многоканальный обнаружитель импульсного сигнала

Формула изобретения

1. МНОГОКАНАЛЬНЫЙ ОБНАРУЖИТЕЛЬ ИМПУЛЬСНОГО СИГНАЛА, содержащий аналоговое запоминающее устройство, аналоговый сумматор, отличающийся тем, что, с целью повышения точности выделения формы входного сигнала, в него введены первый и второй аналоговые ключи, вычитатель, L формирователей сигнала, где L - число уровней формирования выходного сигнала, аналого-цифровой преобразователь и блок элементов И, выходы которого являются соответствующими выходными шинами, информационные входы подключены к соответствующим выходам аналого-цифрового преобразователя, а управляющий вход объединен с управляющими входами аналоговых ключей и формирователей сигналов и является тактовой шиной, сигнальные входы формирователей сигналов объединены и подключены к выходу вычитателя, первый вход которого подключен к выходу второго аналогового ключа, информационный вход которого подключен к выходу аналогового запоминающего устройства, вход которого объединен с вторым входом вычитателя и подключен к выходу первого аналогового ключа, информационный вход которого является входной шиной, вход аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу сумматора, входы которого подключены к выходам соответствующих формирователей сигнала.

2. Обнаружитель по п.1, отличающийся тем, что каждый из формирователей сигналов выполнен на двух усилителях постоянного тока, двух аналоговых запоминающих устройствах, пяти аналоговых ключах и компараторе, первый вход которого является шиной установки порога, а второй вход объединен с информационным входом первого ключа и подключен к выходу первого усилителя постоянного тока, первый вход которого является информационным входом формирователя сигнала, а второй вход подключен к выходу второго ключа, информационный вход которого подключен к выходу третьего ключа, а управляющий вход - к выходу второго усилителя постоянного тока, первый вход которого является шиной напряжения смещения, а второй вход подключен к выходу четвертого ключа, информационный вход которого через первое аналоговое запоминающее устройство подключен к выходу пятого ключа, информационный вход которого подключен к выходу компаратора и является выходом формирователя сигнала, управляющий вход первого ключа объединен с управляющими входами третьего, четвертого и пятого ключей и является управляющим входом формирователя сигнала.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к автоматике и радиотехнике и может быть использовано для обнаружения интервалов существования импульсных сигналов на множестве заданных возрастающих уровней порогов с восстановлением по обнаруженным интервалам исходной формы импульсных сигналов в двоичном коде на фоне медленно меняющихся периодических тактовых отсчетов с удалением избыточных отсчетов в паузе между информационными импульсными сигналами.

Известен обнаружитель импульсного сигнала на фоне медленно меняющейся низкочастотной помехи, выполненный на аналоговой дифференцирующей RC-цепи и заданного уровня порога, который обеспечивает удаление медленно меняющейся помехи и выделение интервала существования информационного импульсного сигнала на одном заданном пороге [1]

Недостатком такого устройства является то, что при удалении дифференцирующим фильтром низкочастотной помехи искажается форма импульсного сигнала, а, следовательно, искажается (уменьшается) длительность этого сигнала на заданном уровне порога.

Известен также полосовой избирательный фильтр с бесконечными импульсными характеристиками (избирательный БИХ-фильтр) [2] обеспечивающий избирательную линейную фильтрацию импульсного сигнала из поступающих в дискретном времени тактовых отсчетов, который в сочетании с порогом обеспечивает обнаружение интервалов существования импульсных сигналов на данном уровне порога. На основе данного устройства может быть построен многопороговый обнаружитель импульсного сигнала. Поэтому это устройство является наиболее близким техническим решением и выбрано в качестве прототипа предлагаемого устройства.

Недостатком данного устройства является также искажение формы исходного импульсного сигнала, сопровождающееся искажением длительности данного импульсного сигнала на заданном уровне порога.

Цель изобретения повышение точности выделения формы входного импульсного сигнала.

