Устройство для измерения относительной задержки импульсных сигналов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 9) (11) 1) й 04 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИН АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Рижский Краситут инженеров граждим, Ленинского ком(56) 1. Чайлдерс ДКемерейт Ч. Кепстрпри обработке данн1977,10, с. 5-22, Авторское св9 934811, кл. 4 04 знамен ный инсти. -анской авиацииомола 8.8)Скиннери его примых.-ТИИЭР,фиг.1.идетельство10/06, 1 Д юененит65 СССР80. ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(54) (57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗ.ЕРЕНИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ЗАДЕРЖКИ Ю 1 ПУЛЬСН Х СИГНАЛОЬ, содержащее аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен к входу первого процессора быстрого преобразования Фурье, "вещественный" и мнимый" выходы которого подключены к входам блока вычисления квадрата модуля дискретного преобразования Фурье, ключ, блок вычитания среднего, первый постоянный запоминакщий блок, блок потенцирования, первый процессор обратного быстрого преобразования Фурье, блок логариФмирования, цифроаналоговый преобразователь и блок управления, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения раэрешакщей способности и точности измерения относительной задержки импульсных сигналов, в него введены бло деления, первый и второй умножители, второй постоянный запоминающий блок, второй процессор быстрого преобразова=.ния Фурье, второй процессор обратного быстрого преобразованияФурье,причем к входу делимого блока деления подключен первый выход ключа,к входу, делителя подключен выходблока потенцирования и выход частного подключен к входу блока вычитания среднего, вход ключа подключенк выходу блока вычисления квадратамодуля дискретного преобразованияФурье, а второй выход - к входублока логарифмирования, выход(первого процессора обратного быстрого преобразования Оурье подключен .к первому входу первого умножителя, выход первого умножителя подключен к входу второго процессорабыстрого преобразования Фурье, авторой вход - к выходу первого постоянного запоминакщего блока, пер. -вый вход второго умножителя подключен к выходу блока вычитания среднего, второй - к выходу второгопостоянного запоминающего блока,а выход - к входу второго процессора обратного быстрого преобразования Фурье, выходом соединенногос входом цифроаналогового преобра,зователя, при этом выход второгопроцессора быстрого преобразованияФурье соединен с входОм блока потенцирования, выход блока логарифмирования соединен с входом первогопроцессора обратного преобразова ,ния Фурье, а выходы блока управлениясоединены с входами,синхронизациии управления блоков устройства.10 30 60 65 Изобретение относится к радиотех-ническим устройствам, служащим дляизмерения относительного временного сдвига близких по форме элементарных колебаний, образующих в сумме обрабатываемый аддитинный сигнали может найти применение, например,в радиолокационных станциях (РЛС),предназначенных для измерения толшины слоев н природных- средах.Изнестна система, содержащаяпервый процессор быстрого преобразования Фурье (БПФ), блок комплексного логарифмирования, первый процессор обратного БПФ (ОБПФ), фильтр(или лифтр) для формирования кепстрального окна", второй процессорБПФ, блок комплексного потенцирования и второй процессор ОБПФ Г 1,(.Однако для обработки радиолокационных сигналов, спектральная 20функция которых занимает конечнуюполосу частот, такая система непригодна из-за низкой точности,обусловленной значительным увеличением влияния шумов эа пределами полосы частот, занимаемой Сигналом,после комплексного логарифмирования. Иаиболее близким по технической сущности является устройстно для измерения относительной задержки, содержащее аналого-циФровой преобразователь (АПП), выходом подключенный к входу процессора БПФ, "вещественный" и "мнимый" выходы которого 35 подключены к входам блока вычисления квадрата модуля ДПФ, выход которого подключен к входу блока логарифмирования, сумматор, вход которого подключен к выходу постоянного ЗУ 40 (ПЗУ), а ныход - к входу блока потен" цирования, выход которого подключен к входу процессора ОБПФ, выход которого подключен к входу цифроаналого-. вого преобразователя (ЦАП), блок управления, блок вычитателя, блок вычитания среднего, блок ключа и оперативное ЗУ (ОЗУ), причем вход блока ключа подключен к выходу блока логарифмирования, первый выход - к.