СПОСОБ ОБРАБОТКИ АДДИТИВНОЙ СМЕСИ СИГНАЛА И БЕЛОГО ШУМА Российский патент 2011 года по МПК H04B15/00 

Изобретение относится к отраслям техники, в которых передача информации осуществляется посредством электрических сигналов в условиях наличия помех, преимущественно изобретение может использоваться в радиолокации и радиосвязи.

Известен способ обработки смеси сигнала и белого шума, заключающийся в частотной фильтрации шума линейными частотными фильтрами с соответствующими решаемой задачи амплитудно-частотными (АЧХ) и фазочастотными характеристиками (ФЧХ). Для получения максимального отношения импульсного сигнала к шуму применяют согласованные с сигналом фильтры. Согласованный фильтр имеет АЧХ с точностью до постоянного множителя, повторяющую амплитудно-частотный спектр (АЧС) сигнала, а его ФЧХ должна быть комплексно-сопряженной с фазочастотным спектром (ФЧС) сигнала [И.С.Гоноровский. Радиотехнические цепи и сигналы. Москва, Соврадио, 1972].

На выходе согласованного фильтра энергетические спектры сигнала и шума становятся одинаковыми, а корреляционная функция шума по форме совпадает с выходным сигналом. Это исключает какую-либо возможность дальнейшей обработки смеси способом линейной фильтрации без ущерба для достигнутого отношения сигнал-шум. По этой причине отношение сигнала к шуму на выходе согласованного фильтра при заданных энергии сигнала и спектральной плотности мощности гауссового шума полагается максимально возможным, а фильтр считается оптимальным по соответствующему критерию и ряду других критериев оптимальности [Справочник по радиолокации. Перевод с английского в 4-х томах, Москва, Соврадио, 1976].

Однако при одинаковых энергетических спектрах слагаемая аддитивной смеси, созданная шумом, и сигнал на выходе согласованного фильтра имеют разную временную структуру, т.е. характер изменения во времени мгновенных значений напряжения. Временная структура сигнала после фильтрации остается известной и при наличии полной априорной информации о сигнале, известной точно, временная структура шума, как и до фильтрации, будет носить случайный характер. Это отличие сигнала от шума в выходной смеси фильтра может и должно быть использовано для дополнительного повышения отношения сигнала к шуму, что и является целью данного изобретения.

Для известного сигнала в отсутствие шума точно известен закон изменения во времени его мгновенных значений напряжения на выходе согласованного фильтра. Знание этого закона позволяет априори определить количество повторяющихся значений напряжения в течение длительности сигнала, их конкретное расположение в сигнале и временные интервалы между ними. У каждого сигнала количество, расположение повторяющихся значений напряжения и интервалы между ними будут разными, что может служить отличительным признаком этого конкретного сигнала. Отклонение от закона изменения его мгновенных значений напряжения является следствием искажающего действия шума. Проведением над реализацией смеси на выходе фильтра операции по проверке выполнения закона изменения мгновенных значений напряжения, соответствующего конкретному сигналу, можно частично разрушить слагаемую аддитивной смеси, созданную шумом, практически не изменив сигнал в смеси. Следствием разрушения слагаемой шума будет расширение его спектра. Фильтрация возникших спектральных составляющих шума приведет к уменьшению средней мощности шума и, как следствие, к повышению отношения сигнала к шуму, что и является целью изобретения. Такая операция осуществима и состоит в следующем.

Реализацию выходной смеси согласованного фильтра дискретизируют по времени на участке длительностью, равной длительности сигнала, прошедшего фильтр. Длительность выборок τ_выб задают равной шагу дискретизации Δt.