Цель достигается тем, что в устройство, содержащее аналоговое запоминающее устройство и аналоговый сумматор, введены первый и второй аналоговые ключи, вычитатель, L формирователей сигнала, где L число уровней формирования выходного сигнала, аналого-цифровой преобразователь и блок элементов И, выходы которого являются соответствующими выходными шинами, информационные входы подключены к соответствующим выходам аналого-цифрового преобразователя, а управляющий вход объединен с управляющими входами аналоговых ключей и формирователей сигналов и является тактовой шиной, сигнальные входы формирователей сигналов объединены и подключены к выходу вычитателя, первый вход которого подключен к выходу второго аналогового ключа, информационный вход которого подключен к выходу аналогового запоминающего устройства, вход которого объединен с вторым входом вычитателя и подключен к выходу первого аналогового ключа, информационный вход которого является входной шиной, вход аналого-цифрового преобразователя подключен к выходу сумматора, входы которого подключены к выходам соответствующих формирователей сигнала, каждый из формирователей сигналов выполнен на двух усилителях постоянного тока, двух аналоговых запоминающих устройствах, пяти аналоговых ключах и компараторе, первый вход которого является шиной установки порога, а второй вход объединен с информационным входом первого ключа и подключен к выходу первого усилителя постоянного тока, первый вход которого является информационным входом формирователя сигнала, а второй вход подключен к выходу второго ключа, информационный вход которого подключен к выходу третьего ключа, а управляющий вход подключен к выходу второго усилителя постоянного тока, первый вход которого является шиной напряжения смещения, а второй вход подключен к выходу четвертого ключа, информационный вход которого через первое аналоговое запоминающее устройство подключен к выходу пятого ключа, информационный вход которого подключен к выходу компаратора и является выходом формирователя сигнала, управляющий вход первого ключа объединен с управляющими входами, третьего, четвертого и пятого ключей и является управляющим входом формирователя сигнала.

Работа многоканального устройства происходит в соответствии с рекуррентными выражениям

Z=K_n-1,a Z+Z_n⁽ⁱ⁾, (1)

Z_n⁽ⁱ⁾ Z_n⁽ⁱ⁾ Z_n-1⁽ⁱ⁾ Z_n⁽ⁱ⁾ f_n + x_n,

i n= e= ,

Kⁱ_n-1, = (2)

V= (3) где Z_n⁽ⁱ⁾ и Z_n-1⁽ⁱ⁾ значения отсчетов наблюдаемого входного сигнала в i-м канале на n-м текущем и (n-1)-м предыдущем тактах;

Z_n⁽ⁱ⁾ разностное значение входного сигнала в i-м канале между соседними отсчетами входных сигналов Z_n⁽ⁱ⁾ и Z_n-1⁽ⁱ⁾;

f_n⁽ⁱ⁾ и x_n⁽ⁱ⁾ значения тактовых отсчетов полезного импульсного сигнала и медленно меняющейся низкочастотной помехи в i-м канале;

Z и Z_n-1,a - значения тактовых отсчетов выходного сигнала дифференцирующего фильтра в i-м канале на n-м текущем и (n-1)-м предыдущем тактах относительно а_е уровня порога;

K- значение весового коэффициента выходного сигнала i-го канала для а_е уровня порога;

V и V_n-1,a значение бинарного состояния выходного сигнала i-го канала на n-м текущем и (n-1)-м предыдущем тактах относительно а_е уровня порога.

Восстановление исходной формы импульсного сигнала в каждом i-м канале обеспечивается его оценкой , полученной из множества выходных бинарных состоянийV} по правилу

= V (4)

Множество выходных бинарных состоянийV} образуется на совокупности возрастающих через постоянный шаг квантования заданного множества уровней пороговa_e} с значениями e .

Амплитуда, а также моменты прихода и окончания дискретного информационного импульсного сигнала f⁽_nⁱ⁾(n ) в каждом i-м канале случайны.

На фиг. 1 приведена структурная схема многоканального обнаружения импульсного сигнала; на фиг. 2 эпюры, поясняющие ее работу.

