Цифровой способ оптимального приема линейно-частотно- модулированных импульсов

Реферат

 

Использование: в радиолокации и связи, а именно в импульсных РЛС для измерения дальности, а также в связных приемниках, применяющих частотно-модулированный сигнал. Сущность изобретения: способ заключается в том, что при неизвестной начальной фазе ЛЧМ-импульса с произвольной огибающей K(S) и длительностью N отсчетов АЦП его обработку производят в одном приемном канале, формируя в соответствии с выражением F(S1) = D21f1+D22f2-D1D2f3, где U(S) K(S-S1) cosPs Ps= ot(S-S1)+t2(S-S1)2 скользящее по цифровому массиву напряжений U(S) "окно", первый из отсчетов которого имеет порядковый номер S. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области радиолокации и связи и может быть использовано в импульсных РЛС для измерения дальности целей, а также в связных приемниках, применяющих частотно-модулированный сигнал.

Известны различные способы согласованной фильтрации ЛЧМ-импульсов в аналоговом виде [1, 2] Они позволяют осуществлять оптимальный прием ЛЧМ-сигналов. Однако, как справедливо отмечено в [2, с.100] "трудности, связанные с построением дисперсионной линии задержки, особенно для фильтрации реализаций большой длительности при наличии шумов с высокой интенсивностью, ограничивают возможности аналогового метода".

Цифровая обработка информации, как известно, обладает рядом преимуществ перед аналоговой [2, с. 9] в частности высокой точностью обработки, стабильностью характеристик, возможностью запоминания и задержки на неограниченное время больших массивов информации и т.д.

Что касается цифровых способов оптимального приема ЛЧМ-импульсов с неизвестной начальной фазой, то здесь, как и в аналоговых системах, можно выделить два основных подхода.

К первому относятся те способы приема, в которых для устранения влияния неизвестной начальной фазы используют два идентичных канала согласованной обработки на радиочастоте, опорные напряжения в которых сдвинуты по фазе на 90о.

Такой прием позволяет получить выходной сигнал, напряжение которого не зависит от начальной фазы принятого радиоимпульса.

Очевидным недостатком такого способа является усложнение аппаратурной реализации по сравнению со случаем приема сигнала с полностью известной фазой (два канала вместо одного).

Кроме того, технически сложно достичь полной идентичности квадратурных каналов, что приводит в реальных условиях к неизбежным потерям в отношении сигнал/шум.

Поэтому вполне естественным было бы стремление сохранить одноканальную схему приема, имеющую место при известной начальной фазе сигнала, и для случая ЛЧМ-импульса, начальная фаза которого неизвестна.

Такой вариант обработки существует. Суть его сводится к тому, что для устранения случайности выбора выходного напряжения, вызванной незнанием начальной фазы, сигнал после согласованной фильтрации подвергают детектированию в амплитудном детекторе и в дальнейшем оперируют огибающей сжатого радиоимпульса.

Однако при ближайшем рассмотрении оказывается, что отказ от высокочастотного заполнения радиоимпульса не позволяет достичь потенциальной точности измерения времени задержки сигнала и ограничивает ее величиной, пропорциональной ширине спектра ЛЧМ-импульса. Между тем, как известно, переход к измерению времени задержки на радиочастоте приводит к тому, что точность определения этого параметра зависит и от номинала частоты, что значительно повышает точность оценивания [2] 2 , (1) где Е энергия сигнала, No спектральная плотность шума, o радиочастота, эф эффективная ширина спектра сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является способ оптимального приема ЛЧМ-сигнала [2] заключающийся в том, что принятый сигнал усиливают, осуществляют его аналого-цифровое преобразование, запоминают последовательность дискретных отсчетов сигнала, осуществляют скользящее весовое суммирование дискретных отсчетов сигнала, сравнивают последовательность значений суммы выборок и определяют максимальные значения, которые сопоставляют с порогом.

Способ-прототип исключает влияние неизвестной начальной фазы путем использования двухканальной обработки. Недостатками его, как отмечалось, являются сложность аппаратурной реализации, чувствительность результатов приема к неидентичности характеристик квадратурных каналов, к погрешностям доворота фазы опорного напряжения на 90о.

