СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ УЗКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2014 года по МПК H04B1/10 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно - к способам обнаружения узкополосных сигналов на фоне мощных радиоизлучений в условиях априорной неопределенности об их параметрах, и может быть использовано в комплексах радиоконтроля и на линиях радиосвязи.

Известен способ обнаружения по патенту РФ №2419968 от 27.05.2011 г.

Согласно известному способу принимают аналоговый сигнал, оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования. Затем рассчитывают параметры оцифрованного сигнала, для чего разделяют его на две равные последовательности, соответствующие первой и второй половинам оцифрованного сигнала. Затем между этими последовательностями рассчитывают функцию взаимной корреляции и формируют ее спектральное представление путем выполнения над ней преобразования Фурье. Вычисляют пороговое значение уровня шума путем умножения среднего значения компонент спектрального представления на коэффициент Q, который выбирают в интервале Q=3,5-4,5. После чего сравнивают уровень каждой из спектральных компонент с предварительно вычисленным пороговым значением уровня шума. И если хотя бы одна из компонент спектрального представления превысит пороговое значение уровня шума, фиксируют факт обнаружения узкополосного сигнала.

Недостатком этого способа является то, что он не позволяет разделять сигналы в групповом спектре при их обнаружении. В результате факт обнаружения принимается по компонентам самого мощного радиоизлучения из группового спектра.

Известен способ обнаружения узкополосных сигналов, реализованный в обнаружителе сигналов по патенту RU №2110150, С16Н04В 1/10, G01S 7/292 от 23.01.97 г.

В известном способе принимают аналоговый сигнал, оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования. Затем рассчитывают параметры оцифрованного сигнала, для чего формируют оцифрованный сигнал, сдвинутый относительно исходного на один такт. После этого вычисляют коэффициент корреляции и рассчитывают достаточную статистику по формуле. Затем сравнивают рассчитанные параметры оцифрованного сигнала с порогом принятия решения, который вычисляют, используя дополнительную информацию о математическом ожидании обнаруживаемого сигнала, дисперсии шума и рассчитанной величине порогового значения. После чего принимают решение о факте обнаружения сигнала, если рассчитанные параметры оцифрованного сигнала превысят значение порога принятия решения.

Недостатком способа-прототипа является узкая область применения, так как для его реализации необходимо предварительное знание параметров классов обнаруживаемых сигналов и параметра шума.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявленному является способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов, реализованный в патенте РФ №2382495 от 20.02.2010 г.

В ближайшем аналоге принимают входную реализацию в виде аналогового сигнала. Оцифровывают ее, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования. Рассчитывают параметры оцифрованного сигнала, для чего формируют его спектральное представление, путем выполнения над ним преобразования Фурье. После этого рассчитывают пороговый уровень шума путем вычисления удвоенного значения выборочного среднего компонент спектрального представления и сравнивают с ним уровни каждой из спектральной компоненты. По результатам сравнения формируют первую и вторую последовательности, соответственно из спектральных компонент, превысивших пороговый уровень шума и не превысивших его. Затем раздельно суммируют спектральные компоненты, входящие в первую последовательность и во вторую, и вычисляют отношения найденных сумм, которые сравнивают с предварительно заданным пороговым значением. Решение о факте обнаружения сигнала принимают при условии, что отношение найденных сумм превысит предварительно заданное пороговое значение. Причем предварительно заданное пороговое значение для узкополосных сигналов получают экспериментально.

Недостатком способа-прототипа является узкая область применения, так как для его реализации необходимо предварительно вычислять заданное пороговое значение. Кроме того, способ-прототип не позволяет обнаруживать узкополосные сигналы на фоне мощных радиоизлучений в условиях априорной неопределенности об их параметрах.

Целью заявленного технического решения является разработка способа, позволяющего обнаруживать узкополосные сигналы на фоне мощных радиоизлучений в условиях априорной неопределенности об их параметрах.

