Плекин В.Я. - Проектирование цифровых устройств обнаружения и оценивания параметров сигналов

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО И СРЕДНЕГО СПЕЦИАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ СССР МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ АВИАЦИОННЫЙ ИНСТИТУТ имени СЕРГО ОРДЖОНИКИДЗЕ В.Я, ПЛЕКИН ПРОЕКТИРОВАНИЕ, ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ ОБНАРУЖЕНИЯ И ОГГЕНИВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ Учебное пособие к практическим занятиям (для дневкой формы обучения) Утищэждено иа заседании редсовета 16 мая 1985 г, Вах.З96.9 (О75) и Эа УОК: 621,Э 96.О6 (Ото.в) ВВЕЛ, ЕНИЕ Плекин В,Я, Проектирование пифровых устройств обнаружения и опенивания параметров сигналов» Учебное пособие к практическим занятиям, - М.: МАИ, 1986, - 47 с., ил.

В пособии рассматриввклса вопросы синтеза и анализа алгоритмов и устройств обнаружения и опенки параметров радиолокапнонных сигналов применительно к нифровым методам и схемам их обработки, в также приведень1 примеры расчета их основных параметров и точностных характеристик» Пособие предназначено для студентов при самостоятельной подготовке к практическим занятиям по курсу "Проектирование пнфровых устройств обработки радиолокационной информации". Рецензенты: А,Н, Громыко, А„Я. Фурман, В,А. Лихарев С Московский авиационный институт, 1886 г, Использование современной микроэлектроники и микропроцессорной техники позволяет автоматизировать процессы обработки радиолокационной и радионавигадионной информапии„существенно повысить эффективность н надежность их работы.

Это в полной мере относится к цифровым устройствам обнаружения сигналов и измерения их параметров, Повышение надежности обнаружения и улучшение характеристик рвдиолоквпионных вам~ рителей достигается зв счет высокой стабильности цифровых схем, увеличения динамического диапазона обрабатываемых сигналов, в также автоматизации процессов обнаружения и измерения» Процесс проектирования цифровых устройств обработки радиолокационной информации включает в себя структурный синтез, основанный на получении оптимальных и квазиоптнмальных алгоритмов функционирования цифровых схем, расчет и оптимизацию основных параметров синтезированных структур, в также анализ их эффективности. Указанные вопросы рассматриваются в настоящем пособии применительно к обработке информвпйи импульсной радиолокационной станпии (РЛС) кругового обзора.

1, ПРОЕКТИРОВАНИЕ БИФРОВЫЖ УСТРОЙСТВ ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛОВ НЕКОГЕРЕНТНО ИМПУЛЬСНО РЛС 1.1. ВРЕМЕННАЯ ДИСКРЕТИЗАПИЯ И АМПЛИТУДНОЕ КВАНТОВАНИЕ РАДИОЛОКАИИОННЫХ СИГНАЛОВ При нсполыювании автоматизированных систем обработки радиолокационной информалнн необходимо обеспечить преобразование аналоговых сигналов на выходе приемо-усилительного тракта радиолокатора в иифровув форму, Указанное преобразование сигналов вкщочает в себя вре- менную дискретизацию и последующее амплитудное квантование полученных выборок При представлении сигналов в цифровую форму возникают потери полезной янфорьшции, которые могут быть снижены соот- ветствующим выбором частоты дискретизации и разрядности АИП, Однако следует иметь и виду, что при увеличении часто- ты дискретизации и разрядности АБП возрастают аппаратурные затраты прн реализации цифровых устройств обработки сигналав, Это связано с необходимостью увеличения обьема оперативной памяти для записи входной ийформации, а также увеличения раз- рядной сетки сумматоров, счетчико®, регистров сдвига н других элементов схем цифровой обработки, Поэтому при выборе основных технкческиХ параметров устройств временной дискретизации и амцлитудного квантования Обычно исходят нз компромиссного подхОда, удовлетворяющего, требованиям заданной точности преобразования при наименьших апнаратурных затратах.

