Исследование методов синтеза и формирования сложных ЧМ сигналов с заданными корреляционными свойствами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.01, кандидат технических наук Дмитриев, Сергей Леонидович

• Дмитриев, Сергей Леонидович
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дмитриев, Сергей Леонидович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ СИНТЕЗА СЛОЖНЫХ ЧМ СИГНАЛОВ

1.1. Постановка задачи синтеза сигналов

1.2. Критерии синтеза сигналов по автокорреляционной функции

1.3. Методы синтеза сигналов

1.4. Выводы

2. ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМА СИНТЕЗА ЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ ПО ПРОТОТИПУ АВТОКОРРЕЛЯЦИОННОЙ ФУНКЦИИ

2.1. Алгоритм синтеза

2.2. Постановка задачи анализа и критерии оценки ошибок при синтезе сигналов

2.3. Методика определения реализуемости прототипов АКФ

2.4. Ошибки при вычислении спектральной плотности мощности сигнала

2.5. Ошибки численного интегрирования

2.6. Свойства алгоритма синтеза, обусловленные нелинейными преобразованиями

2.7. Результаты синтеза сигналов

2.8. Выводы

3. ОЦЕНКА ИСКАЖЕНИЙ ПРИ ФОРМИРОВАНИИ СЛОЖНЫХ ЧМ

СИГНАЛОВ

3.1. Анализ влияния передаточной функции тракта (формирователя) на

корреляционные свойства сигнала

3.2. Децимация отсчетов синтезированного сигнала и выбор

коэффициента дискретизации при формировании сложных сигналов

3.3. Оценка ошибок квантования для формирователей сигналов с УМ

3.4. Выводы

4. МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ ЧМ СИГНАЛОВ И РЕЗУЛЬТАТЫ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Методы формирования сигналов с частотной модуляцией

4.2. Формирование сигналов с помощью ПЭВМ

4.3. Машинное моделирование формирования сложных ЧМ сигналов

4.4. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование методов синтеза и формирования сложных ЧМ сигналов с заданными корреляционными свойствами»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы и состояние вопроса. Идея использования сложных сигналов для повышения информационности технических систем начинает интенсивно развиваться с конца 40-х годов. Сегодня ни одна локационная система не обходится без их использования. Сложные сигналы, т.е. сигналы, у которых произведение длительности на ширину спектра значительно превышает единицу, находят широкое применение в радио- и гидролокации, навигации, связи, радиоизмерениях, интроскопии, энцефалографии и других областях. В локации они обеспечивают высокую разрешающую способность по дальности и по скорости, в связи и радиоизмерениях позволяют работать при высоком уровне шумов и помех.

Многолетний отечественный и зарубежный опыт выдвигает следующие основные требования к синтезируемым сложным сигналам:

- прямоугольность огибающей подводимого к передатчику сигнала - из соображений максимума к.п.д. и невозможности поддержания высокой точности соблюдения закона амплитудной модуляции в мощных генераторах и усилителях;

- минимум уровня боковых лепестков (УБЛ) автокорреляционной функции в области слабой корреляции для однозначности измерения дальности и уменьшение вероятности ложной тревоги;

- ширина главного лепестка или области сильной корреляции автокорреляционной функции (АКФ) сигнала должна быть меньше или равна заданной разрешающей способности по времени;

- толерантность к доплеровскому сдвигу средней частоты сигнала для поддержания основных параметров АКФ в заданных пределах при движении носителя локационной станции или цели.

Дополнительно могут предъявляться требования к распределению спектральной плотности мощности (СПМ) сигнала для эффективного использования полосы частот и энергии сигнала, а также для уменьшения потерь при обработке.

При проектировании передающей части локационной системы необходимо решение следующих вопросов: выбор модели используемого сигнала; выбор способа формирования сигнала; определение параметров формируемых сигналов и требований к вносимым трактом формирования искажениям. Параметры определяют по поведению двумерной функции неопределенности (ФН) сигнала (другое название - взаимная функция неопределенности (ВФН) или тело неопределенности (ТН) на плоскости время-частота, введенной Вуд-вордом Ф.М.). Тело неопределенности характеризует корреляционные свойства сигнала при различных значениях доплеровского сдвига частоты.

Далеко не всегда выбор сигнала из множества известных позволяет достичь заданных параметров обнаружения системы или близких к таковым. Часто это сопряжено с перебором большого числа вариантов сигналов. Альтернативой этому является синтез реализуемых сигналов с требуемыми параметрами. Для получения конкретных сигналов возникает проблема выбора соответствующего метода их синтеза. Основополагающие результаты в разработке различных методов синтеза были получены отечественными и зарубежными учеными - Варакиным Л.Е., Вакманом Д.Е., Седлецким P.M., Гоноровским И.С., Яковлевым В.Д., Вудвордом Ф.М., Ширманом Я.Д., Куком Ч., Бернфельдом М. и др. Большой вклад в развитие вопроса на современном этапе внесли ученые Матюшин О.Т., Кириллов С.Н., Бакке A.B., Степин A.B., В.П., ЛитюкВ.И..

Вопросы аналогового и цифрового формирования сложных сигналов раскрыты в работах Тяжева А.И, Кочемасова В.Н., Оконешникова B.C., Вайс-мана Ю.И., Карнаушевского В.Н., Гольденберга JIM., Рабинера JL, Гоулда Б., Шафера Р.В., Оппенгейма A.B. и др.

Оценка критичности сложных сигналов к разного рода искажениям дается в работах Занковича A.B., Денисенко А.Н., Стеценко O.A., Тамбовцева A.B., Соколинского В.Г., Кука Ч., Бернфельда М., Кочемасова В.Н., Оконешникова B.C. и др.

