Методы цифрового анализа параметров

Методы цифрового анализа параметров радиолокационных сигналов в
реальном масштабе времени
М.Е. Галашин, Т.В. Лисовская, П.О. Полянский (ЦНИРТИ им.академика
А.И.Берга)
Рассматриваются цифровые алгоритмы обработки сигналов реального
времени, реализованные в многоканальной цифровой системе анализа
параметров радиолокационных сигналов.
В
настоящее
время
решение
таких
задач,
как
разведка
радиолокационных сигналов в целях РЭП и формирование имитационных
помех различного вида, учитывающих структуру зондирующего сигнала,
требует применения мощных высокоскоростных вычислительных систем.
Это связано с тем, что современные радиолокационные комплексы
используют сигналы в широком диапазоне частот, и зондирующие сигналы
сложной
структуры:
различные
виды
внутриимпульсной
модуляции,
перестройка по частоте от импульса к импульсу, вобуляция периода
повторения и длительности импульсов и т.д. В зависимости от решаемых
локатором задач, (например, обзор пространства или сопровождение цели)
радиолокационные комплексы могут использовать одновременно несколько
различных типов зондирующих сигналов.
Комплексы РЭП должны обеспечивать постановку помех одновременно
нескольким наиболее опасным целям, что приводит к требованиям
многоканальности устройства анализа, а также обеспечивать непрерывное в
реальном
масштабе
времени
измерение
параметров
всех
сигналов
находящихся в зоне видимости приемной антенны средства РЭП и разделять
источники по степени опасности. Такие радиолокационные комплексы РЭП
должны обладать, помимо требующейся от них высокой вычислительной
мощности,
низким
энергопотреблением,
малыми
массогабаритными
параметрами, быть простыми в освоении, управлении и обслуживании.
1
Все вышесказанное позволяет сделать вывод о целесообразности
применения передовых цифровых технологий при создании подобных
систем. При этом возникает необходимость в использовании таких
современных компонентов как: высокоскоростные АЦП/ЦАП, сигнальные
процессоры, ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы),
заказные СБИС, цифровые радиочастотные памяти, широкополосные
высокодобротные СВЧ-компоненты.
При решении задач радиоразведки в целях РЭП встает необходимость в
измерении (первичной обработке) параметров принятых сигналов. А
необходимость формировать активную помеху одновременно нескольким
облучающим средствам требует разделения совокупности входных сигналов
по источникам их излучения (вторичная обработка).
К задачам первичной обработки сигналов можно отнести: измерение
несущей частоты принятого сигнала, амплитуды сигнала, длительности и
периода
повторения
импульсов,
типа
внутриимпульсной
модуляции,
разности фаз и разности времен приходов импульсов (для систем, имеющих
две и более приемные антенны) и т.д.
К задачам вторичной обработки относятся вычисления, позволяющие
разделить (идентифицировать) принадлежность сигналов к источникам их
излучения и в дальнейшем выполнить ранжирование источников по степени
опасности.
Как
первичная,
так
и
вторичная
обработка
должны
быть
работоспособными в реальном масштабе времени.
Решение задач первичной и вторичной обработки сигналов в реальном
масштабе
алгоритмов
времени
приводит
определения
к
необходимости
параметров
сигналов
разработки
и
быстрых
оптимизации
этих
алгоритмов не только по времени, но и по их ресурсоемкости.
Были разработаны быстрые цифровые алгоритмы обработки сигналов,
удовлетворяющие
указанным
требованиям,
2
которые
реализованы
в
многоканальной цифровой системе анализа параметров радиолокационных
сигналов.
Рассмотрим более подробно структуру цифровой системы анализа
параметров сигналов и более подробно - некоторые алгоритмы обработки
сигналов, примененные в ней. Цифровая система анализа представляет собой
многоканальную
систему,
работающую
в
полосе
750-1250
МГц.
Функциональная схема системы приведена на рисунке 1:
Рис. 1. Функциональная схема системы анализа параметров
радиолокационных сигналов
На вход поступают сигналы от двух антенн - А1 и А2. Сигналы
предварительно переносятся по частоте в диапазон работы системы 750-1250
МГц. Перед тем как поступить на вход АЦП, сигналы переносятся
(аналоговым способом) в полосу работы АЦП СБИС 1879ВМ3, равную 600
МГц (±300 МГц). Перенос сигнала осуществляется квадратурно.
