Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов
METHOD FOR AUTOMATIC DETECTION OF NARROWBAND SIGNALS

Изобретение относится к радиотехнике, а именно - к способам автоматического обнаружения узкополосных сигналов в условиях априорной неопределенности об их временных параметрах.
Известен «Способ автоматического обнаружения сигналов» (Патент РФ №2480901 H04L 27/22 (2006.01), опубл. 27.04.2013, Бюл. №12)
В известном способе принимают аналоговый сигнал z(t), оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, формируют спектральное представление Fj, где j=1, 2, … - порядковый номер спектральной компоненты, оцифрованного сигнала zi, где i=1, 2, … - порядковый номер временного отсчета, затем рассчитывают параметры спектрального представления Sj, по значениям которых вычисляют пороговое значение уровня шума G, сравнивают параметры спектрального представления Sj с рассчитанным пороговым значением уровня шума G и по результатам сравнения принимают решение о факте обнаружения сигнала, отличающийся тем, что при формировании спектрального представления Fj оцифрованный сигнал zi предварительно делят на N равных фрагментов, над которыми независимо друг от друга выполняют преобразование Фурье {F1j, F2j, …, FNj}, а в качестве параметров спектрального представления Sj выбирают максимальные значения компонентов преобразования Фурье каждого из N фрагментов, причем решение о факте обнаружения сигнала принимают, если параметры спектрального представления хотя бы одного из фрагментов превысят пороговое значение уровня шума G. А пороговое значение уровня шума G рассчитывают раздельно для каждого из N фрагментов и выбирают равное утроенному значению усредненной суммы спектральных компонентов фрагмента.
Недостатком этого способа является ограниченность области применения, поскольку его реализация не обеспечивает определение длительности обнаруживаемого полезного сигнала.
Известен «Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов» (Патент РФ №2382495, H04B 1/10 (2006.01), опубл. 20.02.2010 Бюл. №5).
В известном способе принимают аналоговый сигнал z(t), оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, затем рассчитывают параметры оцифрованного сигнала zi, сравнивают полученные параметры с предварительно заданным пороговым значением, и по результатам сравнения принимают решение о факте обнаружения сигнала, отличающийся тем, что для расчета параметров оцифрованного сигнала zi формируют его спектральное представление Fj, путем выполнения над ним преобразования Фурье, рассчитывают пороговый уровень шума U, путем вычисления удвоенного значения выборочного среднего компонента спектрального представления Fj, сравнивают уровни каждой из спектральных компонент из последовательности спектрального представления Fj с вычисленным пороговым уровнем шума U, и формируют первую F1j и вторую F2j последовательности соответственно из спектральных компонент Fj, превысивших пороговый уровень шума U и не превысивших его, затем раздельно суммируют компоненты, входящие в первую ∑F1 и вторую ∑F2 последовательности, после чего вычисляют соотношение R, как отношение найденных сумм R=∑F1/∑F2 и сравнивают с предварительно заданным пороговым значением Rпор, а решение о факте обнаружения сигнала принимают при условии, что R>Rпор, при том, что пороговое значение Rпор выбирается в интервале Rпор=0,13-0,15.
Недостатком этого способа является ограниченность области применения, поскольку его реализация не обеспечивает определение длительности обнаруживаемого полезного сигнала.
Наиболее близким к заявляемому способу является «Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов» (Патент РФ №2419968, H04B 1/10 (2006.01). Опубликовано: 27.05.2011. Бюл. №15].
В способе прототипе принимают аналоговый сигнал z(t), оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, затем рассчитывают параметры оцифрованного сигнала zi, сравнивают полученные параметры с предварительно вычисленным пороговым значением уровня шума U и по результатам сравнения принимают решение о факте обнаружения сигнала, для расчета параметров оцифрованного сигнала z его разделяют на две равные последовательности: z1 и z2, соответствующие первой и второй половинам оцифрованного сигнала z. Рассчитывают функцию взаимной корреляции К, между последовательностями z1 и z2 и формируют ее спектральное представление Fj, где j=1, 2, … - номера спектральных компонент функции взаимной корреляции, путем выполнения над ней преобразования Фурье. Пороговое значение уровня шума U вычисляют путем умножения среднего значения компонент спектрального представления Fj на коэффициент Q. Сравнивают уровень каждой из спектральных компонент Fj с предварительно вычисленным пороговым значением уровня шума U и при выполнении, по крайней мере, для одной из j-х компонент условия Fj>U фиксируют факт обнаружения узкополосного сигнала. Значение Q выбирают в интервале Q=3,5-4,5.
Недостатком этого способа является ограниченность области применения, поскольку его реализация не обеспечивает определение длительности обнаруживаемого полезного сигнала.
Задачей изобретения является создание способа, обеспечивающего возможность определения длительности обнаруженного полезного сигнала, находящегося в обрабатываемой входной реализации (выборке).
