УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ГЕНЕРАТОРА МАСКИРУЮЩИХ ШУМОВЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 1998 года по МПК G06F7/58 

Изобретение относится к области радиотехники, конкретно к области контроля качества работы генератора низкочастотных шумовых сигналов, используемых, например, в качестве генераторов маскирующих помех.

В задачах по маскированию полезных сигналов, затрудняющих их обнаружение и анализ, находят широкое применение шумовые сигналы. При маскировании каждого вида сигнала выбирают шумы такой структуры, которая позволяет решать задачу маскирования с наибольшей эффективностью [1]. Отсюда возникает задача выбора характера и параметров шумов, обеспечивающих их наибольшую эффективность, и задача поддерживания параметров маскирующих шумов в заданных пределах при эксплуатации генераторов шумовых сигналов.

Маскирующие свойства шумовых сигналов определяются их вероятностными характеристиками и спектральной структурой. Изменение параметров шума, отклонение этих параметров от заданных значений, определяющих маскирующие свойства, приводит к снижению эффекта маскирования и может стать причиной обнаружения и возможности выявления и восстановления маскирующих сигналов.

Основными параметрами шумов, определяющими их маскируемых свойства, является средняя мощность, спектр шумового сигнала, а также распределение плотности вероятности.

Наиболее распространенными устройствами контроля шумовых сигналов являются встроенные устройства контроля средней мощности шумов. Они могут быть выполнены в аналоговом, аналого-цифровом и цифровом варианте с индикацией с помощью магнитоэлектрического прибора или цифрового индикатора. Общая структурная схема таких приборов состоит из выходного устройства, усилителя, квадpатоpа, усреднителя и индикатора [2, стр. 437]. Эти устройства компактны, не требуют наладочных и настроечных работ при включении генератора, обладают достаточной точностью в пределах заданных требований.

Общим и основным недостатком измерителей средней мощности является то, что они не дают информацию о спектральной структуре и характере распределения шумового сигнала. Эти приборы дают одинаковые показания при различной ширине спектра, в том числе и при гармонических сигналах, если мощности сигналов одинаковы, а спектр располагается в пределах полосы пропускания индикатора мощности.

Наибольшую информацию о параметрах шумового сигнала дают коррелометры и анализаторы спектра. Существует большое количество схем этих приборов, промышленностью они выпускаются в виде контрольно-измерительной аппаратуры [2, стр. 440]. Эти приборы достаточно сложны, имеют большие габариты и практически не могут быть использованы в качестве встроенных приборов непрерывного контроля параметров шумового сигнала. Информацию о среднем значении, дисперсии и характере распределения шумов дают анализаторы распределения плотности вероятности случайных процессов. Принцип действия большинства этих устройств основан на измерении длительности или числа выбросов случайного процесса на заданном уровне в течение определенного времени [2, стр. 480]. Однако эти устройства также не дают информацию о спектральной характеристике шумовых сигналов. Тем не менее основные элементы и принципы работы этих устройств могут быть использованы при построении встроенных приборов непрерывного контроля средней мощности и спектра генерируемых шумовых сигналов.

Наиболее близким к заявляемому устройству по сути решаемой задачи является анализатор функции распределения, основанный на принципе анализа пересечения шумовым сигналом заданного уровня, содержащий компаратор, устройство установки опорного сигнала, формирующее устройство, осредняющее устройство и индикатор [2, рис. 9.22]. Устройство работает следующим образом [2].

Анализируемое шумовое напряжение подается на вход компаратора, на опорном входе которого установлено опорное напряжение. При превышении напряжением шумов уровня опорного напряжения на выходе компаратора появляется напряжение, которое подается на вход формирующего устройства. В формирующем устройстве вырабатывается импульс с калиброванной амплитудой, длительность которого равна времени превышения шумовым напряжением опорного уровня. Калиброванные по амплитуде импульсы подаются на осредняющее устройство, напряжение на выходе которого пропорционально общему времени пребывания шумовых сигналов выше установленного порога в течение заданного интервала анализа на одном уровне. Сигнал с выхода осредняющего устройства поступает на индикатор и фиксируется там как значение функции распределения на заданном уровне. Полный анализ функции распределения получается путем анализе выбросов шумов на уровнях от нуля до максимального значения через интервалы, определяемые требуемой точностью анализа. Это устройство не дает информацию о спектре шумового сигнала. Кроме того для анализа функции распределения требуется большой интервал времени, а информация о средней мощности шумов может быть получена только путем выполнения дополнительных вычислений.

