Способ автоматической стабилизации частоты пересечения порогового уровня выбросами шумового процесса Российский патент 2020 года по МПК H04B1/10 

Предлагаемое изобретение относится к приему сигналов, в частности к технике выделения сигналов из шума и может быть использовано в любой области, где требуется обеспечение максимального отношения сигнал/шум.

Известен способ стабилизации средней частоты шумовых выбросов над пороговым уровнем [1-2], заключающийся в определении частоты шумовых срабатываний на выходе порогового устройства и автоматической корректировки порога для поддержания заданной частоты срабатываний.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ автоматической стабилизации частоты f пересечения порогового уровня выбросами шумового процесса [3] путем регулирования порогового уровня в зависимости от частоты его превышений шумом. Согласно данному способу частоту f определяют путем накопления выходных импульсов в течение времени Т, а порог U в установившемся режиме определяется выражением U=U₀+U_f=U₀+ΔUTf₀exp(-U²/2σ²), где U₀ - начальное значение порога; f₀ - частота пересечения шумом нулевого порога; σ - среднеквадратическое значение шума; ΔU - единичное приращение порога по контуру обратной связи при его пересечении шумом.

Недостатком указанного способа является медленный выход на рабочий режим ввиду того, что в процессе установления рабочего порога частота шумовых срабатываний уменьшается, и крутизна переходного процесса, пропорциональная текущей частоте, снижается. Согласно [3] время T_r выхода на рабочий режим при таком способе составляет 1-6 с в зависимости от требований, предъявляемых к точности стабилизации.

Задачей изобретения является уменьшение времени выхода на рабочий режим.

Указанная задача решается за счет того, что в известном способе автоматической стабилизации частоты f пересечения порогового уровня выбросами шумового процесса путем регулирования порогового уровня в зависимости от частоты его превышений шумовым процессом, предварительно определяют частоту f₀ превышения шумовым процессом нулевого порогового уровня и максимальное среднеквадратическое значение σ_max шумового процесса, устанавливают начальный пороговый уровень U₁<mσ_max, где m<(U₁/σ) - предварительная оценка требуемого отношения порог/шум в режиме стабилизации, которому соответствует частота f₁ превышения шумовым процессом уровня U₁ и уменьшают частоту f до стабильного значения f₀>f₂>f_p, где f_p - требуемое значение частоты f в рабочем режиме, путем увеличения порога на величину ΔU после каждого превышения его шумом до тех пор, пока порог не выйдет на стабильный уровень U₂, после чего производят подсчет количества N₂ превышений порога шумовыми выбросами в течение времени усреднения Т₂, по окончании этого времени в момент t₃ регистрируют величину N₂, определяют частоту шумовых выбросов f₂=N₂/T₂ и устанавливают рабочий пороговый уровень величину Т₂ устанавливают из условия N₂>1/δ²_N, где δ_N - предельное относительное отклонение количества шумовых превышений порогового уровня от их среднего значения, величину f₂ устанавливают в пределах 0,01<f₂/f₀<0,9, a ΔU выбирают из условия где индексы означают предварительную оценку максимальных и минимальных значений величин U₃, U₁ и N₁.

Техническим результатом изобретения является минимальное время выхода на рабочий режим порогового обнаружителя сигналов при обеспечении максимальной вероятности обнаружения сигнала.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего способ. На фиг. 2 показана циклограмма способа.

Согласно фиг. 1 пороговый обнаружитель содержит схему сравнения 1, на вход которой подается смесь сигнала с шумом, а на выходе включен импульсный формирователь 2, генерирующий импульсы стандартной амплитуды и длительности при превышении порога схемы сравнения смесью сигнала с шумом. Между выходом импульсного формирователя 2 и управляющим входом схемы сравнения 1 включены схема обратной связи 3 и схема повышения порога 4, замыкающие контур шумовой автоматической регулировки. Схема повышения порога 4 связана с таймером стабилизации 5, на выходе которого включен таймер переключения режима 6. Таймер стабилизации 5, таймер выхода на режим 6 и схема сброса порога 7 связаны со схемой включения 8. На выходе импульсного формирователя 2 установлен связанный с таймером выхода на режим 6 ключ 10, выход которого является выходом устройства. На выходе импульсного формирователя 2 установлен счетчик усреднения 11, управляемый с выхода таймера стабилизации 5 и таймера переключения режима 6. На выходе счетчика 11 включен вычислитель рабочего порога 12, связанный с управляющим входом схемы повышения порога 4 и выходом таймера переключения режима 6.

