автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Устройства и алгоритмы оценки интервала корреляции при экспресс-анализе в радиоконтроле

РГБ ОД

На правах рукописи

/ а

ЕВДОКИМОВ Олег Юрьевич

УСТРОЙСТВА И АЛГОРИТМЫ ОЦЕНКИ ИНТЕРВАЛА КОРРЕЛЯЦИИ ПРИ ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗЕ В РАДИОКОНТРОЛЕ

Специальность 05Л2.17 - Радиотехнические и телевизионные

системы и устройства

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Таганрог 1997

Работа выполнена на кафедре радиотехнических и телекоммуникационных систем Таганрогского государственного радиотехнического университета

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущая организация

- доктор технических наук, профессор, академик МАИ Дятлов А.П.

- доктор технических наук, профессор Гарнакерьян A.A.

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник, лауреат Государственной премии Буренко А.И.

- ВНИИ "Градиент" (г.Ростов-на-Дону)

Защита состоится 1997 г. в_ часов на

заседании специализированного совета К 063.13.02 Таганрогского государственного радиотехнического университета по ад;есу: г. Таганрог, пер. Некрасовский, 44, ауд. Д-406.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТРТУ.

Автореферат разослан "М?" ClJZMUd? 1997 г.

Ученый секретарь специализированного^сошгга кандидат технических наук, доцент В.В. Шсболк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Тема данной научной работы -устройства и алгоритмы оценки интервала корреляции (ИК) при эксцресс-Еяализе в радиоконтроле - относится к исследованию и разработке радиотехнических систем, повышению их помехозащищенности и достоверности обработки сигналов е услозиях априорной неопределенности относительно автокорреляционной функции (АКФ) сигнала, его несущей частоты, а также широкого диапазона возможных значений ИК. Под радиэконгролем понимается анализ радиообстановки пассивными радиотехническими средствами. Такая постановка задачи соответствует современным тенденциям и важным для практических селей задачам. В настоящее время данные проблемы еще не решены, хотя являются актуальными. Измерение ИК играет важную роль при проведении экспресс-анализа, когда процесс обработки разбивается на два этапа: на первом этапе производится оценка ИК сигнала (экспресс-анализ) для снижения начальной априорной неопределенности, а затем, на втором этапе, применяется алгоритм дальнейшей обработки, при которой информация об ИК сигнала позволяет осуществить выбор полос пропускания и времени интегрирования устройств обработки, частэту дискретизации процессов для применения цифровых алгоритмов и т. д., и, тем самым, уменьшить исходную априорную неопределенность. ИК находит применение при анализе погрешностей результатов эксперимента. Величина ИК используется также для формирования информативных признаков в задачах распознавания. ИК связан с рядом других частотно-временных параметров сигнала. Можно указать на использование ПК в корреляционно-экстремальных системах, работающих по принципу слежения за заданным уровнем корреляционной функции.

По данной теме существуют только отдельные публикации, касающиеся измерения интервала корреляции, в основном, низкочастотных гтохастических гауссовских процессов.

По перечисленным причинам данная работа является актуальной и представляет как теоретический, так и практический интерес.

Состояние вопроса. Имеющиеся в настоящее время и описанные в литературе методы измерения ИК предназначены, как правило, для обработки непрерывной реализации низкочастотного стохастического гауссовского процесса. В то же время большой практический интерес представляет случай одиночных (или редкоповторяющихся) радиосигналов ограниченной длительности и неизвестной несущей частоты, которые могут иметь еще ряд неизвестных параметров и, кроме того, обладать неизвестным законом модуляции и неизвестной АКФ. Решение подобных задач в достаточной степени не рассмотрено.

Известные корреляционные алгоритмы измерения ИК, как показано в данной работе, обладают большой погрешностью, которая может быть уменьшена только за счет существенного увеличения числа каналов. Вопросы выбора распределения задержек в каналах коррелятора с целью минимизации числа каналов также рассмотрены недостаточно.

Цель работы - разработка принципов построения и алгоритмов работы корреляционных измерителей ИК, направленных на минимизацию числа каналов измерителя при заданной величине погрешности оценки ИК.

Для достижения поставленной цели необходимо:

- построить математические модели ситуации;

- разработать алгоритмы оценки ИК и методы оптимизации параметров линий задержек в каналах коррелятора;

- провести определение систематических и флуктуационных погрешностей измерителей для оценки качества их работы;

- создать программное обеспечение для моделирования разработанных алгоритмов и на . его основе провести имитационное моделирование измерителен.

