RU2122746C1

RU2122746C1 - Rank statistic calculation unit

Info

Publication number: RU2122746C1
Application number: RU97105957A
Authority: RU
Inventors: М.Н. Бирюков
Original assignee: Московский государственный университет путей сообщения (МИИТ)
Priority date: 1997-04-14
Filing date: 1997-04-14
Publication date: 1998-11-27

Abstract

FIELD: radio engineering, in particular, radar detectors of signals with alternating power in jamming conditions. SUBSTANCE: goal of invention is achieved by introduced multiple-bit shift register, increased size of (jamming) sample, direct calculation of ranks of signal samples and rank statistics. EFFECT: increased precision, increased stability to jamming. 2 dwg

Description

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в радиолокационных обнаружителях сигналов с изменяющейся мощностью в условиях шума. The invention relates to radio engineering and can be used in radar detectors of signals with varying power in noise conditions.

Известно устройство для стабилизации вероятности ложной тревоги, содержащее линию задержки с тремя отводами, соединенными с соответствующими входами схем вычитания, выходы которых соединены с входами ограничителей, которые своими выходами соединены с входами сумматора, причем вторые входы схем вычитания соединены с источником входного сигнала и входом линии задержки, а выходом является выход сумматора [1]. A device for stabilizing the probability of a false alarm containing a delay line with three taps connected to the corresponding inputs of the subtraction circuit, the outputs of which are connected to the inputs of the limiters, which are connected by their outputs to the inputs of the adder, the second inputs of the subtraction circuit connected to the source of the input signal and the input line delays, and the output is the output of the adder [1].

Однако известное устройство имеет низкую точность при вычислении ранговой статистики и, следовательно, низкую помехозащищенность, что обусловлено применением линии задержки, малым размером опорной (шумовой) выборки и вычислением линейной функции ранга вместо ранговой статистики. However, the known device has low accuracy in the calculation of rank statistics and, therefore, low noise immunity, which is due to the use of a delay line, the small size of the reference (noise) sample and the calculation of the linear rank function instead of rank statistics.

Технический результат заключается в увеличении точности при вычислении ранговой статистики и повышении помехозащищенности вычислителя ранговой статистики. The technical result consists in increasing the accuracy in calculating rank statistics and increasing the noise immunity of the rank statistics calculator.

Для этого в устройство для стабилизации вероятности ложной тревоги, содержащее первый сумматор, введены последовательно включенные аналого-цифровой преобразователь и многоразрядный регистр сдвига, выполненный с m+1 отводами, причем (m+1)-й отвод соединен с вторыми входами m компараторов, а m отводов соединены с первыми входами m компараторов, выходы которых соединены с соответствующими входами первого сумматора, выход которого соединен с первым входом второго сумматора, соединенного своим вторым входом с выходом блока памяти, а своим вторым выходом - с первым входом блока памяти, вторым и третьим входами которого соответственно являются вход обнуления и адресный вход блока, причем входом и выходом устройства соответственно являются вход аналого-цифрового преобразователя и первый выход второго сумматора. For this, a device for stabilizing the probability of a false alarm, containing the first adder, introduced a series-connected analog-to-digital converter and a multi-bit shift register made with m + 1 taps, and the (m + 1) th tap is connected to the second inputs of m comparators, and m taps are connected to the first inputs of m comparators, the outputs of which are connected to the corresponding inputs of the first adder, the output of which is connected to the first input of the second adder, connected by its second input to the output of the memory unit, and by its output - to the first input of the storage unit, second and third inputs of which are respectively reset input and address input unit, wherein input and output devices are respectively input analog-to-digital converter and the first output of the second adder.

На фиг. 1 приведена структурная электрическая схема предложенного устройства (вычислителя ранговой статистики), на фиг. 2 - эпюры, поясняющие работу вычислителя ранговой статистики. In FIG. 1 shows a structural electrical diagram of the proposed device (rank statistics calculator), FIG. 2 - diagrams explaining the work of the rank statistics calculator.

