СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛОВ БЕЗ НЕСУЩЕЙ
METHOD TO DETECT SIGNALS WITHOUT CARRIER

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 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 С1 6 Н04В 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 оцифрованный сигнал, сдвинутый относительно исходного на один такт и вычисляют коэффициент корреляции между исходным 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 С1 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 пороговое значение.
Недостатком известного способа является относительно узкая область его применения, так как он не позволяет достоверно обнаруживать одиночные кратковременные сигналы без несущей в условиях априорной неопределенности о времени их излучения в пределах каждого фрейма [Челышев В.Д., Потапов С.Г., Фокин А.О. UWB - начальные представления во временной и спектральной областях // Информация. Космос №1, 2007 г., С.45-59]. Фрейм представляет временной фрагмент, в пределах которого находится только один полезный обнаруживаемый сигнал без несущей.
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 пределах каждого фрейма в аддитивных шумах высокой интенсивности.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе автоматического обнаружения узкополосных сигналов принимают выборку аналогового сигнала, оцифровывают ее, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, рассчитывают значение порогового уровня шума, выделяют параметры оцифрованного сигнала, оценивают их и по результатам оценки принимают решение о факте обнаружения сигнала. Для выделения параметров оцифрованного сигнала делят выборку оцифрованного сигнала на фрагменты равной длины. Затем к первому фрагменту оцифрованного сигнала поэлементно прибавляют второй фрагмент, причем по окончанию суммирования фрагментов выделяют максимальные по модулю положительное и отрицательное значения временных отсчетов, которые определяют в качестве текущих параметров оцифрованного сигнала и запоминают наибольший из них. После чего у второго фрагмента сдвигают дискретные временные отсчеты на одну позицию таким образом, что первый отсчет занимает вторую позицию, а последний - первую, и снова поэлементно суммируют первый и второй фрагменты, а из выделенных в результате их суммирования текущих параметров оцифрованного сигнала снова запоминают наибольший. Указанные действия повторяют до тех пор, пока первый временной отсчет второго фрагмента займет позицию последнего отсчета, а последний - предпоследнего. Затем среди комбинаций сумм первого и второго фрагментов, полученных при различных сдвигах временных позиций, выбирают сумму, которой соответствует максимальное по модулю из ранее запомненных значений текущих параметров оцифрованного сигнала. После чего выбранную комбинацию сумм первого и второго фрагментов аналогичным образом последовательно суммируют со всеми следующими фрагментами, а выделенные текущие параметры оцифрованного сигнала фрагмента, представляющего результирующую сумму всех фрагментов, выбирают в качестве параметров оцифрованного сигнала, значение порогового уровня шума выбирают равным утроенному значению среднеквадратической величины временных отсчетов фрагмента, полученного в результате суммирования всех фрагментов оцифрованного сигнала, а решение об обнаружении сигнала принимают, если хотя бы один из выделенных параметров оцифрованного сигнала выборки, полученной в результате суммирования всех фрагментов оцифрованного сигнала, превышает значение порогового уровня шума.
