Geri Dön

Optimization of Pulse Detector Designs in Wideband Digital Receivers Operating at Low SNR Regime

Düşük SNR Rejiminde Çalışan Geniş Bant Sayısal Almaçlarda Darbe Detektör Tasarımının Eniyilemesi

  1. Tez No: 633657
  2. Yazar: MUSTAFA KÜÇÜK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. LÜTFİYE DURAK ATA, DR. YAŞAR KEMAL ALP
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2020
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

İşaret kestirimi ve tespiti çalışmalarındaki temel amaç gürültülü ölçümlerde çalışan en uygun yöntemi tasarlamaktır. Sezim problemi ele alındığında amaç olası istatistiksel hipotezler arasından birini seçmek iken, kestirim probleminde amaç istatistiksel modelin belirli bir parametresini tahmin etmektir. Son zamanlarda radar teknolojisi ve sayısal işaret işleme donanım alanlarındaki gelişmeler, elektronik harp sistem tasarımcıları için en uygun radar darbe sezicisinin bulunmasını tekrar gündeme getirmiştir. Örneğin, sayısal işaret işleme donanımları alanındaki gelişmeyle birlikte; darbe sıkıştırma yöntemleri kullanan, yüksek görev döngülü (uzun entegrasyon zamanlı) ve düşük yan loblu dinlenmesi düşük olasılıklı radarlar yaygınlaşmıştır ve elektronik harp sistemlerine gelen radar işaretlerinin genlik seviyeleri düşmüştür. Bu nedenle elektronik harp sistemleri düşük sinyal gürültü oranı seviyelerinde çalışmak zorunda kalmıştır. Radar darbelerinin tespiti problemi iyi çalışılmış, köklü bir problem olsa da elektronik harp sistemlerinin sayısal almaç yapıları için sezici tasarımında dikkate alınması gereken konular bulunmaktadır. Her şeyden önce, radar sistemlerinin almaçlarından farklı olarak, elektronik destek sistemlerinin sayısal almaçları için uyumlu süzgeç yapısının uygulanması mümkün değildir. Çünkü elektronik harp sistemleri aynı anda birden fazla radarla ilgilenir ve bu radarların çalışma durumları, darbe uzunluğu, taşıyıcı frekansı, dalga biçimi gibi özellikleri hakkında kısıtlı bilgiye sahiptir. Bu nedenle, literatürde geniş bant sayısal almaç tasarımı için birden fazla sezici önerilmiştir. Öte yandan, bildiğimiz kadarıyla askeri kısıtlamaların da etkisiyle, tipik bir elektronik harp sisteminin gereksinimlerini dikkate alarak sezici parametrelerinin seçimi için bir yöntem öneren yayımlanmış bir eser bulunmamaktadır. Bu tezde, tipik elektronik harp sistemi gereksinimlerini dikkate alarak sezici tasarımı yapan yeni bir tasarım stratejisi önerilmiştir. Çalışmada ilk olarak, elektronik harp sisteminin sayısal almacı tarafından alınan radar darbe işareti modellenmiştir. Literatürde önerilen seziciler elektronik harp sistemi tarafından alınan işaretin genliğini veya genliğinin karesini kullandığı için, radar işaretinin bulunduğu ve bulunmadığı iki hipotez için de alınan işaret örneklerinin genlik ve genlik karesi için olasılık yoğunluk fonksiyonları verilmiştir. Radar işaretinin olmadığı durumda; alınan işaretin genliği kullanıldığında istatistiksel modelin Rayleigh dağılıma sahip olduğu, alınan işaretin genlik karesi kullanıldığında istatistiksel modelin merkezi chi-square dağılıma sahip olduğu analitik ve benzetim sonuçlarıyla gösterilmiştir. Radar işaretinin olduğu durumda ise; alınan işaretin genliği kullanıldığında istatistiksel modelin Rician dağılıma sahip olduğu, alınan işaretin genlik karesi kullanıldığında istatistiksel modelin merkezi olmayan chi-square dağılıma sahip olduğu analitik ve benzetim sonuçlarıyla gösterilmiştir. Ayrıca gürültü ve işaret genliği cinsinden elde edilen dağılımların istatistiksel özellikleri verilmiştir. Sonrasında, bir önceki kısımda verilen istatistiksel model ve özellikler kullanılarak tek eşikli N/N, M/N, enerji ve FFT sezicileri sabit bir yanlış alarm olasılığında işaret gürültü oranının fonksiyonu olarak tespit performansları açısından analiz edilmiştir. Burada sabit yanlış alarm ve tespit olasılıklarının hesaplanmasında bir önceki bölümde elde edilen istatistiksel modellere ait olasılık yoğunluk fonksiyonlarının sağ kuyruk