Проведено порівняльний аналіз характеристик систем межперіодной обробки многочастотного сигналу на тлі пасивних перешкод для різних варіантів об'єднання частотних каналів при когерентном режектірованіі перешкод і подальшому некогерентному накопиченні залишків режектірованія.

Анотація наукової статті з електротехніки, електронної техніки, інформаційних технологій, автор наукової роботи - Попов Дмитро Іванович


Analysis of Multi-Frequency Signal Processing Systems

A processing system of multi-frequency signals on the background of correlated (passive) interference is considered. The article presents a comparative analysis of characteristics of multi-processing systems of interperiod processing with various multiplex systems on coherent rejection of interference and subsequent non-coherent accumulation of rejection results. The criteria used in the analysis are high-speed and power characteristics as well as processing system detection characteristics. The analysis of the various options for building of multi-frequency interperiod processing systems with non-coherent accumulation makes it possible to evaluate the advantages and disadvantages of these systems. Frequently practiced algorithm of interference rejection after multiplexing provides the best speed performance, but it gives way to the schemes carrying out interference separate rejection in each frequency channel, which, in turn, can significantly improve signal detection conditions for blind target speeds as compared to single frequency systems.


Область наук:

  • Електротехніка, електронна техніка, інформаційні технології

  • Рік видавництва: 2017


    Журнал

    Известия вищих навчальних закладів Росії. Радіоелектроніка


    Наукова стаття на тему 'АНАЛІЗ СИСТЕМ ОБРОБКИ багаточастотного набору'

    Текст наукової роботи на тему «АНАЛІЗ СИСТЕМ ОБРОБКИ багаточастотного набору»

    ?posed the mixture. The allocation is from the simple to the more complex signals. After the detection of the individual signal in's pulses are removed from the mixture, and the analysis is repeated.

    The results of the processing of signal (Fig. 6), including pulse sequences from several sources (Fig. 5) are given.

    Key words: Selection, Pulse Repetition Period, Radio Control, Radio-Electronic Situation, The Histogram Of Differences

    REFERENCES

    1. Mardia, H. K. New techniques for the deinterleaving of repetitive sequences. IEE Proceedings F-Radar and Signal Processing. 1989, vol. 136, no. 4, pp. 149-154.

    2. Wiley R. G. Electronic intelligence: the analysis of radar signals. Dedham, MA, Artech House, Inc. 1982, vol. 1, 250 p.

    3. Korotkov V. F., Raspoznavaniye RES s ispolzovaniem neyronnih setey [Radar recognition with neural networks]. Saint Petersburg, VUS Publ., 2003. 156 p. (In Russian)

    4. Milojevic, D. J., and B. M. Popovic. Improved Algorithm for the Deinterleaving of Radar Pulses. IEE Proceedings F-Radar and Signal Processing. 1992 року, vol. 139, no. 1, pp. 98-104.

    Received November, 28 2017

    For citation: Korotkov V. F., Zyryanov R. S. Pulse Sequence Division in Mixed Signal Flow. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh ZavedeniiRossii. Radioelektronika [Journal of the Russian Universities. Radioelectronics]. 2017, no. 3, pp. 5-10. (In Russian)

    Vladimir F. Korotkov - D.Sc. in Engineering (2005), SRF (1998), lead engineer of "Special Technology Center" Ltd (Saint Petersburg). The author of 58 scientific publications. Area of ​​expertise: passive location; analysis and processing of location signals. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    Roman S. Zyryanov - bachelor on nanotechnologies and micro system technics (2015), 2nd year Master's Degree student of Saint Petersburg Electrotechnical University "LETI". The author of 6 scientific publications. Area of ​​expertise: big data; data mining; image fractal analysis. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    621.391: 621.396.96

    Д. І. Попов

    Рязанський державний радіотехнічний університет

    | Аналіз систем обробки багаточастотних сигналів

    Проведено порівняльний аналіз характеристик систем межперіодной обробки многочастотного сигналу на тлі пасивних перешкод для різних варіантів об'єднання частотних каналів при когерентном режектірованіі перешкод і подальшому некогерентному накопиченні залишків режектірованія.