Таким образом, недостатком описанного устройства являются ограниченные функциональные возможности - малое число одновременно контролируемых параметров сигнала и необходимость большого времени контроля для получения достоверных результатов.

Задача изобретения - снижение указанных недостатков, т.е. расширение функциональных возможностей и уменьшение времени, необходимого для получения достоверных сведений для наиболее применяемых при маскировании шумов с гауссовым, показательным и рэлеевским законами распределения плотности вероятности.

Поставленная задача решается тем, что в известное устройство контроля параметров генератора маскирующих гауссовых шумовых сигналов, основанных на принципе анализа числа пересечений шумами заданного уровня, содержащее аналоговый компаратор, источник опорного напряжения и индикатор на выходе, внесены следующие существенные изменения и дополнения, а именно: в него введены таймер, элемент И, ключевой элемент запрета, индикатор, два аналоговых компаратора, три счетчика, три пары цифровых компараторов, в каждой из которых один компаратор настроен на нижнее, второй - на верхнее заранее заданные числа срабатывания, выходы которых соединены соответственно с вычитающим и суммирующим входами сумматора соответствующего канала, выход сумматора подключен к информационным выходам элементов И и запрета своего канала, выходы которых подключены к выходам запоминающего триггера соответствующего канала, выходы запоминающих триггеров соединены с входами элемента И, выход которого подключен ко входу индикатора, выход таймера соединен со входами сброса счетчиков, управляющими входами элементов И и запрета всех каналов обработки информации и через дифференцирующие цепи со входами сброса сумматоров, опорные входы двух аналоговых компараторов соединены с разнополярными выходами источника опорного напряжения, опорный вход третьего аналогового компаратора соединен с шиной нулевого потенциала, значения нижних и верхних границ счета в цифровых компараторах выбраны в соответствии с соотношениями:
,
где
N_н - нижняя граница счета в цифровом компараторе;
N_в - верхняя граница счета в цифровом компараторе;
r''(о) - значение второй производной коэффициента корреляции шумового сигнала при нулевом сдвиге времени корреляции;
H - уровень опорного напряжения;
σ - среднеквадратическое значение шумового сигнала;
ε - отклонение числа пересечений от среднего значения за время одного интервала счета, определяемое по выбранной доверительной вероятности;
T - интервал счета.

Сущность предлагаемого устройства поясняется чертежом, на котором приведена структурная схема устройства контроля параметров гауссовых шумовых сигналов. На чертеже приняты следующие обозначения: 1 - устройство контроля параметров гауссовых шумовых сигналов; 2 - выход контролируемых гауссовых шумовых сигналов; 3, 4, 5 - аналоговые компараторы; 6 - источник опорного напряжения аналоговых компараторов; 7, 8, 9 - счетчики; 10, 12, 14 - цифровые компараторы нижней границы счета; 11, 13, 15 - цифровые компараторы верхней границы счета; 16, 17, 18 - запоминающие устройства; 19 - элемент И (схема) совпадений; 20 - индикатор; 21 - таймер; 22 - суммирующие входы запоминающих устройств; 23 - вычитающие входы запоминающих устройств; 24 - сумматоры; 25 - элементы (ключевые схемы) И; 26 - элементы (схемы) запрета; 27 - дифференцирующие цепи; 28 - запоминающие триггеры; 29 - выход сигнала таймера в запоминающие устройства.

