PL216301B1

PL216301B1 - Sposób i układ do wykrywania krótkich sygnałów lokacyjnych

Info

Publication number: PL216301B1
Application number: PL387958A
Authority: PL
Inventors: Włodzimierz Pogribny; Igor Rozhankivsky; Tadeusz Leszczyński
Original assignee: Univ T Przyrodniczy Im Jana I Jędrzeja Śniadeckich; Uniwersytet Technologiczno Przyrodniczy Im Jana I Jędrzeja Śniadeckich
Priority date: 2009-05-05
Filing date: 2009-05-05
Publication date: 2014-03-31
Also published as: EP2357487A2; PL387958A1; EP2357487A3

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do wykrywania krótkich sygnałów lokacyjnych (BT<100) z liniową modulacją częstotliwości (sygnałów chirp), w którym skuteczność wykrywania tego typu sygnałów przy zastosowaniu technik cyfrowych i filtracji dopasowanej w dziedzinie czasu zależy w znacznym stopniu od fazy początkowej sygnału oraz częstotliwości jego próbkowania.

Z opisu patentowego polskiego nr 381752 znany jest sposób wykrywania krótkich sygnałów lokacyjnych typu chirp wykorzystujący jedno wspólne analogowo-cyfrowe przetwarzanie sygnału wejściowego dla n równoległych filtracji dopasowanych w dziedzinie czasu a wyniki każdej z nich zostają poddane operacjom nieliniowym, polegającym na usuwaniu ujemnych splotów, a w dalszej kolejności rozmytej analizie ekstremalnej, przy czym analogowo-cyfrowe przetwarzanie sygnału odbywa się z częstotliwością próbkowania fs bliską częstotliwości Nyquista odpowiednio dobranej do tego sygnału, natomiast współczynniki wagowe o jednakowej liczbie dla każdej filtracji zostają dobierane w oparciu o przerzedzony n-krotnie i odwrócony zbiór próbek tego sygnału określanych przy zastosowaniu częstotliwości próbkowania n-krotnie większej niż fs.

Układ według opisu patentowego nr 381752 zawiera przetwornik analogowo cyfrowy oraz blok przetwarzania sygnałów cyfrowych składający się z n filtrów dopasowanych z pamięciami dla współczynników wagowych, szeregowo połączonych z n blokami usuwania ujemnych wartości splotów, n analizatorami ekstremalnymi i wspólnym układem wyjściowym (MAX) wybierającym maksymalne wartości splotów, przy czym wszystkie bloki są traktowane sygnałami o częstotliwości fs.

Zastosowanie n równoległych filtracji dopasowanych w dziedzinie czasu pozwala na uzyskanie maksymalnej czułości systemu lokacyjnego osiągalnej wyłącznie przy częstotliwościach próbkowania fs bliskich częstotliwości Nyquista oraz n-krotne zwiększenie rozdzielczości czasowej w zakresie jednego okresu próbkowania Ts=1/fs.

Istota sposobu wg wynalazku charakteryzuje się tym, że w celu zmniejszenia liczby filtracji dopasowanych przy zachowaniu maksymalnej czułości i rozdzielczości wykrywania krótkich chirp sygnałów zastosowano automatyczne dobieranie optymalnej fazy próbkowania sygnału wejściowego na podstawie porównania maksimum maksimorum sygnału wyjściowego filtrów w bieżącym okresie wyławiania sygnału lokacyjnego z takim że sygnałem z poprzedniego okresu z uwzględnieniem kierunku zmiany fazy próbkowania w poprzednim okresie wyławiania sygnału lokacyjnego.

Przy wykorzystaniu n równoległych cyfrowych filtracji dopasowanych w dziedzinie czasu i dobranej częstotliwości próbkowania fs sygnału wejściowego charakterystyki (odpowiedzi) impulsowe każdej filtracji są przesunięte względem siebie o ΔΤ_ε=Τ_ε/η. Prawdopodobieństwo wykrywania splotu o maksymalnie możliwej wartości wzrasta w miarę zmniejszenia odstępu ΔΤ_ε.

Wpływ odstępu ΔΤ_ε na czułość wykrywania sygnału pokazany jest na niżej podanym przykładzie. Jako sygnał lokacyjny przyjęty został sygnał chirp o następujących parametrach: czas trwania sygnału T= 2,5 με, pasmo częstotliwości B=15 MHz, częstotliwość początkowa fi=0. częstotliwość końcowa f₂=15 MHz, Β·Τ= 37,5, faza początkowa φ₀=95°, częstotliwość próbkowania sygnału f_s=30,2 MHz. Symulacje komputerowe filtracji dopasowanej sygnału o tak dobranych parametrach wykazały, że na wyjściu filtru można uzyskać SNRmax=49,57 dB, liczony jako stosunek maksymalnej wartości splotu (listka głównego) do największej wartości wśród pozostałych splotów (maksymalnego listka bocznego). Taki wynik jest osiągalny w tym przypadku, kiedy sygnały chirp na stronie nadawczej i stronie odbiorczej są zsynchronizowane. Przy braku synchronizacji, co występuje w rzeczywistych systemach lokacyjnych, wyławianie splotu o maksymalnie możliwej wartości jest losowe i zależne od ΔΤ_ε.