Техническим результатом заявляемого изобретения является обнаружение полезного сигнала и определение его длительности.
Технический результат достигается тем, что в известном способе автоматического обнаружения узкополосных сигналов, заключающийся в том, что принимают аналоговый сигнал, оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, рассчитывают функцию взаимной корреляции, производят вычисления, производят сравнение, по результатам сравнения принимают решение о факте обнаружения сигнала, предварительно формируют эталонные сигналы различной длительности, причем первый эталонный сигнал формируют с наименьшей длительностью, а длительность каждого последующего формируемого эталонного сигнала постепенно увеличивают, после чего для каждого сформированного эталонного сигнала рассчитывают функцию взаимной корреляции с принятым оцифрованным аналоговым сигналом, вычисляют среднее значение компонент каждой из рассчитанных функций взаимной корреляции, сравнивают вычисленные средние значения компонент друг с другом, а решение по результатам сравнения о факте обнаружения сигнала принимают в том случае, если величина каждого последующее из последовательно рассчитанных средних значений компонент будет не меньше величины предыдущего, затем среди последовательно рассчитанных средних значений компонент фиксируют ту величину, начиная с которой она перестает изменяться более чем на пять процентов, и временные параметры эталонного сигнала, который использовался при расчете функции взаимной корреляции, средняя величина значений компонент которой были фиксированы, считают в качестве временных параметров, то есть длительности обнаруживаемого полезного сигнала.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе обеспечивается обнаружение полезного сигнала и установление его длительности, которая рассматривается в качестве временных параметров.
Заявляемый эффект достигается за счет последовательного использования эталонных сигналов, длительность которых постепенно увеличивается, для расчета на их основе функций взаимной корреляции с обрабатываемой входной реализацией содержащей полезный сигнал, расчета средних значений компонент функций взаимной корреляции и фиксирования той величины, начиная с которой средние значения компонент функций взаимной корреляции перестают изменяться более чем на пять процентов. И длительность эталонного сигнала, соответствующую этой величине, определяют как временные параметры обнаруживаемого полезного сигнала, т.е. считают, что полезный сигнал имеет длительность равную длительности эталонного сигнала.
Заявленный способ поясняется чертежами, где на:
фиг. 1 - временная реализация функции взаимной корреляции Kzu(τ) оцифрованного аналогового сигнала z(t), содержащего полезный сигнал s(t), и эталонного сигнала u(t), при условии, что длительность u(t) равна длительности s(t), т.е. u(t)=s(t); временная реализация s(t); временная реализация u(t);
фиг. 2 - временная реализация функции взаимной корреляции K1zu(τ) оцифрованного аналогового сигнала z(t), содержащего полезный сигнал s(t), и эталонного сигнала u1(t), при условии, что длительность u1(t) равна половине длительности s(t), т.е. u1(t)≠s(t); временная реализация s(t); временная реализация u1(t);
фиг. 3, где представлены: временная реализация функции взаимной корреляции K2zu(τ) оцифрованного аналогового сигнала z(t), содержащего полезный сигнал s(t), и эталонного сигнала u2(t), при условии, что длительность u2(t) в полтора раза больше длительности s(t), т.е. u2(t)≠s(t); временная реализация s(t); временная реализация u2(t);
фиг. 4, где представлены: временная реализация функции взаимной корреляции K3zu(τ) оцифрованного аналогового сигнала z(t), содержащего полезный сигнал s(t), и эталонного сигнала u3(t), при условии, что длительность u3(t) составляет всего лишь три четверти от длительности s(t), т.е. u3(t)≠s(t); временная реализация s(t); временная реализация u3(t).
X
Y
Корреляционный способ обнаружения сигналов успешно используется в различных областях радиотехники. Для дискретных сигналов  и , функцию их взаимной корреляции можно представить следующим выражением, см. [Сато Юкио. Обработка сигналов. Первое знакомство. - М.: Издательский дом «Додека XXI», 2002. - 176 с.]:
Y
где N - количество временных отсчетов; j - текущий отчет сдвига коррелируемого сигнала .
Далее на фиг. 1-фиг. 4 демонстрируется зависимость функций взаимной корреляции от аргумента τ, где τ - интервал корреляции (в формуле (1) функция взаимной корреляции представлена как функции текущего параметра сдвига j).
Обнаружение полезного сигнала s(t) осуществляют по результатам вычисления функции взаимной корреляции Kzu(τ) входной обрабатываемой реализации z(t) с эталонным сигналом u(t).
При этом возможны две ситуации: входная обрабатываемая реализация z(t) содержит полезный сигнал s(t); входная обрабатываемая реализация z(t) не содержит полезный сигнал s(t).
