RU158894U1

RU158894U1 - Адаптивный цифровой спектроанализатор

Info

Publication number: RU158894U1
Application number: RU2015122470/28U
Authority: RU
Inventors: Анатолий Павлович Дятлов; Павел Анатольевич Дятлов; Александр Николаевич Шостак
Priority date: 2015-06-10
Filing date: 2015-06-10
Publication date: 2016-01-20

Abstract

Адаптивный цифровой спектроанализатор, содержащий линейный тракт, квадратурный конвертор, включающий в себя первый и второй смесители, первый и второй фильтры нижних частот, первый генератор, фазовращатель, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, второй генератор, комплексный переносчик частоты, включающий в себя первый, второй, третий, четвертый перемножители, вычитатель, сумматор, синтезатор частоты, процессор быстрого преобразования Фурье, оперативно-запоминающее устройство, устройство вывода информации, решающее устройство, причем к выходу линейного тракта параллельно подключены два канала квадратурного конвертора, первый канал которого состоит из последовательно включенных первого смесителя и первого фильтра нижних частот, второй канал которого состоит из второго смесителя и второго фильтра нижних частот, ко второму входу первого смесителя подключен через фазовращатель выход первого генератора, кроме того, выход первого генератора подключен также ко второму входу второго смесителя, первые входы первого и второго аналого-цифровых преобразователей подключены соответственно к выходам первого и второго фильтров нижних частот, выход второго генератора подключен ко второму входу первого и второго аналого-цифровых преобразователей, а также к первому входу синтезатора частоты, выходы первого аналого-цифрового преобразователя подключены к первым входам первого и второго перемножителей, выходы второго аналого-цифрового преобразователя подключены к первым входам третьего и четвертого перемножителей, первый выход синтезатора частоты подключен ко вторым входам первого и четвертого пер

Description

Предполагаемая полезная модель относится к области оперативного мониторинга фазоманипулированных сигналов в условиях сложной радиообстановки в широком частотном диапазоне.

Известен цифровой приемник-спектроанализатор [1. Радзиевский В.Г., Сирота А.А. Теоретические основы радиотехнической разведки. - М.: Радиотехника, 2004. - С. 108.], обеспечивающий радиомониторинг (РМ) связных сигналов в полосе частот до 100 МГц и состоящий из входной высокочастотной части, аналого-цифрового преобразователя (АЦП), буфера накопления данных и процессора дискретного преобразования Фурье.

Признаками аналога, совпадающими с признаками заявленного устройства, являются входная высокочастотная часть (в заявляемой полезной модели линейный тракт радиоприемника), АЦП, буфер накопления данных, процессор дискретного преобразования Фурье.

К недостаткам рассматриваемого устройства следует отнести возможность проведения радиомониторинга связных сигналов при мгновенной полосе анализа не более 100 МГц и входном отношении сигнал/шум намного большем единицы.

Известно также устройство векторного анализа спектра сигнала [2. Афонский А.А., Дьяконов В.П. Цифровые анализаторы спектра, сигналов и логики. - М.: Солон-Пресс, 2009. - С. 30.], предназначенное для анализа амплитудных и фазовых спектров связных сигналов и состоящее из преобразователя радиочастоты, к выходу которого последовательно подключены фильтр промежуточной частоты, АЦП с тактовым генератором, цифровой преобразователь сигналов, процессор быстрого преобразования Фурье (БПФ) с памятью и устройством индикации, причем преобразователь частоты состоит из последовательно включенных входного фильтра, смесителя с местным гетеродином и усилителем.

Признаками аналога, совпадающими с признаками заявленного устройства, являются преобразователь радиочастоты (в заявляемой полезной модели линейный тракт радиоприемника), АЦП с тактовым генератором, процессор БПФ с памятью.

К недостаткам данного устройства следует отнести возможность проведения радиомониторинга связных сигналов при мгновенной полосе анализа не более нескольких десятков МГц и входном отношении сигнал/шум намного большем единицы.