Полагая, что начало процесса дискретизации реализации смеси совпадает с моментом появления в ней сигнала, и используя априорную информацию о законе изменения мгновенных значений напряжения сигнала, а также информацию об интервалах между одинаковыми мгновенными значениями напряжения и их положению в сигнале, производят формирование из полученных выборок участка новой реализации смеси. Формирование участка новой реализации начинают после получения последней выборки дискретизируемого участка. Выборки смеси размещают в искусственно формируемой реализации во временной последовательности, отличающейся от той последовательности, в которой они были получены. При задании временной последовательности выборок исходят из необходимости воссоздания сигнала в формируемой реализации (если он присутствовал в составе обрабатываемой смеси) и при этом разрушения в наибольшей степени слагаемой смеси, созданной шумом. Сигнал будет тем точнее воспроизведен, чем меньше шаг и, соответственно, длительность выборки. По этой причине шаг Δt и длительность выборок τ_выб задают минимальными по времени, но при этом учитывают техническую возможность их обеспечения и возникающие сложности их практического использования. Слагаемая аддитивной смеси, созданная шумом, будет тем больше разрушена, а ее спектр будет тем шире и равномерней, чем меньше длительность выборок и чем менее коррелированными будут выборки, стоящие рядом в искусственно сформированном участке реализации. Искусственно сформированную реализацию смеси пропускают через линейный фильтр с прямоугольной П-образной АЧХ и полосой пропускания, равной ширине спектра сигнала, прошедшего согласованный фильтр. На выходе фильтра пиковое значение сигнала уменьшится, но уменьшится несущественно. Причиной уменьшения пикового значения напряжения сигнала будет частичная изрезанность сигнала в искусственно сформированной реализации, сопровождающаяся расширением спектра, и ограничение спектра сигнала фильтром с П-образной АЧХ. Средняя мощность шума на выходе фильтра уменьшится несравненно в большей степени вследствие глубокой изрезанности слагаемой, созданной шумом. Все это даст желаемое повышение отношения сигнала к шуму.

Так как проделанная операция оставляет смесь аддитивной, сигнал в смеси известным, а слагаемую, созданную шумом, случайной, то операцию можно повторять с внесением коррективов, связанных с известным изменением временной структуры сигнала в каждом цикле. Повторять операцию имеет смысл до тех пор, пока будет проявляться в каждом очередном цикле эффект значительного понижения уровня средней мощности слагаемой смеси, созданной шумом, при сравнительно малом понижении пикового значения сигнала.

При несовпадении момента появления сигнала на выходе согласованного фильтра и момента начала процесса дискретизации реализации смеси полное и точное воссоздание сигнала в искусственно формируемой смеси становится невозможным. Сигнал в этом случае будет разрушаться так же, как и слагаемая смеси, созданная шумом. Разрушение сигнала будет тем в большей степени, чем больше временной сдвиг между моментом появления сигнала и моментом начала процесса дискретизации. Поэтому при отсутствии априорной информации о положении сигнала на временной оси с целью достижения эффекта повышения отношения сигнала к шуму обработку реализации выходной смеси согласованного фильтра осуществляют несколькими идентичными каналами. Моменты начала процесса дискретизации в каналах сдвинуты по времени. Величину сдвига τ_сдв определяют из полученного экспериментальным путем графика зависимости пикового значения напряжения сигнала на выходе устройства обработки от величины сдвига момента появления сигнала и момента начала процесса его дискретизации. Амплитуда сигнала на выходе устройства обработки при сдвиге в пределах τ_сдв не должна уменьшаться более чем на 0.1А_макс, где А_макс - пиковое значение сигнала. Требуемое количество каналов обработки определяют из выражения

N≥Т_с/τ_сдв,

где Т_с - длительность сигнала на выходе согласованного фильтра.

Процесс обработки в каждом канале должен повторяться с периодичностью Т_с.

С целью уменьшения требуемого числа каналов обработки без снижения эффекта повышения отношения сигнала к шуму обработку каждого участка в каналах осуществляют также циклически.

В каждом цикле реализуется один и тот же процесс обработки, который описан выше для случая наличия априорной информации о положении сигнала на временной оси, т.е. случая совпадения момента начала дискретизации с моментом появления сигнала в смеси. Отличие состоит только в том, что длительность выборок τ_выб в этом случае задают значительно меньшей шага дискретизации Δt.

Начало каждого очередного цикла смещают относительно предыдущего на время одного шага дискретизации Δt, увеличенного на длительность выборки τ_выб. Количество циклов n задают равным количеству шагов дискретизации в промежутке времени, равном интервалу корреляции сигнала, прошедшего согласованный фильтр, τ_кор и равным количеству выборок, помещающихся в одном шаге дискретизации, т.е.

где n - целое число.

Для того чтобы n было целым числом, варьируют τ_кор (в сторону уменьшения) и τ_выб в сторону увеличения).

Из (1) следует, что шаг дискретизации, длительность выборок и интервал корреляции сигнала должны быть связаны между собой выражением

Момент начала формирования новой реализации из полученных выборок в этом случае должен будет сдвинут относительно момента начала дискретизации поступающей на обработку реализации на время, равное (Т_с+τ_кор). При формировании новой реализации смеси одноименные (по месту их расположения в структуре сигнала) выборки, полученные в разных циклах, будут стыковаться одна с другой в пределах соответствующего их месту в сигнале шага дискретизации.