Рассмотрим работу устройства временной дискретизации ' сигналов, представленного на ркс, 1.1. Устройство включает и себя радиолокапионный приемник (Рл,пр,), геяератор импульсов дискретизации (ГИД), схему ключа (Кд), аналого-цифровой пре- образователь (АБП) и блок оперативной памяти (БП)(рис.1,1,а), Рис. 1.1 Скт'калы, поступаюшие после прохождения детектора и вкдеоусилктеля на выход радиолокационного приемника, преобразуются с помощью ключевой схемы и генератора импульсов дискретизации в дискретные отсчеты времекя, (выборки), а затем на выходе АБП Формируются числа (пифровые коли), содержащие информацию о значениях кх амплитуды Последовательности цифровых кодов записываются в блок оперативной памяти устройств цифровой обработки информации.

Временные диаграммы, поясняющие работу укаэанной схемы, представлены на рис. 1,1,б, При непрерывном или квазинепрерывном режиме излучения зондирующих сигналов РЛС период дискретизации выбкрается из условия 7 я —, где ~ - максимальная частота в спект- ~Аюа,я' ре принимаемого сигнала, т,е, период дискретизация выбирается в соответствии с требованиями теоремы Котельникова. При излучении импульсных сигналов с ВысОкОй скважностью период дискретизации выбирается из условия T а Ф О И У где Ф - длительность зондирующего импульса,,Ду' - ширина и с спектра сигнала, В этом случае с помощью временной дискретизации сигналов производится разбиение всей дальности дейсгвия РДС яа элементы разрешения по дальности, число которых Ф~ Рг ак.

; где ДЯ, Я „- максимальная дальность С~и действия РЛС. В практических схемах обработки радколокапионной информации операция дискретизации обычно совмещается с операцией запоминания выборки ка отрезок, равный времени преобразования в А0П. Это обеспечивается с по- вайс/ мощью схемы запомина- 1 и® + м3~ + ния выборки, которая позволяет уменьшить возможные динамические погрешности, возникакицие при Рис, 1,2 дискретизации изменяющихся ВО времени непрерывных сигналов, В подобных схемах фиксируются мгновенные значения сигнала на время, необходимое для последующего преобразования в АБП. В этих целях Обычно иопользуются схемы аналоговых ключей, накопительных емкостей и Усилительных каскадов, На рис, 1,2 приведена инвертируюшая схема выборки и запоминания с отрицательной обратной связью. В режиме выборки она представляет собой повторитель напряже- 5 нала ц., Затем на выходе схемы сравнения (вычитания) нахо- дится разность и, = ««И)-йети~, которая жваитуется во'вто- рой ступени преобразсаателя ПНК2, имехакего'значительно мень- ший шаг квантования Ди ~ «3 и ~ .

Суммарная разрядность обьединенного кода г р. +Р' . В денной схеме при ~ = у -3 имеем Р' = 6 и, следовательйо, необходимое число компарато- рав будет 2(2Э-1) * 14. Для сравнения в обычной схеме счи- тывания в этом случае потребуется (26-1) *= 63 компаратора. Как видим, рассмотренная схема обеспечивает значительный выигрьпи аппаратуриых затрат 'а «й (1,4 где Р' = — - частота повторения, 7 л Число дискретных элементов по дальности у Щ Р 7'л Д (1Л) где ДЯ - дискретность по дальности, Число дискретиьиГ элементов по аэимуту 360 Зб0 То Ф„ (1.6) 3ю~ й~ Tц Та где ДК - дискретность по азпмуту. Общее число дискретных элементов в зоне обзора РЛС ~я, =~'г'Ъ Ф (1,7) с И Рнс. 1,5 Погрешность преобразования сигналов в АЦП определяется шумами квантования, мощность которых б.2 ДМ хэ 7;~ ~я,~~ М (1.3 ) где 4и - шаг квантования. Определим необходимый обьем оперативной памяти для записи информации, выделяемой на выходе приемника за один обзор радиолокатора.

При расчете будем учитывать следующие параметры импульсной РЛС обзора: максимальная дальность действия Л' ЗОО км, длительность имульса Ф„= 1 мкс, период повторения импульсов 7 = 2 10 с, ширина антенного луча по азио муту А~ ~' 2, угловая скорость вред«ения антенны,Я, ~ 609с (период обзора Т© 6 с) ° динамический диапазон входных сит палов Ы = 60 дБ. Обзор пространства производится поворотом антенны с постоянной угловой скоростью Я, (рис.

