СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ УЗКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ
METHOD OF AUTOMATIC DETECTION OF NARROW-BAND SIGNALS

Изобретение относится к радиотехнике, а именно - к способам обнаружения узкополосных сигналов в условиях априорной неопределенности, и может быть использовано на линиях радиосвязи, работающих в условиях воздействия аддигивных 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. Входную реализацию раскладывают на квадратурные составляющие, которые затем фильтруют с помощью двух групп фильтров, согласованных с составляющими сигнала. Суммируют разности входных значений в каждой группе фильтров и детектируют их. Решение об обнаружении принимают в случае превышения суммы продетектированных величин и предварительно заданного порогового значения.
Недостатком известного аналога 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 входную реализацию сигнала z(t) дискретизируют и вычисляют коэффициент корреляции между дискретизированным сигналом z(t) и полезным сигналом s(t). Полученное значение коэффициента корреляции сравнивают с предварительно заданным пороговым значением. При превышении порогового значения фиксируют факт обнаружения узкополосного сигнала.
Недостатком этого способа является то, что он применим только при условии известности параметров обнаруживаемого сигнала.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявленному является способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов, реализованный в обнаружителе сигналов по патенту RU №2110150 C1, 6 H04B 1/10, G01S 7/292 от 23.01.97 г.
i
i-1
i
пор
пор
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, здесь и далее i=1,2,…, - номера спектральных компонент сигнала, для чего формируют цифрованный сигнал z, сдвинутый относительно z на один такт, после этого вычисляют коэффициент корреляции К, а затем достаточную статистику S, 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 σ и величине порогового значения h 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 , а также величины порогового значения h.
Целью заявленного технического решения является разработка способа, обеспечивающего расширение области применения для произвольного класса узкополосных сигналов в аддитивных шумах без предварительных знаний характеристик сигналов и параметров шума.
i
j
j
j
j
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе автоматического обнаружения узкополосных сигналов принимают аналоговый сигнал z(t), оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, затем рассчитывают параметры оцифрованного сигнала z, 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 F, 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 F на коэффициент Q. Сравнивают уровень каждой из спектральных компонент F с предварительно вычисленным пороговым значением уровня шума U и при выполнении, по крайней мере, для одной из j-х компонент условия F>U фиксируют факт обнаружения узкополосного сигнала. Значение Q выбирают в интервале Q=3,5-4,5.
j
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе обеспечивается возможность определения порогового значения уровня шума U, по результатам сравнения которого с каждой из спектральных компонент функции взаимной корреляции F можно принять решение о присутствии или отсутствии полезного сигнала на фоне шумов, без предварительных сведений, как о структуре полезного сигнала, так и параметрах шума, что и указывает на расширение области применения заявленного способа.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг.1. Временная реализация аналогового сигнала длительностью 16 мс, содержащая аддитивную смесь обнаруживаемого сигнала и шума z(t)=s(t)+η(t);
фиг.2. Дискретизированные по времени и квантованные по напряжению отсчеты принятого аналогового сигнала длительностью 16 мс (соответствует при интервале дискретизации 125 мкс - 128 отсчетам);
фиг.3. Функция взаимной корреляции на 128 отсчетах;
фиг.4. Огибающая спектра функции взаимной корреляции на 128 отсчетах с нанесенным пороговым значением уровня шума;
j
j
фиг.5. График зависимости отношения R=ΣF1/ΣF2 - среднего значения компонент спектра функции взаимной корреляции превысивших порог к не превысивших его от текущего значения отношения сигнал/шум;
фиг.6. Огибающая спектра последовательности оцифрованного аналогового сигнала z(t)=s(t)+η(t) длительностью 32 мс (соответствует при интервале дискретизации 125 мкс - 256 отсчетам) с нанесенным пороговым значением уровня шума.
