Устройство для цифрового анализа частоты сигналов Советский патент 1993 года по МПК G01S13/58 

С

Ф$г Ф5 /7

&/е.1

Изобретение относится к радиоизмери- тёльной технике и может быть использовано в РЛС в системах траекторией обработки для определения скорости и ускорения объектов 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 i 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 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 параметров частоты f0 и f (с выхода блока 2); значения дисперсии замеров S , характеризующие 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 д); на фиг.З приведены сравнительные за- ВИСИМ.ОСТИ 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

времени, соответствующие положительным (или отрицательным) переходам напряжения входного сигнала через нулевой уровень (моменты реализации нуль-пересечений). 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

5 выборка объемом N нуль-пересечений:

Щ, П2,...П|...ПМ.

По окончании интервала наблюдения Тн осуществляется перезапись содержимого регистра 1-4 в буферный регистр 1-5, после 0 чего цикл аналого-цифрового преобразования повторяется (например, в очередных тактах работы РЛС).

В блоке 2 производится оценка сгла- кенных значений частоты входного сигнала 5 fj и параметров функции ее изменения: f0 - начального значения, и f - производной, по выборке замеров нуль-пересечений ni, где f| To + ft|.

Чтобы обеспечить минимальные ошиб- 0 ки в Оценке параметров, используется ме- тод наименьших квадратов.

Применимость данного метода обусловлена тем, что в большинстве случаев наблюдения ш являются независимыми, а 5 погрешности единичных замеров распределены по нормальному закону с нулевым средним и дисперсией т02.

Даже если распределение ошибок неизвестно, решение, полученное методом наи- 0 меньших квадратов, дает несмещенную оценку с минимальной дисперсией.

Замеры щ последовательно (т. ,... пм) из буферного регистра 1-5 поступают на умножитель 2-1. Съем информации может 5 осуществляться с помощью синхроимпульсов.

В блоке 2-1 производится пересчет замеров нуль-пересечений в значения мгновенной частоты сигнала 0

П|

f|

То

ni(N-1);

- щ К.О

I hi

где Т0 - интервал накопления 1-го замера ni (дискретность времени отсчета):

т - Ти i/ - 1 Т° Ко То

константа.

Блок 2-1 может быть выполнен в виде умножителя щ на константу К0.

Значения fi последовательно поступают на схему обработки, реализующую метод наименьших квадратов (блоки 2-2...2-11) и на блок 3 вычисления дисперсии.

В соответствии с методом наименьших квадратов, оценки определяются по формулам

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.

NN N N

(2t)-(2f.)-(2t,)-(2 t,f.)

Vj 1 /

N

A

-

N i -( i t, )2

1 1 м 1

NN N

2 t,f,-( 2 t,) ( 2 f. ) 1 м 1 /xi i 7

NN

где fi - замеры частоты сигнала в моменты времени.

Принимая ti 0; ti+i - ti Т0; ti (i - 1)T0, после соответствующих преобразований получим для значений оценок следующие выражения:

NN

fo Ki 2 fi-K22 fi;

1 1i 1

A NN

f Ka I, fi-K4Ј ifi.

1

где Ki, K2, Кз, К4- константы, определяемые по формулам:

(TsT-2) (3 N - 1 У

10 N-2

N(N -2 ) (3 N - 1 ) .

6 ( N + 1 у

T0(N -1 ) (N -2) (3N -1 )

T0(N-1)(N-2)(3N-1)

Так как обьем 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 ifi 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, используемых для считывания замеров из буферного регистра 1-5.

(2)

N

NN

2 rf-( 2 )

1 1. vi i x

С помощью накапливающих сумматоров 2-4 и 2-5 формируются суммы

Ifi

I

i -

I 1

fi. Блоки 2-6, 2-7, 2-8 и 2-9 обеспе3)

чет ее,

зуокетем аюа i. оке иде ых ги25

ые

30

35

40

50

чивают умножение полученных сумм на соответствующие константы Ki, К2, Кз. K-q. Выполнение данных блоков аналогично блоку 2-1, Окончательно оценки параметров f о и 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.

/V

Значения fi вычисляются по формуле

АЛЛА А А

fi fo + tif - fo + (I - 1)T0f fo + (i - 1)K0f, где Ко ----

I о

TH

В блоке умножителя 2-12 формируется значение K0f. а в блоке накапливающего сумматора .3 - значения (i - 1)К0т путем последовательного накопления величин КоТ то есть 0, K0t 2K0t ... (N - 1)K0f . Блок 2-12 5 может быть выполнен на основе умножителя, а блок 2-13 - на основе накапливающего сумматора.

