книги / Обработка радиосигналов акустоэлектронными и акустоопритческими устройствами
..pdfном сигнале преобразуется в цифровой код и записывается в раз рядные сдвиговые регистры, откуда она может считываться и снова преобразовываться в аналоговую форму [2]. Генератор импульсов записи вырабатывает последовательность импульсов с постоян ным периодом повторения. Преобразование временной коорди наты осуществляется путем соответствующего изменения частоты импульсов считывания информации с разрядных сдвиговых ре гистров. Преобразование Фурье над сигналом с выхода ПВМ производится с помощью дисперсионного анализатора спектра (ДАС) с применением функциональных компонентов на ПАВ.
Преобразователь временного масштаба реализован на основе интегральных схем. Информация о входном сигнале записывается в его память в виде 120 шестиразрядпых двоичных чисел. Макси мальная частота записи выборок сигнала (120 кГц) определяется схемой АЦП (здесь — последовательного приближения) и быстро действием использованных микросхем. Построение АЦП на основе других методов и применение других типов ИС позволит увеличить этот параметр па один-два порядка. Максимальная частота счи тывания выборок сигнала (12 МГц) определяется в первую оче редь быстродействием ЦАП, для построения которого была исполь зована микросхема 265ПП1. Генератор импульсов считывания реализован на базе дисперсионной липни задержки на Г1АВ с пьсзокерампческой подложкой. Импульсы считывания форми руются из отклика дисперсионной линии задержки на короткий импульс. Закон изменения частоты следования импульсов опре деляется показательной функцией а1, где a æ 1.05. При этом обес печивается формирование 120 импульсов в пределах 25 мкс.
Дисперсионный анализатор спектра [3] осуществляет обра ботку сигналов длительностью до 25 мкс в полосе обзора 2 МГц, и эти характеристики сопряжены с параметрами сигналов, счи тываемых из ПВМ. Анализатор реализован с применением двух дисперсионных линий задержки на ПАВ, одна из которых вклю чена в канал обработки сигнала, а вторая является основным функ циональным узлом ЛЧМ генератора.
Для проверки работоспособности макета на его вход подава лись радиоимпульсы с постоянной частотой заполнения, имеющие 12 периодов колебания и отличающиеся масштабом в 1.5 раза (/с=1.5). Амплитудные фурье-спектры этих импульсов представ лены на рис. 2, а. Эти осциллограммы были получены с выхода того же макета при отключении генератора импульсов считыва ния и подаче на сдвиговые регистры импульсов не с переменным, а с постоянным периодом повторения. Спектры радиоимпульсов различаются как шириной, так и положением н а оси частот. Ле вая осциллограмма соответствует сигналу с меньшим временным масштабом.
На рис. 2, б приведены фотографии сигналов, полученные на выходе макета при подаче на его сдвиговые регистры импульсов считывания с переменным периодом повторения, т. е. в режиме выполнения преобразования Меллина. Сравнение этой пары ос
циллограмм подтверждает возможность выполнения макетом пре образования сигналов, инвариантного к их временпому мас штабу.
На рис. 2, в представлен расчетный результат выполнения преобразования Меллииа над сигналами, аналогичными приме ненным в эксперименте.
Процесс определения масштабного коэффициента к по резуль татам выполнения преобразования Меллипа в соответствии с фор-
б
6
Рис. 2. Инвариантность преобразования Мсллппа к временному масштабу к
|
входпых сигналов. |
Слева h=1, справа |
а — модуль преобразования Фурье (эксперимент), б — модуль |
преобразования Меллииа (эксперимент), о— модуль преобразования Меллина (расчет).
мулой (2) может быть упрощен подобно тому, как это показано в работе [1] при выполнении преобразования по формуле (1). Действительно, если перемножить М х (Д) и М\ (А), где * — знак комплексного сопряжения, и затем выполнить обратное преобра зование Фурье, то в соответствии с соотиошеииями (3) и (4) по лучаем
(ill fl)2 г |
|
J МФ ) Щ [ |
= |
со |
|
\ |
(5) |
—со
J Функция №12 (т) представляет собой взаимокорреляциойную функцию сигналов s± (у) п s2 (у), где y=log01. Если М 2 (и)= М 1 (о>), что вьшолияется при условии равенства масштабов сигналов sx (£) и s2 (£), то соответствующая функция \К12 (т) имеет вид
(lu а)2 |
г |
|
йГ“ |
J l^ iW I8^ |
(6) |
и представляет собой автокорреляционную |
функцию сигнала |
Si (У)•
Из соотношений (5) и (6) следует, что функции гГ12 (т) и ЧГи (т) имеют одинаковую форму, но разное временное положение, т. е.
|
|
log, ft). |
(7) |
Это позволяет |
по временной задержке r= lo g e/c определять раз |
||
личие масштабов сигналов |
(£) и s2 (t), так как 1с=ат. |
|
|
Алгоритм |
определения |
взаимнокорреляциониой |
функции |
ЧР12 (т) сигналов sx (у) и s2 (у), снимаемых с выходов преобразова телей временного масштаба, может быть реализован на основе при менения трех ДАС [4]. Такой коррелятор имеет два входных ДАС, выполняющих прямые преобразования Фурье над сигналами Si (у) и s2 {у). Взаимный спектр сигналов получается при выделе нии нижней боковой полосы частот смесителя, подключенного к входным ДАС. Третий ДАС осуществляет обратное преобразо вание Фурье пад взаимным спектром сигналов s± (у) и s2 il/)*
Таким образом, показана принципиальная возможность реали зации устройства, выполняющего преобразование Меллина над одномерными временными сигналами, на основе применения пре образователя временного масштаба и дисперсионного анализа тора спектра. ПВМ и ДАС экспериментального макета исполь зуют дисперсионные линии задержки на ПАВ. Подобные устрой ства обладают высоким быстродействием и могут применяться для идентификации сигналов, различающихся временным масшта бом.
|
|
ЛИТЕРАТУРА |
|
|
1. |
О п т и ч е с к а я |
обработка информации / Под |
род. Д. Кейсссента. — |
|
2. |
М. : Мир, 1980. — 349с. |
|
using surfaceacous- |
|
G a u t i e r И., |
T o u r n o i s P. Signal processing |
|||
|
tic—wave and digital components. — I EE Proc., |
pt F, |
1980, v. 127, N 2, |
p. 9 2 -9 8 .
3.Д и с п е р с и о н н ы й анализатор спектра радиосигналов / В. А. Жу ков, А. М. Кирюхин, Л. П. Коновалова и др. — Приборы и техника экс перимента, 1973, № 4, с. 257.
4.А. с. 514300 (СССР). Аналоговый анализатор спгпалов / В. А. Жуков, А. М. Кирюхин, О. Д. Москалец, Г. К. Ульянов. — Заявл. 30.12.1974, № 20899099/18—24; Опубл. в Б. И., 1976, № 18.
СИНХРОНИЗАЦИЯ СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ АКУСТОЭЛЕКТРОННЫМИ КОНВОЛЬВЕРАМИ
Применение акустоэлектроиных коивольверов (AK) [1 ] позво ляет осуществлять быструю (беспоисковую) синхронизацию слож ных (псевдослучайных) сигналов (ПСС) только в том случае, если интервал обработки принимаемого сигнала (ПС) не превышает задержку Тл акустической волны в области пелинейпого взаимо действия АК. При невыполнении данного условия, когда для получения требуемого интервала обработки ПС используется коге рентное накопление выходных сигналов АК во внешних или вну тренних накопителях (например, в рециркуляционных конту рах [2] или регистрах с зарядовой связью [3]), конвольверные си стемы теряют свою инвариантность к временному положению ПС и задача синхронизации Г1СС должна решаться путем поиска ПС по задержке.
В данной работе анализируются особенности синхронизации ПСС устройствами АК—рециркуляционный контур (РК) при ис пользовании наиболее простого и универсального пошагового ал горитма поиска ПС, заключающегося в последовательном про смотре всех возможных положений временного окна дискримина ционной характеристики (ДХ) устройства обработки в пределах зоны временной неопределенности ПС.
