Устройство для измерения временного положения и длительности случайного импульсного сигнала
DEVICE FOR MEASURING OF THE TIME POSITION AND DURATION OF A RANDOM PULSE SIGNAL

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для измерения временного положения и длительности случайного импульсного сигнала в составе аппаратуры радиосвязи, радиолокации, систем автоматического контроля и управления.
Известен измеритель временного положения и длительности квазидетерминированного импульсного сигнала [1]. Однако при наличии у импульса случайной субструктуры и при увеличении мощности ее флуктуационной составляющей данный измеритель может оказаться неработоспособным.
Известен измеритель временного положения и длительности случайного радиоимпульса, синтезированный по методу максимального правдоподобия [2]. Однако, его техническая реализация возможна лишь в многоканальном варианте, причем при конечном числе каналов выносимые оценки не являются состоятельными.
Известны двухканальные измерители оценки моментов появления и исчезновения случайного импульсного сигнала, синтезированные на основе максимально правдоподобного подхода [3, 4]. Однако область их применимости ограничивается задачами локализации информационного сигнала, когда априорный интервал возможных значений момента появления/исчезновения импульса не превышает минимально возможной длительности импульса.
Наиболее близким к заявленному устройству является измеритель временного положения и длительности случайного импульсного сигнала, описанный в [5], принятый в качестве прототипа. Известный измеритель [5] содержит управляемый ключ, фильтр, квадратор, интегратор, линию задержки с n отводами, n элементов НЕ, n сумматоров, решающее устройство. Недостатком данного измерителя является наличие n каналов, каждый из которых настроен на одну из длительностей , . Здесь  – априорный интервал возможных значений длительности случайного импульса. При этом, если требуется обеспечить сравнительно малый уровень предельной ошибки , то число каналов n может быть достаточно велико.
Техническая задача, решаемая изобретением, состоит в том, чтобы предложить устройство, формирующее практически реализуемые состоятельные оценки временного положения и длительности случайного импульсного сигнала при произвольных интервалах наблюдения, допускающее существенно более простую техническую реализацию по сравнению с известными аналогами.
Технический результат состоит в упрощении и повышении надежности устройства, а именно, вместо сложных многоканальных структурных схем прототипа в изобретении использовано два канала, каждый из которых согласован с соответствующим импульсом.
согласно изобретению
Указанный технический результат достигается тем, что в известное устройство для измерения временного положения и длительности случайного импульсного сигнала, которое содержит две выходные шины, управляемый ключ, фильтр, квадратор, интегратор, линию задержки, элемент НЕ, сумматор, входную шину, которая соединена с входом управляемого ключа, выход которого соединен с фильтром, выход которого соединен с квадратором, выход которого соединен с интегратором, выход которого через линию задержки соединен с первым входом первого сумматора и с входом первого элемента задержки, выход которого через элемент НЕ соединен со вторым входом сумматора, , введены усилитель, четыре сумматора, дифференциатор, интегратор, линия задержки, два элемента НЕ, указатель положения наибольшего максимума, указатель положения наименьшего минимума, управляемый ключ, генератор постоянного напряжения, аттенюатор, так что выход первого управляемого ключа соединен с входом усилителя, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, второй вход второго сумматора соединен с выходом квадратора, выход второго сумматора соединен с входом первого интегратора, выход первого сумматора соединен с входом дифференциатора, выход которого соединен со вторым интегратором, выход второго интегратора соединен с первым входом третьего сумматора и с входом второго элемента задержки, выход которого через второй элемент НЕ соединен с вторым входом второго сумматора, выход которого соединен с входом второго управляемого ключа и с входом указателя положения наибольшего максимума, выход которого соединен с входом управления второго управляемого ключа, с первым входом четвертого сумматора, выход которого является первой выходной шиной измерителя, и с первым входом пятого сумматора, выход второго управляемого ключа соединен с входом указателя положения наименьшего минимума, выход которого соединен с входом управления генератора постоянного напряжения, со вторым входом пятого сумматора и входом третьего элемента НЕ, выход которого соединен со вторым входом четвертого сумматора, выход генератора постоянного напряжения соединен с третьим входом пятого сумматора, выход которого через аттенюатор соединен со второй выходной шиной измерителя.
