СПОСОБ РАСПОЗНАВАНИЯ ЧАСТОТНО-МАНИПУЛИРОВАННЫХ РАДИОСИГНАЛОВ Российский патент 2013 года по МПК G01S13/52 

Изобретение относится к распознаванию образов, в частности к распознаванию вида модуляции радиосигналов, и может быть использовано в автоматизированных технических средствах распознавания сигналов.

Известен способ обнаружения частотно-модулированного сигнала с неизвестными параметрами [1], основанный на определении максимума модуля корреляционной суммы выборок опорного и входного сигналов в пространстве параметров: частота сигнала и ее производная. Выборки сигналов разбивают на сегменты одинаковой длины, вычисляют отсчеты дискретного преобразования Фурье сегментов, вычисляют корреляционные суммы путем суммирования отсчетов дискретного преобразования Фурье сегментов, умноженных на комплексные коэффициенты, определяют максимум модуля корреляционной суммы и сравнивают его значение с порогом.

Недостатком данного способа является относительно низкая вероятность правильного распознавания Р_пр частотно-модулированных радиосигналов при низком отношении сигнал/шум и значительные вычислительные затраты за счет необходимости формирования опорных сигналов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является известный способ распознавания частотно-манипулированных (ЧМ) радиосигналов с неизвестными параметрами [2], включающий аналого-цифровое преобразование входного сигнала, вычисление амплитудного спектра для выборки сигнала заданной длины, определение положения частотных составляющих в спектре радиосигнала, фильтрацию частотных составляющих спектра, вычисление их огибающих, расчет коэффициента взаимной корреляции r между ними, принятие решения об отнесении принятого сигнала к классу частотно-манипулированных на основе сравнения r с предварительно заданным пороговым значением.

По сравнению с предыдущим способом в способе-прототипе повышена вероятность правильного распознавания Р_пр частотно-манипулированных радиосигналов при воздействии шума и помех и сокращено время процесса распознавания за счет использования в качестве основного признака значения коэффициента взаимной корреляции между огибающими отдельных частотных составляющих сигнала.

Недостатками способа-прототипа являются:

1. Распознавание ограниченного числа ЧМ радиосигналов (ЧМ с двумя позициями частоты (ЧМ2) и двойная ЧМ2). Это следует из описания способа-прототипа.

2. Низкая вероятность правильного распознавания ЧМ радиосигналов с количеством частотных составляющих более двух. Применение способа-прототипа для распознавания данных радиосигналов приводит к значительному снижению вероятности их правильного распознавания. На фиг.1 представлен график зависимости вероятности правильного распознавания частотно-манипулированных сигналов Р_пр по способу-прототипу от общего количества частотных составляющих М. Снижение Р_пр обусловлено уменьшением корреляции между огибающими двух отдельных частотных составляющих при увеличении их общего числа. На фиг.2 представлен график зависимости коэффициента взаимной корреляции r между двумя огибающими отдельных частотных составляющих от общего числа частотных составляющих ЧМ радиосигнала. Теоретические расчеты проведены в соответствии с формулой 1 [3, стр.171]:

$$r_{xy}=\frac{K_{xy}}{{\sigma }_x{\sigma }_y},\text{ (1)}$$

где: $$K_{xy}={\displaystyle \sum _i{\displaystyle \sum _j(x_i-m_x)(y_i-m_y)p_{ij}}}$$ - корреляционный момент;

x_i и y_j - дискретные значения случайных величин Х и Y;

m - среднее значение;

σ - среднее квадратическое отклонение;

p_ij - вероятность принятия значения (x_i, y_j);

3. Большие вычислительные затраты при распознавании ЧМ радиосигналов. Это обусловлено выполнением следующих операций: фильтрация и вычисление огибающих всех определенных (обнаруженных) частотных составляющих, удаление постоянной составляющей из огибающих, вычисление коэффициента взаимной корреляции между всеми парами огибающих, инверсия одной огибающей в каждой паре при вычислении коэффициента взаимной корреляции.

