Способ измерения длительности импульсов Российский патент 2023 года по МПК G01R29/02 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно, к способам измерения длительности сигналов в условиях априорной неопределенности об их временных параметрах.

Известен «Способ автоматического обнаружения сигналов» (Патент РФ № 2480901 С1, H03M 1/08 (2006.01), G06F 17/00, (2006.01), H04L 27/22 (2006.01). Опубл.: 27.04.2013. Бюл. №12).

В известном способе принимают аналоговый сигнал z(t), оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, формируют спектральное представление Fj, где j = 1, 2, … - порядковый номер спектральной компоненты, оцифрованного сигнала zi, где i = 1, 2, … - порядковый номер временного отсчета, затем рассчитывают параметры спектрального представления Sj, по значениям которых вычисляют пороговое значение уровня шума G, сравнивают параметры спектрального представления Sj с рассчитанным пороговым значением уровня шума G и по результатам сравнения принимают решение о факте обнаружения сигнала, отличающийся тем, что при формировании спектрального представления Fj оцифрованный сигнал zi предварительно делят на N равных фрагментов, над которыми независимо друг от друга выполняют преобразование Фурье {F1j, F2j, …, FNj}, а в качестве параметров спектрального представления Sj выбирают максимальные значения компонентов преобразования Фурье каждого из N фрагментов, причем решение о факте обнаружения сигнала принимают, если параметры спектрального представления хотя бы одного из фрагментов превысят пороговое значение уровня шума G. А пороговое значение уровня шума G рассчитывают раздельно для каждого из N фрагментов и выбирают равное утроенному значению усредненной суммы спектральных компонентов фрагмента.

Недостатком этого способа является ограниченность области применения, поскольку его реализация не обеспечивает определение длительности обнаруживаемого полезного сигнала.

Известен также «Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов» (Патент РФ № 2382495 C1, H04B 1/10 (2006.01), опубл.: 20.02.2010 Бюл. №5).

В известном способе принимают аналоговый сигнал z(t), оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, затем рассчитывают параметры оцифрованного сигнала zi, сравнивают полученные параметры с предварительно заданным пороговым значением, и по результатам сравнения принимают решение о факте обнаружения сигнала, отличающийся тем, что для расчета параметров оцифрованного сигнала zi формируют его спектральное представление Fj, путем выполнения над ним преобразования Фурье, рассчитывают пороговый уровень шума U, путем вычисления удвоенного значения выборочного среднего компонента спектрального представления Fj, сравнивают уровни каждой из спектральных компонент из последовательности спектрального представления Fj с вычисленным пороговым уровнем шума U, и формируют первую F1j и вторую F2j последовательности соответственно из спектральных компонент Fj, превысивших пороговый уровень шума U и не превысивших его, затем раздельно суммируют компоненты, входящие в первую ΣF1 и вторую ΣF2 последовательности, после чего вычисляют соотношение R, как отношение найденных сумм R = ΣF1 / ΣF2 и сравнивают с предварительно заданным пороговым значением Rпор, а решение о факте обнаружения сигнала принимают при условии, что R > Rпор, при том, что пороговое значение Rпор выбирается в интервале Rпор = 0,13-0,15.

Недостатком этого способа является ограниченность области применения, поскольку его реализация не обеспечивает определение длительности обнаруживаемого полезного сигнала.

Известен «Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов» (Патент RU № 2419968, H04B 1/10 (2006.01). Опубл.: 27.05.2011. Бюл. №15).

В известном способе принимают аналоговый сигнал z(t), оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, затем рассчитывают параметры оцифрованного сигнала zi, сравнивают полученные параметры с предварительно вычисленным пороговым значением уровня шума U и по результатам сравнения принимают решение о факте обнаружения сигнала, для расчета параметров оцифрованного сигнала z его разделяют на две равные последовательности: z1 и z2, соответствующие первой и второй половинам оцифрованного сигнала z. Рассчитывают функцию взаимной корреляции К, между последовательностями z1 и z2 и формируют ее спектральное представление Fj, где j = 1, 2, … - номера спектральных компонент функции взаимной корреляции, путем выполнения над ней преобразования Фурье. Пороговое значение уровня шума U вычисляют путем умножения среднего значения компонент спектрального представления Fj на коэффициент Q. Сравнивают уровень каждой из спектральных компонент Fj с предварительно вычисленным пороговым значением уровня шума U и при выполнении, по крайней мере, для одной из j-х компонент условия Fj > U фиксируют факт обнаружения узкополосного сигнала. Значение Q выбирают в интервале Q = 3,5-4,5.

