NL7907788A

NL7907788A - Signaalverwerkingsinrichting.

Info

Publication number: NL7907788A
Application number: NL7907788A
Authority: NL
Original assignee: Secr Defence Brit
Priority date: 1978-10-25
Filing date: 1979-10-23
Publication date: 1980-04-29
Also published as: NO793394L; NO149011B; MX147123A; NO149011C; CA1139376A; US4288764A

Description

N.O. 28.385 4.-

Signaalverwerkingsinriohting

De uitvinding heeft betrekking op een signaalverwerkings-inrichting.

Zeer recent zijn er geïntegreerde elektronische inrichtingen ontwikkeld waarin een analoog monster van een ingangssignaal wordt 5 overgedragen van de ene trap van de inrichting naar een aangrenzende . trap in responsie op synchroon aan alle trappen van de inrichting toegevoerde klokpulsen. Door een geschikte keuze van de signalen die aan de klokpulsaansluitingen van de inrichting worden toegevoerd vindt deze overdracht in een richting plaats en gedraagt de inrich-10 ting zich als een bemonsterende analoge vertragingslijn. Het interne mechanisme van de monsteroverdracht heeft geresulteerd in de benaming "ladingsgekoppelde inrichting" (Charge Coupled Device CCD) voor deze inrichtingen.

Een inrichting met meerdere ingangen kan uitgaande van dit 15 principe worden opgebouwd door het aanbrengen van een afzonderlijke ingangsaansluiting bij elke trap van de inrichting. Een signaal-monster van de eerste ingangsaansluiting ondervindt een vertraging in één trap voordat het signaal wordt opgeteld bij het monster afkomstig van de tweede ingangsaansluiting. Deze som wordt op soortge-20 lijke wijze vertraagd voordat ze wordt opgeteld bij het monster aan de derde ingangsaansluiting. Dit mechanisme herhaalt zich in de gehele inrichting resulterend in een enkel uitgangssignaal, welk uitgangssignaal een represemtatie vormt van de som van de ingangs-monsters die op verschillende tijdstippen in de voorafgaande periode 25 via klokpulsen in de inrichting zijn ingevoerd. Het aantal vertragende trappen in de signaalwegen vanaf elke ingangsaansluiting varieert dus lineair langs de inrichting. Een inrichting van dit type staat in de stand der techniek bekend als een tijdvertragings- en integra-tie-inrichting (Time Delay and Integrate device TDl).

30 De bruikbaarheid van dergelijke TDI-inrichtingen is in velerlei toepassingen onderzocht met inbegrip van de ontvangst van een aantal signalen afkomstig van een array van op afstand van elkaar geplaatste omvormers, zoals bijvoorbeeld kan worden toegepast bij SONAR.

Bij SONAR wordt een puls uitgezonden door een onder-water aanwezige omvormer en reflecties van de puls worden door middel van een geschikt gepositioneerde array van ontvangst omvormers ontvangen.

Deze signalen worden verwerkt en kunnen worden geïnterpreteerd om zodoende informatie te verkrijgen omtrent de omgeving rond de omvor- 7907788 Γ * . 2 · mers. In het algemeen wordt de piekresponsie van de ontvanger gezwaaid over een sector zodat een maximale bedekking wordt bereikt, maar er kunnen doelen verloren gaan indien de aftastsnelheid te laag is. Theoretisch moet de sector ten minste één keer voor elke uitge-5 zonden puls worden afgetast wil er geen doel verloren gaan.

