Адаптивный измеритель параметров сигнала

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

<в970251 (61) Дополнительное к авт. свид-ву—

Р М К з

G 01 R 23/00 (22) Заявлено 09.04. 81(21) 3270928/18-21 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет- Опубликовано 301082- Бюллетень ¹40

Дата опубликования описания 3010й2

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

153) УДК 621. 317. .7 (088. 8) A.À.Àäàìåíêî, И.В.Барышев, Л.A.Êðàñíeâ и И.Г. Ноздрин

ЙСЕСОЮЗНА"», (72) Авторы изобретени я (7„. ) Заявитель

Харьковский ордена Ленина авиационный инсти им. Н.Е. Жуковского (54) АДАПТИВНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛА

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано в радио- и гидролокационных системах траекторных измерений, где для определения параметров движения излучающих объектов в условиях ограниченной априорной информации о динамике их движения используется связь этих параметров с параметрами принимаемого сигнала — фазой, часто- той и др.

Известно устройство для измерения частоты (периода) сигналов, содержащее последовательно соединенные счетчик чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, умножитель и сумматор, счетчик числа нуль-пересечений, вход которого соединен с первым входом счетчика чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, генератор эталонных меток времени, соединенный выходом с вторым входом счетчика чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, блок вычитания., ячейку памяти и делитель,при этом выход счетчика числа нуль-пересечений и первый выход ячейки памяти подсоединен к входам блока вычитания, выход которого соединен с вторым входом блока умножения, второй выход ячейки памяти и выход сумматора подсоединен к входам делителя, поток нудь-пересечений исследуемого сигнала поступает на объеди.ненные входы счетчика чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений и счетчик числа нуль-пересечений (1).

Однако, при несоответствии динамики движения излучающего объекта принятой модели, точность измерения ухудшается - появляется неизвестная систематическая ошибка, которая по величине может значительно превосходить уровень флюктуационной составляющей ошибки измерения. Следовательно, применение данного устройства в практике траекторных измерений ограничено, так как точность измерения периода сигнала, определяющего относительный доплеровский сдвиг, а следовательно и скорость движения объекта, .в значительной мере зависит от динамики движения объекта.

Известно также устройство для измерения периода сигналов и их производных, содержащее последовательно соединенные блок прореживания нульпересечений и формирователь чисел, соответствующих моментам нуль-пере970251 сечений, счетчик числа нуль-пересечений, вход которого соединен с выходом блока прореживания нуль-пересечений, решающий блок, накапливающий сумматор, блок сравнения, элемент ИЛИ, буферный регистр и ячейку 5 памяти, при этом входы накапливающего сумматора подсоединены к выходам формирователя чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, выходы накапливающего сумматора подсое- 10 динены к входам буферного регистра,. выходы которого соединены с входами решающего блока, выходы счетчика числа нуль-пересечений соединены с первой группой входов блока сравне-, ния, к второй группе входов которого подсоединена первая группа выхо- . дов ячейки памяти, вторая группа вы- ходов ячейки памяти соединена с соответствующими входами элемента

ИЛИ, выход которого подсоединен к управляющему входу буферного регистра, поток нуль-пересечений поступает на вход блока прореживания нульпересечений.

Это устройство обладает большими функциональными возможностями по сравнению с первым, так как позволяет устранить смещения оценки периода, и начальной случайной фазы сигналов, обусловленные ускорениями объекта на .интервале наблюдения, и измерить производную периода (2).

Существеннным недостатком такого устройства является низкая точность в условиях ограниченной априорной 35 информации о динамике движения объекта по сравнению с точностью, когда степень полинома выбрана по методу наименьших квадратов из условия минимума суммарной ошибки (флюктуаци- 40 онной и динамической). Этот недостаток может быть преодолен в адаптивном устройстве, которое по принятому, сигналу в сложившейся помеховой обстановке, выбирает необходимую степень полинома.

