Method of estimation of frequency parameters of ultra-wideband signals with an unknown spectrum shape in the presence of interference

封面

如何引用文章

全文:

详细

Background. One of the urgent tasks of processing ultra-wideband signals is the assessment of their frequency parameters in complex signal-noise conditions. Aim. The paper presents the synthesis and analysis of an algorithm for jointly estimating the central frequency and bandwidth of ultra-wideband signals received against the background of Gaussian narrowband interference and Gaussian white noise. Methods. The study uses the computational method of statistical radiophysics and the method of mathematical statistics. Results. The characteristic of the joint estimation of the central frequency and frequency band of ultra-wideband signals, including the values of the offsets and scattering of the estimation, is found. It is established that with an increase in the intensity of interference, the accuracy of the joint estimation decreases. Conclusion. The obtained results allow us to make a reasonable choice of the necessary algorithm for estimating the frequency parameters of ultra-wideband signals depending on the requirements for the accuracy of estimates in a complex signal-noise environment.

全文:

Введение

На сегодняшний день непрерывно продолжающееся развитие новых радиоэлектронных систем требует повышения пропускной способности, а при передаче информации по беспроводному каналу расширения их возможностей и улучшения качественных характеристик. Одним из возможных путей решения этой проблемы является использование сверхширокополосных (СШП) сигналов [1–8; 10–13]. В связи с этим во многих прикладных задачах необходимо решать задачи оценки параметров СШП-сигналов [7; 10; 12; 13], в том числе задачи оценки частотных параметров СШП-сигналов. В работе [7] выполнены синтез и анализ квазиправдоподобного (КП) алгоритма оценки частоты СШП-квазирадосигнала с неизвестной длительностью, наблюдаемого на фоне гауссовского белого шума (ГБШ). В работе [10] выполнены синтез и анализ КП-алгоритма оценки средней частоты СШП-сигналов, принимаемых на фоне гауссовских узкополосных помех (ГУП) и ГБШ. В частности, существенный интерес вызывает задача совместной оценки центральной частоты и полосы частот СШП-сигналов с неизвестной формой спектра, принимаемых на фоне ГУП и ГБШ.

1. Алгоритм оценки частотных параметров СШП-сигналов при наличии ГУП и ГБШ

Пусть на фоне ГУП и ГБШ наблюдается СШП-сигнал s(t,Ω1,Ω2), спектр которого можно представить в виде

s(ω,Ω1,Ω2)=q(ω),Ω1ωΩ2,0,ω<Ω1;ω>Ω2. (1)

Здесь обозначим: Ω1 – минимальная частота спектра; Ω2 – максимальная частота спектра; v=(Ω1+Ω2)/2 – центральная частота и Ω=(Ω2Ω1) – полоса частот. Значения Ω1, Ω2 могут принимать значения из априорных интервалов

ΩiΩimin;Ωimax, i=1,2.

Используя такие параметры СШП-сигналов, как центральная частота v и полоса частот Ω спектр (1) можно переписать следующим образом:

s(ω,ν,Ω)=q(ω)I(ων)/Ω, (2)

где

I(x)=1,x<1/2,0,x1/2,

а v и Ω могут принимать значения из соответствующих интервалов:

ννmin;νmax, ΩΩmin;Ωmax. (3)

Тогда для принимаемого сигнала имеем

s(ω,ν,Ω)=12πνΩ/2ν+Ω/2q(ω)exp(jωt)dω. (4)

Полагаем, что на интервале времени 0,T наблюдается реализация x(t)=s(t,ν0,Ω0)+n(t)+ξ(t), где v0, Ω0 – истинные значения неизвестных центральной частоты и полосы частот; nt – реализация ГБШ с односторонней спектральной плотностью N0ξt – ГУП с корреляционной функцией Bξ(t2t1). В частном случае спектральную плотность ГУП можно представить в виде [6; 10; 12]:

Gξ(ω)=γ2Iω0ωΩξ+Iω0+ωΩξ, (5)

где ω0 – центральная частота ГУП; Ωξ − ширина полосы частот ГУП; γ − интенсивность ГУП.

