Способ фазоструктурных преобразований сигналов и устройство для его осуществления

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться для коррекции сложных фазочастотных характеристик устройств и каналов связи, для формирования сложных шумоподобных сигналов. Способ фазоструктурных изменений сигналов позволяет осуществить обработку сигналов, сочетающую достоинства согласованного фильтра и коррелятора. При дискретизации обрабатываемого сигнала и импульсной характеристики становится возможным умножение каждого дискретного отсчета сигнала на отсчеты импульсной характеристики, что позволяет при обработке сигнала во временной области получить технический результат, заключающийся в реализации частотных характеристик любой сложности при сохранении инвариантности к задержке и начальной фазе без набора копий сигнала. В результате обработки сигнал приобретает свойства шумоподобных сигналов и повышается скрытность. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 2 табл.

 

Предлагаемое изобретение относится к области радиотехники и может использоваться для коррекции сложных фазочастотных характеристик устройств и каналов связи, для повышения помехоустойчивости радиотехнических и телевизионных систем, борьбы с импульсными и мультипликативными помехами, а также для формирования сложных шумоподобных сигналов и кодирования с целью исключения несанкционированного доступа к передаваемой информации.

Известен [1] способ повышения помехоустойчивости передачи телевизионного сигнала, в котором сцелыо уменьшения выброса переходной характеристики вводятся фазочастотные предыскажения сигнала.

Известны также фазоструктурные преобразования сигналов [ 2, 3, 4, 5 ], в которых с помощью неминимальнофазовых цепей (фазовых контуров) вносятся большие фазовые сдвиги в спектр сигнала. Здесь преобразования производят в частотной области на видеочастотах путем каскадного соединения сотен фазовых звеньев. При этом подбор значений конденсаторов и намотка катушек индуктивности требуют очень высокой точности и последующей настройки каждого фазового контура, а также всей дисперсионной линии задержки в целом. Следовательно, недостатками известных преобразований являются: сложность технической реализации, большие трудозатраты, нестабильность к температуре и электромагнитным излучениям, низкая надежность, невозможность оперативного изменения закона фазовых введений.

Известно [6] использование для фазоструктурных преобразований сигналов ультразвуковых дисперсионных линий задержки. Возбуждение ультразвуковых волн в механические производится на радиочастотах (промежуточных) с помощью преобразователей электрических колебаний. В качестве звукопроводов используются твердые пьезоэлектрики, например, кварц. Недостатками таких технических решений являются: сложность выполнения преобразователей, большие потери при возбуждении поверхностных акустических волн, большое затухание, невозможность получения сложных характеристик функции задержки и максимального времени задержки (например, чтобы получить задержку в 1 мс, необходимо иметь сплошную кварцевую пластину длиной ~3 м).

Известен способ временной обработки фазоманипулированных сигналов согласованным фильтром с многоотводной линией задержки [7 рис. 21.4, с.350]. Этот способ временной обработки выполнен также в виде дискретно-аналогового согласованного фильтра [7 рис.22.5, с.366 - ПРОТОТИП]. Здесь сигнал после преобразования по частоте и фильтрации подвергают дискретизации, и каждый отсчет запоминают на интервале квантования. Для обработки такого сигнала необходимо иметь память, например, дискретно-аналоговую линию задержки. В ячейках памяти в течение интервала квантования хранятся выборочные значения (отсчеты), которые получены при дискретизации. В следующий такт каждое выборочное значение (отсчет) переписывают в последующую ячейку памяти. В каждом канале отсчеты усиливают, а затем они суммируются. Этот способ оптимизирует помехоустойчивость сложных сигналов при их временной обработке. Так, для фазоманипулированных сигналов максимизируется отношение сигнал/шум в точке, соответствующей окончанию последовательности импульсов. Здесь в принципе невозможно введение требуемых (любой сложности) изменений в фазовый спектр непрерывного сигнала.

Цель предлагаемого изобретения заключается в разработке такого способа, который позволит внести в непрерывный аналоговый сигнал требуемые (любой сложности) изменения фазового спектра. Одновременно с этим достигаются другие цели, а именно: упрощается техническая реализация; значительно снижается трудоемкость и стоимость; расширяются функциональные возможности за счет оперативного изменения фазового спектра сигнала; сигнал приобретает свойства шумоподобных сигналов и повышается скрытность. При этом не требуется увеличения мощности и полосы пропускания канала связи. Предлагаемое изобретение позволяет также корректировать фазочастотные характеристики любой сложности.

Это достигается тем, что исходный непрерывный сигнал подвергают дискретизации с последующим запоминанием отсчетов, затем каждый дискретный отсчет сигнала умножают на расчетную импульсную характеристику, которую формируют в виде последовательности временных отсчетов, при этом каждый отсчет сигнала преобразуют в совокупность временных отсчетов, число которых соответствует числу отсчетов импульсной характеристики, преобразованные отсчеты усиливают в каждом канале, суммируют и после фильтрации получают модифицированный сигнал с требуемыми фазоструктурными изменениями.

