Способ спектрально-временной трансформации сигналов

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокации и системах обработки сигналов различного вида. Технический результат состоит в упрощении системы обработки сигналов и обеспечении трансформации сигналов любой формы путем их сжатия или расширения в произвольное число раз. Для этого сигнал U₁ преобразуют из аналоговой формы в цифровую, преобразуют полученный цифровой сигнал из временной области в частотную, формируя его частотный спектр S₁, преобразуют полученный частотный спектр S₁ в частотный спектр S₂ умножением каждой составляющей спектра S₁ на коэффициент трансформации N-константу, значение которой выбирают исходя из обеспечения необходимой длительности выходного сигнала, масштабируют частотный спектр S₂ делением амплитуды каждой его составляющей на коэффициент сжатия N, формируя этим отмасштабированный частотный спектр S_2M, преобразуют отмасштабированный частотный спектр S_2M из частотной области во временную, формируя этим цифровой сигнал, который затем преобразуют из цифровой формы в аналоговую с отличными от исходного сигнала параметрами. 3 ил.

 

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться, в частности, в радиолокации, радиосвязи и системах обработки сигналов различного вида.

Улучшение показателей обнаружения, разрешающей способности радиолокационных систем (РЛС) по дальности, угловым координатам, повышение темпа передачи сигналов в бортовых вычислительных машинах и др. является устойчивой тенденций их развития. Для решения перечисленных выше задач в РЛС используются различного рода преобразования сигналов, в связи с чем достаточно актуальна задача разработки способов преобразования сигналов, которые вносят минимум ошибок и снижают требования к полосе пропускания различных устройств РЛС.

Известны способы преобразования сложных сигналов, основанные на сжатии принимаемых сигналов в процессе их первичной обработки: патент RU 2144261 С1, 10.01.2000; патент US 5414728 А, 09.05.1995; патент JP 07046157 А, 14.02.1995; патент US 5048059 А, 10.09.1991; патент US 4484335, 20.11.1984; патент SU 473308 А, 05.06.1975.

Общий недостаток упомянутых способов связан с тем, что системы оптимальной обработки сигналов, использующие перечисленные способы, достаточно сложны и являются сугубо индивидуальными, адаптированными под конкретный вид используемого сигнала. В условиях различного рода искажений, имеющих место во время распространения радиоволн, системы, в которых реализованы перечисленные способы преобразования сигналов, перестают быть оптимальными, что приводит к существенным искажениям сигналов и, как следствие, к резкому уменьшению дальности действия таких систем и ухудшению их разрешающей способности [А.И.Канащенков, В.И.Меркулов, О.Ф.Самарин. Облик перспективных бортовых радиолокационных систем. Возможности и ограничения. - М.: ИПРЖР, 2002, стр.21-23].

Из известных технических решений наиболее близким (прототипом) является способ сжатия ширины спектра информационных электрических сигналов с ограниченной полосой частот [патент RU №2192708, С2, 10.27.2000;], в котором исходные непрерывные сигналы дискретизируют по времени, искусственно увеличивают тактовые интервалы между дискретными отсчетами и формируют непрерывные сигналы с соответственно более узкой полосой частот, при этом период следования дискретных отсчетов увеличивают быстрым свертыванием отсчетов каждой группы, на которые предварительно разделяют всю последовательность отсчетов, в один эквивалентный групповой отсчет-импульс, величины амплитуды и полярность которого в совокупности взаимно однозначно отображают аналогичные параметры исходных импульсов-отсчетов соответствующей группы.

Недостаток рассмотренного способа сжатия сигналов, как и у упомянутых выше, связан с тем, что системы оптимальной обработки таких сигналов, в которых реализуется данный способ, достаточно сложны и являются сугубо индивидуальными, адаптированными под конкретный вид сигнала.

Таким образом, задачей изобретения является упрощение системы обработки сигналов и обеспечение трансформации сигналов любой формы путем их сжатия или расширения в произвольное число раз при минимальных искажениях в процессе их обработки.

Для облегчения понимания средства достижения поставленной задачи, поясним физические принципы, положенные в основу заявляемого способа спектрально-временной трансформации сигналов. Заявленный способ основан на преобразовании сигнала из временной области в частотную и трансформации спектра с последующим его сжатием во временной области. Он базируется на свойстве преобразования Фурье над импульсными сигналами u₁ и u₂, связанных во временной области зависимостью

где: N=τ_и1/τ_и2 - коэффициент трансформации; τ_и1 и τ_и2 - длительности импульсов сигналов u₁ и u₂, соответственно; t - время.

Пример двух последовательностей прямоугольных импульсов, связанных зависимостью (1) при N=0,5, приведен на фиг.1, где символами Т_П1 и Т_П2 обозначены периоды повторения соответствующих последовательностей импульсов, а символами τ_и1 и τ_и2 - длительности импульсов.

Известно, что частотные спектры сигналов, связанных во временной области зависимостью (1), в частотной области связаны соотношением [Денисенко А.Н., Стеценко О.А. Теоретическая радиотехника. Справочное пособие. Ч.1. - М.: Издательство стандартов, 1993, стр.43]

где: S₁(j2πf) и S₂(j2πf) - частотные спектры сигналов u₁(t) и u₂(t), соответственно; f - частота; j - мнимая единица.

Эпюры частотных спектров S₁ и S₂ приведены на фиг.2, где символами F_п1=1/T_п1 и F_п2=1/T_п2 обозначены частоты повторения соответствующих импульсных последовательностей.

Эта связь сигналов во временной и частотной областях и положена в основу предлагаемого способа спектрально-временной трансформации сигналов.

Итак, согласно заявленному способу, над сигналом u₁ выполняют следующие действия:

- преобразуют его из аналоговой формы в цифровую u_1ц(k), где k - дискретные отсчеты времени;

- преобразуют полученный цифровой сигнал u_1ц(k) из временной области в частотную, формируя его частотный спектр S₁. Рассматриваемый способ спектрально-временной трансформации сигналов не накладывает ограничений на способ преобразования сигнала из временной области в частотную: он может быть любым, например, с помощью дискретного преобразования Фурье [С.З.Кузьмин. Цифровая радиолокация. - Киев: Издательство КВiЦ, 2000, стр.102],

где: - дискретные отсчеты времени; М - максимальное число дискретных отсчетов сигнала u_1ц(k), используемое при преобразовании; черта над символами означает, что переменная k принимает целые значения от 0 до М с шагом 1; i - номер спектральной составляющей частотного спектра S₁;

- преобразуют полученный частотный спектр S₁ в частотный спектр S₂ умножением каждой i-ой составляющей частотного спектра S₁ на коэффициент сжатия N - коэффициент трансформации, значение которого выбирают исходя из обеспечения требуемой длительности преобразованного сигнала;

- масштабируют частотный спектр S₂ делением амплитуды каждой i-ой его составляющей на коэффициент трансформации N, формируя этим отмасштабированный частотный спектр S_2м;

- преобразуют отмасштабированный частотный спектр S_2М из частотной области во временную, формируя этим сигнал u_2ц. Рассматриваемый способ спектрально-временной трансформации сигналов не накладывает ограничений на способ преобразования сигнала из частотной области во временную: он может быть любым, например, с помощью обратного дискретного преобразования Фурье [С.З.Кузьмин, Цифровая радиолокация. - Киев: Издательство КВiЦ, 2000, стр.103],

- преобразуют сигнал u_2ц из цифровой формы в аналоговую u₂ с отличными от сигнала u₁ характеристиками.

На фиг.1 приведены эпюры двух импульсных сигналов u₁ и u₂. На фиг.1 а изображен сигнал u₁ во временной области со следующими характеристиками: длительность импульса - τ_и1, период повторения импульсов - T_п1. На фиг.1 б - сигнал u₂, с длительностью импульса - τ_и2 и периодом повторения импульсов - Т_п2.

На фиг.2 приведены эпюры амплитудно-частотных спектров сигналов u₁ и u₂, где обозначено: U - амплитуда; F_п1=1/T_п1 - частота повторения импульсов сигнала u₁; τ_и1 - длительность импульса сигнала u₁; f - частота; F_п2=1/T_п2 - частота повторения импульсов сигнала u₂; τ_и2 - длительность импульса сигнала u₂.

На фиг.3 изображена структурная схема устройства спектрально-временной трансформации сигналов, в котором может быть реализован заявленный способ, где:

1 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);

2 - первый преобразователь;

3 - второй преобразователь;

4 - вычислитель;

5 - третий преобразователь;

6 - цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

Функционально устройство спектрально-временной трансформации сигналов состоит из последовательно соединенных АЦП 1, на вход которого подают преобразуемый сигнал u₁, первого преобразователя 2, второго преобразователя 3, вычислителя 4, третьего преобразователя 5 и ЦАП 6, с выхода которого снимают трансформированный сигнал u₂.

Заявленная в предлагаемом способе последовательность действий и условия их проведения подтверждается динамикой работы приведенного устройства спектрально-временной трансформации сигналов, в котором реализован заявленный способ. Структура данного устройства не зависит от формы обрабатываемого им сигнала, поэтому, для конкретности, рассмотрим его функционирование при условии, что сигнал u₁(t), подаваемый на вход АЦП, представляет собой последовательность видеоимпульсов прямоугольной формы с длительностью τ_и1 и периодом повторения импульсов T_п1 (см. фиг.1а).

Сигнал u₁(t) подают на вход АЦП 1, который преобразует его из аналогового вида в цифровой u_1ц(k). Сигнал u_1ц(k) с выхода АЦП 1 поступает в первый преобразователь 2.

Первый преобразователь 2, реализованный в цифровой вычислительной машине, по формуле (3) преобразует сигнал u_1ц(k) из временной области в частотную, формируя его частотный спектр S₁ (см. фиг.2а), представляющий собой набор пар чисел, первое из которых соответствует частотной составляющей сигнала, а второе - амплитудной.

Частотный спектр S₁ с выхода первого преобразователя 2 поступает на вход второго преобразователя 3, реализованного в цифровой вычислительной машине, который формирует частотный спектр S₂ умножением каждой i-ой составляющей частотного спектра S₁ на коэффициент трансформации N, значение которого задано исходя из обеспечения требуемой длительности преобразованного сигнала u₂.

Частотный спектр S₂ с выхода второго преобразователя 3 поступает на вход вычислителя 4, реализованного в цифровой вычислительной машине, который его масштабирует делением амплитуды каждой i-ой составляющей частотного спектра S₂ на коэффициент трансформации N, формируя этим отмасштабированный частотный спектр S_2м.

Отмасштабированный частотный спектр S₂ с выхода второго преобразователя 3 поступает на вход третьего преобразователя 5, реализованного в цифровой вычислительной машине, который по формуле (4) преобразует его из частотной области во временную, формируя этим сигнал u_2ц.

Сигнал u_1ц с выхода третьего преобразователя 5 поступает на вход ЦАП 6, который преобразует его из цифрового вида в аналоговый u₂, формируя этим сигнал с отличными от исходного сигнала u₁ характеристиками.

Таким образом, использование изобретения обеспечит трансформацию (сжатие или расширение) сигналов любой формы в произвольное количество раз, сведя к минимуму искажения при их обработке. Это обусловлено тем, что форма обрабатываемого сигнала может быть любой, что позволит использовать в системах обработки сигналов устройства, полоса пропускания которых будет минимальной и всегда согласованной с шириной спектра обрабатываемого сигнала.

Данный способ достаточно универсален и может быть использован, например, в любой РЛС без изменения ее структуры, поскольку для согласования ширины спектра принимаемого сигнала и полосы пропускания различных устройств РЛС достаточно задать только значение коэффициента сжатия.

К принципам построения и алгоритмам функционирования АЦП, преобразователей и вычислителя заявленный способ не предъявляет никаких особых требований: в качестве указанных устройств могут быть использованы любые из существующих в настоящее время. Преобразователи и вычислитель могут быть реализованы в вычислительной машине любого назначения. Все сказанное подтверждает практическую применимость заявленного способа.

Способ спектрально-временной трансформации сигналов, основанный на сжатии ширины спектра сигналов, отличающийся тем, что сигнал u₁ преобразуют из аналоговой формы в цифровую, преобразуют полученный цифровой сигнал из временной области в частотную, формируя его частотный спектр S₁, преобразуют полученный частотный спектр S₁ в частотный спектр S₂ умножением каждой составляющей спектра S₁ на коэффициент трансформации N-константу, значение которой выбирают исходя из обеспечения необходимой длительности выходного сигнала, масштабируют частотный спектр S₂ делением амплитуды каждой его составляющей на коэффициент трансформации N, формируя этим отмасштабированный частотный спектр S_2M; преобразуют отмасштабированный частотный спектр S_2M из частотной области во временную, формируя этим цифровой сигнал, который затем преобразуют из цифровой формы в аналоговую с отличными от исходного сигнала параметрами.