Способ определения временной задержки между копиями недетерминированного псевдослучайного сигнала

Изобретение относится к измерительной и радиоприемной технике и может найти использование в системах, осуществляющих измерение временной задержки между копиями недетерминированного псевдослучайного сигнала. Способ включает в себя несколько этапов: быстрое преобразование Фурье (БПФ) входных сигналов; выравнивание входных сигналов по уровню мощности спектральных составляющих; формирование нескольких контрольных суммарных сигналов; БПФ суммарных сигналов; введение дополнительных вспомогательных временных задержек, способствующих расширению диапазона измерения и формированию ИМ в спектрах контрольных суммарных сигналов; формирование с помощью фазовых сдвигов между слагаемыми контрольных суммарных сигналов, СЧС множества спектральных интервалов ИМ в суммарных спектрах; расчет времени задержки по полученным измерениям интервалов ИМ в контрольных суммарных сигналах. Основная обработка сигналов заключается в выполнении БПФ и простых математических операций, что повышает быстродействие и упрощает реализацию данного способа определения времени задержки. 6 ил.

 

Изобретение относится к измерительной и радиоприемной технике и может найти использование в системах, осуществляющих измерение временной задержки между копиями недетерминированного псевдослучайного сигнала.

Существует спектральный способ измерения временных задержек, описанный в источниках (Гершман С.Г. Тужилкин Ю.И. Об интерференции широкополосных шумовых сигналов. - Акустический журнал. 1965, т.11; и патент RU №864167 от 15.09.81 МПК G01R 23/00). В основе этого способа лежит факт появления в суммарном (многолучевом) сигнале характерных признаков интерференции, при частотном представлении сигнала они будут выглядеть как резкий «провал» уровня спектральных составляющих при интерференционном минимуме и «подъем» при максимуме.

Интерференционный минимум (ИМ) и максимум амплитуд суммарных составляющих спектра обусловлен значениями углов фазового сдвига между двух слагаемых, близкими к 180 и 0 градусов соответственно. Один из исходных и суммарный спектры представлены на Фиг. 1.

Частотный интервал (dƒ) между интерференционными минимумами, (ИМ) расположенными на суммарном спектре, определяет значение задержки (dT) между сигналами:

Возможность появления нескольких ИМ в полосе спектра (dF) сигнала определяется условием:

Недостаток спектрального способа - низкая точность определения времени задержки, обусловленная многолучевостью, неравномерностью группового времени задержки сигнала и нерегулярным составом спектральных составляющих, определяющих местоположение ИМ на частотной шкале. Спектральный состав сигнала определяется частотами сигнала модуляции. Ошибки в определении значения частоты ИМ приводят к ошибке в определения частотного интервала и соответственно расчетного значения времени задержки.

В описании изобретения (патент RU №864167 от 15.09.81 МПК G01R 23/00) анализируются недостатки спектрального способа и предлагается для повышения точности измерения задержки использовать комбинированный способ - дополнительно к спектральному измерению добавить непосредственно измерение интервала ИМ во временной области, выделив эти участки спектра селектирующими фильтрами. Измеренные данные накапливаются, и затем по наиболее вероятным значениям определяется время задержки.

Этот модифицированный спектральный способ измерения времени задержки как способ, соответствующий функциональному назначению, возьмем в качестве прототипа.

Недостатком этого способа является низкое быстродействие и вызванная этим низкая помехозащищенность в условиях изменения времени задержки. Также нерегулярный состав частот модуляции, определяющих значение интервала ИМ во временной области, (временной интервал ИМ - пересечение колебания сигнала с нулевой отметкой) приводит к «дрожанию» измеренных значений временных интервалов, то есть к снижению точности измерений.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышения быстродействия и точности определения времени задержки между двумя копиями псевдослучайного недетерминированного сигнала.

Технический результат достигается применением спектрально-фазового способа, формирующего «спектрально-фазовую сетку» (СФС) ИМ, представляющую собой, несколько одновременно созданных на множестве спектров суммарного сигнала и сдвинутых по частоте интервалов ИМ. Это позволяет распараллелить процесс измерения частотных интервалов ИМ во всех созданных спектрах суммарных сигналов и затем за счет усреднения одновременных измерений повысить точность определения времени задержки.

Предлагаемый спектрально-фазовый способ измерения задержки, основанный на создания «спектрально-фазовой сетки» ИМ, которая представляет собой множество суммарных спектров (шириной dF), в каждом из которых присутствуют интервалы спектральных огибающих ИМ (dƒ), сдвинутые между собой по частоте (АД Последовательный сдвиг по частоте интервалов ИМ осуществляется с помощью определенного приращения фазы (Δф) одного из слагаемых сигналов. Значение приращения фазы Δф в градусах, дающее сдвиг по частоте Δƒ, определяется по формуле:

Суммарные спектры с интервалами спектральных огибающих ИМ, сдвинутых по частоте, представлены на Фиг. 2, 3, 4, 5. Повышение точности определения времени задержки достигается за счет усреднения множества одновременно измеренных частотных интервалов в спектрах суммарных сигналов.

