Устройство для цифрового анализа частоты сигналов

 

Сущность изобретения: устройство содержит 1 блок формирования замеров (1), 1 блок оценки частоты (2), 1 блок вычисления дисперсии (3) и пороговый блок (4). 1-2-3-4. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

СОВХОЗ. СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (sl)s G 01 S 13/58

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

6 МТ.446 1 с;t lA

ЬЛ:Ч! 1 0- Л.л! У (21) 4901928/09 (22) 11.01.91 (46) 15,04.93. Бюл, № 14 (72) В,В.Челпанов, А.А,Панчук и А.Н.ЛищинСКИЙ (56) Кукин В.Д. Электрорадиоизмерения. М.:

Радио и связь, 1985, с.181.

Авторское свидетельство СССР

¹ 687427, кл. G 01 S 13/58, 1975.

„,!Ж„„18094ОЗ Al (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОГО АНАЛИЗА ЧАСТОТЫ СИГНАЛОВ (57) Сущность изобретения: устройство содержит 1 блок формирования замеров (1), 1 блок оценки частоты (2), 1 блок вычисления дисперсии (3) и пороговый блок (4), 1 — 2 — 3 — 4.

1 з.п,ф-flbl, 3 Nil.

1809403

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в РЛС в системах траекторной обработки для определения скорости и ускорения объ. ектов по измерениям частоты Доплера.

Целью изобретения является повышение точности оценки параметров функции частоты сигнала путем обработки замеров по методу наименьших квадратов и определение достоверности полученных оценок для более эффективной последующей вторичной (траекторной) обработки, Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство (блок 1), содержащее формирователь нуль-пересечений 1 — 1, делитель 1 — 2, ключ 1-3, регистр накопления массивов 1 — 4; буферный регистр 1 — 5, датчик сигналов времени 1 — 6, вместо формирователя разностей, измерителя произвОдной, блока коррекции массивов и измерителя частоты введены блок оценки частоты 2, блок вычисления дисперсии 3 и пороговый блок

4. Блок 2 подключен к выходу блока 1 и содержит 1-й — 6-й умножители на константу

2 — 1, 2 — 6, 2 — 7, 2 — 8, 2 — 9, 2 — 12, формирователь номера замера 1 2-2, перемножитель 2 — 3, 1-й — 3-й накапливающие сумматоры 2 — 4, 2 — 5, 2 — 13, 1-й и 2-й блоки вычитания 2 — 10, 2-11, сумматор 2 — 14. Блок вычисления дисперсии 3 подключен к выходу блока 2 — 1 и

l содержит последовательно соединенные блок вычитания 3 — 1, блок возведения в квадрат 3-2, накапливающий сумматор 3 — 3 и умножитель 3 — 4. Пороговый блок 4 подключен к выходу блока 3.

На выход устройства для последующей траекторной обработки поступают оценки л параметров частоты fo u f (с выхода блока 2); значения дисперсии замеров S, характериг зующие точность полученных оценок (с выхода блока 3),и сигнал превышения порога (с выхода блока 4), при наличии которого оценки считаются грубыми и не должны использоваться при построении траектории.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема предложенного устройства; на фиг, 2- нормированные функции распределения мгновенной частоты (для различных значений отношения сигнал/помеха

g); на фиг.3 привеДены сравнительные завйсимости дисперсии оценки, получаемой методом наименьших квадратов в предлагаемом устройстве и методом, используемым в прототипе.

Устройство работает следующим образом.

В блоке 1 формирования замеров в течение каждого интервала наблюдения по входному сигналу формирователь 1-1 вырабатывает короткие импульсы в моменты

55 где Т, — интервал накопления 1-го замера и! (дискретность времени отсчета):

Tí 1

То

И вЂ” 1 т, Ко = — KOHCTBHT3.

Блок 2 — 1 может быть выполнен в виде умножителя Al на константу Ко. времени, соответствующие положительным (или отрицательным) переходам напряжения входного сигнала через нулевой уровень (моменты реализации нуль-пересе5 чений), Делитель 1-2 прореживает в m раз поступающий на его вход поток импульсов.

