Ris_DSP / TZOS_red4_ch1_for_Tablet

71

простые сигналы имеют плохое разрешение по дальности ( d=c Tc/2) и хорошее разрешение по частоте ( f=1/Tc);

ЛЧМ сигналы имеют хорошее разрешение по дальности ( d=c/(2 fc)), но положение максимума АКФ зависит от сдвига частоты эхо-сигнала;

ФМ сигналы имеют хорошее разрешение по дальности ( d=c д/2) и

частоте ( f=1/Tc).

Устройством оптимальной обработки сложных сигналов, принимаемых на фоне «белых помех», является фильтр, импульсная характеристика которого согласована с сигналом (является зеркальной копией сигнала: h(t)=S(-t)). Такой фильтр называют согласованным фильтром (СФ). СФ - это фильтр с конечной импульсной характеристикой (трансверсальный фильтр). Он состоит из многоотводной линии задержки, перемножителей и сумматора (рис.2.68), и вычисляет свёртку:

M 1

y(n) S(n m) h(m),

m 0

где S(n-m) – задержанные (предыдущие) выборки из входного сигнала; h(m) – импульсная характеристика СФ; M – количество отводов линии задержки; m 0 / tд – количество отсчетов частоты дискретизации fd=1/ td , укладывающихся на задержку 0.

Рис.2.68. Структурная схема согласованного фильтра

Например, для ФМ сигнала длительностью Тс=7мс и fc=4кГц, кодированного по закону 7-позиционного Баркера (111-1-11-1), структурная схема СФ представлена на рис.2.69. Задержка0= д=Тс/M=1мс, интервал дискретизации - td=50мкс, тогда m=20. Отклик СФ на ФМ сигнал (рис.2.70а) представлен на рис.2.70б.

72

Рис.2.69. Структурная схема согласованного фильтра для ФМ сигнала

Как видно из рисунков обработка сложных сигналов в СФ приводит к их сжатию во времени. Коэффициент сжатия определяется базой (сложностью) сигнала .

Для исключения влияния случайной начальной фазы сигнала на отклик СФ, обработка должна вестись в квадратурных каналах.

Рис.2.70. ФМ сигнал (а) и выход СФ (б)

На рис.2.71 приведена структурная схема модели СФ для 13позиционного ФМ сигнала (выполнена в Simulink). Линия задержки с 13 отводами через д организована сдвиговым регистром (Shift Register) и

селектором (Selector).

Параметры сигнала:

тип сигнала – ФМ, код Баркера длительность Тс=13 мс

количество дискрет М=13 (1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1) длительность дискреты: 1 мс

несущая частота сигнала Fс=10 кГц

73

Рис.2.71. Согласованный фильтр с квадратурными каналами

Параметры модели:

шаг дискретизации – 12.5мкс разрядность АЦП: В=10

Временные диаграммы сигналов на входе (а) и выходе СФ (в), а также на выходах накапливающих сумматоров квадратурных каналов СФ (б, г), представлены на рис.2.72.

Рис.2.72. Сигналы на входе, выходе СФ и выходах накапливающих сумматоров квадратурных каналов СФ

При действии на входе СФ суммы нескольких ФМ сигналов, на выходе они различимы, если задержка между ними - не менее длительности дискреты. Пример отклика СФ при воздействии на входе суммы трёх ФМ сигналов, разнесенных на время 1.5мс и 10мс, с помехами приведен на рис.2.73.

74

Рис.2.73. ФМ сигналы с помехами на входе СФ и отклик СФ

Для сжатия ЛЧМ сигналов в СФ могут быть использованы дисперсионные линии задержки, в которых задержка между отводами убывает (или возрастает) пропорционально закону изменения частоты внутри импульса. Пример СФ для ЛЧМ сигнала приведен на рис.2.74.

Рис.2.75. ЛЧМ

Рис.2.74. Модель СФ для ЛЧМ сигнала

сигнал на входе и сигнал на выходе СФ

Параметры сигнала:

Тип входного сигнала: ЛЧМ

Центральная частота сигнала: 2кГц

Длительность сигнала: 20мс

Коэффициент девиации частоты: 628 103 рад/с2

75

Параметры модели:

Шаг дискретизации: 50мкс

Разрядность АЦП: В=10

Полоса помех после цифрового фильтра: 2кГц

Временные диаграммы сигналов на входе и выходе СФ приведены на рис.2.75.

Примеры осциллограмм суммы трёх ЛЧМ сигналов, разнесенных на 1 мс и 10 мс, с помехами, и выхода СФ приведены на рис.2.76.

Рис.2.76. ЛЧМ сигналы с помехами на входе СФ и отклик СФ

2.5 ОСОБЕННОСТИ ЦИФРОВОЙ РЕАЛИЗАЦИИ УСТРОЙСТВ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ (ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ФИЛЬТРАЦИЯ)

При пространственной обработке сигналов решают следующие задачи:

снижение влияния окружающего шума, на фоне которого принимается сигнал;

обеспечение углового разрешения сигналов, приходящих с различных направлений;

измерение направления прихода сигнала.

Пространственная фильтрация производится над пространственновременными сигналами, которые могут быть определены как функции звукового давления P(t,r) от времени t и направления на источник r .