Способ включает в себя несколько этапов:

- быстрое преобразование Фурье (БПФ) входных сигналов;

- выравнивание входных сигналов по уровню спектральных составляющих;

- формирование нескольких контрольных суммарных сигналов;

- БПФ суммарных сигналов;

- введение вспомогательных временных задержек, способствующих расширению диапазона измерений временных задержек и формированию ИМ в спектрах контрольных суммарных сигналов;

- формирование СФС интерференционных минимумов спектра;

- усреднение значений фазовых интерференционных минимумов спектра по частоте и времени;

- определение времени задержки по результатам усредненных значений интерференционных минимумов.

Структурная схема, реализующая данный способ измерения времени задержки, представлена на Фиг. 6.

Один из входных сигналов поступает на управляемый аттенюатор 1, выполняющий выравнивание уровней мощности спектральных составляющих, затем сигнал подается на управляемую линию задержки 2 в которой осуществляется установка дополнительной временной задержки, позволяющей сформировать в спектре суммарного сигнала интерференционные минимумы. Затем после разветвления в схеме 3 сигналы поступают на линейку управляемых фазовращателей - схема 4. Управляемые фазовращатели за счет установки в них определенного фазового сдвига выполняют частотное позиционирование интервалов спектральных огибающих ИМ в спектрах суммарных сигналов. Сигналы с определенными фазовыми сдвигами поступают на один из входов сумматоров 5. Второй входной сигнал после выравнивания в схеме 1, установки временной задержки в схеме 2 и формирования фазового сдвига в схеме 4 подается на другой вход сумматоров 5. Сформированные таким образом суммарные сигналы поступают на схемы 6, осуществляющие быстрое преобразование Фурье (БПФ). Спектральные данные о сигналах поступают на схему 7, производящую измерение интервалов спектральных огибающих ИМ и выполняющую расчет времени задержки.

Алгоритм работы устройства, реализующий данный способ измерения задержки, включает в себя следующие действия:

- для увеличения диапазона измеряемого времени задержки, и возможности получения интерференционных минимумов в один из пары сигналов вводится временная задержка;

- для повышения точности одновременно выполняется N количество измерений частотных интервалов ИМ

в N количестве суммарных сигналов (которые имеют одинаковую задержку и определенный задаваемый фазовый сдвиг слагаемых сигналов формирующих сдвиг ИМ по частоте);

- суммарные сигналы одновременно подвергаются быстрым преобразованиям Фурье. Таким образом, формируется N - количество контрольно-измерительных спектров, имеющих за счет определенного фазового сдвига между слагаемыми сигналов, различные сдвинутые по частоте интервалы спектральных огибающих ИМ. Это позволяет из N количества контрольно-измерительных спектров в один момент времени получать N количество измерений значений интервалов dƒ_iИМ;

- на основании полученных данных о значениях интервалов dƒ_iИМ осуществляется расчет усредненного значения времени задержки dT по формуле:

Максимальное практическое значение N, определяющее точность расчета времени задержки, определяется по формуле:

где R - разрешающая способность анализатора спектра по частоте (количество точек БПФ, приходящееся на единицу частоты).

При расчете алгоритма работы устройства основная обработка сигналов будет заключаться в выполнении быстрого преобразования Фурье и простых математических операций, что повысит быстродействие и упростит реализацию данного способа определения времени задержки.

Способ измерения задержанных во времени псевдослучайных недетерминированных сигналов, в котором в двух сигналах, представленных в виде частотного спектра, выровненных по уровню, образующих в контрольных суммарных спектрах несколько интерференционных минимумов (ИМ), позволяющий по значению разности частот соседних ИМ определять время задержки, отличающийся тем, что для увеличения диапазона измеряемого времени задержки, в один из сигналов вводящий дискретную временную задержку, для повышения точности измерения формирующий N количество суммарных сигналов, имеющих фиксированную временную задержку и различный определенный фазовый сдвиг слагаемых, одновременно подвергающий суммарные сигналы быстрым преобразованиям Фурье и таким образом формирующий N количество контрольных суммарных спектров, имеющих одинаковую временную задержку и различный фазовый сдвиг слагаемых; позволяющий производить в контрольных суммарных спектрах в один момент времени N количество измерений, сдвинутых по частоте значений интервалов dƒ_i-ИМ, и на основании измеренных данных dƒ_i обеспечивающий получение усредненного значения времени задержки dT по формуле