Моделирование _2026 / Моделирование_гр-2026 / АПОИ-Ч 1-v5-Stud

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ АЭРОКОСМИЧЕСКОГО ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ по КУРСУ

АЛГОРИТМЫ И РЕАЛИЗАЦИЯ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ

СИГНАЛОВ

ЧАСТЬ 1

Алгоритмы и аппаратная реализация цифровой первичной обработки сигналов обзорных РЛС

ЧАСТЬ 2

Аналого-цифровые преобразователи Цифровые сигнальные процессоры

СанктПетербург

2004

- 2 -

УДК 681.325: 621.3.049.77

Ю. А. Корнеев

Рецензенты: кафедра радиотехнических систем Санкт-Петербургского государственного института телекоммуникаций им. проф. М.А. БончБруевича; кандидат технических наук А.П. Руденко

В конспекте лекций рассмотрены основные алгоритмы цифровой обработки сигналов применительно к задачам и алгоритмам обработки сигналов обзорных РЛС УВД, а также элементная база, на которой эти алгоритмы могут реализовываться в настоящее время.

В первой части курса лекций приведены алгоритмы и аппаратная реализация цифровой первичной обработки РЛ-сигналов: рассмотрены варианты построения цифровой фоновой АРУ, алгоритмы аналого-цифрового преобразования РЛ-сигналов, цифровые фильтры межпериодного накопления и варианты реализации таких фильтров, алгоритмы и структуры адаптивного обнаружения РЛ сигналов.

Во второй части курса лекций приводятся сравнительные характеристики аналогоцифровых преобразователей и цифровых сигнальных процессоров зарубежных фирм.

Пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальности “Радиотехника” и содержит материал, изучаемый студентами по дисциплине “Цифровые методы и устройства в РТС”, а также может быть использовано слушателями “Курсов повышения квалификации специалистов баз ЭРТОС гражданской авиации”.

Подготовлено к публикации кафедрой “Радиотехнические системы” по рекомендации методической комиссии факультета "Радиотехники, электроники и связи".

С Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения,

2004 г

Заказ N

Редакционно-издательский отдел Отдел оперативной полиграфии СПбГУАП

190000, С.-Петербург, ул. Б. Морская. 67.

- 3 -

ОГЛАВЛЕНИЕ

ЧАСТЬ 1

АЛГОРИТМЫ И АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

(на примере первичной обработки сигналов обзорных РЛС)

Введение …………………………………………………………………………… 6

1. ОБЩАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ОБРАБОТКИ РЛ-ИНФОРМАЦИИ

ОБЗОРНОЙ РЛС ..................………............................................................... 9

2.ЦИФРОВАЯ АРУ (ЦИФРОВАЯ ФОНОВАЯ АРУ)…......................................... 12

3.АНАЛОГО-ЦИФРОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ............….................................... 16

3.1.БИНАРНЫЙ АЦП …………………………………………………………… 16

3.2.МНОГОРЯЗРЯДНЫЕ АЦП …………………………………………………… 17

3.МЕЖПЕРИОДНАЯ ОБРАБОТКА (ЦИФРОВЫЕ ФИЛЬТРЫ

МЕЖПЕРИОДНОГО НАКОПЛЕНИЯ)..............................………........................... 18

4.1.Варианты реализации алгоритмов межпериодного

накопления.......................................................................………............. 19

(1). Межпериодное накопление на скользящем

азимутальном окне ..........................................................………...... 19

(2). Реализация межпериодного накопления с помощью рекурсивных

фильтров…................................................…….………………………. 23

(3). Реализация межпериодного накопления с помощью

коммутируемых фильтров........................................…..….………… 24 4.2. Реализация основных функциональных элементов фильтров.....….. 26

(1). Использование ОЗУ для реализации RG сдвига...............…………26

(2). Использование ПЗУ для реализации операции

"умножения на коэффициент"................................................………. 28

(3). Реализация умножителей..........................................................…… 28

(4). Методы повышения быстродействия цифровых устройств………29

1). Конвейерный метод обработки сигналов.........................………..29

2). Метод распараллеливания вычислительных устройств ....…..30

5.ЦИФРОВАЯ СДЦ (ГРЕБЕНЧАТЫЕ ФИЛЬТРЫ ПОДАВЛЕНИЯ)......................…..32

5.1.Принцип работы схемы СДЦ...............................................................… 32

5.2.Схема СДЦ с однократной ЧПК........................................................… 34

5.3.Схема СДЦ с двукратной ЧПК...........................................................… 35

6.РЕШАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО (ОБНАРУЖИТЕЛЬ)...............................................… 36

6.1.Алгоритм адаптивного обнаружения..................................................… 37

6.2.Структура решающего устройства.....................................................…. 39

6.3.Реализация блоков решающего устройства..................................…… 40

- 5 -

СПИСОК РИСУНКОВ

Рис.1. Общая структура обработки РЛ-информации: Рис.2. Структурная схема обработки РЛ-информации.