Недостатком этого способа является ограниченность области применения, поскольку его реализация не обеспечивает определение длительности обнаруживаемого полезного сигнала.

Наиболее близким технической сущности к заявленному способу является «Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов», (Патент RU № 2767183, H04B 1/10 (2006.01). Опубл.: 16.03.2022 Бюл. № 8).

В данном способе принимают аналоговый сигнал, оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, рассчитывают функцию взаимной корреляции, производят вычисления, производят сравнение, по результатам сравнения принимают решение о факте обнаружения сигнала, при этом предварительно формируют эталонные сигналы различной длительности, причем первый эталонный сигнал формируют с наименьшей длительностью, а длительность каждого последующего формируемого эталонного сигнала постепенно увеличивают, после чего для каждого сформированного эталонного сигнала рассчитывают функцию взаимной корреляции с принятым оцифрованным аналоговым сигналом, вычисляют среднее значение компонент каждой из рассчитанных функций взаимной корреляции, сравнивают вычисленные средние значения компонент друг с другом, а решение по результатам сравнения о факте обнаружения сигнала принимают в том случае, если величина каждого последующего из последовательно рассчитанных средних значений компонент будет не меньше величины предыдущего, затем среди последовательно рассчитанных средних значений компонент фиксируют ту величину, начиная с которой она перестает изменяться более чем на пять процентов, и временные параметры эталонного сигнала, который использовался при расчете функции взаимной корреляции, средняя величина значений компонент которой были фиксированы, считают в качестве временных параметров, то есть длительности обнаруживаемого полезного сигнала.

Недостатком этого способа является ограниченность области применения, поскольку его реализация предполагает формирование большого числа эталонных сигналов различной длительности.

Задачей изобретения является разработка процедур измерения длительности импульсов, содержащихся в принятом аналоговом сигнале, по результатам обработки его функции взаимной корреляции с эталонным сигналом.

Техническим результатом является обеспечение возможности определения длительности импульсов, содержащихся в принятом аналоговом сигнале, посредством использования только одного эталонного сигнала.

Технический результат достигается тем, что предварительно формируют эталонный сигнал, затем принимают аналоговый сигнал, оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, вычисляют функцию взаимной корреляции с принятым оцифрованным аналоговым сигналом, производят вычисления, производят сравнение, по результатам сравнения принимают решение, причем принятый аналоговый сигнал содержит импульсную последовательность, поэтому измеряют максимальные амплитудные значения для каждого из всплесков рассчитанной функции взаимной корреляции, которые характеризуют положение импульсов, содержащихся в оцифрованном сигнале, измеряют величину длительностей временных интервалов всплесков, в пределах которых их измеренные максимальные значения изменяются не более чем на 5% от своего номинала, сравнивают максимальные амплитудные значения и величину длительностей временных интервалов каждого из всплесков с амплитудой эталонного сигнала и его длительностью, по результатам сравнения принимают решение, о длительностях импульсов, содержащихся в оцифрованном сигнале, если максимальные амплитудные значения всплеска меньше амплитуды эталонного сигнала, то длительность соответствующего ему импульса вычисляют как разность между длительностью эталонного сигнала и измеренной длительностью временного интервала всплеска с постоянным значением, если максимальные амплитудные значения всплеска равны амплитуде эталонного сигнала, то длительность соответствующего ему импульса вычисляют как сумму длительности эталонного сигнала и измеренной длительностью временного интервала всплеска с постоянным значением, если максимальное значение всплеска сохраняется всего лишь в пределах не более 5% от своего номинала, на интервале не более 5% от длительности всплеска, то длительность соответствующего ему импульса считают равной длительности эталонного сигнала.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе обеспечивается измерение длительности импульсов, содержащихся в принятом аналоговом сигнале.

Заявляемый технический результат достигается за счет измерения всплесков, наблюдаемых в функции взаимной корреляции, форма которых зависит от соотношения длительностей эталонного сигнала и длительностей импульсов, содержащихся в принятом аналоговом сигнале.