Аналитические методы синтеза сигналов разработаны наиболее полно. Однако, им зачастую свойственны такие недостатки, как громоздкость и трудоемкость вычислений, наличие итеративных процедур и вопросы сходимости, проблематичность автоматизации вычислений, отсутствие решения, выраженного в элементарных функциях; многие асимптотические методы не учитывают краевые эффекты, что приводит к существенному отличию свойств получаемых сигналов от требуемых, особенно при малых базах сигналов. Разнообразие численных регулярных методов синтеза сложных сигналов не столь велико, а алгоритмическое их описание обычно недоступно.

Цифровые методы формирования и генерирования сигналов на сегодняшний день все более преобладают над аналоговыми. Долговременная стабильность параметров, технологичность изготовления, функциональная гибкость цифровых и микропроцессорных систем открывают большие возможности при построении формирователей сложных сигналов с перестраиваемыми параметрами.

Оценка диапазона допустимых отклонений параметров сигналов при их цифровом формировании, а, следовательно, и предъявляемые требования к точности их воспроизведения позволяют судить не о потенциальных, а о реальных показателях системы, что дает исчерпывающее представление о целесообразности использования того или иного сложного сигнала в локационной системе. Для измерения и разрешения по дальности нескольких объектов хорошие результаты дают, в основном, частотно модулированные (ЧМ) сигналы, класс которых и рассматриваются в настоящей работе.

Успешное решение указанных задач требует разработки и реализации алгоритма численного синтеза сложных ЧМ сигналов с заданными корреляционными свойствами с применением современных вычислительных средств, оценки точности его применения, моделирования эффектов, возникающих в цифровых формирователях сложных ЧМ сигналов при децимации и квантовании, вычисление допустимых отклонений амплитудно- и фазочастотных характеристик цепей передающей части локационной системы для

формируемых сигналов. Приведенные аргументы позволяют считать, что воплощение указанного комплексного подхода к синтезу и формированию сложных ЧМ сигналов актуально как в научном, так в практическом плане.

Целью работы является разработка и программное воплощение алгоритма синтеза реализуемых сложных сигналов, в общем случае, с нелинейной ЧМ (НЧМ) и с заданными корреляционными свойствами; оценка точности его применения; исследование изменения корреляционных свойств сигналов при их аппаратном формировании; вычисление допустимых фазовых и амплитудных искажений в выходных цепях формирователя для синтезированных ЧМ сигналов.

Обозначенная цель включает решение следующих задач:

- выбор метода синтеза сложных ЧМ сигналов с прямоугольной огибающей и заданными корреляционными свойствами, который наиболее ориентирован на реализацию численными методами и автоматизацию вычислений;

- разработка алгоритма синтеза, основанного на выбранном методе; алгоритм должен включать процедуры вычисления степени близости задаваемой АКФ сигнала в начале синтеза к реализуемой, исключения флюктуаций огибающей синтезированного сигнала, моделирования операций децимации и квантования полученного сигнала;

- программная реализация разработанного алгоритма включая пользовательский интерфейс;

- оценка точности работы алгоритма, тестовый синтез известных сигналов;

- нахождение класса функций для задания АКФ с требуемыми параметрами (прототип АКФ) в начале синтеза, обеспечивающих успешную работу алгоритма и сводящих к минимуму проблему реализуемости сигнала с заданной АКФ;

- синтез ряда новых сигналов с прямоугольной огибающей, нелинейной частотной модуляцией и малым уровнем УБЛ автокорреляционной функции;

- оценка искажений и исследование корреляционных свойств при выполнении операций децимации и квантования для различных типов синтезированных сигналов;

- разработка методики определения допустимых фазовых и амплитудных искажений в выходных цепях формирователя для синтезированных ЧМ сигналов;

- моделирование изменения корреляционных свойств формируемых сигналов при прохождении их через искажающую цепь в среде схемотехнического моделирования MICRO-CAP V.

Методы исследования. В работе использовались методы линейной алгебры и линейного программирования, методы теории функций комплексного переменного, методы вариационного счисления, статистической радиотехники и вычислительной математики, теории спектрального анализа в базисе рядов Фурье, метод комплексной огибающей, численные методы вычисления функций, математическое и схемотехническое моделирование.

Научная новизна. Основные научные результаты, полученные в диссертации, состоят в следующем:

- разработан алгоритм синтеза сложных ЧМ сигналов с прямоугольной огибающей и заданными корреляционными свойствами, выгодно отличающийся от известных методов тем, что в своем составе имеет процедуру оценки степени близости задаваемой АКФ сигнала к реализуемой, а также процедуры анализа корреляционных свойств синтезируемых сигналов после операций децимации и квантования;

- выполнена оценка точности работы алгоритма синтеза, показаны и проанализированы ошибки вычислений на различных этапах алгоритма, выработаны рекомендации наиболее эффективного использования алгоритма, рассмотрены предельные случаи его применения;

- в качестве прототипа АКФ предложено использовать класс функций, соответствующих обратному преобразованию Фурье от огибающих (окон) Хэмминга, Кайзера-Бесселя, Дольф-Чебышева, огибающих, представленных конечным числом слагаемых ряда Фурье и др., позволяющих синтезировать ЧМ сигналы с высокими корреляционными характеристиками;

- исследовано изменение корреляционных свойств синтезированных сигналов при выполнении операций децимации и квантования;

- определены границы допустимых фазовых и амплитудных искажений, возникающие в цепях формирователей сложных ЧМ сигналов для разных типов рассмотренных сигналов с разной базой и законом частотной модуляции;

Практическая ценность. Основные практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

- создана программа синтеза сложных ЧМ сигнала по заданной АКФ в среде математических вычислений МАТЬАВ 5.0, включающая пользовательский интерфейс, позволяющий оперативно изменять параметры синтезируемых и формируемых сигналов с помощью стандартной ПЭВМ;

- синтезирован ряд сигналов с большой (В > 50) и малой (В <10) величиной базы, в том числе с УБЛ около минус 80 дБ;

- предложены различные варианты реализации цифровых и цифро-аналоговых формирователей сложных сигналов с нелинейной ЧМ на базе ПЭВМ, которые позволяют формировать сигналы с шириной спектра до 50... 100 МГц и несущей частотой до 2 ГГц;

- выполнен анализ влияния передаточной функции выходных цепей формирователя на УБЛ автокорреляционной функции формируемого сигнала;

- предложены методика выбора коэффициента дискретизации и количества разрядов квантования, а так же способ прореживания массивов отсчетов при формировании частотно-модулированных сигналов цифровыми методами;

Программа и синтезированные с ее помощью сигналы могут найти применение при разработке гидро- и радиолокационных комплексов, медицинских и радиоизмерительных приборов, а также использоваться в учебном процессе и лабораторном практикуме при изучении методов синтеза и свойств сложных ЧМ сигналов.