Благодаря новой совокупности существенных признаков, заключающихся в делении непрерывного сигнала на фрагменты равной длительности, выделении текущих параметров оцифрованного сигнала при каждом суммировании очередного фрагмента, в выборе для дальнейшего суммирования той комбинации суммы фрагментов, которой соответствует наибольшее по модулю значение из текущих параметров оцифрованного сигнала, в выборе в качестве параметров оцифрованного сигнала текущих параметров оцифрованного сигнала фрагмента, представляющего результирующую сумму всех фрагментов, в выборе в качестве значения порогового уровня шума величины, равной утроенному значению среднеквадратической величины временных отсчетов выборки, полученной в результате суммирования всех фрагментов, 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.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
i
i
фиг.1. Выборка в 1536 дискретных отсчетов сигнала z (здесь и далее i=1, 2, …, порядковый номер временного отсчета) без шумов, включающая 3 фрагмента (по 512 отсчетов) с длительностью полезного сигнала s в пределах каждого фрагмента, равной 9 отчетам (для 1-го фрагмента с 158 отсчета по 167), и нанесенными значениями порогового уровня шума G и -G;
i
i
фиг.2. Выборка в 1536 дискретных отсчетов сигнала z в шумах (отношение сигнал/шум (ОСШ) 0 дБ), включающая 3 фрагмента (по 512 отсчетов) с длительностью полезного сигнала s в пределах каждого фрагмента, равной 9 отчетам, и нанесенными значениями порогового уровня шума G и -G;
j
i
фиг.3. Спектр выборки F (здесь и далее j - порядковый номер спектральной компоненты) дискретных отсчетов сигнала z, представленного на фиг.2, в шумах (ОСШ=0 дБ);
j
i
фиг.4. Спектр выборки F дискретных отсчетов сигнала z, представленного на фиг.1, без шумов;
фиг.5. Временное представление суммарного фрагмента, сформированного при поэлементном сложении трех фрагментов в условиях некогерентного сложения полезных сигналов, с нанесенными значениями порогового уровня шума G и -G;
фиг.6. Временное представление суммарного фрагмента, сформированного при поэлементном сложении трех фрагментов, в условиях когерентного сложения полезных сигналов, с нанесенными значениями порогового уровня шума G и -G;
фиг.7. Временная выборка аналогового сигнала z(t), полученного с выхода тракта низкой частоты радиоприемного устройства;
i
фиг.8. Временная выборка дискретных отсчетов сигнала z, поделенная на 3 фрагмента равной длины;
i
i
i
0
фиг.9. Принцип поэлементного суммирования первого z1 и второго z2 фрагментов без сдвига элементов второго фрагмента и временной суммарный фрагмент z12;
i
i
i
1
1
фиг.10. Принцип поэлементного суммирования первого фрагмента z1 и второго фрагмента z2 со сдвигом его элементов на одну позицию и временной суммарный фрагмент z12;
i
i
i
M-1
M-1
фиг.11. Принцип поэлементного суммирования первого фрагмента z1 и второго фрагмента z2 со сдвигом его элементов на М-1 позицию и временной суммарный фрагмент z12.
i
i
В условиях отсутствия шумов x(t) принять решение о наличии полезного сигнала s(t) в обрабатываемой выборке z(t) (z(t)=s(t)), состоящей из нескольких фрагментов, не составляет трудностей, если в качестве параметров оцифрованного сигнала выбрать максимальные по модулю положительное D11 и отрицательное D12 значения временных отсчетов сигнала. В качестве примера на фиг.1 представлена выборка дискретных отсчетов сигнала z=s без шумов, включающая 3 фрагмента, с нанесенными значениями порогового уровня шума G и -G. Решение об обнаружении полезного сигнала принимают, если хотя бы один из параметров оцифрованного сигнала D11 или D12 превысит значение порогового уровня шума G или -G соответственно. Здесь и далее величины значения порогового уровня шума G и -G рассчитывают по формулам:
,
i
cp
i
Здесь М - число временных отсчетов обрабатываемой выборки сигнала z; z - средняя величина значений обрабатываемой выборки сигнала z, которую рассчитывают по формуле
Выбор значения порогового уровня шума согласно формуле (1) обеспечит с вероятностью 0,997 тот факт, что шум не превысит величин G и -G [Боровиков, В. STATISTICA. Искусство анализа данных на компьютере: Для профессионалов / В.Боровиков - СПб.: Питер, 2003. - 688 с].
Существующая проблема автоматического обнаружения кратковременных одиночных сигналов без несущей возникает в условиях шумов высокой интенсивности.
В качестве примера на фиг.2 показана выборка дискретных отсчетов, включающая 3 фрагмента, но уже в условиях аддитивных шумов высокой интенсивности. Для рассматриваемого случая применение значений порогового уровня шума G и -G, вычисленных по формуле (1), не позволяет принять решение о наличии полезного сигнала s(t) в обрабатываемой выборке z(t)=s(t)+x(t), так как D11<G, а -G>D12 по абсолютному значению.
Переход в частотную область для кратковременных сигналов без несущей не позволяет только на основе анализа спектральных компонент однозначно принять решение об их обнаружении. В качестве примера на фиг.3 представлен спектр обрабатываемой выборки z(t)=s(t)+x(t) (см. фиг.2), на котором нет ярко выраженных спектральных компонент, позволяющих судить о наличии в нем полезного сигнала s(t). Это объясняется тем, что у полезного сигнала s(t), представляющего собой совокупность импульсов, время излучения которых в пределах фрагмента случайно, спектр имеет равномерную плотность распределения частотных компонент. В качестве примера на фиг.4 показан спектр обрабатываемой выборки z(t)=s(t) без шумов.