Вычислитель ранговой статистики содержит аналого-цифровой преобразователь 1, многоразрядный регистр 2 сдвига, m компараторов 3, первый сумматор 4, второй сумматор 5 и блок 6 памяти. The rank statistics calculator comprises an analog-to-digital converter 1, a multi-bit shift register 2, m comparators 3, a first adder 4, a second adder 5 and a memory unit 6.

Согласно теории проверки статистических гипотез задача обнаружения сигнала формулируется как проверка гипотезы H₀: наблюдаемый процесс является только шумом, против альтернативной гипотезы H₁: этот процесс представляет собой смесь сигнала с шумом. Иными словами, задача обнаружения представляет собой статистическую задачу различения двух типов распределений - гипотетического G(x) и альтернативного F(x).According to the theory of testing statistical hypotheses, the problem of detecting a signal is formulated as a test of hypothesis H ₀ : the observed process is only noise, against the alternative hypothesis H ₁ : this process is a mixture of signal and noise. In other words, the detection problem is a statistical problem of distinguishing between two types of distributions - the hypothetical G (x) and the alternative F (x).

Для наиболее распространенных в радиотехнических приложениях альтернатив, таких как альтернатива сдвига F(x) = G(x-a), где a - некоторая постоянная, альтернатива масштаба F(x) = G(x/a) или альтернатива более общего вида F(x) < G(x), эффективным оказывается применение правил, основанных на ранговых статистиках [2]. Поэтому для проверки гипотезы H₀ против альтернативной гипотезы H₁ применительно к радиолокационному обнаружению используется специализированная ранговая статистика, которая является модификацией алгоритма Вилкоксона [2] . Так, для решения задачи обнаружения в ранговом многоканальном обнаружителе вычисляются значения рангов

отсчетов смеси сигнала с шумом x_i в исследуемом канале дальности относительно отсчетов опорной (шумовой) выборки

в m соседних каналах дальности за n периодов наблюдения. Решающая ранговая статистика S_r строится на векторе ранговой выборки

= (r₁, r₂, ..., r_n) [2]:

Применение статистики S_r позволяет стабилизировать вероятность ложной тревоги независимо от статистических распределений шума [2]. Иными словами, статистика S_r является непараметрической.For the most common alternatives in radio engineering applications, such as the shift alternative F (x) = G (xa), where a is a constant, an alternative of scale F (x) = G (x / a), or an alternative of a more general form F (x) <G (x), the application of rules based on rank statistics [2] is effective. Therefore, to test the hypothesis H ₀ against the alternative hypothesis H ₁ in relation to radar detection, specialized rank statistics are used, which is a modification of the Wilcoxon algorithm [2]. So, to solve the detection problem in a ranked multi-channel detector, rank values are calculated

samples of the signal mixture with noise x _i in the studied range channel relative to the samples of the reference (noise) sample

in m adjacent range channels for n observation periods. The decisive ranking statistics S _r is based on the rank sample vector

= (r ₁ , r ₂ , ..., r _n ) [2]:

The use of statistics S _r makes it possible to stabilize the probability of false alarm regardless of statistical noise distributions [2]. In other words, the statistics S _r is nonparametric.

Вычислитель ранговой статистики работает следующим образом. The calculator of rank statistics works as follows.

