УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛА ИЗВЕСТНОГО ТОЧНО

Полезная модель относится к области радиоприема, а именно к обнаружению радиоимпульса известного точно на фоне собственных шумов приемного устройства.
Известно устройство приема сигнала на фоне «белых» шумов [1]. Устройство состоит из оптимального линейного фильтра согласованного с параметрами сигнала известного точно и порогового устройства.
Теория потенциальной помехоустойчивости Котельникова имеет огромное значение и является хорошо развитой и обоснованной теорией приема сигналов на фоне «белых» шумов (Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости. - М. Госэнергоиздат, 1956 г. [1]). Поскольку высокочастотный тракт современных приемных устройств по своей сути является оптимальным или квазиоптимальным линейным фильтром, то характеристики реальных приемных устройств оказываются близкими к характеристикам вытекающим из теории потенциальной помехоустойчивости, но никогда их не превышают.
Поэтому принято считать, что характеристики линейного оптимального приемника являются предельно достижимыми для всех без исключения классов приемных систем и дальнейшее развитие теории Котельникова невозможно.
Однако, следует отметить, что в теории Котельникова приняты ограничения связанные с применением принципа суперпозиции в описании аддитивной смеси сигнала и шума, которые распространяют действие теории только на линейные приемные системы.
Из теории Котельникова вытекают практически важные выводы;
- Достоверность приема полезного сигнала известного точно на фоне «белых» шумов не зависит от формы сигнала, а зависит только от его энергии.
- Оптимальный линейный фильтр согласованный со спектром полезного сигнала обеспечивает на входе решающего устройства максимально возможное отношение сигнал/шум.
При обнаружение сигнала известного точно на фоне «белых» шумов решающее устройство принимает решение о наличие сигнала в случае, когда уровень сигнала на выходе оптимального линейного фильтра превышает некоторый пороговый уровень, который выбирается по одному из критериев оптимальности, в зависимости от типа и назначения приемного устройства. (Чистяков Н.И., Сидоров М.В., Мельников B.C. Радиоприемные устройства. - М.: Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио. 1959. - 895 с. [2]).
В 1956 году Д.Слепян в своей теореме математически обосновал возможность повышения потенциальной помехоустойчивости (Slepian D. Some comment on the Detection of Gaussian Signals in Gaussian Noise // JRE Transactions on Information Theory, 1958. - N 2. - p.65-68. [2]). Суть данной теоремы состоит в том, что если выполняется условие
n
m+n
где S(ω) и S(ω) спектральные плотности шума и смеси сигнала и шума, то существует правило решения, использующее входной процесс при 0≤t≤T и обеспечивающее заданную вероятность ложной тревоги F<ε и вероятность правильного обнаружения D>1-ε, где ε>0 - любое наперед заданное число при сколь угодно малом отношении сигнал/шум (T - временной интервал в течение которого происходит обнаружение).
Данная теорема была подвергнута критике (Вайнштейн Л.А., Зубаков В.Д. Выделение сигналов на фоне случайных помех. Изд. Сов.радио, М., 1960,
с.447. [3]) в том смысле, что указанный эффект может быть достигнут лишь для тривиального случая, когда ширина спектра сигнала больше ширины спектра шума. Для случая, когда ширина спектра шумов на входе приемного устройства больше ширины спектра сигнала, условие теоремы Слепяна (1) не выполняются.
Базируясь на теории потенциальной помехоустойчивости, было показано, что спектральная плотность шумов и спектральная плотность смеси сигнала и шума на выходе согласованного фильтра совпадают. И, следовательно, предел отношения спектральной плотности смеси сигнала и шума и просто шума тождественно равен 1. Таким образом, теорема Слепяна подтверждает тот факт, что в классе линейных систем оптимальный линейный приемник В.А.Котельникова обладает наилучшей потенциальной помехоустойчивостью. При этом критики теоремы Слепяна распространили действие указанного факта на все виды приемных устройств. Благодаря этому работы по поиску оптимальных приемников для обнаружения сигналов известных точно на фоне белых шумов не получили должного развития. Это связано с тем, что в то время не был поставлен вопрос; если какие-либо возможные преобразования сигнала и шума, при которых требования теоремы Слепяна выполнялись бы при обнаружении сигнала известного точно на фоне белого шума.
