Способ выделения полезной составляющей из входного сигнала, содержащего полезную составляющую и шум Российский патент 2022 года по МПК H04B1/10 

Изобретение относится к области измерительной техники - к способам выделения полезного сигнала из входного сигнала, содержащего как полезный сигнал, так и шум. Оно может быть использовано в различных системах фильтрации сигнала в условиях априорной неопределенности.

Известен способ адаптивного и согласованного подавления флуктуационных шумов и сосредоточенных помех, заключающийся в том, что по команде управления устанавливаются необходимые параметры каждой из М антенн приемника широкополосного сигнала (ШПС) и режимы обработки сигнала, далее выполняется многократное преобразование входного сигнала с помощью различных методов (преобразование несущей частоты выходного аналогового широкополосного радиосигнала каждой из М антенн на промежуточную частоту; аналого-цифровое преобразование выходного аналогового широкополосного сигнала каждой из М антенн; перенос на более низкую промежуточную частоту последовательности временных отсчетов оцифрованных с заданной тактовой частотой выходных аналоговых широкополосных сигналов на промежуточной частоте, принятых каждой из М антенн, в максимально возможной заданной полосе входного широкополосного сигнала; преобразование в частотную область текущих временных отсчетов очищенного от помех оцифрованного с заданной тактовой частотой выходного аналогового широкополосного сигнала на промежуточной частоте в сформированной рабочей полосе пропускания канала на соответствующей тактовой частоте путем применения процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ); преобразование во временную область текущих частотных отсчетов скорректированного спектра дополнительно очищенного от узкополосных помех оцифрованного с заданной тактовой частотой выходного аналогового широкополосного сигнала на промежуточной частоте в сформированной рабочей полосе пропускания канала на соответствующей тактовой частоте путем применения процедуры обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ); цифроаналоговое преобразование очищенных от сосредоточенных во времени помех квадратурных составляющих дополнительно очищенного от узкополосных помех оцифрованного с заданной тактовой частотой выходного аналогового широкополосного сигнала на промежуточной частоте в сформированной рабочей полосе пропускания канала на текущей тактовой частоте; аналого-цифровое преобразование очищенных от сосредоточенных во времени помех квадратурных составляющих дополнительно очищенного от узкополосных помех оцифрованного с заданной тактовой частотой выходного аналогового широкополосного сигнала на промежуточной частоте в сформированной рабочей полосе пропускания канала на текущей тактовой частоте), затем используется бланкирование сосредоточенных во времени помех в квадратурных составляющих дополнительно очищенного от узкополосных помех оцифрованного с заданной тактовой частотой выходного аналогового широкополосного сигнала на промежуточной частоте в сформированной рабочей полосе пропускания канала на текущей тактовой частоте [1].

Первый недостаток этого способа заключается в том, что для его реализации необходимо по команде управления установить необходимые параметры каждой из М антенн приемника ШПС и режимов обработки сигнала, что обуславливает необходимость предварительной настройки устройства, реализующего этот способ и, следовательно, снижает эффективность применения этого способа.

Второй недостаток этого способа заключается в том, что этот способ предполагает многократное преобразование входного сигнала с помощью различных методов, что приводит к искажению формы полезного сигнала, повышению сложности устройства, реализующего этот способ и, следовательно, снижению эффективности применения этого способа.

Третий недостаток этого способа заключается в том, что используется бланкирование сосредоточенных во времени помех в квадратурных составляющих дополнительно очищенного от узкополосных помех оцифрованного с заданной тактовой частотой выходного аналогового широкополосного сигнала на промежуточной частоте в сформированной рабочей полосе пропускания канала на текущей тактовой частоте, что, помимо искажения формы полезного сигнала, приводит к снижению помехоустойчивости приема сообщений при уровнях импульсной помехи, сравнимых с уровнем сигнала и, следовательно, снижению эффективности применения этого способа.

Четвертый недостаток этого способа заключается в том, что он предполагает работу исключительно с цифровыми сигналами, что существенно ограничивает область применения этого способа.

Известен также способ выделения полезного сигнала из шумов, заключающийся в фильтрации входного сигнала в области частот, соответствующих спектру полезного сигнала, отличающийся тем, что, по крайней мере, в одной из областей частот, лежащих за пределом спектра полезного сигнала, из входного сигнала выделяют путем фильтрации не менее одного дополнительного сигнала U_д, с помощью которого формируют компенсирующий сигнал U_к, выходной сигнал, U_вых, определяют как: U_вых=U₁-U_K, где U₁ - сигнал, полученный в результате фильтрации входного сигнала в области частот, соответствующих спектру полезного сигнала [2].

Первый недостаток этого способа заключается в том, что он не учитывает возможность искажения формы полезного сигнала в результате реализации этого способа, а имеет своей целью улучшение только одного параметра (повышение отношения сигнал/шум), что существенно ограничивает область применения этого способа.

Второй недостаток этого способа заключается в том, что для его реализации коэффициенты передачи всех используемых фильтров должны быть заранее «выровнены» по максимальному значению коэффициента передачи, что обуславливает необходимость предварительной настройки устройства, реализующего этот способ и, следовательно, снижает эффективность применения этого способа.

Третий недостаток этого способа заключается в том, что для его реализации необходимо использовать блок дополнительных фильтров, что повышает сложность устройства, реализующего этот способ и, следовательно, снижает эффективность применения этого способа.

Известен также способ выделения полезной составляющей из входного сигнала, содержащего полезную составляющую и шум, заключающийся в фильтрации входного сигнала в области частот, соответствующей спектру полезной составляющей сигнала, отличающийся тем, что из входного сигнала выделяется корректирующий сигнал посредством определения периода следования точек во входном сигнале, которые не связаны с полезной составляющей сигнала, выполнении аппроксимации промежуточных значений, масштабировании корректирующего сигнала и итерационном вычитании корректирующего сигнала из входного сигнала [3].

Этот способ выбран в качестве прототипа предложенного решения.

Первый недостаток этого способа заключается в том, что период следования значений входного сигнала, которые не связаны с полезной составляющей сигнала, определяют для всего входного сигнала в целом, не учитывая при этом значение уровня квантования, что обуславливает огрубление результата и, следовательно, снижение эффективности применения этого способа.

Второй недостаток этого способа заключается в том, что в качестве метода получения промежуточных значений корректирующего сигнала используется линейная аппроксимация и масштабирование, что обуславливает неточности в получении значений корректирующего результата, связанные с отсутствием гибкости в обработке, огрублении результата и, следовательно, снижение эффективности применения этого способа.

Задача изобретения - повышение эффективности выделения полезной составляющей из входного сигнала, содержащего полезную составляющую и шум, которые находятся в одном и том же частотном диапазоне, за счет уменьшения или полного устранения искажения формы полезного сигнала одновременно с повышением отношения сигнал/шум.

Это достигается тем, что в способе выделения полезной составляющей из входного сигнала, содержащего полезную составляющую и шум (реализации случайного процесса), заключающемся в фильтрации входного сигнала, в области частот, соответствующей спектру полезной составляющей, для каждого уровня квантования во входном сигнале определяют период следования таких сечений реализации случайного процесса, которые не имеют отношения к полезной составляющей. С помощью этого периода, относительно начального сечения реализации случайного процесса, в качестве которого принимают сечение реализации случайного процесса в момент времени, соответствующий началу наблюдения входного сигнала, определяют такие сечения реализации случайного процесса, которые не имеют отношения к полезной составляющей. Найденные сечения используют в качестве маркера, центрального для области (окна), маскирующей временные области входного сигнала, соответствующие шуму. Совокупность найденных сечений для всех маскированных областей входного сигнала образует шум, с использованием которого реализуют метод вычитания спектров (спектрального вычитания) [4, 5] применительно к входному сигналу, выделяя, таким образом, полезную составляющую.

Способ выделения полезной составляющей из входного сигнала, содержащего полезную составляющую и шум, реализуется следующим образом. Входной сигнал пропускают через фильтр низких частот с граничной частотой ƒ_гр, соответствующей верхней граничной частоте полезной составляющей, и для каждого уровня квантования определяют период следования сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей с помощью выражения:

где:

Τ_i - период следования сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей для i-го уровня квантования;

σ - среднеквадратичное отклонение входного сигнала;

ƒ_гр - верхняя граничная частота полезного сигнала;

H_i - значение i-го уровня квантования, для которого вычисляется значение периода следования сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей.

Период следования сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей, определяют также (в качестве альтернативы) с помощью выражения:

Где:

Τ_i - период следования сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей для i-го уровня квантования;

- максимально возможное значение длительности положительного выброса реализации случайного процесса на i-м уровне квантования;

H_i - значение i-го уровня квантования, для которого вычисляется значение периода следования сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей.

Далее, используя найденные сечения реализации случайного процесса в качестве маркера, расположенного посередине маскирующего окна выполняют маскирование временных областей входного сигнала. Ширину маскирующего окна определяют с помощью выражения:

где:

W - ширина маскирующего окна;

ƒ_д - частота дискретизации;

K - масштабирующий коэффициент, значение которого определяют исходя из требуемой точности выделения полезной составляющей и имеющихся вычислительных ресурсов.

Совокупность всех найденных сечений реализации случайного процесса (для всех уровней квантования) образует шум, который далее используют для реализации метода вычитания спектра (спектрального вычитания) применительно к входному сигналу.

Как пример, рассмотрим в качестве входного сигнала аддитивную смесь синусоидального сигнала частотой 10 Гц (полезная составляющая) и белый шум (Фигура 1). Данный сигнал был записан на оборудовании, позволяющем получить шаг квантования, равный 0.1 мВ, следовательно, во входном сигнале в данном примере присутствует 20000 уровней квантования. Для каждого уровня квантования вычислим значение периода следования сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей, с помощью выражения (1) при условии, что ƒ_гр=10 Гц. Далее, используя найденный период в качестве временного лага, относительно начального сечения реализации случайного процесса в момент времени t=0 для каждого уровня квантования определяем местоположение сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей. Далее, используя найденные сечения реализации случайного процесса в качестве маркера, расположенного посередине маскирующего окна шириной в 10 мс, выполняем маскирование временных областей входного сигнала. Совокупность найденных сечений для всех выделенных областей входного сигнала образует шум, который будем использовать для реализации метода вычитания спектров (спектрального вычитания) (Фигура 2). В данном случае отношение сигнал/шум повысилось на 50% и при этом не наблюдается искажение формы сигнала, наоборот, на отдельных участках можно видеть, что форма результирующего сигнала приближается к форме идеального синусоидального сигнала (полезной составляющей).

Источники информации:

1. Патент РФ №2539573.

2. Патент РФ №2480897.

3. Патент РФ №2658171 - прототип.

4. S.F. Boll, «Suppression of Acoustic Noise in Speech Using Spectral Subtraction», IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol. ASSP-27, April 1979, pp, 113-120.

5. J.S. Lim and A.V. Oppenheim, «Enchancement and Bandwidth Compression of Noisy Speech», Proceedings of the IEEE, Vol. 67, No. 12, December 1979, pp. 1586-1604.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к выделению полезного сигнала из входного сигнала, содержащего как полезную составляющую, так и шум в различных системах фильтрации сигнала в условиях априорной неопределенности. Техническим результатом является повышение эффективности выделения полезной составляющей из входного сигнала, содержащего полезную составляющую и шум, которые находятся в одном и том же частотном диапазоне, за счет уменьшения или полного устранения искажения формы полезного сигнала одновременно с повышением отношения сигнал/шум. Для этого при фильтрации входного сигнала в области частот, соответствующей спектру полезной составляющей сигнала, для каждого уровня квантования во входном сигнале определяют период следования таких сечений реализации случайного процесса, которые не имеют отношения к полезной составляющей, с помощью которого, относительно начального сечения реализации случайного процесса, в качестве которого принимают сечение реализации случайного процесса в момент времени, соответствующий началу наблюдения входного сигнала, определяют такие сечения реализации случайного процесса, которые не имеют отношения к полезной составляющей, используют их в качестве маркера, центрального для области (окна), маскирующей временные области входного сигнала, соответствующие шуму, совокупность которых образует шум, и реализуют метод вычитания спектров (спектрального вычитания) применительно к входному сигналу. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ выделения полезной составляющей из входного сигнала, содержащего полезную составляющую и шум (реализации случайного процесса), заключающийся в фильтрации входного сигнала в области частот, соответствующей спектру полезной составляющей сигнала, отличающийся тем, что для каждого уровня квантования во входном сигнале определяют период следования таких сечений реализации случайного процесса, которые не имеют отношения к полезной составляющей, с помощью которого, относительно начального сечения реализации случайного процесса, в качестве которого принимают сечение реализации случайного процесса в момент времени, соответствующий началу наблюдения входного сигнала, определяют такие сечения реализации случайного процесса, которые не имеют отношения к полезной составляющей, используют их в качестве маркера, центрального для области (окна), маскирующей временные области входного сигнала, соответствующие шуму, совокупность которых образует шум, и реализуют метод вычитания спектров (спектрального вычитания) применительно к входному сигналу.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что период следования сечений реализации случайного процесса, которые не имеют отношения к полезной составляющей, определяется с помощью выражения:

,

где T_i - период следования сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей для i-го уровня квантования;

σ - среднеквадратичное отклонение входного сигнала;

ƒ_гр - верхняя граничная частота полезного сигнала;

H_i - значение i-го уровня квантования, для которого вычисляется значение периода следования сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что период следования сечений реализации случайного процесса, которые не имеют отношения к полезной составляющей, определяется с помощью выражения:

,

где T_i - период следования сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей для i-го уровня квантования;

- максимально возможное значение длительности положительного выброса реализации случайного процесса на i-м уровне квантования;

H_i - значение i-го уровня квантования, для которого вычисляется значение периода следования сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей.