способ оценки частоты одиночного гармонического колебания в ограниченном диапазоне

Формула изобретения

Способ оценки частоты одиночного гармонического колебания в ограниченном диапазоне, включающий накопление отсчетов сигнала смеси гармонического колебания и помехи параллельно для нескольких поддиапазонов в предполагаемом диапазоне нахождения частоты, отличающийся тем, что для каждого накопленного сигнала выполняется нахождение амплитуд накопленного сигнала в комплексных плоскостях, образованных опорными частотами, далее определяется максимальное значение амплитуды, определяющее первую оценку частоты, затем выполняется нахождение разницы между максимальным значением амплитуды и соседними, если разница меньше порогового значения, то оцененное значение частоты соответствует значению частоты, являющейся границей соседних поддиапазонов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к способам точной оценки радиочастоты, частоты несущего колебания устройства преобразования сигналов (УПС), анализа спектра и т.п. Преимущественной областью предложенного изобретения являются системы радиоразведки устройств передачи информации при оценке первичных параметров сигнала. Известен способ оценки параметров сигнала и устройство для реализации способа (патент RU № 2351005), включающий в себя спектральный анализ, выполняемый в два этапа. На первом этапе выполняется вычисление и анализ собственных чисел и собственных векторов корреляционной матрицы сигнала. На втором этапе выполняется вычисление и анализ весовых коэффициентов, обратно пропорциональных соответствующим собственным числам корреляционной матрицы сигнала. Использование описанного в патенте RU № 2351005 способа позволяет обеспечить точность оценки радиочастоты в спектре на входе радиоприемника менее 10% при соотношении сигнал-шум q<0 дБ.

Из известных наиболее близким по технической сущности является способ оценки частоты несущего колебания устройства преобразования сигналов (патент RU № 2429532), включающий в себя спектральный анализ и синхронное накопление отсчетов сигнала смеси несущего колебания и помехи параллельно для нескольких поддиапазонов в диапазоне расхождения радиочастот. Предложенный способ позволяет провести оценку частоты несущего колебания УПС за ограниченное время с точностью оценки частоты несущего колебания УПС до 5% при соотношении сигнал-шум менее 0 Дб. Однако данный способ включает в себя вычисление ортогонального дискретного разложения для векторов, накопленных для каждого поддиапазона, что увеличивает количество вычислительных операций, необходимых для нахождения коэффициентов разложения.

Технический результат предложенного способа заключается в сокращении вычислительных затрат, необходимых для оценки частоты, а также в повышении точности оценки частоты гармонического колебания.

Предложенный технический результат достигается тем, что предложен способ оценки частоты, включающий накопление отсчетов сигнала смеси гармонического колебания и помехи параллельно для нескольких поддиапазонов в диапазоне рассинхронизации, вычисление амплитуд векторов сигналов в комплексных плоскостях, образованных опорными частотами и последующей обработкой вычисленных амплитуд для повышения точности оценки частоты.

Способ осуществляется следующим образом. Предполагаемый диапазон нахождения частоты колебания разбивается на несколько поддиапазонов. Количество поддиапазонов выбирается исходя из требуемой точности оценки. Для каждого поддиапазона выбирается опорная частота и формируется вектор отсчетов смеси длиной N отсчетов путем дискретизации входного сигнала с частотой дискретизации, кратной опорной частоте поддиапазона, и суммирования отсчетов, отстоящих друг от друга на величину, кратную периоду опорной частоты. Коэффициент кратности частоты дискретизации опорной частоте предпочтительно выбирается одинаковым для каждого поддиапазона и должен удовлетворять условию теоремы Котельникова: k>2f_в/f_н, где f_в - верхняя граница предполагаемого диапазона нахождения частоты колебания, f_н - нижняя граница предполагаемого диапазона нахождения частоты. Далее вычисляются амплитуды сформированных векторов в соответствующих комплексных плоскостях, образованных опорными частотами каждого поддиапазона. Вычисление амплитуды производится следующим образом. Находятся скалярные произведения вектора отсчетов смеси, сформированного для каждого поддиапазона, на векторы отсчетов синуса и косинуса опорной частоты. Данные скалярные произведения соответствуют мнимым и действительным компонентам вектора сигнала в комплексной плоскости, образованной опорной частотой. Амплитуда вектора сигнала находится как квадратный корень суммы квадратов скалярных произведений. В случае, когда коэффициент кратности при дискретизации выбран одинаковым для всех поддиапазонов, векторы синуса и косинуса для всех опорных частот будут одинаковы. Затем из вычисленных для всех комплексных плоскостей значения амплитуд векторов сигнала формируется вектор амплитуд. В данном векторе находится максимальное значение, которое соответствует поддиапазону, в котором находится частота сигнала. Первая оценка значения частоты колебания соответствует опорной частоте этого поддиапазона. Затем производится сравнение максимального амплитудного коэффициента с соседними значениями вектора амплитуд. Если разница между максимальным амплитудным коэффициентом и одним из соседних меньше порогового значения, то оцененное значение частоты соответствует значению частоты, являющейся границей соседних поддиапазонов. Пороговое значение определяется как разница между амплитудами векторов сигнала в комплексных плоскостях соседних опорных частот для частоты сигнала, близкого к границе поддиапазона.

Снижение вычислительных затрат в предложенном способе по сравнению с прототипом достигается за счет замены ортогонального дискретного разложения нахождением амплитуд векторов сигнала в комплексных плоскостях опорных частот. Количество операций для определения амплитуды вектора в комплексной плоскости составляет N*K, где N - количество отсчетов вектора сигнала, K - количество поддиапазонов. Для способа прототипа количество операций для нахождения коэффициентов разложения K*N*log₂N. Т.о. вычислительные затраты при использовании предложенного способа уменьшаются в log₂N раз. Точность оценки предложенного способа в 2 раза выше, чем у способа прототипа. Повышение точности достигается за счет обработки вектора амплитуд. Если значение частоты колебания равно какой-либо опорной частоте, то максимальное значение в векторе амплитуд равно амплитуде оцениваемого колебания, а соседние значения в векторе амплитуд будут стремиться к нулю. В случае, когда частота колебания близка к границе соседних поддиапазонов, значения вектора амплитуд, соответствующие этим соседним поддиапазонам, будут примерно равны. Исходя из этого, можно определить пороговое значение разности максимального и соседнего значений в векторе амплитуд, которое будет свидетельствовать о нахождении частоты колебания вблизи границы соответствующих поддипазонов.

Было выполнено моделирование на ЭВМ способа оценки частоты гармонического колебания со следующими исходными данными:

- предполагаемый диапазон нахождения частоты от 1500 Гц до 2100 Гц;

- ширина поддиапазонов 37,5 Гц;

- фактическое значение частоты гармонического колебания 1710 Гц;

- соотношение сигнал-шум - 6 дБ;

- длительность анализируемого отрезка смеси гармонического колебания и аддитивного белого шума 28 мс.

Значение измеренной частоты гармонического колебания составило 1706,25 Гц. Погрешность измерения составила 3,75 Гц или 0,22%. Таким образом, предложенный способ позволяет провести оценку частоты одиночного гармонического колебания за ограниченное время, повысить точность оценки частоты до 2,5% при соотношении сигнал-шум менее 0 Дб и может быть осуществлен с помощью известных в технике средств цифровой обработки сигналов.