ОБНАРУЖИТЕЛЬ УЗКОПОЛОСНЫХ ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 1995 года по МПК G01S7/292 G01S13/02 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для обнаружения однокомпонентных сигналов в заданной полосе частот при отсутствии априорной информации о статических свойствах помех. При этом под однокомпонентным сигналом поднимается сигнал, характеризуемый гладкими функциями огибающей и полной фазы (например, сигналы амплитудной, частотной и фазовой модуляции).

Принципы построения обнаружителей сигнала в шумах в условиях априорной неопределенности подробно рассмотрены в [1 и 2] Известны обнаружители, основанные на оценках спектра мощности сигнала, полученных в результате взвешенного дискретного преобразования Фурье, которое реализуется набором из N узкополосных фильтров. Основным недостатком таких устройств является низкая вероятность правильного обнаружения при малых отношениях мощностей сигнала и шума.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является обнаружитель сигналов последовательно-параллельного типа, который имеет широкополосный тракт (ШПТ), смеситель с гетеродином и N узкополосных параллельных каналов, опрос которых осуществляется последовательно. Решение о наличии или отсутствии сигнала принимается на основе критерия Неймана-Пирсона. К основным недостаткам данной схемы прежде всего следует отнести низкую помехоустойчивость обнаружения. При соотношениях мощностей сигнала и шума на входе обнаружителя ниже 10 дб вероятность обнаружения составляет величину менее 0,2. Таким образом, недостатком прототипа является низкая помехоустойчивость обнаружения, особенно при отношениях мощности сигнала и шума меньше 10 дБ.

Цель изобретения повышение помехоустойчивости обнаружения за счет использования свойства совместных частотно-временных распределений активной мощности по локализации энергии узкополосного однокомпонентного сигнала вдоль траектории мгновенной частоты на частотно-временной плоскости.

Предлагаемое устройство использует совместное частотно-временное распределение активной мощности, представляющее собой реальную часть комплексного распределения мощности Рихачека, определяемое выражением
P_a(f_i,t) Z(t)X(f_i,t)+(t)(f_i,t)
(1) Здесь преобразование Гильберта сигнала Z(t), функции
X(f_i,t)=a(f_i)Cos2πf_it+b(f_i)Sin2πf_it (2)
(f_i,t)=a(f_i)Sin2πf_it-b(f_i)Cos2πf_it, (3) где a(f_i), b(f_i) соответственно четная и нечетная части спектра Фурье реализации сигнала. При этом предполагается, что
Z(t)= A(t)Cosϕ(t), (4) где A(t) амплитуда и ϕ (t) полная фаза сигнала, являются гладкими функциями.

В основе предлагаемого устройства лежит свойство неотрицательности совместных частотно-временных распределений активной мощности сигнала в точках частотно-временной плоскости, соответствующих траектории мгновенной частоты f ϕ (t), т.е.

P_a(f,t) 0 (5)
Вместе с тем для многокомпонентного сигнала, частным случаем которого является шум, когда условие гладкости не соблюдается, свойство (5) не имеет силы. Мощность шума равномерно распределена в пределах анализируемого участка частотно-временной плоскости, т.е.

0≥P_a (f, t) > 0 (6)
Истинную траекторию изменения мгновенной частоты на частотно-временной плоскости можно аппроксимировать кусочно-постоянной функцией (КПФ) с минимально возможным числом интервалов непрерывности. Аналогично КПФ строится и для шумового воздействия. Сравнение КПФ показывает, что при отсутствии сигнала КПФ имеет более ломанный характер.

Зависимость среднего числа интервалов непрерывности КПФ М_ср от коэффициента корреляции шума К для различных Т показывает его стабильность в интервале 0< < K ≅ 0,5. При K > 0,5 шум вырождается в гармоническое колебание. Среднеквадратическое отклонение числа интервалов непрерывности КПФ не превышает 3 при 0< K ≅0,5. Следовательно, в качестве решающей статистики при обнаружении может быть принято число интервалов непрерывности аппроксимирующей КПФ. Тогда решающее правило для построения алгоритма энергетического обнаружителя можно представить в виде
H , (7) где H₁, H₀ решение соответственно о наличии или отсутствии сигнала,
M число интервалов непрерывности КПФ,
M_n порог принятия решения, зависящий от T.

На чертеже представлена структурная схема предлагаемого устройства. Она содержит широкополосный тракт ШПТ 1, смеситель 2, гетеродин 3, N узкополосных каналов обработки, каждый из которых состоит из узкополосного фильтра 4, линии задержки 5, двух умножителей 7 и 9, двух фазовращателей на π /2 6 и 8, сумматора 10, ключа 11, компаратора 12, триггера 13, входового элемента ИЛИ 14, счетчика числа интервалов непрерывности 15, ключа 16, порогового блока 17, генератора временных интервалов 18, элемента И-НЕ 19, линии задержки 20.

Обнаружитель работает следующим образом.

