CC BY
75
Телекомунікації, радіолокація, радіонавігація та електроакустика
УДК 621.37:621.391
АНАЛІЗ ШВИДКОДІЇ БЕЗПОШУКОВОГО ЦИФРОВОГО МЕТОДУ КОРЕЛЯЦІЙНО-ІНТЕРФЕРОМЕТРИЧНОГО ПЕЛЕНГУВАННЯ З
РЕКОНСТРУЮВАННЯМ ПРОСТОРОВОГО АНАЛІТИЧНОГО
СИГНАЛУ
Ципоренко В. В., к.т.н.
Житомирський державний технологічний університет,
Житомир, Україна
DIRECT DIGITAL METHOD FAST-ACTING ANALYSIS OF THE CORRELATION-INTERFEROMETRIC RADIO DIRECTION-FINDING WITH RECONSTRUCTING OF SPATIAL ANALYTICAL SIGNAL
Tsyporenko V. V., Cand. Of Sci (Technics)
Zhytomyr State Technological University, Zhytomyr, Ukraine
Вступ
На сьогодні пеленгування радіоелектронних засобів здійснюється в умовах складної електромагнітної обстановки (ЕМО), що характеризується багатопроменевим поширенням радіовипромінювань та перекриванням за частотою корисного сигналу і завад, апріорної невизначеності щодо параметрів радіовипромінювань. Перспективним напрямком реалізації пеленгування для вказаних умов є використання цифрових широкосмугових ко-реляційно-інтерферометричних радіопеленгаторів з антенною решіткою (АР) та цифровим синтезом її діаграми спрямованості (ДС) [1, 2]. Недоліками відомих методів кореляційно-інтерферометричного пеленгування є неможливість пеленгування джерел широкосмугових радіовипромінювань у реальному масштабі часу або необхідність застосування багатоканального корелятора та низька точність пеленгування джерел радіовипроміню-вань (ДРВ), спектри яких повністю перекриваються за частотою. Тому розробка безпошукових цифрових методів широкосмугового кореляційно-інтерферометричного пеленгування з використанням АР, що мають високу точність та можливість попередньої просторової селекції, а також їх дослідження є актуальною задачею.
В роботі [3] виконано розробку безпошукового цифрового методу ко-реляційно-інтерферометричного пеленгування з реконструюванням просторового аналітичного сигналу. Запропонований метод за рахунок просторової дискретизації суміші сигналів з використанням АР, реконструювання комплексного просторового аналітичного сигналу та використання дисперсійно-кореляційного оброблення просторових масивів відгуків, що потрапили до однієї пелюстки, здійснює в реальному масштабі часу безпошуко-
102
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
Телекомунікації, радіолокація, радіонавігація та електроакустика
ву оцінку напрямків на ДРВ, спектри яких повністю перекриваються за частотою. Але аналіз швидкодії цього методу не проведено.
В роботах [4-6] виконано дослідження цифрових кореляційно-інтерферометричних методів та засобів пеленгування, що реалізують дискретне пошукове визначення напрямку на ДРВ шляхом обробки часових реалізацій прийнятих випромінювань. Визначені алгоритми, побудова та їх точністні характеристики. Однак, вказані методи використовують послідовний дискретний пошук екстремальної затримки, що визначає їх відносно низьку швидкодію і точність. Також аналіз швидкодії даних методів не проведено.
Метою статті є аналіз швидкодії безпошукового цифрового методу ко-реляційно-інтерферометричного пеленгування з реконструюванням просторового аналітичного сигналу.
Виклад основного матеріалу дослідження
Виконаємо аналіз швидкодії безпошукового цифрового методу кореля-ційно-інтерферометричного пеленгування з реконструюванням просторового аналітичного сигналу за умови складної ЕМО, що характеризується багатопроменевим поширенням радіовипромінювань та перекриванням за частотою корисного сигналу, його перевідбитих копій і завад. Для цього оцінимо часові витрати TD на оброблення за умови когерентного узгодженого за шириною спектра прийому суміші радіовипромінювань, тобто при 2Afs = AFr , де AfS — ширина спектра прийнятої суміші радіовипроміню-вань, AFr — ширина смуги пропускання радіопеленгатора.