Смесь сигнала с шумом (m+1)-го канала дальности i-го периода наблюдения x_i с выхода детектора огибающей (на фиг. 1 не показан) поступает на вход вычислителя ранговой статистики, преобразовывается в цифровую форму в аналого-цифровом преобразователе 1, записывается в параллельном коде в (m+1)-ю ячейку многоразрядного регистра 2 сдвига и поступает на вторые входы m компараторов 3, где сравнивается с сигналами, поступающими с m отводов многоразрядного регистра 2 сдвига на первые входы m компараторов 3, y_i1, y_i2, ... , y_im соседних (предыдущих) m независимых каналов. При этом сигналы y_i1, y_i2, . . ., y_im формируются под действием тактовых импульсов, период следования которых равен длительности одного элемента разрешения во времени Δt, в результате сдвига содержимого каждой ячейки многоразрядного регистра 2 сдвига на одну ячейку вправо, то есть при поступлении тактового импульса одновременно происходит запись отсчета x_i с выхода аналого-цифрового преобразователя 1 в (m+1)-ю ячейку многоразрядного регистра 2 сдвига, перезапись содержимого (m+1)-й ячейки в m-ю ячейку многоразрядного регистра 2 сдвига и т. д. Результат сравнения x_i с y_ij - величина h(x_i-y_ij), определяется в виде

Количество единиц на выходах m компараторов 3 определяет ранг r_i отсчета x_i. Рангом r_i отсчета x_i называется порядковый номер этого отсчета в вариационном ряду, составленном из элементов x_i и y_ij, упорядоченных по какому-либо признаку, например, расположенных в порядке возрастания от меньшего к большему [2].The mixture of the signal with the noise of the (m + 1) channel of the range of the i-th observation period x _i from the output of the envelope detector (not shown in Fig. 1) is fed to the input of the rank statistics calculator, converted to digital form in an analog-to-digital converter 1, is written in parallel code to the (m + 1) th cell of the multi-bit shift register 2 and goes to the second inputs of m comparators 3, where it is compared with the signals coming from m taps of the multi-bit shift register 2 to the first inputs of m comparators 3, y _i1 , y _i2 , ..., y _im neighboring (previous) m independent channels scarlet. The signals y _i1 , y _i2,. . ., y _im are formed under the influence of clock pulses, the repetition period of which is equal to the duration of one resolution element in time Δt, as a result of a shift of the contents of each cell of a multi-bit shift register 2 to one cell to the right, that is, when a clock pulse arrives, the x _i the output of the analog-to-digital converter 1 to the (m + 1) th cell of the multi-bit shift register 2, rewriting the contents of the (m + 1) th cell to the mth cell of the multi-bit shift register 2, etc. Result of comparing x _i with y _ij - quantities on h (x _i -y _ij ), is defined as

The number of units at the outputs of m comparators 3 determines the rank r _{i of the} reference x _i . The rank r _{i of the} reference x _i is the serial number of this reference in the variational series made up of elements x _i and y _ij sorted by some attribute, for example, arranged in ascending order from smaller to larger [2].

Результаты сравнения (инверсии) h(x₁-y_ij) суммируются в первом сумматоре 4. Результирующая сумма

появляющаяся на выходе первого сумматора 4, является рангом r_i исследуемого отсчета смеси сигнала с шумом x_i.The results of comparison (inversion) h (x ₁ -y _ij ) are summed in the first adder 4. The resulting sum

appearing at the output of the first adder 4, is the rank r _{i of the} studied sample of the signal mixture with noise x _i .

С выхода первого сумматора 4 ранг r_i поступает на первый вход второго сумматора 5. Одновременно с этим на второй вход второго сумматора 5 поступает величина

накопленная за предыдущие n-1 периодов наблюдения смеси сигнала с шумом в (m+1)-й ячейке блока 6 памяти. В результате на первом выходе второго сумматора 5 образуется сумма

