Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов

Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к способам обнаружения узкополосных радиосигналов в условиях априорной неопределенности, и может быть использовано на линиях радиосвязи, работающих в условиях воздействия аддитивных шумов.

Известен способ обнаружения, реализованный в обнаружителях, описанных в книге Левина Б.Р. Теоретические основы статистической электротехники М.: Сов. радио, 1968, с.345-346, рис.26. Он основан на нелинейной обработке входной реализации z(t) и заключается в следующем. Входная реализация раскладывается на квадратурные составляющие, которые затем пропускаются через две группы фильтров, согласованных с составляющими сигнала. Затем формируются суммы и разности входных значений в каждой группе фильтров, которые поступают двухполупериодные квадратичные детекторы. После этого продетектированные величины суммируются и поступают на безынерционный пороговый элемент. Решение об обнаружении принимается в случае превышения суммы продетектированных величин порогового значения. Недостатком этого способа является то, что он позволяет обнаружить сигнал лишь с известными параметрами.

Известен также способ, реализованный в обнаружителе, описанном в книге Информационные технологии в радиотехнических системах: И741 Учебное пособие / В.А.Васин, И.Б.Власов, Ю.М.Егоров и др.; Под ред И.Б.Федорова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2003, с.137, рис.3.5. Согласно данному способу входная реализация z(t) дискретизируется и подается на первый вход коррелятора, на второй вход которого подается полезный сигнал s(t). Результат корреляции суммируется на интеграторе и поступает на пороговое устройство, где сравнивается с установленным значением.

Недостатком этого способа является то, что он позволяет обнаруживать только сигнал, параметры которого априори известны.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявленному является способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов, реализованном в обнаружителе сигналов по патенту RU №2110150 С1, 6 H04B 1/10, G01S 7/292 от 23.01.97 г.

В ближайшем аналоге принимают аналоговый сигнал z(t), оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, затем рассчитывают параметры оцифрованного сигнала z_i, для чего формируют цифрованный сигнал z_i-1, сдвинутый относительно z_i на один такт, поcле этого вычисляют коэффициент корреляции К, по формуле

,

где N - количество дискретных отчетов оцифрованного сигнала z_i, затем рассчитывают достаточную статистику по формуле , после этого сравнивают рассчитанные параметры оцифрованного сигнала S с порогом принятия решения R_пop, который вычисляют, используя дополнительную информацию о математическом ожидании обнаруживаемого сигнала Мс, дисперсии шума и величине порогового значения h по формуле и принимают решение о факте обнаружения сигнала, если R_пор<S.

Недостатком способа-прототипа является узкая область применения, так как для его реализации необходимо предварительное знание параметров классов распознаваемых сигналов Мс и параметра шума .

Целью заявленного технического решения является разработка способа, обеспечивающего расширение области применения для произвольного класса узкополосных радиосигналов в аддитивных шумах без предварительных знаний их характеристик и параметров шума.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе автоматического обнаружения узкополосных сигналов принимают входную реализацию в виде аналогового сигнала z(t). Затем его оцифровывают, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, рассчитывают параметры оцифрованного сигнала z_i, сравнивают их с предварительно заданным пороговым значением R_пор и принимают решение о факте обнаружения сигнала. Для расчета параметров оцифрованного сигнала z, формируют его спектральное представление F_j. Для этого над ним выполняют преобразование Фурье. После этого рассчитывают пороговый уровень шума U, путем вычисления удвоенного значения выборочного среднего компонент спектрального представления F_j и сравнивают с ним уровни каждой из спектральной компоненты последовательности F_j. По результатам сравнения формируют первую F1_j и вторую F2_j последовательности соответственно из спектральных компонент F_j, превысивших пороговый уровень шума U и не превысивших его. Затем раздельно суммируют спектральные компоненты, входящие в первую последовательность ΣF1 и во вторую ΣF2 и вычисляют отношения найденных сумм R=ΣF1_j/ΣF2_j, которые сравнивают с предварительно заданным пороговым значением R_пор. Решение о факте обнаружения сигнала принимают при условии, что R>R_пор.

Пороговое значение для узкополосных сигналов, обнаруживаемых в полосе от 4 до 10 кГц получено экспериментальным путем, и составляет R_пор=0,14.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе обеспечивается возможность определения порогового уровня мощности шума в принятой реализации. Это позволяет на основе расчета спектральных компонент выделить показатели превышения этого порога, и на этом основании определить факт присутствия или отсутствия полезного сигнала на фоне шумов, без предварительных сведений о его структуре, что и указывает на расширение области применения заявленного способа.

Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:

фиг.1 - временная реализация аналогового сигнала длительностью 8 мс, содержащая только шум z(t)=η(t);

фиг.2 - временная реализация аналогового сигнала длительностью 8 мс, содержащая аддитивную смесь обнаруживаемого сигнала и шума z(t)=s(t)+η(t);

фиг.3 - дискретизированные по времени и квантованные по напряжению отсчеты принятого аналогового сигнала длительностью 8 мс (соответствует при интервале дискретизации 125 мкс-64 отсчетам);

фиг.4 - спектр оцифрованного аналогового сигнала z(t)=η(t) длительностью 64 мс с нанесенным пороговым уровнем шума;

фиг.5 - спектр оцифрованного аналогового сигнала z(t)=s(t)+η(t) длительностью 64 мс с нанесенным пороговым уровнем шума;

фиг.6 - распределение спектральных компонент P(F_j) реализации, содержащей шум, с нанесенным значением порогового уровня шума;

фиг.7 - спектральные компоненты оцифрованного аналогового сигнала длительностью 64 мс, превысившие пороговый уровень шума;

фиг.8 - спектральные компоненты оцифрованного аналогового сигнала длительностью 64 мс, не превысившие пороговый уровень шума;

фиг.9 - зависимость значения R=ΣF1_j/ΣF2_j и R_шум=ΣF1/ΣF2 от отношения мощности сигнала к мощности шума (ОСШ) для обоснования R_пор;

фиг.10 - зависимость Р=Р₀-α - разности вероятности правильного обнаружения Р₀ и ошибки первого рода α от ОСШ.

Существующая проблема автоматического обнаружения узкополосных сигналов заключается в том, что при отсутствии априорных знаний о характеристиках полезного обнаруживаемого сигнала s(t) или параметров шума η(t), не представляется возможным определить значение уровня порога R_пор, сравнение с которым характеристик принятой реализации в виде аналогового сигнала z(t), позволило бы однозначно принять решение о том, содержит ли входная реализация аддитивную смесь полезного сигнала и шума z(t)=s(t)+η(t), или же в ней содержится только шум z(t)=η(t).

Реализация заявленного способа объясняется следующим образом.

Принимают реализацию в виде аналогового сигнала z(t), например с тракта промежуточной или низкой частоты радиоприемного устройства.

Принимаемая реализация будет содержать или только шум η(t)-z(t)=η(t) (фиг.1), или аддитивную смесь обнаруживаемого полезного сигнала s(t)n шума η(t)-z(t)=s(t)+η(t) (фиг.2). По виду принятого аналогового сигнала z(t) невозможно определить, содержится ли в нем полезный сигнал s(t). Поэтому целесообразно перейти к спектральному представлению аналогового сигнала z(t), которое характеризуется спектральной плотностью распределения мощности.

Известно, что спектральная плотность мощности шума равномерно распределена по всем частотным позициям. Следовательно, и у реализации сигнала z(t)=η(t) спектральная плотность мощности также будет равномерно распределена по всем частотным позициям (фиг.4). В то время как у реализации сигнала z(t)=s(t)+η(t) спектральная плотность мощности будет иметь большие значения на тех частотах, в пределах которых присутствует энергия сигнала s(t) (фиг.5). В результате возникает возможность по спектральному представлению аналогового сигнала z(t) с большей степенью вероятности принять правильное решение о содержании в нем полезного сигнала s(t). Для перехода к спектральному представлению аналогового сигнала z(t) необходимо его оцифровать и вычислить преобразование Фурье.

Процедура оцифровывания аналогового сигнала z(t) предусматривает его дискретизацию, квантование (фиг.3) и кодирование. Процедуры оцифровывания аналоговых сигналов (дискретизация, квантования и кодирование) известны и описаны, например [В.Григорьев. Передача сигналов в зарубежных информационно-технических системах. - СПб.: ВАС, 1998, стр.83-85].

После этого из отсчетов оцифрованного сигнала z, формируют его спектральное представление F_j путем выполнения преобразования Фурье. Процедура выполнения преобразования Фурье известна и представлена, например, в [Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Пер. с англ. - М.: Наука, 1974, стр.148-161].

Для выделения спектральных компонент, принадлежащих полезному сигналу, рассчитывают пороговый уровень мощности шума U. Целесообразно значение U выбрать таковым, чтобы его могли превысить только спектральные компоненты, принадлежащие полезному сигналу s(t). Проведенные эксперименты показали, что выбор порогового уровня U, равным удвоенному значения выборочного среднего компонент спектрального представления F_j, обеспечивает вероятность превышения его спектральными компонентами реализации, содержащей только шум z(t)=η(t), не превышает P(F_j>U)=0,0002 (фиг.6), поэтому в качестве порогового значения шума определим U=2·ΣF - удвоенное значение средней мощности спектрального распределения F_j.

Операция расчета средней мощности аналогична вычислению выборочного среднего

где N - количество компонент в преобразовании Фурье [Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Пер. с англ. - М: Наука, 1974, стр.610].