На фиг. 2 показана последовательность операций способа. T₁ - время стабилизации; Т₂ - время усреднения; Т₃ - время переключения в рабочий режим; Т₄ - время работы; Т_р - время выхода на рабочий режим.

Способ осуществляется следующим образом.

В момент времени t₁ включают схему сброса порога 9, устанавливающую первоначальный уровень порога U₁ и запускающую таймер стабилизации 5 и таймер переключения режима 6. Одновременно закрывается ключ 10. В течение интервала времени T₁, задаваемого таймером стабилизации 5, после каждого срабатывания импульсного формирователя 2 схема обратной связи 3 формирует добавку ΔU, на которую увеличивают порог схемы сравнения 2, в результате чего частота шумовых срабатываний понижается, и по истечении времени T₁, задаваемого таймером стабилизации 5, процесс шумовой регулировки порога выходит на стационарный режим порога срабатывания U₂=Const. В этот момент времени t₂ включают таймер переключения режима 6 и счетчик N₂ 11, с помощью которого подсчитывают количество шумовых срабатываний N₂ в течение времени усреднения Т₂, задаваемого таймером переключения режима 6. По окончании периода Т₂ по команде с таймера переключения режима 6 останавливают счетчик 11 и передают с него число N₂ на вычислитель рабочего порога 12, с помощью которого определяют среднюю частоту f₂=N₂/T₂ шумовых превышений порога U₂ и величину рабочего порога где f₀ - частота превышения шумовым процессом нулевого порогового уровня; f_p - частота шумовых превышений рабочего порога U₄. По истечении времени Т_р=T₁+Т₂+Т₃, задаваемого таймером выхода на режим, где Т₃ - время переключения порога, открывают ключ 10 и регистрируют на его выходе срабатывания от поступающих на вход сигналов.

Период T₁ должен обеспечивать выход на стабильный режим частоты f₂. Частоту f₂ выбирают из условия, чтобы выполнялись два противоположных требования. С одной стороны, частота f₂ должна быть как можно ближе к f₀, чтобы минимизировать время выхода T₁ на режим стабилизации. С другой стороны, разница между f₂ и f₀ должна быть значимой, чтобы обеспечить необходимую точность вычисления рабочего порога. Для широкого диапазона условий отношение f₂/f₀ должно быть в пределах 0,01<f₂/f₀<0,9.

Частота f пересечения порога U нормальным процессом с дисперсией σ² и коэффициентом корреляции R(τ) определяется выражением [3]

где - частота пересечения нулевого порога.

Из (1) и фиг. 2 следует

И, соответственно,

где U₄ и f_p - рабочие значения порога и частоты шумовых срабатываний после момента t₄ выхода на рабочий режим.

Период стабилизации T₁ определяется по известной методике [3], причем T₁ и время выхода на режим Т_пр, обеспечиваемое прототипом, связаны очевидным соотношением

Пример 1. f₀=10⁷ Гц; f₂=0,8f₀=8⋅10⁶ Гц; f₄=100 Гц; Т_пр=1 с (низкая точность стабилизации). T₁=1,25⋅10^-4 с.

Время усреднения Т₂ определяется вероятностным разбросом количества срабатываний N₂. При распределении случайной величины со средним значением N по закону Пуассона (имеющему место в данном случае) ее дисперсия [4, с. 574] D_N=N, а среднеквадратическое отклонение

Относительное среднеквадратическое отклонение количества шумовых срабатываний откуда требуемое минимальное количество N₂ составляет

Пример 2. δ_N=0,02. N₂=2500.

Среднюю частоту шумовых превышений порога U₂ определяют по формуле

Откуда

Пример 3. f₂=8⋅10⁶ Гц; N₂=2500. Т₂~3⋅10^-4 с.

Если принять время переключения порога Т₃<<Т₁, то время выхода на рабочий режим при полученных выше результатах

Т_р~Т₁+Т₂~4⋅10^-4 с.

Прототип [3] обеспечивает выход на режим за 1-6 с. Таким образом, выигрыш предлагаемого способа по быстродействию составляет 2500-15000 раз.