В первом варианте поставленная цель достигается тем, что в известном способе автоматического обнаружения узкополосных сигналов принимают аналоговый сигнал, оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования. Затем формируют спектральное представление оцифрованного сигнала, рассчитывают пороговый уровень шума, и по результатам сравнения принимают решение о факте обнаружения сигнала. Для расчета порогового уровня шума вычисляют порог ограничения, равный удвоенному значению выборочного среднего модуля компонент спектрального представления оцифрованного сигнала. После чего формируют новую последовательность, в которой учитывают модули компонент спектрального представления оцифрованного сигнала, причем компонентам, превысившим значение порога ограничения, присваивают значение данного порога, а затем из компонент новой последовательности вычисляют пороговый уровень шума, равный удвоенному значению выборочного среднего компонент новой последовательности. А решение о факте обнаружения принимают, если в результате сравнения модули компонент спектрального представления оцифрованного сигнала превысят значения порогового уровня шума.

Во втором варианте поставленная цель достигается тем, что в известном способе автоматического обнаружения узкополосных сигналов принимают аналоговый сигнал, оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования. Затем формируют спектральное представление оцифрованного сигнала, рассчитывают пороговый уровень шума, и по результатам сравнения принимают решение о факте обнаружения сигнала. Для расчета порогового уровня шума вычисляют порог ограничения, равный удвоенному значению выборочного среднего модуля компонент спектрального представления оцифрованного сигнала. После чего формируют новую последовательность, в которой учитывают модули компонент спектрального представления оцифрованного сигнала, не превысивших значение порога ограничения, и уже из компонент новой последовательности вычисляют пороговый уровень шума, равный удвоенному значению выборочного среднего компонент новой последовательности. А решение о факте обнаружения принимают, если в результате сравнения модули компонент спектрального представления оцифрованного сигнала превысят значения порогового уровня шума.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленных вариантах по каждому из вариантов обеспечивается возможность обнаруживать узкополосные сигналы на фоне мощных радиоизлучений в условиях априорной неопределенности об их параметрах за счет расчета порогового уровня шума на основе последовательности, сформированной из модулей компонент спектрального представления оцифрованного сигнала, не превысивших порог ограничения, для первого варианта, и из модулей компонент спектрального представления оцифрованного сигнала, из числа которых были исключены модули компонент превысивших порог ограничения, для второго варианта, что указывает на расширение области применения заявленных способов (вариантов).

Заявленные способы (варианты) поясняются чертежами, на которых показаны:

фиг.1. Временная реализация аналогового сигнала S(t) и временные интервалы {t₁, t₂, …,t_n, …,t_N}, через которые взяты его отсчеты для оцифровки;

фиг.2. Модули спектральных компонент {f_k+a, …, f_k+b, …, f_k, …, f_k+c, …, f_k+d, …, f_K} оцифрованного сигнала |А(f)|, компоненты {f_k+a, …, f_k+b} принадлежат узкополосному маломощному сигналу, компоненты {f_k+c, …, f_k+d} принадлежат мощному радиоизлучению, G₁ - порог ограничения;

фиг.3. Модули спектральных компонент {f_k+a, …, f_k+b, …, f_k, …, f_k+c, …, f_k+d, …, f_K} оцифрованного сигнала |A(f)|, представляющие последовательность компонент, из значений которых вычисляют пороговый уровень шума G₂, G₁ - порог ограничения;

фиг.4. Модули спектральных компонент {f_k+a, …, f_k+b, …, f_k, …, f_k+c, …, f_k+d, …, f_K} оцифрованного сигнала |A(f)|, G₁ - порог ограничения; G₂ - пороговый уровень шума;

фиг.5. Модули спектральных компонент {f_k+a, …, f_k+b, …, f_k, …, f_k+c-1, …, f_k+d+1, …, f_K} оцифрованного сигнала |A(f)|, представляющие последовательность компонент, из значений которых вычисляют пороговый уровень шума G₃, G₁ - порог ограничения.