Многоканальный обнаружитель состоит из общего аналогового запоминающего устройства 1 (АЗУ 1), первого 2 и второго 3 аналоговых ключевых устройств, общего вычитателя 4, L параллельно включенных формирователей сигналов (ФСL) с возрастающим через постоянный шаг квантования заданными уровнями порогов a_e⁽ⁱ⁾ с значениями e в каждом i-м канале, общего сумматора 5, аналого-цифрового преобразователя 6 и блока 7 элементов. Каждый формирователь сигналов ФС1-ФСL состоит из алгебраического сумматора 8, собранного на усилителе постоянного тока УПТ 1, управляющего УПТ 2 с опорным смещением +U_см по инверсному входу, выполненным в виде блока 9, двух аналоговых запоминающих устройств 10 и 11, пяти Кл.1-кл.5 аналоговых ключей 12-16 и компаратора 17. АЗУ 1, 10, 11 выполнены на приборах с зарядовой связью (ПЗС). Эти устройства осуществляют запоминание на один такт значения амплитуды входного Z и выходного Z аналоговых сигналов дифференцирующего фильтра, а также значение его весового коэффициента Kв каждом i-м канале, которые с задержкой на один такт появляются на выходе устройств в виде сигналов Z_n-1,a ,Z,K. Минимальное (начальное) значение весового коэффициента K создается закрытым состоянием ключевого устройства 13 и значением резистора R1, а максимальное значение K 1 обеспечивается открытым состоянием данного ключевого устройства 13. Значение уровней порогов а_е на компараторе 17 каждого формирователя сигналов ФС1-ФСL возрастает через постоянный шаг квантования в соответствии с ростом значения e . Последнее значение уровня порога а_L соответствует максимальному значению амплитуды импульсного сигнала f_n⁽ⁱ⁾. Для эффективного восстанов- ления исходной длительности информационного импульсного сигнала f_n⁽ⁱ⁾ на каждом возрастающем уровне порога a_e(l ) начальное значение весового коэффициента K ФС1-ФСL увеличивается с ростом уровня порога а_е. Поэтому заданной совокупности уровней пороговa_e} соответствует набор совокупности заданных начальных весовых коэффициентовK} с возрастающими значениями e . Все канальные ключевые устройства 2, 3, 12, 14, 15, 16 и ключевые устройства блока 7 элементов И управляются от общего распределителя тактовых импульсов сигналов. Поступающие тактовые отсчеты для каждого i-го канала следуют через период Т. Общее число каналов I расположено внутри каждого периода Т.

На фиг. 2, а показан входной наблюдаемый дискретный сигнал Z_n⁽ⁱ⁾ i-го канала, состоящий из аддитивной смеси Z_n⁽ⁱ⁾ f_n⁽ⁱ⁾ + +X_n⁽ⁱ⁾ полезного импульсного сигнала f_n⁽ⁱ⁾ и медленно меняющейся низкочастотной помехи X_n⁽ⁱ⁾. Фиг. 2,б характеризуется поведение в i-м канале разностного входного сигнала Z, а фиг.2,в,е,з поведение выходного сигнала Z в том же i-м канале по отношению к каждому возрастающему уровню порогов a_e(e= ). Фиг. 2, г характеризует поведение весового коэффициента K выходного сигнала Z для первого уровня порога а₁. Фиг.2,д,ж,и отражает формирование состояний выходных сигналов V на различных уровнях порогов a_e(e= ). Фиг.2,к характеризует поведение оценки исходного импульсного сигнала f_n⁽ⁱ⁾ в i-м канале в дискретные моменты времени n .