При циклической обработке требуемое количество каналов обработки N₁ равно

где τ_сдв.ц - величина сдвига моментов начала дискретизации в соседних каналах при циклической обработке.

Величина сдвига τ_сдв.ц определяется заранее из графика, полученного экспериментальным путем и отражающего зависимость пикового значения напряжения сигнала на выходе устройства обработки А_макс от величины сдвига момента появления сигнала и момента начала его дискретизации. При сдвиге в пределах τ_сдв.ц амплитуда сигнала на выходе устройства обработки не должна уменьшаться более чем на 0.1А_макс.

Процесс обработки в каждом канале должен будет повторяться с периодичностью (Т_с+τ_кор).

Сформированные в каждом канале реализации смеси проходят через одинаковые фильтры с прямоугольной П-образной АЧХ. Полоса пропускания фильтров равна ширине спектра сигнала, сформированного в результате описанной выше операции при сдвиге, соответствующем максимальному значению сигнала на выходе устройства обработки.

В качестве примера рассмотрен процесс обработки предлагаемым способом аддитивной смеси прямоугольного видеоимпульса и белого шума в одном канале. Схема устройства обработки и исследование процесса обработки осуществлены, а результаты обработки получены с помощью программы схемотехнического моделирования MicroCap 7.1.6.

Длительность прямоугольного видеоимпульса на входе согласованного фильтра равна 50 мкс (Фиг.1). Сигнал задержан относительно момента начала дискретизации входной смеси на 115 мкс, т.е. находится на втором дискретизируемом участке. На выходе фильтра сигнал имеет вид (Фиг.2), что полностью соответствует теории [Л.С.Гуткин. Теория оптимальных методов радиоприема при флуктуационных помехах. Госэнергоиздат, 1961, стр.48]. Длительность его Т_с=100 мкс.

Интервал корреляции выходного сигнала согласованного фильтра определяют, используя график автокорреляционной функции (Фиг.3), и задают равным

τ_кор=10 мкс.

В этом интервале автокорреляционная функция уменьшается не более чем на 0.1 своего максимума.

Длительность выборки задают τ_выб=0.1 мкс. Тогда шаг дискретизации должен быть равным (из выражения (2)) Δt=1 мкс.

Временная структура сигнала, прошедшего согласованный фильтр (Фиг.2), такова, что каждое его мгновенное значение повторяется только один раз. Поэтому выбирают следующий порядок формирования новой реализации:

а) нечетные выборки будут задерживаться на одно и то же время (T_c+τ_кор);

б) четные выборки будут меняться своими местами в структуре формируемой реализации относительно исходной, и поэтому каждая будет задерживаться на время, соответствующее ей при таком порядке их размещения.

В первом цикле дискретизации на каждом шаге получают по одной выборке длительностью 0.1 мкс. Всего шагов в одном цикле дискретизации участка реализации смеси длительностью 100 мкс будет 100 (т.к. шаг дискретизации равен 1 мкс) и полученных выборок соответственно 100. Все 100 выборок поступают на соответствующие им схемы задержки. Через интервал времени (Δt+τ_выб), т.e. через 1.1 мкс начинается следующий цикл дискретизации с получением новых 100 выборок и т.д. с периодичностью (Δt+τ_выб). Всего циклов 10. В результате проведения 10-ти циклов дискретизации, задержки и последующего суммирования выборок формируется новая реализация, в которой при отсутствии шума формируется сигнал, вид которого представлен на Фиг.4 и Фиг.5.

Фиг.4 - сформированный сигнал;

Фиг.5 - фрагмент сформированного сигнала.

Структурная схема одного канала устройства, реализующего процесс обработки смеси прямоугольного видеоимпульса и шума, представлена на Фиг.7.

Канал состоит из:

1. 50-ти ключей и схем задержки четных выборок 1.

2. Ключа и схемы задержки последовательности нечетных выборок 2.

3. Сумматора 3.

4. Синхронизатора 4.

5. Фильтра нижних частот (ФНЧ) 5.

50 ключей и 50 схем задержки предназначены для получения в каждом цикле 50-ти четных выборок и задержки каждой из них на время, соответствующее установленному порядку их последующего размещения.

Ключ нечетных выборок формирует в каждом цикле, а схема задержки задерживает на время (Т_с+τ_кор) последовательность из 50-ти нечетных выборок.

