Способ обнаружения шумоподобного сигнала
METHOD OF NOISE SIGNAL DETECTION

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах радиомониторинга систем передачи и ретрансляции данных с шумоподобными (широкополосными) сигналами как с расширением спектра, так и без него.
Известен способ обнаружения широкополосного сигнала [1 - Пат. 2470459 Российская Федерация, МПК H04B 1/10, Y04L 7/00, H03K 7/08. Способ обнаружения широкополосных сигналов и устройство для его реализации. Климов И.З. и др.], при котором осуществляют прием сигналов, инвертирование и коммутирование с целью снятия широкополосной модуляции, интегрирование, сравнение полученного сигнала с пороговым уровнем и принятие решения о наличии или отсутствии сигнала.
Недостатком данного способа при мониторинге систем ретрансляции данных, использующих многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (МДКР), и широкополосных систем передачи данных, работающих без расширения спектра, является необходимость наличия эталонного сигнала, необходимого в первом случае для снятия широкополосной модуляции, а во втором - для повышения отношения сигнал/шум до уровня, необходимого для принятия решения о наличии/отсутствии сигнала с заданными вероятностями ложной тревоги и правильного обнаружения.
Э
Э
Известен также способ обнаружения шумоподобного сигнала [2 - Пат. 2248102 Российская Федерация, МПК H04L 27/22. Способ автокорреляционного приема шумоподобных сигналов. Дикарев В.И. и др.], при котором принятый сигнал, согласно способу автокорреляционного приема шумоподобных сигналов, перемножают с опорным сигналом, измеряют длительность принимаемого сигнала, осуществляют его частотное детектирование, выделяя при этом моменты скачкообразного изменения фазы, определяют количество и величину тактовых периодов, опорный сигнал формируют путем задержки принимаемого сигнала на время, кратное тактовому периоду τ, выделяют суммарное напряжение, перемножают его с принимаемым сигналом, задержанным на время, кратное тактовому периоду τ, выделяют напряжение разности частоты, перемножают его с принимаемым сигналом, задержанным на время τ, которое периодически изменяют по линейному закону, выделяют низкочастотное напряжение, пропорциональное автокорреляционной функции, сравнивают его с пороговым уровнем, при превышении порогового уровня измеряют циклический сдвиг, по которому определяют кодовую структуру принимаемого сигнала.
Недостатком данного способа при мониторинге систем ретрансляции данных, использующих многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (МДКР), и широкополосных систем передачи данных, работающих без расширения спектра, является необходимость наличия априорной информации о полосе сигнала, необходимой для выбора согласованной с полосой сигнала длительности некогерентного накопления.
i
i
i
i
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ обнаружения широкополосного сигнала [3 - Музыченко Н.Ю. Метод обнаружения широкополосного сигнала по результатам параллельного частотного анализа в условиях неопределенности // Радиотехника. 2012. №5. С. 41-45], взятый за прототип, при котором принимают радиоизлучение с направления на контролируемую систему в полосе, много большей полосы сигнала, выполняют построение периодограммы [ƒ, P], где ƒ и P - соответственно частота и мощность смеси сигнала и шума или только шума в i-м параллельном канале, i∈[1, …, N], N - число частотных каналов, формируют массив  при j∈[1, …, N-N1], где N1 - число частотных каналов, занимаемых сигналом, оценивают математическое ожидание шумовых выборок по алгоритму
где
j
- шаг дискретизации параметра P
ш
P - математическое ожидание шума;
m, l - формообразующие параметры функции принадлежности;
g - параметр, приводящий максимальное значение функции к единице,
ш
пор
пор
переформируют массив  путем вычитания из каждого его элемента P, группируют отрицательные элементы переформированного массива  и вычисляют по ним дисперсию шума  а по ней - порог принятия решения U и по результатам сравнения  с U принимают решение о наличии или отсутствии сигнала.
Недостатком данного способа при мониторинге систем ретрансляции данных, использующих многостанционный доступ с кодовым разделением каналов (МДКР), и широкополосных систем передачи данных, работающих без расширения спектра, как и в предыдущем случае, является необходимость наличия априорной информации о полосе сигнала, необходимой для выбора согласованной с полосой сигнала длительности некогерентного накопления.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обнаружение шумоподобных сигналов с близким к прямоугольному спектром в условиях отсутствия априорной информации о частотных параметрах сигнала систем, работающих с расширением спектра и без него.
i
i
i
i
ш
пор
пор
Для решения поставленной задачи предлагается способ обнаружения шумоподобного сигнала, при котором принимают радиоизлучение с направления на контролируемую систему в полосе, много большей полосы сигнала, выполняют построение периодограммы [ƒ, P], где ƒ и P - соответственно частота и мощность смеси сигнала и шума или только шума в i-м параллельном канале, i∈[1, …, N], N - число частотных каналов, формируют массив  при j∈[1, …, N-N1], где N1 - число частотных каналов, занимаемых сигналом, переформируют массив  путем вычитания из каждого его элемента математического ожидания шума P, по дисперсии шума и заданной вероятности ложной тревоги определяют порог принятия решения U, по результатам сравнения  с U принимают решение о наличии или отсутствии сигнала.