Достигаемым техническим результатом заявленного способа является расширение класса распознаваемых частотно-манипулированных радиосигналов, повышение вероятности правильного распознавания частотно-манипулированных радиосигналов с количеством частотных составляющих от 4 и более, а также сокращение времени их распознавания.

Для достижения указанного технического результата в способе распознавания частотно-манипулированных сигналов выполняется аналого-цифровое преобразование входного сигнала, вычисление амплитудного спектра для выборки сигнала заданной длины, оценивание положения и ширины спектра радиосигнала, фильтрация радиосигнала по спектру на две равные части, вычисление огибающих фильтрованных компонент, расчет коэффициента взаимной корреляции для полученных огибающих, принятие решения об отнесении принятого сигнала к классу частотно-манипулированных на основе сравнения вычисленного коэффициента взаимной корреляции с предварительно заданным пороговым значением.

Общими признаками прототипа и предлагаемого способа являются аналого-цифровое преобразование входного сигнала, вычисление амплитудного спектра для выборки сигнала заданной длины, определение положения частотных составляющих в спектре радиосигнала, фильтрация частотных составляющих спектра, вычисление их огибающих, расчет коэффициента взаимной корреляции r между ними, принятие решения об отнесении принятого сигнала к классу частотно-манипулированных на основе сравнения вычисленного коэффициента r с предварительно заданным пороговым значением r_пор.

Отличительными признаками предлагаемого способа от прототипа являются:

1. Оценивание положения и ширины спектра радиосигнала.

2. Фильтрация радиосигнала по спектру на две равные части.

3. Вычисление огибающих фильтрованных частей радиосигнала без удаления постоянной составляющей и инверсии.

4. Коэффициент взаимной корреляции r рассчитывается для одной пары огибающих.

5. В качестве условия для принятия решения используется r<r_пор.

Технический результат, - расширение класса распознаваемых ЧМ радиосигналов и повышение вероятности правильного распознавания ЧМ радиосигналов с количеством частотных составляющих от 4 и более, достигается за счет использования свойства ЧМ радиосигналов, заключающегося в том, что в отсчетный момент времени сигнал присутствует только на одной частоте. Это позволяет рассматривать ЧМ сигнал как сумму амплитудно-манипулированных сигналов с различными радиочастотами. Вычисление общей огибающей нескольких частотных составляющих приводит к содержанию в ней посылок всех включенных частотных составляющих. Это обусловлено тем, что при вычислении огибающей сигнала радиочастота устраняется.

Таким образом, пару общих огибающих, каждая из которых содержит сумму огибающих отдельных частотных составляющих, можно получить делением ЧМ сигналов по спектру на две части. При этом моментам времени единичного напряжения в одной огибающей всегда соответствуют моменты времени нулевого напряжения в другой. Вследствие этого корреляция между полученными огибающими фильтрованных компонент ЧМ сигнала будет отрицательной и в отсутствие шума r→-1.

Технический результат, - сокращение времени распознавания ЧМ радиосигналов, достигается за счет уменьшения числа производимых вычислительных операций. В частности, фильтрация радиосигнала выполняется по спектру только на две части (а не по количеству частотных составляющих), вычисление огибающих фильтрованных частей радиосигнала осуществляется без удаления постоянной составляющей и инверсии, коэффициент взаимной корреляции рассчитывается для одной пары огибающих, сравнение с пороговым значением осуществляется одни раз. Условие принятия решения имеет вид r<r_пор.

Проведенный анализ уровня существующей техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют. Это указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности «новизна». Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Способ поясняется иллюстрациями, на которых представлены:

фиг.3 - обобщенная структурная схема распознавания;

фиг.4 - амплитудный спектр сигнала ЧМ8 и полосы пропускания фильтров;

фиг.5 - огибающие фильтрованных компонент сигнала ЧМ8;

фиг.6 - график зависимости Р_пр частотно-манипулированных сигналов от ОСШ на длительности десяти посылок.

