CC BY
35V. I. Tislenko, A. A. Savin
Tomsk state university of control systems and radioelectronics
Synthesis suboptimal the estimating filter for a time of arrival of pulse signal of the known form at multipath radio waves propagation
In work the problem of synthesis of the filter is solved realizing suboptimal joint estimations of the impulse response of the multipath channel with scattering function on delay and time of arrival a pulse signal on its output. The algorithm is realized in the assumption Gaussian models of the radio channel with independent scatterers. Convergence of estimations and working capacity of algorithm ofprocessing is shown.
Multipath radio channel, passive systems, time of arrival of signal, algorithm
Статья поступила в редакцию 10 октября 2006 г.
УДК 621.391.26
А. А. Савин, В. И. Тисленко
Томский государственный университет систем управления
и радиоэлектроники
Сравнительный анализ алгоритмов определения
времени прихода импульсного сигнала
при многолучевом распространении радиоволн
Приведены результаты исследования оптимального, корреляционного и порогового алгоритмов оценки времени прихода сигнала при наличии частотно-селективных искажений его формы. Использована гауссовская модель тропосферного многолучевого канала. Методом математического моделирования получены статистические характеристики точности оценок временного положения сигнала. Приведены результаты обработки экспериментальных данных, полученных на реальной приземной трассе.
Время прихода сигнала, многолучевой канал, алгоритм, среднеквадратичная ошибка
Искажения импульсных сигналов в средах с преобладанием многолучевого характера распространения радиоволн (РРВ) вызывают большие ошибки определения времени прихода сигнала (ВПС). Известные алгоритмы (пороговый и корреляционный) не позволяют реализовать потенциальную точность в условиях наличия многолучевого механизма РРВ. В настоящей статье обсуждаются результаты исследования среднеквадратичных ошибок (СКО) оптимальных оценок ВПС. Оценки формируются на выходе фильтра, реализующего оптимальный алгоритм совместного оценивания импульсной характеристики канала (ИХК) и ВПС1. Величины СКО оптимальных оценок сравниваются с СКО оценок, полученных корреляционным и пороговым методами.
Постановка задачи. Исследования характеристик импульсных сигналов при распространении на открытых тропосферных трассах, пролегающих над сушей, в сантимет-
1 См. наст. вып. журн., с. 56-61 62
ровом диапазоне радиоволн позволяют использовать для описания сигналов модель га-уссовского канала [лит.]. Эта модель задается совокупностью независимых по задержке и доплеровскому сдвигу отражателей с присутствием в общем случае прямого сигнала. Предположение о наличии конечного числа существенных рассеивателей позволяет ограничить ИХК и представить квадратуры наблюдаемого сигнала в виде
Рис. 1
п—1 п—1
гс (к) = X Ьо (7 ) ис (к - j - Т0 ) - X ^ (] ) и8 (к - j - Т0 ) + пс (к);
.7=0 j=0
п—1 п—1
^ (к) = X ^ (] ) ис (к - j - Т0 ) + X Ис (7) us (к - ] - Т0 ) + п8 (к) ,
7=0 7=0
(1)
(2)
где п - число отсчетов ИХК; Ис (•), И3 (•) - квадратуры ИХК; Т0 - время задержки прямого сигнала, равное ВПС; ис (•), и8 (•) - квадратуры входного сигнала; пс (к), п8 (к) - отсчеты шума наблюдений, некоррелированные между собой и во времени и имеющие гаус-
совский закон распределения с нулевым средним и дисперсией ап. Вектор состояния системы задан в виде
х = \_кс (0), кс (1), ..., кс (п-1), (0), (1), ..., (п-1)]Т,
(3)
где - знак транспонирования.
На основании уравнений (1)-(3) синтезирован многоканальный фильтр, реализующий оптимальный алгоритм совместного оценивания ВПС Т0 и ИХК . Далее приведены
результаты сравнения разработанного алгоритма с традиционными способами обработки -корреляционным и пороговым.
Алгоритмы оценки ВПС. Оптимальный алгоритм приведен в статье . Пороговый алгоритм (рис. 1) предполагает, что оценка ВПС определена фиксацией момента времени, когда огибающая наблюдаемого сигнала превышает пороговый уровень ип:
Тп = тш | аг§
к
( к ) + г? (к ) - ип >
0
Величина ип = 0.5итах, где итах - амплитуда наблюдаемого сигнала.
