Устройство поиска и слежения за широкополосным сигналом

Реферат

 

Изобретение относится к области техники передачи информации по каналам радиосвязи и предназначено для использования в широкополосных системах и связи, преимущественно помехозащищенных относительно воздействия преднамеренных и непреднамеренных помех систем радиосвязи. Техническим результатом изобретения является повышение помехоустойчивости на этапе вхождения в синхронизм. В устройство дополнительно введены управляемая схема формирования сдвига копий, входы которой соединены с блоком формирования копий синхро-псевдослучайных последовательностей, счетчик, ключ, выход управляемой схемы формирования сдвига копий, подключенный к последовательно соединенным перемножителю, интегратору, амплитудному детектору, схеме выбора максимума, запоминающему и вычитающему устройствам, ключу и делителю с переменным коэффициентом деления. При этом входы делителя соединены с опорным генератором и дискриминатором, через ключ, а выход с устройством поиска. После завершения поиска остается зона неопределенности, в которой находится «свой сигнал». Но индикация наличия «своего» сигнала в этих устройствах отсутствует. Затем осуществляется процесс слежения уже в оставшейся зоне неопределенности. 7 ил.

Предлагаемое устройство относится к области техники передачи информации по каналам радиосвязи и предназначено для использования в широкополосных системах связи, преимущественно помехозащищенных относительно воздействия преднамеренных и непреднамеренных помех в системах радиосвязи. Устройства приема широкополосного сигнала состоят из блока слежения за временным положением сигнала, иначе устройства точной временной ФАП, и блока синхронного выделения информации.

Причем, в таких системах используется два сигнала синхро- и информационный, несущие колебания которых сдвинуты относительно друг друга на . Информационный и синхросигналы промодулированы различными псевдослучайными последовательностями (ПСД) на отрезке [0, ], что обеспечивает постоянство амплитуды на выходе передающего устройства (авт.св. №300946 Н 03 С 3/40, 1971 "Аппаратура для передачи дискретной информации", авторы Перьков В.В., Яковлев Л.А.) Мощности синхро- и информационного сигналов, как правило, равны. На таком принципе работают устройства поиска по авт.св.: № 1840270, 1840112.

Но все перечисленные выше устройства имеют существенный недостаток: время накопления в режиме слежения выбирается постоянным и исходя из худшего случая, не учитывается величина расстройки.

Наиболее близким к заявляемому является устройство поиска и слежения за широкополосным сигналом по авт.св. № 1840035 от 09.09.1981 г. авторов Бокка О.Ф., Колесниченко Г.Д.

Блок-схема устройства-прототипа показана на фиг.1, где введены обозначения:

1 - блок формирования копий СП;

2 - перемножители;

3 - интеграторы;

4 - амплитудные детекторы;

5 - устройство поиска;

6 - формирователь порога;

7 - вычитающее устройство;

8 - устройство фазирования по задержке;

9 - блок формирования копий информационной ПСП;

10 - схема сравнения;

11 - схема принятия решений;

12 - блок определения уровня сигнала расстройки;

13 - формирователь сигналов управления.

Для лучшего понимания физической сути заявляемого устройства авторы укрупнили некоторые функциональные узлы прототипа и вынесли отдельным блоком опорный генератор из устройства поиска 5, состоящего из групп корреляционных каналов, состоящих из последовательно соединенных перемножителя, интегратора и амплитудного детектора, схем выбора максимума, ключей, двух схем сравнения, сумматора, управляемого делителя грубой, дискретной ФАП, управляемого делителя точной дискретной ФАП, схемы управления делителями и схемы управления по задержке.

Левый и правый корреляционные каналы группы слежения, состоящие из последовательно соединенных перемножителя 2, интегратора 3, амплитудного детектора 4, вычитающее устройство 7, блок определения уровня сигнала расстройки 12, формирователь сигналов управления 13, объединены в дискриминатор 7, выполняющий функцию подстройки по времени.

Дискриминатор может быть выполнен и любым другим образом, например, как показано на фиг.2, где введены обозначения:

1 - перемножитель;

2 - интегратор;

3 - вычитающее устройство;

4 - фильтр;

5 - синхронный детектор;

6 - ключ;

7 - ограничитель;

8 - управляемый интегратор;

9 - устройство определения модуля;

10 - формирователь импульсов сброса;

11 - схема сравнения.