Заявленный способ поясняется чертежом фиг. 1, на котором показаны временные реализации:

эталонного сигнала u(t), оцифрованного аналогового сигнала s(t), содержащего импульсы s1(t), s2(t) и s3(t), функция взаимной корреляции Ksu(τ) с всплесками K1max, K2max и K3max, которые соответствуют импульсам s1(t), s2(t) и s3(t).

Измерение длительности импульсов s1(t), s2(t) и s3(t), содержащихся в обрабатываемой входной реализации s(t), по результатам обработки функции взаимной корреляции (ФВК) Ksu(τ) с эталонным сигналом u(t) основано на следующем эффекте.

При подаче на вход коррелятора эталонного сигнала u(t) и входную реализацию s(t), то выходе коррелятора формируется ФВК Ksu(τ). На фиг. 1 представлены временные эпюры u(t), s(t), Ksu(τ). По оси абсцисс представлены временные отсчеты, по оси ординат амплитудные значения напряжения. Для удобства представления результатов временные эпюры разнесены вдоль оси ординат.

На длительности ФВК Ksu(τ) наблюдаются всплески K1max, K2max и K3max, представляющие результат процедур корреляции импульсов s1(t), s2(t) и s3(t) с эталонным сигналом u(t), см. фиг. 1.

Форма всплесков K1max, K2max и K3max определяется соотношением длительностей импульсов s1(t), s2(t) и s3(t) с длительностью импульса u(t).

При этом возможны три ситуации.

1. Длительность импульса совпадает с длительность эталонного сигнала. На фиг 1. данная ситуация представлена сигналами s1(t) и u(t). Длительность s1(t), обозначена на фиг. 1 как Δt1, равна длительность u(t), обозначена как Δt0. В этом случае всплеск на ФВК Ksu(τ), как результат взаимной корреляции s1(t) и u(t), имеет форму треугольной пирамиды с явно выраженным пиком (на фиг. 1 обозначен как K1max). При этом амплитуда K1max равна амплитуде u(t).

2. Длительность импульса меньше длительности эталонного сигнала. На фиг 1. данная ситуация представлена сигналами s2(t) и u(t). Длительность s2(t) меньше длительности u(t). В этом случае всплеск на ФВК Ksu(τ), как результат взаимной корреляции s2(t) и u(t), имеет форму усеченной треугольной пирамиды. На фиг. 1 обозначен как K2max. При этом длительность временного интервала всплеска K2max, в пределах которого его амплитудные значения сохраняют максимальные значения равна Δt4. Тогда длительность импульса s2(t), обозначена на фиг. 1 как Δt2, равна разности между длительностью эталонного сигнала u(t), обозначена как Δt0 и длительностью Δt4. При этом амплитуда K2max меньше амплитуды u(t).

3. Длительность импульса больше длительности эталонного сигнала. На фиг 1. данная ситуация представлена сигналами s3(t) и u(t). Длительность s3(t) больше длительности u(t). В этом случае всплеск на ФВК Ksu(τ), как результат взаимной корреляции s3(t) и u(t), имеет форму усеченной треугольной пирамиды. На фиг. 1 обозначен как K2max. При этом длительность временного интервала всплеска K2max, в пределах которого его амплитудные значения сохраняют максимальные значения равна Δt5. Тогда длительность импульса s3(t), обозначена на фиг. 1 как Δt3, равна сумме длительности эталонного сигнала u(t), обозначена как Δt0 и длительности Δt5. При этом амплитуда K3max равна амплитуде u(t).

Выявленная особенность всплесков ФВК в зависимости от соотношения длительностей импульсов и эталонного сигнала положена в основу заявляемого технического решения.

Реализация заявленного способа объясняется следующим образом.

1. Предварительно формируют эталонный сигнал.

В качестве примера, на фиг.1 изображена временная развертка сформированного эталонного сигнала u(t), длительность которого равна Δt0.

Процедуры формирования эталонных сигналов известны, и, например, рассмотрены в, см. («Способ распознавания радиосигналов», Патент РФ № 2423735, Опубл.: 10.07.2011 Бюл. №19).

2. Принимают аналоговый сигнал, оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования.

Принимают входную реализацию в виде аналогового сигнала, который содержит импульсную последовательность.

