Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГРУППИРОВАНИЕМ НАБЛЮДЕНИЙ ПРИ ФИЛЬТРАЦИИ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
Патент на изобретение №2453990

(19)

RU

(11)

2453990

(13)

C1

(51) МПК H03L7/00 (2006.01)

G06F17/17 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ Статус: по данным на 27.08.2012 - действует Пошлина: не взимаются - статья 1366 ГК РФ

На основании пункта 1 статьи 1366 части четвертой Гражданского кодекса Российской Федерации патентообладатель обязуется заключить договор об отчуждении патента на условиях, соответствующих установившейся практике, с любым гражданином Российской Федерации или российским юридическим лицом, кто первым изъявил такое желание и уведомил об этом патентообладателя и федеральный орган исполнительной власти по интеллектуальной собственности.

(21), (22) Заявка: 2011103379/08, 31.01.2011

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

28.12.2009

Приоритет(ы):

(66) Номер(а) и дата(ы) подачи ранее

поданной(ых) заявки(ок): 2009149131 28.12.2009

(45) Опубликовано: 20.06.2012

(56) Список документов, цитированных в отчете о

поиске: ХУТОРЦЕВ В.В., ГАСАНОВ А.И. Фазовая стабилизация режима дискретизации наблюдений в задаче цифровой фильтрации частотно-модулированных сигналов. - М.: Радиотехника, июнь 2010, 6, с.10-14. RU 2365981 C1, 27.08.2009. RU 2282209 C1, 20.08.2006. US 2010/0061488 A1, 11.03.2010. US 6662000 B1, 09.12.2003.

Адрес для переписки:

344012, г.Ростов-на-Дону, ул. Фрунзе, 22-А, кв.29, В.В. Хуторцеву

(72) Автор(ы):

Хуторцев Валерий Владимирович (RU),

Гасанов Александр Иванович (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Хуторцев Валерий Владимирович (RU),

Гасанов Александр Иванович (RU)

(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ГРУППИРОВАНИЕМ НАБЛЮДЕНИЙ ПРИ ФИЛЬТРАЦИИ ЧАСТОТНО-МОДУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ

(57) Реферат:

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для фильтрации информационных процессов, передаваемых с помощью частотно-модулированных сигналов. Технический результат заключается в повышении точности обработки за счет адаптивного группирования наблюдений в процессе фильтрации частотно-модулированных сигналов. Сущность изобретения заключается в предсказании оценки модулирующего сигнала на i-м (i=1, 2, ) интервале экстраполяции длительностью h, определении на этом интервале зависящей от предсказанной оценки производной опорного радиосигнала, синхронной дискретизации по времени этой производной и входного сигнала с частотой F> 1 / h , определении произведений их отсчетов, формировании на i-м интервале экстраполяции сигнала, пропорционального сумме этих произведений, уточнении с ее помощью предсказанной оценки модулирующего сигнала, модулировании по частоте с помощью предсказанной оценки модулирующего сигнала импульсного сигнала, управляющего дискретизацией входного сигнала и производной опорного радиосигнала. 4 ил.

Объектом изобретения является способ управления группированием наблюдений при фильтрации частотно-модулированных сигналов. Предлагаемый способ относится к радиотехнике, поскольку задача фильтрации частотно-модулированных сигналов имеет существенное значение для большого класса радиотехнических систем приема и обработки сообщений.

Известен способ управления группированием наблюдений [1]. Его недостатком является отсутствие согласования между режимом дискретизации наблюдений с текущими частотными характеристиками передаваемого сигнала, оцениваемыми в ходе фильтрации.

Отсутствие такого согласования может существенно сказываться на качестве обработки в задачах фильтрации частотно-модулированных сигналов, когда период принимаемых колебаний варьируется в широких пределах, а частота дискретизации остается неизменной.

Известен также способ управления группированием наблюдений [2], заключающийся в предсказании оценки модулирующего сигнала на i-м (i=1, 2, ) интервале экстраполяции длительностью h, определении на этом интервале зависящей от нее производной опорного радиосигнала, синхронной дискретизации по времени этой производной и входного сигнала с частотой F> 1 / h , не зависящей от оценки модулирующего сигнала, определении их произведений, формировании на i-м интервале экстраполяции сигнала, пропорционального сумме этих произведений, уточнении с ее помощью предсказанной оценки модулирующего сигнала.

Он также не предусматривает согласования между режимом дискретизации и оцениваемыми частотными характеристиками сигнала.

Целью изобретения является повышение точности обработки за счет адаптивного группирования наблюдений в процессе фильтрации частотно-модулированных сигналов.

Сущность изобретения заключается в предсказании оценки модулирующего сигнала на i-м (i=1, 2, ) интервале экстраполяции длительностью h, определении на этом интервале зависящей от нее производной опорного радиосигнала, синхронной дискретизации по времени этой производной и входного сигнала с частотой F> 1 / h , определении их произведений, формировании на i-м интервале экстраполяции сигнала, пропорционального сумме этих произведений, уточнении с ее помощью предсказанной оценки модулирующего сигнала, модулировании по частоте с помощью предсказанной оценки модулирующего сигнала импульсного сигнала, управляющего процессом дискретизации.

Сравнительный анализ заявляемого способа и описанного способа управления группированием наблюдений показывает следующие существенные отличия заявляемого способа:

1. Вводится управление шагом дискретизации, а следовательно, и частотой дискретизации наблюдений, зависящее от оценки модулирующего процесса;

2. Вводится управление объемом накапливаемой выборки при группировании наблюдений;

3. Способ характеризуется наличием дополнительных действий над материальными объектами:

- для каждого интервала экстраполяции в соответствии с прогнозируемой оценкой частоты радиосигнала осуществляется частотная модуляция импульсного сигнала, управляющего режимом дискретизации наблюдаемого процесса.

Теоретическое обоснование способа группирования наблюдений при фильтрации частотно-модулированных сигналов [3].

Под группированием наблюдений при обработке сигналов понимают объединение на интервале предсказания (экстраполяции) информационного (модулирующего) процесса нескольких отсчетов наблюдаемого сигнала. Такое объединение оказывается возможным в силу того, что частота принимаемого радиосигнала гораздо больше, чем полоса частот, занимаемая модулирующим сигналом. Иными словами, информационный процесс оказывается гораздо более «медленным», чем наблюдаемый радиосигнал, и для своего представления требует существенно меньшей частоты дискретизации.

Обозначим через h длительность интервала экстраполяции, а через - шаг дискретизации входного процесса по времени, тогда группирование наблюдений будет характеризоваться коэффициентом группирования k= h / .

Обычно шаг дискретизации входного процесса по времени при группировании наблюдений выбирается с таким расчетом, чтобы обеспечить 6-10 отсчетов на один период колебаний [4].

Дальнейшее наращивание количества отсчетов с учетом наличия флуктуационной ошибки практически не ведет к увеличению точности представления сигнала.

На Фигуре 1 представлены графики зависимости

где - относительное значение среднеквадратического отклонения, обусловленного флуктуационной ошибкой;

k T - число отсчетов на один период колебаний; s(x,k T ) - линейная аппроксимация функции sinx с равномерным распределением отсчетов на [0,2 ], для различных значений .

Из графиков следует, что при k T >8 точность представления сигнала меняется незначительно.

Для задач частотной модуляции период колебаний радиосигнала постоянно варьируется. Поэтому известные способы управления группированием наблюдений предполагают выбор шага и частоты дискретизации, исходя из значения несущей частоты радиосигнала 0

,

где .

Количество отсчетов, приходящихся на один период колебаний радиосигнала, при этом меняется во времени: k T (t), а коэффициент группирования наблюдений k, напротив, остается неизменным.

Для повышения точности обработки при заданных вычислительных затратах необходимо, чтобы количество отсчетов, приходящихся на один период колебаний с частотой (t) (частотой модулированного сигнала), оставалось неизменным k T =const. При этом величина шага дискретизации по времени = (t) при группировании наблюдений меняется таким образом, чтобы инвариантным оставался фазовый шаг дискретизации

При фильтрации сигналов с группированием наблюдений для предсказания информационного процесса (t) используется конечно-разностная схема с шагом h, величина которого определяется верхней границей частотного диапазона . Поскольку при частотной модуляции, как правило,

где - коэффициент девиации; mах - максимальное значение модулирующего сигнала, то

Таким образом, внутри интервалов экстраполяции длительностью h осуществляется группирование наблюдений, дискретизация которых проводится с шагом (t). При этом коэффициент группирования

где [·] - означает целую часть числа, меняется во времени.