Кроме того, дискриминатор может быть выполнен по любой из схем монографии Тузова Г.И. "Статистическая теория приема сложных сигналов", М. Советское радио, 1977: стр.190-201 (рис.4.10, 4.11, 4.12).

Модифицированная блок-схема прототипа показана на фиг.3, где введены обозначения

1 - блок формирования копий СП;

2 - перемножители;

3 - интеграторы;

4 - амплитудный детектор;

5 - устройство поиска;

6 - формирователь порога;

7 - дискриминатор;

8 - устройство фазирования по задержке;

9 - блок формирования копий ИП;

10 - схема сравнения;

11 - схема принятия решений;

12 - опорный генератор.

Блок-схема, изображенная на фиг.3, имеет следующие функциональные связи:

Вход устройства соединен с соответствующими входами устройства поиска 5, дискриминатора 7, формирователя порога 6, перемножителей 2 корреляционных каналов, каждый состоящий из последовательно соединенных перемножителя 2, интегратора 3, амплитудного детектора 4, другие входы перемножителя 2, устройства поиска 5 и дискриминатора 7 соединены с соответствующими выходами блока 1, а второй вход перемножителя информационного канала соединен с выходом блока 9. Выход информационного корреляционного канала соединен через схему сравнения 10 с устройством фазирования по задержке - 8 непосредственно и через схему принятия решении 11, другой вход которой соединен с выходом Ц - устройства поиска 5, а выход схемы принятия решений 11 соединен с соответствующим входом устройства поиска 5, один из входов которого соединен с опорным генератором 12.

Выход центрального корреляционного канала соединен со входами устройства поиска - 5 и дискриминатора 7, выход которого соединен с одним из входов устройства поиска 5, выход ТИ которого соединен со входами блоков формирования копий СП и ИП 1 и 9 и устройства фазирования по задержке 8, выход СИ которого подключен ко входам устройства поиска 5, блока формирования копий ИП 9 и схемы принятия решений 11. Формирователь порога 6 соединен с устройством поиска 5 и со схемой сравнения 10. Выход блока 1 соединен с соответствующими входами устройства фазирования по задержке 8.

Работает устройство - прототип следующим образом:

В устройстве поиска 5 вычисляется функция взаимной корреляции между входным сигналом и опорными сигналами СП, затем выбирается максимальный сигнал и сравнивается с пороговым сигналом, поступающим с формирователя порога 6. При этом возможны следующие случаи:

1. Максимальное значение сигнала меньше порогового. Схема принятия решений 11 находится в исходном состоянии и не выдает сигнала на устройство поиска - 5 и устройство фазирования по задержке 8. При этом продолжается поиск и в устройстве поиска - 5 происходит "выкусывание" 2(n+1) тактовых импульсов, поступающих на блоки 1 и 9, где n - число корреляционных каналов устройства поиска 5. Опорные СП, поступающие на соответствующие входы устройства поиска 5 сдвинулись на время 2(n+1)0 относительно опорных СП, поступающих на вход устройства поиска 5, до подачи команды на продолжение поиска.

Таким образом, вначале осуществляется параллельный поиск ШПС в i-ом интервале (2n+3) корреляционными каналами устройства поиска 5 и группы слежения. Если сигнал не обнаружен ни в одном из корреляционных каналов, то поиск осуществляется в (i+1) интервале и т.д., то есть при отсутствии сигнала осуществляется последовательный поиск за N циклов в интервале поиска сигнала СП (TСП).

2. Максимальное значение сигнала больше порогового. Сигнал на выходе Ц устройства поиска 5 отсутствует и схема 11 находится в исходном состоянии, описанном в пункте 1. Устройство поиска 5 подает сигнал управления на блок 1 такой, что происходит укорочение или удлинение периода опорных СП на длительность 0 до тех пор, пока не появится сигнал на выходе Ц устройства поиска 5.

При появлении сигнала на выходе Ц устройства поиска 5 включается схема принятия решений - 11, на другой вход которой поступают стробимпульсы с выхода СИ устройства фазирования по задержке 8. С выхода схемы 11 подается команда на вход устройства фазирования по задержке 8 на продолжение поиска ИП.