    Доплеровская фаза, багаточастотні сигнали, обробка сигналів, пасивні перешкоди

    Ефективне виявлення сигналів рухомих цілей на тлі корельованих (пасивних) перешкод ускладнюють так звані сліпі швидкості цілі [1], [2]. Застосування багаточастотних сигналів дозволяє виключити ці швидкості. Обробка багаточастотних сигналів на тлі пасивних перешкод розглянута в [3], [4].

    Ефективне виявлення рухомих цілей ускладнює також завжди апріорна невизначеність кореляційних характеристик пасивних перешкод. У зв'язку з цим системи обробки необхідно будувати по адаптивному принципом. В цьому випадку оптимальна обробка многочастотного сигналу в кожному частотному каналі реалізується на основі адаптивного (до параметрів перешкоди) 10

    матричного фільтра (АМФ) і неадаптивного багатоканального (по доплеровской фазі сигналу) фільтра, що обчислює дискретне перетворення Фур'є вихідних відліків АМФ [3]. При цьому сигнал від рухомої цілі потрапляє в різні доплеровские тракти кожного з частотних каналів, що виключає можливість об'єднання останніх. Рішення про наявність сигналу приймається окремо в доплеровских трактах кожного частотного каналу за результатами порівняння з граничними рівнями виявлення. У той же час актуальними для практики є системи з об'єднанням частотних каналів.

    В [5] розглянуті характеристики виявлення систем обробки многочастотного сигналу на

    © Попов Д. І. 2017

    тлі білого (власного) шуму з різними способами об'єднання частотних каналів приймального пристрою без урахування накопичення сигналу. Для боротьби з пасивними перешкодами в таких системах застосовуються режекторние фільтри, місце включення яких, залежне від способу об'єднання каналів, і організація подальшого некогерентного накопичення істотно впливають на характеристики системи обробки.

    Мета цієї статті - порівняння характеристик багаточастотних систем межперіодной обробки, що характеризуються когерентним ре-жектірованіем перешкод і різними варіантами об'єднання частотних каналів з подальшим некогерентним накопиченням результатів Режек-вання, при виявленні сигналу на тлі пасивних (корельованих) перешкод.

    Покладемо, що в кожному частотному каналі в результаті внутріперіодной обробки суми сигналу, відбитого від мети, і пасивної перешкоди утворюється пачка з N когерентних імпульсів, які можна представити у вигляді послідовності цифрових відліків комплексних величин

    і]! = ХЦ + гу] 1,] = 1, N,

    де х ^, у ^ - квадратурні складові (проекції) сигналу; I - номер каналу.

    Аналіз проведемо для застосовуваних на практиці двочастотних систем. Сигнали в каналах вважаємо статистично незалежними, що забезпечується відповідним розносом несучих частот [5]. Об'єднання двох частотних каналів можливо перемножением або підсумовуванням відліків оброблюваних сигналів. Спосіб об'єднання каналів, а також послідовність операцій

    в

    об'єднання каналів і придушення пасивної перешкоди визначають кілька варіантів побудови багаточастотних систем межперіодной обробки (рис. 1). Розглянуті системи здійснюють придушення пасивної перешкоди режекторним фільтром РФ порядку т, що забезпечує роздільну обробку цифрових кодів проекцій і у ^ в

    двох квадратурних каналах, з подальшим обчисленням квадрата модуля в блоці об'єднання БО і накопиченням сигналу на тлі декорреліро-ванних залишків перешкоди в накопичувачі Н.