Нехай суміш радіовипромінювань приймається Z -канальним когерентним приймачем та на проміжній частоті протягом певної тривалості процесу аналізу Ta перетворюється у цифрову форму з частотою дискретизації аналого-цифрового перетворення Fd = 2Afs. При цьому отримують NS = Ta ■ Fd відліків прийнятої суміші радіовипромінювань.
Оскільки основною операцією, що виконується при кореляційно-інтерферометричному пеленгуванні, є множення з накопичуванням [7], то тривалість пеленгування доцільно оцінювати через загальну кількість операцій множення з накопичуванням, що необхідно виконати для оцінки пеленгу. Швидкодію пеленгування будемо оцінювати через кількість пеленгів Ne яку можна отримати за секунду при заданій тривалості процесу аналізу Ta .
Тривалість швидкого перетворення Фур’є (ШПФ) та кореляційного аналізу доцільно визначати через кількість операцій комплексного множення [7]. Дані витрати складаються з витрат часового спектрального аналізу TSA когерентно прийнятої Z радіоканалами та перетвореної в цифрову форму на проміжній частоті aIF суміші Uz (tn) радіовипромінювань, прос-
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» 103
Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
Телекомунікації, радіолокація, радіонавігація та електроакустика
торового спектрального аналізу TSSA за кожною часовою спектральною складовою coIFk прийнятої суміші Uz (jaIF k), к є[0;0,5 • NS -1], що еквівалентний здійсненню паралельної просторової селекціїї за допомогою синтезу багатопелюсткової ДС, а також витрат TAS на визначення аргумента та модуля просторового аналітичного гармонічного сигналу для двох елементів АР з номерами z1 та z2 для кожного просторово відселектованого з прийнятої суміші сигналу, витрат Тп на визначення цілої частини різниці аргументів комплексного аналітичного сигналу, витрат TDP на оцінку значень просторових частот Q.s Р просторово відселектованих сигналів з використанням дисперсійно-кореляційного оброблення:
TP = TSA + TSSA + TAS + ТП + TDP ■ С1)
Для мінімізації часових витрат часового спектрального аналізу його доцільно реалізувати на основі швидких алгоритмів, наприклад, алгоритму ШПФ. В цьому разі тривалість TSA часового спектрального аналізу, що виконується послідовно для Z радіоканалів дорівнює [7]:
Tsa = Z•(Ns • log2 Ns)• T■ (2)
де T1 — тривалість однієї операції комплексного множення з накопичуванням.
Часові витрати просторового спектрального аналізу TSSA мінімізуються
за умови використання також швидких алгоритмів, наприклад, ШПФ і необхідності формування тільки однієї Z -пелюсткової ДС для просторового аналізу Ns /2 часових спектральних складових, та дорівнюють:
TssA = 0,5• Ns • Z• log2 Z• T. (3)
Для визначення часових витрат TAS, Tn та TDP, що використовують
множення дійсних чисел, через кількість операцій комплексного множення, врахуємо, що одна операція множення комплексних чисел складається з чотирьох операцій множення дійсних чисел.
Часові витрати TAS + Tn дорівнюють:
Tas + Tn = M • 0,25 (4 • p + 8)-T, = M •( p + 2)-Ti, (4)
де p — кількість складових виділених підмасивів, що містять складову з екстремальною частотою Qp;
M — кількість радіовипромінювань в прийнятій суміші, що повністю перекриваються за частотою.
Часові витрати TDP дорівнюють:
TDP = 0,25• M• 0,5• Ns • 6• T, = 0,75• M• Ns • T, (5)
Таким чином, загальні часові витрати TP на здійснення оброблення прийнятої суміші сигналів згідно безпошукового цифрового методу коре-
104
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
Телекомунікації, радіолокація, радіонавігація та електроакустика
ляційно-інтерферометричного пеленгування з реконструюванням просторового аналітичного сигналу згідно рівнянь (1) - (5) дорівнюють:
TP = NS •(Z• log2NS + 0,5• Z• log2 Z + 0,75• M)• Tl +
. (6)
+M •( p + 2)-T
Аналіз рівняння (6) показує, що доданком M •( p + 2)^ Tx, що відповідає часовим витратам TAS + Tu можна знехтувати.
