15.5. Одноканальный следящий измеритель

Одноканальный измеритель работает следующим образом. Сначала анализируется одна ячейка в области неопределенности параметров (рис. 15.9). Если ШПС с параметрами этой ячейки не обнаружен, то программное устройство переводит схему поиска в другую ячейку, в простейшем случае в соседнюю. Таким образом происходит последовательный анализ ячеек неопределенности до тех пор, пока ШПС не будет обнаружен в какой-либо ячейке. Если используется дискретная модель изменения параметров, то и программное устройство перестраивает схему поиска дискретно. Но можно осуществить и непрерывную перестройку схемы поиска ШПС, поскольку реально параметр может принимать любые значения внутри интервала неопределенности.

Обычно измеряемые параметры ШПС - время задержки и частота — изменяются во времени из-за движения передающей или приемной станции, нестабильностей частот и т. п. Поэтому измеритель должен не только измерить (найти) параметры, но и осуществлять слежение за параметрами, т. е. осуществлять синхронизацию. Именно поэтому такие измерители называются следящими. Одноканальные следящие измерители являются по сути дела системами автоматического регулирования (САР), - теория которых разработана достаточно глубоко. Следящие измерители для поиска и синхронизации ШПС безусловно имеют свои особенности, которые кратко будут рассмотрены в дальнейшем, но основные положения теории САР применимы и для таких измерителей. Приведем основные положения теории одноканальных следящих измерителей [102].

Положим, что измеряемый параметр, например изменяется во времени, т. е. Поскольку прием ШПС сопровождается помехами, то процесс содержит как полезную сигнальную составляющую так и помеховую составляющую т. е. Задача измерителя процесса заключается в создании оценки которая минимально, в соответствии с принятым критерием, отличается от действительного закона изменения Поэтому измеритель является сглаживающим фильтром для Структура измерителя должна быть такой, чтобы обеспечить максимальное подавление (фильтрацию) помеховой составляющей

Параметры которые необходимо измерить и за изменением которых необходимо следить, нелинейно входят в ШПС. Например, сигнал на входе приемника может иметь вид

где амплитудная огибающая сигнала, со — несущая частота, — закон изменения угловой модуляции, случайная начальная фаза, задержка по времени. Параметры и со нелинейно входят в принимаемый сигнал (15.55). Поэтому измерители процессов являются нелинейными фильтрами.

Строгое решение задач нелинейной фильтрации хорошо известно [103, 104]. При больших отношениях сигнал-помеха используют гауссово приближение, которое заключается в том, что полагают измеряемый процесс гауссовым. Именно такое приближение сделано при переходе от апостериорной плотности (15.7) к (15.12). Переход к гауссовым процессам позволяет линеаризировать задачу оценки процесса и воспользоваться теорией оптимальной линейной фильтрации. Линеаризация заключается в том, что из входного сигнала формируется линейная функция малых отклонений текущего значения параметра относительного некоторого опорного значения, близкого к истинному значению Для параметров ШПС малые отклонения параметров определяются как

относительно которых и определялись ошибки (15.25), (15.26).

Устройство, которое сравнивает мгновенные значения называется дискриминатором (различителем). Опорное значение вводится заранее. Оно известно и вводится системой поиска. Обычно характеристика дискриминатора в определенных пределах линейна. Выходной сигнал дискриминатора является линейной функцией малых отклонений . Если измеряемый параметр не выходит за пределы линейного участка характеристики дискриминатора, то и на выходе дискриминатора можно поставить оптимальный линейный фильтр, который будет сглаживать помеховую составляющую и выдавать оценку Необходимо отметить, что оценка запаздывает на некоторое время относительно из-за задержки в фильтре.

На рис. 15.13 приведена схема линейного оптимального измерителя. Он состоит из дискриминатора (ДК), оптимального фильтра (ОФ) и сумматора На один вход дискриминатора поступает сигнал на другой вход — опорное значение параметра На выходе дискриминатора имеем разность

Рис. 15.13. Линейный оптимальный измеритель

Рис. 15.14. Характеристика дискриминатора

На рис. 15.14 изображена характеристика дискриминатора. Для слежения за изменением параметра обычно используется центральная линейная часть характеристики. Оптимальный фильтр выдает сглаженную оценку Обычно фильтр строится на основе критерия минимизации среднеквадратической ошибки между измеряемым параметром и его истинным значением. На выходе измерителя формируется

значение параметра которое в соответствии с критерием минимума среднеквадратической ошибки минимально в среднем отклоняется от истинного значения. Значение параметра может быть введено в необходимые узлы синхронизатора.

Опорное значение параметра вводится в измеритель из схемы поиска. В процессе измерений значение параметра на входе дискриминатора может и выйти из пределов характеристики дискриминатора, что приводит к срыву измерения параметра, т. е. к срыву синхронизации. Поскольку изменения параметров обычно медленные, то можно не только производить фильтрацию, но и осуществлять экстраполяцию (предсказание) параметра и использовать такое значение параметра в качестве опорного. При этом устраняется опасность срыва синхронизации. Для экстраполяции в качестве фильтра на рис. 15.13 используют экстраполирующий фильтр или экстраполятор. Чем точнее предсказывает экстраполятор ожидаемое значение процесса, тем меньше рассогласование между опорным и входным процессами. Таким образом, оптимальный одноканальный измеритель должен содержать дискриминатор и экстраполятор.