Как известно [7; 10; 13], для оценки частотных параметров СШП-сигналов можем использовать КП-алгоритм оценки, согласно которому логарифм функционала отношения правдоподобия (ЛФОП) для некоторого ожидаемого сигнала (2) запишется в виде

L(ν,Ω)=2N00Tx(t)s1(t,ν,Ω)dt1N00Ts12(t,ν,Ω)dt. (6)

Здесь s1(t,ν,Ω) – опорный сигнал, причем в общем случае s(t,ν,Ω)s1(t,ν,Ω). И находим КП-алгоритм оценки частотных параметров СШП-сигнала как

(v,Ω)=argsupL(v,Ω). (7)

Если реализация наблюдаемых данных xt не содержит ГУП ξt и s(t,ν,Ω)=s1(t,ν,Ω), то оценка (7) является оценкой максимального правдоподобия (ОМП).

Полагаем, что у ожидаемого сигнала s1(t,ν,Ω) спектр подобен спектру СШП-сигнала (2) и может быть записан как

s1(ω,ν,Ω)=q1(ω)I(ων)/Ω. (8)

Переходя (6) к спектральному представлению, получим

L(ν,Ω)=1πN0νΩ/2ν+Ω/2q1(ω)x(ω)dω12πN0νΩ/2ν+Ω/2q1(ω)2dω, (9)

где

x(ω)=0Tx(t)exp(jωt)dt

– текущий (выборочный) спектр реализации наблюдаемых данных.

Согласно [10], КП-алгоритм оценки центральной частоты v и полосы частот Ω можно выразить через КП-алгоритм оценки минимальной Ω1 и максимальной Ω2 частот спектра: v=(Ω1+Ω2)/2 и Ω=Ω2Ω1, согласно которому, необходимо найти оценки минимальной  и максимальной  частот спектра. В соответствии с [10; 14] находим КП-алгоритм оценки как

(Ω1,Ω2)=argsupL(Ω1,Ω2), (10)

L(Ω1,Ω2)=1πN0Ω1Ω2q1(ω)x(ω)dω12πN0Ω1Ω2q1(ω)2dω, (11)

ЛФОП (11) можно представить в виде

L(Ω1,Ω2)=L1(Ω1)+L2(Ω2), (12)

L(Ω1)=1πN0Ω1Ωfq1(ω)x(ω)dω12πN0Ω1Ωfq1(ω)2dω, (13)

L(Ω2)=1πN0ΩfΩ2q1(ω)x(ω)dω12πN0ΩfΩ2q1(ω)2dω, (14)

где Ωf – произвольное фиксированное значение частоты из интервала Ω1max,Ω2min.

Как известно [15], гауссовские спектральные меры на неперекрывающихся частотных интервалах ортогональны. Поэтому случайные процессы (СП) L1(Ω1) (13) и L2(Ω2) (14) будут статистически независимыми. В результате оценку (10) можно переписать как

Ωi=argsupLi(Ωi),  i=1,2. (15)

Рассмотрим статистические характеристики СП L1(Ω1) и L2(Ω2), которые, согласно (13), (14), представляют собой линейные преобразования СП x(ω) и, следовательно, являются гауссовскими. Для исследования статистических описаний находим их математические ожидания

 (16)

null (17)

и корреляционные функции

B1(Ω11,Ω21)=1+γN01πN0max(Ω11,Ω21)Ωfq1(ω)2dω, (18)

B2(Ω12,Ω22)=1+γN01πN0Ωfmin(Ω12,Ω22)q1(ω)2dω. (19)

Согласно [6; 10], математические ожидания (16), (17) достигают максимума в точке Ω1=Ω01 и Ω2=Ω02 соответственно. Положения максимумов математических ожиданий (16) и (17) совпадают с истинными значениями минимальной и максимальной частот сигнала (4) при выполнении условия

q1(Ω0i)2q(Ω0i), i=1,2.

Тогда КП-алгоритмы оценки (15) будут состоятельными.