В общем случае, когда период Т0 сегментации опорного сигпала (ОС) конвольвера ие равен длительности задержки Т г (Тс=
= Г 3-|-8£, |
\Ы \^ |
Г 3), ДХ устройства АК—РК |
описывается |
сле |
||
дующим |
соотношением: |
|
|
|
||
|
С0Е0, |
| Д” | ^ | |, |
Tc - \ b t \ ) U r e + re> | A t | > | î * | |
|||
D(AZ) = J |
C0E0 l i - ( \ A z \ - \ b t \ ) l ( T z + |
|||||
. |
О, |
\ Ь \ > Т Я + Т „ |
|
|
|
|
где |
|
|
|
|
|
|
Е ш, Е с — энергия |
ПС соответственно на длительности Т %и |
Тс; |
||||
С0 — постоянный |
нормирующий |
коэффициент; |
Д т — временное |
|||
рассогласование между началом ОС и началом ПС. |
|
|||||
Скорость синхронизации ПСС |
устройствами |
с подобной |
Д Х |
может быть оценена с помощью выражения для среднего времени поиска, полученпого на основе метода марковских графов с поте рями [4] в предположении, что решение об обнаружении сигнала в одной из ячеек зоны поиска выносится по оптимальному задер жанному алгоритму [5 ]:
где Q = à T J k T m — количество шагов поиска, необходимых для однократного просмотра всей зоны Д Тп неопределенности ПС с ша гом ДГШ; Та= Т с (й + 1) — затраты времени на проведение одного шага поиска (с учетом необходимости очистки РК по окончании каждого шага поиска); D — количество парциальных зон поиска ф = 1, 2, Ç) после завершения анализа каждой из которых определяется момент достижения выходным сигналом устройства обработки своего наибольшего значения; R — количество циклов рециркуляции выходного сигнала АК в РК; Р 0 — вероятность правильного обнаружения в выходном сигнале РК корреляцион ного пика (КП), временное положение которого несет информа цию о задержке ПС; Тк — длительность процедуры контроля, во время которой проверяется, является ли выделенный максимум выходного сигнала сигнальным КП, полученным в результате корреляции ПС и ОС, или он обусловлен шумовым выбросом и, следовательпо, не песет информации о временном положении ПС. Кроме этого, в процессе проведения процедуры контроля раскры вается неоднозначность (двузначность) определения задержки ПС по времени появления сигнального КП.
Таким образом, если h\ — величина отношения сигнал/шум (ОСШ) на выходе устройства АК—РК, необходимая для обеспе чения требуемой достоверности процедуры контроля, то
TK= 2TJiUhl |
(2) |
где Щ — ОСШ на выходе АК при нулевом временном рассогласо вании:
qB3, ôt > О,
ч-{ g*,(1-|**I/**)*. st<°. |
(3) |
|
q — ОСШ на входе устройства обработки, В 3 — база сегмента ПС длительностью Т3.
Вводя нормированный шаг поиска l= L T m(Ta и подставляя вы ражения для Т п, Q, тс и Ткв (1), получаем
2D - P 0( D - 1)
2Р0 ' [ м)1й + 1) + 2 аК 1 + Г ,)]7”
где Z = k T J T ,.
При нахождении вероятности Р 0 учтем, что за время однократ ного просмотра зоны неопределенности Д77,, на выходе РК будут наблюдаться несколько сигнальных КП, время появления кото рых связано с задержкой ПС. (Количество N этих КП зависит от величины шага поиска и длительности Д£а временпого интервала, на протяжении которого в конце каждого шага поиска ищется
сигнальный КП. Например, N = 2 |
при 1 = 1, |
Мл= Т с/2 ; ЛГ=4 при |
|
1= 1, |
N = 2 при 1=2 и 3, |
Д£а= Г с). |
В этом случае |
N
(5)
1 = 1
где при пекогерептпом приеме ПСС па фопе белого гауссова шума [5 ]
09 |
|
|
р { = S в ехр [-(и * + *r)/2] /0(*<») 11 - ехр (-u«/2)J |
da |
(6) |
О |
|
|
— вероятность того, что величина г’-го КП окажется больше всех шумовых выбросов на выходе РК при анализе парциальной зоны неопределенности ДЙ = ДT JD , содержащей ПСС; 1 0 (•) — моди фицированная функция Бесселя первого рода; h$= h$R tf — ОСШ в i-м сигнальном КП; y{= D (Д т(.)/^0Е 0 — коэффициент ослабле ния выходного ОСШ в î-м КП, обусловленный ненулевым времен ным рассогласованием Д т. между ПС и ОС, формирующими дан ный КП; М — количество некоррелированных шумовых выбро сов на выходе РК за время анализа одпой парциальной зоны ДЙ:
Л/ = 2B.xZjDL |
(7) |
Из анализа полученных соотношений следует, что временные затраты на коивольвериый поиск ПСС большой длительности опре деляются как параметрами, значения которых заданы внешними факторами (характеристиками ПС и устройства обработки: q, 2?3, ДГд, Дт,), так н параметрами, значениями которых мы можем варьировать (Гс, ДТт, Z), R). Оптимальные значения пара метров последней группы, минимизирующие среднее время поиска (4), могут быть пайдепы в результате решения системы уравнений
вида
dTjdàTtп= 0, дТJdTc —0, âTjdD = 0, âT jdR = * 0. |
(8) |
В данпой работе при определении ДГП10Г1Т, Гсопт, £>опт и Д01д использовался принцип миппмакса, т. е. предполагалось, что син хронизация ПСС осуществляется в наиболее неблагоприятных условиях (при наихудших значениях временного рассогласова ния Дт,), а в качестве целевой функции оптимизационной задачи
выступает среднее максимального времени поиска ПСС Та тах. Минимаксная оптимизация рассматриваемой процедуры по иска позволяет сразу же, без решения системы (8), сделать вывод о том, что максимальная скорость синхронизации ПСС
(min Т„ П1ах) достигается при Т0= Т 2; в этом случае минимизируется длительность Гк, а остальные параметры, определяющие величину
ЗРПШах, |
не зависят |
от Ы. |
|
|
|
Анализ результатов численного решения системы (8) относи |
|||||
тельно |
параметров ДГШ, D и R показывает следующее. |
||||
1. |
Величина à T m011Г зависит главным образом от входного ОСШ |
||||
и базы сегмента В 3. Причем практически во всем характерном для |
|||||
практики диапазоне изменения q и |
В 3 (jf?3= |
1 0 2-f-103; |
gr=10''2-f- |
||
10"3) |
оптимальное |
значение шага |
поиска |
лежит в |
интервале |
(1.45—1.5) 7 а.