входу уменьшаемого блока нычитателя, а второй выход - к входу ОЗУ, выход, которого подключен к входу нычитаемого блока вычитате-. ля, выход которого подключен к входу блока вычитания среднего, а 55 выход последнего подключен к второму входу сумматора Е 2. Известное устройство имеет низкую точность измерения относительной задержки при наличии даже малого шума, уровень которого ниже 4 ддБ относительно сигнала. Кроме того, здесь требуется наряду с исследуемым аддиптивным сигналом иметь отдельно образец элементарного колебания, логарифм квадрата модуля ДПФ которого запоминается на все время измерения. Форма образца не всегда с достаточной точностью соответствует форме элементарных колебаний в обрабатываемом сигнале, которая может изменяться н процессе измерения.Цель изобретения - повышение разрешающей способности и точности из" мерения относительной задержки импульсных сигналов близкой формы, когда форма элементарного колебания заранее известна и образец этого колебания не может быть получен до или во время проведения измерений.Поставленная цель достигается тем, что в устройство для измерения относительной задержки импульсных сигналов, содержащее, аналого-цифровой преобразователь, выход которого подключен к входу первого процессо" ра быстрого преобразования Фурье, фнещестненный" и мнимый" выходы которого подключены к входам блока вычисления квадрата модуля дискретного преобразования Фурье, ключ, блок вычитания среднего, первый постоянный запомйнакщий блок, блок потенцирования, первый процессор обратного быстрого преобразования Фурье, блок логарифмирования, цифроаналоговый преобразователь и блок упавления, введены блок деления, первый и второй умножители, второй постоянный запоминающий блок, второй процессор быстрого преобразования Фурье, второй процессор обратного быстрого преобразования Фурье, причем к входу делимого блока деления подключен первый выход ключа, к входу делителя подключен выход блока потенциронания и выход частного подключен к входу блока вычитания среднего, вход ключа подключен к выходу блока вычисления квадрата модуля дискретного преобразования Фурье, а второй выход - к входу блока логарифмирования, выход первого процессора обратного быстрого преобразования Фурье подключен к первому входу первого умножителя, выход перного умножителя подключен к входу второго процессора быстрого преобразования Фурье, а второй входк выходу первого постоянного запоминающего блока, первый вход второго умножителя подключен к выходу блока вычитания среднего, второй - к выходу второго постоянного запоминающего блока, а выход - к входу второго процессора обратного быстоого преобразования Фурье, выходом соединенного с входом цифроаналогового преобразователя, при этом выход второгопроцессора быстрого преобразованияФурье соединен с входом блока потенцирования, выход блока логарифмирования соединен с входом первого .,процессора обратного преобразованияФурье, а выходы блока управления соединены с входами синхронизации иуправления блоков устройства.Па фиг.1 представлена структур"ная схема предлагаемого устройствадля измерения относительной задержки 0импульсных сигналов; на фиг. 2пример выполнения блока вычитаниясреднего; на фкг.З - пример выполнения блока вычисления квадрата модуля дискретного преобразования Фурье 15(ДПФ); на фиг.4 - временные диаграммы для импульсов управления и синхронизации, поступакщие от блокауправления на блоки устройства.Структурная схема устройства для 20измерения относительной задержкиимпульсных сигналов содержит аналого-циФровой преобразователь 1(3.