Будем полагать, что отношение сигнал – шум (ОСШ) на выходе приемника достаточно велико, в этом случае положения максимумов СП L1(Ω1) и L2(Ω2) располагаются в малых окрестностях точек Ω01 и Ω02, поэтому необходимо исследовать поведение СП (13) и (14) в окрестностях точек Ω01 и Ω02. Полагая

Δ=maxΩiΩ0i,ΩjΩ0j0, i,j=1,2,

аппроксимируем средние значения (16) и (17) отрезками разложений Тейлора:

Si(Ωi)=(1)i1πN0ΩfΩ0iq(ω)q1(ω)dω

12πN0ΩfΩ0iq1(ω)2dω-1iρi2(ΩiΩ0i)/2Ω0++ρi2g(Ω0i)min0,(1)i(ΩiΩ0i)/Ω0+o(Δ), (20)

где

g(ω)=q(ω)/q1(ω), ρi2=2q1(Ω0i)2/N0π, i=1,2,   

а корреляционные функции (18) и (19) перепишем в виде

B1(Ω11,Ω21)=1+γN0(1)πN0ΩfΩ01q1(ω)2dω+

+ρ12min(1)(Ω11Ω01);(1)(Ω21Ω01)/Ω0, (21)

B2(Ω12,Ω22)=1+γN01πN0ΩfΩ02q1(ω)2dω+

+ρ22min(Ω12Ω02);(Ω22Ω02)/Ω0, (22)

где ρ12=2q1(Ω01)2/N0π и ρ22=2q1(Ω02)2/N0π.

Как следует из (20), (21) и (22), в малых окрестностях точек Ω01 и Ω02 СП (13), (14) является гауссовским марковским СП диффузионного типа с коэффициентами сноса и диффузии [16]:

k11=ρ122Ω0g1,Ω1>Ω01,1,Ω1Ω01, (23)

k12=ρ121+γN02Ω0,

k12=ρ222Ω0g2,Ω2Ω02,1,Ω2>Ω02, (24)

k22=ρ221+γN02Ω0,

где g1=2g(Ω01)1 и g2=2g(Ω02)1.

Найдем совместную плотность вероятности распределений положений абсолютных максимумов реализаций СП L1(Ω1) и L2(Ω2):

W(Ω1,Ω2)=W1Ω(Ω1)W2Ω(Ω2), (25)

где W1Ω(Ω1) и W2Ω(Ω2) – плотности вероятностей положений абсолютных максимумов реализаций СП L1(Ω1) и L2(Ω2).

Далее найдем совместную плотность вероятности нормированных ошибок совместных оценок.

Пусть

μ1=ρ12g1(Ω1Ω01)/2, ρ22g2(Ω2Ω02)/2

– нормированные ошибки КП-алгоритма оценки нижней и верхней частот сигнала (4). Тогда в случае, когда ОСШ на выходе приемника достаточно велико, получим асимптотические выражения для плотностей вероятностей нормированных ошибок в виде

W1(μ1)=W0(μ1/g1)/g1,  μ1<0,g1W0(μ1g1),  μ10, (26)

W2(μ2)=g2W0(μ2g2),  μ2<0,W0(μ2/g2)/g2,  μ20, (27)

где

W0(x)=3exp(2x)1Φ3x2+Φx21 (28)

– предельная плотность вероятности нормированной ошибки ОМП одного параметра сигнала при условии, что второй параметр известен, gi,i=1,2. Согласно [9], плотность вероятности (28) существенно отличается от гауссовской.

Согласно (25), (26) и (27), совместная плотность вероятности нормированных ошибок КП-алгоритма оценки равна

W(μ1,μ2)=W1(μ1)W2(μ2). (29)

Введем в рассмотрение нормированные ошибки КП-алгоритма оценки центральной частоты и полосы частот сигнала (4):

η1=(νν0)ρ1ρ2/Ω0, (30)

η2=(ΩΩ0)ρ1ρ2/2Ω0. (31)

Переходя в выражении (29) к новым переменным (30), (31), находим предельную двумерную плотность вероятности нормированных ошибок совместных оценок [14]:

W(η1,η2)=g1g22W1g1η1η22W2g2η1+η22. (32)

Совместная плотность вероятности (32) позволяет рассчитать асимптотические значения смещений и рассеяний КП-алгоритма оценки v и Ω

b(νν0,Ω0)=νν0=

=31+qΩ0(g12g22)/4(ρ1ρ2)2, (33)

b(Ων0,Ω0)=ΩΩ0=

=31+qΩ0(2g12g22)/2(ρ1ρ2)2, (34)

V1(νν0,Ω0)=(νν0)2=

=131+qΩ024(ρ1ρ2)4g1+g11g12+g2+g21g22, (35)

V1(νν0,Ω0)=(ΩΩ0)2=

=131+qΩ02(ρ1ρ2)4g1+g11g12+g2+g21g22. (36)

Здесь q=γ/N0 – отношение помеха – шум.

