СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ АВИАЦИОННЫХ РАДИОСИГНАЛОВ, ПЕРЕДАВАЕМЫХ ОДНОВРЕМЕННО ПО ОДНОМУ И ТОМУ ЖЕ КАНАЛУ
METHOD AND DEVICE FOR DETECTING AIRCRAFT RADIO SIGNALS TRANSMITTED SIMULTANEOUSLY OVER SAME CHANNEL

Изобретение относится к способу и устройству для обнаружения, главным образом, амплитудно-модулированных авиационных радиосигналов, передаваемых одновременно по одному и тому же частотному каналу.
В случае авиационной радиосвязи между пилотом, находящимся в воздушном судне, и персоналом по управлению воздушным движением, находящимся на наземной станции, или соответственно между пилотами, находящимися в разных воздушных судах, голосовая передача происходит на стандартизированной номинальной частоте с амплитудно-модулированными передаваемыми сигналами. В редких случаях несколько радиопередач можно осуществить одновременно с одинаковой номинальной частотой. Поскольку это является критическим условием, которое может при определенных обстоятельствах привести к навигационным ошибкам, совершаемым одним или несколькими пилотами, это критическое условие должно, в целях безопасности, обнаруживаться и сообщаться соответствующим пилотам и персоналу по управлению воздушным движением.
Способ и система обнаружения одновременной передачи амплитудно-модулированных передаваемых сигналов в авиационной радиосвязи известны из заявки на патент США US 2010/0067570 А1. В этом документе используется явление биений, которое возникает в случае аддитивного наложения двух колебаний примерно с одинаковой амплитудой и немного отличающейся частотой. Амплитуда суммированного сигнала, генерируемого наложением, изменяется в зависимости от частоты биений, которая соответствует разнице между двумя мало отличающимися частотами. Амплитуда суммированного сигнала, которая является величиной, зависящей от времени, соответствующей частоте биений, определяется при помощи преобразования Фурье как спектральная линия в спектре суммированного сигнала. Способ и система, описанные в такой ситуации, являются практически неподходящими для наложенных передаваемых сигналов с разной амплитудой, например, с амплитудами таких, как те, которые, как правило, возникают в случае разных расстояний между двумя передатчиками и одним приемником.
а
а
а
1
2
2
Идентификация множественных передач по одному и тому же частотному каналу авиационного радиооборудования, основанная на определении спектральных линий несущей, соответственно связанных с одновременно передаваемыми радиосигналами с разными смещениями частот радиосигналов, вызываемыми эффектом Допплера или искажениями осциллятора, может удовлетворительно работать только в случае с радиосигналами с амплитудами высокого приема несущей, в которых спектральные линии несущих проецируются существенно выше спектральных линий непериодических спектральных составляющих голосового сигнала в верхней и нижней боковых полосах и спектра наложенного шума (см. амплитуды  и  спектральных линий несущих в амплитудном спектре, изображенном на фиг. 1А). И наоборот, если спектральные линии несущих оставшихся радиосигналов в спектральных составляющих голосового и шумового сигналов пропадают в относящихся к ним верхней и нижней боковых полосах, обнаружение дополнительных радиосигналов в принятом сигнале возможно только с трудом (см. сравнительно маленькую амплитуду  спектральной линии несущей второго радиосигнала, которая почти исчезает в верхней и нижней боковых полосах в амплитудном спектре, изображенном на фиг. 1В).
Задача изобретения состоит, следовательно, в создании способа и системы обнаружения одновременной передачи передаваемых сигналов по одному и тому же частотному каналу, которые можно использовать, в особенности, в случае разной принятой амплитуды двух переданных сигналов.
Решение задачи достигается способом в соответствии с изобретением для обнаружения по меньшей мере двух переданных сигналов, содержащихся в принятом сигнале с разным смещением частоты с признаками, приведенными в пункте 1 формулы изобретения, и при помощи устройства в соответствии с изобретением для обнаружения по меньшей мере двух переданных сигналов, содержащихся в принятом сигнале с разным смещением частоты с признаками пункта 16. Предпочтительные технические разработки приводятся в соответственно зависимых пунктах формулы изобретения.
В соответствии с изобретением, принятый сигнал, состоящий по меньшей мере из двух переданных сигналов, подается в функцию нелинейной обработки сигналов. Из конечного модифицированного принятого сигнала принадлежащий ему спектр определяется посредством преобразования Фурье. В результате нелинейной обработки сигнала, спектр модифицированного принятого сигнала содержит не только спектральные линии на несущих частотах и в принадлежащих верхней и нижней боковых полосах двух переданных сигналов, но также спектральные линии на множественных несущих частотах, в выделенных верхней и нижней боковых полосах, на отдельных интермодуляционных частотах и в выделенных верхней и нижней боковых полосах.
В то время как спектральные линии несущей переданного сигнала, который представляет малую амплитуду приема, обычно не выступают из спектральных линий в связанных верхней и нижней боковых полосах без использования нелинейной обработки сигналов и, следовательно, не могут идентифицироваться при использовании нелинейной обработки сигналов по меньшей мере одна дополнительная спектральная линия добавляется на интермодуляционной частоте, которая вследствие нелинейной обработки сигналов представляет амплитуду, которая является зависимой от наибольшей амплитуды всех переданных сигналов, содержащихся в принятом сигнале, и соответственно выступает выше всех спектральных линий принадлежащих ему верхней и нижней боковых полос и может идентифицироваться однозначно. Соответственно, одновременный прием по меньшей мере двух, в особенности амплитудно-модулированных передаваемых сигналов, обнаруживается в соответствии с изобретением посредством идентификации по меньшей мере двух спектральных линий - спектральной линии несущей с наибольшей амплитудой и спектральной линии интермодуляционной составляющей, - которые выступают существенно выше всех спектральных линий в отдельной верхней и нижней боковых полосах.