Поэлементное суммирование фрагментов без учета начала времени излучения полезного сигнала s(t) в пределах каждого из них также не дает возможности принять решение о наличии или отсутствии s(t) в обрабатываемой выборке z(t). Для примера на фиг.5 показан суммарный фрагмент, сформированный в результате поэлементного некогерентного суммирования трех фрагментов обрабатываемой выборки, представленной на фиг.2, с нанесенными значениями порогового уровня шума G и -G. Для рассматриваемого случая D11<G, а -G>D12 по абсолютному значению.
Если же при поэлементном суммировании фрагменты складывать таким образом, чтобы компоненты обнаруживаемых сигналов каждого из фрагментов складывались друг с другом на каждом этапе суммирования когерентно, то в этом случае параметры оцифрованного сигнала будут максимальны и превысят значения порогового уровня шума G или -G.
Указанный эффект достигается за счет того, что в пределах фрагмента временные отсчеты шума будут складываться некогерентно, в результате чего их среднее значение будет стремиться к нулю. В то время как временные отсчеты обнаруживаемого сигнала будут складываться когерентно, и их средние значения будут увеличиваться. Для примера на фиг.6 показан суммарный фрагмент, сформированный в результате поэлементного когерентного суммирования трех фрагментов обрабатываемой выборки, представленной на фиг.2, с нанесенными значениями порогового уровня шума G и -G. Причем D11>G, что указывает на наличие сигнала s(t) в выборке z(t)=s(t)+x(t).
Реализация заявленного способа объясняется следующим образом.
Принимают выборку аналогового сигнала z(t), например с тракта промежуточной или низкой частоты радиоприемного устройства (см. фиг.7). Операция приема аналоговых сигналов известна и описана, например, в способе обнаружения узкополосных сигналов по патенту RU №2110150 C1 6 Н04В 1/10, G01S 7/292 от 23.01.97 г.
Затем принятый аналоговый сигнал z(t) оцифровывают, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования, кодирования (см. фиг.8). Указанные операции известны и описаны, например, в способе автоматического обнаружения узкополосных сигналов по патенту РФ №2382495 от 20.02.2010 г.
i
1
2
m
M
i
1
2
m
M
i
1
2
m
M
i
1
2
m
M
i
1
1
1
2
2
2
m
m
m
M
M
M
i
7
8
9
i
1
2
m
M
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
После этого выборку дискретных отсчетов сигнала делят на N фрагментов равной длины М (на фиг.8 показаны границы N=3 фрагментов). В результате получают первый фрагмент z1=z1, z1, …, z1, …, z1, второй фрагмент z2=z2, z2, …, z2, …, z2, и так до N-го фрагмента zN=zN, zN, …, zN, …, zN, где i=1, 2, …, m, ..., М. Затем вычисляют суммарную выборку z12=z12, z12, …, z12, …, z12 (здесь индекс 0 указывает на отсутствие сдвига в элементах второй выборки). Каждый элемент суммарной выборки z12 вычисляется как сумма соответствующих элементов первой и второй выборки z12=z1+z2, z12=z1+z2, …, z12=z1+z2, z12=z1+z2. Принцип вычисления суммарной выборки z12 показан на фиг.9 для элементов z12, z12 и z12. Затем среди элементов z12 выделяют максимальные по модулю отрицательное D12 и положительное D11 временные значения, которые определяют в качестве текущих значений параметров оцифрованного сигнала и запоминают наибольшее, в данном случае D12. Операцию выделения максимальных по модулю отрицательного D12 и положительного D11 временных значений (индекс нуль указывает на то, что в суммируемом втором фрагменте элементы не сдвинуты относительно первого) можно реализовать путем последовательного сравнения значений элементов суммарной выборки z12, z12, …, z12, …, z12.