ЦП), рервый процессор 2 БПФ, блок,3 вычисления квадрата модуля ДПФ, 25ключ 4, блок 5 логарифмирования,первый процессор 6 ОБПФ, первыйумножитель 7, первый пцтоянный запоминающий блок 8, второй процессор9 БПФ, блок 10 потенцирования (ан- . 30тилогарифмирование, возведение встепень с основанием Е ), блок 11деления, блок 12 вычитания среднего, второй умножитель 13, второйпостоянный эапоминакщий блок 14,второй процессор 15 ОБПФ, цифроаналоговый преобразователь 16 (ПрП).и блок 17 управления. Выход блока 15является цифровым выходом устройства, а выход блока 16 - аналоговьивыходом устройства.Входные сигналы поступают нааналого-цифровой преобразователь 1,соединенный с первым процессором 2быстрого преобразования Фурье (БПФ),выходы которого соединены с входомблока 3 вычисления квадрата модулядискретного преобразования Фурье(ДПФ), выходом соединенного с входомключа 4. Первый выход ключа 4 черезблок 5 логарифмирования соедкненс первым процессором 6 обратногобыстрого преобразования Фурье (ОБПФ),выход которого соединен с первым ум-ножителем 7,второй вход которого со-,единен с первым постоянньм запоминающим блоком 8, а выход - с вторымпроцессором 9 БПФ, через блок 10потенцирования соединенного .с блоком 11 деления, второй вход которогосоединен с вторым выходом ключа 4, 60а выход - с входом блока 12 вычитания среднего, выходом соединенногос входом второго умножителя 13,второй вход которого соединен с.выходом второго постоянного запоминающего блока 14, а выход - с входомвторого процессора 15 ОБПФ, выходомсоединенного с ЦАП 16.Построение и принцип действия устройства основаны на сведувзцем.Скгнал на выходе линейной частиприемника РИС зондирования природныхслоистых ,сред, сформированныйсредой при отражении от слоевс хорошо отражакщкми границамираздела, можно представить какаддитивный сигнал в вкде суммы сигналов (отражений), отра"женных от границ раздела. Так, например, если это тонкий пресный лед,,то первым отражением, как правило,является сигнал от границы разделавоздух - лед, а вторым, запаздывающим относительно первого, - сигналот границы лед - вода. Для такогольда толщиной 40-50 см оба отражения имеют примерно одинаковую форму,близкую к форме зондирукщего.сигналаПусть отраженный импульсный сигнал 3(Д, прошедший приемник и преобразованный в область видео-илидаже звуковых частот, стробоскопическим методом, имеет два отражения З Ю и 8, т.е. можно записать:8 -ьЮ-,(Ч,где ЗМ-айИ-Ъ), 1 - взаимный сдвиг,а - относительная амплитуда. В общем случае О, может быть больше илименьше нуля, а модуль сц больше илкменьше единкцы. Если спектральную.Функцию первого отражения фзапи"сать как 3(ш))ф 3 где (д - . круговая частота, б - величина сдвигаотносительно 1.-О, 4:Т, то спектральная функция второго отражения, еслисреда линейная. а границы разделаимеют близкую к равномерной частотнуюхарактеристику отражения, соответственно равна с 8 Я)Е-ФВф)Таким образом, спектральная Функция сигнала 4)ф имеет вкд:5(4) ЗЙ)е Йфое )Кз выражения (1) получим квадратмодуля 3(й 1.18 Ы МЬ 3) МасоьФС+а ) Р)В исходном сигнале 3 оба отражения 5 фи 3 Я имеют конечную длительность к применьше некоторой минимальной величины они сливаются настолько, что отделить их один от другого становится невозможно и сигнал 3 Я воспринимается как одно отражение. Однако даже в этом случае можно измерить 2. , если с помощью некоторой обработки вьщелить в выражении (2) второй сомножктельДПФ и временем вычисления натурального логарифма квадрата модуля вблоке 5. Отсчеты квадрата модуляДПФ с выхода блока 3 через ключ 4 ф поступают на вход блока 5 логарифмирования. Для запуска схемы местного управления вычислительным процессом в блоке 5 подаются импульсыс , которые по числу и структурепоследовательности такие же, как 10 импульсы Ь, но сдвинуты относительно последних на время вычисления квадрата модуля одного комплексного отсчета ДПФ. С выхода блока 5отсчет логарифма квадрата модуля 15 поступает во входной регистр первого процессора б ОБПФ и там запоминается. Для записи этого отсчета вовходной регистр служат импульсыкоторые