Прием может осуществляться, например, с тракта промежуточной или низкой частоты радиоприемного устройства.

Процедуры приема аналогового сигнала известны, и, например, рассмотрены в, см. («Способ распознавания радиосигналов», Патент РФ № 2356064, Опубл.: 20.05.2009. Бюл. №14).

3. Оцифровывают аналоговый сигнал, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования.

Процедуры дискретизации, квантования и кодирования аналогового сигнала известны, и, например, рассмотрены в, см. («Способ распознавания радиосигналов», Патент РФ № 2261476, Опубл.: 27.09.2005. Бюл. №27).

В качестве примера на фиг. 1 представлена временная развертка дискретных отсчетов оцифрованного сигнала s(t), содержащего импульсы s1(t), s2(t), s3(t), длительностью Δt1, Δt2 Δt3.

4. Вычисляют функцию взаимной корреляции с принятым оцифрованным аналоговым сигналом.

В качестве примера, на фиг. 1 изображены рассчитанные значения функций взаимной корреляции, обозначенные как Ksu(τ).

Реализацию ФВК можно осуществить путем подачи сигналов на коррелятор. Устройства корреляции известны. Процедуры расчета функции взаимной корреляции сигналов известны, например, см. («Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов». Патент РФ № 2419968, H04B 1/10 (2006.01). Опубл.: 27.05.2011. Бюл. №15).

5. Производят вычисления, в ходе которых измеряют максимальные амплитудные значения для каждого из всплесков рассчитанной функции взаимной корреляции, которые характеризуют положение импульсов, содержащихся в оцифрованном сигнале. Измеряют величину длительностей временных интервалов всплесков, в пределах которых их измеренные максимальные значения изменяются не более чем на 5% от своего номинала.

Процедуры измерения можно осуществлять посредством осциллографа. Пример процедур расчета цифровых компонентов сигналов приведен в, см. (Способ обнаружения сигналов без несущей. Патент RU № 2484581, H04B 1/10 (2006.01). Опубликовано: 10.06.2013. Бюл. № 16).

5. Сравнивают максимальные амплитудные значения и величину длительностей временных интервалов каждого из всплесков с амплитудой эталонного сигнала и его длительностью.

Процедуры сравнения известны, например, см. (Способ радиоподавления каналов связи. Патент RU № 2450458, H04K 3/00 (2006.01), H04L 27/22 (2006.01). Опубликовано: 10.05.2012. Бюл. № 13).

6. По результатам сравнения принимают решение, о длительностях импульсов, содержащихся в оцифрованном сигнале.

6.1. Если максимальные амплитудные значения всплеска меньше амплитуды эталонного сигнала, то длительность соответствующего ему импульса вычисляют как разность между длительностью эталонного сигнала и измеренной длительностью временного интервала всплеска с постоянным значением.

6.2. Если максимальные амплитудные значения всплеска равны амплитуде эталонного сигнала, то длительность соответствующего ему импульса вычисляют как сумму длительности эталонного сигнала и измеренной длительностью временного интервала всплеска с постоянным значением.

6.3. Если максимальное значение всплеска сохраняется всего лишь в пределах не более 5% от своего номинала, на интервале не более 5% от длительности всплеска, то длительность соответствующего ему импульса считают равной длительности эталонного сигнала.

В качестве примера на фиг 1 представлены ФВК, у которой имеются три всплеска K1max, K2max, K3max.

Всплеск K1max сохраняет свое максимальное значение на интервале не более чем 5% от своего номинала. Здесь под номиналом понимают максимальное значение всплеска. Измерение длительности всплеска осуществляют по среднему уровню сигнала s(t) на временном интервале, где отсутствуют импульсы. В качестве примера на фиг. 1 таковым интервалом является интервал Δt6. При невозможности выбора такого интервала искомый уровень выбирают как наименьшее значение уровня напряжения в оцифрованном сигнале s(t).

Ситуация с всплеском K1max соответствует условию 6.3, поэтому длительность импульса s1(t) совпадает с длительность эталонного сигнала u(t). На фиг 1. Указанные длительности обозначены как Δt1 и Δt0.

Всплеск K2max, см. фиг. 1, имеет максимальные амплитудные значения меньше амплитуды эталонного сигнала.