фиг.6. Модули спектральных компонент {f_k+a, …, f_k+b, …, f_k, …, f_k+c, …, f_k+d, …, f_K} оцифрованного сигнала |A(f)|, G₁ - порог ограничения; G₃ - пороговый уровень шума.

Существующая проблема автоматического обнаружения узкополосных сигналов на фоне мощных радиоизлучений заключается в следующем. Высокая энергетика спектральных компонент мощных радиоизлучений приводит к тому, что рассчитанный пороговый уровень шума превышает величину значений спектральных компонент узкополосных маломощных сигналов. Решение указанной проблемы возможно за счет введения так называемого порога ограничения [Дворников С.В., Дворников С.С. Обнаружение сигналов с высоким различием динамики их амплитуд. // Информационные технологии. 2010. №2. С.56-59].

Реализация заявленных вариантов способа объясняется следующим образом.

В первом варианте

1. Принимают аналоговый сигнал S(t), оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования. Для примера, на фиг.1 показан фрагмент временной реализации аналогового сигнала S(t) и временные интервалы {t₁, t₂,…,t_n,…,t_N}, через которые взяты его отсчеты для последующей оцифровки, здесь N - общее количество дискретных отсчетов. Указанные операции известны и описаны, например, в способе автоматического обнаружения узкополосных сигналов по патенту РФ №2382495 от 20.02.2010 г., а также в [В.Григорьев. Передача сигналов в зарубежных информационно-технических системах. - СПб.: ВАС.1998. стр.83-85].

2. Формируют спектральное представление оцифрованного сигнала. В качестве примера, на фиг.2 показаны модули спектральных компонента $$\left|A\left(f\right)\right|$$ оцифрованного сигнала, где {f_k+a,…,f_k+b,…,f_k,…,f_k+c,…,f_k+d,…,f_K}, здесь K - число спектральных компонент. Процедура формирования спектрального представления оцифрованного сигнала известна и реализуется посредством преобразования Фурье [Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Пер. с англ. - М.: Наука, 1974. стр.148-161].

3. Вычисляют порог ограничения, равный удвоенному значению выборочного среднего модуля компонент спектрального представления оцифрованного сигнала. Выбор порога ограничения G₁ равного

$$G_1=2\cdot \Sigma ,\left(1\right)$$

обоснован в [Патент РФ №2382495 от 20.02.2010 г.].

В (1) $$\Sigma =\frac{1}{K}{\displaystyle \sum _{k=1}^K\left|A\left(f_k\right)\right|}$$ - значение выборочного среднего модуля компонент спектрального представления оцифрованного сигнала; K - количество компонент в преобразовании Фурье. [Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике для научных работников и инженеров. Пер. с англ. - М.: Наука, 1974. стр.610]. Для примера, на фиг.2 показан порог ограничения G₁, рассчитанный по формуле (1) для модулей спектральных компонент спектрального представления оцифрованного сигнала.

4. Формируют новую последовательность, в которую входят модули компонент спектрального представления оцифрованного сигнала, причем компонентам, превысившим значение порога ограничения, присваивают значение данного порога G_l.

Процедуры сравнения величины порога ограничения G₁ и модулей спектральных компонент $$\left|A\left(f_k\right)\right|$$ спектрального представления оцифрованного сигнала, могут быть реализованы в соответствии с [Патент РФ №2382495 от 20.02.2010 г.]. В формируемой новой последовательности $$\left|A1\left(f_k\right)\right|$$ компонентам, превысившим значение порога ограничения G₁ присваивают значения этого порога. Указанную процедуру осуществляют по результатам сравнения величины G_l и текущего значения компонент последовательности $$\left|A\left(f_k\right)\right|$$ . Операции суммирования, вычисления отношения и сравнения известны и могут быть реализованы, например, как изложено в [Патент РФ №2110150, стр.15-16, формула 3 и 4.]. Для примера на фиг.3 изображены компоненты новой последовательности $$\left|A1\left(f_k\right)\right|$$ и нанесенный порог ограничения G₁.