min
max
min
max
ш
*
*
*
Согласно изобретению перед формированием массива  определяют число занимаемых сигналом частотных каналов N1, для чего для всех возможных значений N1 в зоне его неопределенности [N1, …, N1], где N1 и N1 - соответственно минимальное и максимальное число частотных каналов, занимаемых сигналом, вычисляют  где  для каждого вычисленного значения  из элементов одноименного ему массива  селектируют группу очень близких к его значению элементов с фиксацией числа элементов в группе K(N1), для которых выполняется условие  где ν - параметр, определяющий степень близости  к  определяют N1, соответствующее группе с минимальным K(N1) и номер частотного канала j∈[1, …, N-N1] соответствующий  из элементов массива  для которых j<j-N1 и j>j+N1 формируют шумовой кластер и статистическим методом вычисляют для него математическое ожидание шума P и его дисперсию
Техническим результатом изобретения является обнаружение шумоподобного сигнала с близким к прямоугольному спектром в условиях отсутствия априорной информации о его частотных параметрах с вероятностными характеристиками, близкими к [3, С. 41-45].
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого изобретения из литературы неизвестны, поэтому оно соответствует критериям новизны и изобретательского уровня.
На фигуре 1 приведена схема устройства, реализующего предлагаемый способ, на фигуре 2 - алгоритм работы вычислителя, на фигуре 3 - диаграмма, поясняющая принцип определения центральной частоты и полосы сигнала.
При реализации предлагаемого способа выполняется следующая последовательность операций:
- принимают радиоизлучение с направления на контролируемую систему в полосе, много большей полосы сигнала - 1;
i
i
i
i
- выполняют построение периодограммы [ƒ, P], где ƒ и P - соответственно частота и мощность смеси сигнала и шума или только шума в i-м параллельном канале, i∈[1, …, N], N - число частотных каналов - 2;
- определяют число занимаемых сигналом частотных каналов N1, для чего:
min
max
min
max
для всех возможных значений N1 в зоне его неопределенности [N1, …, N1], где N1 и N1 - соответственно минимальное и максимальное число частотных каналов, занимаемых сигналом, вычисляют  где
для каждого вычисленного значения  из элементов одноименного ему массива  селектируют группу очень близких к его значению элементов с фиксацией числа элементов в группе K(N1), для которых выполняется условие  где ν - параметр, определяющий степень близости  к
*
- фиксируют N1, соответствующее группе с минимальным K(N1), и определяют номер частотного канала j∈[1, …, N-N1], соответствующий
*
*
ш
- из элементов массива  для которых j<j-N1 и j>j+N1, формируют шумовой кластер и статистическим методом вычисляют для него математическое ожидание шума P и его дисперсию
- формируют массив  при j∈[1, …, N-N1], где N1 - число частотных каналов, занимаемых сигналом - 6;
ш
- переформируют массив  путем вычитания из каждого его элемента P - 7;
пор
- по дисперсии шума и заданной вероятности ложной тревоги определяют порог принятия решения U - 8;
пор
- по результатам сравнения  с U принимают решение о наличии или отсутствии сигнала - 9.
*
Сравнительный анализ способа-прототипа и предлагаемого способа показывает, что в него введены новые операции по определению числа занимаемых сигналом частотных каналов N1, номера частотного канала j∈[1, …, N-N1], соответствующего  выделения шумового кластера и вычисления математического ожидания шума и его дисперсии, которые позволяют обеспечить обнаружение широкополосного сигнала в условиях отсутствия априорной информации о его частотных параметрах с вероятностными характеристиками, близкими к [3, С. 41-45].
Устройство, реализующее предлагаемый способ, содержит последовательно соединенные антенную систему АС 1, радиоприемное устройство РПУ 2, аналого-цифровой преобразователь АЦП 3, конвертор прямого преобразования КПП 4, блок быстрого преобразования Фурье БПФ 5, вычислитель мощности ВМ 6, вычислитель В 7, контроллер управления КУ 8, систему наведения по угловым координатам СНУК 9 и опорно-поворотное устройство с электроприводами азимута β и угла места ε ОПУ с ЭП 10, а также блок синхронизации БС 11, первый, второй и третий выходы которого связаны соответственно со вторыми входами РПУ 2, АЦП 3 и КПП 4, при этом выходы β и ε ОПУ с ЭП 10 механически связаны с АС 1, второй, третий, четвертый, пятый выходы КУ 8 соответственно связаны с третьими входами РПУ 2 и АЦП3, вторыми входами БПФ 5 и ВМ 6, а шестой вход-выход КУ 8 - с локальной вычислительной сетью ЛВС.
Устройство работает следующим образом.
По ЛВС от внешней управляющей системы на КУ 8 поступает следующая информация:
- угловые координаты источника радиоизлучения;
Н
B
- диапазон частот поиска [ƒ, …, ƒ];
CH
CB
СН
Н
СВ
В
- диапазон возможного изменения полосы сигнала [ƒ, …, ƒ], ƒ≥ƒ, ƒ≤ƒ;
- команда на запуск/прекращение цикла обнаружения сигналов.