Следует отметить, что математические выкладки изложенные в теореме Слепяна не вызвали никаких сомнений у его оппонентов.
Поскольку согласно теории потенциальной помехоустойчивости оптимальный линейный фильтр согласованный с параметрами полезного сигнала обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум, то единственным возможным решением задачи является поиск способа нелинейного
преобразования способного обеспечить выполнение условий теоремы Слепяна и реализацию алгоритма изложенного в указанной теореме.
Наиболее близким техническим решением принятым в качестве прототипа принят оптимальный приемник по Котельникову, который состоит из оптимального линейного фильтра согласованного с параметрами сигнала и порогового устройства. Оптимальный линейный фильтр имеет амплитудно-частотную характеристику согласованную со спектром принимаемого сигнала и обеспечивает максимально возможное отношение сигнал/шум на входе порогового устройства. Решение о наличие сигнала известного точно на входе приемного устройства принимается в случае, когда уровень сигнала на входе порогового устройства превышает наперед заданный пороговый уровень. Уровень порога выбирается по одному из критериев оптимальности [1].
Основным недостатком указанного выше устройства обнаружения сигнала на фоне шумов является недостаточная достоверность приема сигнала известного точно в области малых отношений сигнал/шум т.е. при малой энергии сигнала.
п.с
л.т
Известно, что при приеме слабых сигналов, когда уровень помех соизмерим или превышает уровень полезного сигнала на входе приемника достоверность принимаемой информации количественно оценивается вероятностью пропуска сигнала Р и вероятностью ложной тревоги Р. Эти величины взаимозависимы т.е. увеличение одной из них влечет за собой уменьшение другой и наоборот. Отношение этих величин определяется порогом срабатывания решающего устройства, который выбирается по одному из критериев оптимальности, в зависимости от типа и назначения приемного устройства. (Чистяков Н.И., Сидоров М.В., Мельников B.C.
Радиоприемные устройства. - М. государственное издательство литературы по вопросам связи и радио. 1959. - 895 с. [4]).
Решаемой технической задачей, предложенного устройства обнаружения сигнала известного точно, является повышение помехоустойчивости приема при малых отношениях сигнал/шум.
Решаемая техническая задача достигается использованием новых информационных признаков позволяющих выполнить условия теоремы Слепяна за счет нелинейной обработки аддитивной смеси сигнала и узкополосного шума на выходе оптимального линейного фильтра
Решаемая техническая задача в предложенном устройстве обнаружения сигнала известного точно, содержащем оптимальный линейный фильтр, причем вход оптимального линейного фильтра является входом устройства, достигается тем, что введены последовательно соединенный амплитудно-фазовый преобразователь и решающий блок по Слепяну, причем вход амплитудно-фазового преобразователя соединен с выходом оптимального линейного фильтра, а выход решающего блока по Слепяну является выходом устройства.
При гетеродинном приеме сигнал после преобразователя подается на усилитель промежуточной частоты, являющийся, как правило, узкополосным. Амплитудно-частотная характеристика усилителя промежуточной при приеме радиоимпульса близка к прямоугольной. Это обстоятельство будет в дальнейшем учитываться при рассмотрении спектров сигналов.
Поскольку для большинства радиоприемных систем выполняется условие
пр
где ΔF - полоса пропускания усилителя промежуточной полосы, F - промежуточная частота приемного устройства. То согласно работе (В.И.Тихонов. Статистическая радиотехника. "Советское радио". М. 1966 г. [3]) собственные шумы приемного устройства могут быть представлены в виде
0
где A(t) и φ(t) - медленно изменяющиеся функции по сравнению с cosωt, представляющие огибающую и случайную фазу узкополосных флуктуации. Представим огибающую A(t) в виде разложения в ряд Фурье:
так как A(t) - нормальный случайный процесс с нулевым средним значением, то нулевой член разложения отсутствует. С учетом этого узкополосный процесс может быть представлен как
Из формулы (5) следует, что узкополосный шум по своей структуре является сигналом биений.
c
0
Рассмотрим структуру выходного процесса при гетеродинном приеме, представляющего собой смесь полезного сигнала и собственных шумов приемника. Для определенности будем считать, что полезный сигнал представляет собой гармонический сигнал с постоянной амплитудой U и угловой частотой равной ω.