2. Величина В олт также в основном определяется параметрами g и В а, а оптимальное значение D зависит только от размера нор мированной зоны неопределенности Z = h T J T 3.
Степень чувствительности оптимизированного алгоритма по шагового конвольверного поиска к отклонению параметров В. и D от своих оптимальных значений поясняется рис. 1 (графическая иллюстрация чувствительности алгоритма поиска к отклонению параметра АТ1,!, не приводится из-за очень слабой зависимости ско-
Рис. 1. Зависимость среднего времени конвольверпого-понска ПСС от отно шения спгпал/шум и размера зоны неопределенности.
Рпс. 2. Зависимость среднего времени конвольверного и корреляционного поиска ПСС от отношения сигпал/шум.
рости синхронизации ПСС от изменения величины шага поиска во всем диапазоне его оптимальпых значений). Сплошной линией на рис. 1 показаны зависимости нормированного среднего времени
поиска ТпшаJ T a от величины зоны ’неопределенности Z в предпо ложении, что синхронизация ПСС осуществляется устройством, оптимизированным для поиска сигналов в зоне Z = 103 (1 — 5 а= 103, (Z=10“3, АГШ= 1.45 Та; 3 - В = 103, ff= 1 0 "2, ДГШ= 1 .5 Га). Для сравнения на этом же графике и для аналогичных значении пара метров i?a, q и АТшприведены зависимости (кривые 2 и 4) среднего времени поиска ПСС устройством, параметры которого оптимизи руются для каждого текущего значения Z.
Графики, построенные на рис. 1 штрихпупктирной линией, по
казывают зависимость î\xm0XjT a от величины входного ОСШ при поиске ПСС устройством, оптимизированным для синхронизации
сигналов в условиях, когда д= 10"2 (кривая 5) и д = 10“3 (кривая б). Пунктирной линией (кривая 7) показана зависимость среднего вре мени поиска ПСС устройством, которое оптимизировано для каж дого текущего зпачения q (все графики, построенные пунктирной и щтрих-пунктнриой линией, рассчитаны для Z = 103 и /?3= 1 0 3). Из хода приведенных графических зависимостей хорошо видио, что наиболее сильное влияние на скорость поиска ПСС устрой ством АК—РК оказывает рассогласование параметров устройства обработки с параметрами ПС по количеству циклов накопления R (данное рассогласование возникает из-за незнания величины входного ОСШ).
Выигрыш в скорости синхронизации ПСС, получаемый при ис пользовании рассмотренной процедуры конвольверпого поиска вместо пошагового поиска с помощью обычных корреляционных
обнаружителей, |
иллюстрируется рис. |
2 (зависимости 1 —3, |
5 от |
||||
носятся |
к корреляционному |
поиску |
ПСС: |
1 — Z = 104, |
В я —102; |
||
2 — Z = 103, Д = 1 0 3; 3 - Z = 103, |
102; |
5 = Z = 102, |
5 3 = 102, |
||||
а зависимости 4 , 6—S — к |
конвольверпому поиску ПСС: |
4 — |
|||||
Z = 104, |
Я3= 1 0 2; |
6 — Z = 103, |
Д = 102; |
7 - |
Z = 103, Д3= 103; |
S - |
|
Z = 102, |
i?3= 1 0 2). |
Все кривые построены для оптимизированных |
процедур поиска.