Импульсы с выхода делителя 1-2 являются сигналами записи чисел, соответствующих моментам времени их реализации, с выхода

"0 датчика 1-6 в регистр 1 — 4, Запись осуществляется через ключ 1 — 3, открывающийся в моменты реализации нуль-пересечений, В течение каждого очередного интервала наблюдения Тн в регистре 1 — 4 фиксируется выборка объемом N нуль-пересечений;

П1, П2 " Ai ° Пй

По окончании интервала наблюдения Т осуществляется перезапись содержимого регистра 1 — 4 в буферный регистр 1 — 5, после

20 чего цикл аналого-цифрового преобразования повторяется (например, в очередных тактах работы РЛС).

B блоке 2 производится оценка сглаз женных значений частоты входного сигнала л

f; и параметров функции ее изменения: fo— начального значения, и f — производной, по выборке замеров нуль-пересечений и;, где.

fi = fo+ fthm.

Чтобы обеспечить минимальные ошиб30 ки в оценке параметров, используется метод наименьших квадратов.

Применимость данного метода обусловлена тем, что в большинстве случаев наблюдения п являются независимыми, а

35 погрешности единичных замеров распределены по нормальному закону с нулевым средним и дисперсией го, г

Даже если распределение ошибок неиз вестно, решение, полученное методом наи40 меньших квадратов, дает несмещенную оценку с минимальной дисперсией.

Замеры ni последовательно(п1. Ag, ... AN) из буферного регистра 1-5 поступают на умножитель 2 — 1, Сьем информации может

45 осуществляться с помощью синхроимпульсов.

В блоке 2-1 производится пересчет замеров нуль-пересечений в значения мгновенной частоты сигнала

= — — — - — о К,.

"о

1809403 (2) N N N и rtf,— (g r ) (g g )

f—

Х, Х, (3) К1

N — 1

10 N — 2

К2 =

ЗN — Т

К4

Значения fi последовательно поступают на схему обработки, реализующую метод наименьших квадратов (блоки 2 — 2...2 — 11) и на блок 3 вычисления дисперсии, где fi — замеры частоты сигнала в моменты времени ti

Принимая t1 = О; tl+1 ti = Tp, ti = (l - 1)To, после соответствующих преобразований получим для значений оценок следующие выражения:

N и

fp = K1, ifi К2, fi; л N N

f = Кз $ fl K4, ifi, где К1, К2, Кз, К4 — константы, определяемые по формулам:

To N — 1 N — 2 3N — 1

Так как объем выборки известен, расчет и запись констант производится заранее, до проведения измерений, Алгоритм вычисления оценок реализуется в схеме следующим образом. В блоке

2 — 3 формируются произведения ifl путем перемножения последовательно поступающих значений частоты fi на номер замера i.

Значения I = 1, 2, ... N формируются в блоке

2 — 2, который может быть выполнен в виде счетчика синхроимпульсов. испол ьзуемых для считывания замеров из буферного регистра 1-5, В соответствии с методом наименьших квадратов. оценки определяются по формулам

С помощью накапливающих сумматоN ров 2 — 4 и 2-5 формируются суммы >, Ifi

I 1 и fi Блоки 2 — 6, 2 — 7, 2 — 8 и 2 — 9 обеспеi =1 чивают умножение полученных сумм на соответствующие константы К1, К2, Кз. К4.

Выполнение данных блоков аналогично блоку 2-1, Окончательно оценки параметр г-. ров fp u f будут формироваться в соответствии с соотношениями (3) на выходе блоков вычитания 2-10 и 2 — 11. Далее они поступают на выход устройства, а также на схему формирования оценок сглаженных значений частоты fi, состоящую из блоков 2 — 12, 2-13, 2-14.