Если рассматривается плоская волна на фиксированной частоте fc , то в момент времени t пространственно-временной сигнал можно выразить в

виде:

P(t,r) exp j(2 fct kr) ,

76

где t- время; fc - частота сигнала; k 2 fc c 2 c - волновое число.

Подобно тому, как временные фильтры решают задачу выделения в определенном частотном диапазоне полезного сигнала на фоне помех, пространственные фильтры решают задачу определения направления прихода сигнала в определенном секторе углов.

Для решения этой задачи известные алгоритмы ЦОС во временной области переносятся на пространственную область путём замены временной частоты на пространственную, а выборок по времени – на выборки по пространству. Это основано на аналогии временной и пространственной обработки (Таблица 1).

77

Пространственные фильтры иногда называют – устройства формирования характеристик направленности (УФХН). Существует три основных способа формирования ХН: временной, фазовый, частотный.

Временной способ формирования ХН

Если на элементы эквидистантной линейной антенной решётки (АР) приходит сигнал с направления , то произведя задержку сигнала с выхода каждого элемента АР с последующим суммированием, можно при определенном значении задержки получить максимум напряжения на выходе (рис.1).

Рис.1 Временной способ сканирования ХН

Учитывая, что расстояние между соседними элементами равно d , искомая задержка будет равна:

d sin( ). c

Меняя величину задержки можно изменять угол сканирования , обеспечивая поиск сигнала в другом направлении. Точность задержки определяет точность положения ХН в пространстве.

Минимальный угол сканирования ХН опеделяется минимальной задержкой min , поэтому для цифровых временных УФХН шаг дискретизации выбирается td min .

Для сканирования ХН вправо необходимо в схеме (рис.1) изменить направление суммирования сигналов с задержками.

Алгоритм работы устройства:

Линии задержки могут быть построены на регистрах сдвига, ОЗУ или приборах с зарядной связью (ПЗС).

Поскольку шаг антенной решетки определяется длиной волны (обычно d c 2), при создании реальных УФХН необходимо помнить, что поворот ХН антенны на угол i при заданной задержке i справедлив для известной фиксированной частоты сигнала fc (или с расчетной

погрешностью для узкой полосы частот).

Для широкополосных систем пространственной обработки весь частотный диапазон с помощью полосовых фильтров или ДПФ (БПФ) разбивается на M частотных поддиапазонов (рис.2), для средней частоты каждого из которых рассчитывается своё значение m :

где m - средняя длина волны частотного поддиапазона.

Рис.2. Структурная схема широкополосной УФХН.

79

Фазовый способ формирования ХН

Применяется в аналоговых УФХН, где линия задержки заменяется фазовращателем.

Порскольку задержка гармонического сигнала с выхода элементов АР на заданное время эквивалентна сдвигу фазы сигнала на угол 2 f .

Заменив в УФХН (рис.1) линии задержки на фазовращатели, эффект компенсации ХН в заданном направлении сохранится. Пример схемы фазовращателя, построенной на операционном усилителе, приведен на рис.3.

Сдвиг фазы выходного сигнала y(t) равен 2arctg(2 fcRC).

Рис.3. Схема фазовращателя.

Теоретически фазовращатель обеспечивает сдвиг фазы на фиксированной частоте fc . Поэтому УФХН, построенные на

фазовращателях удовлетворительно работают только в узкой полосе частот входного сигнала.

Частотный способ формирования ХН

Согласно пространственно-временной аналогии, чтобы получить составляющие пространственного спектра, необходимо выполнить преобразование Фурье от пространственных выборок:

F(k) x(i) e N ,

i 1

где i – номер элемента АР; x(i) – выборки из сигналов с элементов АР в один момент времени; k – номер пространственной частоты (направления); N – число элементов АР.

Структурная схема УФХН в частотной области для известной частоты сигнала приведена на рис.4.

80

Рис.4. Частотный способ формирования ХН.

Все рассуждения относительно погрешностей ДПФ во временной области (просачивание и паразитная модуляция спектра) и борьбы с ними использованием оконных функций, дополнением нулями и т.д. справедливы и для случая пространственного ДПФ.

Литература:

1.Самойлов Л.К. Электронное управление характеристиками направленности антенн.-Л.: Судостроение, 1987 г.

2.Гусев В.Г. Системы пространственно-временной обработки гидроакустической информации.-Л.: Судостроение, 1988 г.

3.Даджион Д., Мерсеро Р. Цифровая обработка многомерных сигналов: Пер. с англ.- М.: Мир, 1988 г.

3.ПОСТРОЕНИЕ УЗЛОВ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

3.1.ОБОБЩЕННАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА УСТРОЙСТВ ЦИФРОВОЙ

ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

Вобщем случае схема устройства цифровой обработки сигналов включают аналоговую, аналого-цифровую, цифровую и цифро-аналоговую части.

Ваналоговой части выполняется предварительная фильтрация сигнала на фоне помех, снижение несущей частоты сигнала (если в этом есть необходимость) и повышение уровня принимаемого сигнала до значений, достаточных для устойчивой работы последующих устройств. Для подавления нежелательных сигналов вне основной полосы пропускания и предотвращения наложения спектров вследствие дискретизации необходим ФНЧ или ПФ.