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. 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.
i
i-1
i
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 цифрованный сигнал z, сдвинутый относительно z на один такт, поcле этого вычисляют коэффициент корреляции К, по формуле
,
i
пop
пор
где N - 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 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.
i
пор
j
j
j
j
j
j
j
j
пор
пор
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, сравнивают их с предварительно заданным пороговым значением R и принимают решение о факте обнаружения сигнала. Для расчета параметров оцифрованного сигнала z, формируют его спектральное представление F. Для этого над ним выполняют преобразование Фурье. После этого рассчитывают пороговый уровень шума U, путем вычисления удвоенного значения выборочного среднего компонент спектрального представления F и сравнивают с ним уровни каждой из спектральной компоненты последовательности F. По результатам сравнения формируют первую F1 и вторую F2 последовательности соответственно из спектральных компонент F, 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/ΣF2, которые сравнивают с предварительно заданным пороговым значением R. 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=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;
j
фиг.6 - распределение спектральных компонент P(F) 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;
j
j
шум
пор
фиг.9 - зависимость значения R=ΣF1/ΣF2 и R=ΣF1/ΣF2 от отношения мощности сигнала к мощности шума (ОСШ) для обоснования R;
0
0
фиг.10 - зависимость Р=Р-α - разности вероятности правильного обнаружения Р и ошибки первого рода α от ОСШ.
пор
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, 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].
j
После этого из отсчетов оцифрованного сигнала z, формируют его спектральное представление F 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].
j
j
j
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, обеспечивает вероятность превышения его спектральными компонентами реализации, содержащей только шум z(t)=η(t), не превышает P(F>U)=0,0002 (фиг.6), поэтому в качестве порогового значения шума определим U=2·ΣF - удвоенное значение средней мощности спектрального распределения F.
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].
j
j
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, не превысивших пороговый уровень мощности шума U, к суммарной мощности спектральных компонент F, не превысивших его, т.е. R=ΣF1/ΣF2.
j
j
j
j
С этой целью формируют первую F1 (фиг.7) и вторую F2 (фиг.8) последовательности из спектральных компонент F. Для этого каждую спектральную компоненту F 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.
пор
По результатам сравнения значений R=ΣF1/ΣF2 с предварительно заданным пороговым значением R принимают решение о наличии или отсутствии полезного сигнала.
пор
Пороговое значение R 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].
шум
пор
шум
пор
пор
Затем 200 раз для различных реализаций z{t)=η(t), содержащих только шум, также рассчитывалось отношение R=ΣF1/F2 (фиг.4). Искомое пороговое значение R, выбиралось как пересечение R=ΣF1/ΣF2 и R=ΣF1/ZF2. По результатам эксперимента получено значение R в интервале R=0,13…0,15 (фиг.9).
Указанный интервал обусловлен тем, что обнаруженный полезный сигнал может иметь различную спектральную структуру.
0
0
Эффективность способа обнаружения полезного сигнала s(t) в реализации z(t)=s(t)+η(t) оценивалась по величине Р=Р-α - разности вероятности правильного обнаружения Р 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.