Способ выделения полезного сигнала из входного сигнала, содержащего полезный сигнал и сигнал помехи Российский патент 2023 года по МПК H04B1/10 H03M9/00 

Изобретение относится к области измерительной техники - к способам выделения полезного сигнала из входного сигнала, содержащего как полезный сигнал, так и сигнал помехи. 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, определяют как: 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 полезного сигнала из входного сигнала, содержащего полезный сигнал и сигнал помехи, 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 полезного сигнала из входного сигнала, содержащего полезный сигнал и сигнал помехи, выполняют прямое преобразование Фурье сигнала помехи и вычисляют его амплитудный спектр. Одновременно с этим выполняют прямое преобразование Фурье входного сигнала и вычисляют его фазовый спектр. Затем, на основе полученных амплитудного спектра сигнала помехи и фазового спектра входного сигнала, выполняют обратное преобразование Фурье, результатом которого становится корректирующий сигнал, который вычитают из входного сигнала. Полученный таким образом корректирующий сигнал представляет собой результат обратного преобразования Фурье, в котором фазовый спектр взят от входного сигнала, а амплитудный спектр -от сигнала помехи. За счет «отбрасывания» исходного фазового спектра сигнала помехи и его «подмены» на фазовый спектр входного сигнала происходит приведение спектра сигнала помехи в соответствие спектру входного сигнала. За счет этого обстоятельства последующее вычитание полученного корректирующего сигнала из входного сигнала обеспечивает эффективное уменьшение или полное устранение искажения формы полезного сигнала одновременно с повышением отношения сигнал/шум.

Способ выделения полезного сигнала из входного сигнала, содержащего полезный сигнал и сигнал помехи, реализуется следующим образом. Выполняют прямое преобразование Фурье сигнала помехи и вычисляют его амплитудный спектр:

где:

- сигнал помехи;

- амплитудный спектр сигнала помехи;

- прямое преобразование Фурье сигнала помехи.

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

где:

- входной сигнал;

- фазовый спектр входного сигнала;

- прямое преобразование Фурье входного сигнала.

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

где:

- корректирующий сигнал;

- обратное преобразование Фурье на основе амплитудного спектра (1) и фазового спектра (2).

Наконец, полученный корректирующий сигнал вычитают из входного сигнала.

В первом примере осуществления изобретения в качестве входного сигнала рассмотрим сигнал зашумленной человеческой речи, записанный с частотой дискретизации, равной 44100 Гц с отношением сигнал/шум, равным 16 дБ (Фигура 1). В качестве сигнала помехи возьмем фрагмент входного сигнала, длительностью 80 мс, расположенный в самом начале входного сигнала, про который заранее известно, что там речь (то есть полезный сигнал) отсутствует. Выполним прямое преобразование Фурье сигнала помехи 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 сигнала помехи и фазового спектра входного сигнала, результатом которого будет корректирующий сигнал, который затем вычтем из входного сигнала.

В результате получим сигнал (Фигура 2), в котором отношение сигнал/шум равно 34 дБ т.е. применение данного способа повысило отношения сигнал/шум на 18 дБ.

Во втором примере осуществления изобретения в качестве входного сигнала рассмотрим аддитивную смесь трех синусоидальных сигналов с белым гауссовым шумом с известными статистическими характеристиками, а именно, с известным законом распределения шума (нормальный закон распределения) с известными статистическими параметрами - нулевым значением математического ожидания и единичным среднеквадратическим отклонением (Фигура 3). В данном случае сигналом помехи является белый гауссов шум с заранее известными статистическими характеристиками, а полезным сигналом является аддитивная смесь трех синусоидальных сигналов. Параметры синусоидальных сигналов следующие. Первый синусоидальный сигнал: амплитуда - 0.5 В, частота - 10 Гц, смещение нуля - 0 В, сдвиг фазы - 0. Второй синусоидальный сигнал: амплитуда - 1 В, частота - 100 Гц, смещение нуля - 0 В, сдвиг фазы - 0. Третий синусоидальный сигнал: амплитуда - 2 В, частота - 1000 Гц, смещение нуля - 0 В, сдвиг фазы - 0.