Из известных устройств, подобных заявленной модели, наиболее близким по технической сущности является “Цифровой приемник для радиомониторинга связных сигналов с широкой полосой мгновенного анализа и высоким быстродействием” [3. Дятлов А.П., Емельянов Р.В., Колунтаев Е.Н. Цифровой приемник для радиомониторинга связных сигналов с широкой полосой мгновенного анализа и высоким быстродействием. Специальная техника, 2010, №2, С. 9-18.], содержащий линейный тракт, квадратурный конвертор, включающий в себя первый и второй смесители, первый и второй фильтры нижних частот (ФНЧ), первый генератор, фазовращатель, первый и второй АЦП, второй генератор, комплексный переносчик частоты, включающий в себя первый, второй, третий, четвертый перемножители, вычитатель, сумматор, синтезатор частоты, процессор БПФ, оперативно-запоминающее устройство, устройство вывода информации, решающее устройство, причем к выходу линейного тракта параллельно подключены два канала квадратурного конвертора, первый канал которого состоит из последовательно включенных первого смесителя и первого ФНЧ, второй канал которого состоит из второго смесителя и второго ФНЧ, ко второму входу первого смесителя подключен через фазовращатель выход первого генератора, кроме того выход первого генератора подключен также ко второму входу второго смесителя, первые входы первого и второго АЦП подключены соответственно к выходам первого и второго ФНЧ, выход второго генератора подключен ко второму входу первого и второго АЦП, а также к первому входу синтезатора частоты, выходы первого АЦП подключены к первым входам первого и второго перемножителей, выходы второго АЦП подключены к первым входам третьего и четвертого перемножителей, первый выход синтезатора частоты подключен ко вторым входам первого и четвертого перемножителей, второй выход синтезатора частоты подключен ко вторым входам второго и третьего перемножителей, выход первого перемножителя подключен к первому входу вычитателя, выход четвертого перемножителя подключен ко второму входу вычитателя, выход второго перемножителя подключен к первому входу сумматора, выход третьего перемножителя подключен ко второму входу сумматора, выход вычитателя подключен к первому входу процессора БПФ, выход сумматора подключен ко второму входу процессора БПФ, выход процессора БПФ каскадно через оперативно-запоминающее устройство и устройство вывода информации подключен к первому входу решающего устройства.

Признаками данного устройства (прототипа), совпадающими с существенными признаками заявленного устройства являются линейный тракт, квадратурный конвертор, включающий в себя первый и второй смесители, первый и второй ФНЧ, первый генератор, фазовращатель, первый и второй АЦП, второй генератор, комплексный переносчик частоты, включающий в себя первый, второй, третий, четвертый перемножители, вычитатель, сумматор, синтезатор частоты, процессор БПФ, оперативно-запоминающее устройство, устройство вывода информации, решающее устройство, причем к выходу линейного тракта параллельно подключены два канала квадратурного конвертора, первый канал которого состоит из последовательно включенных первого смесителя и первого ФНЧ, второй канал которого состоит из второго смесителя и второго ФНЧ, ко второму входу первого смесителя подключен через фазовращатель выход первого генератора, кроме того выход первого генератора подключен также ко второму входу второго смесителя, первые входы первого и второго АЦП подключены соответственно к выходам первого и второго ФНЧ, выход второго генератора подключен ко второму входу первого и второго АЦП, а также к первому входу синтезатора частоты, выходы первого АЦП подключены к первым входам первого и второго перемножителей, выходы второго АЦП подключены к первым входам третьего и четвертого перемножителей, первый выход синтезатора частоты подключен ко вторым входам первого и четвертого перемножителей, второй выход синтезатора частоты подключен ко вторым входам второго и третьего перемножителей, выход первого перемножителя подключен к первому входу вычитателя, выход четвертого перемножителя подключен ко второму входу вычитателя, выход второго перемножителя подключен к первому входу сумматора, выход третьего перемножителя подключен ко второму входу сумматора, выход вычитателя подключен к первому входу процессора БПФ, выход сумматора подключен ко второму входу процессора БПФ, выход процессора БПФ каскадно через оперативно-запоминающее устройство и устройство вывода информации подключен к первому входу решающего устройства.

К недостаткам прототипа следует отнести увеличение погрешности оценивания средней частоты и ширины спектра слабых фазоманипулированных сигналов, обусловленных оперативностью спектрального анализа в широком частотном диапазоне.

Задачи, на решение которых направлена заявляемая полезная модель: снижение погрешности оценивания средней частоты и ширины спектра слабых фазоманипулированных сигналов за счет адаптации полосы пропускания частотных каналов анализа, времени накопления сигнала и нормированного порога в каналах при выделении сигнала.

Технический результат достигается тем, что в адаптивный цифрой спектроанализатор дополнительно введены первый и второй децимирующие фильтры, коммутатор, устройство наложения оконной функции, аккумулятор и управляющее устройство, причем первый вход коммутатора является входом полезной модели, второй его вход подключен к первому выходу управляющего устройства, выход коммутатора подключен ко входу линейного тракта, первый вход первого децимирующего фильтра соединен с выходом вычитателя, первый вход второго децимирующего фильтра соединен с выходом сумматора, выход первого децимирующего фильтра соединен с первым входом устройства наложения оконной функции, выход второго децимирующего фильтра соединен со вторым входом устройства наложения оконной функции, выход которого соединен со входом процессора БПФ, выход процессора БПФ соединен с первым входом аккумулятора, второй вход аккумулятора соединен с выходом оперативно-запоминающего устройства, второй выход управляющего устройства соединен со вторыми входами первого и второго децимирующих фильтров и третий выход управляющего устройства соединен со вторым входом процессора БПФ, четвертый выход управляющего устройства соединен с третьим входом аккумулятора, пятый выход управляющего устройства соединен со вторым входом решающего устройства, выход решающего устройства соединен со входом управляющего устройства.

