RU2071066C1 - Method for spectral analysis of signals - Google Patents
Method for spectral analysis of signals Download PDFInfo
- Publication number
- RU2071066C1 RU2071066C1 SU4911885A RU2071066C1 RU 2071066 C1 RU2071066 C1 RU 2071066C1 SU 4911885 A SU4911885 A SU 4911885A RU 2071066 C1 RU2071066 C1 RU 2071066C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- duration
- input
- signal
- noise
- band
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к радиотехнике, может быть использовано в устройствах обнаружения квазимонохроматических радиосигналов и в спектроанализаторах. The invention relates to radio engineering, can be used in devices for the detection of quasi-monochromatic radio signals and in spectrum analyzers.
Целью изобретения является повышение помехоустойчивости. The aim of the invention is to increase noise immunity.
На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 диаграмма преобразования объемов сигналов после совершения тех или иных операций способа; на фиг.3 временные диаграммы процессов расширения радиосигнала по длительности и его полосовой фильтрации; на фиг.4 - диаграммы формирования широкополосного, в частности, ЛЧМ-эквивалента и сжатия последнего в спектро-временном фильтре (ДЛЗ). In FIG. 1 shows a block diagram of a device that implements the proposed method; figure 2 diagram of the conversion of signal volumes after the commission of certain operations of the method; figure 3 time diagrams of the processes of expansion of the radio signal in duration and its band-pass filtering; figure 4 - diagrams of the formation of broadband, in particular, the LFM equivalent and compression of the latter in the spectral-time filter (DLZ).
Устройство (фиг.1) включает последовательно связанные входной усилитель 1, линию задержки 2, например, с N отводами, связанные с каждым из отводов линии канальные усилители 4, 5, компенсирующие потери сигнала в линии 2, многовходовой аналоговый сумматор 6, полосовой фильтр 7, смеситель 8 с ЛЧМ-гетеродином 9, синхронизация которого (запуск) осуществляется внешним синхроимпульсом, дисперсионную линию задержки (ДЛЗ) 10 и ее компенсирующий усилитель 11, компенсирующий потери сигнала в ДЛЗ. Будем полагать, что полый коэффициент передачи цепи от входа многоотводной линии задержки 2 до выхода полосового фильтра 7 равен единице в полосе пропускания полосового фильтра 7 и быстро уменьшается вне этой полосы. Будем также полагать, что полный коэффициент передачи цепи широкополосного тракта от входа смесителя 8 до выхода компенсирующего усилителя 11 также равен единице в полосе рабочих частот ΔFлз. Коэффициент передачи входного усилителя 1 будем считать равным K>1 в полосе спектра входного сигнала Δfвх≥ Δfc..The device (Fig. 1) includes series-connected input amplifier 1, delay line 2, for example, with N taps,
Способ осуществляют следующим образом. The method is as follows.
Входной квазимонохроматический сигнал, например, прямоугольный радиоимпульс длительностью τc с несущей частотой fc, изображенный на фиг.2 прямоугольником 12, в смеси с шумом усиливают во входном усилителе 1, после чего его расширяют по длительности в некоторое число раз в гребенчатом фильтре из соединенных многоотводной линии задержки 2, канальных усилителей 3, 4 и многовходового аналогового сумматора 6, в результате чего образуется пачка из N взаимно когерентных радиоимпульсов, следующих внутри пачки с малой скважностью g. Фактор когерентности несущих колебаний каждого из этих радиоимпульсов пачки обеспечивается из условия:
fc•Δτ=M - целое число, (1)
где Δτ задержка между смежными номерами отводов.The input quasi-monochromatic signal, for example, a rectangular radio pulse of duration τ c with a carrier frequency f c , shown in Fig. 2 as a
f c • Δτ = M is an integer, (1)
where Δτ is the delay between adjacent tap numbers.