которая является ранговой статистикой, накопленной за n периодов наблюдения смеси сигнала с шумом (m+1)-го канала дальности. Установка блока 6 памяти в исходное состояние происходит в случае вычисления ранговой статистики S_r во всех анализируемых каналах дальности с помощью импульса, поступающего на второй вход (вход обнуления) блока 6 памяти. В процессе работы на адресный (третий) вход блока 6 памяти поступают сигналы синхронизации в соответствии с анализируемыми каналами дальности.From the output of the first adder 4, rank r _i goes to the first input of the second adder 5. At the same time, the value

accumulated over the previous n-1 periods of observation of a signal-to-noise mixture in the (m + 1) -th cell of memory block 6. As a result, at the first output of the second adder 5, the sum

which is the rank statistics accumulated over n periods of observation of the signal mixture with the noise of the (m + 1) th range channel. The installation of the memory unit 6 in the initial state occurs in the case of calculating the rank statistics S _r in all analyzed range channels using a pulse supplied to the second input (zeroing input) of the memory unit 6. In the process, the address (third) input of the memory unit 6 receives synchronization signals in accordance with the analyzed range channels.

Таким образом, применение многоразрядного регистра 2 сдвига позволяет осуществить скользящую обработку, то есть вычисление рангов для всех каналов дальности поочередно, так как через интервал Δt, равный одному элементу разрешения во времени (соответствует одному каналу дальности), величина x_i займет место в опорной (шумовой) выборке y_i1, y_i2, ..., y_im и вычисление ранга будет уже производиться для (m+2)-го канала дальности и т.д. для всех каналов. По истечении n периодов наблюдения задача вычисления ранга оказывается решенной для всех N каналов дальности.Thus, the use of multi-bit shift register 2 allows for sliding processing, that is, the calculation of ranks for all range channels in turn, since through the interval Δt equal to one resolution element in time (corresponds to one range channel), the value x _i will take place in the reference ( noise) sampling y _i1 , y _i2 , ..., y _im and rank calculation will already be performed for the (m + 2) th range channel, etc. for all channels. After n observation periods, the task of calculating the rank is solved for all N range channels.

Рассмотренный вычислитель ранговой статистики работоспособен при условии "асимметрии" радиоканала, когда число каналов, в которых сигнал отсутствует, значительно больше числа каналов, где сигнал есть, что и характерно для задачи радиолокационного обнаружения. Эта "асимметрия" позволяет считать опорные каналы "пустыми", то есть "занятыми" только шумом, и на основании этого предположения формировать опорную (шумовую) выборку. The rank statistics calculator considered is operable under the condition of “asymmetry” of the radio channel, when the number of channels in which the signal is absent is significantly greater than the number of channels where the signal is, which is typical for the radar detection task. This "asymmetry" allows us to consider the reference channels as "empty", that is, "occupied" only by noise, and based on this assumption to form a reference (noise) sample.

Таким образом, вычислитель ранговой статистики S_r осуществляет проверку гипотезы H₀, состоящей в том, что все элементы опорной (шумовой) выборки y_ij имеют одно и то же распределение G(x), против альтернативной гипотезы H₁, состоящей в том, что распределение исследуемого элемента x_i определяется, например, как F(x) = G(x-a), где a - амплитуда сигнала. Такая ситуация при использовании вычислителя ранговой статистики S_r оказывается характерной для задачи непараметрического обнаружения сигнала.Thus, the rank statistics calculator S _r checks the hypothesis H ₀ , consisting in the fact that all the elements of the reference (noise) sample y _ij have the same distribution G (x), against the alternative hypothesis H ₁ , which consists in the fact that the distribution of the studied element x _i is determined, for example, as F (x) = G (xa), where a is the signal amplitude. This situation when using the rank statistics calculator S _r turns out to be characteristic of the nonparametric signal detection problem.

На фиг. 2, A, B, C приведены эпюры, характеризующие вид синхросигналов, осуществляющих синхронизацию работы заявляемого устройства (синхронизатор на фиг. 1 не показан). In FIG. 2, A, B, C are plots describing the type of clock signals that synchronize the operation of the inventive device (the synchronizer in Fig. 1 is not shown).