Внедрение результатов работы. Диссертационная работа выполнялась в рамках г/б 6.30.006.3 «Методы моделирования, синтеза и анализа радиотехнических сигналов». Ее результаты использованы в учебном процессе кафедры «Электрогидроакустики и медицинской техники» ТРТУ по курсам «Теория сигналов и случайных процессов» и «Методы и устройства обработки сигналов». Внедрение результатов работы в учебный процесс сделало возможным постановку новых лабораторных и практических работ, а также повысило эффективность и наглядность представления учебного материала по рассматриваемой тематике. Программа синтеза и синтезированные сигналы внедрены в НКБ «МИУС» (г. Таганрог) и НКБ «Вектор» (г. Таганрог). Внедрения подтверждены соответствующими актами.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и ее отдельные результаты докладывались на Всероссийской научной конференция студентов и аспирантов. «Новые информационные технологии. Информационное, программное и аппаратное обеспечение», Таганрог, 1995.;

гр и ь< «V «ь/ 1 гг

на Третьей всероссийской научной студенческой конференции. «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», Таганрог, 1996.; на Четвертой всероссийской научной студенческой конференции. «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления», Таганрог, 1997, а также на научно-практических семинарах профессорско-преподавательского состава кафедры Теоретических основ радиотехники Таганрогского государственного радиотехнического университета 1995-1998 годов.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 5 работ.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на русском языке и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Общий объем диссертации 193 с. Основной текст диссертации содержит 153 машинописных страницы, в том числе 106 рисунков по тексту (около 30 с.) и 7 таблиц, список литературы из 107 наименований на 9 с. Приложения составляют 40 с.

В первой главе диссертации показано, что при выработке требований к используемым сигналам в РТС неизбежен переход от общего подхода оптимизации аппаратуры к частным требованиям, предъявляемым к ее отдельным узлам или применяемым сигналам. По мере неизбежных упрощений прямой и общий подход к оптимизации аппаратуры заменяется менее общим, основанным на анализе характерных, типичных ситуаций. Это приводит к тому, что прямой вероятностный критерий оценки качества оказывается более или менее эквивалентным непрямому детерминистическому критерию, который, хотя и имеет нестрогий характер, приводит во многих случаях к результатам, которые получают лишь дополнительное подтверждение с помощью вероятностных методов. Если рассматривать некоторую локационную систему как линейный прибор с характеризующей ее аппаратной функцией, то можно показать, что она соответствует взаимной функции неопределенности, и зависит только от формы зондирующего сигнала и импульсной характеристики приемника. В частном случае согласованной фильтрации, когда приемником является согласованный фильтр, и при условии, что доплеровский сдвиг частоты пренебрежимо мал, ВФН преобразуется в автокорреляционную функцию сигнала. Как известно, согласованная фильтрация является оптимальной в смысле достижения наибольшей вероятности обнаружения на фоне белого шума. Так как это наиболее распространенный случай обнаружения сигналов, то собственная функция неопределенности (функция неопределенности Вуд-ворта) и АКФ наиболее часто применяются в качестве индикаторов качества сигналов. Синтез сигналов по функциям неопределенности или по АКФ оправдан, так же как и синтез фильтров по частотным характеристикам или ан-

тенн по диаграммам направленности. Основная задача синтеза сформулирована как обобщение задачи аппроксимации, и заключается в определении сигнала xopt(t) еХ, который обеспечивает наилучшее приближение к свойству yopt, определяющему множество Y (yeY). множество Y содержит все сигналы, обладающие нужным свойством, а допустимым является любой сигнал множества X, естественно предположить, что именно сигнал yopt следует выбирать в качестве «образца» или «прототипа» при аппроксимации. Но ближайшим к yopt сигналом множества X является сигнал хорЬ расположенный на кратчайшем расстоянии dmin от множества Y. Переходя от теории аппроксимации к синтезу сигналов по автокорреляционной функции, следует заметить, что синтез локационных сигналов здесь ведется косвенно, а именно по соответствующим им АКФ. Известно, что спектр АКФ положителен. Это условие ограничивает класс функций, выполнимых (реализуемых) как автокорреляционные, и определяет некоторую область пространства, соответствующего всем автокорреляционным функциям.

Важным и обязательным шагом в задаче синтеза является выбор критерия синтеза. Частный случай критерия равномерного приближения - минимаксный критерий выбран как наиболее подходящий при синтезе сигналов по АКФ, позволяющий контролировать максимальный уровень боковых лепестков корреляционной функции, потому что именно их поведение влияет существенным образом на вероятность ложной тревоги и разрешающую способность при локации на фоне помех. Этот критерий также наиболее удобен при численном решении задачи аппроксимации. При синтезе сигналов следует учитывать не только требования к корреляционным свойствам сигналов, но и ограничения, накладываемые на сигнал как по времени, так и по спектру. Таким образом, до решения задачи синтеза сигнала, некоторые особенности будущей структуры сигнала должны быть заранее учтены, что усложняет задачу синтеза, так как это сужает класс синтезируемых сигналов.