Учитывая, что для i-го интервала экстраполяции может быть предсказана оценка частоты (t)= 0 + (t), которая приближенно полагается неизменной для этого интервала , получаем

где k i и i соответственно коэффициент группирования наблюдений,

и шаг дискретизации для i-го интервала экстраполяции; - предсказанная на

i-м интервале экстраполяции оценка модулирующего сигнала.

Отметим, что для известных способов управления группированием наблюдений коэффициент группирования наблюдений k=const.

Структурная схема устройства, реализующего способ группирования наблюдений при фильтрации частотно-модулированных сигналов, представлена на Фигуре 2. На ней использованы следующие обозначения:

1 - первый ключ с информационным 1 1 и управляющим 1 2 входами;

2 - перемножитель со входами 2 1 и 2 2 ;

3 - накапливающий сумматор с информационным 3 1 и управляющим 3 2 входами;

4 - третий ключ с информационным 4 1 и управляющим 4 2 входами;

5 - блок оценивания с информационными 5 1 , 5 2 входами;

6 - генератор непрерывной оценки;

7 - второй ключ с информационным 7 1 и управляющим 7 2 входами;

8 - первая линия задержки;

9 - вторая линия задержки на время h;

10 - генератор опорного сигнала;

11 - второй генератор импульсов с периодом следования импульсов h;

12 - частотный модулятор с информационным 12 1 и управляющим 12 2 входами;

13 - экстраполятор;

14 - первый генератор импульсов.

Устройство, представленное на Фигуре 2, работает следующим образом.

Входное наблюдение (t) поступает на информационный вход 1 1 ключа 1. Отсчеты входного наблюдения с его выхода поступают на вход 2 1 перемножителя 2, на вход 2 2 которого поступают отсчеты производной опорного сигнала с выхода ключа 2. Результаты перемножения последовательно подаются на информационный вход 3 1 накапливающего сумматора 3, в котором осуществляется формирование суммы из k i элементов.

Результаты суммирования с выхода блока 3 поступают на вход 4 1 ключа 4, и далее на вход 5 1 блока оценивания 5, где осуществляется их взвешенное суммирование с предсказанной оценкой модулирующего сигнала, подаваемого на вход 5 2 с выхода экстраполятора 13.

Кроме того, в течение интервала экстраполяции предсказанная оценка с выхода блока 13 поступают на вход 12 2 модулятора 12 и на вход генератора опорного сигнала 10.

С выхода блока 10 опорный сигнал поступает на вход ключа 7 и далее с частотой, зависящей от предсказанной оценки модулирующего сигнала, на вход блока 2.

Управление частотой дискретизации входного и опорного сигналов осуществляется за счет частотной модуляции импульсов, поступающих с генератора 14 на вход 12 1 модулятора 12. Частотно-модулированные импульсы с выхода модулятора 12 подаются на управляющие входы 1 1 и 7 2 соответственно ключей 1 и 7.

Модулятор 12 формирует на своем выходе импульсный сигнал частотой , где 0 - частота радиосигнала; F 0 =k T 0 - частота импульсной последовательности, формируемой генератором 14.

Генератор 11, подавая импульсы на вход 4 2 ключа 4, обеспечивает выдачу на блок 5 результатов суммирования с блока 3 с частотой 1 / h . Эти же импульсы, проходя через линию задержки 8 и поступая на вход 3 2 сумматора 3, сбрасывают его в нулевое состояние. Время задержки h 8 , обеспечиваемое линией 8, должно с одной стороны удовлетворять условию h 8 <
Выходной сигнал блока оценивания 5, поступая через линию задержки 9 на вход блока 13, обеспечивает предсказание на h оценки модулирующего сигнала. Кроме того, по выходному сигналу блока оценивания 5 в блоке 6 проводится восстановление непрерывного сигнала оценки.

Результаты вычислительного эксперимента [3]

Модель модулирующего сигнала:

где первая компонента 1 имеет смысл речевого сообщения [4];

=1300; =35000; n - формирующий шум, у которого М[n (t)]=0;

M[n (t)n (t- )] = N ( ); N = 6·10 -5 ;

n - формирующий шум, определяющий нестабильность фазы радиосигнала;

M[n (t)]=0; М[ (t)n (t- )]=H ( ); N =3·10 -2 ; =60;

=V·2 ·10 5 ;

- коэффициент девиации (значения V в процессе численного эксперимента будут полагаться равными 0.5, 1, 1.5).

