УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ И ОЦЕНИВАНИЯ СТУПЕНЧАТЫХ ВАРИАЦИЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ПОТОКА ИМПУЛЬСОВ
DEVICE FOR DETECTING AND ESTIMATING STEPPED VARIATIONS OF FLUX LEVEL OF PULSES

Объектом изобретения является устройство обнаружения и оценивания ступенчатых вариаций интенсивности потока импульсов. Предлагаемое устройство относится к радиотехнике, поскольку регистрация момента времени вариации интенсивности потока имеет большое значение в системах радиолокации, радионавигации и радиосвязи.
Известно устройство контроля периода (частоты) следования импульсов по пороговому значению [1]. Недостатком данного устройства является то, что в случае случайной последовательности импульсов, например пуассоновской, с заданной интенсивностью потока, оно не позволяет проводить решение задачи совместного обнаружения скачка интенсивности и оценивания момента времени его возникновения.
Известно также устройство контроля частоты [2], содержащее счетчик и три триггера, выбранное, как наиболее близкое по техническому решению, в качестве прототипа. На данное устройство также распространяются указанные выше недостатки. Заявляемое устройство отличается от известного более широкими функциональными возможностями, т.е. устройство позволяет обнаруживать скачок интенсивности, а также оценить момент времени возникновения ступенчатой вариации интенсивности такого потока.
Теоретическое обоснование процедуры совместного обнаружения ступенчатой вариации интенсивности потока и оценивания момента времени ее возникновения приводится в [3].
0
1
Логарифм отношения правдоподобия до различения гипотез (H - гипотеза об отсутствии скачка интенсивности, H - гипотеза о том, что скачок интенсивности произошел) имеет вид:
где ψ(T) - константа, определяемая длительностью интервала анализа T;
λ - интенсивность следования импульсов;
a - величина скачка интенсивности;
v(t) - процесс счета импульсов;
k - частота следования импульсов с эталонного генератора тактовых импульсов;
- для телеграфного сигнала;
k=a - для пуассоновской последовательности коротких импульсов (δ - импульсов);
µ - параметр, характеризующий экспоненциальное распределение длительности импульсов (при U=а, µ→∞).
Отбрасывая в (1) несущественную составляющую ψ(T), получаем
Логарифм отношения правдоподобия является характеристикой, используемой на практике как для решения задач обнаружения (различения гипотез), так и для решения задач оценивания по критерию максимального правдоподобия [4].
N
В среде MathCAD было проведено моделирование случайного потока сигналов, соответствующего телеграфному процессу. Полагалось, что общее количество импульсов N=1000, а момент вариации  интенсивности потока импульсов привязан к М=300 импульсу. Расчет проводился в приведенном времени , где T=t момент завершения потока. Полагалось, что приведенная интенсивность следования импульсов λ=10Т, параметр, характеризующий экспоненциальное распределение длительности импульсов µ=100T (полагается не варьируемым), величина ступенчатой вариации интенсивности a=20T. Примерный вид процесса счета v(t) представлен на фиг.1.
График, представленный на фиг.2, иллюстрирует последовательность формирования логарифма отношения правдоподобия (2). Анализ графика позволяет сделать вывод о том, что следствием ступенчатой вариации интенсивности потока является появление у зависимости  экстремума. Факт наличия такого экстремума и время его возникновения являются основой для обнаружения вариации и оценивания момента времени ее появления [4].
Необходимо отметить, что экстремум сохраняется и в случае, когда значение а в (2) задается с некоторой погрешностью. В условиях примера максимум логарифма отношения правдоподобия
имел место при Δ∈[-15Г, 60T]. Это свидетельствует о низкой чувствительности рассматриваемого подхода к точности задания априорных данных.
Структурная схема заявляемого устройства представлена на фиг.3.
1
1
1
1
2
2
2
2
1
1
2
2
Устройство состоит из счетчика импульсов потока 9, первого 3 и второго 4 триггера, в отличие от прототипа заявляемое устройство дополнительно содержит первый (опорный) 1 и второй 11 генераторы тактовых импульсов, первый (опорный) 2 и третий 5 счетчики, линию задержки 7, первый 8, второй 10 и третий 6 ключи, причем счетчик 2 входом 2 соединен с выходом генератора 1, выход счетчика 2 соединен с входами 3, 4 триггеров 3 и 4, входом устройства (вход «а») является вход 8 ключа 8, своим выходом соединенного со входом счетчика 9, выход которого соединен как с входом 2 счетчика 2 так, и через линию задержки 7 с входом 3 триггера 3, а также через информационный вход 10 ключа 10 с входом 4 триггера 4, инверсный выход триггера 3 соединен с управляющим входом 10 ключа 10, прямой выход триггера 4 соединен с управляющим входом 6 ключа 6, инверсный выход триггера 4 является выходом «b» устройства, информационный вход 6 ключа 6 соединен с выходом генератора 11, выход ключа 6 соединен 3 с входом счетчика 5, выход которого является выходом «с» устройства, входы генераторов 1, 11 соединены между собой, с управляющим входом 8 ключа 8 и образуют вход ПУСК устройства.