5. Из компонент новой последовательности вычисляют пороговый уровень шума, равный удвоенному значению выборочного среднего компонент новой последовательности. Пороговый уровень шума G₂ можно вычислить в соответствии с выражением (1), подставив вместо значений $$\left|A\left(f_k\right)\right|$$ , значения $$\left|A1\left(f_k\right)\right|$$ . Для примера, на фиг.3 показан пороговый уровень шума G₂ и модули спектральных компонент новой последовательности $$\left|A1\left(f_k\right)\right|$$ .

6. Решение о факте обнаружения принимают, если в результате сравнения модули компонент спектрального представления оцифрованного сигнала превысят значения порогового уровня шум. Операции сравнения известны и могут быть реализованы, например, как изложено в [Патент РФ №2110150, стр.15-16, формула 3 и 4]. Для примера, на фиг.2 изображены компоненты новой последовательности {f_k+a,…,f_k+b}, которые принадлежат узкополосному сигналу. Так как узкополосный сигнал маломощный, то компоненты {f_k+a,…,f_k+b} по уровню ниже порога ограничения G₁. Следовательно, на основании только G₁ нельзя правильно принять решение об обнаружении компонент {f_k+a, …, f_k+b} узкополосного маломощного сигнала на фоне компонент {f_k+c, …, f_k+d} мощного радиоизлучения, поскольку значения компонент {f_k+a, …, f_k+b} ниже уровня порога ограничения G₁. В то же время на фиг.4 компоненты {f_k+a, …, f_k+b} превышают значения порогового уровня шума G₂, что позволяет сделать вывод о достоверном обнаружении узкополосного маломощного сигнала на фоне мощного радиоизлучения при использовании порогового уровня шума G₂ в качестве критерия принятия решения.

Таким образом, благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном варианте достигается цель заявленного технического решения - разработка способа, позволяющего обнаруживать узкополосные сигналы на фоне мощных радиоизлучений в условиях априорной неопределенности об их параметрах.

Во втором варианте.

Пункты 1-3 выполняются аналогично пунктам 1-3 первого варианта.

Отличие во втором варианте заключается в следующем.

4. Формируют новую последовательность, в которую входят модули компонент спектрального представления оцифрованного сигнала, не превысивших значение порога ограничения. Новую последовательность |A2(f_k)| составляют компоненты, значения которых по абсолютному значению меньше величины уровня порога ограничения G₁. Следовательно, в последовательность |A2(f_k)| войдут все компоненты последовательности |A(f_k)|, за исключением компонент {f_k+c, …, f_k+d}, значения которых превысили величину G₁. Формирование новой последовательности |A2(f_k)| можно осуществить по результатам сравнения величины каждой из компонент |A(f_k)| с величиной G₁. Указанные операции известны и описаны в [Патент РФ №2110150 и Патент РФ №2382495 от 20.02.2010 г.]. В качестве примера на фиг.5 изображены компоненты {f_k+a, …, f_k+b, …, f_k, …, f_k+c-1, f_k+d+1, …, f_K} новой последовательности |A2(f_k)| и порог ограничения G₁.

5. Из компонент новой последовательности вычисляют пороговый уровень шума, равный удвоенному значению выборочного среднего компонент новой последовательности. Пороговый уровень шума G₃ можно вычислить в соответствии с формулой (1), используя вместо значений |A(f_k)| значения |A2(f_k)|. Операции суммирования, вычисления отношения и сравнения известны и могут быть реализованы, например, как изложено в [Патент РФ №2110150, стр.15-16, формула 3 и 4]. Для примера, на фиг.5 изображены компоненты новой последовательности |A2(f_k)| и нанесенный пороговый уровень шума G₃.