Также приводится сравнительный анализ методов синтеза сигналов: проектирования с начальным условием в пространстве существующих сигна-

лов; проектирования с заданием сигнала в пространстве желаемых сигналов и метод последовательных приближений. Здесь задача сводится к минимизации соответствующего функционала - некоторого критерия синтеза f(x) - на допустимом множестве сигналов X: f(x) = min; хеХ. Структура функционала определяется желаемыми свойствами синтезируемых сигналов, а также тем, какого рода приближение к этим свойствам мы стремимся получить - минимаксное, квадратическое, среднестепенное и т.д. Далее дан обзор известных реализаций различных методов с количественной и качественной оценкой их эффективности. Эффективность большинства итерационных методов определяется тем, выпуклы или нет множества сигналов X и Y. Однако рассматриваемый класс сигналов с 4M является невыпуклым множеством. В случае невыпуклости хотя бы одного из множеств это приводит к наличию нескольких минимумов расстояния между ними и тогда условия сходимости формулируются несколько сложнее. Интерпретируя условия сходимости проективно-градиентного метода для 4M сигналов, можно сказать, что начальное приближение должно обеспечить некоторое, не слишком высокое качество аппроксимации, с тем, чтобы желаемый сигнал не слишком отличался от допустимых. Тогда, применяя поочередное проектирование, получим необходимые уточнения.

В п.п.1.3.4 выполнен анализ конкретных методов и алгоритмов отыскания (синтеза) сигналов с 4M, прямоугольной огибающей и с заданными свойствами автокорреляционной функции. Для многих методов характерна необходимость принятия специальных мер, обеспечивающих сходимость итераций и устойчивость работы алгоритма, а также трудоемкость вычислений и отсутствие наглядности задания требуемых параметров.

Во второй главе предложен и описан алгоритм синтеза и анализа сложных сигналов с НЧМ и прямоугольной огибающей на основе базового метода, использующего принцип стационарной фазы, свободный от многих недостатков, присущих рассмотренным выше методам. Для программной реализации алгоритма применяются численные методы, как наиболее эффектив-

ные и позволяющие автоматизировать вычисления и как единственно возможные при синтезе сигналов по корреляционным функциям, для которых не вычисляются в элементарных функциях интегралы в выражениях прямого и обратного преобразований Фурье. Целью расчета является синтез комплексной огибающей сигнала с единичной амплитудой ее модуля, заданной длительностью и шириной спектра. В качестве начального приближения задается некоторая функция - прототип желаемой АКФ сигнала. Алгоритм включает предлагаемую автором процедуру оценки близости прототипа АКФ к АКФ реализуемого сигнала, процедуры усечения и нормирования модуля комплексной огибающей для обеспечения прямоугольности огибающей синтезируемого сигнала, процедуры вычисления АКФ полученного сигнала, а также моделирования эффектов, возникающих при квантовании фазовой функции комплексной огибающей и децимации (прореживания) ее отсчетов.

Во второй главе также дана постановка задачи анализа ошибок при синтезе сигналов, определены критерии оценок точности синтеза. Основными показателями качества синтеза являются функция равномерного приближения прототипа АКФ к АКФ синтезированного сигнала, ее максимальное значение, а также значение максимума УБЛ автокорреляционной функции полученного сигнала в сравнении с УБЛ прототипа. Даны формулы для оценки относительных ошибок численного интегрирования и применения процедуры быстрого преобразования Фурье, применяемых в алгоритме. Приводятся рекомендации по выбору коэффициента дискретизации при синтезе сигналов с базой В, а также по виду используемых функций в качестве прототипов АКФ. В конце главы показаны результаты синтеза сигналов с различными параметрами, характером поведения и уровнем боковых лепестков АКФ.

В третьей главе для исследования искажений при формировании сложных сигналов предложена модель искажающей цепи фильтр + ограничитель. На основании предложенной модели и выбранной функции искажения дана оценка влияния передаточной функции формирователя на УБЛ ВКФ формируемого сигнала. Показано, что наибольший вклад в ухудшение корре-

ляционных свойств сигнала вносят фазовые искажения. Приводится эмпирическое аппроксимирующее выражение для вычисления прироста УБЛ в зависимости от максимальной фазовой ошибки. Приводится также зависимость относительной неравномерности амплитуды синусоидального колебания от коэффициента дискретизации. Для получения гарантированной неравномерности амплитуды сигнала не более 1% коэффициент дискретизации достаточно выбрать равным 10. Предлагаемая методика прореживания (децимации) синтезированных сигналов позволяет снизить коэффициент дискретизации формируемых сигналов без ухудшения их корреляционных свойств. Приводится ряд примеров квантования функции полной фазы для синтезированных сигналов. Даны графики зависимости УБЛ и максимальной ошибки равномерного приближения от количества разрядов квантования.

В четвертой главе диссертационной работы исследованы известные и предложены новые методы формирования сигналов с ЧМ. Приведены результаты экспериментального моделирования с использование формирователя сложных ЧМ сигналов на базе ПЭВМ. Показан случай обнаружения синтезированного сигнала на фоне белого шума, прошедшего через полосовой фильтр с полосой пропускания совпадающей с шириной спектра сигнала. Полученный выигрыш применения сложного сигнала с базой 200 в улучшении отношения сигнал/шум подтвердил теоретический. Выполнено схемотехническое моделирование искажающей цепи формирователя, модель которой была предложена в третьей главе.

Взаключении сформулированы основные результаты работы.

В приложениях предствлены результаты синтеза НЧМ сигналов, соответствующие им графики, тела неопределенности, таблицы отсчетов фазовой функции, тексты разработанных подпрограмм, описание интерфейса программы синтеза сложных сигналов, список принятых сокращений.

Основные положения выносимые, на защиту. На защиту диссертации выносятся следующие положения:

1) алгоритм синтеза сложных ЧМ сигналов с заданными корреляционными свойствами и методика определения степени близости задаваемого на входе алгоритма прототипа АКФ к функции, соответствующие АКФ реализуемого сигнала;

2) результаты исследования точности алгоритма синтеза ЧМ сигналов;

3) результаты исследования искажения сложных ЧМ сигналов при их цифровом формировании.

