СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛОВ БЕЗ НЕСУЩЕЙ
METHOD OF DETECTING SIGNALS WITHOUT CARRIERS

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к способам обнаружения сигналов в условиях априорной неопределенности о времени их излучения, и может быть использовано в системах радиоконтроля, работающих в условиях аддитивных шумов высокой интенсивности.
Известен способ обнаружения сигналов, реализованный в обнаружителях, описанных в книге Левина Б.Р. Теоретические основы статистической электротехники М.: Сов. радио, 1968, с.345-346, рис.26.
Способ основан на нелинейной обработке реализации входной выборки и заключается в следующем. Входную реализацию раскладывают на квадратурные составляющие, которые затем фильтруют с помощью двух фильтров, согласованных с составляющими сигнала. Затем формируют суммы и разности входных значений в каждой группе фильтров, которые подвергают двухполупериодному квадратичному детектированию. Результаты детектирования суммируют и сравнивают с пороговым уровнем. Решение об обнаружении сигнала принимают в случае превышения суммы продетектированных величин порогового уровня.
Недостатком способа-аналога является то, что он приемлем только в случаях обнаружения сигналов с известными параметрами.
Известен способ обнаружения узкополосных сигналов, реализованный в обнаружителе сигналов по патенту RU №2110150 C1 6 H04B 1/10, G01S 7/292 от 23.01.97 г.
В известном способе принимают аналоговый сигнал, оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования. Затем рассчитывают параметры оцифрованного сигнала, для чего формируют его версию, сдвинутую на один такт, и вычисляют коэффициент корреляции между сигналом и его сдвинутой версией. Результаты корреляционной обработки выбирают в качестве параметров оцифрованного сигнала. После этого сравнивают рассчитанные параметры оцифрованного сигнала с порогом принятия решения, который вычисляют, используя дополнительную информацию о математическом ожидании обнаруживаемого сигнала, дисперсии шума и величине порогового значения. Решение о факте обнаружения сигнала принимают в том случае, если параметры оцифрованного сигнала превышают порог принятия решения.
Недостатком известного способа является узкая область применения, так как его реализация возможна только при известных параметрах шума и обнаруживаемых сигналов.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявленному является способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов, описанный в патенте РФ №2382495 от 20.02.2010 г.
В ближайшем аналоге принимают аналоговый сигнал, оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования. Затем рассчитывают параметры оцифрованного сигнала, для чего формируют его спектральное представление путем выполнения над ним преобразования Фурье. После этого рассчитывают пороговый уровень шума путем вычисления удвоенного значения выборочного среднего компонент спектрального представления и оценивают уровни каждой из спектральных компонент из последовательности спектрального представления путем их сравнения с вычисленным пороговым уровнем шума. Затем формируют первую и вторую последовательности соответственно из спектральных компонент, превысивших пороговый уровень шума и не превысивших его. После этого раздельно суммируют компоненты, входящие в первую и вторую последовательности, и вычисляют значение отношения найденных сумм. Затем сравнивают значение отношения найденных сумм с предварительно заданным пороговым значением. Решение о факте обнаружения сигнала принимают при условии, что значение отношения найденных сумм превышает предварительно заданное значение порога.
Недостатком известного способа является относительно узкая область применения, так как он не позволяет достоверно обнаруживать одиночные кратковременные сигналы без несущей в условиях априорной неопределенности о времени их излучения.
