СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ
METHOD FOR MEASURING NOISE/SIGNAL RATIO

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиолокации, радионавигации и системах связи для измерения отношения сигнала/шум, повышения точности и достоверности получаемой информации и контроля качества канала связи.
Известен способ измерения, связывающий величину отношения сигнал/шум, основанный на оценке фазовых флуктуаций. Используется зависимость, полученная на основе исследования статистических характеристик фазы аддитивной смеси полезного сигнала и узкополосного шума [Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. - М.: Радио и связь, 2004, с.249-259]. Статистические характеристики фазы зависят от отношения сигнал/шум и определяют мощность фазовых флуктуаций. Такая зависимость описана в литературе [Тихонов В.И., Харисов В.Н. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем. - М.: Радио и связь, 2004, с.249-259]. Способ основан на оценке фазы аддитивной смеси сигнала и узкополосного шума, что влечет за собой дополнительные преобразования при обработке смеси и появление погрешностей, вызванных необходимостью использования дополнительных преобразований, уменьшающих точность предоставления информации измерения отношения сигнал/шум.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ измерения отношения сигнал/шум в смеси периодического сигнала с шумом (а.с. СССР № 1474564, МКИ G01R 29/26, опубл. 23.04.89), основанный на определении обратного значения относительного среднего квадратического отклонения ряда отчетов периода входного сигнала. Повышение быстродействия достигается за счет частичного перекрытия по времени внутренних интервалов измерения периода, входящих в суммарный интервал времени измерения. При этом внутри суммарного интервала формируют две группы равномерно нарастающих по длительности временных интервалов, имеющих общее начало, совпадающее с началом суммарного интервала измерения. В каждом из сформированных интервалов производят отсчеты числа периодов входного сигнала и числа периодов сигнала эталонной частоты и запоминают их. Измеряют среднее значение периода входного сигнала в суммарном интервале измерения, формируют отсчеты относительного отклонения периода входного сигнала от среднего значения и определяют отношение сигнал/шум h по формулам
i
i
i
Δ=q-P;
i
i
q=[P+0,5];
Δ
где σ - относительное среднеквадратическое отклонение периода входного сигнала;
0
T - длительность периода сигнала эталонной частоты;
x
T - среднее значение периода входного сигнала, измеренное за суммарный интервал времени измерения;
1i
2i
N и N - отсчеты числа периодов сигнала эталонной частоты в i-м временном интервале в первой и второй группах соответственно;
1i
2i
n и n - отсчеты числа периодов входного сигнала в i-м временном интервале, лежащем между окончаниями временных интервалов, имеющих одинаковый порядковый номер в первой и второй группах соответственно;
i
Δ - отсчеты относительного отклонения периода входного сигнала от среднего значения в i-м временном интервале;
k - число отсчетов в каждой группе.
Недостатками способа являются громоздкие действия по измерению частотно-временных параметров аддитивной смеси сигнала и узкополосного шума и недостаточно точное предоставление информации об измеряемых параметрах смеси.
В основу изобретения положена задача повышения точности измерения отношения сигнал/шум и исключения дополнительного преобразования при обработке смеси и погрешности, вызванные этими преобразованиями.
k
Поставленная задача решается тем, что в известном способе измерения отношения сигнал/шум в аддитивной смеси периодического сигнала с узкополосным шумом, основанном на определении обратного значения среднеквадратического отклонения ряда отсчетов периода входного сигнала, при котором разбивают суммарный интервал времени измерения на отдельные внутренние временные интервалы, содержащие целое число периодов входного сигнала, производят отсчеты числа периодов входного сигнала и числа периодов сигнала эталонной частоты, укладывающихся в пределах каждого внутреннего временного интервала, определяют среднее значение периода входного сигнала за суммарный интервал времени измерения, отличающийся тем, что формируют внутри суммарного интервала времени измерения группу следующих друг за другом внутренних временных интервалов, длительность которых определяют из условия  где τ - интервал корреляции; Δf - эффективная ширина спектра аддитивной смеси периодического сигнала с узкополосным шумом, вычисляют обратное значение относительного среднеквадратического отклонения длительности внутреннего временного интервала T, а значения отношения сигнал/шум определяют по формулам
cpn
где T - среднее значение длительности временного интервала, содержащего целое число периодов входного сигнала, укладывающихся в пределах каждого i-го внутреннего временного интервала;
cp
T - среднее значение периода входного сигнала, измеренное за суммарный интервал времени измерения;
i
T - длительность каждого i-го внутреннего временного интервала Т;
T
σ - значение относительного среднеквадратического отклонения длительности внутреннего временного интервала Т;
K - количество измерений за измерительный цикл;
n - целое число периодов входного сигнала за внутренний интервал времени измерения.
i
Для пояснения работы варианта реализации изобретения рассмотрим влияние шумов на погрешности измерения периода гармонического сигнала [Тузов Г.И. Выделение и обработка информации в доплеровских системах. - М.: Советское радио, 1967, 255 с.]. Под действием шума моменты прохождения напряжения входного сигнала через нулевой уровень формирователя в измерителе внутреннего временного интервала будут флуктуировать. Шумовые флуктуации приведут к изменению длительности каждого внутреннего временного интервала Т и, соответственно, к изменению числа отсчетов периодов сигнала эталонной частоты N, включающего в себя n периодов исследуемой смеси. Среднеквадратическая погрешность измерения внутреннего временного интервала определяется как [Тузов Г.И. Выделение и обработка информации в доплеровских системах. - М.: Советское радио, 1967, 255 с.]