Сущность изобретения заключается в том, что оптимальный прием ЛЧМ-сигнала с неизвестной начальной фазой осуществляется в одном приемном канале, причем операцию скользящего весового суммирования дискретных отсчетов напряжений сигнала выполняют в соответствии с выражением: F(S1)=D12f1+D22 f2-D1D2f3, (2) где D1= U(S)K(S-S1)cosps; D2= U(S)K(S-S1)sinps; Ps=o t(S-S1)+ t2(S-S1)2; f1=K2(S)sin2p f2=K2(S)cos2p f3=K2(S)sin2p Pso=otS+t2S2; S1 номер первого из отсчетов напряжений сигнала, задействованный в текущем положении "скользящего окна"; N длительность ЛЧМ-импульса в отсчетах АЦП; U(S) значение напряжения сигнала в s-й момент времени.

K(S) нормированная функция огибающей ЛЧМ-импульса; o известная номинальная частота заполнения радиоимпульса в предположении, что доплеровское смещение частоты отсутствует; t период дискретизации АЦП; - коэффициент девиации частоты.

В случае прямоугольной огибающей K(S)1, и в выражении (2) имеем: D1= U(S)cosps D2= U(S)sinps f1=sin2p (3) f2=cos2p f3=sin2p Очевидно, что коэффициенты f1, f2, f3 являются константами и их рассчитывают заранее.

Отметим, что соотношение (2) получено путем минимизации функционала F(S1){U2-K(S-S1)acos(ps+}2 (4) При этом в результате решения системы уравнений где ac= acos, as= asin (5) были предварительно определены оценки амплитудных составляющих и , которые затем были подставлены в исходный функционал.

В дальнейших преобразованиях участвовала только корреляционная сумма (S1) UsK(S-S1)acos(ps-) (6) UsK(S-S1)[cosps-sinps] В качестве варианта практической реализации заявляемого способа может быть рассмотрен пример его экспериментального моделирования на ЭВМ, которое было проведено как без учета шумов, так и с шумами.

На чертеже кривая 1 показывает результаты математического моделирования предлагаемого способа согласованной обработки для различных коэффициентов девиации частоты при длительности прямоугольного ЛЧМ-импульса N, равной 128 отсчетам АЦП, и соблюдении условия ot=/2.

Кривая 2 для сравнения отражает результаты заявляемого способа обработки простого радиоимпульса прямоугольной формы. При этом величина в выражении Ps= o t(S-S1)+t2(S-S1)2 была задана равной нулю, и по-прежнему предполагалось, что N 128.

Техническая реализация подобных устройств возможна на основе регистра сдвига, регистров или ПЗУ, обеспечивающих хранение весовых коэффициентов, умножителей, параллельного многовходового сумматора и цифрового компаратора.

Формула изобретения

1. ЦИФРОВОЙ СПОСОБ ОПТИМАЛЬНОГО ПРИЕМА ЛИНЕЙНО-ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ ИМПУЛЬСОВ, заключающийся в том, что принятый сигнал с неизвестной начальной фазой и произвольной формой огибающей усиливают, осуществляют аналого-цифровое преобразование (АЦП), формируя в пределах длительности радиоимпульсов N отсчетов напряжений сигнала, запоминают последовательность N дискретных отсчетов напряжений сигнала, осуществляют скользящее весовое суммирование N дискретных отсчетов напряжений сигнала, сравнивают последовательность значений суммы выборок напряжений сигнала и определяют максимальное значение, которое сравнивают с порогом, отличающийся тем, что скользящее весовое суммирование дискретных отсчетов напряжений сигнала осуществляют в одном канале в соответствии с выражением F(S1)=D21f1+D22f2-D1D2fs, Ps=ot(S-S1)+t2(S-S1)2; S1 номер первого из отсчетов напряжений сигнала, задействованный в текущем положении "скользящего окна"; N длительность ЛЧМ-импульса в отсчетах аналого-цифрового преобразования; U(S) значение напряжения сигнала в S-й момент времени; K(S) нормированная функция огибающей ЛЧМ-импульса; o известная номинальная частота заполнения радиоимпульса в предположении, что доплеровское смещение частоты отсутствует; t период дискретизации АЦП; коэффициент девиации частоты.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при приеме сигнала с неизвестной начальной фазой и прямоугольной формой огибающей операцию скользящего весового суммирования дискретных отсчетов напряжений сигнала выполняют в одном канале в соответствии с выражением F(S1)=D21f1+D22f2-D1D2fs,

РИСУНКИ

Рисунок 1