При такой конструкции задача оценки временного положения и длительности случайного импульсного сигнала сводится к задаче оценки временных положений двух разнесенных прямоугольных квазидетерминированных видеоимпульсов известной длительности.
На фиг. 1 представлена структурная схема предлагаемого устройства, которая включает управляемый ключ 1, фильтр 2, квадратор 3, усилитель 4, сумматор 5, интегратор 6, элемент задержки 7, элемент НЕ 8, сумматор 9, дифференциатор 10, интегратор 11, элемент задержки 12, элемент НЕ 13, сумматор 14, управляемый ключ 15, указатель положения наибольшего максимума входного сигнала 16, сумматор 17, указатель положения наименьшего минимума входного сигнала 18, элемент НЕ 19, сумматор 20, аттенюатор 21 с коэффициентом передачи 1/2, генератор постоянного напряжения 22.
Входная шина соединена с входом управляемого ключа 1, выход которого соединен с входом усилителя 2, выход которого соединен с первым входом сумматора 3, и с входом фильтра 4, выход которого через квадратор 5 соединен со вторым входом сумматора 3, выход которого соединен с интегратором 6, выход которого соединен с первым входом сумматора 7 и с входом элемента задержки 8, выход которого через элемент НЕ 9 соединен со вторым входом сумматора 7, выход которого через дифференциатор 10 соединен с входом интегратора 11, выход которого соединен с первым входом сумматора 12 и с входом элемента задержки 13, выход которого через элемент НЕ 14 соединен со вторым входом сумматора 12, выход которого соединен с входом управляемого ключа 15 и с входом указателя положения наибольшего максимума 16, выход которого соединен с входом управления управляемого ключа 15, с первым входом сумматора 17 и с первым входом сумматора 18, выход которого является первой выходной шиной измерителя, выход управляемого ключа 15 соединен с входом указателя положения наименьшего минимума 19, выход которого соединен с входом управления генератора постоянного напряжения 20, со вторым входом сумматора 17 и с входом элемента НЕ 21, выход которого соединен со вторым входом сумматора 18, выход генератора постоянного напряжения 20 соединен с третьим входом сумматора 17, выход которого соединен с входом аттенюатора 22, выход которого является второй выходной шиной измерителя.
Сущность изобретения поясняется следующими расчетами.
Пусть в течение интервала времени  наблюдению доступна аддитивная смесь вида
.
(1)
Здесь
,
(2)
– случайный импульсный сигнал, представляющий собой мультипликативную комбинацию стационарного гауссовского случайного процесса  с математическим ожиданием a и спектральной плотностью  и прямоугольного видеоимпульса с временным положением  и длительностью , а  – широкополосная помеха (гауссовский белый шум) с односторонней спектральной плотностью .
Будем полагать, что флуктуации  являются “быстрыми”, т.е. длительность импульса  существенно превышает время корреляции процесса , так что выполняется условие . Здесь Ω – эквивалентная полоса частот процесса .
По реализации (1) необходимо оценить (измерить) параметры , , принимающие значения из соответствующих априорных интервалов ,  таких, что выполняется условие вида , т.е. сигнал (2) всегда находится внутри интервала наблюдения .
В соответствии с [6] решающая статистика – логарифм функционала отношения правдоподобия (ФОП) – как функция текущих значений λ, τ параметров ,  запишется следующим образом:
(3)
Здесь , , , а  – выходной сигнал фильтра, передаточная функция  которого удовлетворяет условию .
При максимизации (3) по переменным λ, τ получаем оценки максимального правдоподобия (ОМП) времени прихода и длительности стохастического импульса (1), определяемые как [3]
.
(4)
Измеритель (4) имеет многоканальную структуру, причем для точной его реализации (для получения состоятельных оценок времени прихода и длительности) число каналов должно быть бесконечным, что вряд ли возможно на практике.
Для получения технически более простых и практически реализуемых оценок параметров ,  рассмотрим поведение логарифма ФОП (3) как функции переменной λ при фиксированном значении . Следуя [7], представим функционал  в виде суммы сигнальной  и шумовой функций :
.
(5)
Здесь  обозначают операцию усреднения по всем реализациям наблюдаемых данных (1) при фиксированных значениях , .