Рис.3. Функциональная схема простейшей цифровой фоновой АРУ. Рис.4. Регулировочная характеристика приемника (win)

Рис.5. Структура квантизатора (амплитудно-временного квантователя - АВК). Рис.6. Эпюры по работе квантизатора / (win).

Рис.7. Многоканальная по дальности (каналам регулирования) фоновая АРУ. Рис.8. Схема бинарного АЦП.

Рис.8а.Схема включения бинарного АЦП в тракт обработки РЛ-сигналов. Рис.9. Классификация алгоритмов межпериодного накопления.

Рис.9а. Формы весовых окон гребенчатых фильтров / (win) Рис.10. Цифровой накопитель на "скользящем азимутальном окне" Рис.10а. Cинхросигналы накопителя "скользящее окно"

Рис.11. Реализация КИХ-фильтра с прямоугольным весовым окном Рис.12. Схема рециркулятора Рис.13. Структура группового накопителя

Рис.14. Cинхросигналы "накопителя со сбросом" Рис.15. Эпюры по работе ОЗУ.(win)

Рис.16. Схема включения ОЗУ для реализации регистра сдвига Рис.17. Схема включения ОЗУ совместно с шинным формирователем.

Рис.18. Включение ПЗУ при реализации операции "умножения на коэффициент". Рис. 19. Эпюры сигналов на входе цифровой СДЦ (win).

Рис. 20. Включение ГФП в тракт обработки. Рис. 21. Частотная характеристика "ГФП".(win)

Рис. 22. Структурная схема ЧПК-1 (однократная ЧПК) Рис. 23. Структурная схема ЧПК-2 (двухкратная ЧПК) Рис. 24. Эквивалентная структура ЧПК-2.

Рис. 25. АЧХ схем ЧПК-1 и ЧПК-2. (win.)

Рис. 26. Укрупненная структура решающего устройства Рис. 27. Распределение отсчетов на входе МП обработки

Рис. 28. Эпюры сигналов, поясняющие работу порогового (решающего) устройства. Рис.29. Структура решающего устройства Рис.29а. Обозначения блоков решающего устройства

Рис.30. Структура блока оценки СКО У(i,j).

Рис.31. Приближенная (упрощенная) реализация оценки СКО. Рис.32. Формирование второй конечной разности.

Рис.33. Классификация фильтров-оценщиков.

Рис.34. Апертура (окно) думерного фильтра размером nRхnB.

- 6 -

ЧАСТЬ 1

АЛГОРИТМЫ И АППАРАТНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

(на примере первичной обработки сигналов обзорных РЛС)

РЕАЛИЗАЦИЯ СОВРЕМЕННЫХ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ИНФОРМАЦИИ

ВВЕДЕНИЕ

Методы и устройства цифровой обработки радиолокационной информации с момента своего возникновения и до настоящего времени прошли большой эволюционный путь.

Первые разработки обзорных радиолокационных систем, в которых использовались цифровые методы обработки информации, относятся к середине 60-х годов.

Элементная база того времени позволяла реализовать предельно упрощенные алгоритмы некогерентной обработки: при межпериодном накоплении использовалось бинарное квантование сигналов, в алгоритмах обнаружения и измерения координат применялась критериальная логика.

Вразработках 70-х годов начали использоваться многоразрядные аналого-цифровые преобразователи и многоуровневое амплитудное квантование сигналов, более сложные, по сравнению с бинарными, адаптивные алгоритмы обнаружения. В ряде систем применялась цифровая когерентная обработка сигналов. Однако в данный период как разрядность аналого-цифровых преобразователей, так и быстродействие и уровень интеграции элементной базы оставляли желать лучшего. Поэтому разработчики радиолокационной аппаратуры при реализации алгоритмов могли использовать только упрощенные подоптимальные алгоритмы, эффективность таких алгоритмов заметно уступала потенциально возможной. Все узлы систем первичной обработки РЛ информации строились как схемы с “жесткой” логикой.

Ввосьмидесятые годы заметно расширились возможности элементной базы. Появились быстродействующие многорязрядные аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, в десятки раз возросла степень интеграции цифровых микросхем памяти, снизилась потребляемая мощность, появились микропроцессорные комплекты, позволяющие реализовывать гибкое управление режимами работы радиолокационной аппаратуры. Основные узлы систем обработки все еще строились как схемы с “жесткой” логикой при аппаратной реализации большинства алгоритмов.

