СПОСОБ РАСПОЗНАВАНИЯ РАДИОСИГНАЛОВ
METHOD TO DETECT RADIO SIGNALS

Изобретение относится к распознаванию образов, а именно - к способам распознавания радиосигналов, в частности к способам распознавания вида и параметров модуляции радиосигналов. Способ может быть использован в технических средствах распознавания сигналов в условиях воздействия шумов и помех.
Заявленное техническое решение расширяет арсенал средств аналогичного назначения.
Известен способ распознавания сигналов по патенту РФ №2133501 МПК5 G06K 9/00, от 04.02.98, заключающийся в сравнении на выборке длиной Q канальных символов "скользящим окном" всех комбинаций длиной К друг с другом, где К/2 - предполагаемая память помехоустойчивого сверточного кодера, и последующем подсчете частоты появления событий, заключающихся в том, что в двух отрезках кодовой последовательности имеется единственная пара несовпадающих символов, и эти символы одновременно не принадлежат двум различным подансамблям разбиения.
Недостатком этого способа является узкая область его применения, т.к. при использовании данного метода можно выполнять распознавание лишь сигналов, использующих сигнально-кодовые конструкции.
Также известен способ распознавания сигналов [Омельченко В.А. Распознавание сигналов по спектру мощности в оптимальном базисе Карунена-Лоэва. - Известия ВУЗов MB и ССО СССР. Сер. Радиоэлектроника, 1980, №12, с.11-18], в котором вычисляют спектр мощности сигнала, затем выполняют преобразование Карунена-Лоэва, на основе полученных признаков сначала производят селекцию сигналов на полезные и мешающие, и в случае полезного сигнала выполняют его отнесение к одному из эталонных классов.
1
1
расп
ош
Недостатком данного способа является низкая вероятность правильного распознавания ( Вероятность правильного распознавания - относительная частота принятия правильного решения при отнесении принятого радиосигнала к одному из эталонных классов. Событие правильного распознавания является противоположным (дополнительным) к событию ошибочного распознавания Р=1-Р) - см. Дж.Ту, Р.Гонсалес. Принципы распознавания образов. Пер. с англ. - М.: Мир, 1978, - стр.142-152) сигналов, имеющих похожие спектры, что обусловлено низкой контрастностью признаков распознавания, сформированных по данному способу при распознавании таких сигналов.
7
2
Наиболее близким по технической сущности заявленному является способ распознавания радиосигналов по патенту РФ №2231118 МПК G06K 9/00 от 20.06.04, в котором предварительно формируют эталоны распознаваемых классов, из значений которых формируют симметрические матрицы размером n×n. Для формирования симметрических матриц используют дискретную выборку сигнальных отсчетов длиной ((n+n)/2), причем для каждого сигнала формируют несколько симметрических матриц с целью получения, после их спектрального разложения, нескольких последовательностей собственных значений. Затем по каждому эталону распознаваемого класса вычисляют дисперсию для каждого собственного значения по всей совокупности последовательностей собственных значений, причем в качестве признаков распознавания выделяют те собственные значения, которые имеют наименьшую дисперсию хотя бы по одному эталону распознаваемого класса радиосигналов.
После этого принимают и дискретизируют радиосигнал, а затем из его отсчетов формируют симметрическую матрицу, вычисляют ее собственные значения и выделяют среди них признаки распознавания, в качестве которых выступают собственные значения, имеющие наименьшую дисперсию хотя бы по одному эталону распознаваемого класса радиосигналов и сравнивают их с предварительно рассчитанными признаками эталонов распознаваемых классов радиосигналов, а идентифицируют принятый радиосигнал по результатам сравнения.
Недостатком прототипа является относительно низкая вероятность правильного распознавания радиосигналов при различных значениях отношении сигнал/шум (ОСШ). Это обусловлено тем, что в качестве признаков эталонов распознаваемых радиосигналов используют собственные значения, устойчивость которых устанавливается только строго при одном значении ОСШ, поэтому при воздействии шумов и помех различной интенсивности дисперсия собственных значений, выбранных в качестве признаков распознавания, возрастает, и эффективность метода снижается.
Кроме этого, распознавание по способу-прототипу требует значительных длительностей выборок принимаемых сигналов, что не всегда возможно обеспечить в условиях современной радиоэлектронной обстановки.