Для сигнальной функции из (3) можем записать
,
(6)
где
,
,
Шумовая функция  представляет собой гауссовский случайный процесс, математическое ожидание  и корреляционная функция  которого определятся как
,     .
(7)
Здесь
, .
Из (5), (7), [8] следует, что процесс  является гауссовским марковским случайным процессом диффузионного типа с коэффициентом сноса  и коэффициентом диффузии
(8)
и удовлетворяет стохастическому дифференциальному уравнению вида
.
(9)
Здесь  – гауссовский белый шум с корреляционной функцией .
Как известно [7], логарифм ФОП (3), а также любое взаимно однозначное безынерционное преобразование от него является достаточной статистикой, содержащей всю информацию о неизвестных параметрах , , которая может быть получена на основе реализации наблюдаемых данных (1). Применим в качестве такого преобразования к (5) операцию дифференцирования (по переменной λ). Тогда имеем
.
(10)
В (10) обозначено: , , , .
Согласно (10) при
(11)
задача оценки временного положения и длительности импульса (2) может быть сведена к задаче оценки временных положений двух разнополярных прямоугольных видеоимпульсов длительности  каждый. Действительно, сформировав на основе (10) оценки ,  параметров , , для оценок ,  параметров ,  получаем
,     .
(12)
Оценки ,  могут быть найдены одним из возможных оптимальных способов, в частности, с помощью корреляционного приема [6]. Тогда имеем
,       ,     (13)
.
При этом, очевидно, должно удовлетворяться условие
.
(14)
Чтобы гарантировать выполнение неравенства (14) при любых размерах априорных областей ,  и отношениях сигнал/шум,  вместо алгоритма (13) можно использовать одну из возможных его модификаций, например,
,
(15)
или
.
Можно показать, что оценки ,  (9) при достаточно больших отношениях сигнал/шум являются условно несмещенными и обладают условными рассеяниями
,
,                              (16)
где  – выходное отношение сигнал/шум для оптимального приемника сигнала (2) с априори известной длительностью,  – относительное отклонение по длительности импульса, , а ,  определяются из (7). Из (16) следует, что оценки (12) являются состоятельными.
При фиксированных значениях параметров Ω, a, q, ,  рассеяния (16) будут тем меньше, чем ближе относительная расстройка  к 1. Таким образом, значение  целесообразно выбирать максимально возможным, т.е. с учетом (11) равным
.
(17)
Если выполняется условие , т.е. истинное значение длительности совпадает с минимально возможным , то выражения (16) совпадают с выражениями для условных рассеяний максимально правдоподобных оценок (4) временного положения и длительности случайного импульсного сигнала без учета возможностей аппаратурной реализации измерителя (при бесконечно большом числе каналов) [4].
Из выражений (3), (7), (10), (12), (14) получаем структурную схему измерителя временного положения и длительности сигнала (2) , показанную на фиг. 1, где управляемый ключ 1 открывается на время , управляемый ключ 15 – на время , усилитель  2 имеет коэффициент передачи , элементы 8, 13 задерживают сигнал на время , а генератор постоянного напряжения 20 начинает формировать на выходе сигнал, соответствующий значению , начиная с момента времени . Как видно из фиг. 1, предложенный измеритель технически существенно проще известных аналогов.
Измеритель работает следующим образом.
В исходном состоянии измерителя управляемые ключи 1, 15 закрыты, у интеграторов 6, 11, указателей положения наибольшего максимума 16 и наименьшего минимума 19 сигналы равны нулю, генератор 20 находится в выключенном состоянии. Работа измерителя начинается в момент  открытия ключа 1. Поступающий в течение интервала времени  с выхода ключа 1 входной сигнал  (1) через усилитель 2 поступает на первый вход сумматора 3, где складывается с тем же сигналом, прошедшим через фильтр 4 и квадратор 5. В результате на выходе сумматора 3 имеем сигнал .
Сигнал с выхода сумматора 3 интегрируется интегратором 6, после чего поступает на входы сумматора 7 и элемента задержки 8. В сумматоре 7 сигнал с выхода интегратора 6 складывается с тем же сигналом, но задержанным элементом задержки 8 на время  и инвертированным элементом НЕ 9. Таким образом, на выходе сумматора 7 имеем сигнал . С выхода сумматора 7 этот сигнал поступает на дифференциатор 10, на выходе которого имеем сигнал вида
. (18)
Здесь ,  и  определяются из (6), (8) и (9) соответственно.