Так как рассчитанный пороговый уровень мощности шума U, в общем случае, могут превышать и спектральные компоненты шума, то для повышения достоверности принятия решения по обнаружению полезного сигнала s(t) необходимо определить критерий, указывающий о наличии полезного сигнала s(t) во входной реализации z(t)=s(t)+η(t). Учитывая, что суммарная мощность спектральных компонент, превысивших порог U=2·ΣF, для реализации, содержащей только шум z(t)=η(t), будет меньше, чем для реализации, содержащей аддитивную смесь полезного сигнала и шума z{t)=s{t)+η(t), то в качестве критерия выбирают отношение суммарной мощности спектральных компонент F_j, не превысивших пороговый уровень мощности шума U, к суммарной мощности спектральных компонент F_j, не превысивших его, т.е. R=ΣF1/ΣF2.

С этой целью формируют первую F1_j (фиг.7) и вторую F2_j (фиг.8) последовательности из спектральных компонент F_j. Для этого каждую спектральную компоненту F_j сравнивают с пороговым уровнем шума U. Процедуры сравнения могут быть реализованы, например, на основе пороговых устройств, вариант реализации которого рассмотрен в [В.Тихонов, Н.Кульман. Нелинейная фильтрация и квазикогентный прием сигналов. - М.: Сов. радио, 1975. стр.696]. После чего рассчитывают их мощность путем раздельного суммирования спектральных компонент первой последовательности

и второй последовательностей

где N1- количество спектральных компонент, превысивших пороговый уровень шума; N2 - количество спектральных компонент, не превысивших пороговый уровень шума. Операции суммирования, вычисления отношения и сравнения известны и могут быть реализованы, например как изложено в описании ближайшего аналога [Патент РФ №2110150] на стр.15-16, формула 3 и 4.

По результатам сравнения значений R=ΣF1/ΣF2 с предварительно заданным пороговым значением R_пор принимают решение о наличии или отсутствии полезного сигнала.

Пороговое значение R_пор установлено на основе проведенного эксперимента по расчету R=ΣF1/ΣF2 для различных значений отношения сигнал шум (ОСШ). С этой целью вычисление R=ΣF1/ΣF2 проводилось более 200 раз, в соответствии с требованиями вычисления статистических оценок [Математический энциклопедический словарь. М.: Сов. Энциклопедия, 1988, 847 с; Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике. Пер. с англ. - М.: Наука, 1977, стр.638-643].

Затем 200 раз для различных реализаций z{t)=η(t), содержащих только шум, также рассчитывалось отношение R_шум=ΣF1/F2 (фиг.4). Искомое пороговое значение R_пор, выбиралось как пересечение R=ΣF1/ΣF2 и R_шум=ΣF1/ZF2. По результатам эксперимента получено значение R_пор в интервале R_пор=0,13…0,15 (фиг.9).

Указанный интервал обусловлен тем, что обнаруженный полезный сигнал может иметь различную спектральную структуру.

Эффективность способа обнаружения полезного сигнала s(t) в реализации z(t)=s(t)+η(t) оценивалась по величине Р=Р₀-α - разности вероятности правильного обнаружения Р₀ и ошибки первого рода α в зависимости от ОСШ (фиг.10). Данный показатель представлен в [Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Пер. с англ. - М.: Наука, 1974, стр.631] ошибка первого рода определена как вероятность ошибочного принятия решения об обнаружении сигнала, при его отсутствии в обрабатываемой реализации.

Таким образом, благодаря возможности объективного различия сигнала на фоне шумов с использованием их спектральных представлений обеспечивается обнаружение различных полезных сигналов без предварительных знаний о их структуре, что обуславливает расширение области применения заявленного способа для широкого класса сигналов, т.е. реализуется возможность достижения указанного технического результата.

1. Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов, заключающийся в том, что принимают аналоговый сигнал z(t), оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, затем рассчитывают параметры оцифрованного сигнала z_i, сравнивают полученные параметры с предварительно заданным пороговым значением, и по результатам сравнения принимают решение о факте обнаружения сигнала, отличающийся тем, что для расчета параметров оцифрованного сигнала z_i формируют его спектральное представление F_j, путем выполнения над ним преобразования Фурье, рассчитывают пороговый уровень шума U, путем вычисления удвоенного значения выборочного среднего компонента спектрального представления F_j, сравнивают уровни каждой из спектральных компонент из последовательности спектрального представления F_j с вычисленным пороговым уровнем шума U, и формируют первую F1_j и вторую F2_j последовательности соответственно из спектральных компонент F_j, превысивших пороговый уровень шума U и не превысивших его, затем раздельно суммируют компоненты, входящие в первую ΣF1 и вторую ΣF2 последовательности, после чего вычисляют соотношение R, как отношение найденных сумм R=ΣF1/ΣF2 и сравнивают с предварительно заданным пороговым значением R_пор, а решение о факте обнаружения сигнала принимают при условии, что R>R_пор.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пороговое значение R_пор выбирается в интервале R_пор=0,13-0,15.