Целью заявленного технического решения является разработка способа распознавания радиосигналов, обеспечивающего повышение вероятности правильного распознавания радиосигналов при воздействии шумов и помех, различной интенсивности.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе распознавания радиосигналов для формирования симметрической матрицы значений распознаваемого радиосигнала и эталонов распознаваемых классов радиосигналов используют спектральные представления их дискретных отсчетов. Причем каждую последующую строку матрицы формируют путем циклического сдвига спектральных компонент, а после выполнения над матрицами спектрального разложения формируют векторы признаков, в качестве компонентов которых выбирают модули составляющих спектрального разложения, дисперсия которых в каждом из L эталонов распознаваемых классов радиосигналов не превышает предварительно заданной величины d. Для расчета дисперсии составляющих спектрального разложения каждого из L эталонов распознаваемых классов радиосигнала предварительно формируют для М≥2 отношений сигнал/шум (ОСШ) М симметрических матриц от зашумленных выборок, а векторы их признаков формируют на основе модулей составляющих спектрального разложения матрицы зашумленной выборки при ОСШ, соответствующем среднему значению М. При формировании вектора признаков распознаваемого радиосигнала выбирают только номера тех модулей составляющих спектрального разложения, которые образуют векторы признаков в каждом их L эталонов распознаваемых классов радиосигналов. Идентифицируют радиосигнал по наименьшей разности между его вектором признаков и векторами каждого из L признаков эталонов распознаваемых классов радиосигналов.
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе исключается мультипликативное влияние шумов и помех на матрицу радиосигнала за счет использования в качестве матричного представления радиосигнала симметрической матрицы спектральных представлений его дискретных отсчетов. Помехоустойчивость процесса распознавания дополнительно повышают за счет выделения в качестве признаков распознавания модулей собственных значений, имеющих наименьшие дисперсии в каждом эталоне распознаваемого класса радиосигналов.
Новая совокупность существенных признаков обеспечивает повышение вероятности правильного распознавания радиосигналов в условиях воздействия шумов и помех.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности "новизна".
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг.1. Временная развертка эталонов распознаваемых радиосигналов фазовой телеграфии (ФТ) 600 бод, ФТ 500 бод, ФТ 400 бод при ОСШ 30 дБ;
фиг.2. Спектры эталонов распознаваемых радиосигналов ФТ 600 бод, ФТ 500 бод, ФТ 400 бод при ОСШ 30 дБ;
фиг.3. Спектры эталона распознаваемого радиосигнала ФТ 500 бод при ОСШ 15, 10 и 5 дБ;
фиг.4. Модули собственных значений при ОСШ 15, 10 и 5 дБ, соответственно для эталонов распознаваемых радиосигналов ФТ 600 бод, ФТ 500 бод, ФТ 400 бод;
фиг.5. Векторы признаков эталонов распознаваемых радиосигналов ФТ 600 бод, ФТ 500 бод, ФТ 400 бод;
фиг.6. Дискретизированные отсчеты распознаваемого радиосигнала;
фиг.7. Вектор признаков распознаваемого радиосигнала.
фиг.8. График зависимости вероятности распознавания при различных значениях отношения сигнал/шум для заявляемого способа и способа-прототипа.
Заявленный способ реализуют следующим образом.
Распознавание радиосигналов в заявленном способе базируется на теории распознавания образов и заключается в отнесении исследуемого радиосигнала, задаваемого в виде совокупности наблюдений, к одному из взаимоисключающих классов [Дж.Ту, Р.Гонсалес. Принципы распознавания образов. Пер. с англ. - М.: Мир, 1978. - 411 с.].
В общем случае для распознавания используют признаки, которые могут быть представлены в виде измеренных значений [Дж.Ту, Р.Гонсалес. Принципы распознавания образов. Пер. с англ. - М.: Мир, 1978 стр.21-23].
В задачах распознавания радиосигналы неизбежно подвержены воздействию дестабилизирующих факторов, в качестве которых выступают внешние шумы и помехи, воздействующие на радиосигнал, собственные шумы приемной и анализирующей аппаратуры, погрешности устройств технического анализа, неточности при регистрации измеренных значений, ошибки округления при вычислениях [Я.А.Фомин, Г.Р.Тарловский. Статистическая теория распознавания образов. - М.: Радио и связь, 1986. - 264 с.].