Целью заявленного технического решения является разработка способа, расширяющего область его применения для кратковременных одиночных сигналов без несущей в условиях априорной неопределенности о времени их излучения в аддитивных шумах высокой интенсивности.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе автоматического обнаружения узкополосных сигналов принимают аналоговый сигнал, оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования. Вычисляют спектральное представление оцифрованного сигнала и формируют из спектральных компонент первую и вторую последовательности. Рассчитывают параметры сигнала, оценивают их и по результатам оценки принимают решение о факте обнаружения сигнала. Для формирования первой и второй последовательности компоненты спектрального представления делят на равные высокочастотную и низкочастотную части, после этого из низкочастотной части спектральных компонент процедурой обратного преобразования Фурье формируют временные отсчеты и в качестве параметров сигнала выбирают максимальные по модулю отрицательное и положительное значения. Затем по временным отсчетам, сформированным из низкочастотной части спектральных компонент, рассчитывают значение порогового уровня шума. Сравнивают параметры сигнала со значением порогового уровня шума и принимают решение об обнаружении сигнала, если хотя бы один из параметров по абсолютному значению превысит значение порогового уровня шума. Значение порогового уровня шума выбирают равным не менее утроенной величины среднеквадратического отклонения временных отсчетов, сформированных из низкочастотной части спектральных компонент принятого оцифрованного сигнала.
Благодаря новой совокупности существенных признаков, заключающихся в выборе в качестве параметров сигналов максимального отрицательного и положительного значений временных отсчетов, сформированных процедурой обратного преобразования Фурье из низкочастотной части спектральных компонент принятого оцифрованного сигнала, и в выборе в качестве порогового уровня шума значения, равного не менее утроенной величины среднеквадратического отклонения временных отсчетов, сформированных из низкочастотной части спектральных компонент принятого оцифрованного сигнала, обеспечивается обнаружение кратковременных одиночных сигналов без несущей в условиях априорной неопределенности о времени их излучения в аддитивных шумах высокой интенсивности, что и указывает на расширение области применения заявленного способа и возможности его использования в системах радиоконтроля, работающих в условиях аддитивных шумов высокой интенсивности.
Заявленный способ поясняется чертежами.
i
i
Фиг.1. Выборка из 512 дискретных отсчетов сигнала z без шумов (здесь и далее i=1, 2,… - порядковый номер отсчета), значительно превышающая временной интервал существования полезного сигнала s длительностью 9 отсчетов (с 158 отсчета по 167), с нанесенным значением порогового уровня шума G.
j
i
Фиг.2. Спектральное представление F из 256 спектральных отсчетов (здесь и далее j=1, 2,…- порядковый номер спектральной компоненты) выборки сигнала z без шумов длительностью 512 дискретных отсчетов.
i
i
Фиг.3. Выборка из 512 дискретных отсчетов сигнала z в шумах (отношение мощности сигнала к мощности шума (ОСШ)=1 дБ), значительно превышающая временной интервал существования полезного сигнала s длительностью 9 отсчетов (с 158 отсчета по 167), с нанесенным значением порогового уровня шума G.
i
i
Фиг.4. Выборка из 512 дискретных отсчетов сигнала z без шумов, значительно превышающая временной интервал существования полезного сигнала s, сформированная из низкочастотных компонент процедурой обратного преобразования Фурье, с нанесенным значением порогового уровня шума G.
j
i
Фиг.5. Спектральное представление F из 256 спектральных отсчетов выборки сигнала z в шумах длительностью 512 дискретных отсчетов, при ОСШ=1 дБ.
j
i
Фиг.6. Низкочастотная часть спектрального представления Fu из 256 спектральных отсчетов выборки сигнала z в шумах длительностью 512 дискретных отсчетов, при ОСШ=1 дБ.
i
Фиг.7. Выборка из 512 дискретных отсчетов сигнала z в шумах, сформированная процедурой обратного преобразования Фурье из низкочастотной части спектрального представления, с нанесенным значением порогового уровня шума G.