по структуре последовательяности такие же, как импульсыно сдвинуты относительно последнихна время вычисления логарифма одного числа в блоке 5. Во входном регистре процессора б запись каждого 25 числа производится сразу в две ячейки с номерами 1 и Й, кроме отсче тов с номерами = 0 и Е= й/2, которые записываются в одну ячейку каждый. Объясняется это четной симметрией функции квадрата модуля ДПФ действительных сигналов относительно УИ/2,Запуск местной схемы упвправления процессора 6 ОБПФ осуществляется импульсами О . Полученные после ОБПФ отсчетыкепстра мощности записываютсяв ячейки выходного регистра процессора 6. Эти отсчеты считываютсяимпульсами к и подаются на второй вход, первого умножителя 7. Для даль 40 нейшей обработки используются толь.ко те отсчеты кепстра мощности,которые образуют кепстр элементар;ного колебания и располагаются вобласти, близкой к нулю оси частот 45 в.кепстральной области. Эти отсчеты выделяются "окном по кепструф. В пределах окна, шириной М отсчетов,располагаются отсчеты с номерамиОсП(МЯ) /2 и Сй - (ИЗ)/23 ( МЬ)если МЗ нечетное число и И 36(й) или с номерами 04 ММ/2 и (Ч-МЗ/2)4 Ый(й), если И четное число и МУМ Так как кепстр мощности четная функция, для формирования окна. по кепстру достаточно иметь только йоловину отсчетов кепстра, попадающихв окно, например, с номерами 04 и 6.И 3/2 для М-четного числа. Этаполовина отсчетов с помощью умно жителя 7 умножается на весовуюфункцию, МЗ/2+1 отсчетов (ИЗ- четное число) которой хранится в ячейках памяти блока 8. Отсчеты весовойфункции считываются из ячеек блока 65 8 импульсами к и поступают на пер ное преобразование Фурье. Переход.от одного этапа к другому обеспечивается авто;патически ключом 4 йблоком 17 управления с помощьюимпульсов 2 .Непрерывный (аналоговый) сигналпоступает на вход блока 1 ЩП.Здесь он дискретиэируется по времени и амплитуде и в цифровой форме отсчеты сигнала лоступают на выходблока 1 и далее в первый процессор2 БПФ, где записываются. в ячейкивходного регистра. Частота взятияотсчетов сигнала определяется частотой тактовых импульсов, подаваемых на вход управления блока 1 поцепи а из блока 17. Эта частота всоответствии с теоремой Котельникова не менее, чем в 2 раза боль"ше верхней частоты в спектре сигнала. Тактовые импульсы о. поступаюттакже в процессор 2 для управления записью отсчетов во входнойрегистр этого блока. Интервал определения сигнала включает М отсчетов,где М соответствует размерности ДПФи для быстрых алгоритмов вычисленияДПФ берется равным степени 2. Началом выполнения БПФ управляют импульсы б, которые поступают на второйвход управления процессора 2 послеокончания записи во входной регистрэтого блока И -го отсчета. В .концевыполнения БПФ отсчеты ДПФ записываются в два выходных регистра процессора 2 БПФ - регистр ф веществен-ной"части отсчетов ДПФ и регистрмнимой" части отсчетов ДПФ.Так какдля действительных сигналов отсчеты,ДПФ попарно комплексно сопряжены,т.е. имеют одинаковую величину квадрата модуля для Г -го и (К-гоотсчетов, где1, 2, 3М/2-1,то после выполнения БПФ достаточнойявляется обработка не более, чем в 8/2+1 данных.С выходных регистров процессора 2 БПФ считывается пара отсчетов, со" ответствукщая мнимой" и фвещественной" частям каждого из М/2+1 комплексных в общем случае, кроме 1=0 и =й/2,отсчетов ДПФ, которая поступает на два входа - вход "е Ьеще" ственныйф) и вход ь (фмнимыйф) блока 3 вычисления квадрата модуля отсчетов ДПФ. Считыванием отсчетов ,из процессора 2 и запуском меетной схемы управления в блоке 3 управляют импульсы Ь из блока 17, которые формируются в виде пакета а 2+1 пульсов, следующего за каждым им-, пульсом О Период следования им-пульсов 6 определяется временем, необходимым для считывания отсчетов из ячеек выходных регистров процессора 2, временем .вычисления квадрата модулярного комплексного отсчетавый вход умножителя 7. Произв.едение записывается в ячейки входногорегистра второго процессора 9 БПФ.