Устройство на чертеже имеет сигнальный вход 2, соединенный со входами трех аналоговых компараторов 3, 4, 5. Опорный вход компаратора 3 подключен к шине нулевого потенциала, а к опорным входам аналоговых компараторов 4, 5 подключены выходы источника опорного напряжения 6. Выходы аналоговых компараторов 3, 4, 5 подключены, соответственно, ко входам счетчиков 7, 8, 9. Выходы счетчиков 7, 8, 9 подключены, соответственно ко входам пар цифровых компараторов 10 и 11, 12 и 13, 14 и 15. Выходы цифровых компараторов верхней границы счета 11, 13, 15 подключены, соответственно к вычитающим входам сумматоров 24 запоминающих устройств 16, 17, 18, а выходы цифровых компараторов нижней границы счета 10, 12, 14 подключены, соответственно к суммирующим входам 22 сумматоров 24 запоминающих устройств 16, 17, 18. Выходы всех запоминающих триггеров 28 запоминающих устройств 16, 17, 18 подключены ко входам схемы совпадения 19, выходы которого соединены со входом светового индикатора 20. Выход таймера 21 подключен ко входам сброса счетчиков 7, 8, 9 и ко входам ключевых схем 25, 26 запоминающих устройств 16, 17, 18 и через дифференцирующие цепи 27 ко входам сброса сумматоров 24 запоминающих устройств 16, 17, 18,
Принцип работы устройства основан на использовании связи между числом пересечений шумовым напряжением заданного уровня и средней мощностью шума, а также связи между числом пересечений и среднеквадратическим значением частоты спектральной плотности.

Ниже приводятся основные положения указанной связи. Среднее число пересечений уровня H в единицу времени стационарным гауссовским случайным процессом со средним значением m = 0 и дисперсией σ² определяется выражением [3]:

где
H - уровень, на котором отсчитывается число пересечений;
r''(o) - вторая производная от коэффициента корреляции случайного процесса при τ=0 ;
σ² - дисперсия стационарного нормального процесса.

При решении задач маскирования сигналов шумами набольшее применение находят шумы с коэффициентами корреляции следующих видов:

Вторые производные этих коэффициентов корреляции при τ = 0, соответственно, равны:
,
где
Δf - эффективная ширина спектра шумового сигнала.

Вид коэффициента корреляции и эффективная полоса шумов определяются формирующими фильтрами генераторов шумовых сигналов.

В заявляемом устройстве предлагается получить оценки дисперсии путем подсчета числа пересечений на трех уровнях - положительном H₁, отрицательном H₂ и нулевом H₃ уровнях.

Средние значения пересечений H₁, H₂, H₃ стационарным гауссовым процессом и дисперсия процесса σ² при среднем значении процесса, равном нулю, связаны соотношениями:

На практике число пересечений оценивается за конечный интервал времени и полученная оценка среднего числа пересечений в единицу времени является случайной величиной. С увеличением непрерывного времени наблюдения T число пересечений на уровнях H ≤ 36 будет стремиться к значению , где среднее значение числа пересечений за единицу времени.

Отношение среднеквадратического отклонения числа пересечений за интервал времени T к среднему числу пересечений на этом интервале определяется следующим выражением [5]:

где

Ввиду того, что число пересечений в течение заданного интервала T является случайным, при оценке дисперсии шума по количеству числа пересечений необходимо задаваться доверительным интервалом, который будет определять нижнюю и верхнюю границы счета пересечений в течение времени T.

Вероятность того, что число пересечений в интервале времени T будет находиться в пределах

определяется выражением

где
- отклонение оценки от среднего значения
- дисперсия отклонений количества пересечений от среднего значения за время T.

Задаваясь доверительной вероятностью, например P = 0,95, определяем:

Зная величину ε, определяем нижнюю и верхнюю границы счета числа пересечений за интервал T:

Значения вычисляются по формулам (3), а значения по формуле (4).

Из рассмотренного выше следует, что если в одном цикле счета число пересечений случайным процессом уровней H₁ находится в пределах N_н - N_в, то средняя мощность шумов равна расчетному значению.

Среднее число выбросов стационарного случайного процесса несет информацию и о среднеквадратической частоте f, случайного процесса, которая определяет расстояние составляющих спектральной плотности случайного процесса относительно нулевой частоты. Применительно к низкочастотным стационарным процессам средняя квадратическая частота характеризует эффективную ширину спектральной плотности.

Величина f случайного процесса с нулевым средним значением и среднее число пересечений на нулевом уровне связаны следующими отношениями:
,
где
k - коэффициент, определяемый видом коэффициента корреляции.

Применительно к гауссовскому случайному процессу средняя квадратическая частота совпадает со средним числом пересечений на нулевом уровне [3].

Из изложенного выше следует, что, контролируя среднее число пересечений случайным процессом в течение определенного интервала времени, можно контролировать среднюю мощность и среднеквадратическую частоту стационарного случайного процесса.

