СПОСОБ ОЦЕНКИ ЧАСТОТЫ ОДИНОЧНОГО ГАРМОНИЧЕСКОГО КОЛЕБАНИЯ В ОГРАНИЧЕННОМ ДИАПАЗОНЕ
METHOD TO ASSESS FREQUENCY OF SINGLE HARMONIC OSCILLATION IN LIMITED RANGE

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к способам точной оценки радиочастоты, частоты несущего колебания устройства преобразования сигналов (УПС), анализа спектра и т.п. Преимущественной областью предложенного изобретения являются системы радиоразведки устройств передачи информации при оценке первичных параметров сигнала. Известен способ оценки параметров сигнала и устройство для реализации способа (патент RU №2351005), включающий в себя спектральный анализ, выполняемый в два этапа. На первом этапе выполняется вычисление и анализ собственных чисел и собственных векторов корреляционной матрицы сигнала. На втором этапе выполняется вычисление и анализ весовых коэффициентов, обратно пропорциональных соответствующим собственным числам корреляционной матрицы сигнала. Использование описанного в патенте RU №2351005 способа позволяет обеспечить точность оценки радиочастоты в спектре на входе радиоприемника менее 10% при соотношении сигнал-шум q<0 дБ.
Из известных наиболее близким по технической сущности является способ оценки частоты несущего колебания устройства преобразования сигналов (патент RU №2429532), включающий в себя спектральный анализ и синхронное накопление отсчетов сигнала смеси несущего колебания и помехи параллельно для нескольких поддиапазонов в диапазоне расхождения радиочастот. Предложенный способ позволяет провести оценку частоты несущего колебания УПС за ограниченное время с точностью оценки частоты несущего колебания УПС до 5% при соотношении сигнал-шум менее 0 Дб. Однако данный способ включает в себя вычисление ортогонального дискретного разложения для векторов, накопленных для каждого поддиапазона, что увеличивает количество вычислительных операций, необходимых для нахождения коэффициентов разложения.
Технический результат предложенного способа заключается в сокращении вычислительных затрат, необходимых для оценки частоты, а также в повышении точности оценки частоты гармонического колебания.
Предложенный технический результат достигается тем, что предложен способ оценки частоты, включающий накопление отсчетов сигнала смеси гармонического колебания и помехи параллельно для нескольких поддиапазонов в диапазоне рассинхронизации, вычисление амплитуд векторов сигналов в комплексных плоскостях, образованных опорными частотами и последующей обработкой вычисленных амплитуд для повышения точности оценки частоты.
в
н
в
н
Способ осуществляется следующим образом. Предполагаемый диапазон нахождения частоты колебания разбивается на несколько поддиапазонов. Количество поддиапазонов выбирается исходя из требуемой точности оценки. Для каждого поддиапазона выбирается опорная частота и формируется вектор отсчетов смеси длиной N отсчетов путем дискретизации входного сигнала с частотой дискретизации, кратной опорной частоте поддиапазона, и суммирования отсчетов, отстоящих друг от друга на величину, кратную периоду опорной частоты. Коэффициент кратности частоты дискретизации опорной частоте предпочтительно выбирается одинаковым для каждого поддиапазона и должен удовлетворять условию теоремы Котельникова: k>2f/f, где f - верхняя граница предполагаемого диапазона нахождения частоты колебания, f - нижняя граница предполагаемого диапазона нахождения частоты. Далее вычисляются амплитуды сформированных векторов в соответствующих комплексных плоскостях, образованных опорными частотами каждого поддиапазона. Вычисление амплитуды производится следующим образом. Находятся скалярные произведения вектора отсчетов смеси, сформированного для каждого поддиапазона, на векторы отсчетов синуса и косинуса опорной частоты. Данные скалярные произведения соответствуют мнимым и действительным компонентам вектора сигнала в комплексной плоскости, образованной опорной частотой. Амплитуда вектора сигнала находится как квадратный корень суммы квадратов скалярных произведений. В случае, когда коэффициент кратности при дискретизации выбран одинаковым для всех поддиапазонов, векторы синуса и косинуса для всех опорных частот будут одинаковы. Затем из вычисленных для всех комплексных плоскостей значения амплитуд векторов сигнала формируется вектор амплитуд. В данном векторе находится максимальное значение, которое соответствует поддиапазону, в котором находится частота сигнала. Первая оценка значения частоты колебания соответствует опорной частоте этого поддиапазона. Затем производится сравнение максимального амплитудного коэффициента с соседними значениями вектора амплитуд. Если разница между максимальным амплитудным коэффициентом и одним из соседних меньше порогового значения, то оцененное значение частоты соответствует значению частоты, являющейся границей соседних поддиапазонов. Пороговое значение определяется как разница между амплитудами векторов сигнала в комплексных плоскостях соседних опорных частот для частоты сигнала, близкого к границе поддиапазона.
2
2
Снижение вычислительных затрат в предложенном способе по сравнению с прототипом достигается за счет замены ортогонального дискретного разложения нахождением амплитуд векторов сигнала в комплексных плоскостях опорных частот. Количество операций для определения амплитуды вектора в комплексной плоскости составляет N*K, где N - количество отсчетов вектора сигнала, K - количество поддиапазонов. Для способа прототипа количество операций для нахождения коэффициентов разложения K*N*logN. Т.о. вычислительные затраты при использовании предложенного способа уменьшаются в logN раз. Точность оценки предложенного способа в 2 раза выше, чем у способа прототипа. Повышение точности достигается за счет обработки вектора амплитуд. Если значение частоты колебания равно какой-либо опорной частоте, то максимальное значение в векторе амплитуд равно амплитуде оцениваемого колебания, а соседние значения в векторе амплитуд будут стремиться к нулю. В случае, когда частота колебания близка к границе соседних поддиапазонов, значения вектора амплитуд, соответствующие этим соседним поддиапазонам, будут примерно равны. Исходя из этого, можно определить пороговое значение разности максимального и соседнего значений в векторе амплитуд, которое будет свидетельствовать о нахождении частоты колебания вблизи границы соответствующих поддипазонов.
Было выполнено моделирование на ЭВМ способа оценки частоты гармонического колебания со следующими исходными данными:
- предполагаемый диапазон нахождения частоты от 1500 Гц до 2100 Гц;
- ширина поддиапазонов 37,5 Гц;
- фактическое значение частоты гармонического колебания 1710 Гц;
- соотношение сигнал-шум - 6 дБ;
- длительность анализируемого отрезка смеси гармонического колебания и аддитивного белого шума 28 мс.
Значение измеренной частоты гармонического колебания составило 1706,25 Гц. Погрешность измерения составила 3,75 Гц или 0,22%. Таким образом, предложенный способ позволяет провести оценку частоты одиночного гармонического колебания за ограниченное время, повысить точность оценки частоты до 2,5% при соотношении сигнал-шум менее 0 Дб и может быть осуществлен с помощью известных в технике средств цифровой обработки сигналов.