Метод исследования

Исследования проведены с использованием методов теории вероятностей, математической статистики, статистической радиотехники, вычислительной математики, а также имитационного моделирования систем.

Научная новизна работы

Разработаны принципы построения быстродействующих многоканальных измерителей ИК и исследованы алгоритмы измерения ИК, обеспечивающие минимальное число каналов измерителя при заданной погрешности оценки ИК, для проведения экспресс-анализа в радиоконтроле.

Разработана методика анализа методической и флуктуационной погрешностей измерения PIK.

Получены выражения для нижней границы дисперсии оценки ИК для некоторых широко используемых сигналов.

Проведено моделирование предложенных алгоритмов на основе разработанного пакета программ.

Практическая ценность

Разработанные алгоритмы измерения ИК повышают эффективность экспресс-анализа в радиоконтроле за счет быстрой автоматической частотной селекции на основе использования оценок ИК.

Предложена методика построения измерителя ИК сигналов с априорно неизвестной АКФ и широким диапазоном возможных значений ИК.

На основе полученных результатов может быть проведена оценка методических и флуктуационных погрешностей измерения ИК.

Внедрение результатов работы

Результаты работы использованы при выполнении х/д работы .N"o 11218 ВНИИ "Градиент" (г. Ростов-на-Дону), г/б работ „\<? 11251, 11252, 11256 ТРТУ (г. Таганрог), что подтверждено соответствующими документами.

Апробация работы

Диссертационная работа и отдельные ее разделы докладывались и обсуждались на X Симпозиуме по проблемам избыточности в информационных системах в Ленинграде в 1989г., на областной научно-технической конференции в Ростове-на-Дону, посвященной дню радио в 1992г., на XXXVIII научно-технической и научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников института, посвященной 40-летию основания института (г. Таганрог, 1992г.), на научно-техническом семинаре с международным участием "Теория и техника многофункциональных устройств обработки сигналов в условиях априорной неопределенности" (г. Таганрог, 1994г.), на научно-технических и научно-мегодических конференциях ТРТУ (г. Таганрог, 1991-1995г.г.).

Публикации. Материалы диссертации изложены в 12 работах, из них 9 печатных работ, в том числе один патент и одно положительное решение на изобретение, и 3 рукописных.

Объем работы. Диссертация содержит 125 страниц; состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, 53 рисунков, б таблиц.

Выносимые на защиту положения

1. Алгоритмы оценивания ИК.

2. Алгоритмы построения корреляционного измерителя ИК, минимизирующие число каналов.

3. Оптимизация параметров измерителя И К по заданному уровню погрешности оценки ИК.

4. Методика анализа погрешностей оценки ИК.

5. Специализированный пакет прикладных программ для моделирования измерителя ИК.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении обосновывается актуальность работы и дается ее общая характеристика, описывается область приложения PIK и проводится краткий обзор основных задач и содержания диссертации.

В первой главе обсуждается постановка задачи исследования, характерными чертами которой являются: большой диапазон априорной неопределенности по измеряемому параметру (ИК), большой диапазон априорной неопределенности по сопутствующему параметру (по несущей частоте), неизвестность АКФ входного сигнала.

Критерием качества является число каналов измерительного устройства NK, а ограничением - максимальная величина ¿>0 относительной погрешности ö{ Тк, NK) измерения ИК Гк в диапазоне его возможных значений от Гк мин до Гк макс. Данная задача формулируется следующим образом:

NK min при max[£(rK, NK)] < SQ

ДЛЯ Гк € [ Тк мин , Гк макс ]-

Диапазон возможных значений ИК составляет = ^"к макс/гк mvih = 100' а Требуемая максимальная

погрешность лежит в пределах <5д = 5 - 10 %.

Вводятся различные определения ИК, из которых наиболее часто используются интегральный И К

со

гки =\R{r)dr,

о

где Я{т) - здесь и далее - огибающая нормированной АКФ сигнала;

и максимальный ИК (или ИК по уровню), задаваемый соотношениями

R(tkm) = £, и R(t) < ¿г при Т> Ткм,

где £ - некоторое наперед заданное число 0 < Е < 1.

Устанавливается связь ИК с другими параметрами сигнала, такими как ширина спектра сигнала и параметры его угловой модуляции.

Производится классификация методов измерения ИК, а также рассматривается их конкретное содержание, из которого следует, что большинство существующих методов предназначены, в основном, для анализа низкочастотных стохастических гауссовских процессов.