Для достижения технического результата в адаптивный цифровой спектроанализатор, содержащий линейный тракт, квадратурный конвертор, включающий в себя первый и второй смесители, первый и второй фильтры нижних частот, первый генератор, фазовращатель, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, второй генератор, комплексный переносчик частоты, включающий в себя первый, второй, третий, четвертый перемножители, вычитатель, сумматор, синтезатор частоты, процессор быстрого преобразования Фурье, оперативно-запоминающее устройство, устройство вывода информации, решающее устройство, причем к выходу линейного тракта параллельно подключены два канала квадратурного конвертора, первый канал которого состоит из последовательно включенных первого смесителя и первого фильтра нижних частот, второй канал которого состоит из второго смесителя и второго фильтра нижних частот, ко второму входу первого смесителя подключен через фазовращатель выход первого генератора, кроме того выход первого генератора подключен также ко второму входу второго смесителя, первые входы первого и второго аналого-цифровых преобразователей подключены соответственно к выходам первого и второго фильтров нижних частот, выход второго генератора подключен ко второму входу первого и второго аналого-цифровых преобразователей, а также к первому входу синтезатора частоты, выходы первого аналого-цифрового преобразователя подключены к первым входам первого и второго перемножителей, выходы второго аналого-цифрового преобразователя подключены к первым входам третьего и четвертого перемножителей, первый выход синтезатора частоты подключен ко вторым входам первого и четвертого перемножителей, второй выход синтезатора частоты подключен ко вторым входам второго и третьего перемножителей, выход первого перемножителя подключен к первому входу вычитателя, выход четвертого перемножителя подключен ко второму входу вычитателя, выход второго перемножителя подключен к первому входу сумматора, выход третьего перемножителя подключен ко второму входу сумматора, выход вычитателя подключен к первому входу процессора быстрого преобразования Фурье, выход сумматора подключен ко второму входу процессора быстрого преобразования Фурье, выход процессора быстрого преобразования Фурье каскадно через оперативно-запоминающее устройство и устройство вывода информации подключен к первому входу решающего устройства, дополнительно введены первый и второй децимирующие фильтры, коммутатор, устройство наложения оконной функции, аккумулятор и управляющее устройство, причем первый вход коммутатора является входом полезной модели, второй его вход подключен к первому выходу управляющего устройства, выход коммутатора подключен ко входу линейного тракта, первый вход первого децимирующего фильтра соединен с выходом вычитателя, первый вход второго децимирующего фильтра соединен с выходом сумматора, выход первого децимирующего фильтра соединен с первым входом устройства наложения оконной функции, выход второго децимирующего фильтра соединен со вторым входом устройства наложения оконной функции, выход которого соединен со входом процессора быстрого преобразования Фурье, выход процессора быстрого преобразования Фурье соединен с первым входом аккумулятора, второй вход аккумулятора соединен с выходом оперативно-запоминающего устройства, второй выход управляющего устройства соединен со вторыми входами первого и второго децимирующих фильтров, третий выход управляющего устройства соединен со вторым входом процессора быстрого преобразования Фурье, четвертый выход управляющего устройства соединен с третьим входом аккумулятора, пятый выход управляющего устройства соединен со вторым входом решающего устройства, выход решающего устройства соединен со входом управляющего устройства.

На фигуре приведена функциональная схема адаптивного цифрового спектроанализатора (АЦС), где 1 - коммутатор (Ком); 2 - линейный тракт (ЛТ); 3, 7 - первый и второй смесители (См₁, См₂); 4, 8 - первый и второй фильтры нижних частот (ФНЧ₁, ФНЧ₂); 5 - фазовращатель на 90° (Фв); 6, 14 - первый и второй генераторы (Г₁, Г₂); 9 - квадратурный конвертор на нулевую частоту (КК); 10, 19 - первый и второй аналого-цифровые преобразователи (АЦП₁, АЦП₂); 12, 15, 16, 20 - первый, второй, третий, четвертый перемножители (П₁, П₂, П₃, П₄); 12 - вычитатель (В); 17 - сумматор (Сум); 21 - синтезатор частоты (СЧ); 13, 18 - первый и второй децимирующие фильтры (ДФ₁, ДФ₂); 22 - устройство наложения оконной функции; 23 - процессор БПФ; 24 - аккумулятор (Ак); 25 - оперативное запоминающее устройство (ОЗУ); 26 - устройство вывода информации (УВ); 27 - решающее устройство (РУ); 28 - управляющее устройство (УУ); 29 - комплексный переносчик частоты (КПЧ).

Принцип действия АЦС состоит в следующем.

На вход ЛТ поступает многокомпонентный процесс y₀(t) который состоит из аддитивной смеси сигналов

, помех

и гауссовой стационарной помехи n₀(t). На выходе ЛТ выделяется процесс y(t), содержащий компоненты процесса y₀(t) находящиеся в рабочем частотном диапазоне. При этом процесс y(t) можно представить тремя моделями радиообстановки {y₁(t); y₂(t); y_m(t)}, где

y₁(t)=n(t); y₂(t)=s(t)+n(t);

при m=m₁+m₂+1,

где

- K₁ сигнал;

- K₂ коррелированная помеха.

