Следящий фильтр фазоманипулированного псевдослучайного сигнала

Изобретение относится к радиотехнике и может быть применено в радиосистемах локации, навигации и связи, использующих фазоманипулированные псевдослучайные радиосигналы, фаза которых манипулирована на +906 бинарной ПСП.Известен следящий фильтр сигнала с подавленной несущей, фаза ко- . торого манипулирована по закону ПСП, содержащий блок автоматической подстройки частоты и блок слежения эа задержкой с некогерентным дискриминатором задержки, представляющие собой систему синхронизации с перекрестными связями 1.Однако использование укаэанного фильтра целесообразно в случае, если погрешность синхронизации по огибающей (сигналу модуляции) не превышает периода несущей частоты сигнала. В противном случае в фильтре наблюдаются аномальные ошибки слежения. Вероятность появления . аномальных ошибок слежения за задерж кой зависит от отношения сигнал/щум и от отношения ширины спектра фазоманипулированного псевдослучайного радиосигнала к его центральной частоте и становится недопустимо большой при увеличении несущей частоты сигнала.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является следящий фильтр фазоманипулированного псевдослучайного сигнала, содержащий блок АПЧ, состоящий из последовательно соединенных. смесителя, широкополосного усилителй, промежуточной частоты (УПЧ), пере- множителя, узкополосного УПЧ, дискриминатора частоты, фильтра йижних частот (ФНЧ) и управляемого генератора, выход которого подключен к входу смесителя, блок слежения за задержкой, состоящий из последовательно соединенных дискриминатора задержки, перемножителя, другой вход которого подключен к другому выходу дискриминатора частоты блока АПЧ, ФНЧ, сумматора, другой вход которого через линейный преобразователь подключен к выходу ФНЧ блока АПЧ, управляемого генератора и формирователя опорной ПСП, первый выход которого подключен к вто- Рому входу перемножителя блока АПЧ, а второй и третий выходы - к соответствующим входам дискриминаторазадержки Г 23.Однако известное устройство обладает,. недостаточной помехоустойчивостью, 1 ауссова аппроксимация в задаче нелинейного синтеза приводит лишь к асимптотически оптимальным структурам для высокой апостери. орной точности, На практике допущение высокой апостериорной точностинеприемлимо в переходном режиме,т.е. процессе захвата сигнала, или;при недостаточно высоком отношениисигнал/шум. Действительно, априорные погрешности оценки задержки Гполучаемой, например, от устройства поиска и обнаружения, существенно больше апостериорньцС. В против ном случае использование следящегофильтра не имеет смысла. Вследствиесущественной разницы априорных.( = О) и апостериорных (-со ) погрешностей оценки задержки эквивалентное отношение сигнал/шум в блоке АПЧ существенно хуже в переходном режиме (режиме захвата), чемв установившемся режиме, Эти энергетические потери, обусловленные значительными начальными погрешностя ми синхронизации по задержке, резко уменьшают, вероятность захватахарактеризующую помехозащищенностьследящего фильтра в переходном режиме (режиме захвата). Кроме того, 25 вытекающая из синтеза устройстванеобходимость формирования нроизвод-.ной по времени от опорного сигналадля реализации оптимального дискриминатора задержки моделируется фик сированной конечной разностью временных сдвигов опорных сигналов,реализуемой в двухканальном корреляционном дискриминаторе задержки.Временная задержка В 1 между сдви нутыми копиями опорного. сигнала определяет апертуру дискриминаторазадержки и выбирается исходя изкомпромисса между условиями захватасигнала и помехоустойчивостью уста;.новившихся процессов слежения, Поэтому значение .