4) синтезированные сигналы; результаты экспериментальных исследований.

Заключение диссертации по теме «Теоретические основы радиотехники», Дмитриев, Сергей Леонидович

4.4.Выводы

В четвертой главе диссертационной работы были исследованы известные и предложены новые методы формирования сигналов с ЧМ. Выполнено схемотехническое моделирование искажающей цепи формирователя, модель которой была предложена в третьей главе. Основные результаты, полученные в четвертой главе состоят в следующем:

1. Анализ методов формирования сигналов с ЧМ показал, что наиболее перспективными, обеспечивающими высокую точность и долговременную стабильность параметров, легкость их оперативного изменения являются цифровые методы формирования сигналов. т

2. Применение квадратурной схемы формирования позволяет снизить требования к быстродействию запоминающих устройств для хранения отчетов сигнала, а также дает выигрыш получения сигнала с максимальной базой в два раза.

3. Наиболее рациональным способом использования емкости ЗУ представляется хранение не самих абсолютных отсчетов сигнала, а кода соответствующего адресу другого ЗУ, в котором записаны отсчеты фазы сигнала.

4. Для формирователей сигналов на базе управляемых фазовых модуляторов с большой девиацией фазы следует использовать формирующее напряжение в форме симметричной квадратичной параболы, а также использовать схемы с быстрым сбросом фазы.

5. Применение схемы цифрового синтезатора НЧМ сигналов с аналоговыми перемножителями позволяет формировать сигналы с несущей частотой до 2 ГГц и шириной спектра до 300 МГц.

6. Применение персональной ЭВМ для задач формирования и обработки сигналов целесообразно в случаях использования сигналов с шириной спектра до 48 кГц. Схема квадратурного формирователя на базе стандартной звуковой карты ПК с внешними перемножителями позволяет получать сигналы с несущей частотой от единиц килогерц до десятков мегагерц.

7. В качестве экспериментального подтверждения выводов в работы даны примеры формирования сложных ЧМ сигналов с базой 200 с помощью

ПЭВМ. Характеристики формируемых сигналов оказались близки по парамет рам к своим прототипам для сигналов с JI4M, ТЧМ и прототипом АКФ вида (sin x/x)L. Так, ВКФ сформированного сигнала с ТЧМ имела УБЛ -51 дБ, в то время как АКФ комплексной огибающей синтезированного сигнала имела УБЛ -59 дБ.

8. Моделирование случая обнаружения синтезированного сигнала с базой 200 на фоне коррелированного шума, подтвердило теоретический выигрыш в улучшении отношения сигнал/шум.

9. Исследование модели искажающей цепи "фильтр + ограничитель" показало, что для задач формирования сигналов с частотной внутриимпульсной модуляцией и прямоугольной огибающей влияние ограничителя имеет благотворное воздействие на корреляционные свойства формируемого сигнала. Даже если амплитуды сигнала изменяется в 2.2,5 раза из-за неравномерности АЧХ фильтра, то ограничитель приводит амплитуду сигнала к постоянному значению, ВКФ сигнала становится близка к АКФ исходного сигнала. Определяющими в этом случае являются фазовые искажения тракта, как было показано в гл.З.

Рассматриваемые НЧМ сигналы с прямоугольной огибающей и непрерывным законом изменения полной фазы предназначены для использования в задачах гидролокации, в некоторых приложениях радиолокации и в медицине. Предложенные методы формирования НЧМ сигналов с использованием ПЭВМ делают доступным применение сложных сигналов как в научно-исследовательской, так и в учебной практике практически без дополнительных затрат.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе, заключаются в следующем:

1. Разработан алгоритм синтеза ЧМ сигналов с операцией оценки физической реализуемости заданного прототипа АКФ, математическим моделированием эффектов квантования и децимации.

2. Алгоритм реализован программно в среде математических вычислений MATLAB 5.0 и позволяет оперативно синтезировать сигналы и получать как отсчеты квадратурных составляющих комплексной огибающей, так и непосредственно вещественные сигналы на заданной несущей частоте. Возможность сохранения данных на диске в виде файлов различных форматов позволяет как экспортировать отсчеты сигналов в другие программы, так использовать их для непосредственного формирования НЧМ сигналов в диапазоне частот до 24кГц с помощью стандартной ПЭВМ.

3. Выполнен анализ точности алгоритма синтеза сложных ЧМ сигналов, предложены методики и выработаны рекомендации его наиболее эффективного использования. Рассмотрены предельные случаи его применения.

4. Предложена методика оценки близости задаваемого прототипа АКФ к АКФ реализуемого сигнала. Сформулированы рекомендации ее применения в описанном алгоритме.

5. Предложен ряд новых прототипов АКФ, обеспечивающих получение сложных сигналов с НЧМ с высокими характеристиками. Приведены соответствующие результаты синтеза.

6. Синтезирован ряд новых НЧМ сигналов, среди которых сигнал по прототипу Кайзера-Бесселя с базой 50, УБЛ -50дБ и шириной главного лепестка 1,2%, сигнал по прототипу вида (sin x/x)L с базой 17, УБЛ -31 дБ и шириной главного лепестка 2%, и сигнал по прототипу вида (cos x)L с базой 30, УБЛ -ЗбдБ и шириной главного лепестка 3% от длительности импульса.

7. Исследован'о влияние амплитудно- и фазочастотной характеристик тракта формирования сигналов на параметры ВКФ для сигналов с различной базой и характером изменения закона модуляции. Выработаны требования к максимальным фазовым искажениям в искажающей цепи формирователя.

8. Получено экспериментальное подтверждение возможности формирования сложных сигналов с помощью звуковых карт ПЭВМ. Промоделирована ситуация обнаружения сложного сигнала с частотной модуляцией с базой 200 на фоне белого шума, прошедшего через фильтр с полосой пропускания, соответствующей ширине спектра сигнала. Применение сигнала с базой 200 дало увеличение отношения сигнал/шум после свертки сигналов - 15 раз.