Схематически это можно изобразить следующим образом (аналоговый
перенос) (рисунок 2):
3
Рис. 2. Перенос рабочей полосы системы на нулевую ПЧ
В СБИС 1879ВМ3 используется 6-битное АЦП. После оцифровки,
отсчеты сигнала расширяются до 8 бит, упаковываются в 128-битные слова и
передается в ПЛИС по 64-битной шине.
В ПЛИС применена схема многоканальной цифровой фильтрации с
дополнительным переносом на промежуточную частоту. Схематически это
можно изобразить следующим образом (рисунок 3):
Рис. 3. Структура поддиапазонов
Рабочий диапазон разбивается на шесть поддиапазонов шириной по 75
МГц
каждый.
Все
поддиапазоны
параллельно
цифровым
способом
квадратурно переносятся на нулевую промежуточную частоту (рисунок 4):
4
Рис. 4. Структура поддиапазона шириной 75 МГц
После переноса сигнал в каждом поддиапазоне фильтруется с помощью
широкополосного
КИХ
ФНЧ
(полоса
пропускания
75
МГц).
Отфильтрованный сигнал поступает на вторую ступень преобразования, где
диапазон шириной 75 МГц разбивается на три узких поддиапазона по 25
МГц. Сигналы в этих поддиапазонах параллельно переносятся на нулевую
ПЧ и фильтруются узкополосными КИХ ФНЧ с полосой пропускания 25
МГц (рисунок 5):
Рис. 5. Перенос узкополосного поддиапазона на нулевую ПЧ
Эти преобразования позволяют:
- применить для каждого канала идентичные схемы цифровых фильтров
(как для широкополосных, так и для узкополосных фильтров) относительно
низкого порядка, избежав построения системы сложных полосовых фильтров
большого порядка для каждого поддиапазона с разными наборами
коэффициентов;
5
- применить идентичные схемы анализа параметров сигналов для
каждого канала, так как независимо от частоты входного сигнала он будет
перенесен в область нулевой ПЧ в полосу пропускания узкополосного ФНЧ;
На рисунке 6 приведена общая структурная схема обработки сигнала в
ПЛИС:
Рис. 6. Структурная схема обработки сигнала в ПЛИС
Согласно рис. 6, в системе используется два ПЛИС. Это сделано ввиду
большой емкости схем фильтрации и блоков анализа параметров сигналов.
Передача сигнальных отсчетов с ПЛИС на ПЛИС необходима для
определения разности фаз и разности моментов прихода импульсов по
сигналам, поступающим с двух антенн (сигналы S1 и S2 на схеме). На
выходе системы формируются дескрипторы сигналов (D1 и D2 на схеме), в
полях которых содержится информация о вычисленных параметрах сигналов
6
(частота, длительность импульса, период повторения импульсов, мощность,
разность фаз,
(непрерывный,
разность моментов
прихода импульсов,
квазинепрерывный,
импульсный),
тип сигнала
наличие
внутриимпульсной модуляции (ЛЧМ, ФКМ), а также прочие параметры
обработанного сигнала).
С ПЛИС дескрипторы сигналов передаются в цифровой сигнальный
процессор
TMS320C6416,
осуществляющий
вторичную
обработку
(разделение сигналов по источникам излучения, определение пачечной
структуры сигнала, типа сканирования, типа быстрой перестройки частоты,
типа перестройки периода повторения и прочие параметры), формирование
дескрипторов источников излучения и передачу результатов обработки в ПК
для принятия дальнейших мер.
Блок анализа параметров одного канала системы (имеется в виду
узкополосный канал) может обрабатывать и отслеживать до четырех не
перекрывающихся во времени сигналов.
Структурная схема блока анализа параметров приведена на рисунке 7:
7
Рис. 7. Структурная схема блока анализа параметров
Блок анализа представляет собой набор вычислителей, работу которых
контролирует блок управления. Дескрипторы сигнала формируются либо по
концу импульса (для импульсных сигналов), либо с определенным
интервалом (в случае обработки НИ и КНИ сигналов).
Цифровая система анализа параметров сигналов работает с тактовой
частотой 150 МГц (т.е. такт дискретизации равен τ = 6,(6) нс).
В данной статье подробно рассмотрен принцип работы и особенности
реализации вычислителя частоты.