Анализ приведенных зависимостей показывает, что применение устройств АК—РК ускоряет пошаговый поиск ПСС приблизи
тельно |
в (0.65—0.85) В, |
раз. |
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
ЛИТЕРАТУРА |
|
|
|
|
||
1. |
К а р и п с к и и |
С. С. |
Устройства обработки сигналов па ультразвуко |
||||||||||
|
вых поверхностных |
волнах. — М. |
Сойотское |
радио, |
1975. — 176 |
с. |
|||||||
2. |
М о р г а н |
Д., |
X а н н а |
Д ж., |
К о л л н н з |
Д ж. Синхронизатор |
|||||||
|
широкополосной системы связи на основе конвольвсра н рециркуляцион |
||||||||||||
3. |
ной линии задержки. — ТИИЭР, 1976, т. 64, |
№ 5, с. 222—225. |
|
||||||||||
R a l s t o n |
R. YV., |
S ш у t h e D. L., |
S t e r n |
Е. |
A SAW accumula |
||||||||
|
ting |
correlator with CCD readout. — IE E E Ultrasonics |
Sympos. Proceed., |
||||||||||
|
1979, |
p. 771—775. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
4. |
H o l m e s |
J. K. , |
C h e n |
С. C. |
Acquisition time |
performance |
of PN |
||||||
|
spread — spectrum |
systems. — IEEE Trans, |
on |
Communications, |
1977, |
||||||||
|
v. COM-25, N 8, p. 778—783. |
|
|
|
|
|
|
||||||
5. |
С т и ф ф л e p Дж. Дж. |
Теория синхронной связи |
Пер. с англ.; Под |
||||||||||
|
ред. Э. М. |
Габидулина. — М. : Связь, |
1975. — 488 с. |
|
В. И. БАЛАКШИН, В. II. ПАРЫГИИ
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ СВЕТОВОГО ПОЛЯ АКУСТООПТИЧЕСКИМ МЕТОДОМ
Задача исследования структуры световых полей нередко воз никает в лазерной физике, голографии, оптоэлектронике. До на стоящего времени наиболее эффективно она решалась с исполь зованием телевизионных преобразователей свет—сигнал типа суперортиконов, видиконов и т. п. Однако эти преобразователи способны регистрировать изменение лишь амплитуды (интенсив-
которого ia ^ и%(х). Выделение информации о фазе поля у (х) осуществляется приемниками 11а и 116, включенными по диффе ренциальной схеме, преобразователем 13 и интегратором 14. Пос ледние два устройства необходимы, потому что снимаемый с при емников сигнал ~ и- [x)d^jdx.
Таким образом, акустооптический преобразователь свет—сиг нал (АРУС) позволяет получать одновременно видеосигналы раз вертки амплитуды и фазы строки светового поля. Развертку по кадру можно осуществлять различными способами — от механи ческих до акустооптическпх. Такие устройства описаны в [4] и здесь не рассматриваются.
Период сканирования строки определяется временем распро
странения цуга через АО |
ячейку: |
|
|
* = Alv% |
(1) |
где А — апертура ячейки; |
v — скорость звука |
в пей. |
Важнейшей характеристикой АРУС является число разреши |
||
мых элементов в строке |
|
|
|
N = AJdm[u, |
(2) |
где dmin — минимальный размер элемента разложенпя. Строгий расчет drain сводится к решению задачи о дифракции несущего изоб ражение светового пучка на коротком акустическом цуге. В приб лижении малой эффективности дифракции решепие может быть легко найдено методами фурье-оптики. В работе [3] получено следующее выражение для углового распределения интенсивности дифрагированного света на выходе АО ячейки:
ID (г) = |
|\ dOU (0) sine 71 (0,2^ L |
X |
х \ |
dkA (К ) 6 [ко (плТ - п(0) - К J |
(3 ) |
где X — длина волны света; L — ширина акустического пучка в на правлении распространения света; 0 и (р— углы падения и дифрак ции; U (0) — фурье-спектр падающего света; А (К) — спектр акусти ческого поля; К — волновое число ультразвука. Параметр т] харак теризует рассинхронизм при АО взаимодействии. С учетом малости углов 0 и ср
1 «5 ко (nD — rii) + к0 (7^02 — |
(4) |
где к0 = 27т/Х0 — волновое число света в вакууме; п. и пв — пока затели преломления для падающего и дифрагированного света. Параметр q определяется мощностью акустической волны Р а:
q = (гс/Хо) ^Ш^РаЬ\Ьл |
(5) |
где М2— коэффициент АО качества [5]; b — поперечный размер акустического пучка. Выражение (3) справедливо как при анизо-