olasılıkları kullanılmıştır. Analiz ve temel benzetim sonuçlarında elde edilen ilk bulgu, beklenildiği gibi, tespit performansının sezici tarafından kullanılan örnek sayısının artmasıyla birlikte iyileştiğidir. Yapılan analiz ve benzetim sonuçlarında elde edilen bir diğer bulgu, sabit bir yanlış alarm olasılığında M/N sezicisinin tespit performansının M değeri N değerinin yarısı civarında seçildiğinde en iyi sonucu vermesidir. Sabit yanlış alarm olasılığı için tek eşikli sezicilerin tespit performansları değerlendirildiğinde, FFT sezicisi en iyi tespit performansını sağlarken enerji, M/N ve N/N sezicileri sırasıyla onu takip etmektedir. N/N ve M/N sezicilerinin analizleri yapılırken elektronik harp sistemi tarafından alınan işaretin genliği kullanılsa da aynı sonuçlar işaretin genlik karesi kullanılarak da bulunabilir. Tezin devamında ise önerilen iki-eşikli sezici yapısına değinilmektedir. Önerilen yöntemin temel amacı tipik elektronik harp sistem gereksinimlerini sağlayan ve sistem duyarlılığını eniyileyen seziciyi tasarlamaktır. Bu gereksinimler en kısa darbe genişliği, en uzun darbe genişliği, darbe genişliği çözünürlüğü, darbe tespit/yanlış alarm ve darbe yarılma olasılığı olarak verilmiştir. Önerilen yöntem detektör tasarımı yaparken öncelikle gerekli darbe çözünürlüğünü sağlayacak sezici uzunluğunu belirlemektedir. Sonrasında, en küçük darbe genişliğine sahip radar işaretinin tespit olasılığı daha büyük darbe genişliğine sahip radar işaretlerinin tespit olasılığından daha yüksek olacağı için, en küçük darbe genişliği değerine göre yanlış alarm olasılığını sağlayan sistem yanlış alarm oranını seçmektedir. İki eşikli sezici tasarımında önerilen yöntem, belirtilen yanlış alarm olasılığını sağlayan sonsuz sayıdaki birinci ve ikinci seziciye ait yanlış alarm olasılık ikilisi arasından sistem duyarlılığını eniyileyeni seçmektedir. Bu seçimde ise, en uzun darbe genişliğine sahip radar işaretinin tespit olasılığının daha küçük darbe genişliğine sahip radar işaretlerinin tespit olasılığından daha düşük olması nedeniyle, en uzun darbe genişliğine sahip radar işaretinin tespit olasılığı kullanılmaktadır. Bununla birlikte önerilen yöntem ortamda bulunan bir radar darbesinin düşük işaret gürültü oranı nedeniyle birden fazla parçaya bölünerek birden fazla darbe olarak tespit edilme olasılığı olarak tanımlanan darbe yarılma olasılığını azaltmak için ikinci eşiği birinci eşikten düşük seviyede seçmektedir. Önerilen iki eşikli sezici tasarım yönteminin sistem duyarlılığını eniyilemek için ikinci eşiği birinci eşiğin altında seçmesi, darbenin bitme kararının verilme ihtimalini düşürmektedir. Bu nedenle işaret gürültü oranı çok yüksek olsa da darbenin bitme kararı verilemediği için tespit olasılığı 1'e yaklaşmamaktadır. Yüksek işaret gürültü oranında oluşan bu performans bozulması problemininin çözülmesi için uyarlamalı eşik yöntemi önerilmektedir. Bu yöntemde tasarlanan iki eşikli sezicinin darbe başladığı kararı verdikten sonra işaret genliğini kestirmesi ve bu genliğe göre seçilen ikinci eşiği yükseltmesi veya sabit bırakması önerilmektedir. İşaret genliğine göre seçilecek eşik değerleri ise işaret gürültü oranının bir fonksiyonu olarak tasarım aşamasında bulunmalıdır. Son olarak, önerilen yöntemler MATLAB ortamında gerçeklenerek üretilen sentetik verilerle benzetimler yapılmıştır. Yapılan benzetimlerle, önerilen yöntemle tasarlanan iki-eşikli N/N, M/N, enerji ve FFT sezicilerinin bulunan sistem duyarlılık seviyelerinde sistem gereksinimlerini sağlayarak radar darbelerini tespit ettiği doğrulanmıştır. Önerilen uyarlamalı eşik yöntemiyle, yüksek sinyal gürültü oranında ortaya çıkan tespit olasılığındaki performans bozulmasının engellendiği gösterilmiştir. Darbe tespit performansını eniyileyen uyarlamalı eşiğin darbe yarılma olasılığını artırdığı, ancak sistem gereksinimlerini sağladığı gözlemlenmiştir. Ayrıca darbe tespit olasılığını eniyileyen uyarlamalı eşik fonksiyonunun monoton bir şekilde artan fonksiyon olduğu gösterilmiştir.