Существующая проблема автоматического обнаружения кратковременных одиночных сигналов без несущей состоит в том, что при отсутствии априорных знаний о времени их излучения (значениях координат на оси времени) обработке подвергают выборки, значительно превышающие по длительности время существования обнаруживаемых полезных сигналов.
i
i
i
В условиях отсутствия шумов x(t) принять решение о наличии полезного сигнала s(t) в обрабатываемой выборке z(t) (когда z(t)=s(t)) не составляет трудностей, если в качестве параметров сигнала выбрать его максимальные отрицательное и положительное временные значения. В качестве примера на фиг.1 представлена выборка дискретных отсчетов z=s, значительно превышающая временной интервал существования полезного сигнала s, с нанесенным значением порогового уровня шума G. Здесь и далее величина значения порогового уровня шума G рассчитывается по формуле
<mrow><mi>G</mi><mo>≥</mo><mn>3</mn><msqrt><mrow><mfrac><mn>1</mn><mrow><mi>M</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>M</mi></munderover><mrow><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>z</mi><mtext>i</mtext></msub><mo>−</mo><msub><mi>z</mi><mrow><mi>c</mi><mi>p</mi></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></mstyle><mo>,</mo></mrow></msqrt><mtext>                           (1)</mtext></mrow>
i
где М - число временных отсчетов обрабатываемой выборки сигнала z;
cp
i
z - средняя величина значений обрабатываемой выборки сигнала z, рассчитываемая по формуле
<mrow><msub><mi>z</mi><mrow><mi>c</mi><mi>p</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mi>M</mi></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>M</mi></munderover><mrow><msub><mi>z</mi><mi>i</mi></msub></mrow></mstyle><mo>.</mo><mtext>                                    (2)</mtext></mrow>
Выбор значения порогового уровня шума согласно формуле (1) обеспечит с вероятностью 0,997 факт того, что шум не превысит величину G [Боровиков В. STATISTICA. Искусство анализа данных на компьютере: Для профессионалов / В.Боровиков. - СПб.: Питер, 2003. - 688 с.].
В отсутствие шумов x(t) или при относительно высоких значениях
ОСШ решение о наличии полезного сигнала s(t) в обрабатываемой выборке z(t) можно принимать по наличию доминирующих временных отсчетов, превышающих значение порогового уровня шума G (см. фиг.1).
Однако в условиях аддитивных шумов высокой интенсивности в обрабатываемой выборке z(t) (когда z(t)=s(t)+x(t)), значительно превышающей время существования полезного сигнала s(t), принятие решение о его наличии связано с определенными трудностями, поскольку временные отсчеты сигнала не являются ярко выраженными по отношению к шумовым отсчетам.
i
i
i
В указанных условиях применение значения порогового уровня шума G, рассчитанного в соответствии с формулой (1), не позволяет однозначно принять решение о наличии полезного сигнала s(t) в обрабатываемой выборке z(t). В качестве примера на фиг.3 изображена выборка дискретных отсчетов оцифрованного сигнала в шумах z=s+x с нанесенными значениями порогового уровня шума G.
j
i
i
i
i
i
i
i
i
Между тем форма и положение спектральных компонент F полезного сигнала s на оси частот зависят только от длительности временного интервала существования полезного сигнала s(t) и не зависят от его расположения на оси времени. Причем основная энергия спектральных компонент полезного сигнала всегда сосредоточена в низкочастотной области спектра. Этот факт обусловлен упорядоченностью временных отсчетов, характеризующих полезный сигнал. Так, на фиг.2 изображено спектральное представление выборки дискретных отсчетов z=s, значительно превышающей временной интервал существования полезного сигнала s. Поскольку основная энергия полезного сигнала сосредоточена в низкочастотной области его спектра, то обнуление малозначимых спектральных компонент из высокочастотной области не приведет к существенному искажению параметров сигнала, сформированного из низкочастотных компонент процедурой обратного преобразования Фурье. На фиг.4 изображена выборка дискретных отсчетов, сформированная из низкочастотных компонентов входного аналогового сигнала процедурой обратного преобразования Фурье z=s, значительно превышающая временной интервал существования полезного сигнала s, с нанесенным значением порогового уровня шума G. Параметры сигнала, в качестве которых выбирают максимальные отрицательное и положительное значения s, превышают G и позволяют принять положительное решение об обнаружении.