Badania symulacyjne filtracji dopasowanej dla warunków rzeczywistych wykazały, że przy wyławianiu sygnału lokacyjnego o w/w parametrach w przypadku zastosowania na przykład 64 filtrów uzyskuje się SNR w zakresie od SNRmax do SNRmax-6,5 dB, dla n=128 ten zakres zmniejsza się do

1,3 dB oraz dla n=256 - do 0,5 dB. Należy zauważyć, że wykorzystanie pojedynczego filtru dopasowanego i proste zwiększenie częstotliwości próbkowania w celu zmniejszenia odstępu ΔΤ nie prowadzi do oczekiwanego wyniku ponieważ w/w wartość SNRmax może być uzyskana wyłącznie przy częstotliwościach próbkowania fs bliskich częstotliwości Nyquista.

Zmniejszenia odstępu ΔΤ_ε można także osiągnąć dobierając fazę próbkowania sygnałów wejściowych na zasadzie noniusza. W takim przypadku &T_S = , gdzie k - liczba dyskretnych wartości fazy próbkowania w zakresie jednego odstępu czasowego Ts/n.

Przy zastosowaniu automatycznego dobierania fazy próbkowania możliwie jest uzyskanie wymaganego odstępu ΔΤ_ε poprzez wzajemny wybór różnych wartości k i n tak żeby iloczyn k-n był niePL 216 301 B1 zmienny. Przykładowo, dla uzyskania ΔΤ, =Τ/64 można założyć k=8, n=8 lub k= 64, n =1. W ostatnim przypadku będzie wykorzystywany jeden filtr przy 64 możliwych wartościach fazy próbkowania.

Zgodnie z wynalazkiem automatyczne dobieranie fazy próbkowania sygnałów wejściowych odbywa się na podstawie porównania sygnałów wyjściowych filtrów o maksymalnej wartości (maksimum maksimorum) wybranych w bieżącym i poprzednim okresie wyławiania sygnałów lokacyjnych. Jako okres wyławiania sygnału lokacyjnego jest rozumiany zakres czasu pomiędzy dwoma kolejnymi sygnałami lokacyjnymi emitowanymi przez nadajnik tych sygnałów. Różnica między maksimum maksimorum w/w sygnałów jest wykorzystywana dla zmiany fazy próbkowania o jedną wartość dyskretną w następnym okresie wyławiania sygnału lokacyjnego. Kierunek zmiany fazy próbkowania zależy od kierunku zmiany fazy w poprzednim okresie wyławiania sygnału lokacyjnego.

Zasada zmiany fazy próbkowania sygnału wejściowego jest następująca:

1. Jeżeli Iy_m-y_m-1I<Ą faza zostaje niezmienna, gdzie ym - maksimum maksimorum sygnału wyjściowego filtrów w bieżącym okresie wyławiania sygnału lokacyjnego, ym-1 - maksimum maksimorum sygnału wyjściowego filtrów w poprzednim okresie, Ą, - zadany próg;

2. Jeżeli y_m-y_m-1>Ą_s zmiana fazy odbywa się w poprzednim kierunku a w przypadku niezmiennej fazy poprzedniej - w stronę jej zwiększenia;

3. Jeżeli ym-ym-1<-Ąs to zmiana fazy odbywa się w kierunku przeciwnym do poprzedniego a w przypadku niezmiennej fazy poprzedniej - w stronę jej zmniejszenia.

Układ do wykrywania krótkich sygnałów lokacyjnych według wynalazku zawiera układ dystrybucyjny (4) i blok sterowania fazą próbkowania (8) składający się z pierwszego bloku opóźniającego (8.1), układu arytmetyczno-logicznego (8.2), drugiego bloku opóźniającego (8.3) oraz układu (8.4), który wybiera z sygnałów wyjściowych (9) ich maksimum maksimorum, przy czym wyjście bloku (MAX) jest połączone z wejściem układu (8.4), wyjście którego jest połączone z wejściem drugiego bloku opóźniającego (8.3) i z jednym z wejść układu arytmetyczno-logicznego (8.2), którego drugie wejście jest połączone z wyjściem bloku (8.3), natomiast trzecie wejście połączone jest z wyjściem pierwszego bloku opóźniającego (8.1), wejście którego jest połączone z jednym z wyjść bloku (8.2), drugie wyjście którego jest połączone z wejściem sterującym układu dystrybucyjnego (4), który z sygnałów taktowania podawanych od generatora (5) wytwarza przerzedzone sygnały taktowania (6) o regulowanej fazie podawane na wejścia taktowania wszystkich układów bloku (7) oraz na wejście taktowania przetwornika analogowo-cyfrowego (3), który próbkuje sygnały wejściowe (1). Taktowanie układów bloku (8) odbywa się za pomocą sygnałów taktowania (2) podawanych od nadajnika sygnałów lokacyjnych.