Для обеспечения работоспособности измерителя необходимо на временной дискриминатор подать опорное значение Начальное значение этого параметра обеспечивается схемой поиска.

На рис. 15.15 представлена схема следящего измерителя. Он состоит из дискриминатора (ДК), экстраполятора (ЭП), генератора (Г), схемы поиска (СП). Последняя в свою очередь состоит из схемы захвата (СЗ) и программного устройства (ПУ). Схема захвата представляет собой коррелятор, за которым следует пороговое устройство, а за пороговым устройством — реле захвата.

Рис. 15.15. Следящий измеритель

На коррелятор поступают два ШПС: со входа со значением параметра и с выхода генератора со значением параметра Если разность между параметрами больше ширины центрального пика ФН, то на выходе коррелятора сигнальной составляющей не будет. Соответственно не будет превышен порог и реле захвата не сработает. Генератор (Г) создает сигналы со всеми значениями внутри интервала неопределенности. Изменение параметра в сигнале осуществляется значением параметра , снимаемым с выхода экстраполятора.

Следящий измеритель работает в двух основных режимах: в режиме поиска и в режиме слежения.

В режиме поиска программное устройство через экстраполятор перестраивает по определенной программе значение , что

вызывает формирование генератором сигнала с соответствующим значением параметра Например, программное устройство может обеспечить изменение параметра в заданных пределах (от 0 до ) с требуемой скоростью. Когда в процессе поиска опорное значение параметра окажется близким к истинному значению (разность между ними меньше ширины центрального пика ФН по этому параметру), то напряжение на выходе коррелятора схемы захвата превысит порог, реле захвата сработает и поиск прекратится. При этом начальное рассогласование попадает в линейную часть характеристики дискриминатора, который вырабатывает сигнал рассогласования. Следящее кольцо (дискриминатор, экстраполятор, генератор) замыкается и измеритель переходит в режим слежения.

При ложных захватах от помехи или при пропадании сигнала, реле захвата спустя некоторое время размыкается и схема поиска вновь начинает поиск до обнаружения сигнала.

В режиме слежения сначала обрабатывается начальное рассогласование между что является переходным процессом. По окончании переходного процесса в установившемся режиме слежения рассогласования в дискриминаторе в среднем равны нулю и экстраполятор вырабатывает оценку

Таким образом, одноканальный следящий измеритель (рис. 15.15) осуществляет и поиск сигнала, и слежение за его параметром. Измеряемыми параметрами являются время задержки и частота Измеритель для двух параметров должен содержать два измерителя, аналогичных следящему измерителю, представленному на рис. 15.15.

Одноканальный измеритель (рис. 15.15) является наиболее простым, так как его память намного меньше базы ШПС. Например, если в качестве ШПС используется -последовательность, то память генератора равна , где В — база ШПС, что несравненно меньше памяти многоканального измерителя (15.54). Однако время поиска ШПС одноканальным измерителем значительно больше времени поиска многоканальным измерителем. Если положить, что число различимых значений параметров равно а время анализа одной ячейки составляет то максимальное время поиска одноканальным измерителем составит

что в раз больше времени поиска (15.49) многоканальным обнаружителем. Среднее время поиска

Следует отметить, что и (15.49), и (15.58) не учитывают появления ложных тревог и пропусков сигнала. Эти вопросы будут рассмотрены в дальнейшем.

Таким образом, два обнаружителя — многоканальный и одноканальный — дают два значения времени поиска — минимальное и максимальное соответственно. Поскольку одноканальный

обнаружитель наиболее простой, то существует проблема создания малоканальных обнаружителей на базе одноканальных, которые были бы относительно простыми и в то же время обеспечивали достаточное быстродействие. При этом возможны различные процедуры поиска ШПС [96-98, 105]. Поиск в оптимальном многоканальном измерителе производится одновременно во всех каналах. Такой поиск называется параллельным. В отличие от него поиск, осуществляемый одноканальным измерителем, называется последовательным поиском. Иногда его называют также последовательным шаговым поиском. Если такой поиск заключается в последовательном переходе к анализу соседней ячейки, то его называют иногда «слепым» или поиском по методу перебора. Многоэтапный поиск заключается в следующем. Сначала на первом этапе относительно быстро просматривают все ячейки и отбирают те, в которых вероятность нахождения наибольшая. На втором этапе более детально просматривают отобранные ячейки и т. д. Такой поиск можно осуществлять в несколько этапов. Полихотомический поиск заключается в том, что область параметров делят на к частей и для каждой определяют вероятность нахождения ШПС. Затем выбирают часть с максимальной вероятностью и снова делят ее на X частей и т. д. Простейший случай что соответствует дихотомическому поиску. Возможны также специальные процедуры, основанные на алгебраических свойствах кодовых последовательностей, и т. п. Более подробно эти процедуры и методы поиска будут рассмотрены в дальнейшем.