На основе анализа делается вывод, что наиболее подходящими к решению данной задачи являются методы, основанные на использовании многоканальных автокорреляционных устройств, так как они в определенном смысле обеспечивают инвариантность к несущей частоте сигнала, требуемое быстродействие и удобны для построения измерителей интервала корреляции.

Во второй главе проводится анализ методических погрешностей оценки ИК многоканальными корреляционными методами. В первую очередь рассматриваются погрешности известных в литературе алгоритмов оценки интегрального ИК для некоторых распространенных типов АКФ. Основное внимание уделяется выявлению зависимости величины погрешности оценки ИК от числа каналов измерительного устройства. На рис. 1 приведен пример зависимости относительной погрешности измерения интегрального И К от фактического значения ИК для различного числа каналов при

АКФ сигнала вида б

Из приведенных в работе графиков следует, что при количестве каналов, исчисляемых десятками, погрешность измерения для отдельных значений И К из диапазона его возможных значений превышает 100%, а для достижения приемлемых погрешностей измерения интегрального ИК требуются сотни каналов коррелятора.

Рис. 1. Относительная погрешность измерения интегрального ПК в зависимости от фактического значения ИК и числа каналов измерителя

-cid

для экспоненциальной АКФ в ' ■ , расположение каналов - равномерное, интегрирование - методом прямоугольников

Описываются алгоритмы оценки максимального PIK, в основе которых лежит • применение интерполяционных и экстраполяционных методов; уровень £ принят равным 0,3, что превышает уровень боковых лепестков типовых АКФ и устраняет возможность многократного пересечения отсчетного уровня колебательной корреляционной функцией.

Показывается, что по сравнению с оценкой интегрального PIK при том же числе каналов может быть получена меньшая погрешность при оценке максимального PIK.

Однако, для обеспечения приемлемой с точки зрения практики погрешности измерения PIK во всем диапазоне его возможных значений при сохранении равномерного распределения задержек также требуется более ста каналов. •

Поставленная задача поиска минимума числа каналов измерителя при обеспечении заданной погрешности измерения ИК решалась методом Гаусса - Зейделя (покоординатного спуска).

В ходе расчетов были получены значения минимально необходимого числа каналов и соответствующих величин задержек, обеспечивающих заданную погрешность оценки PIK для каждого типа АКФ.

На рис. 2 приведен график погрешности оценки PIK для экспоненциальной АКФ при рассчитанном для нее минимальном числе каналов измерителя и соответствующих параметрах линий задержки (JI3).

1

8 0.1

0.01

0.001

1 / 10 100 (^кДсмакс)*100

Рис. 2. Относительная погрешность измерения максимального ИК в зависимости от фактического значения ИК для экспоненциальной АКФ. Заданная максимальная погрешность измерения - 10%. Минимальное требуемое число каналов - 8. Масштаб по оси ИК логарифмический

Для различных АКФ получается различное минимальное число каналов, необходимое для обеспечения заданной погрешности, и свои варианты распределения задержек.

Установлено, что параметры ЛЗ, рассчитанные для одного типа АКФ (например, требующего наибольшего числа каналов), могут не обеспечивать такой же заданной погрешности для другого типа АКФ. Поэтому тем же методом Гаусса - Зейделя были получены значения минимального числа каналов и

■

\(улг / Y Лгл

1 V 1/ j ]

параметров ЛЗ, необходимых для измерения ИК с погрешностью, не превышающей заданную, в случае, если на вход измерителя поступает сигнал с любой из рассмотренных АКФ.

Результаты расчетов требуемого количества каналов при заданной максимальной относительной погрешности оценки ИК для различных типов АКФ приведены в виде диаграммы на рис. 3.

Максимальная погрешность

Рис. 3. Минимальное число каналов, необходимое для обеспечения заданной максимальной погрешности измерения ИК различных АКФ, сгруппированное по величинам погрешности

Для обеспечения максимальной погрешности измерения PIK 510% требуется от 8 до 13 каналов измерителя.

Из диаграммы видно, что если на вход измерителя будет поступать сигнал с одной из заданных АКФ, то минимальное число каналов получается такое же, как и для АКФ вида Sin(x)/jt. Однако, параметры ЛЗ будут уже другие, ввиду того, что, как было указано выше, величины задержек, рассчитанные

для АКФ одного типа, не удается использовать для других типов АКФ.