Так как различные признаки радиосигнала по-разному искажаются при воздействии помех, то для повышения вероятности правильного распознавания радиосигналов при воздействии шумов и помех необходимо, чтобы признаки распознавания обладали свойством помехоустойчивости, т.е. слабо зависели от влияния помех и шумов. С этой целью в заявленном способе в качестве признаков распознавания использованы устойчивые к шумам модули собственных значений, полученных после спектрального разложения симметрических матриц, построенных из спектральных преобразований сигнальных отсчетов.
lm
l
В заявленном способе предварительно создают эталонные описания распознаваемых классов радиосигналов, для чего выполняют следующие действия. На основе априорной информации о возможных классах радиосигналов формируют перечень эталонов распознаваемых радиосигналов, и создают эталонные модели S этих радиосигналов в смеси с шумами где l=1, 2, … L - номер эталона; L - общее количество эталонов; m - значение модели S, определяющей уровень ОСШ, где m=1, 2, … M, а M - выбранное число градаций ОСШ, для расчета дисперсии модулей составляющих спектрального разложения, используемых при формировании векторов признаков.
Необходимо, чтобы при различных m ОСШ изменялось на 3-7 дБ. Например, при m=1 значение ОСШ=15 дБ, при т=2 значение ОСШ=10 дБ, при т=3 значение ОСШ=5 дБ.
lm
1
2n
lm
Эталонные модели представляют собой последовательность дискретных отсчетов S=(s,…,s), где n - длина последовательности и соответствует размеру симметрической матрицы K.
7
Числовое значение n выбирают в пределах 50…150, в зависимости от требований по вероятности правильного распознавания и времени обработки. Чем больше n, тем выше вероятность правильного распознавания, но при этом возрастает время обработки см., например, способ распознавания радиосигналов по патенту РФ №2231118 МПК G006K 9/00 от 20.06.04.
lm
lm
1
n
lm
l,m
После этого для полученных выборок S вычисляют их преобразование Фурье F=(f,…,f), из которых формируют совокупность симметрических матриц {K}. Каждую из матриц K формируют следующим образом:
l
1
2
1
0
1
2
q
w
g…
n-1
l,m
l,m
Дискретные отсчеты спектральных преобразований сигнала F последовательно записывают сначала в первую строку, начиная с элемента f, затем во вторую, начиная с элемента f, а элемент f записывают последним и т.д., последовательно сдвигая элементы. В результате формируют симметрическую матрицу. Затем вычисляют модули собственных значений (λ, λ, λ…λ…λ…λλ) для каждой матрицы K из совокупности {K}. Процедура вычисления собственных значений матриц известна и описана, например, в [Уилкинсон, Райнш. Справочник алгоритмов на языке АЛГОЛ. Линейная алгебра. Пер. с англ. - М.: Машиностроение, 1976. - 389 с.].
2
l
n-1
После этого полученные модули собственных значений статистически обрабатывают для каждого l, по всем m, т.е. для каждого l находят статистическую характеристику - дисперсию ω (λ) каждого собственного значения (процедура вычисления математического ожидания и дисперсии известна и описана, например, в [Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике. Пер. с англ. - М.: Наука, 1977]).
q
w
g
Далее из всего множества собственных значений выделяют наиболее помехоустойчивые из них {λ,…λ,…λ}. В качестве помехоустойчивых выбирают собственные значения, не превышающие предварительно заданной величины d, в пределах 10-20% от номинального значения [Хорн Р., Джонсон Ч. Матричный анализ: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 655 с.].
Например, имеется три эталонных класса радиосигналов фазовой телеграфии (ФТ): ФТ 600 бод (радиосигнал фазовой телеграфии с бодовой скоростью 600 бод), ФТ 500 бод (радиосигнал фазовой телеграфии с бодовой скоростью 500 бод), ФТ 400 бод (радиосигнал фазовой телеграфии с бодовой скоростью 400 бод). Выбранные сигналы имеют близкую временную (фиг.1) и частотную (фиг.2) структуры, поэтому их идентификация по временному или спектральному представлениям является сложной задачей.
Далее в каждом классе эталонных сигналов для М выборок при ОСШ 15, 10 и 5 дБ (здесь М=3), рассчитываются их спектры Фурье длительностью в 128 отсчетов. В качестве примера показаны спектры сигнала ФТ 500 бод при ОСШ 15, 10 и 5 дБ (фиг.3).