Способ распознавания частотно-манипулированных сигналов состоит из следующих этапов (фиг.3):

Этап 1. Аналого-цифровое преобразование входного сигнала. Может осуществляться, например, на основе способа квадратурной дискретизации [4, стр.154].

Результатом квадратурной дискретизации является цифровой сигнал S[t], представляющий собой последовательность комплексных отсчетов входного аналогового сигнала S(t).

Этап 2. Вычисление амплитудного спектра для выборки сигнала заданной длины. Может осуществляться, например, на основе быстрых алгоритмов дискретного преобразования Фурье [4, стр.294]. Длина выборки n рассчитывается по формуле 2:

$$n=2^k,\text{ (2)}$$

где: k - целое положительное число. Значение k выбирается из условия того, чтобы вероятность совместного появления нулевых и единичных посылок на длительности выборки была не ниже 0,95. Такая вероятность обеспечивается на длине выборки в шесть элементарных посылок (вероятность совместного появления нуля и единицы составляет 0,96875). Например, при скорости манипуляции В=10 бод и частоте дискретизации 8 кГц n=8192 и k=13. Результатом дискретного преобразования Фурье является последовательность комплексных отсчетов. Амплитудный спектр цифрового сигнала S[t] вычисляется как модуль комплексного числа и представляет собой последовательность вещественных отсчетов S[f].

Этап 3. Оценивание положения и ширины спектра радиосигнала Δf_с. Может осуществляться, например, методами отношения мощностей или измерения по уровню L дБ [5, стр.199]. В первом случае Δf_c определяется как ширина занимаемой полосы частот радиоизлучения, за пределами которой излучается заданная часть общей средней мощности радиопередатчика (обычно излучаемые мощности за нижним и верхним пределами занимаемой полосы полагают одинаковыми и выбирают 0,5%). Во втором случае за ширину полосы частот излучения принимается зона, за пределами которой любая составляющая спектра, по крайней мере, на L дБ меньше предварительно заданного опорного уровня (для ЧМ сигналов L устанавливается по уровню неманипулированной несущей или 0 дБ). Результатом оценивания занимаемой полосы частот являются нижняя f_н и верхняя f_в частоты радиоизлучения, которые характеризуют его положение на оси частот. Ширина спектра радиосигнала рассчитывается как Δf_c=f_в-f_н.

Этап 4. Фильтрация радиосигнала по спектру на две равные части Δf₁ и Δf₂ (фиг.4). Может выполняться, например, в частотной области путем подавления спектральных составляющих, не попадающих в оцененную ширину спектра радиосигнала Δf_c. Так как фильтрация радиосигнала осуществляется по спектру на две равные части, то подавляются составляющие от начальной спектральной составляющей до f_н и от (f_н+f_в)/2 до последней спектральной составляющей для полосы Δf₁, для полосы Δf₂ - от начальной спектральной составляющей до (f_н+f_в)/2 и от f_в до последней спектральной составляющей. Ширина полос пропускания рассчитывается по формуле 3:

$$\Delta f_{\mathrm{1,2}}=\frac{1}{2}\Delta f_{с}.\text{ (3)}$$

Полосы пропускания выбираются одинаковыми из условия того, чтобы вероятность проявления составляющих ЧМ радиосигнала и отношение сигнал/шум (ОСШ) в каждой из полос были соответственно одинаковыми. Результатом фильтрации являются две последовательности отсчетов первой U₁[f] и второй U₂[f] половин спектра радиосигнала.

Этап 5. Вычисление огибающих фильтрованных компонент (фиг.5). Может осуществляться, например, на основе амплитудного детектирования или преобразования Гильберта [4, стр.512, 276]. Результатом являются две последовательности отсчетов огибающих U₁[t] и U₂[t], фильтрованных по спектру частей радиосигнала. На фиг.5 U₁[t] и U₂[t] для наглядности разнесены по напряжению.