Выполним прямое преобразование Фурье сигнала помехи 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 сигнала помехи и фазового спектра входного сигнала, результатом которого будет корректирующий сигнал. Вычтем корректирующий сигнал из входного сигнала. В результате получим сигнал (Фигура 4), в котором полностью восстановлена форма полезного сигнала.

В третьем примере осуществления изобретения в качестве входного сигнала рассмотрим аддитивную смесь из четырех синусоидальных сигналов (Фигура 5) со следующими параметрами. Первый синусоидальный сигнал: амплитуда - 2 В, частота - 1000 Гц, смещение нуля - 0 В, сдвиг фазы - 0. Второй синусоидальный сигнал: амплитуда - 1 В, частота - 100 Гц, смещение нуля - 0 В, сдвиг фазы - 0. Третий синусоидальный сигнал: амплитуда - 1 В, частота - 1000 Гц, смещение нуля - 0 В, сдвиг фазы - 0. Четвертый синусоидальный сигнал: амплитуда - 1 В, частота - 10000 Гц, смещение нуля - 0 В, сдвиг фазы - 0. В данном случае сигналом помехи является аддитивная смесь трех синусоидальных сигналов - второго, третьего и четвертого.

Полезным сигналом в данном случае является первый синусоидальный сигнал, причем, частота полезного сигнала и частота одной из составляющих сигнала помехи совпадают (1000 Гц у первого и третьего синусоидального сигнала).

Выполним прямое преобразование Фурье сигнала помехи 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 сигнала помехи и фазового спектра входного сигнала, результатом которого будет корректирующий сигнал. Вычтем корректирующий сигнал из входного сигнала. В результате получим сигнал (Фигура 6), который совпадает с заданным полезным сигналом (первый синусоидальный сигнал).

Источники информации:

1. Патент РФ №2539573.

2. Патент РФ №2480897.

3. Патент РФ №2658171 - прототип.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к выделению полезного сигнала из входного сигнала, содержащего полезный сигнал и сигнал помехи в различных системах фильтрации сигнала в условиях априорной неопределенности. Техническим результатом является повышение эффективности выделения полезного сигнала из входного сигнала, содержащего полезный сигнал и сигнал помехи, 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. Указанный технический результат достигается тем, что в способе выделения полезного сигнала из входного сигнала, содержащего полезный сигнал и сигнал помехи, выполняют прямое преобразование Фурье сигнала помехи и вычисляют его амплитудный спектр, одновременно с этим выполняют прямое преобразование Фурье входного сигнала и вычисляют его фазовый спектр, выполняют обратное преобразование Фурье на основе полученных амплитудного спектра сигнала помехи и фазового спектра входного сигнала, результатом которого становится корректирующий сигнал, который вычитают из входного сигнала. За счет замены исходного фазового спектра сигнала помехи на фазовый спектр входного сигнала происходит приведение спектра сигнала помехи в соответствие спектру входного сигнала. За счет этого обстоятельства последующее вычитание полученного корректирующего сигнала из входного сигнала обеспечивает эффективное уменьшение или полное устранение искажения формы полезного сигнала одновременно с повышением отношения сигнал/шум. 6 ил.

Способ выделения полезного сигнала из входного сигнала, содержащего полезный сигнал и сигнал помехи, заключающийся в выделении корректирующего сигнала и вычитании корректирующего сигнала из входного сигнала, отличающийся тем, что выделение корректирующего сигнала осуществляют путем одновременного прямого преобразования Фурье сигнала помехи и вычисления его амплитудного спектра, прямого преобразования Фурье входного сигнала и вычисления его фазового спектра, исходный фазовый спектр сигнала помехи заменяют на фазовый спектр входного сигнала, в результате чего происходит приведение спектра сигнала помехи в соответствие спектру входного сигнала, на основании которого выполняют обратное преобразование Фурье, результатом которого является корректирующий сигнал, который вычитают из входного сигнала.