WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 | 3 |

На правах рукописи

Бородич Ёла Юлиановна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛОВ В УСЛОВИЯХ АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ПРИ ПАНОРАМНОМ ОБЗОРЕ ШИРОКОЙ ПОЛОСЫ ЧАСТОТ

Специальность: 05.12.04 – Радиотехника, в том числе системы и устройства
телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Санкт-Петербург – 2008

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете “ЛЭТИ” им. В.И.Ульянова (Ленина)

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор В. А. Богданович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор В. В. Леонтьев

кандидат технических наук, профессор В. А. Аладинский

Ведущая организация Новосибирский государственный

технический университет

Защита диссертации состоится «____» ___________ 2008 года в часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций
Д 212.238.03 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета “ЛЭТИ” им. В.И. Ульянова (Ленина) по адресу: 197376,
С.-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан « » ____________ 2008 года.

Ученый секретарь совета по защите

докторских и кандидатских диссертаций С. А. Баруздин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Под панорамным обзором понимается наблюдение за радиоэфиром в широком диапазоне частот, он включает в себя большое количество этапов и требует использования целого ряда алгоритмов. В диссертационной работе рассмотрены задачи панорамного обзора, связанные с обнаружением сигналов в широкой полосе частот.

Как правило, в широкой полосе частот на фоне аддитивного шума присутствуют несколько узкополосных радиосигналов. Априорные сведения о количестве сигналов, их несущих частотах, способе и параметрах модуляции отсутствуют. В связи с тем, что узкополосные сигналы хорошо разделяются по частоте, решение задач панорамного обзора производится в частотной области.

Существующий опыт практического использования традиционных алгоритмов панорамного обзора показывает недостаточную устойчивость их показателей качества в современной радиоэлектронной обстановке (РЭО).

В широком частотном диапазоне одновременно на разных частотах существуют источники радиоизлучений, которые по мощности отличаются друг от друга на порядки. Поэтому при обнаружении слабых сигналов в широкой полосе необходимо производить подавление внеполосных помех.

Традиционно с этой целью применяют метод временного окна. Одним из основных его недостатков является невозможность адаптации к существующей РЭО. Это приводит к энергетическим потерям по полезному сигналу, которых можно было бы избежать при избирательном подавлении. В связи с этим разработка методики, которая позволяет проводить адаптивное подавление внеполосных помех и за счет этого повышать вероятность обнаружения полезного сигнала, является актуальной и востребованной задачей.

Характеристики традиционных алгоритмов обнаружения при панорамном приеме в широком частотном диапазоне существенно ухудшаются при расширении спектра сигнала за счет модуляции. Для увеличения эффективности панорамного обзора следует использовать алгоритмы обнаружения, показатели качества которых не зависят от формы сигнала. Поэтому в работе рассмотрена задача синтеза алгоритма обнаружения сигнала с априорно неопределенной формой при наличии внеполосных помех.

В настоящее время помимо традиционных узкополосных сигналов все чаще используются сигналы от источников, работающих в режиме псевдослучайной перестройки рабочей частоты (далее сигналов с ППРЧ). В диссертационной работе подробно рассмотрены представленные на настоящий момент в литературе методы обнаружения сигналов с ППРЧ. Эти подходы либо не учитывают возможности наличия в наблюдаемой выборке мешающих сигналов со стационарной несущей частотой, либо используют пространственные параметры для устранения таких сигналов.

Основываясь на наблюдениях современной РЭО можно заключить, что ситуация работы сигнала с ППРЧ в широкой полосе частот при отсутствии мешающих сигналов является маловероятной. Для устранения мешающих сигналов на основе оценок направления требуется наличие сложной антенной системы. В то же время проблема обнаружения сигналов с ППРЧ в сложной РЭО требует решения и в тех случаях, когда нет возможности использования антенных систем. В связи с этим задача разработки алгоритма обнаружения сигналов с ППРЧ на фоне шума и мешающих сигналов без использования оценок направления является актуальной.

Цель работы. Целью диссертационной работы является повышение эффективности обнаружения сигналов при наличии внеполосных помех. Повышение эффективности обнаружения сигналов априорно неопределенной формы, т. е. при неопределенности типа и параметров модуляции. Повышение устойчивости обнаружения сигналов с ППРЧ к наличию мешающих сигналов без использования оценок направления прихода сигналов.