1
2
2
3
M
1
i
M
1
m-1
M-1
1
После этого элементы второго фрагмента сдвигают на один отсчет таким образом, что первый элемент z2 занимает место второго z2, второй z2 - третьего z2 и так далее, пока М-ный элемент z2 не займет место первого z2. В результате получают последовательность элементов второго фрагмента, сдвинутых на одну позицию z2=z2, z2, …, z2, ..., z2 (индекс 1 указывает на то, что элементы фрагмента сдвинуты на одну позицию).
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
i
1
2
m
M
i
i
1
1
M
2
2
1
m
m
m-1
M
M
M-1
i
i
7
8
9
Затем вычисляют z12=z12, z12, …, z12, …, z12 - суммарную выборку как сумму элементов z1 и z2: z12=z1+z2, z12=z1+z2, …, z12=z1+z2, z12=z1+z2. Принцип суммирования элементов z1 и z2 показан на фиг.10 для элементов z12, z12 и z12.
1
1
1
1
1
1
i
После этого среди элементов z12 выделяют максимальные по модулю отрицательное D12 и положительное D11 временные значения, которые определяют в качестве текущих значений параметров оцифрованного сигнала и запоминают наибольшее из них, в данном случае D12. Операцию выделения и запоминания максимальных по модулю отрицательного D12 и положительного D11 временных значений (индекс 1 указывает на то, что в суммируемом втором фрагменте элементы не сдвинуты относительно первого) можно реализовать аналогичным предыдущему этапу путем.
Операции сдвига позиций элементов второго фрагмента, вычисления суммарных фрагментов и выделения текущих значений параметров оцифрованного сигнала осуществляют до тех пор, пока первый элемент не займет позицию М-го элемента, а М-тый элемент - позицию М-1-го элемента.
M-1
M-1
M-1
7
8
9
На фиг.11 показан принцип поэлементного суммирования первого и второго фрагментов для элементов z12, z12 и z12 со сдвигом элементов второго фрагмента на М-1 позицию и временной суммарный фрагмент.
m
m
1
i
i
i
i
i
i
i
i
После чего сравнивают наибольшие из запомненных текущих параметров оцифрованного сигнала между собой и суммарный фрагмент m-го сдвига z12, соответствующий максимальному из запомненных текущих параметров оцифрованного сигнала, выбирают для суммирования с третьим фрагментом z3 (здесь в качестве примера индекс m обозначает сдвиг, при котором один из параметров оцифрованного сигнала является максимальным среди всех параметров, выделенных в результате последовательного суммирования первого и второго фрагментов с различными сдвигами, значение указанного индекса m не связано с примерами, представленными на фиг.9-11). Суммирование фрагментов z12 и z3 осуществляют аналогичным для суммирования фрагментов z1 и z2 образом. Указанные операции суммирования фрагментов осуществляют до тех пор, пока не будет произведено суммирование последнего N-го фрагмента zN. Затем у результирующего суммарного фрагмента выделяют текущие параметры оцифрованного сигнала аналогичным для z12 образом, максимальные из которых определяют в качестве параметров оцифрованного сигнала.
После этого рассчитывают значения порогового уровня шума по временным отсчетам суммарного фрагмента. Указанную процедуру можно реализовать в соответствии с формулой (1).
Затем принимают решение об обнаружении сигнала, если хотя бы один из параметров оцифрованного сигнала превысит соответствующее значение порогового уровня шума. Указанную процедуру можно реализовать путем сравнения значения порогового уровня шума и параметров оцифрованного сигнала.
На фиг.12 показаны значения G и -G порогового уровня шума, здесь же демонстрируется превышение параметров оцифрованного сигнала над значениями уровня шума D11>G и D12>-G (здесь -G и D12 представляют модуль своих значений).
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, заключающихся в делении непрерывного сигнала на фрагменты равной длительности, выделении текущих параметров оцифрованного сигнала при каждом суммировании очередного фрагмента, в выборе для дальнейшего суммирования той комбинации суммы фрагментов, которой соответствует наибольшее по модулю значение из текущих параметров оцифрованного сигнала, в выборе в качестве параметров оцифрованного сигнала текущих параметров оцифрованного сигнала фрагмента, представляющего результирующую сумму всех фрагментов, в выборе в качестве значения порогового уровня шума величины, равной утроенному значению среднеквадратической величины временных отсчетов выборки, полученной в результате суммирования всех фрагментов, 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.