СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ УЗКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ
METHOD FOR AUTOMATIC DETECTION OF NARROW-BAND SIGNALS

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. Входную реализацию раскладывают на квадратурные составляющие, которые затем пропускают через две группы фильтров, согласованных с составляющими сигнала. Затем формируют суммы и разности входных значений в каждой группе фильтров, которые подают на двухполупериодные квадратичные детекторы. После этого продетектированные величины суммируют и подают их на безынерционный пороговый элемент. Решение об обнаружении принимают в случае превышения суммы продетектированных величин порогового значения.
Недостатком способа-аналога является то, что он позволяет обнаружить сигнал лишь с известными параметрами.
Известен способ обнаружения узкополосных сигналов, реализованный в обнаружителе сигналов по патенту RU №2110150 С1, 6 Н04В 1/10, G01S 7/292 от 23.01.97 г.
i
i-1
i
i
пор
пор
В известном способе принимают аналоговый сигнал z(t), оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, затем рассчитывают параметры оцифрованного сигнала z, для чего формируют цифрованный сигнал z, сдвинутый относительно z на один такт, после этого вычисляют коэффициент корреляции K, по формуле  где Т - количество дискретных отчетов оцифрованного сигнала z, затем рассчитывают достаточную статистику по формуле  после этого сравнивают рассчитанные параметры оцифрованного сигнала S с порогом принятия решения R, 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<S.
Недостатком известного способа является узкая область применения, так как для его реализации необходимо предварительное знание параметров классов распознаваемых сигналов Мс и параметра шума .
Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявленному является способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов, реализованном в патенте РФ №2382495 от 20.02.2010 г.
i
j
j
j
j
j
j
пор
пор
пор
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, для чего формируют его спектральное представление F путем выполнения над ним преобразования Фурье. После этого рассчитывают пороговый уровень шума U путем вычисления удвоенного значения выборочного среднего компонент спектрального представления F. Сравнивают уровни каждой из спектральных компонент из последовательности спектрального представления F с вычисленным пороговым уровнем шума U. Затем формируют первую F1 и вторую F2 последовательности, соответственно из спектральных компонент F, 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 в интервале 0,13-0,15. Решение о факте обнаружения сигнала принимают при условии, что R>R. Недостатком известного способа является относительно узкая область применения, так как для его реализации необходимо предварительно определить значение параметра R.
пор
Целью заявленного технического решения является разработка способа, расширяющего область применения для произвольного класса узкополосных радиосигналов в аддитивных шумах без предварительного определения значение параметра R.
j
i
j
j
j
i
j
j
j
j
j
j
j
j
i
j
j
j
j
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе автоматического обнаружения узкополосных сигналов принимают аналоговый сигнал z(t), оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, формируют спектральное представление F оцифрованного сигнала z, затем рассчитывают параметры S спектрального представления F и сравнивают их с пороговым значением R, и по результатам сравнения принимают решение о факте обнаружения сигнала. При формировании спектрального представления F оцифрованного сигнала z его предварительно делят на N равных фрагментов, над которыми независимо друг от друга выполняют преобразование Фурье {F1, F2, …,FN}, а параметры S спектрального представления F рассчитывают путем последовательного перемножения спектральных представлений {F1, F2, …, FN}, соответствующих N фрагментам оцифрованного сигнала z, причем пороговое значение R рассчитывают путем вычисления утроенного значения средней величины параметров спектрального представления S, а решение о факте обнаружения сигнала принимают по результатам сравнения порогового значения R, с рассчитанными параметрами S спектрального представления F, при которых выполняется условие R<S.
пор
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе обеспечивается обнаружение произвольного класса узкополосных радиосигналов в аддитивных шумах без предварительного определения значения параметра R, что и указывает на расширение области применения заявленного способа.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг.1. Спектральное представление шума, с нанесенными различными пороговыми значениями;
j
фиг.2. Спектральное представление фрагмента группового радиосигнала F при отношении сигнал/шум (ОСШ) 30 дБ, с нанесенным пороговым значением R;
фиг.3. Спектральное представление фрагмента группового радиосигнала при ОСШ 2,5 дБ, с нанесенным пороговым значением R;
фиг.4. Результат перемножения 5 спектральных представлений последовательно выбранных фрагментов группового радиосигнала при ОСШ 2,5 дБ, с нанесенным пороговым значением R.
пор
j
Существующая проблема автоматического обнаружения узкополосных сигналов состоит в том, что при отсутствии априорных знаний о характеристиках полезного сигнала s(t) или параметрах шума η(t), не представляется возможным определить значение уровня порога R, сравнение с которым параметров S спектрального представления принятой реализации в виде аналогового сигнала z(t), позволило бы однозначно принять решение: содержит 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. Операция приема аналоговых сигналов известна и описана, например, в способе обнаружения узкополосных сигналов по патенту RU №2110150 C1, 6 H04B 1/10, G01S 7/292 от 23.01.97 г.
j
i
Затем принятый аналоговый сигнал z(t) оцифровывают, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования, кодирования и формируют спектральное представление F оцифрованного сигнала z. Указанные операции известны и описаны, например, в способе автоматического обнаружения узкополосных сигналов по патенту РФ №2382495 от 20.02.2010 г.