Пусть входной радиосигнал (фиг.2) представляет собой радиоимпульс длительностью tc с несущей частотой fc. Его изображение на частотно-временной диаграмме представлено заштрихованным прямоугольником 12 единичного объема (базы), так как произведение длительности сигнала на ширину его спектра Δfc=1/τc равно единице. В результате N-кратного расширения длительности сигнала с сохранением его когерентности и полосовой фильтрации пачки из N взаимно когерентных радиоимпульсов, следующих с малой скважностью g≥1, на выходе полосового фильтра выделяется радиоимпульс также единичного объема (базы) с длительностью τи=qτcN и спектром Δfи=1/Nqτc. Частота несущих колебаний в расширенном по длительности радиоимпульсе может сохраниться прежней или как-либо измениться на известную разность (последнее представлено на фиг. 2). Длительность τи задают соизмеримой или несколько меньшей с длительностью τлз импульсной характеристики используемого в согласованном фильтре спектро-временного фильтра сжатия (ДЛЗ), что и определяет конкретную величину коэффициента расширения длительности N. Затем из полученного сигнала формируют соответствующий широкополосный, например ЛЧМ, эквивалент, рабочая длительность которого равна длительности τи сформированного радиоимпульса (на фиг.2 она показана жирной наклонной линией внутри прямоугольника, характеризующего базу ДЛЗ). Этот эквивалент сжимается по длительности в соответствующей ДЛЗ 10, образуя на ее выходе короткий корреляционный максимум. Изображение сложного сигнала широкополосного (например, ЛЧМ) эквивалента на фиг. 2 показано прямоугольником 13 внутри прямоугольника 14, изображающего объем (базу) спектро-временного фильтра сжатия (ДЛЗ). Увеличение размера прямоугольника 14 по сравнению с прямоугольником 13, что отображается неравенством τлз≥ τи, обычно имеет место в силу неопределенности момента появления на входе согласованного фильтра принимаемого радиоимпульса (положения прямоугольника 12 на временной оси, фиг.2). Если момент прихода сигнала строго известен, то целесообразно использовать режим полного согласования времен τи=τлз. Зона неопределенности по времени появления на входе согласованного фильтра сигнала ΔτΣ=τлз-τи определяет запас надежности правильной работы согласованного фильтра, что реализуется при использовании последнего в локации, поскольку в этом случае величина временной зоны неопределенности связана с неопределенностью по дальностному положению лоцируемого объекта согласно равенству ΔTΣ=2(Dmax-Dmin)/C, где Dmin и Dmax - соответственно минимальная и максимальная границы измеряемых локатором дальностей. В применении к системам стационарной связи такой временной неопределенности может не существовать, и в этом случае длительность расширенного импульса τи выбирают оптимально высокой, равной величине длительности импульсной характеристики ДЛЗ τлз.Let the input radio signal (figure 2) is a radio pulse of duration t c with a carrier frequency f c . Its image on the time-frequency diagram is represented by a
Для передачи расширенного по длительности радиоимпульса (пачки из N взаимно когерентных радиоимпульсов) без потери его энергии можно иметь полосовую систему (полосовой фильтр 7) с полосой пропускания, соизмеримой обратной величине указанной длительности τи. Иначе говоря, полосовой фильтр 7 выбирают с полосой пропускания, например, равной
Полосовой фильтр 7 представляет собой инерционную систему, которая устранит "пустые" промежутки между смежными радиоимпульсами в пачке, поэтому на выходе полосового фильтра будет выделяться радиоимпульс длительностью τи со структурой моноимпульса (как указано на фиг.3), но с несколько уменьшенной средней (усредненной) амплитудой по сравнению с амплитудой радиоимпульсов в пачке при g>1, а именно с амплитудой
где Аc амплитуда сигнала на выходе входного усилителя 1 (при указанном выше условии единичности коэффициента передачи тракта от входа многоотводной линии задержки 2 до выхода полосового фильтра 7), величина которой связана с входной мощностью принимаемого сигнала Pвх и входным сопротивлением входного усилителя 1 Rвх и его усилением К соотношением
Полагая шум на входе системы "белым" (равномерным гауссовским), находим, что дисперсия шума σ
σ2=k2NGRвх/2τи, (5)
где G приведенная к нагрузке 1 Ом спектральная плотность мощности шума на входе системы (Вт/Гц).To transmit an extended-duration radio pulse (packs of N mutually coherent radio pulses) without losing its energy, you can have a band system (band-pass filter 7) with a passband comparable to the reciprocal of the specified duration τ and . In other words, the bandpass filter 7 is selected with a passband, for example, equal to
The band-pass filter 7 is an inertial system that eliminates the “empty” gaps between adjacent radio pulses in the packet, therefore, at the output of the band-pass filter, a radio pulse of duration τ and with a mono-pulse structure (as indicated in FIG. 3), but with a slightly reduced average (average ) amplitude compared with the amplitude of the radio pulses in the packet for g> 1, namely with the amplitude
where A c is the amplitude of the signal at the output of the input amplifier 1 (under the condition of unity of the transmission coefficient of the path from the input of the multi-tap delay line 2 to the output of the bandpass filter 7), the value of which is related to the input power of the received signal P in and the input resistance of the input amplifier 1 R in and its amplification K by the ratio
Assuming the noise at the input of the system to be “white” (uniform Gaussian), we find that the noise variance σ
σ 2 = k 2 NGR in / 2τ and , (5)
where G is the spectral density of the noise power at the input of the system (W / Hz) reduced to a load of 1 Ohm.