Zaletą układu według wynalazku jest możliwość zmniejszenia liczby kanałów przetwarzania sygnałów cyfrowych, w skrajnym przypadku do jednego, przy zachowaniu maksymalnej czułości i rozdzielczości systemu lokacyjnego przy wykrywaniu krótkich chirp sygnałów.

Schemat układu według wynalazku w przykładzie wykonania przedstawiony został na załączonym rysunku, na którym układ zawiera przetwornik analogowo cyfrowy (3), układ dystrybucyjny (4), generator (5), blok przetwarzania sygnałów cyfrowych (7) i blok sterowania fazą próbkowania (8), przy czym blok (7) składa się z n filtrów dopasowanych (F1), (F2), ..., (Fn) z pamięciami (M1), (M2), ..., (Mn) dla współczynników wagowych, n bloków usuwania ujemnych wartości splotów (D1), (D2), ..., (Dn), n analizatorów ekstremalnych (ΑΕ1), (AE2), ..., (AEn) oraz układu wyjściowego (MAX) wybierającego maksymalne wartości splotów, zaś blok (8) zawiera pierwszy blok opóźniający (8.1), układ arytmetyczno-logiczny (8.2), drugi blok opóźniający (8.3) oraz układ (8.4), który wybiera z sygnałów wyjściowych (9) ich maksimum maksimorum w każdym okresie wyławiania sygnału lokacyjnego.

Działanie układu wg wynalazku przedstawia się w ten sposób, iż na wejście układu, które jest wejściem przetwornika analogowo cyfrowego (3) podawany jest sygnał analogowy (1) od odbiornika systemu lokacyjnego. W przetworniku (3) sygnał (1) jest przetwarzany w sygnał cyfrowy z częstotliwością próbkowania fs, dopasowaną do sygnału lokacyjnego, przy czym faza początkowa sygnałów próbkowania (6) jest zmieniana automatycznie w celu maksymalnego dopasowania się do odebranych sygnałów lokacyjnych. W bloku (7) cyfrowy sygnał wejściowy poddawany jest filtracji dopasowanej w n filtrach (F1), (F2),..., (Fn), pracujących równolegle w oparciu o zestawy współczynników wagowych umieszczonych w pamięciach (M1), (M2), ..., (Mn). Sygnały wyjściowe filtrów poddawane są operacji obcięcia ujemnych wartości odpowiednio w blokach (D1), (D2), ...,(Dn) po czym podawane są na wejścia bloków (ΑΕ1), (AE2),..., (AEn), które wyznaczają maksymalną wartość splotu i jego pozycję dla każdego z odpowiednich filtrów, zaś sygnały z wyjść bloków (ΑΕ1), (AE2),..., (AEn) są podawane na blok (MAX), który porównuje maksymalną wartość sygnału z podanych na jego wejście sygnałów

PL 216 301 B1 z zadanym progiem 8_y dla identyfikacji sygnału lokacyjnego. Sygnały wyjściowe (9) bloku (MAX) zawierają informację o: maksymalnym splocie w każdym okresie próbkowania sygnału lokacyjnego, o pozycji splotu o maksymalnej wartości oraz o zidentyfikowaniu sygnału lokacyjnego.

Sygnały o maksymalnej wartości w każdym okresie próbkowania z wyjścia bloku (MAX) podawane są na wejście bloku (8.4), który wybiera maksimum maksimorum sygnału ym w bieżącym okresie wyławiania sygnału lokacyjnego i podaje go na wejście układu arytmetyczno-logicznego (8.2). Na drugie wejście układu (8.2) podawany jest analogiczny sygnał ym-1 z poprzedniego okresu wyławiania sygnału lokacyjnego, który jest zapamiętywany w bloku opóźniającym (8.3). Układ arytmetycznologiczny na podstawie sygnałów ym, ym-1 oraz sygnału z wyjścia bloku opóźniającego (8.1) wytwarza sygnał sterujący dla układu dystrybucyjnego (4). W bloku opóźniającym (8.1) zapamiętywany jest sygnał wyjściowy układu arytmetyczno-logicznego (8.2) zawierający informację o kierunku zmiany fazy próbkowania w poprzednim okresie wyławiania sygnału lokacyjnego.