Указанный выходной процесс, с учетом выражения (4), можно представить в следующем виде
Из выражения следует (6), что структура аддитивной смеси сигнала и шума зависит от уровня гармонического сигнала. При больших значениях амплитуды гармонического сигнала С/Ш>3 структура смеси сигнала и шума подобна структуре амплитудно-модулированного сигнала, а при малых уровнях гармонического сигнала 0<С/Ш<3, структура смеси близка к структуре амплитудно-модулированного колебания с частично подавленной несущей.
Таким образом, структура узкополосных шумов и смеси сигнала и шума существенно отличаются, причем информация о наличие и отсутствие сигнала имеется не только в амплитудном спектре, но и структуре узкополосного процесса.
Отличия в структурах процессов приводит к изменению спектра огибающей при прохождении последнего через нелинейные цепи.
Для решения вопроса о возможности использования найденных структурных отличий для повышения помехоустойчивости приемных устройств нами были рассмотрены различия между сигналом со структурой сигнала биений (Фиг.1) и амплитудно-модулированным сигналом со 100% модуляцией при одной и той же огибающей (Фиг.2).
На Фиг.1 и Фиг.2 представлены временные диаграммы сигналов со структурой биений (Фиг.1) и структурой амплитудно-модулированного сигнала (Фиг.2) с одной и той же огибающей.
На Фиг.3 изображена структурная схема устройства обнаружения сигнала известного точно.
На Фиг.4 изображен спектр узкополосных шумов на выходе линейного фильтра с П-образной амплитудно-частотной характеристикой.
На Фиг.5 изображен спектр узкополосных шумов на выходе амплитудно-фазового преобразователя.
На Фиг.6 изображен спектр смеси узкополосных шумов и сигнала известного точно на выходе амплитудно-фазового преобразователя.
На Фиг.7 изображена структурная схема амплитудно-фазового преобразователя.
Как видно из (Фиг.1) сигнал биений отличается от сигнала со структурой AM колебания (Фиг.2) только тем, что в сигнале биений при достижении огибающей нулевого уровня фаза высокочастотной составляющей изменяется на π.
Если в сигнале биений изменять фазу высокочастотной составляющей на π при достижении огибающей нулевого уровня, то преобразованный сигнал будет иметь структуру AM-колебания с несущей. При одной и той же огибающей спектр AM-колебания в два раза шире спектра сигнала биений так как имеет две симметричные боковые полосы.
Следовательно, отличие в структуре сигналов приводят к отличиям по ширине спектра огибающей на выходе нелинейного преобразователя.
Различия в спектральных плотностях могут быть использованы для создания помехоустойчивого приемного устройства реализующего алгоритм обработки Слепяна [2].
Структурная схема устройства приведена на Фиг.3. Устройство состоит из последовательно соединенных оптимального линейного фильтра 1, амплитудно-фазового преобразователя 2 и решающего блока 3 по Слепяну. Вход оптимального линейного фильтра 1, является входом устройства. Выход решающего блока по Слепяну 3 является выходом устройства. Амплитудно-фазовый преобразователь содержит парафазный каскад 4, устройство управления 5 и электронные ключи 6, 7, при этом вход
парафазного каскада 4 соединен со входом устройства управления 5 и являются входом амплитудно-фазового преобразователя 2, выходы парафазного каскада 4 соединены со входами электронных ключей 6, 7 соответственно. Выходы устройства управления соединены со входами управления электронных ключей 6, 7, соответственно, а выходы электронных ключей 6, 7 соединены между собой и являются выходом амплитудно-фазового преобразователя 2. Перечисленные выше блоки подключены к источнику электропитания.
Рассмотрим работу устройства обнаружения сигнала известного точно.
В случае отсутствия на входе приемного устройства полезного сигнала на выходе оптимального линейного фильтра 1 присутствуют только узкополосные шумы, которые как было показано выше имеют структуру сигнала биений. На Фиг.4 показан спектр узкополосных шумов на выходе узкополосного фильтра с П-образной амплитудно-частотной характеристики. Амплитудно-фазовый преобразователь 2 при каждом достижении огибающей узкополосного шума нулевого уровня переключает фазу высокочастотной составляющей на п, тем самым изменяя структуру узкополосного шума.
При этом форма спектра на выходе амплитудно-фазового преобразователя 2 будет имеет треугольную форму с шириной спектра в два раза превышающую полосу пропускания оптимального линейного фильтра.