Следовательно, на выходе полосового фильтра 7 отношение сигнал/шум будет равно
Таким образом, расширенный и отфильтрованный радиоимпульс, изображаемый на фиг. 2 прямоугольником 15, является аналогом-представителем принятого радиоимпульса, изображенного прямоугольником 12 на фиг.2, но в отличие от последнего, имеет значительно более узкий спектр, допускающий применение к нему узкополосной фильтрации, основной смысл введения которой заключается в ограничении шума узкой полосой Δfф, что позволяет существенно уменьшить дисперсию шума σ
Thus, the expanded and filtered radio pulse depicted in FIG. 2 by
При таком ограничении полосы шума полосовым фильтром 7 и при наличии усиления К во входном усилителе в выборе значения К можно свести на нет собственный шум широкополосного тракта, имеющего спектральную плотность мощности шума G* и рабочую полосу ΔFлз, определяемую полосой пропускания ДЛЗ 10. Так, при аддитивном сложении шумов с выхода полосового фильтра 7 и собственно широкополосного тракта (σ
σ
Если выполнить условие вида
где ψ=τлз/τ4=1 и B=ΔFлзτлз база применяемой ДЛЗ 10, то величиной вклада (σ
σ
If a condition of the form
where ψ = τ lz / τ 4 = 1 and B = ΔF lz τ lz the base of the applied DLP 10, then the contribution value (σ
Отметим, что выражением (6) с учетом выражений (5) и (2) доказывается, что имеет место важное свойство инвариантности отношения сигнал/шум на выходе полосового фильтра 7, по отношению к изменению множителя N расширения длительности принимаемого радиосигнала. Множитель N в числителе выражения (5) отражает свойство аддитивности сложения шумовых взаимно некоррелированных компонент в многовходовом аналоговом сумматоре 6. Некоррелированность этих шумовых компонент обоснована тем, что величина парциальной задержки Δτ в многоотводной линии задержки 2 выбрана больше интервала корреляции для шума, который определяется в свою очередь полосой пропускания входного усилителя 1, линии 2 и канальных усилителей 3, 4, 5. Широкополосность указанных элементов схемы позволяет значительно снизить интервал корреляции шума, то есть уменьшить возможное значение задержки Dt или, что то же, уменьшить длительность входного сигнала tc≅ Δτ. Поскольку для некоррелированных шумов дисперсия суммы шумовых компонент, возникающих на выходах канальных усилителей 3, 4, 5, равна сумме дисперсий этих компонент, а дисперсии этих компонент полагаются одинаковыми, то ясно, почему в выражении (5) использован множитель N. Но поскольку полосовой фильтр 7 имеет полосу пропускания, обратно пропорциональную числу N, то свойство инвариантности отношения сигнал/шум μф=inv/N является обоснованным.We note that expression (6), taking into account expressions (5) and (2), proves that there is an important property of the invariance of the signal-to-noise ratio at the output of the band-pass filter 7, with respect to the change in the expansion factor N of the duration of the received radio signal. The multiplier N in the numerator of expression (5) reflects the additivity property of the addition of noise mutually uncorrelated components in the multi-input analog adder 6. The non-correlation of these noise components is justified by the fact that the partial delay Δτ in the multi-tap delay line 2 is chosen greater than the correlation interval for the noise, which is determined in its turn the passband of the input amplifier 1, line 2 and
Полагая смеситель 8 линейным частотно-преобразующим элементом, в также полагая единичным его коэффициент передачи для компоненты преобразованной частоты ЛЧМ эквивалента, амплитуда ЛЧМ эквивалента и среднеквадратическое напряжение шума на выходе смесителя 8 будут такими же, как это следует из выражений (4) и (5) с учетом выполнения условия (8). То есть и отношение сигнал/шум на входе ДЛЗ 10 будет определяться выражением (6). Assuming mixer 8 to be a linear frequency-converting element, while also assuming that its transmission coefficient is unity for the component of the converted frequency of the LFM equivalent, the amplitude of the LFM equivalent and the rms noise voltage at the output of the mixer 8 will be the same as follows from expressions (4) and (5) subject to the fulfillment of condition (8). That is, the signal-to-noise ratio at the input of the DLZ 10 will be determined by expression (6).