Помеха n(t) представляет собой квазибелый шум с автокорреляционной функцией

;

Δf_n=f₂-f₁,

где

, N_n - дисперсия и спектральная плотность помехи n(t); f_n, Δf_n - средняя частота и ширина рабочего частотного диапазона на выходе ЛТ.

В качестве полезных сигналов полагаем сигналы с фазовой манипуляцией. Помехи представлены разнообразными узкополосными связными сигналами. При этом как сигналы, так и помехи относятся к классу процессов с неизвестной формой. Кроме того полагаем, что спектры компонентов радиообстановки не перекрываются.

Процесс y(t) в результате прохождения через ЛТ приобретает следующий вид:

; h₁(t)=2Δf_nsinc(πΔf_nt)cos(2πf_nt),

где h₁(t) - импульсная реакция УПЧ;

- напряжение гетеродина Г₁.

На выходе КК получим:

;

h₂(t)=2f_Bsinc(πf_Bt);

,

где y_C(t), y_S(t) - квадратурные составляющие процесса y(t);

,

- квадратурные составляющие напряжения гетеродина Г₂; h₂(t) - импульсная реакция ФНЧ₁ с идеальной АЧХ; f_в - верхняя граничная частота ФНЧь

В беспоисковых по частоте приемниках прямого усиления полоса мгновенного анализа Δf_a совпадает с шириной рабочего частотного диапазона Δf_n. В нашем случае при использовании прямого преобразования вниз для обеспечения полосы мгновенного анализа Δf_а=Δf_n достаточно осуществлять обработку информации после КК в полосе от 0 до f_в, что упрощает аппаратную реализацию АЦС.

Далее после АЦП₁ и АЦП₂ в ДФ1 и ДФ₂ осуществляется частотная селекция процессов y_C(t), y_S(t), поскольку при квадратурной обработке в каждом частотном канале процессора БПФ используется формируемое СЧ опорное напряжение с индивидуальной частотой, а постоянная интегрирования в ОЗУ Т выбирается из условия T=T_БПФ, где T_БПФ - время вычисления БПФ при цифровой реализации приемника.

На выходе процессора БПФ имеем:

F[y_C(t), y_S(t)]={U_y1(T), …, U_yi(T), …, U_yn(T)} при i∈[1,n_f];

; t₀≤t≤t₀+T_c;

;

; U_Гi(t)=U_СЧcos(2πf_it));

;

; T=T_БПФ,

где F[y_C(t), y_S(t)] - функционал, соответствующий преобразованиям информации в каналах процессора БПФ и ОЗУ; U_y1(T), …, U_yi(T), …, U_yn(T) - эффекты на выходах 1-го, i-го, n-го частотных каналов; n_f - число каналов в процессоре БПФ для перекрытия полосы мгновенного анализа Δf_a; t₀, T_c - моменты начала обработки входного процесса и длительность сеанса обработки; U_Ci(t), U_Si(t) - квадратурные составляющие эффекта U_yi(T); U_yi(t) - опорное напряжение с частотой f_i в i-м частотном канале; Δf_к - полоса частот обработки информации в частотном канале; U_СЧ - амплитуда напряжения, формируемого СЧ.

Выходные эффекты U_y1(T), …, U_yi(T), …, U_yn(T) сравниваются с порогами в пороговом устройстве (ПУ), и дальнейшей обработке подлежат только те из них, которые превосходят порог.

Наряду с обнаружением (гипотеза H₀) в РУ осуществляется решение задач классификации процессов по ширине спектра, оценивания их средней частоты

, и ширины спектра

, моментов появления

, и окончания

процессов амплитуды

и формирования управляющих команд для АРУ.

При отсутствии на входе приемника сигналов, то есть когда имеет место модель радиообстановки y₁(t)=n(t), на выходе процессора БПФ с ОЗУ имеем:

,

где

,

- гипотеза об отсутствии сигналов; U_пор - пороговое напряжение. В этом случае РУ не используется.

При наличии на входе приемника одного сигнала, то есть когда имеет место модель радиообстановки y₂(t)=S_i(t)+n(t), на выходе РУ гипотеза о наличии узкополосного сигнала S_i(t) имеет место только в i-м канале

при условии, что ширина спектра сигнала Δf_i не превышает Δf_к. В этом случае в РУ имеем:

; Δf_i=Δf_к,

где F[U_yi(t,T)] - функционал, соответствующий преобразованиям напряжения U_yi(t,Т) в набор информативных параметров

, включающих в себя оценку таких параметров сигнала y_i(t), как амплитуды

, частоты

, ширины спектра

, моментов появления

и окончания

.