Для обеспечения того, чтобы спектральные линии с несущими частотами переданных сигналов со сравнительно малыми амплитудами приема, которые при определенных обстоятельствах не выступают выше спектральных линий в принадлежащих ему верхней и нижней боковых полосах, можно было все же однозначно идентифицировать спектральные линии в верхней и нижней боковых полосах, расположенные симметрично относительно спектральной линии на несущих частотах и соответственно на отдельных интермодуляционных частотах, предпочтительно идентифицируются и удаляются из спектра.
Для этой цели на первом этапе весь полученный спектр предпочтительно ограничивается до частотного диапазона, необходимого для обнаружения нескольких передаваемых частот в одном принятом сигнале. Например, при использовании квадратичной обработки сигналов как нелинейной обработки сигналов спектральный диапазон предпочтительно ограничивается частотным диапазоном, в котором расположена вторая гармоника переданных сигналов, содержащихся в принятом сигнале. Например, при использовании модульной функции как нелинейной обработки сигналов, ограничение спектрального диапазона предпочтительно применяется к частотному диапазону, окружающему составляющие прямых сигналов.
В данный момент, в пределах данного ограниченного спектрального диапазона, начиная со спектральной линии с наибольшей амплитудой, которая представляет спектральную линию несущей с наибольшей амплитудой, выявляется спектральная линия, расположенная относительно спектральной линии с наибольшей амплитудой в зеркальной симметрии к спектральной линии со следующей наименьшей амплитудой. Если спектральная линия, частотный диапазон которой относительно спектральной линии с наибольшей амплитудой отличается на максимальное заранее определенное пороговое значение от частотного диапазона между спектральными линиями с наибольшей амплитудой и спектральными линиями со следующей наименьшей амплитудой, пара спектральных линий существует в соответствующей верхней и нижней боковых полосах, расположенная частотно-симметричным образом относительно спектральной линии с наибольшей амплитудой, которая именуется ниже вторыми спектральными линиями. Данная пара вторых спектральных линий удаляется из ограниченного спектрального диапазона.
Модифицированный ограниченный частотный диапазон предпочтительно изучается на предмет наличия дополнительных пар спектральных линий, расположенных частотно-симметричным образом относительно спектральной линии с наибольшей амплитудой и модифицированных таким же образом. После изучения таким образом всех спектральных линий, присутствующих в ограниченном спектральном диапазоне, с учетом частотной симметрии относительно спектральных линий с наибольшей амплитудой, спектральная линия с наибольшей амплитудой маркируется как асимметричная спектральная линия, то есть спектральная линия, принадлежащая несущей или интермодуляционной составляющей. Асимметричные спектральные линии, маркированные таким образом, именуются ниже первыми спектральными линиями.
Все другие спектральные линии, по-прежнему существующие в ограниченном частотном диапазоне, затем предпочтительно изучаются относительно наличия пар спектральных линий, расположенных частотно-симметричным образом, начиная со спектральной линии со следующей самой малой амплитудой. При наличии любых таких пар спектральных линий, расположенных частотно-симметричным образом, они удаляются из ограниченного спектрального диапазона, а принадлежащая ему спектральная линия, расположенная в центре частотной симметрии, маркируется как асимметричная спектральная линия.
Однозначная идентификация первых спектральных линий, соответственно, на несущей частоте и/или на интермодуляционной частоте в пределах голосовых и шумовых составляющих, содержащихся в принятом сигнале, предпочтительно определяется на основании дополнительных статистических тестов.
При проверке по критерию значимости амплитуда каждой идентифицированной первой спектральной линии предпочтительно сравнивается с выбранным уровнем значимости выше среднего значения выборочных значений составляющих голосового и шумового сигналов, по-прежнему содержащихся в принятом сигнале. Если амплитуда соответствующей идентифицированной первой спектральной линии находится выше выбранного уровня значимости, спектральная линия несущей, принадлежащая переданному сигналу, присутствует на несущей частоте на величинах, кратных несущей частоте и/или на одной из интермодуляционных частот. Проверка по критерию значимости подходит только для принятого сигнала с четко выраженным интервалом сигнал-шум, в котором спектральные линии несущих и связанные интермодуляционные составляющие (помехи) располагаются однозначно и поэтому находятся существенно выше минимального уровня шума.
Обнаружение циклостационарного свойства предпочтительно применяется для идентификации первых спектральных линий, которые связываются с несущими сигналами или соответственно интермодуляционными помехами с малым интервалом сигнал-шум. На основании заявки на патент США US 2010/0054352 А1, описание которой включено в данный документ в качестве составляющей настоящей заявки на патент, сигнал предоставляет циклостационарные свойства, если его функция автоматической коррекции является периодической по времени. Несмотря на то, что шумовой сигнал предоставляет функцию автоматической коррекции, не зависящую от времени, поскольку он является стохастическим, чистый голосовой сигнал предоставляет функцию автоматической коррекции с некоторым количеством гармонических спектральных составляющих, соответствующих некоторому количеству периодичностей по времени из-за гармонических спектральных составляющих. Наличие по меньшей мере одной периодичности в функции автоматической коррекции идентифицируется посредством преобразования Фурье.
Дополнительный или альтернативный статистическая проверка для идентификации спектральных линий, которые связываются с несущими сигналами или интермодуляционными помехами несущих сигналов при минимальном уровне шума с малым интервалом сигнал-шум, предпочтительно проводится посредством теста Харке-Бера. В тесте используется тот факт, что составляющие шума-сигнала в принятом сигнале подчиняются гауссову распределению, в то время, как спектральные линии несущих и интермодуляционные помехи в принятом сигнале не обладают гауссовой характеристикой. Если тест Харке-Бера применяется к выборочным значениям модифицированного принятого сигнала с удаленными вторыми спектральными линиями, тест Харке-Бера предоставляет значение Харке-Бера, которое является единицей измерения гауссовой характеристики модифицированного принятого сигнала. Если данное значение Харке-Бера находится выше выбранного порогового значения, модифицированный принятый сигнал не обладает чистой гауссовой характеристикой и, следовательно, в дополнение к чистому гауссову распределению шума также содержит негауссовы спектральные линии несущих и интермодуляционные помехи.