Здесь и далее параметры приведены в безразмерных величинах. Частотный диапазон 1 (t) по уровню 0.5 составляет [200, 6000].

Модель радиосигнала:

где n(t) - шум наблюдения, у которого

М[n(М)]=0, M[n(t)n(t- )]=N 0 ( );

a=1, 0 =2 ·10 -6 , N 0 =10 -8 .

Модель дискретного фильтра частотно-модулированного сигнала, построенного на базе предлагаемого способа.

Предсказание модулирующего сигнала на i-м интервале экстраполяции [t i-1 , t i-1 +h]:

где , , - предсказываемые оценки.

Определение параметров управления режимом группирования наблюдений:

,

где - предсказываемая частота радиосигнала.

Формирование суммы из k i произведений отсчетов входного наблюдения и производной опорного радиосигнала внутри i-го интервала экстраполяции:

Формирование апостериорной оценки модулирующего сигнала путем взвешенного суммирования предсказанной оценки и суммы r i :

где

K 1 , K 2 , K 3 - весовые коэффициенты, определенные из решения уравнения Риккати; в рассматриваемых условиях К 1 =0.03, К 2 =0.037, К 3 =0.037.

Вычислительный эксперимент проводился в среде MathCAD.

Моделирование (11), (12) осуществлялось по схеме Эйлера с шагом 2·10 -8 . Для задания шумовых процессов использовались датчики нормально распределенных случайных чисел. Полагалось, что

t [0,4·10 -3 ]; h=2·10 -7 ; k T =10, 11, , 40; V=0.5, 1, 15.

Вид фрагмента зависимости компоненты 1 модулирующего сигнала и ее оценки от времени при k T =10, V=1 представлен на Фигуре 3.

По результатам моделирования оценивалось усредненное значение шага дискретизации

где М=2·10 5 .

Полученное значение использовалось при фильтрации тех же самых реализаций модулирующего сигнала (11), (12), но с использованием фильтра, построенного на основе известного способа управления группированием наблюдений, для которого в отличие от (15), (16)

Условие (20) соответствует условию равенства объема вычислительных затрат при реализации обеих процедур фильтрации.

Для обоих случаев рассчитывалась выборочная дисперсия оценок

где D 1 - соответствует фильтрации на основе предлагаемого способа управления группированием наблюдений;

D 2 - соответствует фильтрации на основе известного способа.

Графики зависимости

для различных k T и V представлены на Фигуре 4.

Выигрыш в точности обработки имеет место для всего диапазона вариаций k T и V.

Вывод: фильтр частотно-модулированных сигналов, построенный на основе предлагаемого способа управления группированием наблюдений при сопоставимых вычислительных затратах, обеспечивает выигрыш в точности обработки (в условиях вычислительного эксперимента до 24%) по сравнению с аналогичным фильтром, использующим известный способ управления группированием наблюдений.

Источники информации

1. Харисов В.Н., Эфендиев Р.Н. Алгоритмы нелинейной фильтрации с группированием наблюдений. - Изд. вузов. Радиоэлектроника, 1989, т.32, 8 с.29-33.

2. Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. М.: Радио и связь. 1991.

3. Хуторцев В.В., Гасанов А.И. Фазовая стабилизация режима дискретизации наблюдений в задаче цифровой фильтрации частотно-модулированных сигналов. - Радиотехника, 6, 2010.

4. Тихонов В.И., Кульман Н.К. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов. М.: Сов. радио, 1975.

Формула изобретения

Способ управления группированием наблюдений при фильтрации частотно-модулированных радиосигналов, заключающийся в предсказании оценки модулирующего сигнала на i-м (i=1, 2, ) интервале экстраполяции длительностью h, определении на этом интервале зависящей от предсказанной оценки производной опорного радиосигнала, синхронной дискретизации по времени этой производной и входного сигнала с частотой F> 1 / h , определении произведений их отсчетов, формировании на i-м интервале экстраполяции сигнала, пропорционального сумме этих произведений, уточнении с его помощью предсказанной оценки модулирующего сигнала, отличающийся тем, что предсказанная на i-м интервале экстраполяции оценка модулирующего сигнала модулирует по частоте импульсный сигнал, управляющий дискретизацией входного сигнала и производной опорного радиосигнала.

РИСУНКИ