В случае, когда входная реализация z(t) содержит полезный сигнал s(t), факт его обнаружения можно фиксировать по фрагменту контура функции взаимной корреляции Kzu(τ), который имеет ярко выраженный подъем и спад амплитуды. Если параметры эталонного сигнала u(t) совпадают с параметрами полезного сигнала s(t), т.е. u(t)=s(t), то функция взаимной корреляции Kzu(τ) имеет один максимум, временное значение которого соответствует началу обнаруживаемого полезного сигнала в обрабатываемой входной реализации.
В качестве примера на фиг. 1 показаны: функция взаимной корреляции Kzu(τ), полученная при условии, что u(t)=s(t); эталонный сигнал u(t); обнаруживаемый полезный сигнал s(t). При этом временные параметры сигналов u(t) и s(t), т.е. их длительности, совпадают. Максимум функции Kzu(τ), обозначенный на фиг. 1 как Kmax, совпадает с началом прихода полезного сигнала s(t).
Если временные параметры эталонного сигнала и полезного сигнала не совпадают, т.е. u(t)≠s(t), то возможны две ситуации:
длительность тестового сигнала меньше длительности полезного сигнала;
длительность тестового сигнала больше длительности полезного сигнала.
В первом случае функция взаимной корреляции Kzu(τ) будет иметь форму усеченного треугольника. А во втором случае форма функции взаимной корреляции будет совпадать с формой функции взаимной корреляции, полученной при условии, когда u(t)=s(t).
В качестве примера на фиг. 2 показаны: функция взаимной корреляции K1zu(τ), полученная при условии, что длительность полезного сигнала в два раза больше длительности эталонного сигнала, т.е. u1(t)≠s(t); эталонный сигнал u1(t), длительность которого в два раза меньше длительности полезного сигнала; обнаруживаемый полезный сигнал s(t).
В качестве примера на фиг. 3 показаны: функция взаимной корреляции K2zu(τ), полученная при условии, что длительность полезного сигнала в полтора раза меньше длительности эталонного сигнала, т.е. u2(t)≠s(t); эталонный сигнал u2(t), длительность которого в полтора раза больше длительности полезного сигнала; обнаруживаемый полезный сигнал s(t).
Анализ результатов, представленных на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3, показывает, что если длительность эталонного сигнала меньше, чем длительность полезного обнаруживаемого сигнала, то функция их взаимной корреляции не имеет ярко выраженный максимум. А если длительность u(t)>s(t), или u(t)=s(t), то функция их взаимной корреляции имеет ярко выраженный максимум.
Выявленная особенность положена в основу заявляемого технического решения, направленного на выбор временных параметров эталонного сигнала таким образом, чтобы формируемая на его основе функция взаимной корреляции с обрабатываемой выборкой, содержащей полезный сигнал, имела максимальное значение и тем самым способствовала определению длительности обнаруживаемого полезного сигнала.
Действительно, если последовательно увеличивать длительность формируемого эталонного сигнала и при этом отслеживать изменения контура формируемой функции взаимной корреляции с выборкой, содержащей полезный сигнал, то можно выявить момент, начиная с которого контур формируемой функции взаимной корреляции перестает изменяться.
При этом длительность формируемого эталонного сигнала, соответствующая моменту, начиная с которого контур формируемой функции взаимной корреляции перестает меняться, будет соответствовать длительности полезного сигнала в обрабатываемой выборке.
Реализация заявленного способа происходит следующим образом.
1. Предварительно формируют эталонные сигналы различной длительности, причем первый эталонный сигнал формируют с наименьшей длительностью, а длительность каждого последующего формируемого эталонного сигнала постепенно увеличивают.
В качестве примера, на фиг. 1-фиг. 4 изображены сформированные сигналы u(t), u1(t), u2(t), u3(t) с различной длительностью, которая определена как временные параметры эталонного сигнала. Шаг изменения длительности может определяться величиной временного дискретного отчета (на фиг. 1-фиг. 4 оси абсцисс представлены в значениях временных дискретных отсчетов). Постепенное увеличение подразумевает, что у каждого последующего эталонного сигнала длительность увеличивается на одно временное дискретное значение.
Процедуры формирования эталонных сигналов известны, и, например, рассмотрены в, см. [Способ распознавания радиосигналов, Патент РФ №2423735, Опубликовано: 10.07.2011 Бюл. №19].
2. Принимают аналоговый сигнал, оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования.
Принимают входную реализацию в виде аналогового сигнала z(t), который может содержать или только шум х(t), т.е. z(t)=х(t), или полезный сигнал s(t) и шум x(t), т.е. z(t)=s(t)+х(t).
Прием может осуществляться, например, с тракта промежуточной или низкой частоты радиоприемного устройства.
Процедуры приема аналогового сигнала известны, и, например, рассмотрены в, см. [Способ распознавания радиосигналов, Патент РФ №2356064, Опубликовано: 20.05.2009. Бюл. №14].