Ниже приводится более подробное описание способа в соответствии с изобретением и устройства в соответствии с изобретением описываются со ссылкой на чертежи.
Чертежи представляют:
фиг. 1А, 1В - спектральное изображение амплитудного спектра принятого сигнала, содержащего два амплитудно-модулированных переданных сигнала со вторым переданным сигналом с большой амплитудой и с малой амплитудой;
фиг. 2А, 2В - спектральное изображение амплитудного спектра принятого сигнала, содержащего два амплитудно-модулированных переданных сигнала со вторым переданным сигналом с большой амплитудой и с малой амплитудой при использовании в соответствии с изобретением квадратичной обработки сигналов;
фиг. 3А, 3В - спектральное изображение амплитудного спектра принятого сигнала, содержащего два амплитудно-модулированных переданных сигнала со вторым переданным сигналом с малой амплитудой при использовании линейной или квадратичной обработки сигналов;
фиг. 4 - спектральное изображение амплитудного спектра принятого сигнала, содержащего два амплитудно-модулированных переданных сигнала со вторым переданным сигналом с большой амплитудой и с маленькой амплитудой при использовании в соответствии с изобретением модельной функции;
фиг. 5 - блок-схема примерного варианта осуществления способа в соответствии с изобретением для обнаружения по меньшей мере двух амплитудно-модулированных переданных сигналов с разным смещением частоты, содержащихся в одном принятом сигнале; и
фиг. 6 - блок-схема примерного варианта осуществления устройства в соответствии с изобретением для обнаружения по меньшей мере двух амплитудно-модулированных переданных сигналов, содержащихся в одном принятом сигнале с разным смещением частоты.
До начала подробного описания способа в соответствии с изобретением и устройства в соответствии с изобретением, со ссылкой на фиг. 5 и 6, в нижеследующем разделе выводятся математические основы, необходимые для понимания изобретения.
а
s
Передаваемый дискретизированный сигнал s(k), который является амплитудно-модулированным со степенью амплитудной модуляции m и в котором несущая дополнительно передается, претерпевает в канале передачи амплитудное искажение а и фазовое искажение φ по причине отсутствия фазовой синхронизации между осцилляторами соответствующего воздушного судна и наземной станции, а также смещение частоты f из-за эффекта Допплера, производимого воздушным судном, двигающимся с разной скоростью и в разном направлении, по причине отсутствия частотной синхронизации между осцилляторами соответствующего воздушного судна и наземной станции. Предполагается, что амплитудное искажение , фазовое искажение φ и смещение частоты f приблизительно являются постоянными величинами во время обнаружения. Передаваемый дискретизированный сигнал s(k) и наложенный шумовой сигнал n(k) считаются неизвестными. Соответствующий дискретизированный принятый сигнал r(k) в боковой полосе получается, таким образом, согласно уравнению (1). В данном случае T представляет собой интервал дискретизации.
u
u
u
u
u
a
Если передаваемые сигналы передаются одновременно в одном частотном канале несколькими передатчиками, дискретизированный принятый сигнал r(k) с общим количеством передатчиков U получается, согласно уравнению (2). Сигнал s(k), передаваемый передатчиками u, является амплитудно-модулированным со степенью амплитудной модуляции m и претерпевает амплитудное искажение , фазовое искажение φи смещение частоты f.
а
a
1
u
В следующем разделе предполагается, что амплитудное искажение  в канале передачи первого передатчика согласно уравнению (3) является большим, чем амплитудные искажения  в каналах передачи других передатчиков.
Принятый сигнал r(k), содержащий общее количество переданных сигналов U согласно уравнению (2), подвергается согласно уравнению (4) квадратированию, как нелинейная функция обработки сигналов.
После перемножения всех коэффициентов в уравнении (4), получаются нижеследующие отдельные составляющие сигнала:
u
u
<mrow><msubsup><mi>a</mi><mi>u</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Согласно уравнению (5), первая сумма А в уравнении (4) содержит все составляющие сигнала несущих, дополнительно передаваемых в каждом отдельном передаваемом сигнале, каждый из которых обеспечивает периодичность при помощи увеличения в два раза относящейся к нему частоты 2·f и взвешиваются возведенным в квадрат коэффициентом
амплитудного искажения. Относящийся к нему спектр первой суммы А содержит соответственно спектральные линии, принадлежащие несущим, при двойном соответственно смещении частоты 2·f.
u
u
u
u
u
u
<mrow><msubsup><mi>a</mi><mi>u</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Согласно уравнению (6), вторая сумма В в уравнении (4) содержит все составляющие сигнала, которые относятся к амплитудно-модулированным голосовым сигналам m·s(k) в верхней и нижней боковых полосах и обеспечивают периодичность при помощи увеличения в два раза смещения соответствующей ему частоты 2·f. Относящийся к нему спектр второй суммы В содержит соответственно спектральные линии, относящиеся к амплитудно-модулированным голосовым сигналам в верхней и нижней боковых полосах, симметричных, соответственно относящегося к ним удвоенному смещению частоты 2·f. Составляющие сигнала, относящиеся к амплитудно-модулированным голосовым сигналам m·s(k) во временной области, и принадлежащие спектральным линиям в частотной области взвешиваются возведенным в квадрат коэффициентом
амплитудного искажения.