Цель изобретения — повышение точности измерений параметров сигнала, излучаемого движущимся объектом,при ограниченной априорной информации о динамике движения объекта.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство, содержа- щде последовательно соединенные блок прореживания нуль-пересечений и рмирователь чисел, соответствующих ментам нуль-пересечений, счетчик. числа нуль-пересечений, вход которо- . го соединен с выходом блока прореживания нуль-пересечений, первый блок сравнения, блок памяти, блок управления и решающий блок, причем выходы счетчика числа нуль-пересечений подсоединены к первой группе входов блока сравнения и к адресным входам блока памяти, вторая группа. входов 65

4 блока сравнения соединена с выходами блока памяти, а ее выход подсоединен к входу блока управления, дополнительно введены последовательно соединенные формирователь статистик (статистических сумм), блок матричного умножения, формирователь отношения сигнал-шум и второй блок сравнения, выходы которого подсоединены к входам решающего блока, входы формирователя статистик соединены с выходами формирователя чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, выходы блока матричного умножения также подсоединены к соответствующим входам второго блока сравнения а вторая группа выходов формирователя статистик соединена с второй группой входов формирователя отношения сигнал-шум, выходы блока памяти подсоединены к соответствующим эхо дам формирователя статистик, блока матричного умножения, формирователя отношения сигнал-шум и решающего блока, управляющие входы которых соединены с выходами блока управле,.ния, поток исследуемых нуль-пересечений фазового сигнала поступает на вход блока прореживания нульпересечений.

На фиг.1 приведена структурная электрическая схема предлагаемого адаптивного измерителя параметров сигнала на фиг.2-5 даны варианты выполнения с помощью элементов цифровой вь числительной техники- схем формирователя статнстик блока матричного умножения, формирователя отношения сигнал-шум и блока сравнения соответственно.

Измеритель содержит.последовательно соединенные блок 1 прореживания нуль-пересечений и формирователь 2 чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, счетчик 3 числа нуль-пересечений, вход которого соединен с выходом блока 1 прореживания.нуль-пересечений, формирователь 4 статистик, первый блок 5 сравнения, блок б матричного умножения, блок 7 памяти, формирователь 8 отношения сигнал-шум, блок 9 управления, блок 10 сравнения и решающий блок 11.

Поток исследуемых нуль-пересечений сигнала поступает на вход 12 блока

1 прореживания нуль-пересечений, выходы счетчика 3 числа нуль-пересечений подсоединены к первой группе входов первого блока 5 сравнения и к адресным входам блока 7 памяти, вторая группа выходов первого блока 5 сравнения соединена с выходами блока

7 памяти, а ее выход подсоединен к входу блока 9 управления, выходы которого также подсоединены к управляющим входам блока 7 памяти и решающего блока 11, выходы Фоомиоователя

2 чисел, соответствующих моментам

970251 нуль-пересечений, соединены с входами 13 формирователя 4 статистик, к вторым входам 14 которого подсоединены соответствующие выходы блока 7 памяти, а к управляющим, входам 15 соответствующие выходы блока 9 управ.ления, первая группа выходов 16 формирователя 4 статистик подсоединена к входам блока б матричного умножения, вторая группа выходов 17 формирователя 4 статистик соединена с входами 18 формирователя 8 отношения сигнал-шум, вторая группа входов 19 блока б матричного умножения подсоединена к соответствующим выходам блока 7 памяти, управляющие входы 15

20 блока б матричного умножения соединены с соответствующими выходами блока 9 управления, выходы 21 блока б матричного умножения соединены с входами 22 формирователя 8 отноше- 2О ния сигнал-шум, управляющие входы 23 которого подсоединены к выходам блока 9 управления, а вторые входы 24 к соответствующим выходам блока 7 памяти, две группы выходов 25 и 26 формирователя 8 отношения сигналшум подсоединены к входам вторичного блока 10 сравнения, входы 27 которого соединены с выходами 21 блока б матричного умножения, выходы 28 вто-, ЗО рого блока 10 сравнения подсоединены к входам решающего блока 11, к соответствующим входам которого. также подсоединены выходы блока 7 памяти.

