Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ ПРИХОДА И ДЛИТЕЛЬНОСТИ ОДИНОЧНОГО СВЕРХШИРОКОПОЛОСНОГО КВАЗИРАДИОСИГНАЛА ПРОИЗВОЛЬНОЙ ФОРМЫ

Изобретение относится к области радиотехники и может быть применено в составе аппаратуры радиосвязи, радиолокации, а также в задачах, носящих специальный (военный и государственный) характер, для одновременного измерения значений времени прихода и длительности одиночного сверхширокополосного (СШП) сигнала с неизвестными амплитудой и начальной фазой на фоне случайных искажений.

Развитие телекоммуникационных систем в основном базируется на расширении спектра и повышении уровня модуляции используемых для передачи информации сигналов. Благодаря этому в настоящее время все больше проявляется тенденция в создании новых и усовершенствовании существующих радиотехнических систем, с целью повышения пропускной способности, достижения высокой помехозащищенности и др. В последние годы СШП сигналы успешно применяются в различных областях науки и техники. Большое число практических задач требует измерения неизвестных параметров СШП сигналов на фоне случайных искажений. Оптимальные алгоритмы измерения времени прихода и длительности сигналов в предположении полной априорной неопределенности также находят применение в различных системах синхронизации беспроводных средств связи.

Среди множества СШП сигналов выделяют отдельный класс - СШП квазирадиосигналы (КРС), структура которых подобна узкополосным радиосигналам, но условие относительной узкополосности для них может не выполняться. Предлагаемое устройство измерения времени прихода и длительности работает с СШП КРС при неизвестных амплитуде и начальной фазе. Использование СШП КРС для передачи информации позволяет повысить помехозащищенность и скрытность радиолинии. Таким образом, синтез оптимального устройства измерения времени прихода и длительности СШП КРС с неизвестными параметрами позволит использовать его в интересах создания перспективных систем радиосвязи, радиолокации и др.

В настоящее время подробно изучены алгоритмы измерения длительности прямоугольного импульса [1. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов / В.И. Тихонов. - М.: Радио и связь, 1983. - 319 с., 2. Трифонов А.П. Совместное различение сигналов и оценка их параметров на фоне помех / А.П. Трифонов, Ю.С. Шинаков. - М: Радио и связь, 1986. - 267 с.], а также исследован алгоритм измерения длительности сигнала произвольной формы [3. Трифонов А.П., Корчагин Ю.Э. Прием сигнала с неизвестной длительностью // Известия ВУЗов. Радиофизика, 2002, Т. 45, №7. - С. 625-637.]. Известно устройство измерения временного положения и длительности видеоимпульса [4. Патент RU 2648304 С1, МПК G01R 29/02 (2006.01), G04F 10/00 (2006.01), опубликовано: 23.03.2018 Бюл. №9]. Однако в ряде практических приложений неизвестным оказывается время прихода сигнала. Синтезированные алгоритмы и устройства не могут быть применены к СШП КРС, поскольку в них не учитывается наличие несущей в сигнале, что существенно упрощает их структуру.

Известно устройство измерения времени прихода и длительности одиночных узкополосных радиоимпульсов с неизвестными амплитудой и начальной фазой [5. Трифонов А.П., Корчагин Ю.Э., Корольков С.В. Оценка времени прихода и длительности радиосигнала с неизвестными амплитудой и начальной фазой // Известия вузов. Радиофизика, 2017, №11. - С. 1-12]. Однако известные методы измерения времени прихода и длительности радиосигналов, основанные на свойствах их узкополосности, не могут быть применены к СШП сигналам.

Синтезированы максимально правдоподобный и квазиправдоподобный алгоритмы оценки длительности СШП КРС [6. Трифонова А.П., Корчагина Ю.Э., Титова К.Д. Эффективность оценки длительности сверхширокополосного сигнала // Сборник докладов XXII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», 2016, Т. 1. - С. 82-89], а также исследованы максимально правдоподобный и квазиоптимальный алгоритмы оценки времени прихода СШП КРС с неизвестной амплитудой и фазой [7. Руднев П.А. Статистический анализ сверхширокополосных квазирадиосигналов с неизвестными параметрами: диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук: 01.04.03 / П.А. Руднев. - Воронеж, 2011. - 168 с.]. Однако данные алгоритмы не реализуют совместного оценивания времени прихода и длительности сигнала, что негативно сказывается на эффективности их работы в условиях сложной помеховой обстановки.

