таким образом на выходе ключа 5 импульсы нуль-переходов сигнала биений будут присутствовать только при наличии сигнала на входе устройства /фиг. 3,д/.
i
з
i
з
зап.
сравн.
пор.
Интервалы между соседними импульсами нуль-переходов t последовательно записываются в виде кода в регистр 9 и сравниваются в делителе 11 с кодом интервала длительности задержки τ в цепи автокоррелятора, который записан и постоянно хранится в регистре памяти 10, выполняющего в данном устройстве функции ПЗУ, и поступает на второй вход делителя 11. При равенстве интервалов t=τ срабатывает пороговый блок 14 /фиг. 3,е/, с выхода которого импульсы поступают на вход элемента И 18. На его второй вход поступают импульсы нуль-переходов с выхода ключа 5 через элементы задержки 7, 13 / фиг. 3,ж/. Величина задержки элемента задержки 13 определяется временем записи в регистр 9 кода текущего интервала /t/, временем сравнения кодов интервалов в делителе 11 /t/ и временем анализа результата сравнения в пороговом элементе 14 /t/. Должно соблюдаться условие:
.
i
з
При соблюдении указанного условия на вход счетчика импульсов 22 короткие импульсы нуль-переходов поступят только при наличии в анализируемой пачке по выходу ключа 5 интервалов между соседними импульсами, равными времени задержки в цепи автокоррелятора t=τ /фиг. 3,и/.
i
з
Счетчик импульсов 22 подсчитывает количество интервалов t=τ, а пороговый блок 24 срабатывает при наличии трех и более импульсов /фиг. 3,к/ на счетчике 22 /зависит от статистической надежности распознавания ФМ сигнала и от его структуры/.
Признак приема ФМ сигнала в данном устройстве формируется не только по наличию в пачке импульсов нуль-переходов отклика автокоррелятора областей с временными интервалами между соседними импульсами, равными времени задержки в цепи автокоррелятора. Для устранения ложного формирования признака приема ФМ сигналов при обработке ЛЧМ сигналов в устройстве используется наличие в структуре нуль-переходов отклика автокоррелятора на ФМ сигнал соседних интервалов, значительно отличающихся друг от друга по величине /фиг. 3,д/, при этом отношение последующего интервала к предыдущему то значительно больше единицы, то значительно меньше, причем изменение знака происходит столько раз, сколько изменений фазы в структуре обрабатываемого ФМ сигнала.
Для анализа соотношения соседних интервалов между импульсами нуль-переходов сигнала биений по выходу ключа 5 служит преобразователь "интервал-код" 8, регистры 9, 12, делитель 15, пороговые блоки 16, 17 и элемент задержки 7.
Управление регистрами 9, 12 выполнено таким образом, что в регистр 12 передним фронтом импульса нуль-перехода с выхода ключа 5 переписывается значение предыдущего интервала с регистра 9, а затем в регистр 9 записывается значение текущего интервала с выхода преобразователя "интервал-код" 8. Чтобы запись текущего интервала в регистр 9 производилась после перезаписи предыдущего интервала в регистр 12, служит элемент задержки 7.
Таким образом, регистр 9 хранит значения текущего интервала, а регистр 11 - предыдущего. В блоке деления 15 значения текущего и предыдущего интервалов сравниваются.
Результат сравнения испытывается на порог в пороговых блоках 16, 17, пороги которых выбраны таким образом, что блок 16 срабатывает при отношении текущего интервала между импульсами нуль-переходов к предыдущему меньше единицы /фиг. 3,л/, а блок 17 при отношении больше единицы /фиг. 3,м/.
з
С выходов пороговых блоков 16, 17 результаты сравнения отношения соседних интервалов с порогами поступают на входы элементов И 19, 21, на вторые входы которых поступают импульсы нуль-переходов с выхода элемента задержки 13 /фиг. 3,ж/. С выходов элементов И 19, 21 импульсы поступают на входы RS-триггера 20, причем импульсы с выхода элемента И 19 перебрасывают триггер 20 в одно состояние, а с выхода элемента И 21 - в другое. В результате этого на выходе триггера 20 формируются импульсы, длительность которых равна длительности задержки τ в цепи автокоррелятора, причем количество импульсов соответствует числу перебросов фазы во внутриимпульсной структуре фазоманипулированного сигнала /фиг. 3,н/. Счетчик импульсов 23 подсчитывает количество, а пороговый блок 25 срабатывает при наличии трех и более импульсов /фиг. 3,о/ по выходу триггера 20 /зависит от внутриимпульсной структуры ФМ сигнала/. Элемент И 26 объединяет рассмотренные алгоритмы различения ФМ сигналов (фиг. 3,р).
После окончания импульса строба по выходу компаратора 4 запускается одновибратор 6 и обнуляет преобразователь "интервал-код" 8, регистры 9, 12 и счетчики импульсов 22, 23. Устройство вновь подготовлено для анализа входных сигналов.
Таким образом, предложенное устройство реализует следующий алгоритм различения ФМ сигналов:
1. Наличие в пачке импульсов нуль-переходов сигнала биений на выходе автокоррелятора при обработке ФМ сигнала областей с временными интервалами между соседними импульсами нуль-переходов, равными времени задержки в цепи автокоррелятора.
2. При обработке ФМ сигналов каждый текущий интервал между импульсами нуль-переходов значительно отличается от предыдущего, при этом отношение текущего интервала к предыдущему то значительно больше единицы, то значительно меньше, причем изменение знака происходит столько раз, сколько перебросов фаз во внутриимпульсной структуре ФМ сигнала.
При обработке ЛЧМ сигналов временные интервалы между соседними импульсами нуль-переходов отклика автокоррелятора одинаковы, отношение между соседними интервалами равно единице, пороговые блоки 19, 21 не срабатывают и на выходе триггера 20 импульсы отсутствуют. Пороговый блок 25 не срабатывает и на выходе устройства отсутствует сигнал признака приема ФМ сигнала.
Такое построение схемы предложенного устройства по сравнению с известным при простой технической реализации позволяет с высокой достоверностью производить распознавание сигналов с внутриимпульсной бинарной фазовой модуляцией.
Все узлы предлагаемого устройства выполнены по известным типовым схемам современной цифровой техники на интегральных микросхемах с высоким быстродействием.
Использование предлагаемого устройства в станциях РТР и ПСЦУ позволит повысить качество решения задач селекции и идентификации сигналов, повысить вероятность опознавания типов РЛС вероятного противника и его носителя и эффективность организации радиопротиводействия.