Формирование с помощью смесителя 8 широкополосного, например ЛЧМ, эквивалента достигается гетеродинированием сигнала, поступающего с выхода полосового фильтра 7, с сигналом ЛЧМ-гетеродина 9, который вырабатывает от момента прихода внешнего синхроимпульса ЛЧМ импульс длительностью τлз и с девиацией частоты в нем ΔFлз по линейному закону в функции времени df/dt=ΔFлз/τлз. Таким образом, объем (база) формируемого ЛЧМ-гетеродином 9 сигнала изображается прямоугольником 14 на фиг.2 и отображает собой фактически базу ДЛЗ 10, равную B=ΔFлзτлз. Поскольку момент прихода синхроимпульса на вход ЛЧМ-гетеродина 9 не точно равен моменту воздействия на вход согласованного фильтра принимаемого сигнала, что видно и из фиг.2, и эти моменты разделены во времени некоторой областью временной неопределенности ΔTΣ=τлз(1-1/ψ), то положение жирной линии на фиг.2, односвязанной с прямоугольником 13, характеризует частотно-временное расположение ЛЧМ эквивалента на выходе смесителя 8 внутри прямоугольника 14 на фиг.2. Если меняется момент времени прихода сигнала на вход согласованного фильтра, то и жирная линия ЛЧМ эквивалента испытывает сдвиг вдоль наклонной прямой (луча, совпадающего с жирной линией), перемещая и прямоугольник 13 внутри прямоугольника 14 вдоль указанной наклонной линии, адекватно отображающей частотно-временную перестройку ЛЧМ-гетеродина 9 под действием синхроимпульса.The formation using a mixer 8 of a broadband, for example, LFM, equivalent is achieved by heterodyning the signal coming from the output of the bandpass filter 7 with the LFM-local oscillator 9 signal, which generates a pulse of duration τ lz and with a frequency deviation in it ΔF lz from the moment of the arrival of the external LFM sync pulse linear law as a function of time df / dt = ΔF lz / τ lz . Thus, the volume (base) of the signal generated by the LFM local oscillator 9 is depicted by
Операция расширения длительности принимаемого радиосигнала условно изображена на фиг.3. Эпюры 3а, 3б и 3в выражают напряжения на выходе канальных усилителей 3, 4, 5, причем заштрихованные области это радиоимпульсы, а незаштрихованные составляющие напряжения шума (условно). На этих эпюрах шум не показан в интервалах времени действия радиоимпульсов (длительность которых равна τc, а парциальная задержка в линии 2 Δτ>τc). На эпюре 3г дан вид напряжения на выходе многовходового аналогового сумматора 6. Видно, что амплитуда импульсов и среднеквадратический уровень шума на выходе сумматора 6 сохранилась. Это верно, поскольку гребенчатый фильтр на основе соединения многоотводной линии задержки 2, канальных усилителей 3, 4, 5 и многовходового аналогового сумматора 6 представляет собой узкополосную систему, полоса пропускания в которой определяется обратной величиной полной задержки τи в линии 2. При этом полосовой фильтр 7 является инерционно-сглаживающим звеном, позволяющим устранить (снизить влияние) временные разрывы между смежными радиоимпульсами внутри образованной пачки. Это показано на эпюре 3д. Видно, что в процессе такого сглаживания несколько снижается амплитуда выходного сигнала от полосового фильтра 7, а среднеквадратическое напряжение шума сохраняется прежним.The operation of expanding the duration of the received radio signal is conventionally shown in Fig.3. Plots 3a, 3b and 3c express the voltage at the output of the
На фиг.4 поясняется процесс формирования ЛЧМ эквивалента в смесителе 8 и сжатие его в ДЛЗ 10 (на фиг.4а), результат которого указан на фиг.4б. Сжатый по времени корреляционный отклик ДЛЗ возникает, когда пространственное распределение пучностей ультразвуковой волны, возбуждаемой в звукопроводе ДЛЗ 10 от ЛЧМ эквивалента, совпадает с таким же по виду распределением встречно-штыревых преобразователей, напыленных на пьезокерамической подложке ДЛЗ и представляющих неэквидистантную по пространству структуру. Для увеличения зоны временной неопределенности ΔTΣ следует использовать ДЛЗ с увеличенным значением tлз длительности их импульсных характеристик.In Fig. 4, the process of generating LFM equivalent in the mixer 8 and its compression in DLZ 10 (in Fig. 4a), the result of which is indicated in Fig. 4b, is explained. The time-compressed DLZ correlation response occurs when the spatial distribution of the antinodes of the ultrasonic wave excited in the DLZ 10 sound duct from the LFM equivalent coincides with the same distribution of the interdigital transducers deposited on the piezoceramic DLZ substrate and representing a non-spatial spatial structure. To increase the zone of temporary uncertainty ΔT Σ, one should use DLZ with an increased value of t lz the duration of their impulse characteristics.