На рис. 4 приведен график обобщенной погрешности оценки ИК для рассмотренных типов АКФ при рассчитанном для них минимальном числе каналов измерителя.

1

5 0.1

0.01

0.001

(Vх-1-)х 100

Рис. 4. График обобщенной относительной погрешности измерения ИК в зависимости от фактического значения ИК для всех рассмотренных АКФ. Заданная максимальная погрешность измерения - 10%. Минимальное требуемое число каналов - 11. Масштаб по оси ИК логарифмический

Под обобщенной понимается наибольшая из погрешностей измерения для каждого значения PIK при поступлении на вход измерителя сигнала с каждым из рассмотренных типов АКФ.

График обобщенной погрешности может быть использован для приближенной оценки погрешности измерения ИК, если входной сигнал имеет АКФ, отличную от рассмотренных.

Во второй главе также проводится оценка чувствительности погрешности измерения И К к точности установки параметров ЛЗ.

vV\N\i Л \ IN (\ Л N

' ! 1 1 1 1 \

1 1 1

Полученные результаты показывают, что предложенная методика выбора параметров ЛЗ позволяет минимизировать число каналов корреляционного измерителя и увеличить точность измерения ИК по сравнению с известными устройствами.

В третьей главе с различных точек зрения рассматриваются статистические свойства оценок ИК, проводится анализ флуктуационных погрешностей оценки ИК случайных сигналов и процессов, представляющих собой аддитивную смесь детерминированного сигнала и шума. Приводятся выражения для дисперсии оценки ИК разработанным корреляционным измерителем. Анализируются погрешности измерения ИК методом максимального правдоподобия для сигналов с однопараметрической угловой модуляцией при достаточно общих предположениях о виде модулирующей функции и приводятся нижние границы дисперсии оценки ИК.

Установлено, что для рассматриваемого измерителя ИК при ОСШ большем 10 относительная среднеквадратическая погрешность находится в пределах 15%.

В четвертой главе приводятся результаты исследования с помощью имитационного моделирования на ЭВМ предложенных алгоритмов измерения ИК, свойств оценок и вопросов точности. Описывается разработанный пакет прикладных программ, предназначенный для моделирования сигналов и шумов и анализа их обработки радиотехническими автокорреляционными устройствами. Пакет обеспечивает анализ статистических характеристик процессов в различных точках устройства и визуальный просмотр их на экране дисплея, а также работу в режиме набора статистики и проведение статистического имитационного эксперимента. Предусмотрен набор сигналов с некоторыми распространенными видами модуляции и шумов с типовыми корреляционными функциями. Решающее устройство модели может проводить обнаружение сигнала, оценку амплитуды сигнала, его несущей частоты, интервала корреляции, отношения сигнал/шум на выходе устройства. В программе

реализован режим построения зависимости математического ожидания и дисперсии заданного выходного сигнала решающего устройства от одного из выбранных входных параметров модели (например, амплитуды полезного сигнала, его несущей частоты, девиации частоты или среднеквадратического отклонения шума), что позволяет проводить автоматизированные статистические эксперименты по исследованию различных алгоритмов обработки сигналов и получать результаты в виде графиков типа дискриминационных характеристик. Обеспечивается вывод данных, получаемых в процессе моделирования, в файл для возможности их обработки другими программами и фиксации результатов. Показано, что результаты экспериментов с достаточной точностью согласуются с теоретическими выводами второй и третьей глав.

В пятой главе рассматриваются реализованные на уровне изобретений измерители некоторых параметров сигналов, связанных с ИК, таких как девиация частоты сигналов с гармонической угловой модуляцией и скорость изменения частоты ЛЧМ - сигналов. Приводятся структурные схемы устройств и описывается принцип их работы, рассматриваются точностные характеристики. Данные устройства позволяют при минимальных дополнительных аппаратурных затратах расширить функциональные возможности автокорреляционного устройства.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Предложены оригинальные алгоритмы многоканального оценивания ИК, использующие принципы интерполяции, экстраполяции при формировании оценки, в условиях большой априорной неопределенности.

2. Показано, что предложенные алгоритмы обеспечивают высокое быстродействие, инвариантность к виду модуляции сигнала и возможность оценивания ИК при относительном коэффициенте перекрытия возможных значений ИК порядка 100.

3. Разработана методика анализа методической и флуктуационной погрешностей алгоритмов. Показано, что при 8-13 каналах разработанного измерителя обеспечивается методическая погрешность оценки ИК 5-10% и флуктуационная погрешность в пределах 15%.