Оценка ВПС корреляционным способом (при случайной начальной фазе высокочастотного сигнала) формируется по временному положению максимума модуля корреляци-
онного интеграла: ТКор = аг§ \ тах
X [гс(к) + Г(к)] \_ис (к - 7) + ы8 (к - 7)]
к
Структурная схема корреляционного алгоритма оценки ВПС приведена на рис. 2.
2 См. настоящий выпуск журнала, с. 56-61.
Оптимальный и корреляционный алгоритмы используют информацию о форме комплексной огибающей излученного сигнала.
Условия моделирования и результаты исследования оценок ВПС. Исследование алгоритмов проведено методом статистических испытаний. СКО оценок ВПС получено при усреднении по ансамблю из 100 независимых реализаций шума наблюдений и ИХК. Отношение максимума сигнала к СКО шума наблюдений равнялось 10. Длительность реализации -100 тактов АЦП (в данной работе за единицу времени принят временной такт АЦП). Истинное временное положение сигнала - 25-й такт АЦП. Ширина импульсного входного сигнала на уровне половины максимального значения составляла 30 тактов. Внутриимпульсная фазовая модуляция отсутствовала. Длительность фронта (по уровням 0.1...0.9) - 7 тактов. Средние значения отсчетов квадратур ИХК - нулевые. Отсчеты квадратур ИХК некоррелированы между собой и во времени, их дисперсия определена видом энергетического спектра задержек (ЭСЗ). При моделировании форма ЭСЗ задавалась различной: равномерной, монотонной (возрастающей и убывающей). Результаты моделирования и расчета СКО оценок ВПС в конце интервала обработки приведены в табл. 1.
Исследование чувствительности оптимального алгоритма. Проведено исследование чувствительности оптимального алгоритма к неточности задания формы ЭСЗ, введенной в фильтр, что сказывается на увеличении СКО оценки ВПС. Результаты приведены в табл. 2.
Таблица 1
Длительность ИХК п , такты АЦП
Метод оценки 1 2 4 8 16 Форма ЭСЗ
СКО оценки ВПС, такты АЦП
Корреляционный 0.26 0.63 1.36 2.56 4.69 Монотонно убывающая
Пороговый 0.77 0.98 1.39 2.34 3.79
Оптимальный 0.21 0.49 0.67 0.95 1.47
Корреляционный 0.26 0.88 1.99 4.37 9.01
Пороговый 0.77 1.18 2.11 3.76 6.72 Равномерная
Оптимальный 0.21 0.53 0.68 0.91 1.2
Корреляционный 0.26 1.13 2.58 5.65 11.8 Монотонно возрастающая
Пороговый 0.77 1.43 2.73 5.48 10.7
Оптимальный 0.21 0.5 0.67 0.99 1.43
Таблица 2
Форма ЭСЗ Длительность ИХ канала п, такты АЦП
Существующая Введенная 1 2 4 8 16
в модели канала в фильтр СКО оценки ВПС, такты АЦП
Монотонно убывающая Монотонно убывающая 0.21 0.49 0.67 0.95 1.47
Равномерная 0.21 0.55 1.03 1.79 3
Монотонно возрастающая 0.21 0.66 1.29 2.47 4.52
Монотонно убывающая 0.21 0.54 0.83 1.15 1.58
Равномерная Равномерная 0.21 0.53 0.68 0.91 1.2
Монотонно возрастающая 0.21 0.55 0.74 1.23 1.6
Монотонно возрастающая Монотонно убывающая 0.21 0.57 1.31 2.46 4.48
Равномерная 0.21 0.52 1.01 1.67 2.61
Монотонно возрастающая 0.21 0.5 0.67 0.99 1.43
Результаты обработки экспериментальных данных. Экспериментальные данные получены в НИИ РТС ТУСУР в декабре 2005 г. на открытой трассе протяженностью 22.5 км в диапазоне 10 ГГц. Диаграмма направленности передающей антенны шириной 3° была отвернута на 100° от направления на приемник. Уровень бокового излучения был достаточен для приема сигнала. Ширина излученного импульса на уровне половины максимального значения составляла 300 нс. На краях импульса имела место фазовая модуляция. Длительность переднего фронта (по уровням 0.1...0.9) 50 нс, заднего - 150 нс. Обработано 100 записей комплексной огибающей смеси сигнала и шума, длительностью 100 тактов АЦП каждая. Такт АЦП составлял 11 нс. Исследованы статистические характеристики ошибок в квадратурных каналах. В табл. 3 приведены СКО оценок ВПС и математические ожидания (МО) ошибок оценок ВПС. Результаты исследований применены при построении алгоритмов обработки.