Основные методы исследования. Для решения поставленной задачи применялись методы оптимального статистического синтеза, теории проверки статистических гипотез и теории инвариантности. Экспериментальные исследования выполнены методом полунатурного моделирования с использованием записей сигналов широкополосных приемников.

Научная новизна. Разработана методика подавления внеполосных помех при панорамном обзоре, которая позволяет повысить вероятность обнаружения сигнала при наличии мощных мешающих сигналов. Разработан алгоритм обнаружения сигнала с априорно неопределенной формой при панорамном обзоре, который позволяет повысить устойчивость характеристик алгоритма к изменениям формы сигнала. Разработан алгоритм обнаружения сигнала с ППРЧ при наличии мешающих сигналов, который не требует проведения оценок направления прихода сигналов.

Основные положения, выносимые на защиту:

- методика подавления внеполосных помех в широком диапазоне частот при априорной неопределенности параметров мешающих сигналов;

- алгоритм обнаружения сигнала априорно неопределенной формы при наличии внеполосных помех;

- алгоритм обнаружения сигнала с ППРЧ при наличии мешающих сигналов.

Практическая ценность работы состоит в повышении вероятности обнаружения сигналов при наличии внеполосных помех, за счет применения алгоритма подавления, адаптивного к параметрам существующих мешающих сигналов; повышении вероятности обнаружения сигнала априорно неопределенной формы; решении задачи обнаружения сигналов с ППРЧ при наличии мешающих сигналов и без использования оценок направления.

Внедрение результатов работы осуществлено на ФГУП «НИИ «Вектор»
(г. СПб) в ряде инициативных научно-исследовательских работ, а также в ОКР на предприятии ОАО «Интелтех» (г. СПб).

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись и обсуждались:

- на VIII международной конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2006», Новосибирск, 2006 г.;

- на 61 научно-технической конференции, посвященной Дню радио, Спб, СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2006 г.;

- на конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2007 г.;

- на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПБГЭТУ «ЛЭТИ», 2007, 2008 гг.

Публикации. По теме работы опубликовано 9 научных работ, из них 5 статей (4 статьи опубликованы в научных изданиях, определенных ВАК) и 4 публикации в материалах международных и российских научно-технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 50 наименований. Основная часть работы изложена на 130 страницах машинописного текста. Работа содержит 66 рисунков и 4 таблицы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определено направление исследований, обоснована их актуальность, сформулирована цель диссертационной работы, отмечена ее практическая значимость.

В первой главе приведено описание задач панорамного обзора, рассматриваемых в работе, и определены методы их решения.

Во второй главе предложена методика подавления внеполосных помех при панорамном обзоре, основанная на применении принципа инвариантности.

Спектр одиночного фрагмента дискретной синусоиды является периодической непрерывной функцией частоты, которая имеет лепестковую структуру. При решении задачи обнаружения сигнала в заданной частотной области боковые лепестки от передач, несущие частоты которых находятся за пределами области обнаружения, являются внеполосными помехами. Традиционно для подавления внеполосных помех применяются временные окна. В этом случае перед расчетом дискретного преобразования Фурье (ДПФ) наблюдаемая выборка умножается на оконную функцию, которая должна спадать к краям сегмента, что приводит к снижению уровня боковых лепестков. В работе предложен альтернативный способ.

Для того чтобы не затенять сути разработанной методики подавления, она представлена на примере задачи обнаружения на заданной частоте гармонического сигнала с неизвестной фазой при наличии внеполосных помех и белого гауссовского шума. Основным требованием к методике подавления является независимость характеристик обнаружения сигнала при наличии помех от их параметров.

Методика подавления внеполосных помех заключается в следующем:

1. Выборка из помехи в частотной области представляется как линейная комбинация комплексных базисных сигналов,, которые определяют подпространство помех, т.е. помеха аппроксимируется в виде

, (1)

где, – априорно неопределенные комплексные коэффициенты.

Для построения ортонормированного базиса в качестве исходных линейно независимых векторов в частотной области были приняты спектры усеченных во времени гармонических сигналов с частотами,, их протяженность по частоте ограничена интервалом [–,+]. Параметры,,, подпространства являются варьируемыми.