Для случая, когда в составе модели радиообстановки y₂(t)=S_id(t)+n(t) находится широкополосный сигнал, имеющий ширину спектра Δf_id=(d-i)Δf_к, следует учитывать, что на выходе РУ гипотеза о наличии широкополосного сигнала имеет место в ряде примыкающих частотных каналов процессора БПФ от i-го до d-го {H_0i, H_0(i+1), …, H_0d}. При этом в РУ по совокупности информативных признаков сигнала

формируются оценки таких параметров, как

.

И, наконец, когда модель радиообстановки y_m(t) является многокомпонентной, в РУ осуществляется обработка напряжений [U_y(τ)), снимаемых с выходов только тех частотных каналов, в которых U_y(T)>U_пор.

При неперекрывающихся спектрах компонентов модели y_m(t) на вход РУ поступают процессы, соответствующие набору двухкомпонентных процессов, превысивших U_пор, которые обрабатываются раздельно. Учитывая, что длительность сеанса РМ T_с может быть больше, чем T, то информация с РУ подается в базу данных для постобработки.

При цифровой обработке процесс y(t) разлагается на квадратурные составляющие y_С(t) и y_S(t), которые обрабатываются в несколько этапов. На первом этапе производится дискретизация и квантование процессов y_С(t) и y_S(t), и при этом на выходах АЦП₁ и АЦП₂ имеем дискретные последовательности

y_C(t)→{y_C(nt_д)}; y_S(t)→(y_S(nt_д)} при 0≤т≤N-1;

;

, где t_д, f_д - интервал и частота дискретизации; N - количество дискретов за время T_с.

На втором этапе в КПЧ осуществляется выделение реальной Q(nt_д) и мнимой I(nt_д) составляющих комплексной огибающей всех компонентов, входящих в состав дискретных отсчетов

l(nt_д)=y_C(nt_д)cos2πf_jt_д-y_S(nt_д)sin2πf_jt_д;

Q(nt_д)=y_C(nt_д)cos2πf_jt_д+y_S(nt_д)sin2πf_jt_д;

,

где f_j - j-я компонента из

формируемых СЧ квадратурных составляющих гармонических процессов; N_БПФ - количество дискретов в одном цикле БПФ.

На третьем этапе выполняется базовая операция БПФ, в ходе которой множество временных отсчетов {I(nt_д)} и {Q(nt_д)} преобразуются в множество частотных отсчетов

и

, которые после усреднения на интервале T_БПФ=N_БПФΔt_д и квадратурной обработки превращаются в набор напряжений

, соответствующих уровню спектральной плотности входного процесса y(t) на частоте

, представляющей среднюю частоту j-го частотного канала.

Для уменьшения эффектов “утечки” спектра перед вычислением БПФ сигнала на реализацию сигнала накладывается оконная функция в устройстве 22. Окно Хэннинга обеспечивает хороший компромисс между частотным разрешением и уровнем боковых лепестков.

Аккумулятор 24 служит для усреднения выходных частотных отсчетов БПФ. Для каждого частотного отсчета из ОЗУ 25 читается значение этого отсчета при предыдущем цикле вычислении БПФ, складывается с текущим выходным отсчетом БПФ и записывается обратно в ОЗУ 25. Необходимый коэффициент усреднения K_y задается устройством управления 28.

Далее напряжения сравниваются с порогом U_пор, и в тех частотных каналах, в которых

принимается гипотеза об обнаружении сигнала, после чего этот отсчет напряжения через УВ поступает на РУ для оценивания таких параметров сигнала, как

,

. Максимальное значение полосы мгновенного анализа исследуемой модели

определяется частотными параметрами ЛТ (Δf_лт) и процессора БПФ (f_д).

При использовании в ЛТ унифицированного конвертера можно обеспечить Δf_лт=Δf_n=1100 МГц.

При выборе типа ПЛИС для обеспечения высокой эффективности БПФ, необходимо обеспечить компромисс между частотой дискретизации f_д, быстродействием T_БПФ и энергетическими потерями, обусловленными неидеальностью цифровой обработки. Анализ параметров известной цифровой элементной базы позволяет рекомендовать для реализации базовых операций БПФ ПЛИС семейства Virtex-6 типа XC6VLX75T (ф. Xilinx), обеспечивающих реализацию 14 независимых вычислений БПФ по 1024 точки с f_д=423 МГц.

Учитывая, что верхняя граничная частота ФНЧ f_в в КК для исключения искажений обусловленных наложением спектров при дискретизации, выбирается из условия f_в<0,Sf_д.

При реализации многоступенчатого варианта модели частотные диапазоны ступеней делаются с перекрытием на защитный интервал Δf_з. Учитывая это обстоятельство, а также свертку спектра в 2 раза в КК, полоса мгновенного анализа в ступени АЦС равна

.

Общее количество ступеней в АЦС n_ст, необходимое для обеспечения

МГц, равно

, если f_в=200 МГц и Δf_з=30 МГц, а

МГц.