Het is gebleken dat de signalen afkomstig van een lineaire array van omvormers met voordeel kunnen worden toegevoerd aan de ingangsaansluitingen van een TDI-richting. Als de tijdvertraging tussen de ontvangst van een bepaald golffront dat aankomt onder 10 een bepaalde invalshoek bij de aangrenzende omvormers gelijk is aan de klokpulsperiode van de TDI dan vindt er een constructieve sommering plaats van de inkomende signalen in elke trap van de inrichting. Op deze wijze wordt de waarnemingshoek van de array van omvormers bepaald door de klokpulsfrequentie van de TDI. Als de periode van de 15 klokpulsen van de TDI wordt gevarieerd dan kunnen verschillende hoeken worden onderzocht en kan de piekresponsie van de ontvanger worden gezwaaid teneinde een sector ,af te tasten. Als de pulsbreedte voldoende kort wordt gemaakt om een goede afstandsresolutie te verkrijgen dan kan echter de hoge aftastsnelheid die dan vereist is 20 niet worden bereikt zonder ernstige vervorming in het ontvangen bundelpatroon. Een volledige dekking kan alleen worden verkregen als uitgegaan wordt van een zeer beperkte sector of gewekt wordt met een aantal parallelle TDI-inrichtingen die elk worden gestuurd met klokpulsen van een verschillende frequentie teneinde een ver-25 schillende richting te bestrijken.

Volgens de uitvinding wordt nu een signaal·verwerkingsinrichting verschaft met ingangsaansluitingen voor een ontvangst van een aantal signalen en voorzien van vertragingstrappen in de weg van de signaal-monsters van elke ingangsaansluiting in een dusdanige configuratie 50 dat signaalmonsters van de ene trap naar de volgende kunnen worden overgedragen in responsie op een aan een klokpulsaansluiting aangeboden klokpulssignaal, welk klokpulssignaal een periode bezit die lineair in de tijd met een voorafbepaalde snelheid varieert, waarbij verder het aantal trappen in de weg van de signalen vanaf elke 35 ingangsaansluiting wordt bepaald in overeenstemming mefevoorafbepaalde functie van de wijzigingssnelheid van de klokpulsperiode.

In het volgende zal een signaalverwerkingslnrichting volgens de uitvinding worden aangeduid als een niet uniforme tijdvertragings-en integratie-inrichting, kortweg aangeduid als een NUTDI-inrichting 40 (Non-üniform Time Delay and Integrate device).

7907788 5 t

Voor een "beter begrip van de kenmerken en voordelen van de uitvinding zullen in het volgende uitvoeringsvóórheelden ervan worden beschreven aan de hand van de begeleidende figuren.

3?ig. 1 representeert een NUTDI-inrichting.

5 Jig. 2 representeert een NÏÏTDI-inriohting, een tijdwiginrich- ting en ontvangende omvormers bestemd voor het aftasten van een secyor.

Een NUTDl 10 volgens de uitvinding (fig. 1) ontvangt signalen op een aantal ingangen T^, T^, ...... 1^. Signalen van elke ingang 10 worden in volgorde toegevoerd aan de respectievelijke ingangsaan-sluitingen van de NÏÏTDI 10. De vertraging en het sommeren van de signaalmonsters is schematisch in fig. 1 aangegeven, waarbij fig. 1 een representatie geeft van een mogelijke elektrodestructuur van een MIDI ladingsgekoppelde inrichting. Vertragingen van één puls-15 periode worden gerepresenteerd door blokken met het inschrift D in fig. 1 en een sommering in de inrichting wordt aangegeven met blokken met het inschrift +.

Het aantal vertragende trappen in elke signaalweg wordt bepaald aan de hand van een voorafbepaalde functie van de veranderings-20 snelheid van de klokpulssignaalperiode. In een uitvoeringsvorm van dejuitvinding wordt het aantal vertragende trappen x^ in de weg van signalen vanaf de n- de ingang bepaald door de functies I _ l0Si< 1 + r) - rjn - 1) { 25 n log (1 + r) waarin r de veranderingssnelheid van de klokpulsperiode is.

In het algemeen zullen waarden voor x^ bepaald aan de hand van de bovenstaande formule geen gehele getallen zijn. Voor bepaalde 30 toepassingen kan een correctie naar de eerstvolgende gehele waarde voldoende zijn. Indien hogere eisen worden gesteld dan kan de benadering van xq worden verbeterd door gebruik te maken van een minimum verschil van meer dan één in het aantal vertragingstrappen in de weg van de signalen vanaf de aangrenzende ingangsaansluitingen en door 35 gebruik te maken van een klokpuls met een corresponderend hogere frequentie. Het aantal vertragingstrappen xn in de weg van de signalen vanaf de n- de ingang kan dan worden bepaald aan de hand van de formule: 7907788 “ 4 1 - + (1+ r)a -s χ = l0g\(l+r)g "(n-1)~[(lxr)a-l]j n · log (1 + r) + 1 waarin a het gewenste aantal minimum vetragingstrap tussen de in-gangsaansluitingen is en r de veranderingssenlheid vande klokpuls-periode.