6. Решение о факте обнаружения принимают, если в результате сравнения модули компонент спектрального представления оцифрованного сигнала превысят значения порогового уровня шум. Операции сравнения известны и могут быть реализованы, например, как изложено в [Патент РФ №2110150, стр.15-16, формула 3 и 4]. Для примера, на фиг.6 изображены компоненты последовательности {f_k+a, …, f_k+b, …, f_k, …, f_k+c, …, f_k+d, …, f_K} и нанесенные пороги. Так как узкополосный сигнал маломощный, то компоненты {f_k+a, …, f_k+b} по уровню ниже порога ограничения G₁. Следовательно, на основании только G₁ нельзя правильно принять решение об обнаружении компонент {f_k+a, …, f_k+b}, поскольку значения {f_k+a, …, f_k+b} ниже уровня порога ограничения G₁. В то же время компоненты {f_k+a, …, f_k+b} превышают значения порогового уровня шума G₃, что позволяет сделать вывод о достоверном обнаружении узкополосного маломощного сигнала на фоне мощного радиоизлучения при использовании порогового уровня шума G₃ в качестве критерия принятия решения.

Таким образом, благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном варианте достигается цель заявленного технического решения - разработка способа, позволяющего обнаруживать узкополосные сигналы на фоне мощных радиоизлучений в условиях априорной неопределенности об их параметрах.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к способам обнаружения узкополосных сигналов на фоне мощных радиоизлучений в условиях априорной неопределенности об их параметрах, и может быть использовано в комплексах радиоконтроля и на линиях радиосвязи. По первому варианту способ заключается в следующем. Принимают аналоговый сигнал, оцифровывают и формируют его спектральное представление. Затем рассчитывают пороговый уровень шума, для чего вычисляют порог ограничения, равный удвоенному значению выборочного среднего модуля компонент спектрального представления. После этого формируют новую последовательность, в которой учитывают модули компонент спектрального представления, не превышающих значение порога ограничения, а компонентам, превысившим его, присваивают значение данного порога. Затем из компонент новой последовательности вычисляют пороговый уровень шума аналогично порогу ограничения. А решение о факте обнаружения принимают, по результатам сравнения величины модуля спектральных компонент и порогового уровня шума. По второму варианту способ отличается тем, что при формировании новой последовательности компонент спектрального представления, в нее не включают те компоненты, величина которых превысила значения порога ограничения. Остальные процедуры реализуются аналогично первому варианту. 2 н.п. ф-лы, 6 ил.

1. Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов, заключающийся в том, что принимают аналоговый сигнал, оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, затем формируют спектральное представление оцифрованного сигнала, рассчитывают пороговый уровень шума, и по результатам сравнения принимают решение о факте обнаружения сигнала, отличающийся тем, что для расчета порогового уровня шума вычисляют порог ограничения, равный удвоенному значению выборочного среднего модуля компонент спектрального представления оцифрованного сигнала, после чего формируют новую последовательность, в которой учитывают модули компонент спектрального представления оцифрованного сигнала, причем компонентам, превысившим значение порога ограничения, присваивают значение данного порога, а затем из компонент новой последовательности вычисляют пороговый уровень шума, равный удвоенному значению выборочного среднего компонент новой последовательности, а решение о факте обнаружения принимают, если в результате сравнения модули компонент спектрального представления оцифрованного сигнала превысят значения порогового уровня шума.

2. Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов, заключающийся в том, что принимают аналоговый сигнал, оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, затем формируют спектральное представление оцифрованного сигнала, рассчитывают пороговый уровень шума, и по результатам сравнения принимают решение о факте обнаружения сигнала, отличающийся тем, что для расчета порогового уровня шума вычисляют порог ограничения, равный удвоенному значению выборочного среднего модуля компонент спектрального представления оцифрованного сигнала, после чего формируют новую последовательность, в которой учитывают модули компонент спектрального представления оцифрованного сигнала, не превысившие значения порога ограничения, а затем из компонент новой последовательности вычисляют пороговый уровень шума, равный удвоенному значению выборочного среднего компонент новой последовательности, а решение о факте обнаружения принимают, если в результате сравнения модули компонент спектрального представления оцифрованного сигнала превысят значения порогового уровня шума.