При реализации на ПЛИС вычислителя БПФ с архитектурой Streaming I/O вычисление БПФ осуществляется по непрерывному потоку входных данных без промежутков между блоками БПФ, и поэтому время вычисления БПФ при соответствующем быстродействии УВ определяется из соотношения

мкс.

При использовании весовой обработки с окном Кайзера полоса пропускания одного частотного канала параллельного спектроанализатора (ПСА) и разрешающая способность по частоте равны

МГц.

Для обеспечения нормального функционирования АЦС при реализации КК необходимо использовать СБИС ADL5382 (ф. Analog Device) с рабочим частотным диапазоном от 700 МГц до 2700 МГц.

С учетом вышеизложенного при переходе к многоступенной цифровой обработке процессов необходимо использовать АЦП, которые бы обеспечивали дискретизацию и квантование квадратурных составляющих сигнала с частотой f_s≤200МГц и заданным динамическим диапазоном D, например, равным 40 дБ. Подобным требованиям удовлетворяет большое количество типов АЦП, разработанных различными фирмами. С целью уменьшения аппаратной сложности можно рекомендовать двухканальный АЦП типа ADC08D500 (ф. National), имеющий частоту дискретизации

МГц и количество разрядов n_р=8. В набор основных характеристик частотного канала исследуемой модели входят энергетические, частотные и временные параметры.

Взаимосвязь между вышеперечисленными параметрами устанавливается соотношениями для расчета помехоустойчивости некогерентного обнаружителя с квадратурной обработкой на основе энергетического критерия

при g_вх<1;

;

при g_вх>1;

; N_n=kT₀N_ш;

,

где

, g_к - отношение сигнал/помеха по напряжению на входе и выходе частотного канала; Δf_к - полоса пропускания канала; Δf_n - рабочий частотный диапазон процессора БПФ; P_s - мощность сигнала на входе ЛТ; n_к - число каналов процессора БПФ;

- дисперсия шумов на входе частотного канала; N_n - спектральная плотность шумов на входе частотного канала; N_ш -коэффициент шума ЛТ; T - постоянная интегрирования в ОЗУ.

Величина выигрыша в отношении

существенно зависит от коэффициента фильтрации K_ф=Δf_кT и интенсивности сигнала на входе ЛТ (g_вх<1 - слабый сигнал; g_вх>1 - сильный сигнал).

Полоса пропускания канала находится в интервале

, где Δf_р - разрешающая способность по частоте;

,

- нижняя и верхняя границы диапазона изменения ширины спектра ожидаемых сигналов Δf_s.

Постоянная интегрирования ОЗУ обычно выбирается из условия

, а постоянная интегрирования УУ находится в интервале T∈[T_фнч; T_с; T_п; T_s], где T_с - длительность символа дискретных сигналов; T_п - длительность пакетов при использовании МДВР; T_s - длительность сеанса усреднения, необходима для обеспечения требуемого уровня достоверности РМ.

Величина коэффициента фильтрации находится в пределах K_ф∈[1,B], B»1. При K_ф=1 АЦС используется для решения задач РМ, связанных с оцениванием текущего спектра сигнала, а при K_ф»1, связанных с оцениванием усредненного спектра сигнала.

При K_ф=1 эффект на выходе частотного канала имеет распределение Релея-Райса, а при K_ф»1 имеет нормальное распределение.

При использовании АЦС для обнаружения сигналов при Δf_s≤Δf_к имеем вероятности правильного обнаружения P_по и ложной тревоги P_лт:

а) при K_ф=1

P_по=Q(g_к, g_п);

;

,

где Q(g_к, g_п) - функция Маркума; g_п - нормированный порог; σ_nn - дисперсия эффекта на выходе канала;

б) при К_ф»1

;

P_лт=1-Φ[g_п].

При обнаружении сигналов с Δf_s=mΔf_к, когда m»1 для учета межканальных связей в АЦС целесообразно использовать алгоритмы обнаружения “K” из “m” и “m” из “m”

;

'

' ^гпр ^х ^гпо>

где Д₁, F₁ - вероятность правильного обнаружения и ложной тревоги при использовании алгоритма обнаружения в “K” каналах из “m”; Д₂, F₂ -вероятность правильного обнаружения и ложной тревоги при использовании алгоритма обнаружения в “m” каналах из “m”; P_пр - вероятность пропуска сигнала.

При использовании АЦС для оценки частотных параметров сигналов с симметричным спектром при Δf_s>Δf_к целесообразно использовать алгоритмы

и

,

где

,

- оценки средней частоты f_s и ширины спектра сигнала Δf_s;

,

- оценки частот, соответствующие средним частотам граничных активированных каналов АЦС.

Для обеспечения инвариантности данных алгоритмов к изменению уровня сигнала используется следующая процедура: вначале определяется величина максимального отклика U_m в канале АЦС, средняя частота которого соответствует средней частоте сигнала, а затем формируется пороговое напряжение U_пор для каналов АЦС путем ослабления напряжения U_m исходя из условия U_пор=0,7U_m, чтобы обеспечить оценку ширины спектра сигнала на уровне -3 дБ от максимума спектральной плотности сигнала.