На эпюре A изображен вид импульсов, период следования которых равен периоду повторения наблюдений. На эпюре B показан вид синхроимпульсов, период следования которых равен длительности одного элемента разрешения во времени. Приведенные импульсы используются для синхронизации многоразрядного регистра 2 сдвига. На эпюрах C изображена совокупность импульсов, характеризующих изменение адреса (числа в двоичном коде) в соответствии с анализируемыми элементами разрешения. Код адреса поступает на адресный (третий) вход блока 6 памяти и осуществляет его синхронизацию. Diagram A shows the type of pulses, the repetition period of which is equal to the repetition period of the observations. Diagram B shows the type of clock pulses, the repetition period of which is equal to the duration of one resolution element in time. The reduced pulses are used to synchronize a multi-bit shift register 2. The diagrams C depict a set of pulses characterizing the change in address (numbers in binary code) in accordance with the analyzed resolution elements. The address code arrives at the address (third) input of the memory unit 6 and synchronizes it.

Сравнительный анализ известного и предложенного устройств показал, что использование предложенного вычислителя ранговой статистики обеспечивает увеличение точности при вычислении ранговой статистики, что достигается, во-первых, введением многоразрядного регистра сдвига вместо линии задержки с тремя отводами, что позволяет устранить характерную неравномерность во времени развертки напряжения на выходе линии задержки - "дребезг", связанный с переотражениями за счет неравномерности линии задержки и неидеальности согласования сопротивлений. Кроме того, при рекомендуемых в [2] размере опорной (шумовой) выборки m = 20 - 30, длительности импульса τ = 1 мкс, что соответствует полосе частот Δf = 1 МГц, требуется добротности линии задержки Q = mτΔf = 20 - 30, которую получить на практике затруднительно. Во-вторых, увеличение точности при вычислении ранговой статистики достигается увеличением размера опорной (шумовой) выборки и возможностью в связи с этим сравнивать исследуемый отсчет x_i не с тремя, а с m опорными (шумовыми) отсчетами y_ij, в результате чего количество накапливаемых единиц, определяющее ранг (при наличии сигнала в исследуемом отсчете x_i), будет большим при использовании m опорных (шумовых) отсчетов, чем при трех, а величина ранговой статистики S_r тем более будет выше, чем используемое в известном устройстве напряжение, представляющее собой линейную функцию ранга (и это превышение тем больше, чем больше размер опорной (шумовой) выборки m и число периодов наблюдения n, которые в соответствии с известными рекомендациями [2] составляют величины порядка: m = 20 - 30, n = 20). Кроме того, в предложенном устройстве ранг r_i отсчета x_i формируется из совокупности единиц и нулей, то есть по контрасту x_i и y_ij подсчитывается непосредственно в виде суммы единиц, ранговая статистика S_r также вычисляется непосредственно как сумма рангов r_i за n периодов наблюдения, а в известном устройстве формируются отрицательные и положительные напряжения, которые (после ограничения двусторонними идеальными ограничителями) складываются для получения суммарного напряжения, представляющего собой лишь линейную функцию ранга, а не саму ранговую статистику Вилкоксона, которую еще необходимо определить. В этом случае при вычислении линейной функции ранга возможны ошибки, накопленные в результате жесткого двустороннего ограничения по уровню, равному единице, и при получении суммарного напряжения (линейная функция ранга оказывается дополнительно заниженной, помимо занижения из-за использования линии задержки и малого размера опорной (шумовой) выборки, что в дальнейшем сказывается в виде уменьшения вероятности обнаружения сигнала, приводящего к уменьшению помехозащищенности). Следовательно, повышение помехозащищенности предложенного устройства по сравнению с известным выражается возможностью с большей вероятностью определять: есть сигнал или присутствует только шум в исследуемом отсчете x_i, так как значение ранговой статистики S_r в предложенном устройстве значительно превышает линейную функцию ранга в известном устройстве (в 10 - 15 раз при одном периоде наблюдения).A comparative analysis of the known and proposed devices showed that the use of the proposed rank statistics calculator provides an increase in accuracy in the calculation of rank statistics, which is achieved, firstly, by introducing a multi-bit shift register instead of a delay line with three taps, which eliminates the characteristic unevenness in the voltage sweep time the output of the delay line - "bounce" associated with re-reflections due to the unevenness of the delay line and the non-ideal coordination of resistances occurrences. In addition, with the recommended reference (noise) sample size m = 20-30, pulse duration τ = 1 μs, which corresponds to the frequency band Δf = 1 MHz, the Q-factor of the delay line Q = mτΔf = 20-30, which getting in practice is difficult. Secondly, an increase in accuracy in the calculation of rank statistics is achieved by increasing the size of the reference (noise) sample and the possibility in this connection to compare the studied sample x _i not with three, but with m reference (noise) samples y _ij , as a result of which the number of accumulated units defining the rank (if any signal in the test count x _i), is greater when using the m reference (noise) samples than in three, and the value S _r of the rank order statistic is more higher than that used in the known device the voltage Representat which is a linear function of rank (and this excess is greater, the larger the size of the reference (noise) sample m and the number of observation periods n, which, in accordance with well-known recommendations [2], are of the order of magnitude: m = 20 - 30, n = 20) . In addition, in the proposed device, the rank r _{i of the} reference x _i is formed from a combination of units and zeros, that is, by contrast x _i and y _ij are calculated directly as the sum of units, the rank statistics S _{r is} also directly calculated as the sum of ranks r _i for n periods observations, and in the known device negative and positive voltages are formed, which (after being limited by bilateral ideal limiters) are added to obtain the total voltage, which is only a linear function of the rank, and not the Wilcoxon rank statistics that still need to be determined. In this case, when calculating the linear rank function, errors are possible that are accumulated as a result of a rigid two-sided level restriction equal to unity and when the total voltage is obtained (the linear rank function is additionally underestimated, in addition to underestimation due to the use of the delay line and the small size of the reference (noise ) sampling, which subsequently affects in the form of a decrease in the probability of detecting a signal, leading to a decrease in noise immunity). Therefore, an increase in the noise immunity of the proposed device as compared to the known one is more likely to determine: is there a signal or is there only noise in the studied sample x _i , since the value of the rank statistics S _r in the proposed device significantly exceeds the linear rank function in the known device (10 - 15 times with one observation period).