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>u</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>s</mi><mi>u</mi></msub><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>u</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>s</mi><mi>u</mi></msub><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>u</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>s</mi><mi>u</mi></msub><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>a</mi><mi>u</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
u
u
Согласно уравнению (7), третья сумма С в уравнении (4) содержит все составляющие сигнала, которые связаны с искаженными амплитудно-модулированными голосовыми сигналами
в верхней и нижней боковых полосах и обеспечивают, соответственно, периодичность при помощи увеличения в два раза смещения частоты 2·f. Спектр третьей суммы С содержит соответственно спектральные линии, связанные с искаженными амплитудно-модулированными голосовыми сигналами
в верхней и нижней боковых полосах, симметричных соответственно дважды смещенной относящейся к нему частоты 2·f. Составляющие сигнала, принадлежащие искаженным амплитудно-модулированным голосовым сигналам
во временной области и относящиеся к ним спектральные линии в частотной области взвешиваются соответственно при помощи возведенного в квадрат коэффициента
искажения амплитуды.
u
v
u
v
u
v
a
a
Согласно уравнению (8), четвертая сумма D в уравнении (4) содержит все составляющие сигнала несущих, дополнительно передаваемых в каждом случае в отдельных передаваемых сигналах, которые обеспечивают периодичность на интермодуляционных частотах смещений относящихся к ним частот f+f и взвешиваются произведением коэффициентов искажений · относящихся к ним амплитуд. Спектр четвертой суммы D содержит соответственно спектральные линии, принадлежащие интермодуляционным помехам от двух несущих на интермодуляционных частотах смещений относящихся к ним частот f+f
u
u
v
v
u
v
u
v
u
v
u
u
v
v
u
v
u
v
u
v
u
v
a
a
Согласно уравнению (9), пятая сумма Е в уравнении (4) содержит все составляющие сигнала, которые связаны с неискаженным амплитудно-модулированным голосовым сигналом m·s(k)+m·s(k) и с искаженным амплитудно-модулированным голосовым сигналам m·m·s(k)·s(k) в верхней и нижней боковых полосах и обеспечивают в каждом случае периодичность на интермодуляционных частотах смещений относящейся к ним частоты f+f. Спектр пятой суммы Е в каждом случае содержит спектральные линии, принадлежащие неискаженным амплитудно-модулированным голосовым сигналам m·s(k)+m·s(k) и с искаженными амплитудно-модулированными голосовыми сигналами m·m·s(k)·s(k) в верхней и нижней боковых полосах, симметричных соответствующим интермодуляционным частотам смещений относящихся к ним частот f+f. Составляющие сигнала пятой суммы Е во временной области и принадлежащие им спектральные линии в частотной области взвешиваются произведением коэффициентов · искажений относящихся ним амплитуд.
u
u
u
u
u
a
Согласно уравнению (10), шестая сумма F в уравнении (4) содержит все составляющие сигнала, связанные со всеми амплитудно-модулированными голосовыми сигналами m·s(k) с наложением шумового сигнала n(k) и с несущими, дополнительно передаваемыми в соответствующем канале передачи, а также с наложением шумового сигнала n(k) и обеспечивают периодичность при помощи смещения относящейся к нему частоты f. Эти составляющие сигнала взвешиваются коэффициентом искажения , связанного с амплитудой, и представляют некоррелированные составляющие сигнала по причине отсутствия корреляции со стохастическим шумовым сигналом n(k). Спектр шестой суммы F содержит соответственно некоррелированные спектральные составляющие в верхней и нижней боковых полосах, симметричные смещению относящейся ним частоты f.
Согласно уравнению (11), седьмой член G в уравнении (4) содержит возведенный в квадрат некоррелированный шумовой сигнал n(k). Спектр седьмого члена G содержит некоррелированные спектральные составляющие.
а
а
а
2
2
2
С двумя передатчиками спектральные составляющие, принадлежащие соответственно отдельным суммам от А до F и с членом G, отображаются в амплитудном спектре модифицированного принятого сигнала, изображенного на фиг. 2А, в случае второго передатчика со сравнительно высокой амплитудой  и в амплитудном спектре модифицированного принятого сигнала, изображенного на фиг. 2В, в случае второго передатчика со сравнительно низкой амплитудой  при использовании квадратической обработки сигнала. На фиг. 3А и 3D амплитудные спектры принятого сигнала и соответственно модифицированного принятого сигнала сравниваются со вторым переданным сигналом со сравнительно низкой амплитудой  при использовании линейной обработки сигнала и соответственно при использовании квадратической обработки сигнала.
Если принятый сигнал r(k), содержащий общее количество переданных сигналов U, согласно уравнению (2) обрабатывается модульной функцией как нелинейная функция обработки сигналов, согласно уравнению (12) нижеследующие составляющие сигнала получаются после перемножения отдельных коэффициентов:
<mrow><msubsup><mi>a</mi><mi>u</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Согласно уравнению (13), первая сумма А′ в уравнении (12) содержит все составляющие сигнала соответственно дополнительно переданных несущих в отдельных передаваемых сигналах, которые взвешиваются при помощи возведенным в квадрат коэффициентом амплитудного искажения
и представляют чистые составляющие прямого сигнала.
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>u</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>s</mi><mi>u</mi></msub><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>u</mi><mn>2</mn></msubsup><mo>⋅</mo><msub><mi>s</mi><mi>u</mi></msub><msup><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>k</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mn>2</mn></msup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>a</mi><mi>u</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow>
Согласно уравнению (14), вторая сумма В′ в уравнении (12) содержит все составляющие сигнала, которые связываются с искаженными амплитудно-модулированными голосовыми сигналами
в верхней и нижней боковых полосах и в каждом случае представляют составляющие прямого сигнала. Спектр второй суммы В′ содержит соответственно спектральные линии, связанные с искаженными амплитудно-модулированными речевыми сигналами в верхней и нижней боковых полосах, симметричных нулевой частоте. Составляющие сигнала, связанные с искаженными амплитудно-модулированными голосовыми сигналами
во временной области, и относящиеся к ним спектральные линии в частотной области взвешиваются в каждом случае при помощи возведенного в квадрат коэффициента амплитудного искажения
.
u
v
v
u
u
v
u
v
v
u
a
a
Согласно уравнению (15), пятая сумма С′ в уравнении (12) содержит все составляющие сигнала соответственно дополнительно переданных несущих в индивидуальных переданных сигналах, которые обеспечивают периодичность на интермодуляционных частотах смещений относящихся к ним частот f-f и соответственно f-f и взвешиваются произведением коэффициентов ·, связанных с амплитудными искажениями. В каждом случае спектр третьей суммы С′ содержит спектральные линии, принадлежащие интермодуляционным составляющим двух несущих на интермодуляционных частотах смещений относящихся к ним частот f-f и соответственно f-f.