Следует отметить, что оценка ширины ИХК (величины п) формировалась по каждому принятому импульсному сигналу путем сравнения его ширины на уровне половины максимального значения с шириной излученного импульса на этом же уровне. В табл. 4 приведено распределение частот оценок длительности ИХК.
Данные, приведенные в табл. 3 и 4, показывают, что на рассмотренной открытой трассе искажения сигнала незначительны.
Из приведенных результатов следует, что применение оптимального алгоритма позволяет существенно повысить точность определения ВПС в сравнении с корреляционным и пороговым методами, особенно при большом уровне искажений формы сигнала. Исследование чувствительности оптимального алгоритма показало, что в качестве априорной информации о форме ЭСЗ, вводимой в фильтр, целесообразно использовать равномерный спектр. Оценка ширины ИХК может быть получена путем сравнения форм наблюдаемого и опорного сигналов. Анализ имеющихся экспериментальных данных показал, что на исследуемой трассе доминирующим был механизм, близкий к однолучевому. Частотно-селективные искажения импульсного сигнала практически отсутствовали.
Таблица 3 Таблица 4
Тип алгоритма СКО МО
Корреляционный 0.67 0.26
Пороговый 0.81 0.24
Оптимальный 0.62 - 0.04
Оценка длительности ИХК п такты АЦП
1 2 3 4
Частота
37 28 23 12
В реальных разностно-дальномерных системах опорный сигнал может быть получен в одном из пространственно-разнесенных пунктов.
Априорная информация о характеристиках канала может быть получена при помощи электронной карты местности.
Библиографический список
Кеннеди Р. Каналы связи с замираниями и рассеянием / Пер. с англ.; Под ред. И. А. Овсеевича. М.: Сов. радио, 1973. 304 с.
A. A. Savin, V. I. Tislenko
Tomsk state university of control systems and radioelectronics
The comparative analysis of definition algorithms of a pulse signal arrival time in multipath radiowaves distribution
This work presents the results of signal time arrival estimation algorithms research. An optimal, correlative and threshold algorithms in the presence of signal form frequency-selective distortions are analyzed. Gaussian model of a troposphere multipath channel are used. The estimation accuracy statistical characteristics of a signal position time are obtained by a mathematical modelling method. The work contains results of an experimental data processing, which received on a real near-surface signal trace.
The signal arrival time, the multipath channel, algorithm, root mean square error
Статья поступила в редакцию 10 октября 2006 г.
УДК 621.396.96
В. А. Бутько, Д. М. Носов, А. С. Сурков, В. А. Хлусов
Томский государственный университет систем управления
и радиоэлектроники
Экспериментальные измерения поляризационно-доплеровских портретов радиолокационных объектов
Приведены результаты экспериментальных когерентных измерений матриц обратного рассеяния различных типов подстилающей поверхности (море, суша), а также сосредоточенных радиолокационных объектов искусственного и естественного происхождения. Экспериментальные данные получены в ходе натурных испытаний макета когерентной поляризационной РЛС с полным поляризационным сканированием трехсантиметрового диапазона, позволяющей оценивать комплексный матричный спектр, определяющий поляризационно-доплеровский портрет радиолокационного объекта.
Поляризационно-доплеровский портрет, комплексная матрица обратного рассеяния, матричный спектр, полное поляризационное зондирование
Стремительное развитие цифровой когерентной техники формирования и обработки сигналов открывает новые возможности при решении задач дистанционного зондирова-
66
© Бутько В. А., Носов Д. М., Сурков А. С., Хлусов В. А., 2006