Работа многоканального обнаружителя основана на параллельном анализе всеми L формирователями сигналов ФС1-ФСL на возрастающей совокупности уровней пороговa_e} e поступающего на вход I-го канала значения отсчета входного сигнала Z_n⁽ⁱ⁾ в тактовые моменты n . Процесс вычисления каждого бинарного состояния V выходного сигнала Z в i-м канале осуществляется через канальные ключи 2, 3, 12, 14, 15, 16 в темпе поступления тактовых отсчетов от распределителя каналов системы. При отсутствии информационного импульсного сигнала f_n⁽ⁱ⁾ 0 в наблюдаемых входных отсчетах Z_n⁽ⁱ⁾ каждого i-го канала эти значения соответствуют значениям медленно меняющейся помехи Z_n⁽ⁱ⁾ X_n⁽ⁱ⁾. Разностное значение Z_n⁽ⁱ⁾ Z_n⁽ⁱ⁾ Z_n-1⁽ⁱ⁾ (фиг.2,б) между значениями отсчетов входного Z_n⁽ⁱ⁾ и задержанного на АЗУ1 Z_n-1⁽ⁱ⁾ сигналами, образуемое на выходе вычитателя 4 первого формирователя ФС1 при l 1 (фиг.1) до момента появления импульсного сигнала f_n⁽ⁱ⁾, соответствует малой величине Z_n⁽ⁱ⁾ (до точки 1, фиг.2,в). Аналогичные процессы происходят в других параллельно включенных формирователях сигналов ФС2-ФСL. Поэтому все дальнейшие рассуждения, ведущиеся для первого формирователя сигналов ФС1, будут относиться и к l-му формирователю сигналов ФCl множества ФС1-ФСL. Значение выходного сигнала Z e АЗУ10 предыдущего (n-1)-го такта также мало и соответствует величине Z . Весовой коэффициент Kна выходе АЗУ11 из-за закрытого ключевого устройства 13 с выхода управляющего УПТ2 блока 9 соответствует минимальному (начальному) значению K K (до точки 2, фиг.2,г). Начальное значение весового коэффициента K при закрытом ключевом устройстве 13 задается величиной резистора R1, включенного параллельно данному ключевому устройству. Поэтому значение отсчета сигнала Zна выходе алгебраического сумматора 8 на текущем n-м такте (до точки 1, фиг.2,в), не превышает уровень порога а_е, т.е.

Z= K+< a_e, e

Состояние сигнала V на выходе компаратора 17, выполняющего роль порогового устройства, равно нулю V= 0 (до точки 3, фиг.2,д).

При наличии в поступающих периодических тактовых отсчетах информационного импульсного сигнала Z_n⁽ⁱ⁾ f_n⁽ⁱ⁾ + X_n⁽ⁱ⁾ разностное значение Z_n⁽ⁱ⁾ Z_n⁽ⁱ⁾ Z_n-1⁽ⁱ⁾ между соседними отсчетами Z_n⁽ⁱ⁾ и Z_n-1⁽ⁱ⁾ возрастает (фиг.2, б). Образующееся положительное значение сигнала Z_n складывается на сумматоре 8 с произведением KZ K, которое формируется на выходе закрытого ключевого устройства 13 под действием отрицательного напряжения управляющего УПТ2 блока 9 из-за поданного на инверсный вход данного УПТ2 опорного положительного смещения +U_см (фиг.1). В результате чего на выходе этого сумматора 8 согласно выражению (1) формируется выходной сигнал Z, превышающий значение заданного уровня порога а_е компаратора 17 (фиг.2,в, точка 1),