u
u
v
v
u
v
u
v
u
v
v
u
u
u
v
v
u
v
u
v
u
v
v
u
u
v
a
a
Согласно уравнению (16), четвертая сумма D′ в уравнении (12) содержит все составляющие сигнала, связанные с неискаженными амплитудно-модулированными голосовыми сигналами m·s(k)+m·s(k) и с искаженными амплитудно-модулированными голосовыми сигналами m·m·s(k)·s(k) в верхней и нижней боковых полосах и обеспечивают периодичность на интермодуляционных частотах смещений относящихся к частотам f-fи, соответственно, f-f. В каждом случае спектр четвертой суммы D′ содержит спектральные линии, связанные с неискаженными амплитудно-модулированными голосовыми сигналами m·s(k)+m·s(k) и с искаженными амплитудно-модулированными голосовыми сигналами m·m·s(k)·s(k) в верхней и нижней боковых полосах, симметричных соответствующим интермодуляционным частотам смещений, связанных с частотами f-f и, соответственно, f-f. Составляющие сигнала четвертой суммы D′ во временной области и относящиеся к ним спектральные линии в частотной области взвешиваются произведением коэффициентов · искажений, связанных с амплитудой.
'
2
Согласно уравнению (17), седьмой член H в уравнении (12) содержит возведенный в квадрат модуль |n(k)| некоррелированного шумового сигнала.
u
u
u
u
u
u
v
v
a
a
Пятая сумма Е′ в уравнении (12) с несущими, дополнительно передаваемыми в отдельных передаваемых сигналах, и отдельными амплитудно-модулированными голосовыми сигналами m·s(k), которые обеспечивают периодичность со смещением относящейся к ним частоты f и взвешиваются при помощи коэффициента искажения , связанного с амплитудой, а шестая сумма F′ в уравнении (12) с несущими, дополнительно передаваемыми в отдельных передаваемых сигналах, и отдельными амплитудно-модулированными голосовыми сигналами m·s(k), которые обеспечивают периодичность смещения связанного с отрицательной частотой -f и взвешиваются коэффициентом  искажения, связанным с амплитудой, удаляются для проведения дополнительного анализа при помощи полосового фильтра диапазонов с центральной частотой на нулевой частоте.
а
2
При использовании двух передатчиков спектральные составляющие, принадлежащие соответственно отдельным суммам от А′ до D′ и с членом H′ отображаются в амплитудном спектре модифицированного принятого сигнала, изображенного на фиг. 4, со вторым переданным сигналом со сравнительно низкой амплитудой .
Наряду с данными нелинейностями второго порядка, нелинейности высшего порядка, естественно, также можно использовать. Ниже приводится математический вывод составляющих сигналов принятого сигнала, возникающих при нелинейной обработке сигнала высшего порядка. В принципе, количество спектральных линий, соответственно принадлежащие несущим сигналам и составляющими периодического сигнала голосового сигнала увеличивается в порядке нелинейности. Соответственно, стоимость обработки сигнала для обнаружения по меньшей мере двух переданных сигналов, содержащихся в принятом сигнале, также существенно увеличивается при использовании нелинейности высшего порядка в результате многочисленности спектральных линий, которые необходимо проанализировать, и по этой причине является менее пригодным для применения на практике.
Для получения однозначных условий обнаружения для идентификации по меньшей мере двух переданных сигналов в принятом сигнале, спектральные линии несущих сигналов и спектральные линии интермодуляционных составляющих, которых достаточно для обнаружения, необходимо отделить от многочисленных спектральных линий и многочисленных некоррелированных спектральных составляющих, которые возникают в случае нелинейной обработки сигнала.
c
с
На первом этапе спектральные линии, принадлежащие составляющим голосового сигнала, удаляются из спектра принятого сигнала, обработанного при помощи нелинейности. Понимание воздействия нелинейности на спектральные линии голосовых сигналов является существенно важным для успешного удаления спектральных линий, связанных принадлежащих составляющим голосового сигнала. В связи с этим, начиная с принятого сигнала в боковой полосе, согласно уравнению (1) высокочастотный принятый сигнал учитывается (рассматривается) для осуществления нелинейной обработки сигнала. Согласно уравнению (18), в отличие от принятого сигнала в боковой полосе, высокочастотный принятый сигнал модулируется на несущей с частотой f несущей и фазой φ несущей и усиливается при помощи реального коэффициента усиления Р усилителя передачи.
HF
HF
c
Принятый высокочастотный сигнал r(t), согласно уравнению (18), таким образом, является сигналом в реальном времени, который предоставляет четный амплитудный спектр и нечетный фазовый спектр. Сигнал данного типа, таким образом, является сопряженно-симметричным относительно нулевой частоты. Верхняя и нижняя боковые полосы принятого высокочастотного сигнала r(t) являются сопряженно-симметричными частоте несущей f.
HF
HF
Если данный принятый высокочастотный сигнал r(t) согласно уравнению (18) подается в нелинейность, модифицированный принятый высокочастотный сигнал r(t)′ получается согласно уравнению (19).
c
c
c
k
k
Поскольку аргументом нелинейной функции F{.} является периодическая функция с частотой f несущей как периодичность, результатом нелинейной функции F{.}, согласно уравнению (20), является периодическая функция, которую можно отобразить как последовательность Фурье с гармониками, соответственно зависимыми от частоты fнесущей и от величин частоты f несущей, и с коэффициентами Фурье α и β, согласно уравнениям (21) и (22).
Если результат нелинейной функции F{.} аппроксимируется только по первой гармонике, то уравнения (20)-(22) заменяются уравнения (23)-(25).