Разработанная программа синтеза сигналов является уникальным продуктом, ставший результатом научно-практической направленности настоящей работы. Не обходя всех недостатков известных методов синтеза сигналов, она позволяет оперативно получать отсчеты сигналов с требуемыми или близкими к требуемым параметрами даже пользователю, не имеющему серьезной теоретической базы в данной области знаний.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дмитриев, Сергей Леонидович, 1998 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Вакман Д.Е., Седлецкий P.M. Вопросы синтеза радиолокационных сигналов. М., "Советское радио", 1973, 312 с.

2. Albert Н. Nuttall Some Windows with Very Good Sidelobe Behavior // IEEE Trans, on Acous., Speech, and Signal Proc., Vol. ASSP-29, N0.1, February 1981, p.84 - 91.

3. Далматов А.Д., Елисеев A.A. и др. Обработка сигналов в радиотехнических системах. / Под ред. Лукошкина А.П. - Л.: Изд-во Ленингр. ун-та, 1987 г. -400 с.

4. Яковлев В.Д. Синтез оптимальных зондирующих сигналов и фильтров. Труды научно-технической конференции "Проблемы оптимальной фильтрации". Изд-во "Советское радио", 1967. - 141 с.

5. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. - М.: Радио и связь, 1986.-512с.

6. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - М.: Наука, 1986. - 544с.

7. Варакин Л.Е. Теория сложных сигналов. М.: Советское радио, 1970, - 376 с.

8. Ч. Кук, М. Бернфельд Радиолокационные сигналы. М.: Советское радио, 1971,-568 с.

9. Люстерник Л.А., Соболев В.И. Элементы функционального анализа. - М.: Наука, 1965.-356 с.

10. Воллернер Н.Ф., Шуваев В.А. Сигналы с однополосными спектрами. - Киев: Техника. 1976. - 184 с.

>

11. Кочемасов В.Н., Белов Л.А., Оконешников B.C. Формирование сигналов с линейной частотной модуляцией. - М.: Радио и связь, 1983. - 192 с.

12. Рабинер Л., Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. / Пер. с англ. Под ред. Ю.Н.Александрова. - М.: Мир, 1978. - 848 с.

13. Коваленко Е.И., Седлецкий P.M., Торчинский Г.А. Синтез малобазовых сигналов для узкополосных систем / В кн.: Вопросы микроэлектроники и нелинейные узкополосные системы. М.: МАИ, 1978. Вып.452. с.64-69.

14. Седлецкий P.M. Синтез малобазовых сигналов, устойчивых к доплеровско-му смещению частоты при согласованной обработке // Радиотехника и электроника. 1986. T.XXXI. Вып.5. с.898-903.

15. Седлецкий P.M. Синтез сложных частотномодулированных сигналов уточненным методом стационарной фазы. // Радиотехника и электроника. 1986. T.XXXI. Вып. 11. с.2198-2201.

16. Применение метода наименьших квадратов для синтеза малобазовых сигналов. //Радиотехника и электроника. 1986. T.XXXIII. Вып.З. с.632-635.

17. Федорюк М.В. Метод перевала. М.: Наука, 1977. - 89 с.

18. Fowle E.N. IEEE Trans.,1964, v.IT-10, N1, p.61.

19. Форсайт Дж. и др. Машинные методы математических вычислений. М.: Мир, 1980.-281 с.

20. Харрис Ф.Дж. ТИИЭР, 1978. т.66, №1, с. 60.

21. Верещагин Е.М., Никотенко Ю.Г. Частотная и фазовая модуляция в технике связи. - М.: Связь, 1974. - 224 с.

22. Зенькович A.B. Искажения частотно-модулированных колебаний. - М.: Сов. радио, 1974.-296.

23. Фолкенберри JI. Применения операционных усилителей и линейных ИС: Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 572 с.

24. A.c. 374694 (СССР). Устройство формирования радиосигналов с заданным

>

законом изменения частоты/ Ю.И.Вайсман, В.Н. Карнаушевский, Г.Г. Солодарь.- Опубл. в Б.И., 1973, № 15.

25. Шитов A.M., Киреев B.C. Умножитель для широкодиапазонного СВЧ генератора с электронной перестройкой частоты - Вопросы радиоэлектроники. Сер. РИТ, 1974, вып. 2, с.53-58.

26. A.c. 1443195 СССР, МКИ4 Н 04 27/10. Формирователь сигналов с угловой модуляцией/ Покровский Ю.О., Филатов К.В., Шержуков E.JI. (СССР); Таганрог. радиотех. ин-т им. В.Д. Калмыкова. №4240949/24-09. Заявл. 04.05.88. Опубл. 07.12.88, Бюл. № 45, 6 с.

27. А.Н. Денисенко, O.A. Стеценко Анализ влияния частотных искажений на характеристики JT4M сигналов // Радиотехника, № 9, 1992. - с.50-54.

28. Амиантов И.Н. Избранные вопросы статистической теории связи.-М.: Сов. радио, 1971.-416.

29. Коваленко Е.И., Филатов К.В. Формирование сигналов с низкой чувствительностью к искажениям // Обработка сигналов в локационных системах исследования неоднородных сред: Межвузовский сборник. Свердловск: изд-во УПИ им. С.М.Кирова, 1987. - 168 с.

30. Виленчик J1.C. Вычисление вытянутых волновых сфероидальных функций // Радиотехника, №3, 1989. - с. 23-28.

31. Применение цифровой обработки сигналов: Пер. с англ./Под ред. Э. Оппен-гейма.-М.: Мир, 1980. - 552с.

32. А.Оппенгейм, Р.Шафер Цифровая обработка сигналов: Пер. с англ./Под ред. С.Я. Шаца.-М.: Связь, 1979. -416 с.

33.Карташев В.Г. Основы теории дискретных сигналов и цифровых фильтров.-М.: Высш. школа, 1982. - 109 с.