ИзмеРитель содержит множители 35

29,34 и 41 для двух чисел, квадраторы 31 и 38, накапливающие сумматоры 30,32,35 и 39, оперативные запоминающие устройства 33,36 и 42, коммутатор 37; ячейку 40 вычитания, ячейку 43 сравнения двух чисел, многоразрядный ключ 44.

Предлагаемый адаптивный измеритель параметров сигнала работает следующим образом.

Принимаемая от движущегося иэлу- 45 чающего объекта смесь сигнала с амплитудой S, частотой Е и полной фазой g(t) и шума n(t) имеет вид

;О (с) = Sî cosp2flf t + p(t) 3 + n(t), 50 (1) причем основную информационную нагрузку в сигнале несет полная фаза

f (t ) = f, + u>(t - с, ) p (t - ñ, ) ..., 55 где щ — доплеровская частота, характеризующая радиальную скорость источника; е — производная доплеровской

I частоты, пропорциональная 60 ускорению наблюдаемого. объекта; г — начальный момент времени. о

Из принимаемой смеси сигнала и шума после узкополосной фильтрации 6$ формируется временная последователь= ность нуль-пересечений, которая является входным сигналом для адаптивного измерителя. Так как соседние по времени значения последовательности нуль-пересечений могут быть коррелированными, то в блоке 1 прореживания нуль-пересечений формируется поток статистически независимых нулей процесса делением входной импульсной последовательности в р. раэ. Отсчеты времени, соответствующие моментам выпадения некоррелированных нуль-пересечений, формируются в блоке 2. Дальнейшая обработка входного сигнала производится в предположении, что моменты нуль-пересечений аппроксимируются номиналом степени m .с =Ы+а„k + С/+... +q„,(3) где — случайная нормальная величи к на с нулевым средним и дисперсией

6 .КоэфФициенты полинома (3) непосредственно связаны с интересующими- нас параметрами сигнала известными соотношениями.

Частота сигнала л к(ак) тт(„т (4) Период

at (С.„) Т гс+,-Т И +6 (к iw)at i," (q) Производная частоты

Е (с; ) = -дт(ск)/ (t„) — л Л

r e Т(1к)=1г,„- =0(„ (2к+ гМ (Ък+Зк+(7)

+1Мь . - °

Фаза сигнала в заданный момент времени чю.-век к()к-с ) г — H-tо,)+ Ио) где t = с(о

В известных устройствах формирование оптимальной оценки значений коэффициентов с =Ис(сг, а с(,„Упри выбраннОй степени полинома производится методом наименьших квадратов.

Для получения наивысшей точности необходимо, подбирать степень аппроксимирующего полинома, что связано с определением коэффициентов поЯинома по ходу вычислений и значительным усложнением вычислителя и уменьшением его быстродействия.

Для упрощения технической реализации лучше аппроксимировать вре-"" менную последовательность нуль-пересечений ) t,t,..., с г„+„ j с помощью полиномов Чебышева

+„= T. „ф;(к), где Ф. (к) =Л. ;" K (101

970251 с у сл ови ем ор то гонал ь но сти («) Д„" ®" (" 1 О у

Нетрудно определить связь между коэффициентами выражений (3) и (10) при условии (11)

+O TOO++7Oл л + 3O&5

A л = 3 лл P л + " л 3 л ю 1Ь м (и) а, следовательно, и между коэффициейтами „ полинома Чебышева и параметрами сигнала. Адаптация измерителя параметров сигнала к динамике движения объекта состоит в определении оптимального числа членов разложения (9) с использованием метода наименьших квадратов (zS+ -â " R (t.„-.r p„V„(X)) = л я.

»,:-н l< <=о л " N 0ъ) в

Значения Pr„, минимизирующие условиее (14 ), определяются выр ах<е ни ем, которое с учеФом (10) имеет вид

Ил

1о»300 к

-N л м п Й л

Г „= 60 л-Т1л 1< к

Основной операцией над числами, соответствующими моментам выпадения некоррелированных нуль-пересечений, которые формируются в блоке 2, явля-. ется процедура формирования достаточй и М /< ных статистик 1к, т к <,... Х к

-N -г<

Долученные статистики в соответствии с (14) в блоке матричного умножения умножаются .на коэффициенты Я .