2. Производится выбор параметров подпространства, для этого решается задача многопараметрической оптимизации. Минимизируются потери по полезному сигналу при обеспечении необходимого уровня подавления помех. Для этого предложено использовать метод последовательных приближений.

3. В соответствии с общей методикой синтеза равномерно наиболее мощных (РМН) инвариантных алгоритмов обнаружения сигналов отыскивается оптимальный алгоритм обнаружения сигнала при наличии внеполосных помех в классе тех алгоритмов, которые не зависят от параметров внеполосных помех.

В соответствии с представленной методикой в главе 2 получен РНМ алгоритм обнаружения гармонического сигнала, инвариантный к параметрам внеполосных помех. Для преодоления априорной неопределенности параметров помех она представлена в форме воздействия на наблюдаемую выборку преобразования из группы преобразований сдвига, относительно которой семейство распределений наблюдаемой выборки является симметричным. Найден максимальный инвариант (МИ) группы преобразований сдвига, который не зависит от параметров помехи. Согласно принципу инвариантности инвариантный алгоритм выражается через МИ. Показано, что распределение МИ обладает монотонным отношением правдоподобия, следовательно, полученный инвариантный алгоритм является РНМ.

Решающая функция этого алгоритма имеет вид

, (2)

где – наблюдаемая выборка в частотной области, – заданный вектор, определяющий форму спектра сигнала, вектор ­– ортогональная проекция вектора в подпространство.

Порог задается в виде, где – пороговая константа, которая вычисляется исходя из заданного уровня вероятности ложной тревоги, – оценка уровня шума, разработанная на предприятии ФГУП «НИИ Вектор», обеспечивающая стабильное значение вероятности ложной тревоги при наличии сигнальных компонент в полосе панорамного обзора.

В работе показано, что алгоритм (2) обеспечивает инвариантность вероятности ложной тревоги и правильного обнаружения к воздействию внеполосной помехи. А так же, что в случае полной априорной неопределенности расположения частот мешающих сигналов, разработанный алгоритм (2) при использовании соответствующего подпространства не выигрывает и не проигрывает методу временного окна (для конкретизации рассмотрено окно Наттолла).

Предложенная методика подавления помех, в отличие от метода временного окна при наличии информации о частотах и уровнях мешающих сигналов, позволяет ее использовать путем соответствующего выбора параметров,,, и обеспечить подавление только в заданной частотной области. В результате появляется возможность построения адаптивного алгоритма подавления.

Полезный сигнал «маскируется» помехами, возникающими от мощных мешающих сигналов, параметры которых могут быть оценены. В связи с этим предложено производить оценивание несущих частот мешающих сигналов и их уровней по ДПФ наблюдаемой выборки. После этого с использованием предложенной методики организовывать подавление помех только от соответствующих мешающих сигналов.

Работа адаптивного алгоритма рассмотрена на конкретном примере. В наблюдаемой выборке присутствуют два мешающих сигнала, один справа и один слева от полезного сигнала. Оценки несущих частот, проведенные по ДПФ, составляют, (частота дана относительно шага ДПФ), а отношение
помеха/шум 70 дБ и 85 дБ соответственно.

Подавление помех следует обеспечить в областях и, где – ошибка оценивания частоты. Уровень необходимого подавления 80 дБ и
95 дБ для боковых лепестков левого и правого мешающих сигналов соответственно.

В результате вариации получены следующие параметры искомого подпространства : =11, =13 и = + (-6.04; -5.75; -5.3; -4.85; -4.4; -4; 6; 6.25; 6.6; 7; 7.4; 7.75; 8). Энергетические потери по полезному сигналу составили
0.8 дБ. Показано, что вероятность ложной тревоги обладает необходимой устойчивостью к наличию помех.

Проведено сравнение характеристик алгоритмов обнаружения с адаптивным подавлением по оценкам, с подавлением окном Наттолла и потенциально-оптимального алгоритма в случае отсутствия помех. Эти характеристики приведены на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость вероятности обнаружения от отношения сигнал/шум

Адаптивный алгоритм при вероятности обнаружения 0.8 по пороговому отношению сигнал/шум выигрывает у алгоритма с подавлением окном 2 дБ и проигрывает потенциально-оптимальному 1дБ.

Pages:     || 2 | 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»