B
Н
пр
д
При получении по ЛВС информации и команды инициализации цикла обнаружения от вышестоящей системы КУ 8 на основании полученных данных об угловых координатах источника радиоизлучения и диапазоне частот поиска формирует и выдает на СНУК 9 и РПУ 2 команды на пространственное и частотное наведение. По получении этих команд СНУК 9 с помощью ОПУ с ЭП 10 производит наведение АС 1 на заданные угловые координаты по азимуту β и углу места ε, а РПУ 2 - на центральную частоту  и полосу Δƒ=ƒ-ƒ частотного анализа. По окончании времени, необходимого на настройку РПУ 2 на заданную частоту ƒ и полосу сигнала Δƒ, КУ 8 выдает на АЦП 3 сигнал разрешения преобразования, производимого с частотой дискретизации ƒ в течение времени, обратно пропорционального частоте разрешения БПФ 5. Цифровые коды, получаемые с выходов АЦП 3, поступают на вход КПП 4, производящего преобразование входного сигнала на нулевую частоту. С его квадратурных выходов сигналы поступают на БПФ 5, где осуществляется преобразование сигналов из временной области в частотную. В ВМ 6 производится вычисление мощности шума или смеси сигнала и шума для каждой частотной точки, и полученный таким образом поток информации передается в В 7, где производится его обработка в соответствии с алгоритмом, приведенным на фигуре 2. В процессе обработки в В 7 производятся следующие вычисления:
- определение числа занимаемых сигналом частотных каналов N1, для чего:
min
max
min
max
- для всех возможных значений N1 в зоне его неопределенности [N1, …, N1], где N1 и N1 - соответственно минимальное и максимальное число частотных каналов, занимаемых сигналом, вычисляются  где
- для каждого вычисленного значения  из элементов одноименного ему массива  селектируется группа очень близких к его значению элементов с фиксацией числа элементов в группе K(N1), для которых выполняется условие  где ν - параметр, определяющий степень близости  к
*
- фиксируется N1, соответствующее группе с минимальным K(N1), и определяется номер частотного канала j∈[1, …, N-N1], соответствующий
*
*
ш
- из элементов массива  для которых j<j-N1 и j>j+N1 формируется шумовой кластер и статистическим методом вычисляются математическое ожидание шума P и его дисперсия
- формируется массив  при j∈[1, …, N-N1], где N1 - число частотных каналов, занимаемых сигналом;
ш
- производится переформирование массива  путем вычитания из каждого его элемента P;
пор
- по дисперсии шума и заданной вероятности ложной тревоги определяется порог принятия решения U;
пор
- по результатам сравнения  с U принимается решение о наличии или отсутствии сигнала.
оп
д
Синхронизация работы РПУ 2 и КПП 4 производится путем подачи на них от БС 11 высокостабильных сигналов f, тактирование АЦП 3 - путем подачи на него высокостабильного сигнала ƒ. Управление преобразованием из временной области в частотную БПФ 5 и вычислением модуля ВМ 6 осуществляются с помощью сигналов управления от КУ 8. По окончании цикла вычислений В 7 выдает в КУ 8 принятое решение о наличии либо отсутствии широкополосного сигнала, которое далее передается по ЛВС в вышестоящую систему. После этого устройство переходит в режим ожидания информации от внешней управляющей системы.
*
И
И
И
И
Все элементы, входящие в устройство и выполняемые в процессе вычислений в В 7 операции, являются стандартными, вследствие чего отдельное описание их устройства и конкретизация алгоритма его вычисления здесь не приводятся. Особенностью способа является порядок определения N1 и j, для которого использовано свойство функции  иметь минимальную степень размытости вблизи точки  при стремлении N1 к его истинному значению. Вид этой функции для случаев N1<N1, N1≅N1 и N1>N1 показан на фигуре 3, где N1 - истинная частота сигнала.
*
Введение операций, позволяющих определить N1 и j, позволило решить задачу обнаружения шумоподобных сигналов в условиях отсутствия априорной информации о частотных параметрах сигнала систем, работающих с расширением и без расширения спектра, и отсутствия системы оценивания частотных параметров сигнала. Областью применения способа являются системы обнаружения шумоподобных сигналов с близким к прямоугольному спектром. Способ может также найти применение при обнаружении и определении временных параметров импульсных сигналов. В этом случае от выполнения операций по обработке сигнала во временной области следует перейти к выполнению аналогичных операций во временной области.
На момент подачи заявки в ФГУП «РНИИРС» разработано специальное программное обеспечение СПО вычислителя В 7 и выполнена его проверка на математических моделях и по реальному сигналу с близким к прямоугольному спектром. По результатам проверок установлено, что заявляемый способ обеспечивает работоспособность в условиях отсутствия априорной информации о частотных параметрах широкополосного сигнала, сохраняя при этом практически одинаковые со способом-прототипом [3] отношения сигнал/шум на входе решающей схемы, а следовательно, и одинаковые вероятностные характеристики, что говорит о достижении поставленной цели.