Д 1 О не удовлетворяет критерию минимума вероятностизахвата в переходном процессе послеобнаружения сигнала. Неоптимальйость 45 дискРиминатоРа задеРжки тем бОльшерчем больше отношение априорной пог-решности оценки задержки, опреде-ляющей размер, апертуры дискриминатора задержки, к ее установившему-.ся апостериорному значению.Цель изобретения - повышение помехоустойчивости следящего фильтра.Поставленная цель достигаетсятем, что в следящий фильтр фазо манипулированного псевдослучайногосигнала, содержащий блок автоматической подстройКи частоты (АПЧ),состоящий из последовательно соединенных смесителя, широкополосного 60 усилителя промежуточной частотыи перемножителя, последовательносоединенных узкополосного усилителя промежуточной частоты, дискриминатора частоты, фильтра нижних 65 частот и управляемого генератора,выход которого подключен к входу,смесителя, блок слежения за задерж, кой, состоящий из последовательносоединенных дискриминатора задержки, перемножителя, другой. вход которого подключен к другому выходудискриминатора частоты блока АПЧ,фильтра нижних частот, сумматора,другой вход которого через линейный преобразователь подключен квыходу фильтра нижнихчастот бло" рка АПЧ, управляемого генератора иформирователя опорной псевдослучай-,ной последовательности (псп), первый выход которого подключен квторому входу перемножителя блокаАПЧ, введен блок управления, в Гблок АПЧ введен блок весового суммирования, первый, информационныйвход которого соединен с выходом.перемножителя, второй и третий информационные входы - с .соответст- , 2 Овующимн выходами дискриминатора задержки, первый управляющий входс первым выходом блока управления,второй и третий управляющие входыобъединены и соединены с вторым вы 25ходом блока управления, а выходс входом узкополосного усилителяпромежуточной частоты, в блок слежения за задержкой введен блок регулируемой задержки, входы которого ЗОподключены к второму и третьему выходам формирователя опорной ПСП,управляющие входы - к второму вйхо-:,ду блока управления, .а выходы - ксоответствующим входам дискримина"35тора задержки,Кроме того, блок управления содержит последовательно включенныеВ 8-триггер, элемент И и счетчикимпульсов, прямой выход которого 4 Оподключен через элемент ИЛИ к В-входу В 8-триггера и является вторымвиодом блока управления,.первымвыходом которого является инверсныйвыход счетчика импульсов, при этом .45вход установки нуля счетчика импульсов объединен с вторым входом.элемента ИЛИ и является входом ус-. .тановки нуля блока управления, второй вход элемента И - входом сигнала опорной частоты, а 8-входВ 8-триггера -.входом. сигнала включения режима слежения.На фиг. 1 представлена структур-.ная электрическая. схема следящегофильтра фазоманипулированного псев . Рдослучайного сигнала на фиг 2 структурная электрическая схемаблока управления; на фиг. 3 структурная электрическая схема блока регулируемой задержки, : 60Следящий фильтр фазоманипулированного псевдослучайного сигнала(фиг. 1) содержит блок 1 АПЧ иблок 2 слежения за задержкой. Блок1 АПЧ.состоит из соединенных в коль цо смесителя 3, широкополосного УПЧ 4, перемножителя 5, блока 6.весового суммирования, узкополосного УПЧ 7, дискриминатора 8 частоты, ФНЧ 9 и управляемого генератора 10. Блок б весового суммирования состоит из элементов 11-13 с .Управляемыми коэффициентами передачи, выходы которых объединены сумматором 14. Блок 2 слежения за:.:задержкой состоит из соединенных в кольцо дискриминатора 15 задержки, перемножителя 16, ФНЧ 17, сумматора 18, управ-,ляемого генератора 19, формирователя 20 опорной ПСП и блока 21 регулируемой задержки.Дискриминатор 15 задержки состоит, например, из двух перемножителей 22 и 23, выходы которых через вычитатель 24 подключены к входу узкополосного УПЧ 25. Фильтр содержит также блок 26 управления, первый выход которого подключен к управляющему входу элемента 11, второй выход - к управляю-,щим входам элементов 12 и 13 и к управляющим входам блока 21 регулируемой задержки. При этом выход дискриминатора 8 частоты соединен с другим входом перемножителя 16, выход ФНЧ 9 через линейный преобразователь 27 с вторым входом сум- матора 18, выход формирователя 20 опорной ПСП - с вторым входом пере" множителя 5, выход широкополосного УПЧ 4 - с входами перемножителей 22 и 23, другие входы которых под- . ключены к выходам блока 21 регулируемой задержки, а выходы - к информационным входам элементов 12 и 13. Блок 26 управления (фиг. 2) содержит последовательно включенныеВ 8-триггер 28, элемент И 29 и счетчик 30 импульсов, а также элемент ИЛИ 31. При этом 8-вход В 8-триггера 28 является входом 32 сигналаВключення режима слежения, В-входчерез. элемент ИЛИ 31 подключен кпрямому выходу счетчика 30 импуль-. сов и является вторым выходом 33 блока .управления, инверсный выход 34 счетчика 30 импульсов является первым выходом блока 26 управления, вход Установки нуля счетчика 30 импульсов объединен с вторым входом элемента ИЛИ 31 и является входом устайовки:нуля блока 26 управления, а второй вход элемента И 29 .- входом 35 сйгнала опорной частоты,Блок 21 регулируемой задержки (фиг. 3) состоит из двух блоков 36 и 37 задержки, каждый из которых состоит из регистра 38(39) " сдви га,.выходы которого .подключены к входам элементов И 40-1 (41-1), где 1 = 1,2, , и, а и - разрядность регистра 38(39) сдвига, вы1072252 ходы которых объединены элементом ИЛИ 42(43).Следящий фильтр Фазоманипулированного псевдослучайного сигнала работает следующим образом.Блок 1 АПЧ и блок 2 слежения за задержкой с перекрестными связями обеспечивают синхронизацию управляемого генератора 10 и формирователя 20 опорной ПСП соответственно с центральной частотой спектра фазоманипулированного псевдослучайного радиосигнала и его временным положением. Для обеспечения работы блока 1 АПЧ осуществляется свертка Фазоманипулированного псевдослучайного радиосигнала, резуль-. тат которой с выхода узкополосного УПЧ 7 поступает на. дискриминатор 8 частоты (или фазы). Сигнал ошибки по частоте (или фазе), снимаемый с выхода дискриминатора 8 частоты, через фНЧ 9 воздействует на управляющий вход управляемого генератора 10 таким образом, что изменение частоты его кодебаний чеРез смеситель 3 устраняет возник-. шее рассогласование. В блоке 2 слежения за задержкой временное рассогласование между принимаемым фазоманипулированным псевдослучайным радиосигналом вызывает сигнал сшиб" ки на выходе дискриминатора 15 задержки. Знак сигнала ошибки определяется фазой колебаний на выходе дискриминатора 15 задержки по отношению к Фазе результата. свертки Фаэоманипулированного псевдослучайного радиосигнала в блоке 1 АПЧ, Сигнал ошибки с выхода дискриминатора 15 задержки поступает "на пере- множитель 16, выполняющий Функцию детектора сигнала ошибки. Для обеспечения детектирования на другой вход перемножителя 16 поступает опорный сигналс выхода дискриминатора 8 частоты при некогерентной реализации блока 2 слежения эа задержкой или с опорного входа фазового детектора при реализации квазикогерентного блока 2 слежения за;:эадержкой. Продетектированный сигнал ошибки через фНЧ 17 и сумматор 18 воздействует на управляемый генератор 19 таким образом, что изменение тактовой частоты устраняет возник шее временное рассогласование. Связь с выхода ФНЧ 9 блока 1 АПЧ через линейный преобразователь 27 и сумматор 18 с управляющим. входом управляемого генератора 19 обеспечивает программное управление скоростью изменения задержки спорного сигнала, тем самым уменьшая динамические погрешности блока 2 слежения за задержкой, на который возлагается Функция обработки начального рассогласования по задержке,свертку фазоманипулированного псевдослучайного радиосигнала на опорную ПСП в трех перемножителях 5,22 и 23 весовым суммированием ре зультатов произведений в блоке 6 5 весового суммирования и Фильтрациюполученной суммы в узкополосномУПЧ 7. Блок 26 управления совместно с блоком 21 регулируемой задержки и блоком 6 весового суммирова ния реализует Функцию, заключающуюся в управлении в течение переходного процесса апертурой дискрими-.. натора и формой зависимости результата свертки фазоманипулированного д 5 псевдослучайного радиосигнала от:"расстройки его по задержке относительно опорной ПСП. Момент началапереходного процесса (с = О) выдается командой извне (от устройства управления режимами работыаппаратуры,. например, в момент обнаружения; сигнала). Эта командапоступает на вход 32 блока 26 управления, Изменение апертуры дискр 5 риминатора осуществляется изменением значения расстройки о сдви- .2нутых копий опорной ПСП, а изменение формы зависимости результатасвертки от расстройки фазоманипули рованного псевдослучайного радиосиг.нала относительно опорной ПСП осуществляется как изменением значения расстройки Лр(Я , так и изменением весовых коэффициентов сум мирования результатов .произведениярадиосигнала и опорных сигналов.Значения ьсо и весовых коэффициентов задаются блоком 26 управления.В начальный момент работы следящего 40 фильтра (С = 0) блок 26 управлениявыставляет.значение задержки междусдвинутыми копиями Ьо, равное дли-тельности элементарного сигналаПСП, , т.е. ЬСО(0) джаз, и значе ния весовых коэФФициентов для произведения принимаемого сигнала наопорный сигнал К,(01 = 0 и на сдвинутые копии опорного сигнала 1 Я О)=1=1.С течением времени задержки Мц 50 программно уменьшается до стационарного значения Ьс, значениякоэффициентов К(й) уменьшаются достационарных значений К 1, азначение коэффициента К(1) увеличивается до стационарного значения 55 К,(с)О.В процессе уменьшения задержкимежду сдвинутыми копиями д 1 О отначального значения, равного длительности элементарного сигнала ПСП т9 60 крутизна дискриминационной харак"теристики в окрестности ее нуля(г = О) не меняется, так как определяется крутизной скатОв исходнойавтокорреляционной функции опорной 65,ЦСП, Действительно, в окрестности(. =г 6 иг(н,)ак в пред 1+ И В( елах С = 0 дискриминационная характерис-.,тика где А - амплитуда сигнала приь =, О, В( г). - значение нормирован+ной автокорреляционной функции ПСП,так как нормированная"автокорреля-;ционная функция ПСП В(Ф) = 1.Ы.фэпри Юl.7 . Однако. при уменьшении.нейного. участка дискриминационнойхарактеристики. Если изменение задержкн д(Ф) между сдвинутымикопиями опорного сигнала произврдится не слишком быстро т.е. такимобразом, что погрешность оценкизадержки сигнала блоком 2 слежения 20эа задержкой не .превышает .линейного участка дискриминационной характеристики., то параметры блока 2 сле-.жения за задержкой, связаниые с его:: ность, длительность переходногопроцесса,.при отсутствии в немнелннейностей не изменяется. Однако шумовая. составляющая, погрешности блока 2 слежения меиьше, чемв прототйпе, причем тем меньше,чем меньше задержка между сдвийутыми копиями опорного сигнала. Этоувеличение точностислежения обусловлено уменьшением уровня шумана .выходе дискриминатора 15 задержки при уменьшении временной расстройки между сдвинутыми копиямиопорного сигнала. Действительно,при значениях этой расстройки меньших, чем длительность элементарногосимвола Ф , шумовые составляющиена выходе перемножителей 22 и 23,дискриминатора:. 15 задержки корре-..лированы с полояительным коэффици-.ентом корреляцииПо определению коэффициент корреляции т ция Фазо- манипулирован ного: псевдослучайного радиосигнала на входе днс.криминатора 15 задержки,фи (с)- опорнаябинарная .ПСП О+1)- дйсперсия(мощность) .,шума соот- ветствующего процесса, ак как Оа ф 1М- символ . опе-рации математичес кого ожидания (усредненияпо реализациям) гда г: р(д )г(Ф) в . нормированная автореляционная функцнной ПСП.ность шума на выходе вычЮехгИ)=б (ф 1+5(фа г еде мФе(С(+я(е(1 е(Ф- реализа"ция шумана выходеперемножителя.22,е . - реализация шума .: 60на выходеперемножителя 23; - реализацияшума на 65 Следовательно, уровень шума на выходе дискриминатора 15 задержки уменьшается .за счет вычйтания этих. коррелированных составляющих в вычнтатЕле 24. Таким образом, разрешается противоречие между широкой апертурой диюкриминатора 15 задержки для обеспечения нормальных условий захвата сигнала и высокой точностью в установившемся режиме, Следовательно, при одинаковой инерционности шумовые составляющие погрешностей в предлагаемом фильтре меньше, чем в прототипе, что сви40 где. А.(к,К, Ьй, Т )- амплитудасигнала.навыходе узкополосногоУПЧ 7;- дисперсияшума на выдетельствует о повышении помехоустойчивости в установившемся режимеМинимальное значение временной , д йр(с) определяется предельно достикимйм апостериорным законом распределения погрешностей Ярэ(Ж, й), 5 а именно: максимальные значения погрешности с высокой вероятностью не должны выходить за пределы линейного"участка дискриминационной хаРактеристики. В против-, ном случае в блоке 2 начинают проявляться пороговые эффекты и шумовые составляющие погрешности слежения начинают возрастать. Кроме того, минимальное значение ВВ не должно превышать длительность фазовых переходовдлительность фронтов) Фазоманипулированного псевдослучайного радиосигнала, которые имеют конечную длительность у реальных сигналов.формирование гармонического сигнала для работы блока 1 АПЧ осуществляется путем суммирования в блоке 6 результатов перемножения фазоманипулированного псевдослу-: чайного радиосигнала в трех пере- множителях 5, 22 и 23 с опорной ПСП и ее,сдвинутыми копиями и последующей Фильтрации результата произведения в узкополосном Упч 7. поэто- ЗО му сигнал на выходе. узкополосного УПЧ 7 определяется выражениемм,-= 1" -- где 35 А =К ФА - /+К ИЩЕЕК Ю +А . Ао(ф)фАо - амйлитуда сигнала р ф.В - нормированная автокорреляционная функциярК(г) - весовой коэффициент дляпроизведения принимаемогосигнала на сдвинутые копииопорного сигналаДЕ(, Т- ,;, БОК (С) - весовой коэффициент дляьпроизведения принимаемогосигнала на опорный сигнал0 (н ),дс - временная задержка между 55осдвинутыми копиями опорногосигнала,Таким образом, зависимость амплитуды получаемого на выходе узкопа"лосного УПЧ 7 гармоническоГо.сигиа- Цла от погрешности оценки задержки 7 в блоке 2 в предлагаемомтехническом решении может быть меньшей, чем в прототипе. Блок. 26 управления управляя значениями за" держки сдвинутых копий опорного сигнала Лс(с) и значениями весовых коэффициентов К(1) и К (реализуемых в элементах 11, 12 и 13 с управляемыми коэффицйентами передачи соответственно), может обеспечить оптимальное значение отношения сигнал/шум,для работы блока 1 АПЧ при изменении во времени апостериорного закона распределе" ния вероятностей погрешности оценки задержки Ч (г, Ф) в блоке 2 от начального (айриорного) до установившегося (стационарного) распределения вероятностей Ч . В начальРзный момент работы сйстемы(й О), блок 26 управления, выставляя значения весовых коэффициентов К(0)1 и Ко(0) =О, обеспечивает максимально широкую функцию взаимной корреляции входного и опорного сигналов, определяющую амплитуду сигнала на выходе узкополосного УНЧ 7. Тем самым увеличивается вероятность захвата сигнала блока 1 АПЧ при значительных априорных погрешностях оценки задержки и уменьшаются потери на детектирование сигнала ошибки в блоке 2, С течением време-. ни блок 26 управления программно;. уменьшает коэффициент К(с) и увеличивает К (с), поддерживая оптимальную форму Функции взаимной корреляции входного и опорного сигналов при эволюцииапостериорного закона распределения вероятностей погрешности оценки задержки ьКритерий оптимальности с течени.ем времени меняется от критерия максимума вероятности захвата в начальный момент работы следящего фильтра ори наихудших условиях синхронизации по задержке до критерия максимума среднего отношения сигнал/шум на выходе узкополосного УПЧ 7 при усреднении по стационарному апостериорному закону распределения погрешностей задержки. Таким образом, в установившемся режиме значения К(с); и Ко(с) определяются из условия 1Я"К,КМ,Р)ц(о );ходе узкополосногоУПЧ 7 рЫ К (0,6 ) - нормальнаяаппроксимация стационарного апос-териорногораепределения вероятностей погрешностиоценки за-.держки ,Таким, образом увеличивается помЕхоустойчивость следящего фильтра 15как в переходном режиме (при захвате.сигнала), так и в установившемсясостоянии.Блок 26 управления выполнен в видесчетчика 30 импульсов времени пе- рреходного процесса со стартстопнымуправлением счетными импульсами(ВЗ-триггер 28, элемент И 29),Состояние определенного разря-,да счетчика 30 импульсов уйравляет задержкой между"сдвинутыми копиями опорной ПСП а-.с о и значения-..ми весовых коэффицйентов Ки Ко.Таким образом, формируемый код управления является одноразрядным ипринимает всего два значения "Оф "и 1". При этом К.и К также всегда,принимают два значения."0" ит.е. осуществляется разрешение прохождения сигнала на вход сумматора14 или запирание этого входаПо- .этому элементц 11, 12 и 13 с управля-.емыми коэффициентами передачи могут быть выполнены в виде управляемых вентилей, пропускающих или .не пропускающих на выход входной 40сигнал.Блок 21 регулируемой задержкивыполнен .в виде двух блоков 36и 37 задержки, каждый из которыхсостоит из регистра 38 (39) сдзига, с отводами, коммутация которыхосуществляется элементами И 40-)(41 "1) (Функция а и с Ч Ьм с; а,бсигналы с отводом регистра сдвигаЗВ (391- управляющий сигнал) по сигналу от счетчика 30 импуль-сов переходного процесса, Аппроксимация функций А,А(2, й) ну(. Ф)осуществляется следующим образом: ДлЯ 0 Чсф,ио=тз, К=к,:К:( Ко-О1АН )4 Ио; К =О; Ко з 1 ф оТаким образом, до момента Ф, имеютместо широкая апертура дискриминатора 15 задержки и широкая область.сильной корреляции входного Фазоманипулированного псевдослучайногосигнала с опорными для работы блока 1 АПЧ и после момента й происходит сужение дискриминационнойхарактеристики и областей сильнойкорреляции, что обеспечивает. повышение помехоустойчивости предлага.емого фильтра но сравнению с прототипом,При применении изобретения в радиосистемах передачи дискретной,инФормации повышается качество синхронизации передаваемой информациии тем сазовым уменьшается вероятностьошибок в принимаемых информационныхсимволах,так как качеетво синхронизации имеет в ряде случаев существенное значение. Кроме тогоиспользование предлагаемого фильтрав совмещенных измерительно-информационных системах системах радиолокации и радионавигации, использующих Фазоманипулированные псевдослу-чайные радиосигналы, позволяет увеличить помехоустойчивость аппаратуры как в режиме захвата, так .и врежиме сопровождения (слежения).Уменьшение шумовых составляющихизмерения задеРжки .сигналов особенно важно в радионавигационных сис+.тймах, так как точность измерениякоординат и параметров движенияв этих системах связана с погрешностями измерения первичных"радионавигационных параметров (задерж- .ки, доплеровского сдвига частоты .и др.1 через геометрический фактор,значительно увеличивающий влияниеэтих погрешностей.исное к илиал ППП фИатент", г. ужгород, ул. Проектная, 4 144/51 , Ти ВНИИПИ Госу по делам 113035, Москж 8 б 2 .рственного кобретений иЖ, Рауыс Подпмитета СССРткрытийая наб., д. 4