Значения fi вычисляются по формуле л rt л

fi = fî + tif = о + (i - 1)То = fo + (i - 1)Kof, 1 N — 1 где Ко=

То Тн

40 В блоке умножителя 2 — 12 формируется значение Kof, а в блоке накапливающего сумматора 2-, i3 — значения (i — 1)Кот путем последовательного накоплениу величин Kpf, г то есть О, Kof, 2Kpf, ... (N - 1)Ко1 . Блок 2-12

45 может быть выполнен на основе умножителя, а блок 2 — 13 — на основе накаплива1ощего сумматора.

Окончательно оценки текущих значел ний частоты fl формируются на выходе сумматора 2-14 путем сложения составляющих л

fo, поступающих с блока 2-10 и значений (i - 1)К,.7: л л

fi = fo + (i 1)Ко1.

55 л

Значения оценок fi выдаются на блок 3 вычисления дисперсии, на который с блока

2 — 1 поступают также результаты текущих замеров частоты fi. Значения дисперсии S

1809403 характеризуют точность и достоверность полученных замеров частоты сигнала.

Вычисление дисперсии осуществляется в соответствии с выражением

5 — (-fi) =к5, (fl f1), (4)

1 лг

N — 2 i=1 1=1

1 где К5 — константа, К5 = 2 .

B соответствии с выражением (4) в блоке вычитания 3-1 формируется разность A fi = fi - fi, в блоке 3-2 величины Л1 возводятся в квадрат, а в накапливающем

N лг сумматоре 3 — 3 формируется сумма 5, (fi- fi), 1=1

Полученная сумма в блоке 3-4 умножается

1 на константу Ks = „„2 и в результате получаем значение дисперсии S, которое г выдается на выход устройства и используется вдальнейшем входе вторичнойтраекторной обработки, Блоки 3 — 2 и 3 — 4 могут быть выполнены на основе умножителя и квадратора.

Кроме того, значения дисперсии S noг ступают на пороговый блок 4 для обнаружения грубых погрешностей оценки частоты.

Грубые погрешности могут иметь место при пропадании полезного сигнала или воздействии сильных помех на интервале наблюдения. При этом возрастает значение дисперсии S и, если она превысит некоторый порог у, то есть S д, полученные оценки параметров частоты необходимо исключить из дальнейшей обработки, Величина порога g âûáèðàåòcÿ следующим образом.

Учитывая требования к качеству с последующей траекторной обработки (по обнаружению и сопровождению траектории цели), задаются допустимая погрешность измерения мгновенной частоты Л1дол = f - f и вероятность Р невыхода результата текущего измерения за пределы этого допуска.

Используя априорные данные о функции распределения мгновенной частоты (см. фиг. 2), определяется допустимое значение дисперсии ошибки измерения Рдоп, при котором с заданной вероятностью Р ошибка измерения частоты еще не выйдет за пределы допуска и которое принимается за пороговую величину, то есть D « = g.

Величина порога рассчитывается до проведения измерений частоты и записывается в пороговый блок в виде константы, Таким образом, на блок 4 поступает значение дисперсии замеров частоты S и сравг

55 нивается с порогом S у. Если порог превышен, оценки параметров частоты сигл нала fo u f считаются недостоверными и не должны учитываться в ходе последующей траекторной обработки, Пороговый блок может быть выполнен в виде компаратора кодовых величин.

Закон распределения мгновенной частоты (производной фазы) смеси сигнала от цели и помехи выражается следующей зависимостью; дйР г 2)3 г г х Е1 - -,1, е

2(1+ ) где в — 2 л f — круговая частота;

q = — отношение сигнал/помеха; о, 0 — амплитуда полезного сигнала; оо — СКО помехи;

1Fi(.) — гипергеометрическая функция; д в — ширина спектра частоты помехи; для гауссовского фильтра приемника

Лщ д C0=

2л

Лв — эквивалентная полоса пропускания гауссовского фильтра.

Нормированные функции распределения мгновенной частоты (проиэводной от фазы) для различных значений q приведены на фиг. 2. На их основе выбирается порог обнаружения грубых погрешностей измерения pl.