Данный способ позволяет:

- Существенно сократить время выхода порогового обнаружителя на рабочий режим до 0,5 мс и менее.

- Обеспечить работу в частотном режиме, что существенно для ряда приложений, например, в частотных дальномерах, при обновлении информации с частотой до 1000 Гц.

- Обеспечить работу при нестационарном шуме.

- обеспечить максимальное значение отношения порог шум с высокой точностью.

Эти выводы подтверждены компьютерным моделированием и испытаниями макетных образцов. Тем самым, подтверждено решение поставленной задачи - существенное уменьшение времени выхода на рабочий режим.

Источники информации

1. US pat. №3516751. Optical radiation pulse control receiver. 1970.

2. Бурд A.M., Лейченко Ю.А., Мотенко Б.Н., Попов A.C. Температурная стабилизация фотоприемника с ЛФД // Приборы и техника эксперимента. - 1975. - №4, - С. 176-178.

3. Вильнер В.Г. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. // Оптико-механическая промышленность. - 1984 г. - №5, - С. 39-41. - прототип.

4. Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). - «Наука», М., 1973 г. - 832 с.

Изобретение относится к приему сигналов, в частности к технике выделения сигналов из шума. Технический результат изобретения заключается в сокращении времени выхода на рабочий режим порогового обнаружителя сигналов при обеспечении максимальной вероятности обнаружения сигнала. Согласно заявленному способ автоматической стабилизации частоты f пересечения порогового уровня выбросами шумового процесса путем регулирования порогового уровня в зависимости от частоты его превышений шумовым процессом, предварительно определяют частоту f₀ превышения шумовым процессом нулевого порогового уровня и максимальное среднеквадратическое значение σ_max шумового процесса, устанавливают начальный пороговый уровень U₁<mσ_max, где m<(U₁/σ) - предварительная оценка требуемого отношения порог/шум в режиме стабилизации, которому соответствует частота f₁ превышения шумовым процессом уровня U₁ и уменьшают частоту f до стабильного значения f₀>f₂>f_p, где f_p - требуемое значение частоты f в рабочем режиме, путем увеличения порога на величину ΔU после каждого превышения его шумом до тех пор, пока порог не выйдет на стабильный уровень U₂, после чего производят подсчет количества N₂ превышений порога шумовыми выбросами в течение времени усреднения Т₂, по окончании этого времени в момент t₃ регистрируют величину N₂, определяют частоту шумовых выбросов f₂=N₂/T₂ и устанавливают рабочий пороговый уровень величину Т₂ устанавливают из условия N₂>1/δ²_N, где δ_N - предельное относительное отклонение количества шумовых превышений порогового уровня от их среднего значения, величину f₂ устанавливают в пределах 0,01<f₂/f₀<0,9, а ΔU выбирают из условия где индексы означают предварительную оценку максимальных и минимальных значений величин U₃, U₁ и N₁. 2 ил.

Способ автоматической стабилизации частоты f пересечения порогового уровня выбросами шумового процесса путем регулирования порогового уровня в зависимости от частоты его превышений шумовым процессом, отличающийся тем, что предварительно определяют частоту f₀ превышения шумовым процессом нулевого порогового уровня и максимальное среднеквадратическое значение σ_max шумового процесса, устанавливают начальный пороговый уровень U₁<mσ_max, где m<(U₁/σ) - предварительная оценка требуемого отношения порог/шум в режиме стабилизации, которому соответствует частота f₁ превышения шумовым процессом уровня U₁ и уменьшают частоту f до стабильного значения f₀>f₂>f_p, где f_p - требуемое значение частоты f в рабочем режиме, путем увеличения порога на величину ΔU после каждого превышения его шумом до тех пор, пока порог не выйдет на стабильный уровень U₂, после чего производят подсчет количества N₂ превышений порога шумовыми выбросами в течение времени усреднения Т₂, по окончании этого времени в момент t₃ регистрируют величину N₂, определяют частоту шумовых выбросов f₂=N₂/T₂ и устанавливают рабочий пороговый уровень величину Т₂ устанавливают из условия N₂>1/δ²_N, где δ_N - предельное относительное отклонение количества шумовых превышений порогового уровня от их среднего значения, величину f₂ устанавливают в пределах 0,01<f₂/f₀<0,9, а ΔU выбирают из условия где индексы означают предварительную оценку максимальных и минимальных значений величин U₃, U₁ и N₁.