34.Боголаев Ю.П. Вычислительная математика и программирование- М.: Высш. шк., 1990.- 544 с.

35. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельков Г.М. Численные методы - М.: Hay-

i

ка, 1987.-598 с.

36. Форсайт Дж., Малькольм М., Моулер К. Машинные методы математических вычислений - М.: Мир, 1980. - 279 с.

37. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики - М.: Высш. шк., 1989. -608 с.

38. Калиткин H.H. Численные методы. - М.: Наука, 1978. - 512 с.

39. Тамбовцев A.B. Частотные искажения сигналов в корреляционном приемнике // Радиотехника, №9, 1992, с. 26 - 30. *

40. Матюшин О.Т., Степин A.B. Синтез сигналов с компактным спектром // Радиотехника (Москва) - 1998. - № 4-с. 14-17.

41. Мансфельд Г. и др. Аппаратные средства ПК. -М.: БИНОМ, 1997. - 191 с.

42. Гуревич Н., Гуревич О. Программирование звука для DOS и Windows. - М.: БИНОМ, 1995. - 395 с.

43. Хаскин Д. Sound Blaster / Пер. с англ.- М.: Компьютер; ЮНИТИ, 1996. -294 с.

44. Дмитриев C.JI. Синтез сложных локационных сигналов с заданной функцией неопределенности.//Третья Всероссийская научная студенческая конференция «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». Тезисы докладов. - Таганрог: ТРТУ, 1996. - с. 10-11.

45. Вакман Д.Е. Сложные сигналы и принцип неопределенности в радиолока-ции.-М.: Сов. радио. 1965.-304 с.

46. Моисеева Г.Г. Алгоритмы построения систем дискретных частотных сигналов с заданными свойствами взаимных функций неопределенности. // Радиотехника, № 6, 1990. - с.52-54.

47. Сапрыкин В.А., Тынянкин С.И. Функции неопределенности Меллина // Радиотехника, № 11, 1990. - с.37-39.

48. Ципоренко В.Г., Ципоренко Е.Д. Спектральная оценка погрешности аналого-цифрового преобразователя // Радиотехника, № 10, 1990 - с.44-46.

49. Тяжев А.И Формирование 4M сигналов на основе цифровых фазовых систем автоподстройки частоты. // Радиотехника, №6, 1984- с. 23-26.

50. Соколинский В.Г. Прохождение 4M сигналов с ограниченным спектром через усилители с отсечкой // Радиотехника, №12, 1989 - с. 29-31.

51. Тяжев А.И. Спектры квантованного и дискретизированного периодических . сигналов // Радиотехника, №4,1989 - с.35-38.

52. Вдовин С.Е. Методика определения частоты дискретизации в устройствах с цифровой обработкой сигналов // Радиотехника, №4, 1990.-С.51-54.

53. Варакин JT.E. Помехоустойчивость приема ШИМ и 4M шумоподобных сигналов // Радиотехника, №5,1983 - с.25-27.

54. Дмитриев СЛ. О погрешности алгоритма синтеза сложных 4M сигналов // "Известия ТРТУ".-Таганрог: ТРТУ, 1997. - с.23-25.

55. Толкачев A.A., Ампилов О.В. Влияние идеального ограничителя на разрешение JI4M сигналов // Радиотехника, №9, 1989 - с. 21-23.

56. Матюшин О.Т., Степин A.B. Синтез сигналов с компактным спектром // Радиотехника, № 4, 1998.- с. 37-40.

57. Бакке A.B., Кириллов С.Н. Многокритериальный синтез ФМ сигналов // Радиотехника, № 2, 1997. с.21-24.

58. Кириллов С.Н., Кропотов А.Б., Макаров Д.А. Многокритериальный синтез частотно-модулированных сигналов.// Изв. вузов. Радиотехника. 1997. Т.40. № 3. с.13-17.

59. Кириллов С.Н., Тузков A.B. Синтез сигналов при действии узкополосных помех //Изв. вузов. Радиотехника. 1993. Т.36. № 1. с.74-77.

60. Поповкин В.И., Кириллов С.Н., Бакке A.B. Регуляризация решений задачи многокретериального синтеза спектральной плотности мощности сигнала //Радиотехника и электроника. 1996. Т.41. № 6. с.666-669.

61. Бобков Ю.Н. Корреляционные методы и устройства измерения составных сигналов. - Львов: Вища школа, 1984. - 207 с.

62. Варакин Л.Е. Теория систем сигналов. - М.: Сов. радио, 1978 - 304 с.

63. Власенко В.А., Лаппа Ю.М., Л.П. Ярославский Методы анализа быстрых алгоритмов свертки и спектрального анализа сигналов.-М.: - Наука, 1990. -179 с.

64. Галустов Г.Г. Теоретические и аппаратные основы, анализ и синтез сложных сигналов диагностических систем. Дисс. д.т.н. ТРТИ. - Таганрог, 1991 -301 с.

65. Горелов Г.В. Нерегулярная дискретизация сигналов. - М.: Радио и связь, 1982.-255 с.

66. Денисенко А.Н., Стеценко O.A. Теоретическая радиотехника: Справ, пособие,4.1: Детерминированные сигналы (методы анализа). - М.: Изд-во стандартов, 1993.-215 с.

67. Дмитриев C.JI. Применение алгоритма синтеза сложных 4M сигналов по заданной автокорреляционной функции. // Четвертая Всероссийская научная студенческая конференция «Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления». Тезисы докладов.-Таганрог: ТРТУ, 1997.- с.9.

68. Каринский С.С. Устройства обработки сигналов на ультразвуковых поверхностных волнах. - М.: Сов. радио, 1975. - 176 с.

69. Кармалита В.А. Цифровая обработка случайных колебаний. - М.: Машиностроение, 1986. - 79 с.

70. Кухарев Г.А., Тропченко А.Ю., Шмерко В.П. Систолические процессоры для обработки сигналов. - Минск: Белорусь, 1988.-124 с.