0
T
где  - среднеквадратическая погрешность разности фаз начала φ и конца φ внутреннего временного интервала.
В свою очередь, среднеквадратическая погрешность разности фаз может быть определена по общим правилам для суммы (разности) случайных величин:
T
0
где М - знак математического ожидания произведения φ и φ.
После преобразований, учитывая стационарность сигнала, выражение (2) может быть приведено к виду
φ
где K(Т) - коэффициент корреляционной связи фазовых флуктуаций обрабатываемой смеси,
φ
σ - среднеквадратическое значение фазовых флуктуаций аддитивной смеси.
к
к
Если длительность Т каждого внутреннего интервала больше интервала корреляции τ, то есть T>>τ, то , где Δf - эффективная ширина спектра смеси в частотном спектре, тогда выражение (3) можно представить в виде
а учитывая условие превышения сигнала над шумом, получим [Тузов Г.И. Выделение и обработка информации в доплеровских системах. - М.: Советское радио, 1967, 255 с.]
где  отношение сигнал/шум.
Таким образом, используя формулы (1), (4) и (5), получим выражение
Для удобства реализации возведем выражение (6) в квадрат и получим рабочую формулу оценки отношения сигнал/шум по отношению к мощности сигнала и дисперсии (мощности) шума:
где  - квадрат среднего значения периода входного сигнала;
- дисперсия внутреннего временного интервала Т.
На фиг.1 представлена функциональная схема устройства, реализующая способ измерения отношения сигнал/шум; на фиг.2 - блок вычисления дисперсии периода входного сигнала и квадрата среднего значения периода входного сигнала; на фиг.3 - блок вычисления отношения сигнал/шум.
На фиг.1 показано устройство для измерения отношения сигнал/шум, содержащее последовательно соединенные измеритель внутреннего временного интервала 1, блок вычисления дисперсии внутреннего временного интервала и квадрата среднего значения периода входного сигнала 2, блок вычисления отношения сигнал/шум 3 и индикатор 4.
На фиг.2 показан блок вычисления дисперсии внутреннего временного интервала и квадрата среднего значения периода входного сигнала 2, содержащий устройство определения дисперсии 5, первый выход которого подключен к первому входу блока вычисления отношения сигнал/шум 3, а второй выход к умножителю 6, соединенному последовательно с квадратором 7. Второй вход умножителя 6 (на фиг.2 этот вход обозначен 1/n со стрелкой) соединен с блоком памяти (не показан).
2
На фиг.3 показан блок вычисления отношения сигнал/шум 3, состоящий из последовательно соединенных делителя 8 и умножителя на константу 9. Второй вход умножителя на константу 9 (на фиг.3 этот вход обозначен 1/2π со стрелкой) подключен к блоку памяти (не показан).
Принцип работы устройства, реализующий предлагаемый способ, заключается в следующем.
k
i
i
i
o
o
Измеритель внутреннего временного интервала 1 производит формирование внутри суммарного интервала измерения группы следующих друг за другом внутренних временных интервалов, содержащих целое число периодов входного сигнала, причем длительность внутреннего временного интервала определяется из условия T>>τ, где  - интервал корреляции; Δf - эффективная ширина спектра смеси в частотном спектре, производит отсчеты числа периодов сигнала эталонной частоты N, укладывающихся в пределах i-го временного интервала, и вычисляет длительность каждого i-го внутреннего временного интервала T=NT, где T - длительность периода сигнала эталонной частоты.
i
Отсчеты числа периодов сигнала эталонной частоты T, получаемые на выходе измерителя внутреннего временного интервала 1, поступают на вход устройства определения дисперсии 5 блока вычисления дисперсии внутреннего временного интервала и квадрата среднего значения периода входного сигнала 2. Устройство определения дисперсии 5 производит вычисление дисперсии внутреннего временного интервала по формулам
cp
cp
Значение T поступает на вход умножителя 6, где происходит вычисление среднего значения периода входного сигнала T по формуле
2
2
С выхода квадратора 7 значение  проступает на второй вход блока вычисления отношения сигнал/шум, на первый вход которого поступает значение  с первого выхода блока определения дисперсии. Согласно выражению (7) в блоке вычисления отношения сигнал/шум 3 производят вычисление величины q. Полученное значение q поступает на индикатор 4.
Измеритель внутреннего временного интервала 1 выполнен на базе частотомера [В.И.Винокуров, С.И.Каплин, И.Г.Петелин. - М.: "Высш. шк. ", Электрорадиоизмерения. 1986, с.148-160.], работающего в режиме измерения среднего значения измеряемого периода обрабатываемой смеси за n измеряемых периодов, без последующего деления на n.
Устройство определения дисперсии 5 выполнено по схеме, приведенной в [авторское свидетельство СССР № 1275469, G06F 15/36, 1986].
Схемы делителя 8 и умножителя на константу 9 приведены в [Постников А.И. Теория автоматов и машинная арифметика. - Спб.: Питер, 2006. - 376 с.], а индикатор 4 реализуется как [Справочник по интегральным микросхемам / Под ред. Б.В.Тарабрина. - М.: Советское радио, 1981, с.58-62].
Точность предоставления информации устройством, работающим по заявляемому способу, зависит от работы измерителя внутреннего временного интервала. В свою очередь, погрешность измерителя внутреннего временного интервала 1 может быть определена выражением [Ермолов Р.С. Цифровые частотомеры. - Л.: Энергия, 1973, 152 с.]
0
где f - образцовая частота тактового генератора;
x
T - среднее значение периода входного сигнала за внутренний интервал времени измерения.