Ситуация с всплеском K2max соответствует условию 6.1, поэтому длительность соответствующего ему импульса s2(t), обозначенную как Δt2, вычисляют как разность между длительностью эталонного сигнала Δt0 и измеренной длительностью временного интервала всплеска с постоянным значением, обозначенную как Δt4.

Всплеск K3max, см. фиг. 1, имеет максимальные амплитудные значения равные амплитуде эталонного сигнала.

Ситуация с всплеском K3max соответствует условию 6.2, поэтому длительность соответствующего ему импульса s3(t), обозначенную как Δt3, вычисляют как сумму между длительностью эталонного сигнала Δt0 и измеренной длительностью временного интервала всплеска с постоянным значением, обозначенную как Δt5. На фиг. 1 для наглядности длительность Δt3 импульса s3(t) дополнительно выделена пунктирными линиями.

В ходе эксперимента по апробации заявляемого технического решения было проведено моделирование по разным ситуациям.

Моделирование проводилось в диапазоне изменения отношения сигнал/шум (ОСШ) в обрабатываемой выборке от 8 дБ до 20 дБ. Для каждого изменения значения ОСШ проводилось 200 экспериментов в каждой из ситуаций (т.е. при наличии и отсутствии полезного сигнала в обрабатываемой реализации), что соответствует требованиям вычисления статистических оценок, см. (Математический энциклопедический словарь. М.: Сов. Энциклопедия, 1988. 847 с.; Г.Корн, Т.Корн. Справочник по математике. Пер. с англ. - М.: Наука, 1977, с. 638-643).

Таким образом, благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе обеспечивается измерение длительности импульсов, содержащихся в принятом аналоговом сигнале, по результатам обработки его функции взаимной корреляции с эталонным сигналом, что указывает на достижение заявляемого технического результата.

Изобретение относится к радиотехнике. Техническим результатом является обеспечение возможности определения длительности импульсов, содержащихся в принятом аналоговом сигнале, посредством использования только одного эталонного сигнала. Такой технический результат достигается за счет измерения всплесков, наблюдаемых в функции взаимной корреляции, форма которых зависит от соотношения длительностей эталонного сигнала и длительностей импульсов, содержащихся в принятом сигнале. Измеряют величину длительностей временных интервалов всплесков, сравнивают максимальные амплитудные значения и величину длительностей временных интервалов каждого из всплесков с амплитудой эталонного сигнала и его длительностью, и в зависимости от максимального амплитудного значения всплеска по результатам сравнения принимают решение о длительностях импульсов, содержащихся в оцифрованном сигнале. 1 ил.

Способ измерения длительности импульсов, заключающийся в том, что предварительно формируют эталонный сигнал, затем принимают аналоговый сигнал, оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, вычисляют функцию взаимной корреляции с принятым оцифрованным аналоговым сигналом, производят вычисления, производят сравнение, по результатам сравнения принимают решение, отличающийся тем, что принятый аналоговый сигнал содержит импульсную последовательность, поэтому измеряют максимальные амплитудные значения для каждого из всплесков рассчитанной функции взаимной корреляции, которые характеризуют положение импульсов, содержащихся в оцифрованном сигнале, измеряют величину длительностей временных интервалов всплесков, в пределах которых их измеренные максимальные значения изменяются не более чем на 5% от своего номинала, сравнивают максимальные амплитудные значения и величину длительностей временных интервалов каждого из всплесков с амплитудой эталонного сигнала и его длительностью, по результатам сравнения принимают решение о длительностях импульсов, содержащихся в оцифрованном сигнале, если максимальные амплитудные значения всплеска меньше амплитуды эталонного сигнала, то длительность соответствующего ему импульса вычисляют как разность между длительностью эталонного сигнала и измеренной длительностью временного интервала всплеска с постоянным значением, если максимальные амплитудные значения всплеска равны амплитуде эталонного сигнала, то длительность соответствующего ему импульса вычисляют как сумму длительности эталонного сигнала и измеренной длительности временного интервала всплеска с постоянным значением, если максимальное значение всплеска сохраняется всего лишь в пределах не более 5% от своего номинала, на интервале не более 5% от длительности всплеска, то длительность соответствующего ему импульса считают равной длительности эталонного сигнала.