В предлагаемом устройстве контроль параметров гауссовых шумовых сигналов на выходе генератора осуществляется одновременно по трем каналам: в двух каналах с опорными сигналами, отличными от нуля, равными по величине и противоположными по знаку, контролируется значение средней мощности и симметрия закона распределения, а в канале с опорным сигналом, равном нулю, контролируется ширина спектра шумовых сигналов.

Устройство на чертеже работает следующим образом. Перед включением генератора шумов на таймере 21 устройства 1, представляющем генератор последовательности импульсов, устанавливают требуемое значение интервала последовательности, на опорных входах аналоговых компараторов 4 и 5 устанавливают равные по величине и противоположные по знаку опорные напряжения в пределах от одного до двух величин среднеквадратического значения напряжения шумового сигнала. На цифровых компараторах 10 - 15 устанавливают значения нижних и верхних границ счета числа пересечений согласно расчетным формулам. Импульсы от таймера сбрасывают счетчик и сумматор запоминающих устройств.

При включении генератора шумов шумовые сигналы поступают на сигнальные входы аналоговых компараторов 3, 4, 5, где происходит сравнение их с опорными напряжениями.

При превышении шумового сигнала над опорным на выходах аналоговых компараторов образуются кратковременные импульсы, которые поступают на счетные входы соответствующих счетчиков числа пересечений 7, 8, 9. Выходы счетчиков подключены ко входам цифровых компараторов 10 - 15, где происходит сравнение содержимого счетчиков с записанными числами, соответствующими нижней и верхней границам счета. В тот момент, когда числа импульсов, насчитанных счетчиками, становятся равными нижним границам счета, на выходах цифровых компараторов нижней границы счета 10, 12, 14 возникают импульсы, которые поступают на суммирующие входы 22 сумматоров 24 запоминающих устройств 16, 17, 18. При этом на выходах сумматоров запоминающих устройств устанавливаются высокие уровни напряжения.

Если до конца интервала счета, определяемого очередным импульсом таймера 21, число импульсов, поступающих на счетчики, ни в одном из счетчиков не достигло верхней границы счета, то указанный очередной импульс от таймера, проходя через ключевую схему И 25, на втором входе которого имеется высокий уровень выхода сумматора 24, переводит выход запоминающего триггера 28 в состояние высокого уровня. Этот же импульс таймера, через дифференцирующую цепочку 27, задним фронтом переводит выход сумматора 24 в состояние низкого уровня.

При установлении высоких уровней на выходах всех трех запоминающих триггеров 28 запоминающих устройств 16, 17, 18 на выходе схемы совпадения 19 возникает напряжение высокого уровня и на индикаторе 20, к которому подключен выход схемы совпадения, появляется световой сигнал.

Если в одном из циклов счета число импульсов хотя бы на одном из счетчиков не достигнет значения нижней границы счета, то выход соответствующего сумматора на момент окончания цикла счета будет в положении "низкий уровень", и импульс таймера через ключевую схему запрета 26 на выходе запоминающего триггера 28 установит низкий уровень. Соответственно, на выходе схемы совпадения 19 будет низкий уровень, и свет в индикаторе 20 погаснет.

В том случае, когда число импульсов на каком-нибудь счетчике или на всех счетчиках превысит значения верхней границы счета, импульс из цифрового компаратора верхней границы счета, поступающий на вычитающий вход 23 сумматора 24 запоминающего устройства переведет выход сумматора в состояние "низкий уровень", а импульс таймера в конце цикла счета через ключевую схему запрета 26 переведет выход запоминающего триггера 28 в состояние низкого уровня. Соответственно, будет низкий уровень на выходе схемы совпадения 19, и счет в индикаторе погаснет.

Таким образом, если число импульсов, накопленных в одном цикле счета между двумя соседними импульсами таймера, во всех трех счетчиках находится в заданных пределах, то есть больше нижней и меньше верхней границ счета, то световой сигнал индикатора не погаснет и свидетельствует о том, что средняя мощность шумов на выходе генератора, симметрия закона распределения шумов и их среднеквадратическая частота находятся в заданных пределах.

Ниже приводится оценка погрешности контроля мощности и ширины спектра гауссовых шумовых сигналов при следующих исходных предположениях:
а) уровень опорного сигнала H равен среднеквадратическому значению напряжения шумовых сигналов H=σ;
б) эффективная ширина спектра шумовых сигналов
Δf=10⁴ Гц;
в) коэффициент корреляции имеет вид

г) интервал отсчетов T = 200 мсек.

