Цифровой коррелятор для обнаружения эхо-сигналов — SU 1418748 (original) (raw)
СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН 19) ( 1874 4 С 06 Р 15/33 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 13," 13цц р 1 т,г( т е31 ационныи институт етельство СССР Р 15/336, 1981, ельство СССР Р 15/336 ь 1983,(54) ЦИ ЖЕНИЯ Э (57) Из зировантехники обнаруж мени эх ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(56) Авторское свид879595, кл, С ОбАвторское свиде1107135, кл. С 0 РОВОЙ КОРРЕЛЯТОР ДЛЯ ОБНАРУО-СИГНАЛОВбретение относитСя к специалиым средствам вычислительнойи может быть использовано дляния в реальном масштабе вре-сигнала, имеющего доплеровское смещение частоты. Целью изобретения является повышение быстродействия при широком диапазоне неизвестных доплеровских смещений частотыэхо-сигналов. Цифровой коррелятор содержит три преобразователя 1, 9 и 13 аналог-код, преобразователь 12 код - аналог, два блока 2 и 14 преобразова.ния Фурье, два блока 3 и 15 вычисления квадрата модуля, арифметический блок 8, три 4, 10 и 16 блока задерж,ки, два блока 5 и 7 экспоненциальной выборки, ключ 11 и блок 6 синхрониза.ции, Повышение быстродействия достигается за счет сведения входных сигналов к виду, инвариантному к измене" Я нию их временного масштаба, вызванного доплеровским смещением частоты.1 3 епф лыу 3 илеС"Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено дляобнаружения в реальном масштабе времени эхо-сигнала, имеющего доплеровское смещение частоты,Цель изобретения - повышение быстродействия при широком диапазоне не-известных доплеровских смещений частоты эхо-сигналов. 10На фиг, 1 изображена структурная; схема пифрового коррелятора для об наружения эхо-сигналов; на фиг. 2 -структурная схема блока экспоненци альной выборки; на фиг. 3 - времен, ные диаграммы, поясняющие работу уст, ройства,Цифровой коррелятор для обнаружения эхо-сигналов (фиг. 1) содержитпервый преобразователь 1 аналог-код 201первый блок 2 преобразования Фурье,первый блок 3 вычисления квадратамодуля, второй блок 4 задержки, первый блок 5 экспоненциальной выборки,блок 6 синхронизации, второй блок 7экспоненциальной выборки, арифметический блок 8, второй преобразователь 9 аналог - код, первый блок 10задержки, ключ 11, преобразователькод - аналог 12, третий преобразова- ЗОтель 13 аналог " код, второй блок 14преобразования Фурье, второй блок 15вычисления квадрата модуля, третийблок 16 задержки.Блок экспоненциальной выборки(фиг, 2) содержит элемент 17 деления,первый 18 и второй 19 элементы умножения, экспоненциальиый преобразователь 20, генератор 21 пилообразногонапряжения, элемент 22 сравнения, 40счетчик 23, первый 24 и второй 25 источники постоянного напряжения.Устройство (фиг. 1) работает следующим образом.Излучаемый сигнал х,(г) подаетсяна первый вход коррелятора и поступает на информационный вход первогопреобразователя 1 аналог - код, натекущий вход которого поступают сигналы с выхода первого блока 5 экспоненциальной выборки.Блок 5 экспоненциальной выборки(фиг. 2) работает следующим образом.С выходов первого 24 и второго 25 источников постоянного напряжения навходы элемента 17 деления поступаютнапряжения, пропорциональные соответственно Тс и Т. где Т - максимально возможная дпительность эхо-сигнала, Т, - интервал равномерной дискретизации сигнала х (Г.), обеспечивающий заданную погрешность дискретизации. На выходе элемента 18 деления формируется напряжение, пропорциональноеТ/Т. Напряжение, пропорциональноеТ 1с выхода элемента 17 деления поТ,ступает на первый вход первого элемента 17 умножения, на второй вход которого поступает сигнал со счетчика 23, фиксирующего число импульсов К = О, 1, М формируемой экспоненциальной выборки (М + 1 - общее число импульсов в этой выборке). С выхода первого элемента 18 умножения напряжение, проТпорциональное К, поступает на входсэкспоненциального преобразователя 20 на выходе которого формируется напряжение, пропорциональное еУЪ, Это напряжение поступает на второй вход второго элемента 19 умножения, на первый вход которого поступает напряжение с выхода первого 24 источника постоянного напряжения, пропорциональное Т, . С выхода второго элемента 19 умножения напряжение, пропорциональное Т е ,с поступает на первый вход элемента 22 сравнения, на второй вход ,которого поступает напряжение с выхода генератора 21 пилообразного напряжения, пропорциональное временипрошедшему с начала формирования экспоненциальной выборки, В моментыкт твремени к = Те 1 на выходе эле-., мента 22 сравнения формируются импуль- сы, которые затем поступают на тактирующий вход первого преобразователя 1 аналог - код.