Если полагать, что результирующая погрешность оценивания частотных параметров определяется методическими и флюктуационными погрешностями, то при этом имеем

;

,

где δf₁, δΔf₁ - результирующая среднеквадратическая методическая погрешность оценивания f_s и Δf_s; δf_м - среднеквадратическая методическая погрешность оценивания частоты

или

; δf_ф - среднеквадратическая флюктуационная погрешность оценивания частоты

или

; S - крутизна огибающей спектрального распределения сигнала на частотах

или

при пересечении порога U_n;

- оценка отношения сигнал/шум по напряжению в канале АЦС с максимальным напряжением U_m.

Минимальная величина результирующей погрешности частотных параметров сигналов δf_s и δΔf_s обеспечивается при выполнении условия δΔf_м=δΔf_ф, из которого следует, что

.

Крутизна S зависит от закона огибающей спектрального распределения принимаемого сигнала.

При приеме сигналов с огибающей спектрального распределения

имеем

и

, если закон огибающей имеет гауссову форму, то

и

.

Полные погрешности оценивания частотных параметров с учетом вышеизложенного равны

,

и для S₁ имеем

;

а для S₂ имеем

, а

.

Для определения минимально допустимого при РМ фазоманипулированных сигналов (ФМ-2) отношения сигнал/шум по мощности на входе ЛТ

зададимся максимально допустимой при их демодуляции вероятностью ошибочных решений, равной

. При квазикогерентной демодуляции сигналов имеем:

;

,

где

- отношение сигнал/помеха по мощности на входе ЛТ, имеющего полосу пропускания Δf_лт≥Δf_s; Т_э - длительность элемента сигнала; P_s - мощность сигнала на входе ЛТ, соответствующая реальной чувствительности ПСА; K_эпf, K_эпT - коэффициент энергетических потерь, обусловленный неидеальностью устройств восстановления несущей и тактовой частот.

Если положить, что

, то при

имеем

, а

, где E=P_sT_э - энергия сигнала.

Адаптивный цифровой спектроанализатор на основе информации о частотной панорамы предназначен для выделения одного из компонентов радиообстановки (сигнала S(t)), оценивания его средней частоты f_s и ширины спектра Δf_s с допустимой относительной погрешностью

. Функционирование АЦС осуществляется в аиле следующих этапов.

Этапы функционирования АЦС, реализуемые при использовании УУ.

Внешнее целеуказание (ЦУ):

,

и задан

, P_лт,

.

1 этап. Предварительная настройка ширины полосы пропускания ДФ₁ (11) и ДФ₂ (18) по внешнему целеуказанию:

.

Децимирующий фильтр представляет собой цифровой ФНЧ на выходе которого отсчеты децимируются, то есть для дальнейшей обработки берутся не все отсчеты, а каждый второй, третий, четвертый и т.д. В результате частота дискретизации снижается в 2. 3, 4 и т.д. раз. ФНЧ перед дециматором необходим для ограничения спектра входного сигнала, чтобы предотвратить наложение спектров после децимации

В АЦС наиболее удобно выполнить децимируюший фильтр а виде нескольких каскадов, каждый из которых обеспечивает децимацию в 2 раза. Тогда общий коэффициент децимации может быть 2, 4, 8, 16, 32 и так далее раз. Устройство управления выбирает такой коэффициент децимации децимирующего фильтра K_дец, чтобы обеспечить полосу анализа максимально близкую к требуемой.

2 этап. Настройка СЧ на частоты f_н, f_в, (

,

).

Центральная частота АЦС устанавливается путем настройки гетеродина 6 (грубо, промежуточная частота

) и синтезатора 21 (точно, близкая к нулю промежуточная частота

). Гетеродин 6 перекрывает весь рабочий диапазон частот АЦС. Для минимизации фазовых шумов целесообразно выбрать шаг перестройки по частоте этого гетеродина достаточно большим (5-10 МГц и более) Точная настройка центральной частоты осуществляется синтезатором 21. Он полностью цифровой и представляет собой синтезатор прямого синтеза (Direct Digital Synthesis (DDS)). За счет выбора его параметров (разрядности фазового аккумулятора и разрядности выходных отсчетов) может быть обеспечена требуемая чистота спектра и шаг перестройки АЦС по несущей частоте.

3 этап. Предварительная настройка количества канатов БПФ n_к(определяется требуемой шириной канала Δf_к) исходя из условий

,

Типовой операцией при вычислении БПФ является т.н. операция “бабочка”. Процедуру вычисления БПФ на N точек можно декомпозировать на S=log₂(N) этапов. На каждом этапе необходимо выполнить

операций “бабочка”. Аппаратно такая структура может быть реализована последовательно или параллельно.