Таким образом, на первом этапе осуществляется параллельно последовательный поиск сигнала СП.

Затем с дискриминатора на устройство поиска подается команда на прекращение поиска и начало слежения за СП.

Устройство поиска 5 вырабатывает шаг подстройки , величина и знак которого меняется в соответствии с командами, поступающими с дискриминатора. Поиск ИП проводится одновременно со слежением за СП.

Таким образом, устройство-прототип при подстройке учитывает не только знак отклонения, но и его величину, что позволяет производить подстройку на величину .

При появлении сигнала на выходе схемы сравнения 10, вырабатывается команда в устройство фазирования по задержке 8 на прекращении поиска ИП, т.е. период следования стробимпульсов с устройства 8 становится равным периоду следования ИП (Т ИП).

Одновременно с появлением сигнала на выходе схемы сравнения, схема принятия решения 11, при условии совпадения подряд r стробимпульсов (r - любое целое число) с сигналом выхода Ц устройства поиска 5 принимает решение об обнаружении ШПС, состоящего из сигналов СП и ИП и отключает устройство поиска 5. Если число совпадений подряд стробимпульсов меньше r и равно Р и после p-ого совпадения не произойдет подряд j совпадений (j - любое целое число) стробимпульсов с сигналом на выходе Ц устройства поиска 5 с сигналом на выходе схемы сравнения 10, то схема принятия решений 11 выдает решение на возобновление поиска.

Подробней остановимся на физике происходящего процесса.

В известных ранее работах, в частности, и в прототипе, сначала производился последовательный просмотр всего типа неопределенности, который требует дополнительного времени, т.е. при величине расстройки по времени между копией и сигналом 0 осуществлялся поиск.

После завершения поиска остается зона неопределенности, в которой находится "свой" сигнал. Но индикация наличия "своего" сигнала в этих устройствах отсутствует. Затем осуществляется процесс слежения уже в оставшейся зоне неопределенности.

Для рассмотрения процесса слежения проанализируем случай обнаружения сигнала согласно фиг.4. На этой фигуре показано Uвых=U(с *) корреляционного обнаружителя, состоящего из трех корреляционных каналов.

Если временной сдвиг сигнала и копии к-с=н, то по фиг.4 легко определить выходное напряжение Uвых.

В том случае, когда шум отсутствует, однозначно определяется корреляционный канал, в котором к-с0/2, т.е. ошибка рассогласования по времени не должна быть больше . При воздействии шума начальная ошибка может быть больше . Но после обнаружения сигнала происходит подстройка и через некоторое время величина расстройки по времени между копией и сигналом к-с=0 (с точностью до шага подстройки м). Это и есть переходный период. Исходя из описания работы устройства-прототипа, можно выделить два этапа режима слежения:

1-й этап - в нем производится просмотр всего тела неопределенности, когда величина расстройки по времени между копией и сигналом к-с<0,7

Это этап вхождения в синхронизм. В нем можно выделить две зоны:

1-ая зона - в ней величина расстройки по времени между копией и сигналом лежит в пределах 0,40к-с<0,70. Это весьма неустойчивая зона, в ней наблюдаются существенные потери и возможна даже потеря сигнала, что возвращает устройство в поиск.

2-ая зона - зона, в которой величина расстройки по времени между копией и сигналом заключена в пределах

0,20к-с<0,40

В этой зоне возможны еще существенные потери.

2-ой этап слежения - в нем производится просмотр зоны неопределенности, где находится "свой" сигнал, величина расстройки по времени между копией и сигналом в этом этапе не превосходит 0,20. Это этап синхронного слежения, т.е. в нем производится отслеживание сигнала.

В случае, когда копия восстановления со сдвигом , то 1-й этап - этап входа в синхронизм отсутствует и сразу начинается второй этап, т.е. осуществляется отслеживание сигнала.

Рассмотрим требование к синхронизации на втором этапе подробнее.

Если величина выходного напряжения U(* c)=Umax, то необходимо, чтобы подстройка при временном слежении не приводила бы к значительным изменениям выходного напряжения.