В предлагаемом способе частота и моменты отсчетов импульсной характеристики совпадают с частотой и моментами дискретизации исходного сигнала, при этом расчетную импульсную характеристику определяют, исходя из требуемого фазового спектра или фазочастотной характеристики.

На фиг.1 показаны временные формы сигнала и импульсной характеристики, поясняющие выполнение операций предлагаемого способа фазоструктурных преобразований сигналов. На фиг.2 приведена структурная электрическая схема устройства для осуществления предложенного способа.

Исходный непрерывный сигнал F(t) (фиг.1a) после дискретизации представлен отсчетами на фиг.1б. Импульсная характеристика, например, при требуемом квадратичном законе изменения фазовых сдвигов, вносимых в спектр сигнала, изображена на фиг.1в. После дискретизации с той же частотой и моментами на фиг.1г приведена последовательность временных отсчетов импульсной характеристики. Сигнал с преобразованным фазовым спектром находится с помощью интеграла свертки импульсной характеристики и исходного сигнала. Для этого каждый дискретный отсчет сигнала умножают на расчетную импульсную характеристику и затем суммируют. На фиг.1 д, е, ж показаны совокупности временных отсчетов при умножении соответственно первого, второго и третьего отсчета исходного сигнала на последовательность временных отсчетов импульсной характеристики. При этом каждый отсчет сигнала преобразуется в N отсчетов, число которых равно числу отсчетов дискретизированной импульсной характеристики. Иными словами, каждый отсчет сигнала удлиняется в N раз. Теоретическое обоснование и математически точные преобразования сигнала в совокупность удлиненных координатных (базисных) функций даны в работах [3, 4]. На фиг.1з условно показаны совокупности временных отсчетов при умножении четвертого и последующих отсчетов сигнала на дискретную импульсную характеристику. Затем в каждом временном сечении производится суммирование отсчетов удлиненных координатных (базисных) функций - фиг.1и. Здесь в установившемся режиме суммируются N отсчетов, при этом вклад каждого отсчета в значение суммы невелик. С увеличением вносимых фазовых сдвигов в спектр сигнала удлиняется импульсная характеристика и растет число членов суммы. Импульсная характеристика g(t) определяется по требуемому фазовому спектру (или фазочастотной характеристике) ϕ(ω) из выражения: .

Так, для преобразования сигнала с квадратичным фазовым спектром имеем

где ω - угловая частота,

Δω- полоса частот сигнала от 0 до граничной частоты ωr,

θ_m - перепад функции задержки в полосе частот Δω, определяющий эффективную длительность координатной (базисной) функции. В этом случае импульсная характеристика определяется соотношением:

Для эффективной длительности координатной функции, равной 100 периодам дискретизации Δt, в таблице 1 представлены отсчеты импульсной характеристики.

При необходимости компенсации введенных фазовых сдвигов (фазоструктурных преобразований) импульсная характеристика g*(t) при обратных преобразованиях определяется из условия:

g*(t)=g(-t)

В таблице 2 представлены значения 100 отсчетов компенсирующей импульсной характеристики.

Аналогично могут быть рассчитаны отсчеты импульсной характеристики при любых других требуемых фазовых спектрах (или фазочастотных характеристиках). Число отсчетов N при этом определяется величиной удлинения координатных функций, т.е. допустимой величиной базы сигнала.

Устройство (фиг.2) для осуществления предложенного способа содержит последовательно соединенные первый фильтр 1 нижних частот, дискретизатор 2 и дискретно-аналоговую линию 3 задержки, при этом второй вход дискретизатора 2 и второй вход дискретно-аналоговой линии 3 задержки соединены с выходом синхрогенератора 4, набор из N усилителей 5, выходы которых подключены к входам сумматора 6, а также введенные набор из N умножителей 7, формирователь 8 отсчетов импульсной характеристики, второй фильтр 9 нижних частот, при этом каждый из N выходов дискретно-аналоговой линии 3 задержки соединен с первыми входами N умножителей 7, вторые входы которых соединены с соответствующими N выходами формирователя 8 отсчетов импульсной характеристики, вход которого соединен с выходом синхрогенератора 4, а выход каждого из N умножителей 7 подключен соответственно к входу каждого из N усилителей 5, а выход сумматора 6 соединен с входом второго фильтра 9 нижних частот, выход которого является выходом устройства.