Следует отметить, что при Φ>1 сжатый радиоимпульс на выходе ДЛЗ 10 имеет несущую частоту, являющуюся функцией временного сдвига Δt момента прихода на вход фильтра входного импульса длительностью τc и частотой fc. Эта частота равна
,
где -ΔTΣ/2≅ Δt≅ ΔTΣ/2, fo центральная частота ДЛЗ 10.It should be noted that for Φ> 1, the compressed radio pulse at the output of the DLZ 10 has a carrier frequency, which is a function of the time shift Δt of the moment of arrival of the input pulse to the filter input of duration τ c and frequency f c . This frequency is equal to
,
where -ΔT Σ / 2≅ Δt≅ ΔT Σ / 2, f o the central frequency of the DLS 10.
Выходы N ДЛЗ анализатора подключают к многовходовому аналоговому сумматору типа 6, после чего результирующую пачку радиоимпульсов фильтруют в полосовом фильтре типа 7, а затем из нее формируют ЛЧМ эквивалент, который сжимают в ДЛЗ типа 10. При этом выбор парциальной задержки в многоотводной линии задержки анализатора подчиняют условию (1) для частоты fо ан - центральной частоты ДЛЗ анализатора. В этом случае во входном тракте не происходит таких потерь сигнала, какие свойственны потерям в многоотводной линии 2 схемы фиг.1 и компенсируются канальными усилителями 3, 4, 5 с достаточно большим коэффициентом усиления и низким уровнем собственного шума.The outputs of the N DLA of the analyzer are connected to a multi-input analog type 6 adder, after which the resulting packet of radio pulses is filtered in a band-pass filter of type 7, and then an LFM equivalent is formed from it, which is compressed in a DLZ of type 10. In this case, the partial delay in the multi-tap delay line of the analyzer is subordinated condition (1) for the frequency f about an - the central frequency of the DLZ analyzer. In this case, in the input path, such signal losses do not occur that are characteristic of losses in the multi-tap line 2 of the circuit of Fig. 1 and are compensated by
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4911885 RU2071066C1 (en) | 1991-02-15 | 1991-02-15 | Method for spectral analysis of signals |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
SU4911885 RU2071066C1 (en) | 1991-02-15 | 1991-02-15 | Method for spectral analysis of signals |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2071066C1 true RU2071066C1 (en) | 1996-12-27 |
Family
ID=21560854
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
SU4911885 RU2071066C1 (en) | 1991-02-15 | 1991-02-15 | Method for spectral analysis of signals |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2071066C1 (en) |
-
1991
- 1991-02-15 RU SU4911885 patent/RU2071066C1/en active
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Defranould et al. | A SAW planar piezoelectric convolver | |
US4532603A (en) | Chirp transform correlator | |
US4396917A (en) | Countermeasures system | |
JP2644849B2 (en) | FM-CW radar device | |
JPS63501657A (en) | Compression receiver with pulse width expansion function | |
RU2071066C1 (en) | Method for spectral analysis of signals | |
US4131852A (en) | Single dispersive delay line compressive receiver | |
RU2310882C1 (en) | Radio-impulse signal detector | |
RU2621319C1 (en) | Method and device for measuring distance in double-frequency nonlinear radar | |
JPS6136190B2 (en) | ||
RU2046370C1 (en) | Monopulse radio signal detector | |
US3493969A (en) | Radar device with frequency modulation and spectral compression of the intermediate-frequency signal | |
RU2799999C1 (en) | Radiolocation method with carrier frequency tuning from pulse to pulse | |
RU2016493C1 (en) | Matched filter | |
RU2115236C1 (en) | Communication system with wide-band signals | |
RU2037841C1 (en) | Method of optimal detection of pulse signals with nonmodulated carrier frequency | |
SU813285A1 (en) | Device for measuring pulse signal fluctuation spectrum | |
JPS5935816Y2 (en) | Moving target detection radar | |
JP3463683B2 (en) | Radar equipment | |
RU2082988C1 (en) | Process of optimal detection of pulse signals with unmodulated carrier frequency | |
RU2636784C2 (en) | Quasi-optimal comb filter for sequence of wideband and ultra-wideband coherent radio pulses with compression of signal spectrum | |
RU2190297C2 (en) | Broadband noise suppressing device | |
RU1841040C (en) | Device to assess radio pulse-modulated frequency | |
RU2064222C1 (en) | Device for transmission of analog information | |
JPH05341036A (en) | Distance measuring device |