Отсчеты экспоненциальной выборки с выхода первого преобразователя 1 аналог - код в цифровой форме поступают на вход первого блока 2 преоб" разования Фурье. После вычисления отсчетов спектра экспоненциальной выборки излученного сигнала они поступают на вход первого блока 3 вычисления квадрата модуля. В момент времени С = Т, + Т с начала работы устройства, когда завершен предпоследний такт вычисления преобразования Фурье (Тф, - время, затрагиваемое на вычисление преобразования Фурье обрабатываемого сигнала без учета последнего такта) на втором выходе блока 6 синхронизации фор 3 14187 мируются пачки из М + 1 импульса с периодом повторения Т (фиг. За) (Т- время вычисления одного значения спектра сигнала на последнем такте в блоках преобразования Фурье) . Им.пульсы с второго выхода блока 6 .син- хронизации поступают на тактирующий вход второго блока 4 задержки. Одновременно с ними на информационный вход этого же блока поступают коды отсчетов квадрата модуля спектра экспоненциальной выборки излученного сигнала х,(й), сформированные на выходе первого блока 3 вычисления квад рата модуля (фигЗб).В первом блоке 4 задержки может быть записана М + 1 выборка. Синхронизация блока 4 задержки осуществляется посредством подачи импульсов на 20 его тактирующий вход с второго выхода блока 6 синхронизации с.периодом повторения Т, Таким образом, в первом блоке 4 задержки эа время, равное (М + 1)Т, завершится запись всех кодов отсчетов квадрата модуля спектра экспоненциальной выборки излученного сигнала х,(й) .Сигнал х(г.) с выхода приемника эхо-сигналов подается на второй вход 30 коррелятора и поступает на информационный вход второго преобразователя 9 аналог -код (фиг. Зв). На его тактирующий вход поступают импульсы с третьего выхода блока 6 синхронизации с периодом следования Тз = ЯТ (Т - период повторения импульсов рециркуляции). С приходом тактирующего импульса производится выборка принимаемого сигнала х(й), которая пре образуется в цифровой код и поступает на вход первого блока 10 задержки (фиг. Зг), В первом блоке 10 задержкиможет бьггь записана (Я)-явыборка сигнала. Выборка. с выхода 45 второго преобразователя 9 аналогкод задерживается в первом блоке 10задержки на время (И)Т (фиг. Зд) и через замкнутый ключ 11 вновь поступает на вход блока .10 задержки, Так как импульсы с третьего выхода блока.6 синхронизации следуют с периодом ЮТ, и период циркуляции равен (И)Т= = Т, то каждая последующая выборказаписывается в первый блок 10 задерж 55 ,ки после циркуляции предыдущей с задержкой на Т (фиг. Зг), При этом происходит запись принимаемого сообщения.и сжатие его во времени с коэффициентом сжатия,. равньп 1 И. В мом." .ты времени, кратные ИТ, цепь циркуляции разрывается, так как в это же время на управляющий вход ключа 11 поступает импульс с третьего выхода блока6 синхронизации, размыкающий ключ 11. Благодаря этому, после (М) "й выборки записывается новая Е-я в результате чего обеспечиваетоя обновление записанной реализации на однувыборку после каждой циркуляции. Процесс записи, сжатия во времени.и обновления реализации может пронэводиться неограниченно долго, что обеспечивает взаимнокорреляцнонную обработку излучаемого и эхо-сигналов с неизвестным моментом прихода,Объем И формируемой выборки выбирается таким образом, чтобы часть отсчетов, а именно И-Мотображалаэхо-сигнал максимальной длительности,т. е. (И-Мф) И Т = Тс, где (И - 1) Т = - Тя , При этом длительность каждой сжатой копии эхо - сигнала равна(И-Хф)Т, Это сделано для того, чтобымежду моментом окончания предыдущейи моментом начала следующей копииэхо-сигнала остался промежуток времени, равный (И)Т, котсрый необходим для вычисления преобразованияФурье экспоненциальной выборки очередной копии эхо-сигнала (фиг. Зе).С выхода первого блока 10 задержки выборки в виде цифровых кодов поступают на вход преобразователя 12код-аналог, на выходе которого формируются сжатые копии принятого сигна" ла (фиг. Зе). Причем каждая следующая копия отличается от предыдущей эа счет обновления записанной реализации на одну выборку.