Максимальна швидкодія пеленгування буде забезпечуватись за умови оброблення прийнятої суміші радіовипромінювань в реальному масштабі часу, тобто при TP < Ta, та буде дорівнювати:
N,.max = M / Ta . (7)
Проведемо з урахуванням рівняння (6) дослідження залежності загальних часових витрат TP від ширини смуги пропускання радіопеленгатора AFr та кількості пеленгаційних каналів Z для наступних типових початкових умов: значення проміжної частоти fIF = 10,7MHz; частоту дискретизації Fd вибирають згідно теореми відліків: Fd = 2 •(, fiF + 0,5 •AFr );
_3
тривалість процесу аналізу Ta = 1 • 10 s; кількість часових сигнальних відліків визначається згідно з рівняням: NS = Ta • Fd; середня кількість радіовипромінювань, що потрапляє в смугу AFr : M = 10, вікно спектрального аналізу - Блекмана, що забезпечує низький рівень бічних пелюсток -85 дБ для якого p = 5; для цифрового оброблення використано високопродуктивний сучасний 8-ядерний сигнальний процесор компанії Texas Instruments TMS320C6678 з продуктивністю 320 •Ю9 операцій множення з накопичуванням за секунду [8], для якого Т1 = 0,0125 • 10 9 s при перемножуванні 32-розрядних комплексних чисел. Отримані залежності наведено на рис. 1.
Аналіз рис. 1 показує, що загальні часові витрати TP на здійснення оброблення прийнятої суміші сигналів згідно безпошукового цифрового методу кореляційно-інтерферометричного пеленгування з реконструюванням просторового аналітичного сигналу менші за тривалість Ta процесу аналізу при Z = 18 для ширини смуги частот одночасного аналізу AFr < 110MHz, при Z = 36 для AFr < 60MHz, при Z = 90 для AFr < 25MHz. Це забезпечує з використанням тільки одного сигнального
процессора здійснення безпошукового кореляційно-інтерферометричного пеленгування з використанням попередньої паралельної просторової селекції для умов складної ЕМО, коли сигнали перекриваються за частотою, в реальному масштабі часу одночасно для усіх радіовипромінювань, що потрапляють в смугу частот одночасного аналізу з шириною до 110MHz. Пе-
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» 105
Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
Телекомунікації, радіолокація, радіонавігація та електроакустика
ленгування в реальному масштабі часу забезпечує максимальну швидко-
Рис. 1. Залежність загальних часових витрат Тр від ширини смуги AFR та кількості пеленгаційних каналів Z при Ta = const: лінія Трі — при Z = 18;
Тр 2 — при Z = 36; Трз — при Z = 90.
Виконаємо дослідження відносної часової ефективності рт реалізації безпошукового цифрового методу кореляційно-інтерферометричного пеленгування з реконструюванням просторового аналітичного сигналу порівняно з відомим амплітудним методом пеленгування з використанням лінійної АР, що також здійснює паралельний просторовий аналіз прийнятої суміші радіовипромінювань та реалізується цифровими методами спектрального аналізу [9, 10].
Відмінністю відомих методів пеленгування є формування багатопелюсткової ДС із кроком по напрямку hg, що визначається заданою максимальною похибкою 8в дискретності оцінки пеленгу: Нв= 2 -8в. З урахуванням цього загальні часові витрати TV відомого цифрового амплітудного методу пеленгування з використанням Z -елементної АР дорівнюють:
Tv = Ns ■ (Z ■ log2 Ns + 0,5 ■ (De / he)- log2 (De / he))- T. (8)
Аналіз рівняння (8) показує, що часові витрати Tv суттєво залежать від витрат просторового спектрального аналізу, який здійснюють із заданою дискретністю he для усіх можливих напрямків на ДРВ шляхом просторового спектрального аналізу за кожною часовою спектральною складовою із синтезом (De / hg)-пелюстковою ДС. Цей фактор і зумовлює велику тривалість оброблення та загальні часові витрати Tv > Та, що робить неможливим пеленгування в реальному масштабі часу за умови застосування од-
106
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
Телекомунікації, радіолокація, радіонавігація та електроакустика
ного сигнального процесора, або зумовлює необхідність суттєвого збільшення дискретності оцінки пеленгу hg, що погіршує точність пеленгування, чи застосування багатопроцесорної схеми оброблення, що суттєво збільшує вартість пеленгатора.
Швидкодія пеленгування при TV > Ta буде визначатися згідно рівнян-
ня: Ne= М / Tv < Ne.max •
Відносна часова ефективність цт безпошукового цифрового методу кореляційно-інтерферометричного пеленгування з реконструюванням просторового аналітичного сигналу з урахуванням (6) та (8) визначається згідно з рівнянням:
цт —
T_Va (Z■ log2Ns + 0,5■(Dg /hg)-log2(Dg /h)) TP ~ (Z ■ log2 NS + 0,5 ■ Z ■ log2 Z + 0,75 ■ M)
(9)
Аналіз рівняння (9) показує, що оскільки (Dg / Sg)>> Z, то відносна часова ефективність цт >> 1.
Проведемо дослідження залежності відносної часової ефективності цт від ширини смуги AFR
R
De = 360°
0,1°
та кількості пеленгаційних каналів z при М —10. Отримані залежності згідно з
1 ■ 10_3 ^
рівнянням (9) наведено на рис. 2.
в
Рис. 2. Залежність відносної часової ефективності Ц від ширини смуги AFR та кількості пеленгаційних каналів Z при Ta — const: лінія Цт\ — при Z — 18;
Ит 2 — при Z — 36; Цт з — при Z — 90.
Аналіз залежностей на рис. 2 показує, що відносна часова ефективність цт безпошукового цифрового методу кореляційно-інтерферометричного пеленгування з реконструюванням просторового аналітичного сигналу
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
107
Телекомунікації, радіолокація, радіонавігація та електроакустика
обернено пропорційна кількості пеленгаційних каналів Z та ширині смуги AFr , перевищує порядок та сягає 70 разів.
Таким чином, досліджений безпошуковий метод пеленгування за умов складної ЕМО забезпечує одночасне пеленгування усіх радіовипроміню-вань, що потрапляють в смугу частот одночасного аналізу з шириною до 110MHz в реальному масштабі часу, тобто задовільняє умові тр < Та з використанням тільки одного сигнального процесора, а також має максимально можливу швидкодію пеленгування Ne max = M / Ta.
Висновки
Виконано оцінку загальних часових витрат Тр, швидкодії Ne max та відносної часової ефективності іит безпошукового цифрового методу коре-ляційно-інтерферометричного пеленгування з реконструюванням просторового аналітичного сигналу. Визначено, що досліджений безпошуковий метод пеленгування за умов складної ЕМО забезпечує просторову селекцію та одночасне пеленгування радіовипромінювань, що потрапляють в смугу частот одночасного аналізу з шириною до 110MHz в реальному масштабі часу, тобто задовільняє умові TP < Та з використанням тільки одного сигнального процесора.
У подальшому доцільно виконати дослідження точності безпошукового цифрового методу кореляційно-інтерферометричного пеленгування з ре-конструюванням просторового аналітичного сигналу та оптимізацію параметрів алгоритму пеленгування.
Література
1. Слободянюк П. В. Довідник з радіомоніторингу / П. В. Слободянюк, В. Г. Благодарный, В. С. Ступак; під ред. П. В. Слободянюка. — Ніжин: ТОВ „Видавництво „Аспект-Поліграф”, 2008. — 588 с.
2. Рембовский А. М. Радиомониторинг — задачи, методы, средства / А. М. Рембовский, А. В. Ашихмин, В. А. Козьмин; под ред. А. М. Рембовского. - [2-е изд., перераб. и доп.]. — М. : Горячая линия - Телеком, 2010. — 624 с. : ил.
3. Ципоренко В. В. Безпошуковий цифровий метод кореляційно-інтерферометричного пеленгування з реконструюванням просторового аналітичного сигналу / В. В. Ципоренко // Вісник Національного технічного університету України „Київський політехнічний інститут”. Серія - Радіотехніка. Радіоапаратуробудування. — 2012. — № 48. — С. 75—84.
4. Gaoming Huang. Time-delay direction finding based on canonical correlation analysis / Gaoming Huang, Luxi Yang, Zhenya He. // Circuits and Systems, 2005. ISCAS 2005. — IEEE International Symposium, 23-26 May 2005. — pp. 540—549,
5. Jacovitti G. Discrete time techniques for time delay estimation / G. Jacovitti, G. Scarano // IEEE Trans. Signal Procession, Feb. 1993. — vol. 41. — pp. 525—533.
6. Griffin C. Interferometric radio-frequency emitter location / C. Griffin, S. Duck // Radar, Sonar and Navigation, IEE Proc., Jun 2002. — vol. 149. — p. 153.
7. Сергиенко А. Б. Цифровая обработка сигналов / А. Б. Сергиенко — СПб. : Питер, 2003. — 608 с. : ил.
108
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
Телекомунікації, радіолокація, радіонавігація та електроакустика
8. Сайт фірми-виробника [Електронний ресурс]: Multicore Fixed and Floating-Point
Digital Signal Processor TMS320C6678. — Режим доступу до додатку:
http://www.ti.com/product/tms320c6678. — Назва з екрана.
9. Дрогалин В. В. Алгоритмы оценивания угловых координат источников излучений, основанные на методах спектрального анализа / В. В. Дрогалин, В. И. Меркулов,
B. А. Радзивилов // Успехи современной радиоэлектроники. — 1998. — № 2. —
C. 3—17.
10. Джонсон Д. Х. Применение методов спектрального оценивания к задачам определения угловых координат источников излучения / Д. Х. Джонсон // ТИИЭР. — 1982. — т. 70, №9. — С. 126—139.
References
1. Slobodyanuk P.V. Dovidnyk z radiomonitoryngu / Slobodyanuk P.V., Blagodarniy V.G., Stupak V.S.; Pid. red. P.V. Slobodyanuka. - Nizhyn: TOV «Vydavnutstvo «Aspekt-Poligraf», 2088. - 588 s. (in Ukrainian)
2. Rembovskiy A.M. Radiomonitoring - zadachi, Metody, sredstva / Rembovskiy A.M., Ashihmin A.V., Kozmin V.A.; pod red. А.М. Rembovskogo. - [2-е izd., pererab. i dop.]. -M.: Garyacha liniya - Telecom, 2010. - 624 s.: il. (in Russian)
3. Tsyporenko V.V. Bezposhukoviy tsyfroviy metod korelyatsiyno-interferometrychnogo pelenguvannya z rekonstruvannyam prostorovogo analitychnogo sygnalu / V.V. Tsyporenko // Visnik NTUU «KPI». Ser. Radiotehnika. Radioaparatobuduvannya. - 2012. - No48. -S.75-84. (in Ukrainian)
4. Gaoming Huang, Luxi Yang, Zhenya He. Time-delay direction finding based on canonical correlation analysis. Circuits and Systems, 2005. ISCAS 2005. IEEE International Symposium, pp. 540-549, 23-26 May 2005.
5. Jacovitti G. and Scarano G., Discrete time techniques for time delay estimation, IEEE Trans. Signal Procession, vol. 41, pp. 525-533, Feb. 1993.
6. Griffin C., Duck S. Interferometric radio-frequency emitter location. Radar, Sonar and Navigation, IEE Proc., vol. 149, p. 153, Jun 2002.