В тоже время, параметры сигнала (в качестве которых выбирают максимальные отрицательное и положительное значения), содержащего только шум z(t)=x(t), в равной степени зависят как от низкочастотных, так и высокочастотных спектральных компонент. Это объясняется тем, что спектральные компоненты шума распределены по нормальному закону [Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. - М.: Радио и связь, 1989. - 656 с.].
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
Следовательно, значения параметров сигнала s, сформированного из низкочастотных компонент z=s+x, существенно не изменятся, в то время как значения параметров шума уменьшатся. На фиг.5 показаны спектральные компоненты сигнала z=s+x, временное представление которого изображено на фиг.3. На фиг.6 показаны низкочастотные компоненты сигнала z=s+x. На фиг.7 изображен сигнал, сформированный из низкочастотных компонент z=s+x, параметры которого превышают значение порогового уровня шума G, что указывает на наличие полезного сигнала в обрабатываемой выборке.
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 С1, 6 Н04В 1/10, G01S 7/292, от 23.01.97 г.
i
j
i
i
Затем принятый аналоговый сигнал z(t) оцифровывают, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования, кодирования. Указанные операции известны и описаны, например, в способе автоматического обнаружения узкополосных сигналов по патенту РФ №2382495 от 20.02.2010 г. На фиг.1 и фиг.3 показаны выборки оцифрованных отсчетов z принятого аналогового сигнала z(t) без шумов и в шумах соответственно. После этого формируют спектральное представление F оцифрованного сигнала z, для чего выполняют преобразование Фурье. Операции преобразования Фурье известны и описаны, например, в способе автоматического обнаружения узкополосных сигналов по патенту РФ №2382495 от 20.02.2010 г. На фиг.2 и фиг.5 показаны спектральные компоненты оцифрованного сигнала z без шумов и в шумах соответственно.
Затем обнуляют высокочастотные спектральные компоненты (см. фиг.6).
Указанную операцию можно реализовать путем умножения высокочастотных компонент на нуль или применением низкочастотного фильтра. Операции фильтрации известны и описаны в [В.Тихонов, Н.Кульман. Нелинейная фильтрация и квазикогентный прием сигналов. - М.: Сов. радио, 1975, стр.696].
i
i
i
i
i
i
После этого операцией обратного преобразования Фурье из низкочастотных спектральных компонент оцифрованного входного сигнала z=s+x формируют временные отсчеты (операция обратного преобразования Фурье описана, например, в [Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике. Пер. с англ. - М.: Наука, 1977, стр.148-162]), по которым согласно формуле (1) рассчитывают значение порогового уровня шума G, а максимальные по модулю положительные и отрицательные значения сформированных указанным образом временных отсчетов выбирают в качестве параметров сигнала z=s+x. Решение об обнаружении принимают, если в результате сравнения параметры сигнала превысят значение порогового уровня шума G (см. фиг.7).
Проведенный эксперимент подтвердил правомерность выбора порогового значения уровня шума, рассчитываемого согласно формуле (1). 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].
Таким образом, благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе, заключающихся в выборе в качестве параметров сигналов максимального отрицательного и положительного значений временных отсчетов, сформированных процедурой обратного преобразования Фурье из низкочастотной части спектральных компонент принятого оцифрованного сигнала, и в выборе в качестве порогового уровня шума значения, равного не менее утроенной величины среднеквадратического отклонения временных отсчетов, сформированных из низкочастотной части спектральных компонент принятого оцифрованного сигнала, обеспечивается обнаружение кратковременных одиночных сигналов без несущей в условиях априорной неопределенности о времени их излучения в аддитивных шумах высокой интенсивности, что и указывает на расширение области применения заявленного способа и возможности его использования в системах радиоконтроля, работающих в условиях аддитивных шумов высокой интенсивности.