Сформированные копии эхо-сигналов поступают на информационный вход третьего преобразователя 13 аналог-код,на тактирующий вход которого поступа-.ют импульсы из второго блока 7 экспоненциальной выборки (фнг. Зж),обеспечивающего дискретизацию очередной копии эхо- сигнала, Второй блок 7 экспоненциальной выборки начинаетформировать очередную экспоненциальную выборку в моменты времени кратные ИТ, Его работа начинается с прихода на входы счетчика 23 и генерато 1 ра 21 пилообразного напряжения блока 7 экспоненциальной выборки очередного импульса с третьего выхода блока6 синхронизации. Этот импульс эапус748 бтов квадрата модуля спектра экспоненциальной выборки предыдущей копии эхо-сигнала на второй информационный вход арифметического блока (фиг. Зи) и одновременную запись на освободившееся место в третьем блоке 16 задержки кодов всех М+1 отсчетов обработанной очередной копии эхо-сигналов. Арифметический блок 8 .выполняет по- парное .перемножение отсчетов с выходов второго 4 и третьего 16 блоков задержки по мере их поступления и суммирование полученных произведений в накапливающем. сумматоре арифметического блока 8. На управляющий вход арифметического блока 8 поступают импульсы с третьего выхода блока 6 синхронизации для обнуления накапливающего сумматора после каждой циркуляции сигнала, записанного во втором блоке 4 задержки. За время одной циркуляции вычисляется один отсчет взаимнокорреляционной функции между квадратом модуля спектра экспоненцИальной выборки излученного сигнала и квадратом.модуля спектра экспоненциальной выборки очередной обновлениой копии сжатого эхо-сигнала,Доплеровское смещение эхо-сигнала х (С) приводит к изменению его временного масштаба по сравнению с излученным сигналом х,(й), В устройстве влияние различий временного масштаба сиг налов х, (1) и х ( с) на качество его работы устраняется преобразованием этих сигналов к виду,. инвариантному к изменению временного масштаба. Это преобразование основано на формировании выборки сигналов с экспоненциальным шагом дискретизации. Такая процедура эквивалентна замене переменных й = е . Если изменился временной масштаб сигнала Я и сигнал принял вид Я(а), о после замены переменных,(ч+1 па), - Я(еЧ) дует из приве енение масшта сформировалос менной ч на 1 где су,(ч) Как сл шений, из ю раз тра новой перных соотносигнала всдвиг поЭтот сдвиг тем с леноя квадФурье отлаТаким иск етиз 5 1418 кает генератор 21 пилообразного напряжения и обнуляет счетчик 23. Параметры работы второго блока 7 экспоненциальной выборки иные чем у пер- Фб вого, Так, длительность рабочего хода генератора 21 пилообразного напряжения равна (И-Иф)Т = Т . Этой же веичине пропорционально йапряжение второго источника 25 постоянного напряжения второго блока 7 экспоненциьной выборки, а напряжение первого1 источнике 24 постоянного напряжения пропорционально величине Т = Т/И, Экспоненциальная выборка очередной копии эхо-сигнала определяется в мо=КЬ менты времени е= Т е" (К = 0,1, ,М), отсчитываемые от ее начала (фиг, Зж), При этом Т. = Т /Т = 1/И и макс С= Т. Поскольку ИТ = (И - 20 -Иф)Т + Тф то предпоследний такт вйчисления преобразования Фурье эксцоненциальной выборки.в блоке 14 преобразования Фурье закончится как раз в тот момент, когда на втором выходе 26 блока 6 синхронизации начинает формироваться очередная пачка изМ+1-го импульса с периодом повторения Т. Быстродействие блоков 2 и .14 преобразования Фурье должно отвечать усло" 30 вию (М+1)Т + Тбф,(ИТ, Импульсы со второго выхода блока 6 синхронизации поступают на тактирующие входы второго 4 и третьего 16 блоков задержки. Одновременно с ними на информационный вход третьего блока .16 задержкипоступают коды отсчетов квадрата модуля спектра экспоненциальной выборки очередной копии эхо-сигнала, сформированные на выходе второго блока 15 40 вычисления квадрата модуля. В третьем блоке 16 задержки также как и во втором может быть записана (М+1)-я выборка. Подача тактирующих импульсов с выхода блока 6 синхронизации на так тирующий вход второго блока 4 задерж-ки обеспечивает последовательное считывание кодов всех М+1 отсчетов квад-. рата модуля спектра экспоненциальной выборки излученного сигнала на пер вый информационный вход арифметического блока 8 (фиг. Зз) и одновременную их перезапись во втором блоке 4 задержки для многократного последую. - щего повторения. Одновременно те же 66 за тактирующие импульсы, поступая на тактирующий вход третьего блока 16 задержки, обеспечивают последовательное считывание кодов всех М+1 отсче- д аняется посредством вычисрата модуля преобразования формированной выборки сигна- образом, экспоненциальная ция сигнала в сочетании спроцедурой вычисления квадрата моду-, ля преобразования Фурье позволяет трансформировать исходные сигналы к виду инвариантному к изменению .