Układ dystrybucyjny (4) wytwarza sygnały taktowania (6) o częstotliwości fs na drodze przerzedzenia sygnałów generatora (5) o częstotliwości knfS. przy czym zmiana fazy sygnału na wyjściu bloku (4) odbywa się z dyskretnością ΔΓ_s = £- w zakresie od 0 do T/n. W jednym okresie wyławiania sygnału lokacyjnego faza sygnału próbkowan i a może być zmieniona pod wpływem sygnału sterującego. w stronę zwiększenia lub stronę zmniejszenia. tylko o jedną wartość dyskretną ΔΤ^ Taktowanie bloku (8) odbywa się za pomocą sygnałów taktowania (2) podawanych od nadajnika sygnałów lokacyjnych. przy czym po zakończeniu kolejnego okresu wyławiania sygnału lokacyjnego sygnał wyjściowy ym. bloku (8.4) jest zapamiętywany w bloku (8.3), sygnał wyjściowy bloku (8.2) jest zapamiętywany w bloku (8.1) a następnie odbywa się zerowanie bloku (8.4).

Claims

1. Sposób wykrywania krótkich sygnałów lokacyjnych typu chirp wykorzystujący jedno wspólne analogowo-cyfrowe przetwarzanie sygnału wejściowego dla n równoległych filtracji dopasowanych w dziedzinie czasu. wyniki każdej z których poddane zostają operacjom nieliniowym. polegającym na usuwaniu ujemnych splotów. a w dalszej kolejności rozmytej analizie ekstremalnej. przy czym analogowo-cyfrowe przetwarzanie sygnału wejściowego odbywa się z częstotliwością próbkowania fs bliską częstotliwości Nyquista odpowiednio dobranej do tego sygnału. natomiast współczynniki wagowe o jednakowej liczbie dla każdej filtracji zostają dobierane w oparciu o przerzedzony n-krotnie i odwrócony zbiór próbek tego sygnału określanych przy zastosowaniu częstotliwości próbkowania n-krotnie większej niż fs, znamienny tym. że zastosowano automatyczne dobieranie optymalnej fazy próbkowania sygnału wejściowego na podstawie porównania maksimum maksimorum sygnału wyjściowego filtrów w bieżącym okresie wyławiania sygnału lokacyjnego z sygnałem z poprzedniego okresu. z uwzględnieniem kierunku zmiany fazy w poprzednim okresie wyławiania sygnału lokacyjnego.

2. Układ do wykrywania krótkich sygnałów lokacyjnych typu chirp zawierający przetwornik analogowo cyfrowy. oraz blok przetwarzania sygnałów cyfrowych składający się z n filtrów dopasowanych z pamięciami dla współczynników wagowych. szeregowo połączonych z n blokami usuwania ujemnych wartości splotów. n analizatorami ekstremalnymi i wspólnym układem wyjściowym (MAX) wybierającym maksymalne wartości splotów. przy czym wszystkie bloki są taktowane sygnałami o częstotliwości bliskiej do częstotliwości Nyquista, znamienny tym. że zawiera układ dystrybucyjny (4) i blok sterowania fazą próbkowania (8), składający się z pierwszego bloku opóźniającego (8.1), układu arytmetyczno-logicznego (8.2), drugiego bloku opóźniającego (8.3) oraz układu (8.4), który wybiera z sygnału wyjściowego (9) jego maksimum maksimorum. przy czym wyjście bloku (MAX) jest połączone z wejściem układu (8.4), wyjście którego jest połączone z wejściem drugiego bloku opóźniającego (8.3) i z jednym z wejść układu arytmetyczno-logicznego (8.2), drugie wejście którego jest połączone z wyjściem bloku (8.3), natomiast trzecie wejście połączone jest z wyjściem pierwszego bloku opóźniającego (8.1), wejście którego jest połączone z jednym z wyjść bloku (8.2), drugie wyjście którego jest połączone z wejściem sterującym układu dystrybucyjnego (4), który z sygnałów taktowania podawanych od generatora (5) wytwarza przerzedzone sygnały taktowania (6) o regulowanej fazie. które są podawane na wejścia taktowania wszystkich układów bloku (7) oraz na wejście taktowania przetwornika analogowo-cyfrowego (3) dla próbkowania sygnałów wejściowych (1), natomiast taktowanie układów bloku (8) odbywa się za pomocą sygnałów taktowania (2) podawanych na odpowiednie wejścia tych układów od nadajnika sygnałów lokacyjnych. jak pokazano na załączonym schemacie.