Устройство для измерения временного положения импульсов

(54) УСТ НОГО ПОЛ (57) Изо вано в р НИЯ ВРЕМЕНИС ЕН ДЛЯ ИЗМЕШУЛЬСО может быть исполь ческих устройства ретение диотехн времен входящи го положения имв состав радио- и эмерени ульсов,ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Воронежский государственный университет им. Ленинского комсомола(56) Поиск, обнаружение и измерениепараметров сигналов в радионавигационных системах. /Под ред. В.Н. Казаринова. - М.: Советское радио, 1975,с. 193-195, рис. 7-3 б. гидролокационной аппаратуры, радионавигационных и других системах. Целью изобретения является повышение точности измерений временного интервала, измерения временного положения импульса известной полярности при совместном воздействии аддитивного широкополосного шума и модулирующей помехи путем оптического преобразования приходящего импульса. Для достижения поставленной цели в устройство, содержащее входную шину, усилитель , первый согласованный фильтр 2,блок 12 определения экстремума, счетчик 13 времени измерения и ключ 14, дополнительно введены первый 2 и второй 6Й согласованные фильтры, квадраторы 3 и 5, полосовой фильтр 4, инверторы 7 ГЛ и 10, два сумматора 8 и 11 и логарифмический усилитель 9. 1 табл.,28 ил, , С в1354157 Составитель И. Техред Л, Сердю зур Редактор Е.Пап рректор В.Гирняк ва,Подписное Производственно-полиграфическое предприятие, г ород, ул, Проектная аказ 5692/42 Тираж 371 ВНИИПИ Государственног по делам изобретении 113035, Москва, Ж, Раушкомитета СССРи открытийкая наб., д 4/515 81 135415Изобретение относится к импульснойтехнике и может быть использовано врадиотехнических устройствах измерения временных положений импульсов,входящих в состав радиогидролокационной, радионавигационной и другой аппаратуры,Цель изобретения - повышение точности измерения временного положенияимпульса неизвестной полярности присовместном воздействии аддитивногоширокополосного шума и модулирующейпомехи за счет оптимального преобразования приходящего импульса.На фиг.1 изображена структурнаясхема устройства; на фиг,2 - 27временные диаграммы, показывающие видпреобразований, которым подвергаютсяимпульс и модулирующая помеха припрохождении разных блоков в устройстве; на фиг,28 - зависимость минимального выигрыша в точности измерениявременного положения импульса в предлагаемом устройстве по сравнению с 25известным устройством от отношениямощности импульса, искаженного модулирующей помехой, к мощности неискаженной части импульса.Устройство содержит входную шину,усилитель 1, первый согласованныйфильтр 2, первь)й квадратор 3, полосовой фильтр 4, второй квадратор 5,второй согласованный фильтр 6, первыйинвертор 7, первый сумматор 8, логарифмический усилитель 9, второй инвертор 10, второй сумматор 11, блок12 определения экстремума, счетчик 13времени измерения и ключ 14.Входная шина устройства через 4 Оключ 14 соединена с входами усилителя 1 и полосового фильтра 4, выходусилителя 1 через согласованный. фильтр 2 подключен к входу квадратора 3, выход которого через инвертор 7 45соединен с одним из входов сумматора 8, другой вход сумматора 8 подключен к второму входу сумматора 11 и квыходу согласованного фильтра 6,входкоторого соединен через квадратор 5с выходом полосового фильтра 4, выход сумматора 8 через логарифмическийусилитель 9 соединен с входом инвертора 10, выход которого подключен кпервому входу сумматОра 11, выходсумматора 11 через блок 12 определе 55ния экстремума соединен с входомсчетчика 13 времени который соединенс входной шиной. 7 2Устройство работает следующим образом,При замыкании ключа 14 с входной шины на вход устройства поступает аддитивная смесь к(1) = Я(С- ,) + п(с) импульса Б(с - ". ) и широкополосного шума п(Е) и одновременно включается счетчик 13 времени. Импульс Я(1 - С ), временное положениекоторого необходимо измерить, искажен модулирующей помехой так, что его можно описать формулой(1)О, е (О,г.7,где ь - длительность импульса, неизвестная амплитуда неискаженнойи и и в части импульса, знак + или - определяет полярность неискаженной части импульса, которая также неизвестна, (С) характеризует модулирующую помеху, обладающую неизвестным постоянным спектром мощности, сосредоточенным в диапазоне частот-Я/2; Я/2 .