Работа устройства поясняется временными диаграммами, представленными на фиг.4, 5. Генераторы 1, 11 запускаются одновременно с открытием ключа 8. На момент начала работы опорный счетчик 2 заполнен. На вход опорного счетчика 2 подаются импульсы с опорного генератора тактовых импульсов 1. Как показано выше, частота генератора 1 выбирается с учетом априорных данных об интенсивности потока и предполагаемой величины вариации интенсивности, т.е. для настройки генератора 1, частота рассчитывается при
0
1
1
Таким образом, моменту времени t (фиг.4) соответствует момент появления на выходе счетчика 2 первого импульса переполнения, переводящего триггеры 3, 4 в состояние уровня логической единицы. Соответственно низкий логический уровень на инверсном выходе триггера 3, соединенного с входом 10 ключа 10, закрывает ключ 10, а уровень логической единицы на прямом выходе триггера 4, соединенного с входом 6 ключа 6, открывает ключ 3, и на вход счетчика 5 начинают поступать импульсы с генератора тактовых импульсов 11.
1
Одновременно с этим на вход счетчика 9, через открытый ключ 8, поступают импульсы случайного потока с интенсивностью λ. Вход 8 ключа 8 является информационным входом «а» устройства.
2
2
6
9
При отсутствии вариаций интенсивности потока и выбранной в соответствии с (3) частотой импульсов генератора 1 счетчик 2 переполняется быстpee счетчика 9 (фиг.2, график до ) и импульсом переполнения подтверждает высокий логический уровень триггеров 3 и 4, соответственно ключ 10 остается закрытым, а ключ 6 - открытым. После переполнения счетчик 2 сбрасывается, и подсчет импульсов в нем начинается заново. При переполнении счетчика 9 (фиг.4, момент t), импульс переполнения сбрасывает счетчик 2 и через линию задержки 7 переводит триггер 3 в состояние логического нуля (фиг.4, моменты t, t, t), и высокий логический уровень на инверсном выходе триггера 3 открывает ключ 10.
Необходимость введения в схему линии задержки 7 обусловлена тем, что в случае отсутствия ступенчатой вариации интенсивности потока, в момент времени соответствующий появлению импульса переполнения счетчика 9, и в течение его длительности, ключ 10 должен быть закрыт, чтобы не допустить перевода триггера 4 в состояние логического нуля, что повлечет за собой закрытие ключа 6, преждевременную остановку счетчика 5, появление на инверсном выходе триггера 4 (выход «b» устройства) уровня логической единицы, что соответствует ложному обнаружению ступенчатой вариации интенсивности потока. Однако после сброса счетчика 2 импульс переполнения счетчика 9, прошедший через линию задержки 7, обеспечивает открытие ключа 10, что позволит обнаружить скачок интенсивности исследуемого потока, при возникновении его во время следующего цикла подсчета. Длительность задержки выбирается исходя из интенсивности следования импульсов потока и длительности импульса переполнения.
3
В случае ступенчатой вариации интенсивности потока на величину а, принадлежащую интервалу допустимых значений скачка интенсивности, счетчик 9 переполняется быстрее счетчика 2 (фиг.5, момент t) и импульсом переполнения сбрасывает его, кроме того, импульс переполнения счетчика 9, через открытый ключ 10, переводит триггер 4 в состояние логического нуля. Низкий логический уровень на прямом выходе триггера 4, в свою очередь, влечет за собой закрытие ключа 6. Высокий логический уровень на инверсном выходе триггера 4 и соответственно на выходе «b» устройства позволит сделать вывод о том, что произошло обнаружение ступенчатой вариации интенсивности потока. При закрытом ключе 6 импульсы с генератора 11 на вход счетчика 5 не поступают, т.е. счетчик 5 содержит бинарный код, соответствующий времени обнаружения ступенчатой вариации интенсивности, что дает возможность оценить момент возникновения вариации интенсивности.
Импульс переполнения счетчика 5, поступающий с выхода «с» устройства, позволяет сделать вывод, что за время интервала анализа Т, интенсивность наблюдаемого потока не претерпела ступенчатой вариации. Длительность интервала анализа в заявляемом устройстве также может варьироваться путем изменения разрядности счетчика 5.
После обнаружения ступенчатой вариации интенсивности потока и оценки времени возникновения скачка интенсивности работу устройства необходимо остановить и вернуть в исходное состояние.
Технический результат заключается в возможности обнаружения ступенчатой вариации интенсивности потока импульсов, и оценки времени ее возникновения при наличии априорных данных об интенсивности следования импульсов потока и предполагаемой величине вариации, заданных, например, законами распределения.
Необходимо отметить что обнаружение и, соответственно, оценка момента возникновения ступенчатой вариации интенсивности потока, производятся с некоторой погрешностью, величина которой определяется, главным образом, разрядностью счетчиков 2 и 9.
Источники информации
1. Патент РФ RU 2338211, приоритет 11.08.2006.
2. Патент РФ RU 2138829, приоритет 14.09.1998.
3. Галун С.А., Трифонов А.П. Обнаружение и оценка момента изменения интенсивности пуассоновского потока. - Автоматика и телемеханика, 1982, №6, с.95-105.
4. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М.: Радио и связь. 1989.