Измерения параметров сигнала. Структура оптимального измерителя

БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАТИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

кафедра ЭТТ

РЕФЕРАТ на тему:

«Измерения параметров сигнала. Структура оптимального измерителя»

МИНСК, 2008

Сущность, условия решения и критерий оптимальности задачи измерения параметров сигнала

Измеряемые параметры сигнала (время запаздывания, доплеровское смещение частоты, наклон и кривизна волнового фронта) изменяются во времени. Поэтому задача измерения по существу сводится к наиболее точному воспроизведениюэтих параметров, во времени. Для систем радиолокационных систем это означает наиболее точное воспроизведение во времени дальности, скорости и угловых координат объекта наблюдения. Для радиосистем передачи информации это означает наиболее точное воспроизведение во времени передаваемого информационного сообщения.

Постановка задачи измерения параметров сигнала, как и всякой другой задачи, предполагает формулировку некоторых условий ее решения. К числу таких условий относятся следующие исходные предположения, выступающие в роли постулатов:

- самостоятельность задачи измерения,

-независимость измерения искомого параметра от других, считающихся известиями.

Самостоятельность задачи измерения воспринимается с некоторой степень» условности.

В действительности, решая задачу обнаружения, т.е. принимая решение о наличии или отсутствии сигнала по каждому элементу разрешения пространства наблюдения, мы тем самым вместе с решением о наличии сигнала в данном элементе разрешения формируем оценку о параметрах сигнала с точностью до элемента разрешения (по дальности, скорости, угловым координатам). Однако для задачи измерения параметров сигнала характерны принципиально другие» более высокие, точности. Поэтому процесс обнаружения сигнала и измерения его параметров целесообразно рассматривать раздельно. Предполагается наличие обнаружителя, с помощью которого достоверно (D =1;F =0) устанавливается факт наличия сигнала в каком-либо элементе пространства наблюдения и осуществляется первоначальное грубое определение параметров сигнала (с точностью до элемента разрешения), позволяющее перейти к точному измерению.

Итак, согласно первому постулату о самостоятельности задачи измерения и достоверности обнаружения источником информации и объектом обработки (анализа) при решении задачи измерения параметров сигнала является аддитивная смесь принятого полезного сигнала и помех:

f(t)=m(t,a,)+(t)

Принятый полезный сигнал зависит от некоторого числа измеряемых (a1, a2,…ak) параметров (время запаздывания, доплеровское смещение частоты, наклон и кривизне волнового фронта) и некоторого числа неизменяемых (b1, b2,… bl) или паразитных параметров (случайные амплитуда и фаза). Измеряемые параметры a1, a2,…ak в общем случае являются функциональноили статистически зависимыми. Это обстоятельство приводит к необходимости совместного измерения взаимозависимых параметров, что сильно усложняет решение задач синтеза и анализа измерителей параметров сигнала. Поэтому в дальнейшем рассматривается лишь случай независимого от других измерения одного параметра, когда все остальные параметры предполагаются известными. В случае малых ошибок измерения, когда справедливы линейные приближения, раздельный синтез и анализ измерителей отдельных параметров вполне допустим.

Под упомянутой выше ошибкой измерения параметра подразумевается разность между измеренным значением параметра a и его истинным значением aц, закодированным в принятом сигнале:

Daц= a— aц.

В общем случае ошибка измерения является функцией времени и представляет собой разность

где aц(t - изменявшийся во времени измеряемый параметр, закодированный в принятом сигнале (задающее воздействие измерителя);

a(t) - измеренное значение параметра, т.е. результат воспроизведения задающего воздействия.

Естественным критерием качества измерения параметра является минимум ошибки измерения Daц. Однако формулировка критерия качества в такой форме не позволяет обеспечить осознания преемственности основных задач радиосистем (обнаружения, распознавания-различения и измерения) с точки зрения единства центрального звена решенияэтих задач - пространственно-временной и поляризационной обработки сигнала на фоне помех.

Действительно, в результате пространственно-временной и поляризационной обработки принятого сигнала на фоне помех формируется отношение правдоподобия (или любая однозначно связанная с ним величина). При этом фактически происходит сопоставление принятого сигнала и его прообраза по измеряемым параметрам.

Если характеристики и параметры принятого сигнала и его прообраза согласованы, то отношение правдоподобия максимально.

Факт согласованности характеристик и параметров привитого сигнала и его прообраза, устанавливаемый по максимуму отношения правдоподобия, может быть использован для формулировки критерия оптимальности в форме, удовлетворяющей сформулированному выше требованию: оптимальный измеритель должен обеспечить или минимум ошибки измерения, или максимум отношения правдоподобия.

Сформировав отношение правдоподобия и подобрав тем или иным способом такое значение измеряемого параметра, при котором отношение правдоподобия максимально, можно тем самым измерить с минимальной ошибкой тот или иной параметр сигнала. В зависимости от способа выбора измеряемого параметра различают измерители, классификация которых излагается ниже.

Классификация измерителей

Измерители различаются по следующим классификационным признакам;

- по степени участия человека (эргатические - с участием человека в системе "индикатор-оператор" и автоматические - без участия человека),

- по используемому времени (с формированием разовой оценки, т.е. с оцениванием по результатам

одного обращения к объекту наблюдения Ta = Tн<< Tob и с формированием объединенной оценки, т.е. оцениванием по результатам нескольких обращений к объекту наблюдения Ta >> Tн>> ),Tн Tob

- по наличию или отсутствию обратной связи (следящие или замкнутые измерители и неследящие или разомкнутые измерители).

Неотъемлемой частью эргатических измерителей является система "индикатор-оператор". Человек-оператор, наблюдая за экраном индикатора, используя либо неподвижные калибрационные метки (механические или электронные), либо подвижные метки, осуществляет максимально правдоподобную оценку координат или параметров движения целей. При этом оценивание измеряемого параметра возможно как по результатам одного обращения к цели ( Та = Тн << Тоб ), что характерно для РЛС кругового обзора с большим периодом обзора (единицы секунд), так и по результатам нескольких обращений к цели (Та >> Тоб >> Тн), что характерно для РЛС секторного обзора с высокой частотой обзора (десятки герц и более).

Эргатические измерители могут находиться как в следящем, так и неследящем режимах. Неследящий режим измерения (рис. 1) характерен для систем "индикатор-оператор" с неподвижными калибрационными метками, когда оценка измеряемого параметра осуществляется оператором непосредственно по максимуму отношения правдоподобия, т.е. путем выбора такого значения измеряемого параметра, при котором сигнал на выходе многоканального обнаружителя, отображаемый на экране индикатора, максимален.

Следящий режим измерения (рис. 2) характерен для систем "индикатор-оператор" с подвижными метками (механическимиилиэлектронными). При этом имеет место визуальная оценка величины и знака рассогласования между истинным значением измеряемого параметра (положением Метки на экране индикатора) и измеренным его значением (положением подвижной механической или электронной метки). Наблюдая и оценивая это рассогласование, оператор с учетом обретенного им опыта рассчитывает мышечную реакцию (управлявшее воздействие), прикладываемую к исполнительному устройству (механизму перемещения механической или электронной метки) для того, чтобы ликвидировать наблюдаемое им рассогласование.

Автоматические измерители работающие без участия человека (рис. 3), могут формировать как разовую (или единичную) оценку измеряемого параметра заодно обращение к цели - время наблюдения (Та = Тн << Тоб), так и объединенную оценку за несколько обращений к цели ( Та >> Тоб >> Тн).