Только при таком условии выходное напряжение будет близким к Umax. Это возможно осуществить лишь при выборе бесконечно малого шага подстройки на втором этапе. Но бесконечно малым шаг подстройки выбирать нельзя, т.к. его минимальная величина выбирается исходя из нестабильности генераторов. И, кроме того, минимальная величина шага подстройки должна меняться от устройства к устройству. Шаг подстройки на этапе слежения должен быть больше, чем взаимный уход копий за время интегрирования. Такой шаг подстройки обеспечивается в устройстве-прототипе дискриминатором, имеющим максимальную крутизну дискриминационной характеристики. Этот дискриминатор организован из корреляционных каналов группы слежения. Оптимальным такой дискриминатор можно считать только при величине расстройки по времени между копией и сигналом меньше 0,20 (см. статью Бокк О.Ф. и др., Радиотехника, №8, 1984).

В случае воздействия шума расстройка по времени может достигать величины 0,60, т.е. существует и первый этап вхождения в синхронизм. Напряжение, соответствующее этому переходному периоду, является функцией временного сдвига , а шумы от времени не зависят. Поэтому соотношение сигнал/шум в момент с * будет меньше, чем в момент к. Значит, сигнал в центральном корреляционном канале "проваливается" на 6 дБ.

Таким образом, при воздействии шума рассогласование по времени между копией и сигналом велико (к-с)>н, что соответствует первому этапу слежения.

Рассмотрим подробнее требования к синхронизации на 1-ом этапе.

Пусть сигнал найден в момент с * (фиг.4), причем к-с *>н. Как говорилось раньше, напряжение, соответствующее моменту с *, U(с *) является функцией временного сдвига , а шумы от времени не зависят. Поэтому соотношение сигнал/шум в момент * с больше, чем в 2 раза, по сравнению с моментом к, которому соответствует напряжение Umax .

Как видно из фиг.4, U(c *)<Umax, а задача синхронизации состоит в том, чтобы свести эту разницу к минимуму за минимальное время.

С целью быстрого достижения U max на 1-ом этапе необходимо делать "большие" шаги подстройки.

Здесь и получается противоречие: по первому этапу необходимо выбирать "большие" шаги подстройки, по второму этапу шаг подстройки должен быть как можно меньше. Устройство-прототип не может ликвидировать это противоречие, т.к. в нем обеспечивается малый шаг подстройки.

Недостатком устройства-прототипа является низкая помехоустойчивость в переходный период из-за того, что оно не может обеспечить "большие" шаги подстройки по времени в этот период и возможен даже уход в поиск.

Целью предлагаемого изобретения является повышение помехоустойчивости на этапе вхождения в синхронизм.

Поставленная цель достигается путем просмотра зоны неопределенности, в которой находится "свой" сигнал, "большими" шагами подстройки по времени, а затем только переход в этап слежения малыми шагами подстройки.

Вновь введенные блоки обеспечивают высокую помехоустойчивость устройства из-за выбора переменного шага подстройки в зависимости от помеховой обстановки.

Блок-схема предлагаемого устройства, показана на фиг.5, где введены обозначения:

1 - блок формирования копий синхро ПСП;

2 - перемножители;

3 - интеграторы;

4 - амплитудные детекторы;

5 - устройство поиска;

6 - формирователь порога;

7 - дискриминатор;

8 - устройство фазирования по задержке;

9 - блок формирования копий информационной ПСП;

10 - схема сравнения;

11 - схема принятия решений;

12 - ключ;

13 - опорный генератор;

14 - делитель с переменным коэффициентом деления;

15 - ключ;

16 - вычитающее устройство;

17 - управляемая схема формирования сдвига копий;

18 - ключ;

19 - перемножитель;

20 - интегратор;

21 - амплитудный детектор;

22 - схема выбора максимума;

23 - запоминающее устройство;

24 - счетчик.