Устройство работает следующим образом. Входной непрерывный сигнал после ограничения полосы частот в фильтре 1 нижних частот поступает на первый вход дискретизатора 2. На второй вход дискретизатора 2 подается от синхрогенератора 4 импульсная последовательность, период которой определяется теорией Котельникова. Поэтому сигнал на выходе дискретизатора 2 представлен последовательностью дискретных выборок, которые поступают на первый вход дискретно-аналоговой линии 3 задержки. Эта линия 3 задержки может быть выполнена по схеме 22.5 прототипа [7] и содержит N ячеек памяти, в которых хранятся дискретные выборки сигнала. В следующий такт каждое значение выборок (отсчетов) переписывается в последующую ячейку памяти и т.д. Для обеспечения этого второй вход дискретно-аналоговой линии 3 задержки соединен с выходом синхрогенератора 4. В случае применения в качестве дискретизатора 2 аналого-цифрового преобразователя линия 3 задержки может быть выполнена в виде сдвигающего регистра. Выход каждой ячейки памяти линии 3 задержки подключен к первому входу умножителей 7, вторые входы которых соединены с соответствующими выходами формирователя 8 отсчетов импульсной характеристики. Импульсная характеристика определяется по требуемому фазовому спектру или фазочастотной характеристике из вышеприведенных математических формул. Например, для квадратичного фазового спектра и N=100 значения отсчетов импульсной характеристики приведены в таблице 1. Для получения этих значений на соответствующих выходах формирователя 8 могут быть использованы обычные резисторные делители. Для получения отрицательных значений отсчетов на вход формирователя 8 поступают импульсные последовательности с выходов Q и . синхрогенератора 4. Использование одинаковой импульсной последовательности от синхрогенератора 4 для диекретизатора 2 и формирователя 8 обеспечивает совпадение частоты и моментов дискретизации исходного сигнала с частотой и моментами отсчетов импульсной характеристики. С выходов умножителей 7 каждый модифицированный отсчет сигнала усиливается на постоянный коэффициент К₀ в усилителях 5 и затем поступает на входы сумматора 6. В установившемся режиме в каждый дискретный момент в сумматоре 6 суммируются N модифицированных отсчетов. С выхода сумматора 6 отсчеты модифицированного сигнала поступают на вход второго фильтра 9 нижних частот, верхняя граничная частота которого совпадает со спектром исходного сигнала. Таким образом, на выходе фильтра 9 получаем модифицированный непрерывный сигнал с фазоструктурными преобразованиями.

Использование предлагаемого способа фазоструктурных преобразований сигналов и устройства для его осуществления позволяет получить следующее:

1. Осуществлять коррекцию фазочастотных характеристик устройств и каналов связи любой сложности.

2. Повысить помехоустойчивость радиотехнических и телевизионных систем при ограниченном динамическом диапазоне и особенно при совместном применении амплитудно- и фазо-частотных предыскажениях.

3. Эффективно бороться с импульсными и мультипликативными помехами за счет придания непрерывному сигналу свойств сложных сигналов.

4. Формировать сложные шумоподобные сигналы для связи и радиолокации с заданным уровнем боковых лепестков.

5. Обеспечивать скрытность и маскировку сигналов с целью исключения несанкционированного доступа к передаваемой информации.

6. Значительно упрощается техническая реализация, снижаются трудозатраты и стоимость.

7. Расширяются функциональные возможности за счет оперативного изменения фазового спектра (дискретной импульсной характеристики).

Источники информации

1. A.C. №229592, Кл.21а¹ 34/11; 21а⁴ 22/01, МПК Н 04 n; Н 04 b, опубл. 1968, БИ №33.

2. Суслонов С. А. и др. Широкополосные дисперсионные линии задержки на фазовых контурах // Радиотехника. - 1973. - №1. - с.108-109.

3. Суслонов С.А. Метод борьбы с мультипликативными помехами на основе фазовых преобразований сигналов // Изв. вузов СССР. - Радиоэлектроника. -1978. - т.21. - №4. - с.14-21.

4. Суслонов С. А. Помехоустойчивость радиосистем со сложными непрерывными сигналами // Изв. вузов СССР. - Радиоэлектроника. - 1979. - т.22. - №4. - с.17-24.

5. Суслонов С. А. Помехоустойчивость системы связи с предсказанием при модификации фазовой структуры сигнала // Изв. вузов СССР. - Радиоэлектроника. - 1982. - т. 24. - №4. - с.4-11.

6. Орлов B.C., Бондаренко B.C. Фильтры на поверхностных акустических волнах.- М.: Радио и связь, 1984. - 272 с.

7. Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. - М.: Радио и связь, 1985. - 384 с., рис. 21.4, с.350 и рис. 22.5, с.366 (Прототип).

1. Способ фазоструктурных преобразований сигналов, основанный на фильтрации, дискретизации исходного сигнала, отличающийся тем, что каждый дискретный отсчет сигнала умножают на расчетную импульсную характеристику, которую формируют в виде последовательности временных отсчетов, и в результате умножения на соответствующие отсчеты импульсной характеристики преобразуют в совокупность временных отсчетов, число которых равно числу отсчетов импульсной характеристики, преобразованные отсчеты от каждого дискретного отсчета исходного сигнала усиливают, суммируют в каждый момент дискретизации и после фильтрации получают модифицированный сигнал с требуемыми спектральными характеристиками.

2. Способ фазоструктурных преобразований сигналов по п.1, отличающийся тем, что частота и моменты отсчетов импульсной характеристики совпадают с частотой и моментами дискретизации исходного сигнала.