Через входную шину устройства и ключ 14 аддитивная смесь х(г.) поступает на входы усилителя 1 и полосового фильтра 4. Выходные сигналы х (С) и хпервого квадратора 3 и согласованного фильтра 6 поступают на первый инвертор 7 и первый сумматор 8 соответственно. Сигнал х(й), снимаемый с сумматора 11, подается на блок 12 определения экстремума. Блок 12 выявляет положение наибольшего максимума сигнала х(г.)у а счетчик 13 времени производит его временной отсчет и размыкает ключ 14, после чего устройство готово к следующему циклу измерений.Входной сигнал х подается на вход широкополосного усилителя 1 (с коэффициентом усиления К,)у выход которого подключен к входу согласованного фильтра 2. В результате на выходе последнего имеем сигналфхе(п)щк, 1 х(е)-х(е - рое. г 2) Далее сигнал х(с) поступает на вход квадратора 3, на выходе которого формируется сигнал х (2.) "- х .) .В отсутствии адцитивного шума п(е) и мопупирумщей помехи 1(х) сигнал х (С) в момент времени р, +2 имеет максимум при положительной полярности или минимум при отрицательЭ 13541ной полярности неискаженной части импульса (1)Наличие аддитивного широкополосного шума п(Е) приводит к смещению экстремума х (й) относительноточки+ 2 . Как следует из теориипотенциальной помехоустойчивости,смещение экстремума х (С) относительноточки 7 + 7, из-за наличия толькоаддитивного широкополосного шума п(Г)минимально возможно. Это обусловленомаксимальным подавлением аддитивногоширокополосного шума согласованнымфильтром 2 за счет временного усреднения. При этом интервал корреляции 15сигнала х(С) равен длительности импульса 7 . Поэтому сигнал х (г.) в окрестности длиной 2 С точки+имеет только один экстремум, который для сигнала х (Г) = х(с) являетсямаксимумом вне зависимости от полярности неискаженной части импульса (1).Смещение максимума х (с) относи 3тельно точки+из-за наличияо Иаддитивного широкополосного шума п 25также является минимально возможным,как и смещение экстремума сигнала х(С), Поэтому при Отсутствии модули рующей помехи (С) или при достаточно малом ее уровне и неизвестной полярности импульса (1) измерение временного положения импульса (1) можно было бы осуществлять на основе определения положения максимума сигнала х (С), В этом случае измерения проводились бы с минимально возможными ошибкам. Однако наличие модулирующей помехи (й) в (1) может смещатьположение максимума сигнала хотносительно точки+ ьи на достаточно большую величину, что приводит к большим ошибкам измерения. Выше сказанное иллюстрируются графиками, представленными на фиг.2-4, на Фиг.2 условно изображена реализация х(г;) при отсутствии аддитивного шума п(С),т.е. импульс (1), искаженный модулирующей помехой (с). На фиг.3 и 4 изображе. ны соответственно формы сигналов х(Г) и х (С), которые Формируют пер 50 вый согласованный фильтр 2 и первый квадратор 3. Как следует иэ Фиг.4, положение максимума сигнала х (с) на 3 ходится достаточно далеко от точкило + "и55Сигнал, положение максимума которого не изменяется из-за наличия мо, дулирующей помехи (й), формируется с помощью блоков 4-6. Импульс х(с) 574поступает на вход полосового фильтра 4 с полосой пропускания Г -Я/2 Я/2, имеющего коэффициент передачи в этой полосе К. В результате на выходе фильтра 4 имеет сигнал( ) -( ) О (3)з 1 п (Д;/2)1 Г Этот сигнал, пройдя через квадратор 5, поступает на вход согласованного фильтра 6. Формируемый этим согласованным Фильтром сигналх (с)=х -х(л - л )1 Д (4)опри отсутствии адцитивного шума п достйгает наибольшего максимума в момент времени Г 0+ Си вне зависимости от полярностинеискаженной части импульса (1) и реализации модулирующей помехи . Действительно, если реализация х(г.) имеет вид, изображенный на фиг,2, то сигнал х= х (е) на выходе квадратора 5 с точностью до масштабного множителя можно представить графиком, изображенным на фиг.5, а сигнал х (С) при этом имеет вид, изображенный на фиг.6. Поскольку ,входной сигнал согласованного фильтра 6 является знакопостоянным при любой полярности неискаженной части импульса (1) и любой реализации , выходной сигнал этого согласованного фильтра всегда при отсутствии аддитивного шума п(г.) имеет максимум в момент времени 0 + С . Наличие адитивного широкополосного шума п(Г) приводит к смещению этого максимума относительно точки+ 7 . Это сме 0 Ищение может быть большим, чем смещение максимума выходного сигнала с выхода первого квадратора 3 х (с),из-эа появления на входе согласованного фильтра 6 перекрестных помех типа произведения сигнала на шум при возведении х (С) в квадрат. Поэтому, если бы аддитивный шум на входе отсутствовал или имел бы достаточно малый .