    Система на рис. 1, а об'єднує канали на підставі комплексного множення (х) відліків першого частотного каналу з комплексно сполученими (*) отсчетами другого частотного каналу, що при аналогової реалізації відповідає змішуванню сигналів з подальшою обробкою на разностной частоті [5]. Система на рис. 1, б (на противагу системі на рис. 1, а) спочатку виробляє режектірованіе перешкоди в кожному частотному каналі, а потім комплексне множення результатів режектірованія. В системі на рис. 1, в кожен з каналів містить РФ і БО, результати обробки в яких після підсумовування накопичуються, що рівноцінно комбінованої обробки (когерентного режектірова-нию перешкоди і некогерентного накопичення залишків режекции) в кожному з каналів, з подальшим підсумовуванням результатів обробки. Система на рис. 1, г отримана евристичний спрощенням алгоритму системи на рис. 1, в: некогерентного накопичення тут здійснюється після підсумовування результатів режектірованія кожного з частотних каналів.

    г

    При аналізі описаних систем перш за все представляють інтерес швидкісні характеристики. Позначимо г / =. //// [- відношення несучих частот частотних каналів. Так як доплеровській набіг фаз за період повторення зондувальних імпульсів Т в кожному частотному каналі однозначно пов'язаний з радіальної швидкістю мети Урад

    співвідношенням ф1 2 = 4% Т / 1 2урад / с (з - швидкість

    поширення радіохвиль), а самі доплеровские фази в частотних каналах пов'язані очевидним співвідношенням ф2 = гф1, то в якості швидкісних характеристик можна розглядати залежності амплітуди вихідного сигналу від доплерівського зсуву фази, наприклад в першому частотному каналі.

    В системі на рис. 1, а режекциі перешкоди еквівалентна обробці на разностной частоті, тому швидкісна характеристика буде відповідати характеристиці одночастотної системи:

    т

    К (фр) = К [(1 - г) Ф1] = Е 81§к С0! 5 [С / "к) фр],

    /, К = 0

    де фр = ф1 -ф2; gk = (-1) до Ст - коефіцієнти імпульсної характеристики режекторного фільтра (Стк - число поєднань з т по к).

    Для системи на рис. 1, б ця характеристика має вигляд:

    К (ф1) = К (ф1) * 2 (ф2) = К (ф1) К2 (Гф1), де К1 (ф1) і К2 (гф1) - залежно амплітуди вихідного сигналу від доплерівського зсуву фази для першого і другого частотних каналів відповідно.

    Швидкісна характеристика систем по рис. 1, в і г дорівнює сумі характеристик кожного частотного каналу:

    К (ф1) = К (ф1) + К2 (ф2) = К (ф1) + К2 (гф1).

    Швидкісні характеристики розглянутих систем для г = 0.9 і РФ другого порядку (т = 2) наведені на рис. 2. Найкращою з точки зору виключення сліпих швидкостей є система на рис. 1, а, що володіє плавною характеристикою в широкому діапазоні швидкостей (крива 1). Система на рис. 1, б має сильно порізаний характеристику з великим числом сліпих швидкостей (крива 2) і не представляє практичного інтересу, в зв'язку з чим в подальшому не розглядається. Системи на рис. 1, в і г дозволяють зменшити вплив сліпих швидкостей,

    2 3

    Мал. 2

    ф ^ / (2 л)

    причому тим ефективніше, чим більше номер сліпий швидкості [ф1 / (2л)] (крива 3).

    Порівняємо тепер енергетичні характеристики систем. Для цього знайдемо коефіцієнт поліпшення ц на виході лінійної частини систем:

    Р Р

    п ш

    Р Р

    п ш

    вих вих

    Р Р

    п ш

    де Р / Р п - коефіцієнт придушення перешкоди;

    вх / вих

    Рд / Рд - коефіцієнт посилення влас-

    вих / вх

    них шумів приймача режекторним фільтром, рівний коефіцієнту посилення сигналу по потужності, усередненим по всіх швидкостям мети [2].