Процедуры дискретизации, квантования и кодирования аналогового сигнала известны, и, например, рассмотрены в, см. [Способ распознавания радиосигналов, Патент РФ №2261476, Опубликовано: 27.09.2005. Бюл. №27].
3. Для каждого сформированного эталонного сигнала рассчитывают функцию взаимной корреляции с принятым оцифрованным аналоговым сигналом.
В качестве примера, на фиг. 1-фиг. 4 изображены рассчитанные значения функций взаимной корреляции, обозначенные как Kzu(τ), K1zu(τ), K2zu(τ), K3zu(τ).
Процедуры расчета функции взаимной корреляции сигналов известны, например, см. [Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов. Патент РФ №2419968, H04B 1/10 (2006.01). Опубликовано: 27.05.2011. Бюл. №15]. В представленных на фиг. примерах расчет функций взаимных корреляций осуществлялся в соответствии с формулой (1).
4. Вычисляют среднее значение компонент каждой из рассчитанных функций взаимной корреляции.
Процедуры расчета средних значений компонент сигналов известны, например, см. [Способ обнаружения сигналов без несущей. Патент РФ №2484581, H04B 1/10 (2006.01). Опубликовано: 10.06.2013. Бюл. №16].
5. Сравнивают вычисленные средние значения компонент друг с другом.
Процедуры сравнения известны, например, см. [Способ радиоподавления каналов связи. Патент РФ №2450458, H04K 3/00 (2006.01), Опубликовано: 10.05.2012. Бюл. №13].
6. Решение по результатам сравнения о факте обнаружения сигнала принимают в том случае, если величина каждого последующего из последовательно рассчитанных средних значений компонент будет не меньше величины предыдущего,
Для примера, представленного на фиг. 1-фиг. 4, расстановка эталонных сигналов по возрастанию их длительности следующая. Самая короткая длительность у эталонного сигнала u1(t). Затем в порядке возрастания идут u3(t), u(t), u2(t). Соответственно, средние значения их функций взаимной корреляции имеют следующие величины: Sr1=0,08; Sr3=0,12; Sr=0,16; Sr2=0,16.
Указанные средние значения функций взаимной корреляции соответствуют условию того, что величина каждого из последующих значений не меньше величины предыдущего, что соответствует условию обнаружения сигнала.
В ходе эксперимента по апробации заявляемого технического решения было проведено моделирование по разным ситуациям, в том числе при отсутствии полезного сигнала в обрабатываемой реализации. Во всех случаях при отсутствии полезного сигнала в обрабатываемой выборке, условие того, что величина каждого из последующих значений не меньше величины предыдущего, было нарушено, т.е. указывало на факт того, что полезный сигнал не был обнаружен. А в ситуациях, когда в обрабатываемой выборке присутствовал полезный сигнал, условие того, что величина каждого из последующих значений не меньше величины предыдущего, соблюдалось.
Моделирование проводилось в диапазоне изменения отношения сигнал/шум (ОСШ) в обрабатываемой выборке от 8 дБ до 20 дБ, с шагом изменения 1 дБ (На фиг. 1-фиг. 4 представлены результаты при ОСШ=20 дБ).
Для каждого изменения значения ОСШ проводилось 200 экспериментов в каждой из ситуаций (т.е. при наличии и отсутствии полезного сигнала в обрабатываемой реализации), что соответствует требованиям вычисления статистических оценок см. [Математический энциклопедический словарь. М.: Сов. Энциклопедия, 1988. 847 с.; Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике. Пер. с англ. - М.: Наука, 1977, с. 638-643].
7. Среди последовательно рассчитанных средних значений компонент, фиксируют ту величину, начиная с которой она перестает изменяться более чем на пять процентов.
Для рассматриваемого примера, таковым является значение Sr=0,16, т.е. соответствует эталонному сигналу u(t), см. фиг. 1.
8. Временные параметры эталонного сигнала, который использовался при расчете функции взаимной корреляции, средняя величина значений компонент которой были фиксированы, считают в качестве временных параметров, т.е. длительности обнаруживаемого полезного сигнала.
То есть принимают решение, что длительность полезного сигнала в обрабатываемой выборке совпадает c длительностью эталонного сигнала.
В качестве примера на фиг. 1 показана ситуация, при которой длительность эталонного сигнала u(t) совпадает с длительностью полезного сигнала s(t).
Таким образом, благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе обеспечивается обнаружение полезного сигнала и определение его длительности.
Также заявляемый способ позволяет выбирать временные параметры эталонного сигнала таким образом, чтобы формируемая на его основе функция взаимной корреляции с обрабатываемой выборкой, содержащей полезный сигнал, имела четко выраженное максимальное значение и обеспечивала возможность определения длительности обнаруженного полезного сигнала.