Teneinde een unidirectionele overdracht van signaalmonsters 5 binnen een ladingsgekoppelde inrichting CCD te bereiken is het uit de stand der techniek bekend om gebruik te maken van klokpulsen in drie fasen. De klokpulsfasen worden afgeleid van een hoofd-oscillator die met drie keer de frequentie van de klokpulsfasen genereert. Elke vetragingstrap van de inrichting is voorzien van 10 een elektrode verbonden met de klokpulsfase en door het juist positioneren van deze elektroden wordt een unidirectionele overdracht r bereikt.

In een HÏÏTDI-inrichting waarin gebruik wordt gemaakt van een multifaseklokpuls kan de benadering van x^ zoals in het bovenstaande 15 werd gegeven nog verder worden verbeterd door elk signaal te bemonsteren op eert geschikt gekozen klokpulsfase. Dit kan worden bereikt door het aanbrengen van extra elektroden voor de geschikte fase bij elke ingangsaansluiting van de inrichting. Op deze wijze worden benaderingsfouten begrensd tot 1 /6 van de faseklokpulsperiode voor 20 een driefasige klokpulsconfiguratie.

Het zal voor de deskundige duidelijk zijn dat bij gebruik van de NÏÏTDI-inrichting de klokpulsperiode periodiek kan worden gewijzigd teneinde een aftasting te verkrijgen. Het zal verder duidelijk zijn dat de veranderingssnelheid van de klokpulsperiode groot 25 genoeg kan zijn om bij kenmerkende SONAE-frequenties binnen een zend-pulsperiode af te tasten zonder aanmerkelijke vervorming van de bundelpatronen zoals in de stand der techniek optreedt. Als voorbeeld zal nu de werking van een. TDI volgens de uitvinding worden beschreven aan de hand van een kenmerkende toepassing.

50 Een ÏÏUTDI-inrichting volgens de uitvinding, aangeduid met 20 in fig. 2, ontvangt signalen op de ingangsaansluitingen T^, .....,Τ^ van een array van SONAE-omvormers , .....,Sn· Een klokpulssignaal waarvan de periode lineair met de tijd varieert wordt aangeboden aan de klokpulsaansluiting 21. De snelheid waarmee deze klokpuls-55 periode varieert wordt zodanig gekozen dat een sector van 50° kan worden afgetast met een bundelbreedte van 1° binnen elke uitgezonden 7907788 5 ' , > SOÏTAH-pulse. Het uitgangssignaal van de inrichting kan worden afgenomen van de uitgangsaansluiting 26.

Het zal duidelijk zijn dat er rekening gehouden moet worden met een opbouwperiode waarin het uitgangssignaal van de inrichting 20 5 nog niet op de juiste wijze is samengesteld. Deze opbouwperiode correspondeert met de tijd die een signaalmonster nodig heeft om het totale aantal vertragingstrappen te doorlopen. Teneinde deze opbouwperiode te minimaliseren wordt het klokpulssignaal gezwaaid van korte perioden naar lange perioden.Ook kan het gebied van de klok-10 pulsperioden zodanig worden gekozen dat niet juist samengestelde uitgangssignalen betrekking hebben op hoeken buiten de gewenste sector.

Een korte klokpulsperiode resulteert in een afvraging onder een hoek dichtbij de richting loodrecht op het vlak van de omvormers (0°). Het zal duidelijk zijn dat er voor elke praktische richting 15 een minimale bedrijfsklokpulsperiode bestaat resulterend in een minimum waaraemingshoek.

Bij het gebruik van alleen de inrichting 20 kan dus slechts een sector 22 aan één zijde van de 0°-richting worden bestreken.