Для составления правила адаптации используют суммарную ошибку при аппроксимации полиномами Чебышева временной последовательности нуль-пере- сечений ,{15)

<<5tl< .Х „Ф„(К)) ».Е P„+mG . где Q — дисперсия флюктуаций нульпересечений;

M — действительная степень полинома, описывающего информационную последовательность t0 tl 1ееерй

Очевидно, что при увеличении числа членов разложения динамическая ошибка уменьшается ках<дый раз на ;

4, Однако одновременно возрастает флюктуационная ошибка íà G

Введем следующее правйло учета в разложении (12) коэфФициентов fb„ .

, 0 Xð (g) (18)

Я Я где Хр(1) — квантиль Х распределения с одной степенью свободы при заданной вероятности р.

Таким образом, числа 1„, соот— ветствующие моментам выпадания нульпересечений, сформированные в блоке

2, поступают в формирователь 3 статистик на объединенные входы m+1 умножителей 29 и квадратора 31. Одновременно с этим числа из счетчика числа нуль-пересечений 3 поступают на адресные входы блока 7 памяти,из которого вызываются числа 1, k k

k H подаются на соответствующие вторые входы умножителей 29. В результате на выходе первого умножителя формируется числовая последовал л тельность t<, т,,..., t г,л.л, а на выходе m+ 1-го умножи теля 29 форми— л„л руется последовательность t 2 1., 3 и,..., <ю „. На выходе квадратора 31 по мере поступления чисел п

1 < форглируется последовательность ля лх л f g

tg, t>..., t» Полученные последовательности подаются на входы соответствующих накапливающих сумматоров 30 и 32, работа которых тактируется блоком 9 управления. К концу выборки из (.2Х+1) нуль-пересечений на выходах m+1 сумматоров .н ц

30 накапливаются статистики Ф.„, -й

H Л М l Ï К к, ". 1 4,а на выходе накапливающего сумматора 32 — статистика

5

Если выполняется условие p » 7 (y т о (10), то слагаемое P„" Ф„(к) в разложе. нии учитывается. В противном случае слагаемое отбрасывается. Введенный критерий качества полиноминальной аппроксимации предполагает реализацию втооой основной процедуры — формирование отношения сигнал-шум, пропор/ционального диспер<;ии флюктуаций нуль-пересечений Go и сравнения коэффициентов разложения полиномов Чебышева с порогом, равным 6;, . Целесо 1 образно формировать отношение сигналшум по результатам измерений обрабатываемой выборки нуль-пересечений.

Для этого необходимо реализовать проа цедуру определения Оо в соответствии с правилом (70 (2И+Л-yn) (g - p,. ) (17) и испольэовать полученное значение дисперсии в качестве значения порога для определения истинной динамической модели движения наблюдаемого объекта. Ввиду того, что используются не истинные значения коэффициентов P>., а их оценки ф„, порог во втором блоке сравнения устанавливается из условия

970251

Ила

Й к . В конце выборки на выходе первого блока сравнения появляется импулвс, задающий длительность интервала наблюдения. Указанный импульс поступает на вход блока 9 управления и вырабатывает команду на запрещение поступления чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, в блок формирования статистик и команду на запись поюжченных статистик в оперативное запоминающее устройство 33 в блоке 4 формйрования статистик. Затем по команде блока 9 управления из блока 7 памяти элементы матрицы „. последовательно посту-15 пают в блок 6 матричного умножения, где в соответствии с выражением (17) умножаются на вызванные из оперативного запоминающего устройства 33

m элементы вектора статистик, ХК 1„.