1
2
1
2
Два коэффициента Фурье f(A(t)) и f(A(t)), согласно уравнениям (24) и (25), представляют собой действительную часть и мнимую часть комплексного числа f(A(t))+jf(A(t)). Соответственно, результат нелинейной функции F{.}, согласно уравнению (23), можно преобразовать в уравнение (26), которое учитывает амплитудную характеристику f(A(t)) пропускания - так называемую АМ-АМ характеристику - нелинейности F{.}, согласно уравнению (27), и амплитудно-фазовую характеристику g(A(t)) пропускания - так называемую AM-РМ характеристику - нелинейности F{.}, согласно уравнению (28).
HF
Принятый высокочастотный сигнал r(t)′, модифицированный при помощи нелинейности, согласно уравнению (26), остается реальным, чтобы относящийся к нему спектр был сопряженно-симметричным относительно нулевой частоты. Спектральные линии и некоррелированные спектральные составляющие голосового сигнала m·s(t) в верхней и нижней боковых полосах являются амплитудно-искаженными вследствие нелинейности АМ-АМ характеристики. Однако амплитуды спектральных линий и некоррелированные спектральные составляющие голосового сигнала m·s(t) в верхней и нижней боковых полосах обеспечивают четную симметрию относительно частоты несущей. Кроме того, фазы спектральных линий и некоррелированные спектральные составляющие голосового сигнала m·s(t) утрачивают свою нечетную симметрию относительно частоты несущей вследствие нелинейности АМ-РМ характеристики. Таким образом, они больше не являются точно сопряженно-симметричными относительно частоты несущей. Однако они продолжают являться частотно-симметричными относительно частоты несущей.
ISp
rSp
ISp
Tr
rSp
Tr
Tr
1
1
Соответственно, пары спектральных линий голосового сигнала, расположенные симметрично соответственно в верхней и нижней боковых полосах отдельных несущих, не могут быть идентифицированы на основании их амплитуды и фазы, а только на основании их идентичного диапазона частоты относительно частоты соответствующей несущей. Пара спектральных линий на частотах f и f обеспечивает диапазон частоты f-f и f-f относительно частоты f соответствующей несущей, которые никогда не бывают абсолютно идентичными. Для того чтобы идентифицировать пару спектральных линий голосового сигнала, расположенных симметрично относительно несущей, разница между двумя диапазонами частоты сравнивается с первым пороговым значением SW, согласно уравнению (29). Если разница между двумя диапазонами частоты меньше первого порогового значения SW, то существует пара спектральных линий голосового сигнала, расположенных симметрично относительно несущей, которые можно удалить из спектра.
Если отдельные пары спектральных линий, расположенные симметрично относительно спектральных линий несущих и/или интермодуляционных составляющих, так называемые вторые спектральные линии, полностью удаляются из спектра нелинейного модифицированного принятого сигнала, спектральные линии несущей и/или интермодуляционные составляющие, расположенные асимметрично, так называемые первые спектральные линии, однозначно можно выбрать из некоррелированных спектральных составляющих голосового сигнала, а также из допустимого шумового порога.
2
i
i
При наличии сравнительно большого диапазона сигнал-шум соответственно первые спектральные линии существенно отличаются от некоррелированных спектральных составляющих голосового сигнала и допустимого шумового порога, первую спектральную линию можно обнаружить при использовании теста по критерию значимости, если амплитуда первой спектральной линии, согласно уравнению (30), выше второго порогового значения SW, используемого в качестве уровня значимости выше среднего значения Е{x} всех выборочных значений x спектра модифицированного принятого сигнала с удаленными вторыми спектральными линиями.
Если первые спектральные линии существенно не выделяются из шумового порога и некоррелированных спектральных составляющих голосового сигнала, можно использовать циклостационарное обнаружение свойств. Относительно математического обоснования циклостационарного обнаружения свойств рассмотрим уравнения (1)-(9) в заявке на патент США US 2010/0054352 А1.
3
3
3
3
Тест Харке-Бера, который применяется дополнительно или в качестве альтернативного варианта в случае, если первые спектральные линии существенно не выделяются выше шумового порога и некоррелированных спектральных составляющих голосового сигнала, рассчитывает из общих выборочных значений «n» спектра нелинейного модифицированного принятого сигнала с удаленными вторыми спектральными линиями значение Харке-Бера JB, согласно уравнению (31), которое содержит коэффициент асимметрии S, согласно уравнению (32), и коэффициент эксцесса К, согласно уравнению (33). Значение, появляющееся в данном контексте, представляет среднее значение всех выборочных значений n. Значение Харке-Бера JB сравнивается с третьим пороговым значением SW. Если значение Харке-Бера находится выше третьего порогового значения SW, первая спектральная линия находится в спектре модифицированного принятого сигнала. Для относительно высоких значений третьего порогового значения SW, несколько первых спектральных линий могут быть идентифицированы в спектре модифицированного принятого сигнала. Соответствующие значения третьего порогового значения SW необходимо определить при помощи моделирования
В нижеследующем разделе способ в соответствии с изобретением для обнаружения по меньшей мере двух амплитудно-модулированных переданных сигналов, содержащихся в одном принятом сигнале с разным смещением частоты, описывается на основании блок-схемы, изображенной на фиг. 5, и связанное с ним устройство в соответствии с изобретением для обнаружения по меньшей мере двух амплитудно-модулированных переданных сигналов, содержащихся в одном принятом сигнале с разным смещением частоты, подробно описывается на основании блок-схемы, изображенной на фиг. 6.
На первом этапе S10 осуществления способа, после смешивания в боковой полосе частот, принятый сигнал подпадает под действие функции нелинейной обработки сигналов в блоке 1 нелинейной обработки сигналов. Предпочтительно в данном случае используется квадратичная функция обработки сигналов, поскольку она является самой простой в реализации и генерирует спектр модифицированного принятого сигнала, генерируемого при помощи функции нелинейной обработки сигналов, которая предоставляет только спектральные линии второго порядка и принадлежащие ей верхнюю и нижнюю боковые полосы частот.