Сигнал  (18) интегрируется интегратором 11, после чего поступает на входы сумматора 12 и элемента задержки 13. В сумматоре 12 сигнал с выхода интегратора 11 складывается с тем же сигналом, но задержанным элементом задержки 13 на время  и инвертированным элементом НЕ 14. Таким образом, на выходе сумматора 12 имеем сигнал . С выхода сумматора 12 этот сигнал поступает на вход управляемого ключа 15, а также на вход указателя 16, который фиксирует положение наибольшего максимума входного сигнала. В момент  достижения сигналом  наибольшего значения с выхода указателя 16 на первые входы сумматоров 17, 18 поступает постоянный сигнал, равный по амплитуде положению наибольшего максимума сигнала . Кроме того, указатель 16 вырабатывает управляющий сигнал, который в момент времени  открывает ключ 15 на время . Сигнал  через управляемый ключ 15 в течение интервала времени  поступает на указатель 19, который фиксирует положение наименьшего минимума входного сигнала. В момент  достижения сигналом  наименьшего значения с выхода указателя 19 поступает управляющий сигнал, включающий генератор постоянного напряжения 20, на выходе которого формируется сигнал с амплитудой , который поступает на третий вход сумматора 17. Кроме того, с выхода указателя 19 на второй вход сумматора 17 и вход элемента НЕ 21 поступает постоянный сигнал, равный по амплитуде положению наименьшего минимума сигнала . С выхода элемента НЕ 21 поступает сигнал на второй вход сумматора 18, выход которого соединен с первой выходной шиной измерителя. Сигнал с выхода сумматора 17 через аттенюатор 22 с коэффициентом передачи 1/2 поступает на вторую выходную шину измерителя. В результате в момент времени  на первой шине имеем измеренное значение длительности случайного импульса, а на второй шине – измеренное значение временного положения случайного импульса, отсчитываемое от середины импульса.
Предложенное устройство измерения временного положения и длительности случайного импульсного сигнала может быть использовано для измерения временного положения и длительности импульсов при наличии модулирующих случайных искажений в составе аппаратуры радиосвязи, радиолокации, систем синхронизации, сигнализации, управления, мониторинга.
Использованная литература
1. Трифонов А.П., Бутейко В.К., Кунаев А.С. Измеритель длительности и временного положения импульса // Авторское свидетельство SU 1659973A1, МПК G04F 10/00 от 30.06.91 (Бюлл. № 24).
2. Чернояров О.В., Черноярова Е.В., Шепелев Д.Н. Оценка дисперсии и временных параметров случайного радиоимпульса на фоне белого шума // Научно-технические ведомости СПб ГПУ. Серия “Информатика. Телекоммуникации. Управление”. – 2007. – № 4-1(52). – С. 122-127.
3. Трифонов А.П., Захаров А.В. Совместная оценка времени прихода и длительности случайного импульса // Изв. вузов. Приборостроение. – 1991. – Т. 34. – № 12. – С. 3-9.
4. Трифонов А.П., Захаров А.В. Прием стохастического сигнала с неизвестными моментами появления и исчезновения // Изв. вузов. Радиофизика. – 2008. – Т. 54. – № 8. – С. 717-729.
5. Трифонов А.П., Захаров А.В. Квазиоптимальная оценка времени прихода случайного импульса с неизвестной длительностью // Изв. вузов. Приборостроение. – 1989. – Т. 32. – № 1. – С. 3-6. (прототип).
6. Трифонов А.П., Нечаев Е.П., Парфенов В.И. Обнаружение стохастических сигналов с неизвестными параметрами. – Воронеж: ВГУ, 1991. – 246 с.
7. Куликов Е.И., Трифонов А.П.  Оценка параметров сигналов на фоне помех. – М.: Сов. радио, 1978. – 296 с.
8. Чернояров О.В. Статистический анализ случайных импульсных сигналов на фоне белой и коррелированной помех в условиях параметрической априорной неопределенности // Моделирование развития информационно-телекоммуникационных систем / Под ред. А.В.Бабкина. – СПб.: Изд-во «Синтез Бук», 2009. – С. 79-145.