Способ выделения полезной составляющей из входного сигнала, содержащего полезную составляющую и шум Российский патент 2022 года по МПК H03H9/46 

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_K, 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 корректирующий сигнал фактически представляет собой часть входного сигнала, содержащего полезную составляющую и шум, что обуславливает неизбежное искажение той части полезной составляющей, которая оказалась заключена в корректирующем сигнале, что, следовательно, приводит к снижению 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 полезной составляющей 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, определении во входном сигнале периода следования таких сечений реализации случайного процесса, которые не имеют отношения к полезной составляющей согласно [3] и формировании совокупности найденных сечений входного сигнала, представляющей собой корректирующий сигнал, над корректирующим сигналом выполняют прямое преобразование Фурье и вычисляют его амплитудный спектр. Одновременно с этим выполняют прямое преобразование Фурье над входным сигналом и вычисляют его фазовый спектр. Затем, на основе полученных амплитудного спектра корректирующего сигнала и фазового спектра входного сигнала, выполняют обратное преобразование Фурье, результатом которого становится шумовой сигнал, который масштабируется и вычитается из входного сигнала. Процесс получения шумового сигнала, его масштабирования и вычитания происходит итерационно, причем, количество итераций зависит от требований Заказчика к финальному значению отношения сигнал/шум. В том случае, если достоверно известно, что шум, присутствующий во входном сигнале, имеет определенные статистические характеристики, то в качестве корректирующего сигнала используется шум, сформированный внешним генератором шума с этими статистическими характеристиками. В том случае, если достоверно известно, что шум, присутствующий во входном сигнале, представляет собой сигнал с заранее известными характеристиками, то в качестве корректирующего сигнала используется этот известный сигнал, сформированный внешним генератором сигнала. Во всех перечисленных случаях шумовой сигнал представляет собой результат обратного преобразования Фурье, в котором фазовый спектр взят от входного сигнала, а амплитудный спектр - от корректирующего сигнала. А, поскольку корректирующий сигнал составляет основу шума, присутствующего во входном сигнале, следовательно, за счет «отбрасывания» его исходного фазового спектра и «подмены» на фазовый спектр входного сигнала происходит приведение спектра корректирующего сигнала в соответствие спектру входного сигнала. За счет этого обстоятельства последующее вычитание полученного шумового сигнала из входного сигнала обеспечивает эффективное уменьшение или полное устранение искажения формы полезной составляющей одновременно с повышением отношения сигнал/шум.

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 спектра полезной составляющей, и определяют период следования сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей согласно [3]. Совокупность всех найденных сечений реализации случайного процесса образует корректирующий сигнал.

Далее выполняют прямое преобразование Фурье корректирующего сигнала и вычисляют его амплитудный спектр:

где:

s_K - корректирующий сигнал;

А - амплитудный спектр корректирующего сигнала;

F(s_K) - прямое преобразование Фурье корректирующего сигнала.

Одновременно с этим выполняют прямое преобразование Фурье входного сигнала и вычисляют его фазовый спектр:

где:

s_BX - входной сигнал;

Ф - фазовый спектр входного сигнала;

F(s_ВХ) - прямое преобразование Фурье входного сигнала.

Затем, с помощью полученных амплитудного спектра корректирующего сигнала (1) и фазового спектра входного сигнала (2), выполняют обратное преобразование Фурье, результатом которого становится шумовой сигнал:

где:

s_Ш - шумовой сигнал;

ƒ (A, Ф) - обратное преобразование Фурье на основе амплитудного спектра (1) и фазового спектра (2).

Полученный шумовой сигнал масштабируется и вычитается из входного сигнала. Процедура определения периода следования сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей согласно [3], совокупность которых образует корректирующий сигнал, амплитудного спектра корректирующего сигнала, фазового спектра входного сигнала и, наконец, шумового сигнала с последующим масштабированием и вычитанием шумового сигнала из входного сигнала выполняется итерационно. Количество итераций выбирают исходя из требований Заказчика к финальному значению отношения сигнал/шум.

Как пример, в качестве входного сигнала рассмотрим сигнал аналогового датчика линейного ускорения с выходом по напряжению, выполняющего измерение уровня широкополосной случайной вибрации, со значением отношения сигнал/шум, равным 40 дБ (Фигура 1). Для данного входного сигнала вычислим значение периода следования сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей согласно [3] при условии, что ƒ_гр=100 Гц, спектральная плотность мощности входного сигнала равна а масштабный коэффициент равен 1. Совокупность найденных сечений образует корректирующий сигнал. Далее выполним прямое преобразование Фурье корректирующего сигнала с целью вычисления его амплитудного спектра. Одновременно с этим, выполним прямое преобразование Фурье входного сигнала с целью вычисления его фазового спектра. Далее выполним обратное преобразование Фурье на основе амплитудного спектра корректирующего сигнала и фазового спектра входного сигнала, результатом которого будет шумовой сигнал. Далее, полученный шумовой сигнал вычтем из входного сигнала и будем повторять процедуру определения периода следования сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей согласно [3], совокупность которых образует корректирующий сигнал, амплитудного спектра корректирующего сигнала, фазового спектра входного сигнала и, наконец, шумового сигнала с последующим вычитанием шумового сигнала из входного сигнала до тех пор, пока значение отношения сигнал/шум не составит 60 дБ (Фигура 2), поскольку именно такое значение отношения сигнал/шум требовалось получить согласно заданию Заказчика. Количество итераций, которое обеспечило выполнение требований Заказчика, составило 200 единиц.

Источники информации:

1. Патент РФ №2539573.

2. Патент РФ №2480897.

3. Патент РФ №2658171 - прототип.

Изобретение относится к области измерительной техники. Технический результат - повышение эффективности выделения полезной составляющей из входного сигнала. Для этого предложен способ выделения полезной составляющей из входного сигнала, реализующего случайный процесс, содержащего полезную составляющую и шум, заключающийся в фильтрации входного сигнала, выделении из входного сигнала корректирующего сигнала. При этом выполняют прямое преобразование Фурье корректирующего сигнала и входного сигнала и вычисляют амплитудный спектр корректирующего сигнала и фазовый спектр входного сигнала, при этом осуществляется отбрасывание исходного фазового спектра корректирующего сигнала и его подмена на фазовый спектр входного сигнала, в результате чего происходит приведение спектра корректирующего сигнала в соответствие спектру входного сигнала, результатом обратного преобразования Фурье является шумовой сигнал, который масштабируют и итерационно вычитают из входного сигнала. 2 ил.

Способ выделения полезной составляющей из входного сигнала, реализующего случайный процесс, содержащего полезную составляющую и шум, заключающийся в фильтрации входного сигнала в области частот, соответствующей спектру полезной составляющей сигнала, выделении из входного сигнала корректирующего сигнала посредством определения периода следования сечений во входном сигнале, которые не связаны с полезной составляющей сигнала, отличающийся тем, что выполняют прямое преобразование Фурье корректирующего сигнала и входного сигнала и вычисляют амплитудный спектр корректирующего сигнала и фазовый спектр входного сигнала, которые используют для реализации обратного преобразования Фурье, при этом осуществляется отбрасывание исходного фазового спектра корректирующего сигнала и его подмена на фазовый спектр входного сигнала, в результате чего происходит приведение спектра корректирующего сигнала в соответствие спектру входного сигнала, результатом обратного преобразования Фурье является шумовой сигнал, который масштабируют и итерационно вычитают из входного сигнала.