Teneinde een sector 23 af te tasten, waarin deze zo 0°-richting 20 ligt wordt een lineaire vertragingsweg 24 toegepast. Be vertragings-weg bestaat bij voorkeur uit een reeks van n parallel geschakelde vertragingslijnen met stapsgewijze variërende lengte waaraan een klokpuls met constante periode synchroon wordt toegevoerd via de ingangsaansluiting 25- Een signaal conditioneringsschakeling 27 25 is aangebracht tussen de omvormers , S2, ..... Sn en de tijd- vertragingsweg 24.

Een cumputer-simulatie heeft aangetoond dat nagenoeg omgevormde bundelpatronen kunnen worden verkregen bij een aftastsnelheid van 8 kHz voor een uit 32 elementen bestaande array van omvormers die 30 een sector van 30° aftast met een bundelbreedte van 1° bij een SONAH-frequentie van 500 kHz.

7oor een stelsel waaraan zeer hoge eisen worden gesteld kan de overblijvende vorming worden verminderd door een amplitude-weging uit te voeren van de bij elke sommatie bemonsterde signalen en verder 35 kan een fasecompensatie worden uitgevoerd om benaderingsfouten voor de 0°-richting te elimineren.

Het zal duidelijk zijn dat de uitvinding eveneens toegepast kan worden bij passieve SONAH, waarin een sector op straling wordt afgetast binnen een voorafbepaalde bandbreedte. In dat geval wordt 40 de aftastsnelheid (en daarmee de variatiesnelheid van de TBI-klok- 79 0 7 7 8·? . . 6

A

pulsperiode) bepaald door de inverse van de vereiste bandbreedte.

Het'zal verder duidelijk zijn dat ÏTUiEDI volgens de uitvinding kan worden toegepast voor het verwerken van signalen van een.

2-dimensionale array van omvormers.

5 Ook zal het voor de deskundige duidelijk zijn dat een signaal- verwerkingsinrichting volgens de uitvinding ook kan worden geconstrueerd voor gebruik bij hogere frequenties, zoals bijvoorbeeld voor RADAR-toepassingen en voor ultrasone aftastwerkwijzen.

7907788

Claims

7 ' ι . * CONCLUSIES

1. Signaalverwerkingsinrichting, gekenmerkt dooor ingangsaansluitingen voor ontvangst van een aantal signalen en vertragingstrappen in de weg van de signaalmonsters van elke ingangs- 5 aansluiting in dusdanige configuratie dat signaalmonsters van de ene trap naar de volgende kunnen worden overgedragen in responsie op een klokpulssignaal dat aan een klokpulsingang wordt aangeboden, welk klokpulssignaal een klokpulsperiode heeft die met een voorafbepaalde snelheid lineair met de tijd varieert, waarbij het aantal 10 trappen in de weg van de signalen van elke ingangsaansluiting wordt bepaald in overeenstemming met een voorafbepaalde functie van de veranderingssnelheid van de klokpulsperiode.

2. Signaalverwerkingsinrichting volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat de voorafbepaalde functie isi 15 log (1 + r) waarin xn het aantal vertragingstrappen is in de weg van de 2q signalen van de n- de ingang, en r de veranderingssnelheid van de klokpulsperiode is.

3. Signaalverwerkingsinrichting volgens conclusie 1, m e t het kenmerk, dat er een minimum verschil is van meer dan één in het aantal vertragingstrappen in de weg van de signalen van 25 aangrenzende ingangsaansluitingen.

4· Signaalverwerkingsinrichting volgens conclusie 5, m e t het kenmerk, dat de voorafbepaalde functie is: 50 ** = 1θδί(ΐ + rΓ - [n - lj|_ (1 + r)u -1 j}+ 1 log (1 + r) waarin x^ het aantal vertragingstrappen is in de weg van de signalen van de n- de ingang, r de veranderingssnelheid van de klokpulsperiode is en α het gewenste minimum aantal vertragingstrappen 35 tussen de ingangsaansluitingen is.

5. Signaalverwerkingsinrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat multi-faseklokpuls-signalen worden toegepast waarbij extra elektroden voor de geschikte fase worden toegevoegd aan elke ingangsaansluiting.

6. Signaalverwerkingsinrichting volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de signalen aan de ingangsaansluitingen worden toegevoerd via een lineaire vertragingsweg. 79 077 88