Управление работой устройства осуществляется с помощью синхроимпульсов, вырабатываемых соответствующим генератором (на структурной схеме не показан), которые обеспечивают необходимую последовательность обработки и передачи информации в устройстве, Количественно выигрыш, который обеспечивает метод наименьших квадратов по сравнению с тем, который используется в прототипе, можно оценить следующим образом.

В качестве показателя точности можно взять значение дисперсии оценки величины

fi для середины интервала наблюдения, то

N+1 есть для i—

Метод наименьших квадратов обеспе2 чивает значение дисперсии S -- —, где

1809403 гг, — дисперсия единичного замера. Оценка

2 дисперсии в прототипе S> выражается сле2 дующим образом;

Sp — ofo +

Тй где ог — дисперсия оценки величины 1о;

of — дисперсия оценки производной частоты f;

Т =(N-1)To, Используя соотношение (1), можно получить:

2 oo, oo oo (N 1)2Т2 Л + 2

Тогда So = — +ц,.

2 оо и .На фиг, 3 приведены сравнительные зависимости дисперсии оценки, получаемой методом наименьших квадратов (S 1и методом, используемым в прототипе (So ).

- Выигрыш возрастает с увеличением количества замеров (дисперсия уменьшается в N+ 1 раз).

Формула изобретения

1,. Устройство для цифрового анализа частоты сигналов, содержащее блок формирования замеров, содержащий датчик сигналов времени и последовательно соединенные формирователь нуль-пересечений, делитель, ключ, регистр накопления массивов и буферный регистр, при этом выход датчика сигналов времени соединен с вторым входом ключа, а входом и выходом блока формирования замеров соответственно являются вход формирователя нульпересечений и выход буферного регистра, о т л и ч а ю щ. е е с я тем, что, с целью повышения точности оценки параметров частоты сигнала, введены последовательно соединенные блок оценки частоты, блок вычисления дисперсии и пороговый блок, при этом выход блока формирования замеров соединен с входом блока оценки частоты, второй выход которого соединен с вторым входом блока вычисления дисперсии, который содержит последовательно соединенные блок вычитания, квадратор, накапливающий сумматор и перемножи5 тель на константу, выход которого является выходом блока вычисления дисперсии, первым и вторым входами которого соответственно являются первый и второй входыблока вычитания.

10 2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что блок оценки частоты содержит перемножитель, с первого по шестой перемножители на константы, первый и второй блоки вычитания, формирователь номера

15 замера, с первого по третий накапливающие сумматоры, первый и второй блоки вычитания и сумматор, при этом выход первого перемножителя на константу соединен с первым входом перемножителя и

20 входом второго накапливающего сумматора, выход формирователя номера замера соединен с вторым входом перемножителя, выход которого соединен с входом первого накапливающего сумматора, выход кото25 рого соединен с входами второго и пятого перемножителей на константы, выход второго накапливающего сумматора соединен с входами третьего и четвертого перемножителей на константы, выходы

30 второго и третьего перемножителей на константы соединены соответственно с первым и вторым входами первого блока вычитания, выход которого соединен с первым входом сумматора, выходы четвертого и пятого пе35 ремножителей на константы соединены соответственно с первым и вторым входами второго блока вычитания, выход которого через. последовательно соединенные шестой перемножитель на константу и второй

40 накапливающий сумматор соединен с вторым входом сумматора, при этом входом и первым, вторым, третьим и четвертым выходами блока оценки частоты сигнала соответственно являются вход первого пе45 ремножителя на константу, выход сумматора, выход первого перемножителя на константу и выходы первого и второго блоков вычитания, 1809403

w(u!) 100

Составитель В, Челпанов

Техред М,Моргентал

Производственно-издательский комбинат "Патент"; г. Ужгород, ул.Гагарина. 101

Редактор В, Трубченко . КоРРектоР И, Щмакова

Заказ 1284 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Рэушская наб., 4/5