Z= K+ Z_n⁽ⁱ⁾ > а_е. Появившийся над уровнем порога а_е тактовый отсчет выходного сигнала Z переводит выходной сигнал V в единичное состояние V= 1 (точка 3, фиг.2,д) и одновременно записывается в АЗУ1. При поступлении последующего тактового входного отсчета Zэтот единичный весовой коэффициент K= 1 (точка 20 фиг.2,г) через открытый ключ 15 поступает на вход управляющего УПТ2 блока 9, который выходным положительным напряжением переводит ключевое устройство 13 в открытое состояние. Поэтому выходной сигнал Z из-за открытого в это время ключевого устройства 13 проходит через него на вход сумматора 8 без уменьшения амплитуды. В результате рекуррентного накопления напряжения на алгебраическом сумматоре 8 согласно выражению (1) в каждом параллельном формирователе сигналов ФС1-ФСL происходит надпороговое восстановление формы переднего фронта импульсного сигнала f_n⁽ⁱ⁾, начиная с точки 1 (фиг.2,в) для первого порога a_e(l=1), и с точки 7 для последнего порога a_e(l=L) (фиг.2,з). При смене значений разностного сигнала Z с положительной полярности на отрицательную за счет рекуррентного вычитания этих значений на том же самом сумматоре 8 из накопленных во время нарастания переднего фронта импульсного сигнала f_n⁽ⁱ⁾ происходит процесс восстановления заднего фронта данного сигнала f_n⁽ⁱ⁾ с единичным весовым коэффициентом K= 1. Высокая эффективность восстановления формы импульсного сигнала f_n⁽ⁱ⁾ в данном режиме работы обеспечивается увеличением значений начальных коэффициентов К формирователей сигналов ФС1-ФСL по мере роста уровня порога a_e(e= ), что достигается выбором величины резистора R1 в каждом ФС1-СФСL. В результате чего достигается компромисс между противоречивыми процессами точностью удаления низкочастотной помехи Х_n⁽ⁱ⁾ и точностью восстановления формы импульсного сигнала на заданном уровне порога ае (чем меньше значение К, тем лучше удаляется низкочастотная помеха Х_n⁽ⁱ⁾, но тем больше искажается длительность информационного импульсного сигнала на заданном уровне порога и наоборот).

При переходе выходного сигнала Z в область ниже уровня порога a_e(e= ) точка 4 (фиг.2,в) для первого порога а₁ и точка 8 (фиг.2,з) для последнего порога a_e(l=L)), значение состояния сигнала V становится равным нулю V 0. В результате чего, значение каждого весового коэффициента с задержкой на один такт уменьшается согласно выражению (2) до начальной величины K= K (после точки 5, фиг.2,г), что сопровождается резким уменьшением значения сигнала на входе сумматора 8 и тем самым подавлением в паузе между информационными импульсными сигналами оставшейся после дифференцирования выбросов медленно меняющейся низкочастотной помехи Х_n⁽ⁱ⁾.

Параллельно образуемые на выходах формирователей сигналов ФС1-ФСL сигналы Z(e= ) с тактовой частотой F_т= поступают на свои компараторы 17, на выходах которых образуется L выходных бинарных состояний V(e=) в виде нулей и единиц. Эти бинарные состояния поступают на входы общего сумматора 5, на выходе которого согласно выражению (4) в каждый дискретный момент времени n, формируется оценка исходной формы импульсного сигнала f_n⁽ⁱ⁾. Полученная оценка с помощью безинерционного АЦП 6 блока 6 преобразуется в двоичный код, разряды которого через ключи с элементами И блока 7 считываются на выход устройства в темпе поступления тактовых отсчетов от распределителя системы. При этом считывание двоичного кода с выхода логического блока 7 производится только во время присутствия во входном наблюдаемом сигнале Z_n⁽ⁱ⁾ (фиг.2,а) исходного импульсного сигнала f_n⁽ⁱ⁾ и разряды кода отсутствуют в паузе между информационными импульсными сигналами, когда во входном сигнале Z_n⁽ⁱ⁾ отсутствует импульсный сигнал f_n⁽ⁱ⁾ 0. Тем самым, достигается сокращение избыточности тактовых отсчетов в процессе обработки дискретного сигнала.

Многоканальный обнаружитель импульсного сигнала обеспечивает удаление в каждом из L параллельно включенных каналов медленно меняющейся низкочастотной помехи, обнаружение и восстановление длительности исходного импульсного сигнала на совокупности заданных возрастающих уровней порогов с формированием из полученных длительностей на этой совокупности порогов оценки исходной формы импульсного сигнала, сокращение избыточности периодических отсчетов в паузе между информационными импульсными сигналами.