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 пороговое значение уровня шума U, сравнение с которым параметров 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.
i
i
i
i
i
i
Принятая реализация z(t) будет содержать или только шум z(t)=η(t), или аддитивную смесь z(t)=s(t)+η(t) обнаруживаемого полезного сигнала s(t) и шума η(t). По виду принятого аналогового сигнала z(t) (фиг.1) невозможно определить, содержится ли в нем полезный сигнал s(t), поэтому разделяют принятый аналоговый сигнал z(t) на две части z1(t) и z2(t). Затем находят функцию их взаимной корреляции K(t), которая позволяет определять их сходство, при наличии в них полезного сигнала s(t), или различия, при отсутствии такового [см. стр.66 Сато Ю. Обработка сигналов. Первое знакомство. / Пер. с яп., под ред. Ёсифуми Амэмия. - М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2002. - 176 с.]. С этой целью принимаемую реализацию z(t) оцифровывают. Процедура оцифровывания аналогового сигнала z(t) предусматривает его дискретизацию, квантование (фиг.2) 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]. Затем оцифрованный сигнал z разделяют на две части, из которых формируют две последовательности z1 и z2 таким образом, что последовательность z1 соответствует первой половине компонентов z, а последовательность z2 - второй его половине.
i
i
i
Затем вычисляют функцию взаимной корреляции K последовательностей z1 и z2 (фиг.3). Процедура вычисления функции взаимной корреляции известна и описана, например [см. стр.67-69 Сато Ю. Обработка сигналов. Первое знакомство. / Пер. с яп., под ред. Ёсифуми Амэмия. - М.: Издательский дом «Додека-XXI», 2002. - 176 с.].
j
Так как спектральная плотность мощности шума равномерно распределена но всем частотным позициям, то и у функции взаимной корреляции реализации сигнала z(t)=η(t) спектральная плотность мощности также будет равномерно распределена по всем частотным позициям. В то время как у функции взаимной корреляции 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.4). В результате возникает возможность по спектральному представлению функции взаимной корреляции реализации аналогового сигнала z(t) с большей степенью вероятности принять правильное решение о содержании в нем полезного сигнала s(t). Для перехода к спектральному представлению функции взаимной корреляции F необходимо выполнить над ней операцию 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
Для выделения спектральных компонент функции взаимной корреляции, формируемых полезным сигналом, рассчитывают пороговое значение уровня шума U. Значение U выбирают таким образом, чтобы его уровень превышали только спектральные компоненты функции взаимной корреляции от реализации z(t), содержащей полезный сигнал s(t). Проведенные эксперименты показали, что таковым является выбор порогового значения уровня шума U, равным среднему значению компонент спектрального представления функции взаимной корреляции F, умноженному на коэффициент Q=3,5-4,5 (фиг.4 здесь Q=4). Операция расчета среднего значения 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
Решение о наличии или отсутствии полезного сигнала s(t) в реализации z(t) принимают по результатам сравнения рассчитанного порогового значения уровня шума U=QΣF, при Q=3,5-4,5, с каждым из j-x спектральных компонент F. Сигнал s(t) считается обнаруженным, если хотя бы один из компопент F превысит пороговое значение уровня шума U. Процедуры сравнения могут быть реализованы, например, на основе порогового устройства, вариант реализации которого рассмотрен в [В.Тихонов, Н.Кульман. Нелинейная фильтрация и квазикогентный прием сигналов. - М.: Сов. радио, 1975. Стр.696].
j
j
Эффективность способа обнаружения полезного сигнала s(t) в реализации z(t)=s{t)+η(t) оценивалась по критерию эффективности, в качестве которого была выбрана R=ΣF1/ΣF2 величина отношения среднего значения компонент спектрального представления функции взаимной корреляции превысивших порог к не превысивших его при различных значениях отношения сигнал/шум (ОСШ) (фиг.5).
j
j
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].
Результаты эксперимента показали правомерность применения разработанного способа при ОСШ порядка 1…2 дБ.
j
i
В тоже время, применение заявленного способа к спектральному представлению от реализации z(t) не позволяет получить аналогичные результаты. На фиг.6 представлен спектр от реализации z(t)=s(t)+η(t), используемый для вычисления спектра функции взаимной корреляции на фиг.5. Значения U=QΣFs на фиг.6 (здесь Q=4) рассчитывались для спектральных компонент Fs, полученных путем выполнения преобразования Фурье от оцифрованной реализации z.
Таким образом, благодаря возможности объективного различения сигнала на фоне шумов с использованием спектральных представлений их функции взаимной корреляции обеспечивается обнаружение различных полезных сигналов с 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.