вре 5 менного масштаба, Сформированные таким образом сигналы не инвариантны к сдвигу исходных сигналов. Поэтому максимальное значение взаимнокор- . реляционной функции межцу преобразо О ванным излученным сигналом и очередной обновленной копией преобразованного эхо-сигнала будет получено в тот момент, когда сдвиг во времени между ними будет отсутствовать, 15формула изобретения1. Цифровой коррелятор для обнаружения эхо-сигналов, содержащий пер вый преобразователь аналог-код, информационный вход которого является входом излученного сигнала коррелятора, три блока задержки, арифметический блок, выход которого является 25 выходом коррелятора, ключ, блок синхронизации и второй преобразователь аналог-код, информационный вход которого является входом эхо-сигнала коррелятора, а выход соединен с информа ционным,входом первого блока задержки, выход которого соединен с информационным входом ключа, выход которого соединен с информационным входом первого блока задержки, выход вто- З 5 рого блока задержки подключен к пер-вому информационному входу арифметического блока, о т л и ч а ю щ и й - , с я тем, что, с целью повьппения быстродействия,в него введены два блока 40 преобразования Фурье, два блока вычисления квадрата модуля, два блока экспоненциальной выборки, преобразователь код - аналог и третий преобразователь аналог - код, причем выход первого преобразователя аналог - код через последовательно соединенные первый блок преобразования Фурье и первый блок вычисления квадрата модуля подключен к информационному входу 5 О второго блока задержки, выход которого соединен с его информационным вхо- дом через монтажное ИЛИ, выход первого блока задержки через преобразователь код-аналог соединен с информа 1 ционным входом третьего преобразова теля аналог-код, выход которого через последовательно соединенные второй блок преобразования Фурье и второй блок вычитания квадрата модуля под- ключен к информационному входу трЕ- тьего блока задержки, выход которого соединен с вторым информационным входом арифметического блока, первый выхоц блока синхронизации через первый блок экспоненциальной выборки подключен к тактирующему входу первого преобразователя аналог-код, второй выход блока синхронизации соединен с тактирующими входами второго и третьего блоков задержки, третий выход блока синхронизации соединен с управляющими входами арифметического блока и ключа тактирующим входом второго преобразователя аналог-код и через второй блок экспоненциальной выборки с тактирующим входом третьего преобразователя аналог-код, четвертый выход блока синхронизации поцключен к тактирующему входу первого блока задержки.2, Коррелятор по п, 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что блок экспоненциальной выборки содержит цва источника постоянного напряжения, два ,элемента умножения, экспонепциальный преобразователь, генератор пилообразного напряжения, элемент сравнения, счетчик и элемент деления, вход делимого которого подключен к выходу первого источника постоянного напряжения, вход делителя элемента деления соединен с выходом второго источника постоянного напряжения, а выход подключен к первому входу первого элемента умножения, выход которого через экспоненциальньш преобразователь соединен с первым входом второго элемента умножения, второй вход которого соединен с входом делимого элемента деления, а выход подключен к первому входу элемента сравнения, второй вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, вход запуска которого, являющийся входом блока, соединен с входом сброса счетчика, счетный вход которого соединен с выходом элемента сравнения, являющимся выходом блока, а выход счетчика соединен с вторым входом первого элемента умножения.1418748 Составитель Е.Хуртиктор Г,Волкова Техред И.Попович РектоР Л.Патай каз 4156 48 Н оиэводственно"полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная,Тираж 704ИИПИ Государственного к делам иэобретений и Москва, Ж, Раушск Подписноемитета СССРткрытийя наб., д, 4