-М

Полученные1в накапливающем сумматоре

35 в соответствии с (14) суммы представляют собой элементы вектора оцел нок полиномов Чебышева р„, которые 5 по команде блока 9 управления ° переписываются в оперативное запоминающее устройство 36. Далее по команде блока управления указанные коэффициенты из оперативного запоминаю-ЗО щего устройства 36 блока 6 матрично1 го умножения последовательно поступают в формирователь 8 отношения сигнал-шум, где через коммутатор 37 поочередно подаются на квадратор 38, .З5 на выходе которого последовательно формируются квадраты оценок коэффицил ентов разложения - и переписываются в оперативное запоминающее устройство 42. По команде блока управления данные числа, также суммируются в накапливающем сумматоре 39, с выхода а. которого число Х Р- подается на пер1=О вые входы блока 49 вычитания, а на вторые входы его вызывается число

М д., с выходов 17 оперативного эа- ц К поминающего устройства 33 формирователя 4 статистик. На выходе блока 40 вычитания формируется разность

Н т ля.1

K+ -.X. 1 - 1 . Разность умножает-й -o ся в блоке 41 умножения на число (2N+1-m) ",(р(1), поступающее из блока 7 памяти, и переписывается в оперативное запоминающее устройство 42. С выхода 25 формирователя

8 отношения сигнал-шум число д Х (q) подается на первые входы второго блока 10 сравнения в качестве опор- 60 ной величины, с которой в нем сравниваются оценки коэффициентов разложения „, поступающие на вторую группу входов второго блока сравнения с выходов 26 формирователя 8 65 отношения си гнал-шум. При выполнении неравенства (18) второй блок сравнения чисел вырабатывает управляющий единичный потенциал, открывающий многоразрядный ключ 44, который пропусл . кает числа на входы решающего блока 11. Если неравенство не выпол- няется, второй блок сравнения чисел вырабатывает нулевой управляющий потенциал, запирающий многоразрядный ключ 44, запрещая прохождение числа р„в решающий блок 11. Таким образом, путем сравнения во втором блоке 10 сравнения флюктуационной и динамической составляющих ошибки измерения принимается решение о характере динамики движения наблюдаемого объекта и о степени полинома разложения. В решающем блоке 11 в соответствии с правилом (12) осуществляется переход от коэффициентов разложения по полиномам Чебышева и коэффициентам разложения алгебраического аппроксимирующего полинома (5), для чего по команде блока управления подаются числа, соответствующие элементам преобразующей матрицы (12), на выходе решающего блока 11 формируется вектор оценок параметров сиги T A и нала с = /1о о, сС„ ° - ° с4и

Формула изобретения

Адаптивный измеритель параметров сигнала, содержащий последовательно соединенные блок прореживания нульпересечений и формирователь чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, счетчик числа нуль-пересечений, вход которого соединен с выходом блока прореживания нуль-гересечений, первый блок сравнения, блок памяти, блок управления и решающий блок, причем выходы счетчика числа нуль-пересечений подсоединены к первой группе входов блока сравнения и к адресным входам блока памяти, вторая группа входов блока сравнения соединена с выходами блока памяти, а ее выход подключен к входу блока управления, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения параметров сигнала, излучаемого движущимся объектом, при ограниченной априорной информации о динамике движения объекта, дополнительно введены последовательно соединенные формирователь статистик, блок матричного умножения, формирователь отношения сигнал-шум и второй блок сравнения, выходы которого подсоединены к входам решающего блока, входы формирователя статистик соединены с выходами формирователя чисел, соответствующих моментам нуль-пересечений, выходы блока матричного умножения также подсоединены к соответст- !

970251

12 г вувщим входам второго блока сравнения, а вторая группа выходов формирователя статистик соединена с второй группой входов формирователя отношения сигнал-шум, выходы блока памяти подсоединены к соответствующим входам формирователя статистик, блока матричного умножения, формирователя отношения сигнал-шум и решающего блока, управляющие входы которых соединены с выходами блока управления, поток исследуемых нуль-пересечений сигнала поступает на вход блока прореживания нуль-пересечений. источники информации, 5 принятые во внимание при экспертизе

1, Авторское свидетельство СССР

Р 700842, кл.G 01 R 23/00, 1979.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке 9 2865396/18-21> 1Я80.