Окончательно оценки текущих значений частоты fj формируются на выходе сумматора 2-14 путем сложения составляющих Т0, поступающих с блока 2-10 и значений (i - 1)КоТ:

55

Л ЛI

fi f,, + («- 1)K0f.

Значения оценок fj выдаются на вычисления дисперсии, на который с блока 2-1 поступают также результаты текущих замеров частоты fj. Значения дисперсии S

характеризуют точность и достоверность полученных замеров частоты сигнала.

Вычисление дисперсии осуществляется в соответствии с выражением

S(f.-fi)2 K5 1 1

I 1

(fi -fl)fi, (4)

где Ks- константа, КБ N 2

В соответствии с выражением (4) в блоке вычитания 3-1 формируется разность Afi fi - fi, в блоке 3-2 величины Afi возводятся в квадрат, а в накапливающем

сумматоре 3-3 формируется сумма 2) (fi-fi)2.

1 1 Полученная сумма в блоке умножается

на константу Ks N 2 и в результате

получаем значение дисперсии S2, которое выдается на выход устройства и используется в дальнейшем в ходе вторичной траекторией обработки. Блоки 3-2 и 3-4 могут быть выполнены на основе умножителя и квадра: тора.

Кроме того, значения дисперсии S поступают 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. Пои этом возрастает значение дисперсии S и, если она превысит некоторый порог ц, то есть S2 /, полученные оценки параметров частоты необходимо исключить из дальнейшей обработки.

Величина порога выбирается следующим образом.

Учитывая требования к качеству с по- следующей траекторией обработки (по обнаружению и сопровождению траектории цели), задаются допустимая погрешность измерения мгновенной частоты Лтдоп f - f и вероятность Р невыхода результата теку- щего измерения за пределы этого допуска. Используя априорные данные о функции распределения мгновенной частоты (см. фиг. 2), определяется допустимое значение дисперсии ошибки измерения Одоп, при ко- тором с заданной вероятностью Р ошибка измерения частоты еще не выйдет за пределы допуска и которое принимается за пороговую величину, то есть ОДОп г. Величина порога / рассчитывается до про- ведения измерений частоты и записывается в пороговый блок в виде константы.

Таким образом, на блок 4 поступает значение дисперсии замеров частоты Sz и срав- чивает значение дисперсии S

нивается с порогом S2 п. Если порог превышен оценки параметров частоты сигнала f о и f считаются недостоверными и не должны учитываться в ходе последующей траекторией 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:

Wfc)

да

2 (да )3/2

iFi

Т 1

сг1

1 +

а да

- Л 2

где ш - 2 nf - круговая частота;

п -- - отношение сигнал/помеха;

7о

U - амплитуда полезного сигнала; оь - СКО помехи;

iFi(.) - гипергеометрическая функция; ширина спектра частоты помехи; для гауссовского фильтра приемник

« Дадэ

бон , ,

Д(УЭ - эквивалентная полоса пропускания гауссовского фильтра.

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

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

бСТЬ ДЛЯ I - --я--.

Метод наименьших квадратов обеспе %

-w . где

f o2 дисперсия единичного замера. Оценка дисперсии в прототипе Sn выражается следующим образом:

Sn2 +

Of

ТЙ

где - дисперсия оценки величины f0;

о - дисперсия оценки производной частоты f;

TH (N-1)T0.

Используя соотношение (1), можно получить:

202,

Дт2

(М-1)о

Оо . oS

N

+

Тогда Sn

d

+ а0.

На фиг. 3 приведены сравнительные зависимости дисперсии оценки, получаемой методом наименьших квадратов(S2fи методом, используемым в прототипе (Sn ).

- 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 нуль- пересечений и выход буферного регистра, отличающееся 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 перемножи- 5 тель на константу, выход которого является выходом блока вычисления дисперсии, первым и вторым входами которого соответственно являются первый и второй входы блока вычитания.

0 2. Устройство по п.1,отличающее- с я тем, что блок оценки частоты содержит перемножитель, с первого по шестой перемножители на константы, первый и второй блоки вычитания, формирователь номера

5 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

0 входом второго накапливающего сумматора, выход формирователя номера замера соединен с вторым входом перемножителя, выход которого соединен с входом первого накапливающего сумматора, выход кото5 рого соединен с входами второго и пятого перемножителей на константы, выход второго накапливающего сумматора соединен с входами третьего и четвертого перемножителей на константы, выходы

0 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 пе5 ремножителей на константы соединены соответственно с первым и вторым входами второго блока вычитания, выход которого через последовательно соединенные шестой перемножитель на константу и второй

0 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 пе5 ремножителя на константу, выход сумматора, выход первого перемножителя на константу и выходы первого и второго блоков вычитания.

2 Ч

О 1 pve.2

ZЈa) 0 fOO 200 300 400 500

flt/г.З