В сумматоре происходит формирование участка новой реализации.

Синхронизатор обеспечивает заданную последовательность и синхронность работы элементов канала и канала в целом.

ФНЧ предназначен для фильтрации спектральных составляющих шума, возникших в процессе работы схемы.

На Фиг.6 представлена реализация выходного колебания согласованного фильтра при отсутствии шума.

На Фиг.8 и Фиг.9 представлены реализация выходного колебания согласованного фильтра (Фиг.8) и та же реализация после ее обработки предлагаемым способом (Фиг.9) в устройстве (Фиг.7) при наличии шума.

Анализ полученных результатов обработки позволяет сделать вывод, что рассмотренный способ обработки позволяет добиться дополнительного повышения отношения сигнала к шуму в выходной смеси согласованного фильтра, что и является целью данного изобретения.

Техническая реализация способа при современном уровне технологии не представит особых сложностей. Все элементы структурной схемы могут быть осуществлены в цифровом исполнении. Согласованный фильтр и ФНЧ - цифровые фильтры, схемы задержки - регистры. Управление ключами, записью информации в регистры и съемом информации с них осуществляется синхронизатором, выполненным на элементах цифровой техники. Напряжение выборок кодируется АЦП, а обратное преобразование осуществляется ЦАП.

Предлагаемый способ является логическим завершением процесса обработки аддитивной смеси сигнала и белого шума. В результате обработки смеси предлагаемым способом стираются все существенные различия между сигналом и шумом и достигается дополнительное повышение отношения сигнала к шуму в выходной смеси согласованного фильтра. Степень повышения отношения сигнала к шуму зависит от структуры сигнала и будет тем значительней, чем больше его база.

Факт дополнительного повышения отношения сигнала к шуму в выходной смеси согласованного фильтра снимает ранее теоретически установленные и действующие по настоящее время ограничения. Именно поэтому предлагаемый способ является прецедентом, открывающим и реализующим до сих пор неиспользованные возможности борьбы с помехами.

Изобретение относится к отраслям техники, в которых передача информации осуществляется посредством электрических сигналов в условиях наличия помех, преимущественно изобретение может использоваться в радиолокации и радиосвязи. Технический результат - уменьшение средней мощности шума в выходной смеси согласованного фильтра при незначительном понижении пикового значения сигнала, что приводит к дополнительному увеличению отношения сигнала к шуму при тех же энергии сигнала и спектральной плотности мощности шума на входе фильтра. Для этого реализацию выходного колебания фильтра дискретизируют по времени, из выборок, полученных на дискретизируемом участке, формируют участок новой реализации смеси, при этом полученные выборки размещают во временной последовательности, отличающейся от той последовательности, в которой они были получены, момент начала дискретизации смеси, частота дискретизации, длительность выборок и порядок их размещения задают такими, при которых слагаемая сигнала воссоздается в новой аддитивной смеси с известными изменениями, а слагаемая шума разрушается с достигаемой при этом степенью. 1 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Способ обработки аддитивной смеси сигнала и белого шума, заключающийся в фильтрации смеси согласованным с сигналом фильтром, отличающийся тем, что реализацию выходного колебания фильтра дискретизируют по времени, дискретизацию всей реализации осуществляют смежными участками длительностью равными длительности сигнала, прошедшего фильтр, увеличенной на его интервал корреляции, из выборок, полученных на дискретизируемом участке, с задержкой на время не меньшее его длительности формируют участок новой реализации смеси, при этом полученные выборки размещают во временной последовательности, отличающейся от той последовательности, в которой они были получены, момент начала дискретизации смеси, частота дискретизации, длительность выборок и порядок их размещения задают такими, при которых слагаемая сигнала воссоздается в новой аддитивной смеси с известными изменениями, а слагаемая шума разрушается с достигаемой при этом степенью, искусственно сформированную реализацию смеси пропускают через линейный фильтр с прямоугольной П-образной амплитудно-частотной характеристикой и полосой пропускания равной ширине спектра воссозданного сигнала.

2. Способ обработки по п.1, отличающийся тем, что при отсутствии априорной информации о положении сигнала на временной оси обработку выходной смеси согласованного фильтра осуществляют параллельно идентичными каналами, моменты начала дискретизации в соседних каналах сдвигают по времени на величину, предварительно полученную экспериментальным путем, количество параллельных каналов выбирают равным или большим числу временных сдвигов, укладывающихся в пределах длительности сигнала, прошедшего согласованный фильтр.