Погрешность оценки мощности шумовых сигналов за счет отклонения числа пересечений шумами опорного уровня будет равна

Здесь P_ш=σ². При H=σ и P_ш = H²
из выражения (1) получаем:

Максимальное отклонение числа пересечений ΔN , установленное в цифровых компараторах верхней и нижней границы при доверительной вероятности 0,95, будет равно:

По формулам (4) находим:

Подставив исходные величины в выражение (4) получаем:
.

Окончательно находим максимальную погрешность контроля мощности:
ΔP_ш= 0,032P_ш , ,
то есть максимальная погрешность равна 3,2%.

Предлагаемое устройство не содержит элементов, не освоенных промышленностью. Устройство может быть реализовано как в виде отдельного, так и в виде встроенного прибора. На Государственном научно-производственном предприятии "ИНФОРМАКУСТИКА" устройство реализовано авторами заявки в виде цифрового устройства контроля гауссовых шумовых сигналов.

Источники информации.

1. Вакин С. А. , Шустов Л.Н. Основы радиопротиводействия и радиотехнической разведки. М.: - "Сов. Радио" 1966 г. 448 с.

2. Мирский Г.Я. Радиоэлектронные измерения. - М.: Энергия, 1974, 600 с.

3. Тихонов В.И. Нелинейные преобразования случайных процессов. М.: Радио и связь, 1986, 296 с.

4. Фомин А.Я. Теория выбросов случайных процессов, М.: Связь, 1980, 216 с.

5. Куликов Е.И. Методы измерения случайных процессов. М.: Радио и связь, 1986, 272 с.

6. Венцель Е.С. Теория вероятности, изд. 4 - М.: Наука, 1969, 576 с.

Изобретение относится к области контроля качества работы генераторов низкочастотных сигналов и может быть использовано в качестве генератора маскирующих помех. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет формирования спектральных характеристик шумовых сигналов. Устройство содержит источник опорного напряжения, таймер, элемент И и индикатор и каналы обработки информации, каждый из которых состоит из аналогового компаратора, элементов И и запрета, триггера, счетчика, дифференцирующей цепи, сумматора и цифровых компараторов. 1 ил.

Устройство для контроля параметров генератора маскирующих шумовых сигналов, содержащее каналы обработки информации, каждый из которых состоит из аналогового компаратора, элементов И и запрета и триггера, и источник опорного напряжения, выход которого соединен с опорными входами аналоговых компараторов первого и второго каналов, информационные входы аналоговых компараторов всех каналов обработки информации являются информационным входом устройства, отличающееся тем, что в него введен таймер, элемент И и индикатор, в каждый канал обработки введены счетчик, дифференцирующая цепь, сумматор и два цифровых компаратора, соответственно верхней и нижней границы срабатывания, причем опорный вход аналогового компаратора соединен с шиной нулевого потенциала, в каждом канале обработки информации выход аналогового компаратора соединен со счетным входом счетчика своего канала, выход которого подключен к входам цифровых компараторов верхней и нижней границы срабатывания своего канала, выходы которых соединены соответственно с вычитающим и суммирующим входами сумматора соответствующего канала, выход сумматора подключен к информационным входам элементов И и запрета своего канала, выходы которых подключены к входам триггера соответствующего канала, выходы триггеров соединены с входами элемента И, выход которого подключен к входу индикатора, выход таймера соединен с входами сброса счетчиков, управляющими входами элементов И и запрета всех каналов обработки информации и через дифференцирующие цепи с входами сброса сумматоров, при этом значения нижних и верхних границ счета в цифровых компараторах выбраны в соответствии с соотношениями


где N_н - нижняя граница счета в цифровом компараторе;
N_в - верхняя граница счета в цифровом компараторе;
r''(0) - значение второй производной коэффициента корреляции шумового сигнала при нулевом сдвиге времени корреляции;
Н -уровень опорного напряжения;
σ - среднеквадратическое значение шумового сигнала;
ε - отклонение числа пересечений от среднего значения за время одного интервала счета, определяемое по выбранной доверительной вероятности;
Т - интервал счета.