С выхода смесителя 2 сигнал параллельно подается на входы фильтров 4 и линий задержки 5 всех N каналов. Частоты настройки и полосы пропускания фильтров 4 подбираются так, чтобы узкополосных фильтров 4 перекрывали всю заданную полосу частот в которой осуществляется обнаружение сигнала. На выходе фильтра 4 имеем процесс, определяемый выражением (2), который поступает на умножитель 7 и фазовращатель 6. На второй вход умножителя 7 поступает сигнал от смесителя 2, задержанный в линии задержки 5. Время задержки определяется временем установления колебания в фильтре 4. На выходе фазовращателя 6 имеем процесс вида (3), который поступает на вход умножителя 9, на второй вход которого через фазовращатель 8 подается сигнал, сопряженный по Гильберту с линии задержки 5. Сигналы с выходов умножителей 7 и 9 складываются в сумматоре 10, на выходе которого имеем значение активной мощности на i-й частоте. Оно подается через ключ 11 на вход компаратора 12, реализующего правило (4), которое вырабатывает положительный импульс при первом отрицательном значении активной мощности. Этот импульс поступает на вход записи нуля триггера 13, который подает нулевой потенциал на управляющий вход ключа 11, прекращая поступление сигнала на компаратор 12 и на i-тый вход N-входового элемента 14, исключая i-й узкополосный канал из дальнейшей обработки до поступления управляющего импульса. Управляющий импульс вырабатывается элементом И-НЕ 19 при окончании самого длинного интервала непрерывности по одному из каналов (с выхода элемента ИЛИ 14) или по завершению периода обнаружения (с генератора временных интервалов 18). Управляющий импульс одновременно открывает ключ 11 во всех узкополосных каналах. При окончании самого длительного интервала непрерывности логический элемент ИЛИ 14 подает нулевой потенциал на элемент И-НЕ 19 и на счетчик 15 числа интервалов непрерывности, изменяя его состояние на единицу. При окончании периода обнаружения генератор временных интервалов 18 вырабатывает импульс нулевого потенциала который поступает на ключ 16, линию задержки 20 и элемент И-НЕ 19. Ключ 16 открывается и показания счетчика числа интервалов непрерывности 15 в параллельном коде сравниваются в пороговом блоке 17 с устанавливаемым в зависимости от Т значением M_n. Согласно решающего правила (6) принимается решение о наличии сигнала. Линия задержки 20 необходима для задержки момента обнуления счетчика 15 на время принятия решения пороговым блоком 17.

Использование: обнаружение сигналов. Сущность изобретения: обнаружитель содержит один широкополосный тракт 1, один смеситель 2, один гетеродин 3, N узкополосных каналов обработки, включающих один узкополосный фильтр 4, две линии задержки 5, 20, два фазовращателя 6, 8, два умножителя 7, 9, один сумматор 10, один ключ 11, один компаратор 12 и один триггер 13, один элемент ИЛИ 14, один счетчик числа интервалов непрерывности 15, один ключ 16, один пороговый блок 17, один генератор временных интервалов 18, один элемент И-НЕ 19. 1-2-5-7-10-11-12-13-14-15-16-17, 2-4-6-9-10, 18-20-15, 14-19-13, 5-8-9, 3-2. 1 ил.

ОБНАРУЖИТЕЛЬ УЗКОПОЛОСНЫХ ОДНОКОМПОНЕНТНЫХ СИГНАЛОВ, содержащий последовательно соединенные широкополосный тракт и смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, и N узкополосных каналов обработки, каждый из которых включает узкополосный фильтр, при этом выход смесителя соединен с входом узкополосного фильтра каждого из N каналов обработки, отличающийся тем, что в каждый из N каналов обработки введены первая линия задержки, первый и второй перемножители, первый и второй фазовращатели на π/2, сумматор, первый ключ, компаратора и триггер, кроме того, введены N-входовой элемент ИЛИ, элемент И НЕ, счетчик числа интервалов непрерывности, пороговый блок и генератор временных интервалов, вторая линия задержки и второй ключ, при этом вход первой линии задержки объединен с входом узкополосного фильтра, а выход соединен с первым входом первого перемножителя и входом первого фазовращателя на π/2, выход узкополосного фильтра соединен с входом второго фазовращателя на π/2 и вторым входом первого перемножителя, выходы первого и второго фазовращателей на π/2 соединены с первым и вторым входами второго перемножителя соответственно, выходы первого и второго перемножителей соединены с первым и вторым входами сумматора, выход которого соединен с входом первого ключа, выход которого соединен с первым входом компаратора, второй вход которого является входом нулевого потенциала, выход компаратора соединен с входом записи нуля триггера, выход которого является выходом узкополосного канала обработки и соединен с управляющим входом первого ключа и соответствующим входом N-входового элемента ИЛИ, выход которого соединен со счетным входом счетчика числа интервалов непрерывности и первым входом элемента И НЕ, выход счетчика числа интервалов непрерывности соединен с первым входом второго ключа, выход которого соединен с первым входом порогового блока, второй вход которого является входом кода порога принятия решения, выход генератора временных интервалов соединен с вторым входом элемента И НЕ, входом второй линии задержки и управляющим входом второго ключа, выход второй линии задержки соединен с входом начальной установки счетчика числа интервалов непрерывности, выход элемента И НЕ соединен с входом записи единицы триггера каждого из N узкополосных каналов обработки, а выход порогового блока является выходом обнаружителя.