Блок-схема, изображенная на фиг.5, имеет следующие функциональные связи. Вход устройства соединен с соответствующими входами устройства поиска 5, перемножителей 2 и 19, дискриминатора 7 и формирователя порога 6, выход которого подключен к устройству поиска 5, схема выбора максимума 22 и схема сравнения 10, выход которой соединен с устройством фазирования по задержке 8, непосредственно и через схему принятия решений 11, другой выход которой подключен к устройству поиска 5, выход ТИ которого соединен с соответствующими входами блоков формирования копий синхро и информационной ПСП 1 и 9, устройства фазирования по задержке 8, запоминающего устройства 23 и счетчика 24, выходы которого соединены с соответствующими входами управляемой схемы формирования сдвига копий 17, ключей 12, 15 и 18 и запоминающего устройства 23, один из выходов которого подключен к устройству поиска 5, выход из которого соединен с соответствующими входами счетчика 24 и схемы принятия решений 11. Выход СИ устройства фазирования по задержке 8 соединен со входами устройства поиска 5, схемы принятия решений 11 и блоком формирования копий информационной ПСП, выход которого подключен к информационному каналу, состоящему из последовательно соединенных перемножителя 2, интегратора 3, амплитудного детектора 4 и схемы сравнения 10. Выходы блока формирования копий синхро ПСП 1 соединены с соответствующими входами устройства поиска 5, дискриминатора 7, устройства фазирования по задержке 8 и управляемой схемы формирования сдвига копий 17, выходы которой соединены с центральным корреляционным каналом, состоящим из последовательно соединенных перемножителя - 2, интегратора 3, амплитудного детектора 4, и с последовательно соединенными перемножителем 19, интегратором 20, амплитудным детектором 21, схемой выбора максимума 22, ключом 18, запоминающим устройством 23, вычитающим устройством 16, ключом 15 и делителем с переменным коэффициентом деления 14, два других входа которого соединены с опорным генератором 13 и дискриминатором 7 через ключ 12. Выход центрального корреляционного канала соединен с дискриминаторам 7 и схемой выбора максимума 22, второй выход которой соединен с вычитающим устройством 16.

Работает предлагаемое устройство следующим образом.

Поиск осуществляется также, как и в прототипе. После завершения поиска происходит восстановление сигнала в центр и соответственно в каналы дискриминатора. При этом ключ - 12 на выходе дискриминатора закрыт, сигнал не подается на делитель с переменным коэффициентом деления 14.

Осуществляется вход в синхронизм. Включается счетчик 24 по сигналу слежения с выхода Ц устройства поиска 5. Счетчик работает следующим образам. Вначале в счетчике записан "0", после включения его по сигналу слежения в нем появится "1". Счетчик включает 3J 23 на запись и управляемую схему формирования сдвига копий 17. Управляемая схема формирования сдвига копий может быть выполнена различным образом. На фиг.6а, 6б, 6в, 6г приведены несколько возможных реализаций этой схемы.

На фиг.6а:

1 - регистр сдвига на (= ÷0,750);

2 - регистр сдвига на ;

3 - ключ;

4- регистр сдвига на ;

На фиг.6б:

1 - регистр сдвига на ;

2 - регистр сдвига на 2;

На фиг.6в:

1 - регистр сдвига;

2 - ключ.

На фиг.6г

1 - регистр сдвига;

2 и 3 - ключи.

Управляемая схема формирования сдвига копий 17 подает копии с заранее установленным сдвигом от до 0,750 в зависимости от помеховой обстановки.

На первом такте сигнал со схемы 17 подается на корреляционные каналы: центральный, в котором сдвиг равен 0=0 и канал, сдвинутый влево (вправо) относительно сигнала центра на 0,750. В схеме выбора максимума 22 производится сравнение и выбор максимума между сигналом центрального корреляционного канала, в котором 0=0, и сигналом корреляционного канала анализатора. Результаты сравнения записываются в 3J 23, ключ 18 при этом открыт, а ключи 15 и 12 закрыты.

На втором такте с выхода схемы 17 подаются копии опорного сигнала со сдвигом 0=0 и 0=0,750 вправо (влево) относительно центра. Вторично производится сравнение и выбор максимума в схеме выбора максимума 22 между сигналом в центральном корреляционном канале и сигналом в корреляционном канале анализатора. При этом ключ 18 закрыт и сигнал со схемы выбора максимума поступает сразу в вычитающее устройство, на другой вход которого поступает сигнал с 3J 23, записанный на первом такте. Одновременно по команде со счетчика 24 открывается ключ 15. Результаты с вычитающей схемы 16 через ключ 15 подаются на делитель с переменным коэффициентам деления 14, который подает команду устройству поиска на выбор сдвига по времени "большими" шагами.