Запись производится с помощью импульсов А аналогично процессору бсразу в две ячейки входного регистра процессора 9 за исключением ячей"ки с номером 1 О, куда записываетсяодин оусчет произведения. В ячейкивходного регистра процессора 9,находящиеся вне пределов "окна по 10кепстру", для которых МЗ/2606(Й-М 872),МЯ- четное число, записывается ноль.После заполнения ячеек входного регистра процессора 9 выполняется БПФ,последовательность операций которого 15определяется схемой местного управления, запускаемой импульсами л Вконце выполнения БПФ результат записывается в ячейки выходного регистра процессора 9. После окончанияэтой записи начинается считывание поодному отсчету в пределах половинычастотного окна. Результат ДПФ в процессоре 9 представляет собой четнуюдискретную функцию, с точностью допостоянного слагаемого, близкуюк натуральному логарифму квадратамодуля спектральной функции элементарного колебания. Средняя частьэтой логарифмической функции в пре-,.ЗОделах интервала определения ОЯс йдля широкополосных видеосигналов,где модуль спектральной Функции малпа величине, сильно искажена шумом.Эта средняя. часть находится за,пределами частотного окна и при дальнейших вычислениях не используется.Поэтому выходной регистр процессора9 может иметь,число ячеек памяти,равное числу отсчетов в пределахполовины частотного окна, включая 40отсчет при =0. Если эта окно имеет,,Я отсчетов, та в его пределах оказываются отсчеты с номерами ОИ(М)/2 и Й - (М) /2311 с (Й)еслиИ - нечетное число и МЙ(й) 45или с номерами 0616 М/2 и (Ч-М(2)1 Фс.(й), если 11 - четное число и МййТаким образом, учитывая четную симметрию модуля ДПФ действительныхсигналов, следует обрабатывать да Олее всего (М+1)/2 отсчетов в случае М нечетного или М/2+1 отсчетов,если М четное число. Далее счита"ем М четньм числом.Каждый из отсчетов с ОЛАФ с М/2 из, 55выходного регистра процессора 9 считывается импульсами Р и поступает в блок 10 потейцирования. Иавыходе блока 10 с точностью до постоянного множителя получаются от" 6 Осчеты, близкие к отсчетам квадрата модуля спектральной функцииэлементарного колебания Зрь)Эти отсчеты считываются, импульсамиО и поступают на вход делителя блока 11 деления. Период повторения импульсов о равен периоду импульсов Н, но.импульсы о отстают от импульсов Н на время вычисления. антилогарифма в блоке 10. Величина периода импульсов о определяется суммой времени считывания отсчета процессора 9, времени вычисления в блоке 10, времени деления в блоке 11 и времени записи в блоке 12 вычитания среднего. Импульсы о однофвременно подаются в первый процессор 2 БПФ И в блок 3 вычисления квадрата модуля. Каждым импульсом о из выходных регистров процессора 2 считывается пара отсчетов .для"вещественноййи "мнимой"частей спектральной функции сигнала 3 ЙЙ и поступает в блок Э для вычисления квадрата модуля. При этом в выходных регистрах процессора 2 используются только ячейки для номеров ойсм/2. Ключ 4 к моменту поступления первого импульса пакета о находится в таком состоянии, при котором выход блока 3 оказывается подключенньм к входу делимого блока 11 деления. Состоянием ключа 4 управляют импульсы г Предполагается, что выход блока Э через ключ 4 подключается к входу блока 5 во время положительных импульсов Е и выход блока Э подключается к входу делимого блока 11 во время отрицательных импульсовЗапуск схемы местного управления делением в блоке 11 осуществляется также импульсами о , Частное с выхода блока 11 поступает на вход блока 12 вычитания среднего. В блоке 12 производится запоминание .отсчетов частного в пределах .половины частотного окна, суммирование (накопление) этих отсчетов и в соответствии с четностью Функции частного определяется сумма отсчетов частного для всего частотного окна в пределахот 0 до М/2 и от. и в ,И/2 до й -1, затем вычисляется среднее значение функции частного в пределах окна путем целения полученной суммы на М и это среднее значение вычитается из запсучненных отсчетов частного, Отсчеты частного уже с нулевич средним поступают на выход блока 12. Все указанные операции в блоке 12 выполняются с помощью импульсов о,р,е,м,С выхода блока 12 отсчеты поступают на первый вход второго умножителя 13, на второй вход которого подаются отсчеты весовой функции блока 14. Умножителем 13 и считыванием из блока 14 управляют импульсы т. С выхода умножителя 13 отсчеты произведения поступают во вход5 0 45 50 ной регистр второго процессора 15 ОБПФ. Записью во входной регистр процессора 15 также управляют импульсы т. В силу четной симметрии всей последовательности отсчетов произведения относительно 1=8/2. каждый из отсчетов, кроме отсчета для 60/и Ф=й/2, когда МЙ/, произво. дится сразу в две ячейки с номерами 2 и й-У Для М/2 сС-М/2, т.е. за пределами окна, в ячейки входного регистра процессора 15 записываются нули началомвыполнения ОБПФ управляют импульсы Ч, подаваемые иэ блока 17. Эти импульсы поступают на второй вход управления ;процессора 15 после окончания записи во все К ячеек входного регистра отсчетов с выхода умно- жителя 13 и нулевых отсчетов. Результат выполнения ОБПФ, вследствие четности входного массива данных, является действительной и также, четной последовательностью отсчетов. Эти отсчеты считываются из выходного регистра процессора 15 с помощью импульсов Ф и в цифровом (двоичном) коде поступают на цифровой выход устройства и на вход 0 ЬП 16. С цифро вого выхода отсчеты в цифровой форме могут подаваться на цифровые устройства измерения и регистрации относительного временного сдвига (толщины слоя), а с аналогового выхода ЦлП 16 аналоговый сигнал может подаваться на устройства визуальной индикации и измерения.Пример выполнения блока 12 со.держит накапливающий сумматор 18, регистр 19 сдвига, делитель 20, блок 21 ОЗУ и вычитатель 22. Блок 12 работает следующим образом.Отсчеты частного с выхода блока 11 поступают на вход записи блока 21 ОЗУ и запоминаются в его ячейках в соответствии с номерами отЙО до 1 в М/2. Одновременно каждый отсчетчастного записывается в регистр 19 сдвига, сдвигается на один разряд и переписывается в сумматор 18, где суммируется с предъдущими отсчетами. После поступления последнегор Ф отсчета, имеющего номер 1=И/2, накопленная в сумматоре 18 сумма считывается и поступает в делитель 20 на вход делимого этого блока. Бавход делителя этого же блока подается кодчисла И (импульсы с) изблока 17 управления. Частное, представлякщее собой среднее значениепоследовательности отсчетов навыходе блока 11 в пределах частотного окна запоминается в выходномрегистре делителя 20. После выполнения деления производится считывание отсчетов, записанных в ячейки блока 21 ОЗУ. Одновременно счи 15,тывается код среднего значения с выходного регистра делителя 20.Оба кода подаются в блок 22 вычитателя и.из первого числа вычитается второе.Код среднего значения в выходном 20 регистре, делителя 20 после считывания не стирается. Двоичный код разности с вйхода блока 22 поступает - на вход умножителя 13.Блок 3 работает следующим образом.25 Пример выполнения блока 3 вычисления квадрата модуля ДПФ включаетумножители 23 и 24 и сумматор 25.Ыа оба входа каждого умножителя по-.дается код одного и того же числа, Зо поэтому на выходе получается кодквадрата этого числа. Отсчеты с выходных регистров "вещественной"и"мнимой"(3 частей спектральнойфункции первого процессора 2 БПФпоступают одновременно на входыи 3 о, блока 3. После умножения .выполняется сложение квадратовотсчетов в сумматоре 25. Код суммы квадратов отсчетов подается навыход блока 3 и далее на вход ключа 4. Блок 3 управляется импульсами Ь но В предлагаемом устройстве для измерения относительной задержки импульсных сигналов выполняется адаптивная обратная Фильтрация аддитивных сигналов в присутствии шумов, использование которой позволяет получить большие разрешение и точность измерения относительной задержки импульсных сигналов после обработки.11068886 оставитель И.Катановехред р., Гер гель тор А.Ко орректор А.зимок Подписн СССРй лиал ППП ф Патент , г. Ужгород, ул. Проектная аз 11462/42 ВНИИП по 113035, ИТи Госуда елам и ква, ж 412твенного комитет бретений и открыт 5, Раушская наб,