Затем для каждого спектрального представления выборки строится своя симметрическая матрица. После этого вычисляются модули собственных значений для всех симметрических матриц и рассчитывают их дисперсию в каждом из классов, для каждой из М выборок при ОСШ 15, 10 и 5 дБ (фиг.4).
Для данных условий наименьшей дисперсией обладают модули собственных чисел с 48 по 128, которые выбирают в качестве векторов признаков для выборок сигналов при ОСШ 10 дБ (фиг.5).
0
2n-1
2n-1
После этого переходят к распознаванию радиосигналов, в качестве которого, для примера, выбран сигнал ФТ 500 бод при ОСШ 8 дБ. Первоначально принятый радиосигнал s(t) дискретизируют по времени и квантуют по напряжению (фиг.6) (операция дискретизации и квантования сигналов известна и описана, например, в [В.А.Григорьев. Передача сигналов в зарубежных информационно-технических системах. - СПб.: ВАС. 1998, стр.83-85]). Затем из совокупности дискретных отсчетов сигнала S, также как было описано выше, выделяют выборку (s,…,s) длиной n=128. Для полученной выборки S вычисляют ее преобразование Фурье. Затем из компонентов преобразования Фурье формируют симметрическую матрицу K, в соответствии с выражением (1).
0
1
2
q
w
g…
n-1
Затем вычисляют модули собственных значений (λ, λ, λ…λ…λ…λλ) матрицы K.
Далее из всего множества модулей собственных значений в качестве признаков распознавания выбирают модули собственных значений с 48 по 128, которые являются наиболее помехоустойчивыми для эталонных радиосигналов (фиг.7).
После этого сравнивают полученные признаки принятого радиосигнала с признаками эталонов.
Решение об отнесении принятого радиосигнала к одному из эталонов распознаваемых классов принимают с использованием одного из решающих правил. Процедуры принятия решения являются известными и описаны, например, в [Я.А.Фомин, Г.Р.Тарловский. Статистическая теория распознавания образов. - М.: Радио и связь, 1986, стр.30-46].
Например, вычисляют среднюю мощность разности между собственными значениями принятого сигнала и каждого из эталонов, а решение о принадлежности к конкретному классу принимают по минимальной разности с собственных значений
l
s
n
n
где λ - собственные значения, являющиеся признаками эталонов; L - количество эталонов; λ - собственные значения, являющиеся признаками распознаваемого сигнала.
Для рассматриваемого примера согласно выражению (2) имеем {2,924; 0,68, 1,865}, т.е. минимальная разница со вторым эталоном, следовательно, распознаваемый радиосигнал относится ко второму классу.
Устойчивость собственных значений симметрических матриц при воздействии шумов базируется на свойстве подобных матриц и фабуле теоремы о возмущении собственных значений [Хорн Р., Джонсон Ч. Матричный анализ: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 655 с.].
Способ заполнения матрицы K может быть отличным от указанного в выражении (1), но обязательным условием заполнения матрицы K является ее симметричность и аддитивное воздействие шумов и помех на ее элементы.
расп
Сравнительная оценка вероятности правильного распознавания Р с помощью заявленного способа и способа-прототипа выполнена путем моделирования процесса распознавания на ЭВМ.
с
ш
с
ш
В качестве распознаваемых сигналов использованы 5 моделей сигналов фазовой телеграфии с различными скоростями передачи 600, 550, 500, 450, 400 бод. Формирование параметров эталонов проводилось при m=3 выборкам в каждом классе при ОСШ 15, 10 и 5 дБ. Вероятность правильного распознавания оценивали методом Монте-Карло по 200 выборкам для каждого распознаваемого сигнала на основе способа-прототипа и заявляемого способа при отношении мощности сигнала Р к мощности шума Р, т.е. Р/Р, равном 0…20 дБ (фиг.8).
Результаты сравнительных расчетов показали:
1. Вероятность правильного распознавания радиосигналов заявленным способом выше, чем способом-прототипом (фиг.8):
с
ш
- в области значений Р/Р (1-4 дБ) - более чем в 2 раза;
с
ш
- в области значений Р/Р (4-6 дБ) - в 1,5-1,8 раза;
с
ш
- в области значений Р/Р (6-12) - в 1.1-1,5 раза.
То есть результаты сравнительных оценок подтверждают возможность достижения сформулированного технического результата при использовании заявленного способа.