Özet (Çeviri)

One of the main goals of signal detection and estimation research is designing optimal procedures that operate on noisy measurements. An estimation problem can be defined as selecting among a number of hypotheses for determining certain parameters of a statistical model. Recent developments in radar technology and digital signal processing hardware make the investigation of optimal detector design procedures an active research topic for electronic warfare (EW) system designers. Modern low probability of intercept radar systems use pulse compression techniques and high duty cycle waveforms (long integration time) for decreasing the transmitted power. Thus, todays EW systems are forced to operate in low SNR regimes. Though radar pulse detection is a well-studied problem, there are still issues to be considered in order to design a detector for an EW system. First of all, unlike radar system receivers, application of matched filter is not available for electronic support measures (ESM) system receivers. Generally EW systems are interested in all of the radars in the some enivornment and it has small amount of information about their waveforms and activities. Thus, several detectors are proposed in the design of wideband receivers in the literature. However, to the best of our knowledge, there is no published work, which proposes a methodology for determining the parameters of the detectors by considering the system requirements of a typical EW system. In this thesis, new detector design strategies for EW systems receivers are proposed considering practical problems. First, we model the radar pulse signal received by the EW system receiver. Since the proposed detectors in the literature use magnitude or magnitude square of the collected samples, their probability density (PDF) functions are derived for null and alternative hypotheses. We have verified the model and PDFs with simulations for both of the hypotheses. Then, we have analysed the single-threshold detector types including N-out-of-N (N/N), M-out-of-N (M/N), energy, and fast fourier transform (FFT) detectors. The detection and false alarm probabilities of these detectors are computed as a function of SNR. Analyses show that for a constant false alarm rate, detection performance of each detector increases as the number of samples used by detector increases. Another important point is that for a constant false alarm rate, detection performance of M/N detector is maximized when M value is selected around N/2. After reviewing the state-of-the-art detectors, we define the typical EW system requirements including probability of detection/false alarm, minimum detectable pulse-width, and maximum pulse crack probability. Then, the proposed double-threshold detector design strategy is detailed. The design requirements are expressed as a mathematical optimization problem. According to proposed model, by selecting the second threshold below the first threshold, the falling edge of the pulse is extended to satisfy the crack probability. Finally, adaptive thresholding method is proposed in order to overcome double-threshold detector performance degradation problem at high SNR levels. It is verified with extended simulations that the designed double-threshold detectors by the proposed method can detect pulses, while satisfying detection requirements including probability of detection/false alarm, minimum detectable pulse-width, and maximum pulse crack probability, which are the typical requirements of a practical ESM receiver. Simulation results show that the proposed method minimizes required SNR level. It is also shown that detection performances of the designed detectors are further improved by applying adaptive thresholding strategy.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    981681

    Design and optimization of compact vivaldi antenna with matching medium for microwave brain imaging applications

    Mikrodalga beyin görüntüleme uygulamaları için eşleştirme ortamına sahip kompak vıvaldı antenin tasarımı ve optimizasyonu

    CAFER UYANIK

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2025

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İBRAHİM AKDUMAN

  2. Tez No

    942471

    Zaman alanı terahertz fiber üstü radyo uygulamaları için yonga üstü fotonik bileşenlerin ileri tasarım yöntemleri ile geliştirilmesi

    Development of novel on-chip optical components via advanced design methods for time-domain terahertz radio-on-fiber applications

    AHMET OĞUZ SAKIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2025

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTobb Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET ÜNLÜ

  3. Tez No

    75424

    Sönümlemeli kanallarda kafes kodlamalı sistemler için birleşik serpiştirme tekniği

    Combined interleaving technique for trellis coded systems in feding channels

    ERSİN ÖZTÜRK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÜMİT AYGÖLÜ

  4. Tez No

    476678

    Süperiletken şeritçizgi dedektör yapıları için tek akı kuantumu tabanlı ön-okuma devresi tasarımı

    Design of a single flux quantum based front-end readout circuit for superconducting stripline detectors

    KÜBRA ÜŞENMEZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiTobb Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ALİ BOZBEY

  5. Tez No

    323733

    Design and optimization of radon field monitor based on silicon PIN photodiodes

    Silikon PIN fotodiyot bazlı radon saha monitörü dizayn ve optimizasyonu

    AHMET BAYRAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2012

    Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CENAP Ş. ÖZBEN

Geri Dön