При последовательной реализации все 5 этапов обработки производятся последовательно с помощью одной “бабочки”. Для уменьшения времени вычисления БПФ все 5 этапов алгоритма могут быть выполнены параллельно, по конвейерному принципу. При этом после обработки данных на этапе 0, они передаются на этап 1, а на этапе 0 начинает обрабатываться следующая порция входных данных и т.д. В результате образуется конвейер обработки данных. Очевидно, что параллельная архитектура в S раз быстрее последовательной и наиболее подходит для предложенного АЦС по быстродействию. Необходимое количество точек БПФ с шагом 2-4-8-16… может задаваться выбором необходимого числа этапов обработки.

4 этап. Оценка спектральной плотности шума

. Ком 1 закрывается и в РУ оценивается

при

.

5 этап. В РУ устанавливается порог для обеспечения заданной

.

6 этап. Оценка в РУ отношения сигнал/шум на

при

, адаптация ОЗУ T₂=mT₁,

.

и расчет

.

7 этап. По заданному K_f в УУ или РУ расчет требуемого

и расчет требуемого

и уточнение n_m в БПФ n_y=K_фT.

8 этап. По рассчитанному

и

для заданного

уточняется

в РУ (ПУ).

9 этап. По заданным

и K_f в УУ уточняется

, а затем уточняется

, а затем

.

10 этап. После установки

снимается спектрограмма РУ и на уровне -3 дБ или -10 дБ определяется

,

, а затем в РУ рассчитывается

,

.

Для реализации РУ и УУ можно использовать микропроцессоры типа ATmegal28 (ф. Atmel).

Реализация АЦС не вызывает затруднений. Представленная фигура и подробное описание принципа действия каждого блока, разработанного на типовых функциональных узлах, с использованием современной элементной базы, позволяет изготовить АЦС промышленным способом по своему назначению, что характеризует промышленную модель как промышленно применимую.

Claims

Адаптивный цифровой спектроанализатор, содержащий линейный тракт, квадратурный конвертор, включающий в себя первый и второй смесители, первый и второй фильтры нижних частот, первый генератор, фазовращатель, первый и второй аналого-цифровые преобразователи, второй генератор, комплексный переносчик частоты, включающий в себя первый, второй, третий, четвертый перемножители, вычитатель, сумматор, синтезатор частоты, процессор быстрого преобразования Фурье, оперативно-запоминающее устройство, устройство вывода информации, решающее устройство, причем к выходу линейного тракта параллельно подключены два канала квадратурного конвертора, первый канал которого состоит из последовательно включенных первого смесителя и первого фильтра нижних частот, второй канал которого состоит из второго смесителя и второго фильтра нижних частот, ко второму входу первого смесителя подключен через фазовращатель выход первого генератора, кроме того, выход первого генератора подключен также ко второму входу второго смесителя, первые входы первого и второго аналого-цифровых преобразователей подключены соответственно к выходам первого и второго фильтров нижних частот, выход второго генератора подключен ко второму входу первого и второго аналого-цифровых преобразователей, а также к первому входу синтезатора частоты, выходы первого аналого-цифрового преобразователя подключены к первым входам первого и второго перемножителей, выходы второго аналого-цифрового преобразователя подключены к первым входам третьего и четвертого перемножителей, первый выход синтезатора частоты подключен ко вторым входам первого и четвертого перемножителей, второй выход синтезатора частоты подключен ко вторым входам второго и третьего перемножителей, выход первого перемножителя подключен к первому входу вычитателя, выход четвертого перемножителя подключен ко второму входу вычитателя, выход второго перемножителя подключен к первому входу сумматора, выход третьего перемножителя подключен ко второму входу сумматора, выход процессора быстрого преобразования Фурье каскадно через оперативно-запоминающее устройство и устройство вывода информации подключен к первому входу решающего устройства, отличающийся тем, что дополнительно введены первый и второй децимирующие фильтры, коммутатор, устройство наложения оконной функции, аккумулятор и управляющее устройство, причем первый вход коммутатора является входом полезной модели, второй его вход подключен к первому выходу управляющего устройства, выход коммутатора подключен ко входу линейного тракта, первый вход первого децимирующего фильтра соединен с выходом вычитателя, первый вход второго децимирующего фильтра соединен с выходом сумматора, выход первого децимирующего фильтра соединен с первым входом устройства наложения оконной функции, выход второго децимирующего фильтра соединен со вторым входом устройства наложения оконной функции, выход которого соединен со входом процессора быстрого преобразования Фурье, выход процессора быстрого преобразования Фурье соединен с первым входом аккумулятора, второй вход аккумулятора соединен с выходом оперативно-запоминающего устройства, второй выход управляющего устройства соединен со вторыми входами первого и второго децимирующих фильтров, третий выход управляющего устройства соединен со вторым входом процессора быстрого преобразования Фурье, четвертый выход управляющего устройства соединен с третьим входом аккумулятора, пятый выход управляющего устройства соединен со вторым входом решающего устройства, выход решающего устройства соединен со входом управляющего устройства.