Этап 6. Расчет коэффициента взаимной корреляции r между двумя полученными огибающими U₁ и U₂ выполняется по формуле (4) [3, стр.171].

$$r=\frac{{\displaystyle \sum \left(U_1[i]-{\overline{U}}_1\right)\left(U_2[i]-{\overline{U}}_2\right)}}{\sqrt{{\displaystyle \sum {\left(U_1[i]-{\overline{U}}_1\right)}^2{\displaystyle \sum {\left(U_2[i]-{\overline{U}}_2\right)}^2}}}}\text{ (4)}$$

где: $${\overline{U}}_1$$ и $${\overline{U}}_2$$ - средние значения огибающих U₁ и U₂ соответственно.

Этап 7. Сравнение коэффициента взаимной корреляции r с пороговым значением r_пор. Величина r между огибающими может изменяться в пределах от -1 (ЧМ сигнал) до 0. Поэтому пороговое значение было рассчитано по критерию идеального наблюдателя и составляет -0,5.

Этап 8. Принятие решения об отнесении принятого сигнала к классу частотно-манипулированных. Решение принимается при выполнении условия r<r_пор.

Исследование возможности осуществления предложенного способа проведено на электронно-вычислительной машине (ЭВМ) по методу статистических испытаний Монте-Карло.

Этап 1 реализовался аналого-цифровым преобразователем (звуковой картой) ЭВМ. Ввод сигналов в ЭВМ осуществлялся на низкой частоте.

Для реализации этапов 2…8 разработано программное обеспечение на языке программирования C++ с использованием интегрированной среды разработки Visual Studio 2008.

В ходе эксперимента выполнялось распознавание ЧМ радиосигналов диапазона высоких частот с различными модуляционными параметрами в полосе анализа 4 кГц. Результаты экспериментов представлены на фиг.6. Вероятность правильного распознавания ЧМ сигналов (ЧМ2, 4, 8, 16, 32, 64) при ОСШ 6 дБ составляет 0,95 (при применении способа-прототипа для распознавания сигналов ЧМ4, 8, 16, 32, 64 в отсутствие шума Р_пр уменьшается от 0,843 до нуля). Данная величина вероятности правильного распознавания обеспечивается на длине выборки анализируемого сигнала в 10 посылок, что для модуляционных скоростей от 10 до 300 бод составляет от 0,02 до 0,6 секунды.

Время распознавания определяется временными затратами каждой вычислительной операции. Так для способа-прототипа время распознавания t_p определяется следующими составляющим:

$$t_p=t_{в.с.}+t_{оц}+M{t}_{ф}+M{t}_{ог}+M{t}_{п.с.}+I{t}_{инв}+K{t}_r+K{t}_{ср}\text{ (5)}$$

где: t_в.с. - время вычисления амплитудного спектра;

t_оц - время оценивания положения частотных составляющих;

t_ф - время фильтрации одной частотной составляющей;

t_ог - время вычисления огибающей одной фильтрованной компоненты;

t_п.с. - время удаления постоянной составляющей из одной огибающей;

t_инв - время инверсии одной огибающей;

t_r - время расчета r между одной парой огибающих;

t_ср - время сравнения одного рассчитанного r с пороговым значением;

М - общее количество частотных составляющих;

I - количество инвертированных огибающих;

K - количество раз расчета коэффициента взаимной корреляции.

При распознавании по заявленному способу время распознавания t'_p определяется следующими составляющими:

$$t{\text{'}}_p=t_{в.с.}+t_{оц}+2t_{ф}+2t_{ог}+t_r+t_{ср}\text{ (6)}$$

В формуле 6 отсутствуют временные составляющие t_п.с. и t_инв, a составляющие t_ф, t_ог, t_r, t_ср не зависят от общего количества частотных составляющих сигнала. В самом простом случае, когда распознаванию подвергается только радиосигнал ЧМ2 (без помех), t_р будет превышать t'_р на 2t_п.с.+t_инв, в общем случае - на (М-2)t_ф+(М- 2)t_ог+Mt_п.с.+It_инв+(K-1)t_r+(K-1)t_ср. Время распознавания ЧМ радиосигналов по заявленному способу t'_p при любом количестве частотных составляющих остается одинаковым и определяется формулой 6.