На следующем этапе S20 осуществления способа спектр модифицированного принятого сигнала определяется в преобразователе 2 Фурье посредством преобразования Фурье. Вместо преобразования Фурье с последующим обнаружением спектральных линий можно также использовать так называемый алгоритм классификации множественных сигналов (MUSIC) или так называемый алгоритм оценки параметров сигнала через методы вращательной инвариантности (ESPRIT), которые основываются на анализе собственных значений ковариационных матриц.
На следующем этапе S30 осуществления способа, спектр модифицированного принятого сигнала ограничивается посредством полосового фильтра 3 диапазонов до частотного диапазона релевантного для проведения дополнительного анализа. Данное ограничение частотного диапазона, которое необходимо проанализировать, зависит от используемой нелинейности.
Если используется квадратичная нелинейность, то полосовой фильтр 3 диапазонов охватывает частотный диапазон, в котором располагаются гармоники и интермодуляционные составляющие второго порядка несущих сигналов для переданных сигналов, содержащихся в модифицированных принятых сигналах и принадлежащих верхней и нижней боковых полосах составляющих голосового сигнала.
При использовании модульной функции в качестве нелинейности, полосовой фильтр 3 диапазонов охватывает частотный диапазон, который является симметричным нулевой частоте и содержит составляющие прямого сигнала и интермодуляционные составляющие первого порядка несущих сигналов для переданных сигналов, содержащихся в модифицированном принятом сигнале и принадлежащих верхней и нижней боковых полосах составляющих голосового сигнала.
При использовании нелинейности высшего порядка, например, кубической функции обработки сигналов, полосовой фильтр 3 диапазонов охватывает частотный диапазон, в котором располагаются гармоники и интермодуляционные помехи соответственно высшего порядка несущих сигналов для переданных сигналов, содержащихся в модифицированном принятом сигнале и принадлежащих верхней и нижней боковых полосах составляющих голосового сигнала.
На следующем этапе S40 осуществления способа, в устройстве для удаления вторых спектральных линий 4 в полосовом ограниченном спектре модифицированного принятого сигнала, спектральные линии принадлежащих составляющим голосового сигнала, расположенные симметрично в принадлежащих верхней и нижней боковых полосах относительно асимметрично расположенных спектральных линий гармоник и интермодуляционных составляющих отдельных несущих сигналов, идентифицируются, а затем удаляются из полосового ограниченного спектра модифицированного принятого сигнала.
1
Эти вторые спектральные линии, которые необходимо удалить, идентифицируются посредством идентификации спектральной линии с наивысшей амплитудой как асимметрично расположенной первой спектральной линии и, соответственно, ее маркировки в качестве таковой, и, относительно спектральной линии со следующей наименьшей амплитудой, посредством последующего поиска дополнительной спектральной линии, диапазоны смещения частот которых отличаются в каждом случае максимально, согласно уравнению (29), от смещения частоты спектральной линии с наивысшей амплитудой посредством надлежащим образом выбранного первого порогового значения SW и соответственно предоставляют примерно идентичные диапазоны смещения частот относительно смещения частоты спектральной линии с наивысшей амплитудой. Затем пара симметричных, вторых спектральных линий, идентифицированная таким образом, удаляется из полосового ограниченного спектра модифицированного принятого сигнала. После этого дополнительные пары вторых спектральных линий, которые являются симметричными относительно смещения их частоты к смещению частоты спектральных линий с наивысшей амплитудой, выявляются посредством отбора следующей наименьшей спектральной линии из оставшихся спектральных линий и поиска дополнительной спектральной линии, к которой применяется условие идентичности в диапазонах смещения частот, согласно уравнению (29).
После изучения всех спектральных линий на предмет наличия пары спектральных линий, симметричной относительно спектральной линии с наивысшей амплитудой, спектральная линия с самой большой в настоящее время амплитудой выявляется среди всех спектральных линий, остающихся в ограниченном спектре модифицированного принятого сигнала, и не маркированных, как первые спектральные линии, а маркированных, соответственно, как асимметричная первая спектральная линия. Оставшиеся спектральные линии изучаются на предмет наличия пар вторых спектральных линий, симметричных относительно имеющихся в настоящее время, асимметричных, первых спектральных линий. Данный процесс проводится до тех пор, пока все спектральные линии, присутствующие в ограниченном спектре модифицированного принятого сигнала, не будут маркированы как асимметричные, первые спектральные линии или не будут удалены как симметричные, вторые спектральные линии.
Таким образом, все искаженные и/или неискаженные периодические составляющие голосового сигнала каждого переданного сигнала, содержащиеся в модифицированном принятом сигнале, удаляются из ограниченного спектра модифицированного принятого сигнала.
Для того чтобы отделить асимметричные первые спектральные линии от некоррелированных составляющих голосового сигнала, все еще содержащихся в ограниченном спектре модифицированного принятого сигнала, и от наложенного шумового порога проводятся дополнительные статистические тесты в нижеследующих трех этапах S40, S50 и S60 осуществления способа, в ограниченном спектре модифицированного принятого сигнала. Данные статистические тесты можно проводить во всех или только в отдельных случаях. В случае низкого диапазона сигнала-шума, в котором отдельные спектральные линии обычно существенно не проецируются над спектральными составляющими некоррелированных голосовых сигналов и шумовым порогом, необходимо провести только циклостационарное обнаружение свойств на этапе S50 осуществления способа и/или тест Харке-Бера на этапе S60 осуществления способа.
В случае относительно высокого диапазона сигнал-шум, необходимо провести тест по критерию значимости дополнительно или в качестве альтернативного варианта на этапе S40 осуществления способа.