- 8 -

используемые в АЦ-преобразовании, структуры и алгоритмы работы АЦП, приведены сравнительные характеристики быстродействующих АЦП зарубежных фирм.

При рассмотрении цифровых сигнальных процессоров приводятся характеристики и основные особенности построения процессоров первого, второго и третьего поколений. Рассматриваются DSP основных фирм - производителей: DSP-процессоры фирм Texas Instruments, Motorola, АТ&Т Microelectronics, Analog Devices.

- 9 -

1. ОБЩАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ РЛ-ИНФОРМАЦИИ ОБЗОРНОЙ РЛС

Структурная схема обработки РЛ-информации обзорной РЛС приведена на рис.1. Дадим пояснения по назначению и функциям блоков структурной схемы, показанной на рис.1

Процессор Сигнальной Обработки (ПСО) - в нем реализуется внутрипериодная обработка сигналов, включающая различные виды фильтрационной (линейной) обработки. В ряде случаев в ПСО реализуется и нелинейная обработка сигналов (например, при применении сложных сигналов в ряде РЛ-систем используют ограничение сигналов с последующим сжатием).

Процессор сигнальной обработки реализуется, как правило, на аналоговых элементах. Согласованная фильтрация выполняется в усилителе промежуточной частоты (УПЧ), а при применении сложных сигналов (база таких сигналов много больше 1-цы) фильтры сжатия реализуются в виде фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ), дисперсионных ультразвуковых линиях задержки (ДУЛЗ).

Процессор межпериодной обработки реализует межпериодную обработку принимаемых сигналов на интервале одного радиолокационного обзора.

К алгоритмам межпериодной обработки относятся:

а) алгоритмы межпериодного накопления сигналов (в терминах теории фильтров - это гребенчатые фильтры нижних частот (гребенчатые фильтры накопления);

б) алгоритмы межпериодной режекции низкочастотных сигналов так называемые режекторные гребенчатые фильтры (гребенчатые фильтры подавления - применяются в системах СДЦ);

в) алгоритмы узкополосной многоканальной по частоте фильтрации - алгоритмы ДПФ, БПФ, и их модификации (применяются в радиолокационных системах с когерентными пакетами сигналов);

г) формирование порогов принятия решения (об обнаружении) и пороговое сравнение решающей статистики;

д) измерение координат отметок - т.е. формирование оценок;

^ ^

[αцi, Rцi ]

- 10 -

е) реализация алгоритмов классификации отметок (по внутриобзорным параметрам отметок).

Этапы сигнальной обработки (ПСО) и межпериодной обработки часто называют объединяющим термином - этап первичной обработки РЛ-информации.

На этапе первичной обработки в обработке "участвует" информация, получаемая на одном обзоре. Дальнейшая обработка РЛ-информации реализуется процессором

вторичной обработки РЛ-информации.

На этапе вторичной обработки осуществляются (реализуются) следующие алгоритмы:

а) захват отметок на автосопровождение; б) идентификация траекторий отметок;

в) фильтрация (сглаживание) траекторий отметок (на этом этапе реализуется траекторное уточнение координат отметок); г) классификация отметок по траекторным признакам;

д) решение навигационных задач по информации, полученной на этапе вторичной обработки.

Проведем оценку требуемой производительности процессора первичной обработки РЛ-информации для 2-х и 3-х координатных обзорных РЛС

Число элементов разрешения РЛС (W) по координатам на всем обзоре составляет:

- для трехкоординатных РЛС c когерентной обработкой сигналов:

где N R – число элементов разрешения по дальности, N A - число элементов разрешения по азимуту,

N E - число элементов разрешения по углу места, NV - число элементов разрешения по скорости.

где N R - число элементов разрешения по дальности,

Число арифметических операций на элемент разрешения для двухкоординатной некогерентной обработки составляет 30÷100 опер/эл.р.

Тогда число операций для двухкоординатной РЛС, которые должны быть выполнены за РЛ-обзор вычислительным устройством, реализующим алгоритмы обработки РЛ-информации, составляет:

Nоп / обз =Wэл N эл. разр = (5 ÷15) 105 (30 ÷100) =15 106 ÷107 =15 ÷150млн.оп/ обз.

При периоде обзора РЛС (по азимуту) равном Тобз = 3...10 секунд производительность вычислителя системы первичной обработки(без системы

отображения РЛ-информации) должна составлять 10...50 млн.оп/сек.