8
Алгоритм определения частоты сигнала фазовым методом и его
аппаратная реализация
Применение описываемого ниже алгоритма определения частоты
сигнала предполагает, что:
- алгоритм определяет значение промежуточной частоты сигнала;
- в текущий момент времени на входе узкополосного КИХ ФНЧ может
быть только один сигнал;
- промежуточная частота сигнала, прошедшего через узкополосный
фильтр лежит в диапазоне ±18,75 МГц;
- для частот в этом диапазоне набег фазы за время, равное такту
дискретизации (τ = 6,66 нс), не превышает ±45 градусов, что означает для
комплексного числа выполнение условия: Q<I (мнимая часть числа всегда
меньше действительной) (рисунок 8):
Рис. 8. Область допустимых значений Ikn и Qkn
В общем случае дискретный комплексный сигнал можно представить в
виде:
S (tn ) = Ae j (wtn +f0 ) = A( I n + jQn )
(1)
В соответствии с формулой Эйлера:
S (t n ) = A cos(wt n + j 0 ) + Aj sin(wt n + j 0 )
Из формул (1) и (2) имеем:
9
(2)
I n = A cos(wtn + j 0 ),
Qn = Aj sin(wtn + j0 )
(3)
Информацию о частоте сигнала можно получить, вычислив разность фаз
между
соседними
Выполним
комплексными
комплексно
отсчетами
сопряженное
за
такт
перемножение
дискретизации.
двух
соседних
комплексных отсчетов сигнала (корреляцию двух соседних отсчетов):
S€k = S n × S *n-1 = A2 e j (wtn +j ) × e - j (wtn -1 +j ) = A 2 e jwt
(4)
где τ= tn-tn-1 – такт дискретизации.
Величина ωτ = Δφ представляет собой набег фазы за один такт
дискретизации.
Из формулы (4) разность фаз Δφ вычисляется через арктангенс
отношения мнимой части корреляционной функции к ее действительной
части:
æ Im( S€k ) ö
÷
Dj = arctan çç
÷
€
è Re( S k ) ø
(5).
Зная разность фаз Δφ, можно определить частоту f:
Dj = 2pft ,
f =
Dj
2pt
Перепишем выражение (4), пользуясь формулами (2) и (3):
S€k = S n × S *n -1 = A(cos(wt + j ) + j sin(wt + j )) ×
× A(cos(wt + j ) - j sin(wt + j )) =
= A ( I n + jQn )( I n -1 - jQn -1 )
2
(6)
Из (6) значения для действительной (Ikn) и мнимой (Qkn) частей
корреляционной функции равны:
10
Ikn = I n × I n-1 + Qn ×Q n-1,
Qkn = Qn × I n-1 - I n × Qn-1
Таким образом, выражение (5) примет вид:
æ Qk ö
Dj = arctan çç n ÷÷
è Ik n ø
В блоке анализа при вычислении разности фаз применялось усреднение
по двум корреляционным отсчетам для повышения устойчивости к шумам.
Тогда
выражение
для
Sk
(формула
6)
после
соответствующих
преобразований примет вид:
Sk n = 0 .5( S n × S * n -1 + S n -1 × S n*- 2 ) .
(7)
Исходя из (7), действительная и мнимая части корреляционной функции
рассчитываются по формулам:
Ik n = 0.5( I n I n -1 + Qn Qn -1 + I n-1 I n-2 + Qn -1Qn-2 ),
Qk n = 0.5(Qn I n -1 - I n Qn-1 + Qn-1 I n-2 - I n-1Qn- 2 ) .
(8)
Арктангенс отношения вычисляется табличным методом - значение
отношения Qkn/Ikn является адресом для заранее вычисленной таблицы
арктангенсов.
Данный алгоритм в составе описываемой системы был реализован на
ПЛИС Stratix II фирмы Altera. При реализации алгоритма был дополнительно
предпринят ряд мер по оптимизации и повышении надежности алгоритма:
а) Для обеспечения требуемой точности измерения частоты во всем
динамическом
диапазоне
была
применена
нормировка
квадратурных
составляющих сигнала:
I normn =
In
;
Amax
Qnormn =
Qn
Amax
(9)
11
В качестве нормировочного коэффициента используется максимальное
значение амплитуды (Аmax) за время импульса (либо непрерывного сигнала),
которое определяется по формуле (10):
Amax n = MAX { Amax n -1 ; (| I n | + | Qn |)}
(10)
б) Медленная и ресурсоемкая операция деления для вычисления
отношения Qkn/Ikn была заменена эквивалентом обратного умножения:
Qk n
1
º Qk n ×
Ik n
Ik n
Отношение 1/Ikn было заменено заранее вычисленной таблицей для всех
допустимых значений Ikn при соответствующей разрядности этого параметра.