Видно, что можно рассчитать значения смещений и рассеяний ОМП центральной частоты и полосы частот при g1=g2=1 в условии отсутствия помех  и имеем

b(νν0,Ω0)=0, (37)

b(Ων0,Ω0)=0, (38)

V(νν0,Ω0)=13Ω02(ρ1ρ2)4, (39)

V(Ων0,Ω0)=52Ω02(ρ1ρ2)4. (40)

2. Влияние ГУП на точность оценки частотных параметров СШП-сигналов

В качестве примера исследования рассмотрим опорный сигнал со спектром прямоугольной формы:

q1(ω)=a1,

принимаемый СШПС с прямоугольной формой спектра со скошенной вершиной:

q(ω)=a1+2ων0Ω01k1+k.

Здесь параметры a, a1 – интенсивности сигналов и k характеризует наклон вершины спектра СШП-сигнала.

В этом случае можно записать величины g1 и g2 как

g1=k(4α1)1/(1+k), (41)

g2=(4αk1)/(1+k), (42)

где α=a/a1 – отношение интенсивностей принимаемого и опорного сигналов.

Проигрыш в точности КП-алгоритма оценки по сравнению с точностью ОМП будем характеризовать отношением их рассеяний, которое можно записать как

χ=V1(νν0,Ω0)V(νν0,Ω0)=V1(Ων0,Ω0)V(Ων0,Ω0)=

=1+q4g1+g11g12+g2+g21g22. (43)

Здесь значения g1, g2 определяются из (41), (42).

На рис. приведены зависимости проигрыша в точности КП-алгоритма оценки по сравнению с точностью ОМП (43) от параметра k, характеризующего наклон вершины спектра СШП-сигнала для различных значений отношения помеха – шум q при α=1.

 

Рис. Зависимости проигрыша в точности КП-алгоритма оценки по сравнению с точностью ОМП от параметра, характеризующего наклон вершины спектра СШП сигнала

Fig. Dependences of the loss in accuracy of the quasi-likelihood estimate compared to the accuracy of the maximum likelihood estimate on the parameter characterizing the slope of the peak of the spectrum of the UWB signal

 

При анализе зависимостей, представленных на рис., видно, что в случае, когда значение k1 проигрыш в точности КП-алгоритма оценки уменьшается при увеличении значений k, характеризующих наклон вершины спектра СШП-сигнала, и проигрыш возрастает с увеличением значений k в случае, когда значение k>1. Также увидим, что проигрыш в точности КП-алгоритма оценки возрастает с увеличением значений отношения помеха – шум q. Так, в случае, когда значение k=1 рассеяние КП-алгоритма оценки больше рассеяния ОМП в 1,5 раза при q=0,5 в 2,5 раза при q=1,5 и в 3,5 раза при q=2,5.

Заключение

Выполнены синтез и анализ алгоритма совместной оценки центральной частоты и полосы частот СШП-сигналов, принимаемых на фоне ГУП и ГБШ. Исследовано влияние ГУП на точность этой оценки, и показано, что точность оценки снижается с увеличением интенсивности помех.

Полученные результаты позволяют сделать обоснованный выбор необходимого алгоритма оценки частотных параметров СШП-сигналов в зависимости от требований, предъявляемых к точности оценок в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки.

×

作者简介

The Tuan Doan

Voronezh State University

编辑信件的主要联系方式.
Email: doanthetuan3007@gmail.com

postgraduate student of the Department of Radiophysics

Research interests: algorithms for processing ultra-broadband signals with unknown parameters

越南, 1, Universitetskaya Square, Voronezh, 394018

Pavel Trifonov

Voronezh State University

Email: bk_123@bk.ru

Doctor of Technical Sciences, professor of the Department of Radiophysics

Research interests: algorithms for processing ultra-broadband signals and interference applied to radar, communications, and navigation systems.