Переход к спектральному представлению связан с тем, что спектральная плотность мощности шума равномерно распределена по всем частотным позициям, 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 полезного сигнала s(t).
j
j
Проведенные эксперименты с различными реализациями шума z(t)=η(t) показали, что выбор в качестве порогового значения R величины, равной утроенному значению средней величины спектрального представления шума F, обеспечивает выполнение условия R>F с вероятностью равной 0,9999. Эксперимент проводился в соответствии с требованиями получения статистических оценок [Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике. Пер. с англ. - М.: Наука, 1977. Стр.638-643].
j
j
j
На фиг.1 показана выборка спектральных компонент шума с нанесенными пороговыми значениями: R1 - равное удвоенному значению средней величины спектрального представления шума F; R - равное утроенному значению средней величины спектрального представления шума F; R2 - равное учетверенному значению средней величины спектрального представления шума F. Согласно результатам, представленным на фиг.1, выбор порогового значения R, равного утроенному значению средней величины спектрального представления выборки сигнала, содержащей только шум z(t)=η(t), обеспечивает принятие решения с высокой степенью достоверности. В случае высоких величин ОСШ, выбор порогового значения R, равного утроенному значению средней величины спектрального представления обрабатываемой выборки z(t)=s(t)+η(t), также обеспечивает достоверное обнаружение полезного сигнала s(t). В подтверждении данного факта на фиг.2 показан спектр выборки тестового группового радиосигнала z(t)=s(t)+η(t) при ОСШ 30 дБ, содержащего 3 узкополосных сигнала: восьми позиционного сигнала фазовой манипуляции на скорости 2400 бод (ФМ8 2400 бод); четырех позиционного сигнала фазовой манипуляции на скорости 1200 бод (ФМ4 1200 бод) и восьми позиционного сигнала частотной манипуляции с разносом 125 Гц на скорости 250 бод (ЧМ8 125 Гц 250 бод), с нанесенным пороговым значением R, равного утроенному значению средней величины спектрального представления обрабатываемой выборки сигнала z(t)=s(t)+η(t).
Между тем, при обработке выборки z(t)=s(t)+η(t) при относительно низких величинах ОСШ, выбор оптимального порогового значения R зависит от соотношения содержащегося в выборке полезного сигнала s(t) и шума η(t). Учитывая, что параметры шума, содержащегося в обрабатываемой выборке сигнала z(t)=s(t)+η(t), неизвестны, то выбор оптимального порогового значения R затруднен.
j
На фиг.3 демонстрируется спектральное представление фрагмента тестового группового радиосигнала z(t)=s(t)+η(t) при ОСШ 2,5 дБ. Здесь показано пороговое значение R, равное утроенному значению средней величины спектрального представления F обрабатываемой выборки сигнала.
j
Выбор в качестве порога обнаружения утроенного значения средней величины спектрального представления F обрабатываемой выборки сигнала не исключает ложного принятия решения по шумовым компонентам спектрального представления выборки сигнала, что и демонстрируется на фиг.3.
i
j
j
j
j
j
j
j
j
i
Для повышения достоверности принятия решения при обнаружении полезного сигнала s(t) предлагается увеличить абсолютное значение разницы амплитуды между спектральными компонентами шуму и обнаруживаемого сигнала. С этой целью входную реализацию z разбивают на N фрагментов, над которыми независимо друг от друга выполняют преобразование Фурье {F1, F2, …, FN}. Затем рассчитывают параметры S спектрального представления F, путем последовательного перемножения компонентов спектральных представлений {F1, F2, …, FN} N фрагментов оцифрованного сигнала z.
Так как спектральные компоненты шума не коррелированны между собой, то после перемножения фрагментов результирующее значение спектральных компонентов шума будет стремиться к их средней величине. В то же время результат перемножения спектральных значений компонентов сигналов будет возрастать в абсолютном значении, так как спектральные компоненты сигнала коррелированны между собой.
j
В подтверждение на фиг.4 показан результат последовательного перемножения пяти спектральных фрагментов, полученных из выборки тестового группового радиосигнала z(t)=s(t)+η(t) при ОСШ 2,5 дБ, представленной на фиг 3. Здесь пороговое значение R, равно утроенному значению средней величины параметров S спектрального представления выборки сигнала, рассчитанных в результате последовательно перемножения пяти фрагментов.
i
Операцию формирования выборок N фрагментов можно реализовать путем последовательного считывания отчетов оцифрованного сигнала z.Количество компонентов каждого из N фрагментов выбирают одинаковым, исходя из условия: ширины спектра самого узкополосного из подлежащих обнаружению сигналов s(t) должна превышать численное значение разноса между компонентами спектрального представления каждого из фрагментов.
Операция перемножения в частотной области эквивалентна свертки во временной области. Данные операции известны и описаны, например, в [Обработка сигналов. Первое знакомство. / Пер. с яп.; под ред. Есифуми Амэмия. - М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2002. Стр.163-164].
j
Операция расчета среднего значения параметров S спектрального представления обрабатываемой выборки сигнала известна
и описана, например, в [Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Пер. с англ. - М.: Наука, 1974. Стр.610]. В (1) М - количество компонент в преобразовании Фурье.
j
Операции сравнения значений S параметров спектральных компонент с пороговым значением R известны и могут быть реализованы, например, на основе пороговых устройств. Вариант такой реализации рассмотрен в [В.Тихонов, Н.Кульман. Нелинейная фильтрация и квазикогентный прием сигналов. - М.: Сов. радио, 1975. Стр.696].
Таким образом, благодаря возможности объективного различия корреляционных свойств сигналов и шумов, обеспечивается их разделение в частотной области. В результате предоставляется возможность увеличить абсолютное различие между сигнальными и шумовыми компонентами после операций последовательного перемножения N спектральных фрагментов обрабатываемой входной реализации сигнала, а принятие решения о наличии в обрабатываемой реализации полезного сигнала возможно по результатам сравнения каждой из спектральных компонент с пороговым значением R, равного утроенному значению средней величины результата перемножения N обрабатываемых фрагментов входной реализации сигнала, т.е. реализуется возможность достижения заявленного технического результата.