    Для системи з перемножением (рис. 1, а), з урахуванням статистичної незалежності сигналів частотних каналів знайдемо потужність перешкоди на вході і / і виході Е / РФ:

    Рпвх = ° .5ііі * = 0.іі 2и; і 2 =

    = 0.5

    іі2 і / 1 та / 2 + або / 1 та / 2и / 2 +

    + Або / 2 і / 1 та * 2

    = 2 Рг

    = 0.5ілі * 1 ^ 2 ^ 2 =

    пвх1 пвх 2 '

    Рпвих = 0.5Е / Е * = 0.5 Е gnUm-n Е gpUl

    т-р

    п = 0

    р = 0

    gngpUm-nUm- р

    п, р = 0

    0.5 Е gngpUm-n, 1Um-р, 1 Um-n, 2Um-р, 2 п, р = 0 m

    = 2 Е gngpRm-n, m-РД ^ і-п, m-р, 2, п, р = 0

    де Яп р 1 = Р р / (п, р) - елементи кореляційної матриці перешкоди в / -м каналі, причому р / (п, р) - коефіцієнти межперіодной корре-

    0

    1

    4

    ляции перешкоди в 1-му каналі; I = 1, 2 - номер частотного каналу.

    Для шуму ЯШп р = Р1Пвх 5п, р (5п, р - символ Кронекера), тому

    т

    Ршвих = 2 X &І&рРШвХ1РШвХ 2. п, р = 0

    З урахуванням наведених співвідношень коефіцієнт поліпшення для схеми на рис. 1, а має вигляд

    Ц = -

    X Е2

    п = 0

    X yoпёр ^

    т-п, т-р, 1Вт-п, т-р, 2

    п, р = 0

    Для схеми на рис. 1, в, вважаючи фільтри в ка-

    налах однаковими, отримаємо:

    т

    2 X Е2

    ц = -п = 0-.

    т

    X §п§р [Вт-п, т-р, 1 + Вт-п, т-р, 2] п, р = 0

    На рис. 3 представлені залежності коефіцієнта ц від нормованої ширини спектра перешкоди Р = Д / Р в першому частотному каналі при гаус-Совської апроксимації кореляційної функції перешкоди в частотних каналах:

    Р1 (], к) = ехр {- [лРгI про - к) 2Д8), '1 = / 1 / / 1 = 1,' 2 = / 2 / / 1 < 1.

    Аналіз отриманих залежностей показує, що при будь-якому порядку використовуваного РФ схема з підсумовуванням (суцільні криві) завжди має перевагу перед схемою з перемножением (штрихові криві), що пояснюється розширенням спектра перешкоди при змішуванні відбитих сигналів і узгоджується з очікуваними ре-

    Ц, дБ

    40 е

    20

    0.15

    Мал. 3

    злиттів. Зі збільшенням в виграш зменшується; зокрема при Р = 0.1 цей виграш становить від 3 до 8 дБ в залежності від порядку РФ.

    З точки зору енергетичних виграшів, використання систем з підсумовуванням (див. Рис. 1, в і г) найбільш перспективно. Для порівняння ефективності останніх систем (за енергетичними показниками цього зробити не вдається) проаналізуємо їх характеристики виявлення.

    Для розрахунку характеристик виявлення необхідно знайти розподіл величини V, одержуваної на виході системи обробки. Для схеми на рис. 1, в дана величина представляється у вигляді суми квадратичних форм:

    у = і; т єї + і2тбі 2 =

    N N

    = X е] ки * цік1 + X е ^; ^,

    і к = 1 і к = 1

    а для схеми на рис. 1, г - у вигляді квадратичної форми:

    V =

    N

    (Іт + і2т) е (про + і 2)

    : X ЕиК ((+ і; 2) + ік2), і до = 1

    де

    и1 = (про 1, ..., і} 1, ..., ит) т,

    і 2 = ((2,., іі2,., UN2) т

    - вектор-стовпці вхідних відліків першого і другого частотних каналів відповідно; е - матриця обробки з розмірами N х N, елементи якої визначаються наступним чином:

    N

    ЕиК = ек = X hN-1ё1 ~] е \ -к,

    I = 1

    причому hN -1 - коефіцієнти імпульсної харак-

    "Т"

    теристики накопичувача; - символ транспонування.

    Щільність ймовірності величини V визначається виразом:

    ю

    р и = (2л) -1 | QV (it) ехр (-1 ^) Ж,

    де ^ (і) = ехр - характеристична функція величини V.