2
2
В случае проведения теста по критерию значимости на этапе S40 осуществления способа, асимметричные первые спектральные линии, маркированные в ограниченном спектре модифицированного принятого сигнала, сравниваются в устройстве 5 для оценки значимости с уровнем значимости SW, согласно уравнению (30), расположенном выше среднего значения Е{.} оставшихся выборочных значений ограниченного спектра. Данное второе пороговое значение SW уровня значимости является произвольно выбираемым значением, которое можно определить, например, посредством моделирования. Если соответствующая асимметричная, первая спектральная линия с амплитудой выше уровня значимости находится выше среднего значения Е{.} оставшихся выборочных значений ограниченного спектра, обнаруживается первая спектральная линия, принадлежащая несущим сигналом переданного сигнала, содержащегося в модифицированном принятом сигнале. Обнаруженная первая спектральная линия, принадлежащая несущим сигналом, в зависимости от используемой нелинейности, располагается на нулевой частоте, на частоте несущей и/или на одной из интермодуляционных частот.
В случае циклостационарного обнаружения свойств на этапе S50 осуществления способа, составляющие периодического сигнала модифицированного принятого сигнала отделяются в циклостационарном детекторе 6 свойств от всех составляющих непериодического сигнала модифицированного принятого сигнала. Таким образом, все первые спектральные линии, содержащиеся в модифицированном принятом сигнале, определяются вместе с их соответствующими частотами. В качестве альтернативного варианта, который также охватывается изобретением, можно выполнить циклостационарное обнаружение свойств на этапе S30 осуществления способа до обнаружения вторых спектральных линий, содержащихся в спектре модифицированного принятого сигнала. В данном случае первые спектральные линии, а также вторые спектральные линии обнаруживаются посредством циклостационарного обнаружения свойств вместе с относящимся к ним частотам.
3
3
В случае теста Харке-Бера на этапе S60 осуществления способа значение Харке-Бера JB для модифицированного принятого сигнала с удаленными вторыми спектральными линиями, которое определяет величину гауссовой составляющей в сигнале при испытании, определяется согласно уравнениям (31)-(33) в устройстве 7 для проведения теста Харке-Бера. Пропорцию спектральных линий, которые не содержат гауссову характеристику и пропорцию спектральных линий с определенным шумом в сигнале, которые обычно удовлетворяют гауссово распределение, можно определить таким образом. Сравнивая значение Харке-Бера JB, определенное при помощи третьего порогового значения SW, можно изучить наличие заданной пропорции спектральных линий в изучаемом сигнале. Следовательно, выбирая третье пороговое значение SW, можно определить наличие первой спектральной линии, или двух, или более первых спектральных линий в модифицированном принятом сигнале с удаленными вторыми спектральными линиями. Тест Харке-Бера также можно провести на этапе S30 осуществления способа до определения вторых спектральных линий, содержащихся в спектре модифицированного принятого сигнала. Это также охватывается изобретением. В данном случае первые спектральные линии, а также вторые спектральные линии в модифицированном принятом сигнале можно обнаружить при помощи теста Харке-Бера.
На следующем этапе S70 осуществления способа, все первые спектральные линии, обнаруженные в предыдущих статистических тестах вместе с их амплитудами, частотами и фазами, объединяются в устройстве для обнаружения многочисленных первых спектральных линий 8. В том же устройстве для обнаружения многочисленных первых спектральных линий 8, определяется на следующем этапе S80 осуществления способа полное отсутствие первых спектральных линий в спектре модифицированного принятого сигнала с удаленными вторыми спектральными линиями и, соответственно, наличие только одного принятого сигнала с шумовым порогом. В противном случае, на следующем этапе S90 осуществления способа в том же устройстве для обнаружения многочисленных первых спектральных линий 8, определяется наличие одной первой спектральной линии в спектре модифицированного принятого сигнала с удаленными вторыми спектральными линиями и, следовательно, только один переданный сигнал, переданный из одного передатчика, присутствует в принятом сигнале, или наличие нескольких первых спектральных линий, обычно три спектральные линии на переданный сигнал, в спектре модифицированного принятого сигнала с удаленными вторыми спектральными линиями и, следовательно, несколько переданных сигналов, переданных, соответственно, одним передатчиком, присутствуют одновременно в принятом сигнале в одном приемном канале.
На последнем этапе осуществления способа S100, если несколько первых спектральных линий были идентифицированы в модифицированном принятом сигнале и, следовательно, несколько переданных сигналов, переданных при помощи передатчика, присутствуют в принятом сигнале, пилоты в отдельном воздушном судне и персонал на наземной станции уведомляются об одновременной передаче нескольких переданных сигналов в одном и том же частотном канале.
В самом простом варианте предупреждения сигнала ложной тревоги в уведомлении нескольких переданных сигналов, содержащихся в одном принятом сигнале, количество выборочных значений принятого сигнала увеличивается. В связи с этим входные блоки выборочных значений нелинейного модифицированного принятого сигнала для осуществления преобразования Фурье могут перекрываться или не перекрываться.
Дополнительный вариант предупреждения сигналов ложной тревоги заключается в объединении результатов отдельных статистических тестов через правило принятия решений. Правило принятия решений может заключаться, например, в том, что несколько переданных сигналов содержатся в модифицированном принятом сигнале, если это определено одновременно при помощи по меньшей мере двух статистических тестов - теста по критерию значимости, циклостационарного обнаружения свойств и теста Харке-Бера. Дополнительное примерное правило принятия решений на предмет наличия нескольких переданных сигналов в модифицированном принятом сигнале будет использоваться, если циклостационарное обнаружение свойств и тест Харке-Бера были проведены для их обнаружения несколько раз подряд.
Третий вариант предупреждения сигналов ложной тревоги предоставляется посредством определения среднего значения первых спектральных линий, обнаруженных, соответственно, в нескольких циклах, и сравнения усредненных первых спектральных линий с усредненным шумовым порогом и/или усредненными оставшимися спектральными линиями, то есть усредненными вторыми спектральными линиями.
Преимущество данного варианта заключается в уменьшении вероятности возникновения сигнала ложной тревоги одновременно с увеличением вероятности обнаружения.
Изобретение не ограничивается представленным вариантом осуществления. В частности, все комбинации всех признаков, заявленных в формуле изобретения, всех признаков, раскрытых в описании, и всех признаков, изображенных на чертежах, также охватываются изобретением. В действительности, способ описан выше с примером амплитудного модулирования, но не ограничивается этим.