Расчеты показывают, что точность вычисления ранговой статистики в предложенном устройстве за один период наблюдения в среднем на 11,46% превышает точность вычисления линейной функции ранга в известном устройстве. Calculations show that the accuracy of calculating rank statistics in the proposed device for one observation period is on average 11.46% higher than the accuracy of calculating the linear rank function in the known device.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Авторское свидетельство СССР N 373672, кл. G 01 S 7/30, 01.06.71.Sources of information taken into account during the examination
1. USSR author's certificate N 373672, cl. G 01 S 7/30, 06/01/71.

2. Бернюков А. К., Бирюков М.Н., Ямпурин Н.П. Цифровые методы формирования и обнаружения сигналов с априорной неопределенностью. Текст лекций. - Владимир: ВПИ, 1990, 48с. 2. Bernyukov A.K., Biryukov M.N., Yampurin N.P. Digital methods for generating and detecting signals with a priori uncertainty. The text of the lectures. - Vladimir: VPI, 1990, 48s.

Claims

A rank statistics calculator comprising a first adder, characterized in that an analog-to-digital converter and a multi-bit shift register made with m + 1 taps are inserted into the calculator, and the (m + 1) th tap is connected to the second inputs of m comparators, and m taps are connected to the first inputs of m comparators, the outputs of which are connected to the corresponding inputs of the first adder, the output of which is connected to the first input of the second adder, connected by its second input to the output of the memory unit, and by its T eye output - to the first input of the storage unit, second and third inputs of which are respectively reset input and address input unit, wherein input and output of the calculator are respectively input analog-to-digital converter and the first output of the second adder.