уровень, то измерения временного положения импульса (1) можно было бы проводить на основе определения максимума сигнала х (С).Сигнал х(г.), пройдя через инвертор 7, суммйруется с сигналом х (С) в сумматоре 8 и поступает на вход логарифмического усилителя 9 с коэффициентом усиления К. Сигнал с выхода логарифмического усилителя 9 далее поступает на вход инвертора 1 О и в результате формируется сигнал вида7 6сигналов х- х(1), когда реализация х(С) имеет вйд, приведенный на фиг.7, изображены на фиг.13-17 сплошными линиями.Процесс формирования сигнала х, аналогичен рассмотренному выше и в случае, когда импульс (1) с достаточно большой амплитудой П неискаженной части наблюдается на фоне аддитивного широкополосного шума п и модулирующей помехи(Т) малой интенсивности. Это обусловлено тем, что при сделанных предположениях реализация х на интервале времени,; ь, + 1, как правило, знакопостоянна. В результате этого сигналы х (С) и х (г.) вблизи точки , + 8 И имеют близкие по величине максимумы, а сигнал х (.) = х- хминимум.Рассмотрим теперь случай, когда интенсивность модулирующей помехивелика. При этом для простоты изложения положим, что аддитивный шум п(С) в реализации х(С) отсутствует. На фиг.8 условно изображена подобная реализация х(с). Поскольку сигнал х(С) в данном случае является знакопеременным, то в результате его усреднения по времени в первом согласованном Фильтре 2 на выходе этого фильтра имеем сигнал х , изображенный на фиг,19, уровенькоторого достаточно мал. Выходной сигнал квадратора 3 х= х(и) показан на2фиг.20. Сигнал после полосового фильтра 4 (фиг.21) поступает на вход квадратора 5. В результате на его выходе имеем уже знакопостоянный сигнал х (е) (фиг.22), который затем поступает на вход второго согласованного . Фильтра 6, Так как входной сигнал Фильтра 6 знакопостоянен, то при отсутствии в х(г.) аддитивного шума п(1) сигнал х (с) (фиг,23) на выходе фильтра 6 достигает максимума в момент времени Я, + С . При этом его уровень значительно больше уровня сигнала х (С), так как при его формировании используется и энергия неискаженной части импульса (1) и энергия модулирующей помехи (с). Поэтому уровень сигнала на выходе первого сумматора 8 х= х (с) - х(т) (фиг,24) в основном определяется уровнем сигнала х .Достаточно большой по уровню сигнал х(1) затем поступает на логарифмический усилитель 9, который н результате.сжатия динамического диапа 5 135415х,( ) = -К Хпк (С) - х (С)3 . В сумматоре 11 сигнал х,(С) суммируется с сигналом х (1):хл(с) х (с)-К Хпх (с) -х з(с)35При отсутствии модулирующей помехи (С) в реализации х(г.) и достаточно большой амплитуде П неискаженной части импульса сигналы х (г.) и х (Т) имеют максимум вблизи точки+о ФПроцесс формирования этих максимумов поясняют графики, приведенные на фиг.7-12. На Фиг,7 сплошной линией условно изображена реализация х(Т), когда в импульсе (1) модулирующая помеха (Т) отсутствует и имеется только аддитивный шум п(с), а на фиг.8- 12 с точностью до масштабных множителей представлены сигналы, формируемые 20 при этом блоками 1-6. Следует заметить, что если бы в реализации х(С) не было также аддитивного шума п(Т), то сигналы х з и х(с) достигали бы максимумов точно в момент времени Г, + и вне зависимости от полярности неискаженной части импульса (1). Подбирая коэффициенты усиления усилителя 1 - К, и Фильтра 4 - Е , величины этих максимумов можно было бы сде лать одинаковыми. В результате выходной сигнал первого сумматора 8 х (с)=3 = х- х (:) в момент времени Я, +л+имел бы минимум и нулевую амплитуду. Наличие же аддитивного шума п(Т) в реализации х(С) приводит к то 35 му, что минимум сигнала х 8(С) достигается в момент времени , отличный от , + , а амплитуда х (С) в этот момент времени не равна нулю, хотя и мала. Поэтому, проходя через логарафмический усилитель 9 и инвертор 10, сигнал х (С) преобразуется в сигнал х(1:), который в момент времени С имеет максимум. ПРичем логарифмичес кий усилитель в этом случае осуществляет обострение ( подчеркивает" ) минимум сигнала х 8,а инвертор 10 обращает минимум х (С) в максимум сигна 9ла х (г.), В сумматоре 11 сигналы 50 х,(1: и х(С), имеющие