7. Sergienko A.B. Tsifrovaya obrabotka signalov / Sergienko A.B. - SPb: Piter, 2003. -608 s.: il. (in Russian)
8. Sait vyrobnyka [Elektronniy resurs]: Multicore Fixed and Floating-Point Digital Signal
Processor TMS320C6678. - Rezhym dostupu do dodatku:
http://www.ti.com/product/tms320c6678. - Nazva z ekrana. (in Ukrainian)
9. Drogalin V.V. Algoritmy otsenivania uglovyh koordinat istochnikov izlucheniy, osno-vannye na metodah spektralnogo analiza / V.V. Drogalin, V.I. Merkulov, V.A. Radzivilov // Uspehi sovremennoy radioelektroniki. - 1998. - No 2. - S. 3-17. (in Russian)
10. Dzhonson D.H. Primenenie metodov spektralnogo otsenivania k zadacham opredele-nia uglovyh koordinat istochnikov izluchenia / D.H. Dzhonson // TIIER, 1982, т. 70, No 9, S. 126-139. (in Russian)
Ципоренко В. В. Аналіз швидкодії безпошукового цифрового методу кореляційно-інтерферометричного пеленгування з реконструюванням просторового аналітичного сигналу. В роботі виконано аналіз швидкодії безпошукового цифрового методу кореляційно-інтерферометричного пеленгування з реконструюванням просторового аналітичного сигналу. Виконано оцінку загальних часових витрат, швидкодії та відносної часової ефективності методу. Визначено, що досліджений безпошуковий метод пеленгування забезпечує просторову селекцію та одночасне пеленгування радіовипро-мінювань, що потрапляють в смугу частот одночасного аналізу з шириною до ста
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» 109
Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
Телекомунікації, радіолокація, радіонавігація та електроакустика
десяти мегагерц в реальному масштабі часу з використанням тільки одного сигнального процесора.
Ключові слова: кореляційно-інтерферометричне пеленгування, реконструювання просторового аналітичного сигналу, оцінка швидкодії, безпошукова оцінка напрямків.
Ципоренко В. В. Анализ быстродействия беспоискового цифрового метода корреляционно-интерферометрического пеленгования с реконструированием пространственного аналитического сигнала. В работе выполнен анализ быстродействия беспоискового цифрового метода корреляционно-интерферометрического пеленгования с реконструированием пространственного аналитического сигнала. Выполнена оценка общих временных затрат, быстродействия и относительной временной эффективности метода. Определено, что исследованный беспоисковый метод пеленгования обеспечивает пространственную селекцию и одновременное пеленгование радиоизлучений, которые попадают в полосу частот одновременного анализа с шириной до ста десяти мегагерц в реальном масштабе времени с использованием только одного сигнального процессора.
Ключевые слова: корреляционно-интерферометрическое пеленгование, реконструирование пространственного аналитического сигнала, оценка быстродействия, беспоисковая оценка направлений.
Tsyporenko V. V. Direct digital method fast-acting analysis of the correlation-interferometric radio direction-finding with reconstructing of spatial analytical.
Introduction. Nowadays radio control of radio electronic devices must be carried out in the conditions of sticky electromagnetic wicket, large prior uncertainty in relation to the parameters of radiations, and also in the conditions of the real time realization. The use and researches of direct digital methods of correlation-interferometric direction-finding is perspective direction in radio control realization for the indicated terms.
Fundamentals of researches. In this paper, the direct digital method fast-acting analysis of the correlation-interferometric radio direction-finding with reconstructing of spatial analytical signal is executed. The estimation of time charges, fast-acting and relative time efficiency of method is executed.
Conclusions. It is certain that analyzed direct method of direction-finding provides a spatial selection and simultaneous direction-finding of radiations which get in the pass frequencies band of simultaneous analysis with a width to one hundred ten megahertz real-time with the use of only one signal processor.
Keywords: correlation-interferometric radio direction-finding, reconstructing of spatial analytical signal, fast-acting estimation, direct estimation of directions.
110
Вісник Національного технічного університету України «КПІ» Серія — Радіотехніка. Радіоапаратобудування. — 2013.—№52