Здесь возможны следующие ситуации (см. фиг.7):

I тактII такт 1) Uл>U порогаUу<U порогаUу<U порога Un<U порогаШаг вправо на 0,75  2) Uл>U порогаUу>U порога Uу>U порогаUn<U порога слежение по л/n 0Uу>Uл 3) Uл<U порога Uу>U порогаUу>U порога Un<U порогаСлежение по л/n 0   4) Uл<U порога Uу>U порогаUу>U порога Un>U порогаслежение по л/n 0Uу>Un 5) Uл<U порога Uу>U порогаUу>U порога Un>U порогаШаг влево на 0,750 Un>Uу 6) Uл<U порога Uу<U порогаUу<U порога Un>U порогаШаг влево на 0,750   7) Uл>U порога Uу>U порогаUу>U порога Un<U порогаШаг вправо на 0,750  

По завершении этапа входа в синхронизм на третьем такте включается ключ 12 и с дискриминатора 7 подается сигнал на делитель с переменным коэффициентом деления 14, который подает команду устройству поиска 5 на подстройку пов времени малыми шагами, т.е. дальше устройство работает также как и прототип. При этом на третьем такте счетчик 24 и запоминающее устройство 23 обнуляются по команде с выхода ТИ устройства поиска 5. Кроме того, ключ 15 на третьем такте закрывается.

Применение предложенного устройства устраняет потери в момент вхождения в синхронизм, т.е. когда режим поиска завершен, а режим слежения еще не наступил. Эти потери определяются тем фактором, что устройство - прототип обнаруживает временное положение сигнала с точностью ±(0,6÷0,8) 0, где 0 - длительность элементарного импульса, а в слежении устройство оптимально работает при ошибке во временной области близкой к 0, т.е. при <0,5 0. Эти потери равны Kпотерь=20 lg(1- ) при 0, т.е. при максимальных отклонениях

=0,6÷0,80 и Kпотерь=10÷14 дБ.

В предлагаемом устройстве эти потери устраняются.

Формула изобретения

Устройство поиска и сложения за широкополосным сигналом, содержащее опорный генератор, объединенные по сигнальному входу корреляционный канал, информационный канал, дискриминатор, блок поиска и формирователь порога, выход которого подключен к соответствующему входу блока поиска и к первому входу блока сравнения, ко второму входу которого подключен выход формирователя копий информационных сигналов через информационный канал, а выход блока сравнения подключен непосредственно и через решающий блок к соответствующим входам блока фазирования по задержке, выход которого подключен к соответствующим входам решающего блока, блока поиска и формирователя копий информационных сигналов, выходы формирователя копий синхросигналов подключены к соответствующим входам дискриминатора, блока фазирования по задержке и блока поиска, соответствующие вход и выход которого соединены со вторым выходом и третьим входом решающего блока, а выход тактовых импульсов блока поиска подключен к соответствующим входам формирователей копий синхросигналов и информационных сигналов и блока фазирования по задержке, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости, введены последовательно соединенные формирователь сигнала сдвига копий, дополнительный корреляционный канал, блок выбора максимума, первый ключ, блок памяти, блок вычитания, второй ключ и делитель с переменным коэффициентом деления (ПКД), а также третий ключ и счетчик, при этом первый выход счетчика подключен к управляющим входам второго ключа и третьего ключа, к сигнальному входу которого подключен выход дискриминатора, а выход третьего ключа и выход опорного генератора подключены к соответствующим входам делителя с ПКД, выход которого и выход блока памяти подключены к соответствующим входам блока поиска, выход тактовых импульсов которого подключен к соответствующим входам блока памяти и счетчика, второй выход которого подключен к управляющему входу первого ключа, другой вход счетчика объединен с третьим входом решающего блока, а третий и четвертый выходы счетчика подключены к соответствующему входу блока памяти и к управляющему входу формирователя сигналов сдвига копий, к другим входам которого подключены соответствующие выходы формирователя копий синхросигналов, а другой выход формирователя сигналов сдвига копий подключен к соответствующему входу корреляционного канала, выходы которого подключены соответственно к дополнительному входу дискриминатора и ко второму входу блока выбора максимума, к третьему входу которого подключен выход формирователя порога, другой выход блока выбора максимума подключен к соответствующему входу блока вычитания, а сигнальный вход дополнительного корреляционного канала объединен с соответствующим входом корреляционного канала.

РИСУНКИ