    Вважаючи сигнал і перешкоду гауссовский випадковими процесами, характеристичні функ-

    13

    ції величини V для схем на рис. 1, в і г можна знайти відповідно у вигляді

    еу (і) = [аа (I - 2НІ& ) С! Е1 (I - 2ія20)] - 1,

    еу (і) = {[I - И (Я1 + Я2) 0]} - 1,

    де I - одинична матриця; Я1, Я2 - кореляційні матриці оброблюваних відліків в першому і другому частотних каналах відповідно (всі матриці мають розміри N х N).

    Перетворивши характеристичні функції за допомогою методу сліду [6], знайдемо кумулянти розподілу р (у). Для схеми на рис. 1, в ці кумулянти мають вигляд

    до, = 2 * (, - 1)! [вр) + (20)],

    а для схеми на рис. 1, г:

    до, = 2 * (, - 1)! вр [((+ Я2) 0] *,

    де 8р [•] - слід матриці - сума діагональних елементів матриці.

    Ймовірність перевищення значенням V порогового рівня виявлення уд визначається співвідношенням:

    Ч, дБ 0

    р (V >у0) = | р (у) а »,

    що призводить до ряду Еджворта [6], коефіцієнти якого задаються кумулянтамі до,.

    Обчислення кумулянтов до, з використанням кореляційних матриць Я1 і Я2 для перешкоди призводить до обчислення ймовірності помилкової тривоги?, А з використанням кореляційних матриць Я1 і Я2 для суми сигналу і перешкоди - до обчислення ймовірності правильного виявлення Б.

    На підставі характеристик виявлення отримані наведені на рис. 4 залежно порогового відносини "сигнал / перешкода" ц на вході системи обробки від доплерівського зсуву фази в першому частотному каналі Ф1 систем зі схемами по рис. 1, в (крива 1) і г (крива 2). Розрахунки проведені для спільних флуктуацій сигналу і

    Ф1 / (2 л)

    -20-

    -30

    Мал. 4

    гауссовской апроксимації кореляційної функції пасивної перешкоди при

    р = 0.1, т = 2, N = 10, Б = 0.5, ^ = 10-3.

    Виграш системи за схемою рис. 1, у відносно системи за схемою рис. 1, г при даних умовах становить близько 2 дБ при будь-яких швидкостях мети, що пояснюється неоптимальною алгоритму обробки в другому випадку, який, проте, дозволяє дещо спростити структурну схему приймача. Для порівняння на рис. 4 приведена залежність ц (ф1) для одночастотної

    системи (крива 3). З проведеного аналізу випливає, що застосування двочастотних систем забезпечує виграш в пороговому щодо "сигнал / перешкода" на сліпих швидкостях мети, зростаючий зі збільшенням номера сліпий швидкості.

    Таким чином, проведений аналіз варіантів побудови багаточастотних систем межпе-ріодной обробки з когерентним режектірова-ням і подальшим некогерентним накопиченням результатів режектірованія дозволяє оцінити переваги та недоліки цих систем і може допомогти розробникові зробити висновок про доцільність вибору того чи іншого варіанту в залежності від вимог до параметрів системи і умов виявлення многочастотного сигналу. Нерідко використовується на практиці алгоритм режекции пасивної перешкоди після об'єднання каналів забезпечує найкращі швидкісні характеристики, однак по ефективності режекции перешкоди істотно поступається системам, що здійснює роздільне режектірованіе перешкоди в кожному частотному каналі, які, в свою чергу, дозволяють значно поліпшити умови виявлення сигналу на сліпих швидкостях мети в порівнянні з одночастотними системами.

    0

    СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ

    1. Radar Handbook / ed. by M. I. Skolnik. 3rd ed. McGraw-Hill, 2008. 1352 p.

    2. Principles of Modern Radar: Basic Principles / ed. by M. A. Richards, J. A. Scheer, W. A. ​​Holm. New York: SciTech Publishing, IET, Edison, 2010. 924 p.

