Диссертация (Двумерный корреляционный анализ пониженной вычислительной сложности для разнесенных пассивных систем)

АО «Всероссийский научно-исследовательский институт радиотехники»Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждениевысшего образования«Московский технологический университет» МИРЭАНа правах ру|юписиКАРИХ АЛЕКСЕИ АНАТОЛЬЕВИЧДВУМЕРНЫЙ КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗПОНИЖЕННОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЛОЖНОСТИДЛЯ РАЗНЕСЕННЫХ ПАССИВНЫХ СИСТЕМСпециальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы иустройства телевиденияДиссертация на соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководитель:Шевяков Николай Николаевич, к.т.н.МОСКВА-20172ОГЛАВЛЕНИЕВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………………………….4ГЛАВА 1. МЕТОДЫ И СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ДКФ СИГНАЛА ……………...……….151.1.

Обзор существующих методов и способов получения ДКФ………….……………………151.1.1. Принцип формирования ДКФ в реальном времени………………………………….171.1.2. Сравнительный анализ существующих методов получения ДКФ………………….191.2. Способ вычисления ДКФ в реальном времени….………………………………………......351.2.1. Алгоритм вычисления ДКФ……………………………………………………………...351.2.2. Ограничения на применение алгоритма…………………………………………………391.2.3. Оценка вычислительных затрат при получении ДКФ………………………………….431.2.4. Оценка потерь при получении ДКФ…………………….……………………………….461.3. Выводы………………………………………………………………………………………....50ГЛАВА 2.

ПОЛУЧЕНИЕ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ НА ВЫХОДЕКВАДРАТУРНОГО КОРРЕЛЯТОРА ПРИ СТОХАСТИЧЕСКОМ ВХОДНОМСИГНАЛЕ…………………………..………………………………………………………………...522.1. Получение математического ожидания огибающей КФ……………………………………522.2. Получение дисперсии шума на выходе коррелятора……………...………………………...622.3. Получение отношения сигнал/шум на выходе коррелятора………………………………..672.4. Потенциальная точность измерения предложенным способом разности хода и разностидоплеровского сдвига сигналов…………………………………………………………………...692.5. Выводы…………………………………………………………………………………………76ГЛАВА 3. МЕТОДЫ И СПОСОБЫ ПОДАВЛЕНИЯ ”АНТИКОРРЕЛЯЦИОННЫХ”СИГНАЛОВ ПРИ ДВУМЕРНОЙ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ОБРАБОТКЕ…………….……...773.1. Определение ”антикорреляционных” сигналов……………………………………………..773.2.

Основные типы и характеристики ”антикорреляционных” сигналов……………………..793.3. Методы и способы подавления ”антикорреляционных” сигналов в двумерномкорреляторе при цифровой обработке…………………………………………………………....823.4. Исследование АК помех с корреляционной обратной связью……………………………..883.4.1. Структурная схема и описание АК………………………………………………………883.4.2.

Выбор элементов схемы и моделирование АК……………………………………….....913.4.3. Исследование подавления АК при различных типах помех…………………………...933.5. СК узкополосных сигналов………………………………………………………………….1003.5.1. Структурная схема и описание СК………………………….………………………….1003.5.2. Техническая реализация СК…………………………………………………………….1043.6. Выводы………………………………………………………………………………………..105ГЛАВА 4. АППАРАТНО-ПРОГРАММАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ДКФ В РЕАЛЬНОММАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ………………………………………………………………….………1074.1.

Исходные данные для аппаратной реализации систем корреляционной обработкисигналов………………………………….………………………………………………………...1074.2. Реализация ДКФ на ПЛИС и ГП……………………………………….……………………1094.2.1. Устройство, схема и параметры стенда корреляционной обработки ……………......1094.2.2. Алгоритм вычисления и формирования матрицы КФ…………………………….......1124.2.3. Алгоритм вычисления ДКФ……………………………..………………………….......11534.3. Реализация ДКФ на ГП………………………………………………………………………1194.3.1. Устройство, схема и параметры стенда корреляционной обработки ………………..1194.3.2.

Алгоритм вычисления ДКФ на основе ГП…………. ……………………………........1214.4. Конструктивная реализация корреляционной обработки на основе ГП…………………1274.5. Выводы………………………………………………………………………………….…….133ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………………………….135Список используемых сокращений……………………………………………………………...138СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………………………….......139ПРИЛОЖЕНИЕ 1. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ОСНОВНЫХ МЕТОДОВПОЛУЧЕНИЯ ДКФ…………………………………………………………………...…………...154ПРИЛОЖЕНИЕ 2. СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ПАССИВНОЙ СИСТЕМЫ СРАЗНЕСËННЫМ ПРИËМОМ И ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СХЕМА МОДЕЛИАВТОКОМПЕНСАТОРА ………………………………………………………………………...157ПРИЛОЖЕНИЕ 3.

ВЫВОД ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ НА ВЫХОДЕКВАДРАТУРНОГО КОРРЕЛЯТОРА…………………………………………………………...159ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ВЫБОР ЭБ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ АППАРАТУРЫКОРРЕЛЯЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ…………………………………………………………...178ПРИЛОЖЕНИЕ 5. ПАТЕНТЫ РФ НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ………….………………...207ПРИЛОЖЕНИЕ 6. АКТЫ О ВНЕДРЕНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОЙРАБОТЫ……………………………………………………………………………………….........2124ВВЕДЕНИЕВ радиотехнических задачах требуется исследовать свойства сигнала,определить его основные параметры, в том числе временной и частотный сдвиг.Традиционно эти параметры измеряются с помощью одномерной корреляционнойобработки, т.е.