4. Разработана методика выбора величин задержек в каналах измерителя ИК, минимизирующая число каналов, и показано, что предложенный корреляционный измеритель ИК для рассмотренного диапазона возможных значений ИК требует для своей реализации в 20-30 раз меньше каналов, чем измерители, построенные на основе многоканального спектроанализатора, и в 5-10 раз меньше каналов, чем известные измерители, построенные на основе многоканального коррелятора.

5. Разработан пакет программ моделирования для решения ряда задач статистического исследования автокорреляционных устройств, таких как обнаружение сигнала, оценка его параметров и вероятностных характеристик, проведение статистического имитационного эксперимента. На основе пакета проведено исследование предложенных алгоритмов.

6. Предложены методы расширения функциональных возможностей автокорреляционных устройств за счет измерения девиации частоты сигнала с гармонической угловой модуляцией и измерения скорости изменения частоты сигнала с линейной частотной модуляцией, обеспечивающие снижение динамической погрешности оценки параметров не менее, чем в 5 раз.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Дятлов А.П., Евдокимов О.Ю. Измеритель интервала корреляции сигналов с неравномерной интерполяцией кор-релограммы // X Симпозиум по проблеме избыточности в информационных системах. - Л., 1989. - 4.5. - с. 154-157.

2. Евдокимов О.Ю., Коваленко Е.И. Алгоритм оценки интервала корреляции импульсных сигналов // Вопросы

обработки сигналов в системах пассивной радиолокации. -Таганрог, 1987. - Вып.4 (IX) - с.70-73.

3. Дятлов А.П., Евдокимов О.Ю. Корниенко В.Т. Повышение точности оценки центральной частоты ЛЧМ сигнала в условиях параметрической априорной неопределенности / / Областная научно-техническая конференция, посвященная дню Радио. -Ростов-на-Дону, 1992. - с.43.

4. Евдокимов О.Ю. К разрешению неоднозначности измерения частоты с помощью автокорреляционных устройств // XXXVIII Научно-техническая и научно-методическая конференция профессорско-преподавательского состава, аспирантов и сотрудников института, посвященная 40-летию основания института. - Таганрог, 1992. - с.70.

5. Положительное решение от 21.07.92 по заявке на изобретение № 5066609/10/035060 /Измеритель девиации частоты сигналов с гармонической частотной модуляцией/ А.П. Дятлов, О.Ю. Евдокимов, Ю.Ф. Евдокимов.

6. Дятлов А.П., Евдокимов О.Ю. Измеритель девиации частоты сигналов с гармонической частотной модуляцией // Материалы XXXIX Научно-технической конференции. -Таганрог. - 1993. - с.9-10.

7. Патент № 2044327, МКИ О 01 Б 7/292. Устройство для измерения параметров линейно-частотно-модулированного сигнала. / А.П. Дятлов, В.Т. Корниенко, О.Ю. Евдокимов, Г.В. Байдер, опубл. 20.09.95, Бюл. № 26.

8. Исследование и разработка принципов построения и проектирования многофункциональных структурно - однородных средств первичной обработки радиосигналов. Заключительный отчет по г/б 11251 / ТРТУ. Научный руководитель Дятлов А.П., исполнители Евдокимов О.Ю. и др., Таганрог. -1990.

9. Исследование и разработка принципов построения и проектирования адаптивных измерителей спектральных и временных параметров радиолокационных сигналов. Заключительный отчет по г/б 11252 / ТРТУ. Научный руководитель Дятлов А.П., исполнители Евдокимов О.Ю. и др., Таганрог. - 1995.

10. Дятлов А.П., Евдокимов О.Ю., Кочерга A.B. Моделирование автокорреляционных обнаружителей и измерителей параметров сигналов в интересах радиоконтроля. // Материалы ХХХХ Научно-технической конференции. Таганрог. - 1995 - с.7-9.

И. Исследование и разработка способов повышения эффективности радиоконтроля межспутниковых каналов связи. Промежуточный отчет по г/б 11256 / ТРТУ. Научный руководитель Дятлов А.П., исполнители Евдокимов О.Ю. и др., Таганрог. - 1996.

12. Дятлов А.П., Евдокимов О.Ю., Евдокимов Ю.Ф. О принципах реализации корреляционного измерителя девиации частоты. / / Теория и техника многофункциональных устройств обработки сигналов в условиях априорной неопределенности. -Таганрог. - 1996 - с.32-37.