максимум в окрестности точки+складываются, в результате чего получается сигнал х , более ярко выраженный мак-,11симум которого также находится вблизи точки ,+ 2 . Блок О определения экстремума выявляет положение этого максимума, а счетчик 13 времени производит его временный отсчет. Формы71 З 541 зона входного сигнала в значительной степени 11 сглаживает 11 его. Поэтому изменения выходного сигнала х (С) (фиг, 25) логарифмического усилителя 9 и выходного сигнала х (с.) (фиг,26)5 инвертора 1 О в окрестности точки Г, + + 7 малы. Сложение мало изменяющегося,сигнала х,(С) с сигналом х(С), имеющего максимум в точке 8 О+ ,во втором сумматоре 11 приводит к незна= чительному смещению максимума сигнала х 1(с) = х (с) + х (с) относительно точки 7, + С ч (сплошная линия фиг,27). Блок 12 выявляет положение максимума сигнала х (й), а счетчик 1311времени производит его временной отсчет.Следует отметить, что величина ошибок измерения в предлагаемом устройстве существенно зависит от значений коэффициентов усиления усилителя 1 - Е, фильтра 4 - Кй и усилителя 9 - К . Анализ точности измерения в этом устройстве, а также применение 25 методов теории потенциальной помехоустойчивости показали, что максимальная точность измерений достигается, когда К = К/, К= К/Л, К=К Б, где- длительность импуль- ЗО са, временное положение которого измеряется, 6 - средняя мощность (дисперсия ) адцитивного шума в полосе частот мультипликативной помехиЯ йа величина К выбирает22ся в зависимости от конкретных условий работы измерителя таким образом, чтобы согласовать динамические диапазоны входного сигнала и используемых 4 типовых блоков.Рассмотрим теперь существенные отличия в работе предлагаемого устройства и известного, а также обусловленное этими отличиями повышение в45 устройстве точности измерений. Пусть, например, в реализации х(С) модулирующая помеха (г) отсутствует, а неискаженная часть импульса. (1) имеет отрицательную полярность. Условный вид такой реализации х(С) изображен50 на фиг.7 сплошной линией, а пунктиром на этой же фигуре изображена неискаженная часть импульса (1). На фиг.17 пунктиром и сплошной линиями изобра 55 жены соответственно выходной сигнал х (с) согласованного фильтра 2 и выходной сигнал х(1), положения максимумов которых определяют измеряемые 57значения временного положения импульса ( ) в известном и предлагаемом.устройствахВследствие отрицательной полярности неискаженной части импульса (1) сигнала х (с) вблизи точки Г, +находится не максимум, а минимум. Поэтому измерения в известном устройстве в данном случае производятся с большими ошибками. В то жевремя в предлагаемом устройстве сигнал (процесс его формирования рассмотрен ранее) имеет максимум вблизи точки 8,+и ошибки измерения минимально возможные. Положим теперь, чтоимпульс (1) искажен только модулирующей помехой (с) и реализацию х(Г)можно условно изобразить графикомфиг,18. При этом сигналы хи х 1,которые являются входными сигналамисумматора 11, изображены соответственно пунктиром и сплошной линией на фиг.27. В результате интегрирования знакопеременного импульса в согласованном фильтре известного устройства максимум сигнала х 2(С) значительно смещается относительно точки+ с ,лю что и вызывает большие ошибки в определении временного положения импульса (1) .В предлагаемом устройстве смещение максимума сигнала х (1) относительно11точки.+ Г существенно меньше, так как это смещение обусловлено малоизменяющимся выходным сигналом х (С) логарифмического усилителя 9. Кроме того, величина максимума сигнала х(г.) в этом устройстве существенно больше, чем величина максимума сигнала х известного устройства. Это обусловлено тем, что для формирования максимума х (с) используется как энер 11гия неискаженной части импульса , имеющей произвольную полярность, так и энергия модулирующей помехи (С).Таким образом, для импульса (1) неизвестной полярности, искаженного модулирующей помехой и принимаемого на фоне аддитивного широкополосного шума, эффективность измерения его временного положения в предлагаемом устройстве существенно выше, чем в известном. Наличие выигрыша в точности подтверждается результатами теоретического анализа точности измерений временного положения импульса ( ) в предлагаемом и известном устройствах.Так минимальный выигрыш в точности измерений, обеспечиваемый предлагае 354157