На Фиг.5. приведен спектр преобразованных узкополосных шумов на выходе амплитудно-фазового преобразователя.
При наличие на входе приемного устройства полезного сигнала со структурой AM-колебания, на выходе оптимального линейного фильтра 1 будет присутствовать аддитивная смесь полезного сигнала и узкополосного шума. В этом случае структура смеси полезного сигнала и узкополосного
шума имеет структуру AM-колебания с частично подавленной несущей (При 0<С/Ш<3) или AM-сигнала с несущей (При С/Ш>3). При этом огибающая смеси не доходит до нулевого уровня и переключения фазы на π не происходит. Таким образом, узкополосный процесс с выхода оптимального линейного фильтра 1 проходит через амплитудно-фазовый преобразователь 2 без изменения спектра и энергии полезного сигнала Фиг.6.
На Фиг.6 приведен спектр смеси сигнала и шума на выходе амплитудно-фазового преобразователя.
Из сравнения спектров приведенных на Фиг.5 и Фиг.6 видно, что отношение спектральных плотностей узкополосного шума и смеси сигнала и узкополосного шума на выходе амплитудно-фазового преобразователя 2 не равна единице. Таким образом, выполняется условие (1) теоремы Слепяна и существует возможность использования критерия обнаружения предложенному в теореме.
Поскольку согласно доказанной теореме обнаружение сигнала возможно при сколь угодно малом отношение сигнал/шум, то можно сделать вывод о том, что предлагаемый приемник будет обладать более высокой помехоустойчивостью, чем линейный оптимальный приемник.
В качестве оптимального линейного фильтра 1 может быть использован высокочастотный тракт приемного устройства согласованный с параметрами принимаемого сигнала.
На Фиг.7 приведена структурная схема амплитудно-фазового преобразователя, который содержит парафазный каскад 4, устройство управления 5 и электронные ключи 6, 7. Алгоритм работы решающего блока по Слепяну приведены в приложении к заявке.
В случае когда на вход амплитудно-фазового преобразователя 2 подаются только узкополосные шумы, то на выходах парафазного каскада 4
формируются два противофазных узкополосных процесса. Процесс на первом выходе парафазного каскада 4 находится в противофазе по отношению к входному напряжению, а процесс на втором выходе парафазного каскада 4 синфазен входному процессу. Когда огибающая входного узкополосного процесса достигает нулевого уровня устройство управления 5 изменяет состояние электронных ключей 6, 7. Особенность управления работой электронных ключей 6, 7 заключается в том, что в любой момент времени включенным оказывается только один из электронных ключей 6 или 7. Второй ключ в это время находится в выключенном состоянии. Таким образом, при каждом достижении огибающей узкополосного процесса нулевого уровня происходит изменение фазы высокочастотной составляющей на π. При этом как было показано выше изменяется структура узкополосного процесса, который из узкополосного процесса со структурой сигнала биений преобразуется в узкополосный процесс со структурой AM-колебания. При этом спектр преобразованного процесса на выходе амплитудно-фазового преобразователя оказывается шире спектра на его входе.
Если на вход амплитудно-фазового преобразователя 2 подается смесь полезного сигнала и шума, то структура входного процесса будет соответствовать структуре амплитудно-модулированного сигнала с несущей, с коэффициентом модуляции менее 100%. При этом огибающая узкополосного процесса не достигает нулевого уровня и переключения фазы не происходит. В этом случае амплитудно-фазовый преобразователь работает как линейный элемент и изменение ширины спектра не происходит.
Поскольку на выходе амплитудно-фазового преобразователя 2 выполняется условие теоремы Слепяна (1), то существует возможность использования алгоритма обнаружения полезного сигнала по Слепяну. Таким образом, применяемый способ позволяет значительно улучшить
обнаружительные характеристики приемного устройства, уменьшить вероятность ложной тревоги при минимальных расходах и незначительной модификации радиоприемного устройства. В приложении 1 к заявке даны алгоритмы работы амплитудно-фазового преобразователя и решающего блока по Слепяну.
1. Алгоритм работы амплитудно-фазового преобразователя. Амплитудно-фазовый преобразователь преобразует структуру узкополосных шумов из структуры сигнала биений в структуру амплитудно-модулированного сигнала путем изменения фазы высокочастотной составляющей на π при каждом достижении огибающей узкополосных шумов нулевого значения.
Структурная схема амплитудно-фазового преобразователя на Фиг.7.
Амплитудно-фазовый преобразователь состоит из парафазного каскада 4, который формирует на своих выходах противофазные напряжения одинаковой амплитуды которые подаются на выход через электронные ключи 6, 7. Электронные ключи работают в противофазе. Т.е. когда включен электронный ключ 6, электронный ключ 7 выключен. При этом напряжение на выходе преобразователя находится в фазе с входным напряжением. Если состояние электронных ключей изменится, то разность фаз между входным и выходным напряжением амплитудно-частотного преобразователя составит 180°.
Для управления работой электронных ключей служит устройство управления 5 которое при каждом достижении огибающей входного узкополосного процесса нулевого уровня изменяет состояние электронных ключей на противоположные. Таким образом при каждом достижении огибающей узкополосного процесса нулевого уровня происходит изменение фазы высокочастотной составляющей процесса на π.
Если на вход амплитудно-фазового преобразователя подается смесь полезного сигнала и шума, то структура входного процесса будет соответствовать структуре амплитудно-модулированного сигнала с несущей, с коэффициентом модуляции менее 100%. При этом огибающая
узкополосного процесса не достигает нулевого уровня и переключения фазы не происходит. В этом случае амплитудно-фазовый преобразователь работает как линейный элемент и изменение ширины спектра не происходит.
Парафазный каскад может быть выполнен по любой из подходящих схем на полевом, биполярном транзисторе или операционном усилителе. (Например: Схема 1.29, Лэнк Дж. Электронные схемы: Практическое руководство. Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 343 с., ил.). Устройство управления может быть выполнено из последовательного включенного амплитудного детектора выполненного по схеме диодного детектора (Например: Схема 2.15, Лэнк Дж. Электронные схемы: Практическое руководство. Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 343 с., ил.), компаратора и триггера. Компаратор, триггер и электронные ключи выполняются на стандартных микросхемах бытового применения (Например; К521СА3, К561КП1, К561ТМ2).
2. Алгоритм работы решающего блока по Слепяну
m+n
n
m+n
Решающий блок по Слепяну для обнаружения полезного сигнала на фоне помех реализует алгоритм обнаружения описанный в работе (Slepian D. Some comment on the Detection of Gaussian Signals in Gaussian Noise // JRE Transactions on Information Theory, 1958. - N 2. - p.65-68. [1]). Согласно работе [1], при обнаружении сигнала m(t) на фоне шумовых флуктуации n(t), решается вопрос о том, содержит ли входной процесс f(t), известный в интервале 0≤t≤T, сигнал m(t) или не содержит [f(t)=m(t)+n(t) или f(t)=n(t)]. Предполагается, что оба процесса m(t) и n(t) являются нормальными (гауссовыми) процессами с равными нулю средними значениями и известными спектральными интенсивностями S(ω) и S(ω) нe равными тождественно друг другу. Если интенсивность S(ω) является рациональной функцией ω или тождественно исчезает вне некоторой конечной полосы частот, а
n
m+n
n
интенсивность S(ω) также является рациональной функцией или тождественно исчезает вне конечной полосы частот и если при рациональных функциях S(ω) и S(ω) выполняется соотношение
m+n
n
то существует правило решения, использующее входной процесс f(t) при 0≤t≤Т и обеспечивающее вероятность ложной тревоги F<ε и вероятность правильного обнаружения D>1-ε, где ε>0 - любое наперед заданное число. Эта теорема справедлива для произвольно малого Т>0. Если спектральные интенсивности S(ω) и S(ω) шляются рациональными функциями ω, удовлетворяющими при ω→±∞ асимптотическим соотношениям
то обнаружение можно производить по величине
где .
k
2
2
Согласно работе [1] величина у при достаточно большом k с вероятностью, сколь угодно близкой к единице, сколь угодно мало отличается от (2π)аТ (при f(t)=m(t)+n(t)), от (2π)bТ при f(t)=n(t) и p=0) или нуля при f(t)=n(t) и р≥0). Т.е. по значению величины (3) можно однозначно различать смесь сигнала и шума от шума.
k
2
Решающее устройство производит расчет величины у (3) и в случае если полученное значение близко к значению (2π)аТ выдает решение о наличие полезного сигнала на входе приемного устройства.