1.6), Если и зоне обзора РЛС находится цель, то на выходе. радиолокационного приемника будут выделены импульсы, отраженные от этой цели, Число отраженных импульсов, образующих пачку, зависит от времени облучения цели ~ и частоты повторения зондируюших сигнй ОЖЛ, лов в Рис. 1,6 С учетом амплитудного квантования сигналов об;ьем оператив иой памяти для записи информапии за один обзор радиолокатора будет Ф =Л~ „.~, (1.8) где х =1йу' й'~- число разрядов АЦП.

Для заданных параметров РЛС Ф 6 10, ~' = 10,следовательно У * 6 107 бит, Рейлизацйя оперативного ЗУ такого объема потребует значительных аппаратуриых затрат. Однако обьем памяти может быть уменьшен при Обнаружении сигналОВ в движущемся ИФ окне", размер которого опре- ФД СФ ~ Е/7 деляется шкриной луча В этом Ц~ случае л' = — =гг, где д'а~ ~ЪД ° числО импульсов В пачке ПО о скольку Ь(, ' 2, то в соответствии с (1,6) число элеРис, 1,7 ментов дискретности ПО азиму ту умекьшится в 180 раз и будет Определяться числом импульсов и пачке, Обьем оперативной памяти может быть уменьшен при иапользоввнии бинарнога квантования сигналов, при котором требуется всего один разряд А11П (рис, 1.7), т,е, и этом случае ~' = 1, На схеме обозначено: АД - амплитудный детектор, СА- аналоговый компарвтор, ГИД - генератор импульсов дискретизации, БП - блок памяти.

Сигнал на выходе компаратара принимает два возможных значения; ~ 1, если и(6) ~ и„ 4 ~0, если сс(Ф) с иц, где и„- порог квантования, Последовательность сформированных таким образом "нулей" к"единиц" записывается в блок оперативной памяти, С помощью генератора импульсов дискретизации информация записывается в определенные ячейки памяти, соответствующие элементам разрешения по дальности. Следует иметь в виду, что энергетические потери в отношении сигнал/шум при бинарном квантаваиии сОставляют 2 дБ ~1~ ° 10 1,2. МЕТОДЫ СИНТЕЗА- БИФРОВЬИ УСТРОЙСТВ ОБНАРУЖЕНИЯ И ООЕНИВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ РАДИОДОКАИИОННЦХ СИГНАХЮВ При проектировании цифровых обнаружителей и устройств Оценки параметров сигналов необходимо прежде всето опреде- лить ях структуру, Среди известных методов структурного синтеза используют- ся следующие: синтез цифровых устройств по аналоговому про- тотипу, статистический синтез после аналого-цифрового преобра- зования сигналов и эвристические методы синтеза ~ 1~ ° Синтез цифровых обнаружитедей и измерителей па аналого- вому прототипу основан нв использовании известных оптималь- ных или кввзиоптимвльных алгоритмов обнаружения и оценива- нии непрерывных сигналов или последовательностей путем пере- хода от непрерывных алгоритмов к их дискретным (цифровым) эквивалентам, При этом, чем меньше шаг квантования 3и и ин- тервал временной дискретизации T~, тем ближе свойства цифро- вого эквивалента к свойствам его аналогового прототипа, Однако указанный подход не всегда целесообразен, Это свя- зано с тем, что уменьшение шага квантования (увеличение раз- рядности А11П) и уменьшение интервала временной дискретиза- ции приВОдят и знйчительиОму уююжнению аппаратуры: увеличя'" вается емкость 3У и разрядная сетка цифрового процессора (ЦП), повышается требуемое быстродействие узлов ЦП, увеличи- ваются габариты и потребляемая мощность, При статистическом синтезе после аналого-цифрового пре- образования сигналов Определяются статистические свойства сиг- налов и помех с учетом их дискретного представления на выхо- де АЦП, а затем синтезируется оптимальная структура обнару- жителя и измерителя с использованием теории статистических решений и теории оценок.