получают корреляционную функцию (КФ) и определяют либовременной, либо частотный сдвиг. В случае одновременного измерения двухпараметров сигнала целесообразно использовать двумерную корреляционнуюфункцию (ДКФ) или функцию неопределенности, введенную Вудвордом Ф.М. [1]в середине прошлого века. Большой вклад в изучение ДКФ внесли Зиберт [118],Вилкокс[119],Стутт[120],которыеописалибольшинствоизеёфундаментальных свойств и вывели основополагающие теоремы.Согласно [1,7-9] ДКФ χ(τ,Φ) имеет вид:+∞χ (τ , Ф ) = ∫ u(t )v (t + τ )e*− j 2πΦt+∞dt ,или−∞χ (τ , Ф ) = ∫ U ( f )V * ( f + Ф )e j 2πfτ df ,−∞где t – текущее время; τ – время задержки; f – частота; Φ – частотный сдвиг; u(t) –сигнал первого приёмного канала; v(t) – сигнал второго приёмного канала; U(f) –спектр сигнала первого приёмного канала; V(f) – спектр сигнала второгоприёмного канала; * – знак комплексного сопряжения.ДКФ определяет взаимную связь временной структуры сигнала и егоспектра.

От ширины спектра сигнала зависит разрешающая способность ипогрешность измерения задержки и частотного сдвига. Таким образом, получениеДКФ становится одним из важных направлений исследований в теории обработкии обнаружения сигналов в области радиотехнических разработок.ДКФописываеткомплекснуюогибающуюсигналанавыходесогласованного фильтра приёмного устройства, как двумерную функцию времении частоты. Эта функция определяется только формой принимаемого сигнала ихарактеристиками фильтра приёмника. Каждый радиосигнал имеет вполнеопределённую ДКФ, но одной ДКФ может соответствовать целый ряд сигналов.5ДКФ можно разделить на три типа:• широкая;• многолепестковая;• кнопочная.Многие сигналы имеют сложную ДКФ и лишь условно их можно отнести ккакому-либо типу.Задача получения ДКФ содержит в себе две подзадачи: вычисление КФ ивыполнение частотной фильтрации.

При использовании цифровой обработкисигналов (ЦОС) возникает новый тип обработки- двумерная ЦОС [2], котораявыводит точность и качества получения ДКФ на новый уровень, а применениеновейшей элементной базы (ЭБ) даёт возможность вести обработку в реальноммасштабе времени. Корреляция временных последовательностей, действительныхили комплексных чисел, является одной из основных операций ЦОС.Традиционно эта задача решается вычислением КФ в спектральной области спомощьюоперациибыстрогопреобразованияФурье(БПФ).Частотнаяфильтрация осуществляется при помощи цифровых фильтров.Большой объём вычислений и двумерность задачи получения ДКФ вреальномвремениограничиваетприменениетрадиционныхподходовиобуславливают актуальность разработки новых методов решения подобных задач.Различные критерии при проектировании устройств обработки сигналов, а такжеразличный характер помех обусловили большое число подходов применяемыхдля решения данной задачи.Также стоит проблема оптимального выбора не только метода и алгоритма,но и аппаратно-программных средств, обеспечивающих реализацию ДКФ сминимальными временными и экономическими затратами.

При этом существуютдва пути реализации ДКФ: применение готовых и известных алгоритмов, нотребующих больших аппаратных затрат на их реализацию или разработка иисследование новых способов и алгоритмов. Предлагается пойти по второмупути. Такая постановка задачи накладывает ограничение на сложность алгоритма6и его объём, а также на время выполнения в соответствии с аппаратнымивозможностями.Актуальность темы исследования. Получение ДКФ в реальном времениявляется решением основной задачи измерения параметров сигнала. Интерес кметодам получения ДКФ обусловлен, прежде всего тем, что они позволяютвнедрить в технику корреляционной обработки новый подход к измерению, атакже в дальнейшем к отожествлению принятого сигнала и копии, распознаваниютипов сигналов.ПрирешениизадачиполученияДКФнаосноветрадиционныхкорреляционных методов и согласованной фильтрации возникает ряд трудностей.Во-первых,существованиезависимостиогибающейДКФотнескомпенсированной задержки (ошибки) в одном из приёмных каналов инескомпенсированного частотного сдвига.

Во-вторых, получение ДКФ связанно сбольшим объёмом вычислений. Так, при вычислении ДКФ корреляционнымметодом для 1024 отсчётов по задержке и 128 отсчётов по частоте необходимовыполнить порядка 109 операций сложения и умножения. Например, еслиобрабатывать сигнал с полосой 10 МГц в реальном времени, то вычислительдолжен иметь производительность не ниже 200 Гфлопс. Это требует либоприменениянесколькодесятковсигнальныхпроцессоров(СП),либопрограммируемых интегральных схем (ПЛИС) последних поколений (типа VirtexVII), что экономически затратно.В связи с этим актуальной задачей является разработка новых способов иалгоритмов, сокращающих объём вычислений.

Это позволит реализовать ДКФ вреальном времени на вычислителях средней производительности (от 20 до 200Гфлопс), тем самым сократив себестоимость аппаратной реализации как приразработке новых, так и при модернизации существующих средств ЦОС.Объектом исследования являются методы и алгоритмы получения ДКФ,позволяющие получить оценку величины задержки и частотного сдвига в широкомдиапазоне для двумерного корреляционного анализа.7Предметом исследования является разработка способа и алгоритмаполучения ДКФ в присутствии аддитивных помех с целью реализации её вреальном времени на вычислителях средней производительности.Степень разработки темы исследования.