俄罗斯联邦, 1, Universitetskaya Square, Voronezh, 394018

参考

  1. M. Le et al., “Multivariate signal decomposition for vital signal extraction using UWB impulse radar,” 2023 IEEE Statistical Signal Processing Workshop (SSP), pp. 290–294, 2023, doi: https://doi.org/10.1109/SSP53291.2023.10208009.
  2. Z. Wang, “UWB signal generation and transmission technology,” 2023 3rd International Conference on Electronic Information Engineering and Computer Science (EIECS), pp. 989–992, 2023, doi: https://doi.org/10.1109/EIECS59936.2023.10435495.
  3. A. M. Bobreshov et al., “Generation of ultra-short pulses using the Wilkinson adder,” Physics of Wave Processes and Radio Systems, vol. 24, no. 4, pp. 46–52, 2021, doi: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2021.24.4.46-52. (In Russ.)
  4. D. A. Veden’kin and Yu. E. Sedel’nikov, “Properties and technical applications of antenna arrays focused on a broadband signal,” Physics of Wave Processes and Radio Systems, vol. 26, no. 4, pp. 88–94, 2023, doi: https://doi.org/10.18469/1810-3189.2023.26.4.88-94. (In Russ.)
  5. A. P. Lyubavskiy and S. N. Razin’kov, “Classification, areas of application and prospects for the development of radio communication systems with ultra-wideband signals,” Informatika: problemy, metodologiya, tekhnologii: sb. mat. XVIII Mezhd. nauch.-met. konf. Voronezh, 8–9 February 2018. Voronezh: Nauchno-issledovatel’skie publikatsii, vol. 6, pp. 22–26, 2018, url: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=35580257. (In Russ.)
  6. V. G. Radzievskiy and P. A. Trifonov, UWB and Interference Processing. Moscow: Radiotekhnika, 2009. (In Russ.)
  7. Yu. E. Korchagin, K. D. Titov, and O. N. Zavalishina, “Quasi-plausible algorithm for estimating the frequency of an ultra-wideband quasi-radio signal with unknown duration,” Zhurnal radioelektroniki, no. 8, 2023, doi: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.8.9. (In Russ.)
  8. Yu. Korchagin et al., “Estimation of the initial phase of a radio signal with an arbitrary shape and unknown appearance and disappearance moments,” 2022 4th international youth conference on radio electronics, electrical and power engineering (REEPE), pp. 1–6, 2022, doi: https://doi.org/10.1109/REEPE53907.2022.9731421.
  9. E. I. Kulikov and A. P. Trifonov, Estimation of Signal Parameters Against a Background of Interference. Moscow: Sov. radio, 1978. (In Russ.)
  10. P. A. Trifonov and T. T. Doan, “The influence of Gaussian narrowband interference on the accuracy of estimating the average frequency of ultra-wideband signals,” Teoriya i tekhnika radiosvyazi, no. 3, pp. 29–34, 2024, url: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=72444873. (In Russ.)
  11. P. A. Trifonov, “The influence of narrowband interference on the threshold characteristics of estimating the parameters of ultra-wideband signals,” Radiotekhnika, no. 7, pp. 33–36, 2007. (In Russ.)
  12. V. G. Radzievskiy and P. A. Trifonov, “The influence of narrowband interference on the accuracy of estimating the angle of arrival of an ultra-wideband signal,” Sintez, peredacha i priem signalov upravleniya i svyazi: mezhvuz. sb. st. Voronezh: Gosud. tekhn. un-t, pp. 122–127, 2002. (In Russ.)
  13. V. G. Radzievskiy and P. A. Trifonov, “The influence of narrowband interference on the accuracy of estimating the spectrum width of an ultra-wideband signal,” Radiolokatsiya, navigatsiya, svyaz’: sb. tr. IX Mezhd. nauch.-tekhn. konf. Voronezh, vol. 1, pp. 132–138, 2003. (In Russ.)
  14. A. P. Trifonov and Yu. S. Shinakov, Joint Discrimination of Signals and Estimation of their Parameters Against a Background of Interference. Moscow: Radio i svyaz’, 1986. (In Russ.)
  15. S. E. Fal’kovich, Estimation of Signal Parameters. Moscow: Sov. radio, 1970. (In Russ.)
  16. V. I. Tikhonov and M. A. Mironov, Markov Processes. Moscow: Radio i svyaz’, 1977. (In Russ.)

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML
2. Fig. Dependences of the loss in accuracy of the quasi-likelihood estimate compared to the accuracy of the maximum likelihood estimate on the parameter characterizing the slope of the peak of the spectrum of the UWB signal

下载 (115KB)

版权所有 © Doan T., Trifonov P.A., 2025

Creative Commons License
此作品已接受知识共享署名 4.0国际许可协议的许可

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».