в) При операции взятии из таблицы значений арктангенса была введена
проверка допустимости значений Ik и Qk для того, чтобы при недопустимых
значениях этих параметров не возникало некорректных обращений к
таблице.
г) Текущая (мгновенная) частота измерялась в течение длительности
импульса. К концу импульса, когда параметры сигнала передаются в схемы
вторичной обработки, необходимо иметь среднее значение частоты за время
импульса. Истинное усреднение – алгоритм ресурсоемкий. Вместо него была
использована следящая система с небольшим значением постоянной времени
(для того, чтобы получить максимально быстрый отклик). Однако во времени
(например, фазовые скачки на фронтах импульса, или при ФКМ сигнале)
мгновенные значения частоты могут меняться достаточно резко, приводя к
отслеживанию ложного среднего значения частоты. Для устранения этого
эффекта следящая система работала по сигналу разрешения, формируемому
при наличии стабильных измерений частоты (под стабильностью частоты
понимаются небольшие флюктуации замеров, укладывающиеся в заданные
пределы).
Признак
стабильности
частоты
формировался
на
основе
стабильности производной частоты в течение заданного количества тактов.
На рисунке 9 показана структурная схема следящей системы:
12
Рис. 9. Структурная схема следящей системы
В статье описан быстрый алгоритм измерения частоты, который был
реализован
в
системе
цифрового
анализа
параметров
сигналов.
Экспериментальные исследования показали, что этот алгоритм дает точность
измерения частоты не хуже 0,5 МГц во всем рабочем диапазоне частот, в
динамическом диапазоне 30 дБ при минимальной длительности импульса
100нс.
13
Методы цифрового анализа параметров радиолокационных
сигналов в реальном масштабе времени
ФГУП «ЦНИРТИ им. ак. А. И. Берга»
ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Для современного активного радиоэлектронного противодействия
необходимы такие электронные системы, которые могут распознавать и
разделять источники излучения и избирательно создавать помеховое
воздействие для каждого выделенного источника излучения в следующих
областях:
• временной,
• частотной,
• пространственной,
•
модуляционной.
Оптимальное решение при создании таких систем может быть достигнуто с
помощью использования современных технологий, обеспечивающих
высокоскоростную обработку сигнала:
• высокоскоростные аналого-цифровые преобразователи,
• специализированные системы на кристалле,
• цифровые радиочастотные устройства (в том числе DRFM),
• Конверторы и синтезаторы частоты
Для решения таких задач была разработана система анализа параметров
радиолокационных сигналов, работающая в реальном масштабе времени
Упрощенная структурная схема системы
Возможности системы
-
Широкая рабочая полоса частот: 750 - 1250 МГц
Динамический диапазон: 30 дБ
Работа по сигналам различного вида излучения (НИ, КНИ, ИИ)
Измерение в реальном масштабе времени таких характеристик сигналов как:
- Амплитуда сигнала
- Длительность импульса
- Период повторения
- Разность времен прихода импульсов
- Несущая частота сигнала
- Разность фаз
- Наличие внутриимпульсной модуляции и ее параметры (ФКМ, ЛЧМ)
- Разделение сигналов по источникам их излучения
- Тип излучения (НИ, КНИ, ИИ)
- Тип перестройки частоты
- Тип сканирования
- Тип перестройки периода
Схема многоканальной цифровой фильтрации с дополнительным
переносом на промежуточную частоту
Структурная схема обработки сигнала в ПЛИС
Структурная схема блока анализа параметров
Структурная схема вычислителя несущей частоты
1. Нормировка
3. Вычисление частоты
4. Усреднение
2. Корреляция
Производится с помощью
следящей системы с
небольшой постоянной
времени
Структурная схема вычислителя разности фаз
1. Нормировка отсчетов с двух антенн
3. Вычисление фазы [0-45]
4. Поиск квадранта
2. Корреляция
Отладочная программа с дескрипторами импульсов