    3. Попов Д. І. Оптимальна обробка багаточастотних сигналів // Изв. вузів Росії. Радіоелектроніка. 2013. Вип. 1. С. 32-39.

    Стаття надійшла до редакції 24января2017 г.

    4. Попов Д. І. Адаптивна обробка багаточастотних сигналів // Изв. вузів Росії. Радіоелектроніка. 2013. Вип. 6. С. 15-20.

    5. Вишина Г. М. Багаточастотна радіолокація. М .: Воениздат, 1973. 92 с.

    6. Міддлтон Д. Введення в статистичну теорію зв'язку; в 2 т. М .: Сов. радіо, 1961. Т. 1. 782 с .; Т. 2. 832 з.

    Для цитування: Попов Д. І. Аналіз систем обробки багаточастотних сигналів // Изв. вузів Росії. Радіоелектроніка. 2017. № 3. С. 10-15.

    Попов Дмитро Іванович - доктор технічних наук (1990), професор (1992) кафедри радіотехнічних систем Рязанського державного радіотехнічного університету. Автор понад 340 наукових робіт. Сфера наукових інтересів - теорія і техніка обробки радіолокаційних сигналів на тлі перешкод. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    D. I. Popov Ryazan State Radio Engineering University

    Analysis of Multi-Frequency Signal Processing Systems

    Abstract. A processing system of multi-frequency signals on the background of correlated (passive) interference is considered. The article presents a comparative analysis of characteristics of multi-processing systems of interperiod processing with various multiplex systems on coherent rejection of interference and subsequent non-coherent accumulation of rejection results. The criteria used in the analysis are high-speed and power characteristics as well as processing system detection characteristics. The analysis of the various options for building of multi-frequency interperiod processing systems with non-coherent accumulation makes it possible to evaluate the advantages and disadvantages of these systems. Frequently practiced algorithm of interference rejection after multiplexing provides the best speed performance, but it gives way to the schemes carrying out interference separate rejection in each frequency channel, which, in turn, can significantly improve signal detection conditions for blind target speeds as compared to single frequency systems.

    Key words: Doppler Phase, Multifrequency Signals, Signals Processing, Clutter

    REFERENCES

    1. Radar Handbook; ed. by M. I. Skolnik. 3rd ed. McGraw-Hill, 2008, 1352 p.

    2. Richards M. A., Scheer J. A., Holm W. A. ​​(Eds.). Principles of Modern Radar: Basic Principles. New York, SciTech Publishing, IET, Edison 2010, 924 p.

    3. Popov D. I. Optimum processing of multifrequency signals. Izvestiya Vuzov Rossii. Radioelektronika. 2013, no. 1, pp. 32-39. (In Russian)

    Received January, 24 2017

    4. Popov D. I. Adaptive processing of multifrequency signals. Izvestiya Vuzov Rossii. Radioelektronika. 2013, no. 6, pp. 15-20. (In Russian)

    5. Vishin G. M. Mnogochastotnaya radiolokatsiya [Multifrequency radar]. Moscow, Voenizdat, 1973, 92 p. (In Russian)

    6. Middleton D. An Introduction to Statistical Communication Theory, Wiley-IEEE Press, 1996, 1184 p.

    For citation: Popov D. I. Analysis of Multifrequency Signals Processing Systems. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii Rossii. Radioelektronika [Journal of the Russian Universities. Radioelectronics]. 2017, no. 3, pp. 10-15. (In Russian)

    Dmitry I. Popov - D.Sc. in Engineering (1990), Professor (1992) of the Department of Radio Equipment Systems of Ryazan State Radio Engineering University. The author of more than 340 scientific publications. Area of ​​expertise: theory and technique of radar signal processing against background noise. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.


    Ключові слова: Доплеровське ФАЗА /DOPPLER PHASE /багаточастотного набору /MULTIFREQUENCY SIGNALS /ОБРОБКА СИГНАЛІВ /SIGNALS PROCESSING /ПАСИВНІ ПЕРЕШКОДИ /CLUTTER

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити