Цифровой многоканальный коррелятор фазоманипулированных сигналов
Владельцы патента RU 2701059:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Изобретение относится к средствам обработки широкополосных псевдослучайных сигналов с кодовой фазовой манипуляцией в радиолокационных приемных устройствах и устройствах измерительной техники. Технический результат - повышение быстродействия работы многоканального коррелятора. Цифровой многоканальный коррелятор фазоманипулированных сигналов содержит генератор опорной кодовой последовательности, аналого-цифровой преобразователь, регистр сдвига, устройство синхронизации и N каналов обработки, в каждый канал введен сумматор-вычитатель с накоплением, причем выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом регистра сдвига, каждый из N выходов которого параллельно соединен со вторыми информационными входами сумматоров-вычитателей соответствующих каналов, а выход каждого сумматора-вычитателя соединен с собственным первым информационным входом и является выходом устройства, выход генератора опорной кодовой последовательности одновременно соединен с управляющими входом каждого сумматора-вычитателя, а выходы устройства синхронизации соединены с тактовыми входами аналого-цифрового преобразователя, регистра сдвига и генератора опорной кодовой последовательности. 2 ил.
Изобретение относится к устройствам обработки широкополосных псевдослучайных сигналов с кодовой фазовой манипуляцией и может быть использовано для вычисления корреляционных функций в радиолокационных приемных устройствах и устройствах измерительной техники.
Известно устройство коррелятора (Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. - М: Радио и связь, 1981. - 416 с.), позволяющее вычислять функцию корреляции в базовой полосе частот между принимаемым фазоманипулированным по закону N-элементной псевдослучайной двоичной последовательности и опорным соответствующим принимаемому сигналами, представленный линейным стационарным фильтром, согласованным с одним периодом последовательности. Взаимная функция корреляции вычисляется посредством поэлементного суммирования значений принимаемого сигнала в пределах периода последовательности со сменой или без смены знака слагаемых в зависимости от значений соответствующих элементов опорной двоичной последовательности. Для этого в состав фильтра включено устройство задержки с шагом, равным длительности одного элемента, и с числом шагов, равным числу элементов N опорной последовательности. Выходы устройства задержки соединены с N передаточными звеньями, через которые с инверсией или без инверсии знака отсчеты сигнала передаются на N-входовый сумматор с оптимальным фильтром на выходе.
В этом корреляторе реализация согласованных фильтров сложна, а быстродействие недостаточно. Согласованный фильтр после сумматора увеличивает время, затрачиваемое на обработку сигнала и замедляет работу коррелятора.
Известен многоканальный цифровой коррелятор периодических фазоманипулированных сигналов, описанный в авторском свидетельстве СССР №734716 опубликованном 18.05.80, содержащий генератор опорной кодовой последовательности, выход которого подключен ко входу регистра сдвига, аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом устройства, N каналов, каждый из которых содержит накапливающий сумматор и блок умножения, первые входы блоков умножения соединены с выходом аналого-цифрового преобразователя. Это устройство выбрано за прототип.
В этом устройстве отсутствует синхронизация опорной последовательности и процесса дискретизации принимаемого сигнала, из-за чего возможна выборка отсчетов сигнала во время смены значений принимаемой кодовой последовательности, это ведет к появлению помех и уменьшению уровня полезной составляющей в распределении функции корреляции. Кроме того, к снижению быстродействия ведет необходимость разделить во времени этапы накопления данных и их обработки. В том случае, если входной сигнал поступает непрерывно, это приведет к потере информации.
Технический результат предлагаемого устройства заключается в повышении быстродействия работы многоканального коррелятора при упрощении его структурной схемы.
Технический результат достигается тем, что в цифровой многоканальный коррелятор фазоманипулированных сигналов, содержащий генератор опорной кодовой последовательности, аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом устройства, регистр сдвига и N каналов обработки, введено устройство синхронизации, а в каждый канал обработки введен сумматор-вычитатель с накоплением, причем, выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом регистра сдвига, каждый из N выходов которого параллельно соединен со вторыми информационными входами сумматоров-вычитателей соответствующих каналов, а выход каждого сумматора-вычитателя соединен с собственным первым информационным входом и является выходом устройства, выход генератора опорной кодовой последовательности одновременно соединен с управляющими входом каждого сумматора-вычитателя, а выходы устройства синхронизации соединены с тактовыми входами аналого-цифрового преобразователя, регистра сдвига и генератора опорной кодовой последовательности
На фигуре 1 показана структурная электрическая схема предлагаемого цифрового многоканального коррелятора, где показано:
1 - аналого-цифровой преобразователь (АЦП);
2 - регистр сдвига;
3 - сумматоры-вычитателей N-каналов обработки;
4 -генератор опорной последовательности;
5 - устройство синхронизации.
Входом предлагаемого устройства является вход АЦП 1, выход которого соединен со входом регистра сдвига 2. Каждый из N выходов регистра сдвига 2 параллельно соединен со вторым информационным входом сумматора-вычитателя 3 соответствующего канала обработки. Выход каждого из N сумматора-вычитателя 3 соединен со своим первым информационным входом, а также является выходом устройства. Выход генератора опорной последовательности 4 соединен с управляющим входом каждого из N сумматора-вычитателя. Выходы устройства синхронизации 5 соединены с тактовыми входами аналого-цифрового преобразователя, регистра сдвига и генератора опорной кодовой последовательности
Повышение быстродействия осуществляется за счет вычисления взаимной функции корреляции между принимаемым и опорным, задающим одновременно закон модуляции сигналами на линейном массиве параллельно работающих сумматоров-вычитателей, на каждый из которых одновременно поступают следующие один за другим цифровые отсчеты опорного сигнала и отсчеты принимаемого сигнала из текущего окна анализа. При этом из каждого канала коррелятора-прототипа исключается умножитель и накапливающий сумматор, а вводится накапливающий сумматор-вычитатель, управляемый опорным сигналом, что позволяет исключить операции умножения.
Коррелятор работает следующим образом.
Смесь полезного сигнала, помех и шума с выхода высокочастотной части приемника поступает на вход АЦП 1, где преобразуется в цифровую форму. Данные, полученные с АЦП пошагово с частотой дискретизации АЦП передаются в регистр сдвига 2 и пошагово сдвигаются по сигналу готовности АЦП. Каждый из N выходов регистра сдвига соединен со вторым информационным входом сумматора-вычитателя 3, соответствующего канала. На управляющий вход каждого из сумматора-вычитателя одновременно поступает значение от генератора опорной последовательности 4, и происходит либо суммирование с накопленным в предыдущем шаге значением функции корреляции, либо вычитание из накопленного текущего значения на выходе регистра сдвига соответствующего канала. После накопления во всех регистрах сдвига значений входного сигнала с выхода всех сумматоров-вычитателей снимается функции корреляции. Количество N выходов регистра сдвига и сумматоров-вычитателей равно количеству отсчетов опорной последовательности. Устройство синхронизации 5 необходимо для формирования тактовой частоты АЦП, регистра сдвига, сумматоров-вычитателей и генератора опорной последовательности. Благодаря тому, что сумматоры-вычитатели могут работать с частотой, превышающей частоту дискретизации АЦП, а, следовательно, и частоту поступления данных, можно сказать, что коррелятор работает в реальном масштабе времени. Это позволяет обрабатывать непрерывно поступающие входные отсчеты. Регистр сдвига, сумматоры-вычитатели и устройство синхронизации целесообразно реализовывать на одной ПЛИС.
Проверка работоспособности предлагаемого цифрового коррелятора проводилась в лабораторном эксперименте по измерению временной задержки сигналов от акустических источников, находящихся на разном расстоянии от точки приема. При этом блоки 2, 3, 4, 5 были реализованы на ПЛИС. Результат вычисления корреляционной функции при измерении временного сдвига сигналов от двух акустических источников представлен на фиг. 2. В одном случае эти источники были удалены на расстояние 1.1 м и 4.3 м (фиг. 2а), а в другом - на расстояние 1.8 м и 4.3 м (фиг. 2б) от точки приема. Значения взаимной функции корреляции R(n) представлены в относительных единицах. Измерялась разность временных задержек δτ=τ2-τ1 сигналов от второго τ2 и первого τ1 источников. В первом случае δτ=δτ1=12, а во втором δτ=δτ2=8. Во времени это соответствует 9.6 мс и 8 мс, а по разности хода звуковой волны при скорости звука 330 м/с -δτ1=(3.17±0.3) м и δτ2=(2.64±0.3) м. Измеренные значения δτ1 и δτ2 близки к установленным расстояниям между источниками 3.2 м и 2.5 м. Основная причина погрешности измерений обусловлена периодом дискретизации АЦП. Основной причиной искажений, представленных на фиг. 2 распределений R(n) явились интерференционные эффекты и переотражения от посторонних объектов в зоне обзора, добавляющих в принимаемый сигнал непредсказуемые и коррелирующие с опорным сигналом составляющие.
Опорную псевдослучайную последовательность, например, М-последовательность, состоящую из набора элементарных импульсов со значениями амплитуды в случае фазовой манипуляции 1 и -1, можно заменить набором, состоящим из значений 0 и 1 соответственно. Это позволяет заменить операцию умножения в корреляторе на управление сумматором-вычитателем, когда при сигнале "0" на управляющем входе сумматора-вычитателя происходит суммирование, а при сигнале "1" вычитание. В результате предлагаемое устройство становится инвариантным к способу кодовой манипуляции. При фазовой кодовой манипуляции в модулирующем устройстве значение опорной последовательности 0 заменяется на 1, а 1 на -1. При амплитудной манипуляции остается неизменной. В обоих случаях опорная кодовая последовательность состоит из набора 0 и 1.
Цифровой многоканальный коррелятор фазоманипулированных сигналов, содержащий генератор опорной кодовой последовательности, аналого-цифровой преобразователь, вход которого является входом устройства, регистр сдвига и N каналов обработки, отличающийся тем, что в цифровой многоканальный коррелятор введено устройство синхронизации, а в каждый канал обработки введен сумматор-вычитатель с накоплением, причем выход аналого-цифрового преобразователя соединен с входом регистра сдвига, каждый из N выходов которого параллельно соединен со вторыми информационными входами сумматоров-вычитателей соответствующих каналов, а выход каждого сумматора-вычитателя соединен с собственным первым информационным входом и является выходом устройства, выход генератора опорной кодовой последовательности одновременно соединен с управляющими входом каждого сумматора-вычитателя, а выходы устройства синхронизации соединены с тактовыми входами аналого-цифрового преобразователя, регистра сдвига и генератора опорной кодовой последовательности.