Таким образом, проведенные экспериментальные исследования подтвердили заявленный технический результат - расширение класса распознаваемых частотно-манипулированных радиосигналов, повышение вероятности правильного распознавания частотно-манипулированных радиосигналов с количеством частотных составляющих от 4 и более, а также сокращение времени их распознавания.

Литература

1. Патент №2154837, Российская Федерация, МПК⁷ G01S 7/285. Способ обнаружения линейно-частотно-модулированного сигнала с неизвестными параметрами. / А.Г.Аганин, А.В.Богданов и др., заявитель и патентообладатель ООО «ОКБ Траверз», заявка №99113134/09 от 16.06.1999, опубликовано 20.08.2000.

2. Патент №2236693, Российская Федерация, МПК⁷ G01S 13/52, G06K 9/00. Способ распознавания частотно-манипулированных радиосигналов с неизвестными параметрами. / А.В.Довгий, В.О.Егурнов и др., заявитель и патентообладатель Военный университет связи, заявка №2003122963/09 от 21.07.2003, опубликовано 20.09.2004.

3. Вентцель Е.С. Теория вероятностей: Учебник для студ. вузов. / Елена Сергеевна Вентцель. - 9-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2003. - 576 с.

4. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов: учеб. пособие. / А.Б.Сергиенко. - 3-е изд. - СПб.: БХВ-Петербург, 2011. - 768 с.

5. Рембовский A.M. Радиомониторинг: задачи, методы, средства. / A.M.Рембовский, А.В.Ашихмин, В.А.Козьмин; под ред. A.M.Рембовского. - М.: Горячая линия - Телеком, 2006. - 492 с.

Изобретение относится к распознаванию образов, в частности к распознаванию вида модуляции радиосигналов, и может быть использовано в автоматизированных технических средствах распознавания сигналов. Сущность способа распознавания частотно-манипулированных радиосигналов заключается в выполнении аналого-цифрового преобразования входного сигнала, вычислении амплитудного спектра для выборки сигнала заданной длины, оценивании положения и ширины спектра радиосигнала, фильтрации радиосигнала по спектру на две равные части, вычислении огибающих фильтрованных компонент, расчете коэффициента взаимной корреляции для полученных огибающих, принятии решения об отнесении принятого сигнала к классу частотно-манипулированных на основе сравнения рассчитанного коэффициента взаимной корреляции с предварительно заданным пороговым значением. Достигаемый технический результат - расширение класса распознаваемых частотно-манипулированных радиосигналов, повышение вероятности правильного распознавания частотно-манипулированных радиосигналов с количеством частотных составляющих от 4 и более, а также сокращение времени их распознавания. 6 ил.

Способ распознавания частотно-манипулированных радиосигналов, включающий аналого-цифровое преобразование входного сигнала, вычисление амплитудного спектра для выборки сигнала заданной длины, определение положения частотных составляющих в спектре радиосигнала, фильтрацию частотных составляющих спектра, вычисление их огибающих, расчет коэффициента взаимной корреляции r между ними, принятие решения об отнесении принятого сигнала к классу частотно-манипулированных на основе сравнения вычисленного коэффициента r с предварительно заданным пороговым значением r_пор, отличающийся тем, что при определении положения частотных составляющих оценивают положение и ширину спектра радиосигнала, при фильтрации частотных составляющих делят спектр на две равные части и огибающие вычисляют только для них, при этом не удаляют постоянную составляющую и не осуществляют инверсии, коэффициент r рассчитывают для полученной пары огибающих и в качестве условия для принятия решения используют r<r_пор.