71. Лосев В.В., Бродская Е.Б., Коржик В.И. Поиск и декодирование сложных дискретных сигналов / Под ред. Коржика В.И.- М.: Радио и связь, 1988. -223 с.

72. Дмитриев С.Л. Анализ погрешности вычислений с использованием алгоритма БПФ. // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. —Новочеркасск. 1999, № 1.-е. 51-57.

73. Быстрое преобразование Фурье и алгоритмы вычисления сверток: Пер. с англ. / Под ред. В.М. Амербаева, Т.Э. Кренкеля. - М.: Радио и связь, 1985258 с.

74. Свердлик М.Б. Оптимальные дискретные сигналы. - М.: Сов. радио, 1975 -200 с.

75. Синкарев A.A., Соболев В.В. Функционально устойчивые демодуляторы сложных сигналов. - М.: Радио и связь, 1988. - 223 с.

76. Туркин А.И. Рекуррентный прием сложных сигналов. - М.: Радио и связь, 1988.-246 с.

77. Котов Л.Ф., Королев А.И. Оптимальный и квазиоптимальный прием сложных сигналов: Учебн. пособие - М.: 1983. - 101 с.

78. Круковский-Синевич К.Б., Рыжов В.П., Чередниченко В.П. Функции неопределенности и синтез сложных сигналов: Учебн. пособие- Таганрог, 1978.- 64 с.

79. Рыжов В.П., Федосов В.П. Статистические методы обработки сигналов: Консп. лекций. - Таганрог, 1984. - 54 с.

80. Садовский К.А. Оценка погрешностей восстановления сигналов по дискретным отсчетам : Учебное пособие/ Рязан. радиотех. ин-т - Рязань: РРТИ, 1988.-56 с.

81. Белов Л.А., Богачев В.М., Благовещенский М В. и др. Устройства генерирования и формирования радиосигналов: Учебн. пособие для вузов /Под ред. Уткина Т.М. и др. - М.: Радио и связь, 1994. - 416 с.

82. Чердынцев В.А. Проектирование радиотехнических систем со сложными сигналами: Учебн. пособие. - Минск, Вышейш. школа, 1979. - 192 с.

83. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. / Пер. с англ. - М.: Наука, 1985 - 157 с.

84. Оптическая обработка радиосигналов в реальном времени / Под ред. С.В. Кулакова.-М.: Радио и связь, 1998. - 135 с.

85. Осипенко В.Г., Мулеванов A.B. Прохождение сигналов через радиотехнические цепи: Учебн. пособие /ТРТИ - Таганрог, 1978 - 101 с.

86. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Книга третья. -М.: Сов. радио, 1976. - 320 с.

87. Логовин А.И. Методы формирования сигналов: Учебн. пособие для вузов /Моск. ин-т гражданской авиации; Каф. радиотех. устройств. - М.: МИИГА, 1993.-96 с.

88. Методы и аппаратура спектрального и корреляционного анализа сложных сигналов.- Таганрог, 1978 - 216 с.

89. Обработка сигналов в многоканальных РЛС /Под ред. А.П. Лукошкина.-М.: Радио и связь, 1983. - 328 с.

90. Обработка сигналов в радиотехнических системах ближней навигации /Пахолков Г.Д. и др. - M.: Радио и связь, 1992. - 256 с.

91. Отчет о научно-исследовательской работе по теме: Формирование и обработка сложных сигналов в радиотехнических системах: В 2-х кн. Кн. 1-2 /Рук. темы А.П. Дятлов - Таганрог, 1988.

92. Помехозащищенность радиосистем со сложными сигналами /Под ред. Г.И. Тузова.- М.: Радио и связь, 1985. - 254 с.

93. Акимов П.С., Евстратов Ф.Ф., Захаров С.И. и др. Обнаружение радиосигналов / Под ред. А.А.Колосова.- М.: Радио и связь, 1989. - 287 с.

94. Розов А.К. Обнаружение сигналов в нестационарных гидроакустических условиях.-Л.: Судостроение, 1987.-130 с.

95. Чинков В.Н. Общая задача синтеза прецизионных модулированных сигналов на основе время-импульсной модуляции //Измерит, техн. - 1998 - № 4. -с. 47-51.

96. Советов В.М. Исследование процедуры поиска составного сложного сигнала // Радиотехника (Москва). - 1998. - № 5. - с. 27 - 30.

97. Победоносцев В.А. Теорема о неравноотстоящих отсчетах // Радиотехн. тетр. - 1995.-№ 8.- с. 25-28.

98. New Releases Data Book. MAXIM. Vol. VII. 1998.

99. Designer's reference manual. Analog Devices. 1996.

100. Design-in reference manual. Analog Devices. 1994.

101. Digital Signal Processing Applications with the TMS320 Family: Theory, Algorithms, and implementations. Texas Instruments. Vol. I. 1989.

102. TMS320 Fixed-Point DSP Assembly Language Tools. User's Guide. Texas Instruments. December 1991.

103. TMS320C5x. User's Guide. Texas Instruments. 1993.

104. Филатов K.B., Филатова H.E., Шержуков E.JI. Формирование гидроакустических сигналов с заданным законом угловой модуляции // Междуведомственный тематич. научн. сб. «Прикладная акустика», Таганрог, ТРТИ, вып. XII, 1987, с. 141-144.

105. Гнатек Ю.Р. Справочник по цифроаналоговым и аналогоцифровым преобразователям. /Пер. с англ. Под ред. Ю.А. Рюжина. - М.: Радио и связь, 1982.-552 с.

106. Eber L.O., Soule Н.Н. Digital generation of wideband LFM waveforms. - In: Int. Radar Conf., IEEE Cat. N74 CHO 938-1 AES. - Arlington, 1975, p.214~ 220.

107. Фогельсон Б.А. Оценка смещения автокорреляционной функции сложного сигнала при фазовых искажениях. // Вопросы радиотехники. Сер. ОТ, 1973, вып. 1, с. 53-56.

!