Наиболее близким по совокупности признаков является измеритель времени прихода и длительности одиночного узкополосного радиосигнала [5. Трифонова А.П., Корчагина Ю.Э., Королькова С.В. Оценка времени прихода и длительности радиосигнала с неизвестными амплитудой и начальной фазой // Известия вузов. Радиофизика, 2017, №11. - С. 1-12], включающий квадратор, восемь сумматоров, четыре инвертора, два устройства сброса интеграторов, три аттенюатора, линию задержки, три интегратора, работающих на интервале t∈[θ₁,θ], три интегратора, работающих на интервале t∈[θ,θ₂], экстрематор, работающий на интервале [θ,t], где t∈[θ,θ_2max], экстрематор, работающий на интервале [θ_lmin,t], где t∈[θ_lmin,θ], три умножителя, усилитель, генератор модулирующего сигнала с уровнем а, генератор гармонического сигнала (sin), генератор ожидаемого значения начальной фазы, фазовращатель, который изменяет начальную фазу гармонического сигнала с генератора 2.2 на π/2, фазовращатель, который изменяет начальную фазу сигнала с генератора 2.3 на π/2 (прототип). Недостатком известного устройства является возможность измерения значений времени прихода и длительности только узкополосного радиосигнала.

Задача предлагаемого технического решения - измерение времени прихода и длительности одиночного сверхширокополосного квазирадиосигнала при априори неизвестных амплитуде и начальной фазе сигнала.

Технический результат, который может быть получен при его осуществлении, заключается в реализации возможности создания новых и усовершенствовании существующих систем связи и передачи данных с упрощенным в исполнении устройством, которые могут использоваться в условиях сложной помеховой обстановки. Также устройство измерения времени прихода и длительности СШП КРС при априори неизвестных параметрах сигнала может быть использовано в интересах задач радиоразведки и при проведении технического анализа сигналов.

Технический результат достигается тем, что устройство измерения времени прихода и длительности СШП КРС произвольной формы содержит на входе последовательно соединенные первый умножитель, первый аттенюатор и усилитель, при этом первый вход первого умножителя является входом устройства, а второй вход подключен к первому выходу первого генератора модулирующего сигнала с уровнем а, выход усилителя подключен к первым входам каналов обработки синфазной и квадратурной составляющих принимаемого сигнала, при этом канал обработки синфазной составляющей принимаемого сигнала содержит последовательно соединенные второй умножитель и первый, второй интеграторы, которые между собой соединены параллельно, а также канал обработки квадратурной составляющей принимаемого сигнала содержит последовательно соединенные третий умножитель и третий, четвертый интеграторы, которые между собой соединены параллельно, выходы первого и третьего интеграторов подключены к первому и второму входам первого сумматора соответственно, а выходы второго и четвертого интеграторов соединены с первым и вторым входами второго сумматора соответственно, причем второй вход второго умножителя соединен с третьим выходом второго генератора гармонического сигнала, третий вход второго умножителя соединен с третьим выходом третьего генератора ожидаемого значения начальной фазы, а второй вход третьего умножителя - с первым выходом первого фазовращателя, вход которого соединен с первым выходом второго генератора гармонического сигнала, а третий вход третьего умножителя - с первым выходом второго фазовращателя, вход которого соединен со вторым выходом третьего генератора ожидаемого значения начальной фазы, выход первого сумматора подключен к первому входу третьего сумматора, выход второго сумматора соединен с первым входом четвертого сумматора, первый выход третьего сумматора подключен к первому входу седьмого сумматора, а второй выход третьего сумматора подключен ко второму входу седьмого сумматора через последовательно соединенные линию задержки и третий инвертор, выход седьмого сумматора подключен ко входу второго экстрематора, первый выход которого подключен к первому входу восьмого сумматора через четвертый инвертор, а выход четвертого сумматора подключен ко второму входу восьмого сумматора через первый экстрематор, выход восьмого сумматора подключен ко входу первого устройства сброса интеграторов, которое является первым выходом устройства, второй выход второго экстрематора соединен с первым входом девятого сумматора, ко второму входу которого подключен второй выход первого экстрематора, выход девятого сумматора соединен с первым входом десятого сумматора, второй вход которого соединен с выходом третьего аттенюатора, выход десятого сумматора подключен ко входу второго устройства сброса интеграторов, которое является вторым выходом устройства, при этом второй выход первого генератора модулирующего сигнала с уровнем а соединен со входом квадратора, выход которого подключен ко входу второго аттенюатора, второй выход которого подключен ко второму входу третьего сумматора через последовательно соединенные седьмой интегратор и первый инвертор, а третий выход второго аттенюатора подключен ко второму входу четвертого сумматора через последовательно соединенные восьмой интегратор и второй инвертор, отличающийся тем, что устройство дополнительно содержит пятый и шестой сумматоры, пятый, шестой, девятый и десятый интеграторы, первый и второй блок удвоения частоты, первый и второй блок удвоения начальной фазы, четвертый и пятый умножители, при этом второй выход второго генератора гармонического сигнала подключен ко входу первого блока удвоения частоты, выход которого соединен с первым входом четвертого умножителя, первый выход третьего генератора ожидаемого значения начальной фазы соединен со входом первого блока удвоения начальной фазы, выход которого подключен к третьему входу четвертого умножителя, второй выход первого фазовращателя соединен со входом второго блока удвоения частоты, выход которого подключен к первому входу пятого умножителя, второй выход второго фазовращателя подключен ко входу второго блока удвоения начальной фазы, выход которого соединен с третьим входом пятого умножителя, второй вход четвертого умножителя подключен к первому выходу второго аттенюатора, первый выход четвертого умножителя через пятый интегратор подключен к первому входу пятого сумматора, а второй выход четвертого умножителя через шестой интегратор подключен к первому входу шестого сумматора, выход седьмого интегратора подключен ко второму входу пятого сумматора, выход которого подключен ко входу первого инвертора, выход восьмого интегратора соединен со вторым входом шестого сумматора, выход которого соединен со входом второго инвертора, второй вход пятого умножителя подключен к четвертому выходу второго аттенюатора, первый выход пятого умножителя через девятый интегратор подключен к третьему входу пятого сумматора, а второй выход пятого умножителя через десятый интегратор подключен к третьему входу шестого сумматора.

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежом. На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства, где обозначено:

1.1-1.5 - умножители;

2.1 - генератор модулирующего сигнала с уровнем а;

2.2 - генератор гармонического сигнала (sin);

2.3 - генератор ожидаемого значения начальной фазы;

3.1-3.3 - аттенюаторы;

4 - усилитель;

5.1 - фазовращатель (изменение начальной фазы гармонического сигнала с генератора 2.2 на π/2);

5.2 - фазовращатель (изменение начальной фазы сигнала с генератора 2.3 на π/2);

6.1, 6.3, 6.5, 6.7, 6.9 - интеграторы на интервале t∈ [θ₁,θ];

6.2, 6.4, 6.6, 6.8, 6.10 - интеграторы интервале t∈ [θ,θ₂];

7.1-7.10 - сумматоры;

8 - квадратор;

9.1, 9.2 - блоки удвоения частоты;

10.1, 10.2 - блоки удвоения начальной фазы;

11.1-11.4 - инверторы;

12 - линия задержки;

13.1 - экстрематор на интервале [θ,t], где t∈[θ,θ_2max];

13.2 - экстрематор на интервале [θ_1min,t], где t∈[θ_1min,θ];

14.1, 14.2 - устройства сброса интеграторов.

Устройство работает следующим образом.

Приемник, в состав которого входит измеритель времени прихода и длительности, осуществляет сканирование и анализ радиоэфира. Время прихода λ и длительность τ сигнала могут принимать значения из априорной области на интервале Λ, описываемой неравенствами |λ|≤Λ₀/2, Т₁≤τ≤Т₂, где Λ₀ является истинным значением времени прихода сигнала, а Т₁ и Т₂ - границы заданного априорного интервала длительности. В выбранной системе отсчета времени положение переднего фронта сигнала θ₁=λ-τ/2 может принимать значения из отрезка [-(Λ₀+Т₂)/2, -(Т₁-Λ₀)/2], а положение заднего фронта θ₂=λ+τ/2 - из отрезка [(T₁-Λ₀)/2, (Λ₀+T₂)/2]. На интервале времени -(T₁-Λ₀)/2≤(T₁-Λ₀)/2 на вход измерителя времени прихода и длительности поступает реализация (случайный сигнал) ξ(t)=s(t,a₀,ϕ_0,λ₀,τ₀)+n(t), представляющая собой аддитивную смесь полезного сигнала s(t,a₀,ϕ₀,λ₀,τ₀) и гауссовского белого шума n(t).

Считается, что сигнал полностью размещается в интервале наблюдения, т.е. Т≥Λ₀+Т₂. Также полагается, что в моменты появления θ₀₁=λ₀-τ₀/2 и исчезновения θ₀₂=λ₀+τ₀/2 принятого сигнала функция ƒ_k(t) не равна нулю, и следовательно, сигнал появляется и исчезает скачком, т.е. является разрывным, что приводит к нарушению условий регулярности.

Сверхширокополосный КРС произвольной формы, время прихода и длительность которых подлежат измерению, имеет вид

где

а, ϕ, ω, λ, τ, ƒ{t) - амплитуда, начальная фаза, частота, время прихода, длительность и модулирующая функция, описывающая форму сигнала соответственно.

Генератор 2.1 измерителя времени прихода и длительности формирует модулирующие сигналы ƒ(t) с соответствующим ожидаемым уровнем а, генератор 2.2 формирует гармонический сигнал sin(ωt) на частотах ω, генератор 2.3 формирует ожидаемые значения начальной фазы ϕ.

Принимаемый случайный сигнал ξ(t) поступает на вход устройства.

Устройство содержит в своем составе первый генератор модулирующей функции с уровнем а 2.1, что позволяет формировать собственную огибающую ƒ(t) для повышения эффективности измерения времени прихода и длительности, а также обеспечения возможности приема сигнала в условиях сложной помеховой обстановки. Сигнал со входа устройства поступает на вход умножителя 1.1, где умножается на модулирующий сигнал с уровнем а генератора 2.1. После чего поступает на вход аттенюатора 3.1, где ослабляется в N₀ раз, где N₀ - числовое значение априори известной величины спектральной плотности мощности шума, затем сигнал усиливается в два раза в усилителе 4, и в итоге на его выходе имеем сигнал, усиленный с коэффициентом Далее полученный сигнал перемножается с гармоническим сигналом генератора 2.2 и сигналом с генератора 2.3 в умножителе 1.2 на сигнал sin(ωt) и на сигнал sin(ϕ) соответственно, а в умножителе 1.3 - на сигнал cos(ωt) и на сигнал cos(ϕ), подаваемые с генератора 2.2 через фазовращатель 5.1, где происходит изменение фазы гармонического сигнала на π/2, и с генератора 2.3 через фазовращатель 5.2 соответственно. Затем полученные сигналы с выхода умножителя 1.2 поступают на входы интеграторов 6.1 и 6.2, а с выхода умножителя 1.3 - на вход интеграторов 6.3 и 6.4 соответственно. В результате получаем с выхода блоков 6.3 и 6.4 синфазные составляющие Х₁, Х₂, а с выхода блоков 6.1 и 6.2 квадратурные составляющие Y₁, Y₂ принимаемого сигнала, домноженные на acos(ϕ) и asin(ϕ) соответственно

Составляющие принимаемого сигнала в канале с выходов интегратора 6.1 и интегратора 6.3 суммируются в сумматоре 7.1, а с выходов интегратора 6.2 и интегратора 6.4 суммируются в сумматоре 7.2. Таким образом, устройство имеет 2 выхода с квадратурных каналов - с блоков 7.1, 7.2 соответственно, при этом на выходе блока 7.1 формируется случайная величина, равная сумме случайных величин X₁cosϕ+Y₁sinϕ, а на выходе блока 7.2 - формируется случайная величина, равная сумме случайных величин X₂cosϕ+Y₂sinϕ.

Формирование сигналов Х₁, Х₂ и Y₁, Y₂ заключается в умножении принимаемого сигнала ξ(t) на произведение модулирующей функции и гармонической несущей с последующим интегрированием, что соответствует переносу сигнала на нулевую частоту. В случае узкополосного сигнала этого достаточно для измерения времени прихода и длительности, поскольку составляющие сигнала на удвоенной частоте 2 со пренебрежимо малы. Также помимо синфазной и квадратурной составляющих принимаемого сигнала, устройство формирует нормированные (синфазные) составляющие модулирующего сигнала на нулевой частоте - Q₁, Q₂. Так как для измерения времени прихода и длительности СШП КРС требуется учитывать помимо низкочастотных еще и высокочастотные составляющие, устройство дополнительно формирует нормированные синфазные составляющие модулирующего сигнала на удвоенной частоте - Р_с1, Р_с2 и нормированные квадратурные составляющие модулирующего сигнала на удвоенной частоте - P_s1, P_s2. Формирование указанных составляющих модулирующего сигнала осуществляется следующим образом. Сигнал ƒ(t) со второго выхода генератора 2.1 поступает на вход квадратора 8, затем ослабляется в аттенюаторе 3.2 в 2N₀ раз, и подается на входы интеграторов 6.7, 6.8 непосредственно. Также сигнал с первого выхода аттенюатора 3.2 поступает на умножитель 1.4, где перемножается с гармоническим сигналом с генератора 2.2 прошедшего через блок удвоения частоты 9.1, и с гармоническим сигналом с генератора 2.3 прошедшего через блок удвоения начальной фазы 10.1, после чего подается на входы интеграторов 6.5 и 6.6. Сигнал с четвертого выхода блока 3.2 поступает на умножитель 1.5, где перемножается с гармоническим сигналом с генератора 2.2, прошедшего последовательно через фазовращатель 5.1 и второй блок удвоения частоты 9.2, и с гармоническим сигналом с генератора 2.3, прошедшего последовательно через фазовращатель 5.2 и второй блок удвоения начальной фазы 10.2, после чего подается на входы интеграторов 6.9 и 6.10. На выходах интеграторов 6.5 и 6.6 получаем нормированные квадратурные составляющие модулирующего одиночного сигнала на удвоенной частоте P_s1 и P_s2 соответственно, домноженных на сигнал sin(2ϕ), на выходах интеграторов 6.7 и 6.8 - нормированные синфазные составляющие модулирующего одиночного сигнала на нулевой частоте Q₁ и Q₂, а на выходах интеграторов 6.9 и 6.10 - нормированные синфазные составляющие модулирующего одиночного сигнала на удвоенной частоте Р_с1 и Р_с2 соответственно, домноженных на сигнал cos(2ϕ). Указанные составляющие модулирующего сигнала описываются следующими функциями:

Тогда сигналы P_s1sin(2ϕ), Q₁ и P_c1cos(2ϕ), с выходов интеграторов 6.5, 6.7, 6.9 соответственно, поступают на сумматор 7.5, на выходе которого формируется комбинация сигналов Q₁+P_s1sin(2ϕ)+P_c1cos(2ϕ), которая через инвертор 11.1 поступает на один вход сумматора 7.3, на другой вход которого приходит сигнал с выхода сумматора 7.1. Сигналы P_s2sin[2ϕ), Q₂ и P_c2cos(2ϕ), с выходов интеграторов 6.6, 6.8, 6.10 соответственно, поступают на сумматор 7.6, на выходе которого формируется комбинация сигналов Q₂+P_s2sin(2ϕ)+P_c2cos(2ϕ), которая через инвертор 11.2 поступает на один вход сумматора 7.4, на другой вход которого приходит сигнал с выхода сумматора 7.2. Таким образом, на выходах сумматоров 7.3 и 7.4 получаем комбинации сигналов и соответственно.

Комбинация сигналов с выхода сумматора 7.3 поступает на первый вход сумматора 7.7, а на второй вход поступает комбинация сигналов, прошедшая через линию задержки 12 и инвертор 11.3. В результате комбинация сигналов с выхода сумматора 7.7 подается на вход экстрематора 13.2, с первого выхода которого поступает на первый вход сумматора 7.8 через инвертор 11.4. На второй вход сумматора 7.8 подается комбинация сигналов с выхода сумматора 7.4 через экстрематор 13.1. С выхода сумматора 7.8 комбинация сигналов поступает на устройство сброса интеграторов 14.1, которое по истечению длительности сигнала осуществляет сброс интеграторов. Выходом блока 14.1 является первый выход устройства, а выходным сигналом является измеренное значение длительности СШП КРС. Со второго выхода экстрематора 13.2 комбинация сигналов поступает на первый вход сумматора 7.9, а ко второму поступает комбинация сигналов со второго выхода экстрематора 13.1. Таким образом, выход сумматора 7.9 подключается к первому входу сумматора 7.10, на второй вход которого подключается аттенюатор 3.3, осуществляющий ослабление комбинации сигналов в 2 раза. С выхода сумматора 7.10 комбинация сигналов поступает на вход устройства сброса интеграторов 14.2, которое по истечению длительности сигнала осуществляет сброс интеграторов. Выходом блока 14.2 является второй выход устройства, а выходным сигналом является измеренное значение времени прихода СШП КРС.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает одновременное измерение значений времени прихода и длительности СШП КРС при априори неизвестных амплитуде и начальной фазе сигнала.