СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ УЗКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2023 года по МПК H04B1/10 

Изобретение относится к радиотехнике, а именно - к способам обнаружения узкополосных сигналов в аддитивных шумах в условиях априорной неопределенности о времени их прихода.

Известен способ автоматического обнаружения сигналов, реализованный в патенте RU №2480901, МПК Н03М 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 сигнала F_j, где j=1, 2, … - порядковый номер спектральной компоненты, оцифрованного сигнала z_j, где i=1, 2, … - порядковый номер временного отсчета. Затем рассчитывают параметры спектрального представления S_j, по значениям которого вычисляют пороговое значение уровня шума G. Сравнивают параметры спектрального представления S_j с рассчитанным пороговым значением уровня шума G и по результатам сравнения принимают решение о факте обнаружения сигнала. При формировании спектрального представления F_j оцифрованный сигнал z_i предварительно делят на N равных фрагментов, над которыми независимо друг от друга выполняют преобразование Фурье {F_1j, F_2j, …, F_Nj}, а в качестве параметров спектрального представления S_j выбирают максимальные значения компонентов преобразования Фурье каждого из N фрагментов. Решение о факте обнаружения сигнала принимают, если параметры спектрального представления хотя бы одного из фрагментов превысят пороговое значение уровня шума G. Пороговое значение уровня шума G рассчитывают раздельно для каждого из N фрагментов и выбирают равным усредненной сумме не менее трех значений спектральных компонентов фрагмента.

Недостатком способа-прототипа является узкая область применения, так как он не обеспечивает точное измерение времени прихода обнаруживаемого сигнала в условиях шумов.

Известен также способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов, реализованный в патенте RU №2382495, МПК Н04В 1/10 (2006.01). Опубл.: 20.02.2010, Бюл. №5.

В данном способе принимают аналоговый сигнал z(t), оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, а затем рассчитывают параметры оцифрованного сигнала z_i. Сравнивают полученные параметры с предварительно заданным пороговым значением и по результатам сравнения принимают решение о факте обнаружения сигнала. При этом для расчета параметров оцифрованного сигнала z_i формируют его спектральное представление F_j путем выполнения над ним преобразования Фурье, рассчитывают пороговый уровень шума U путем вычисления удвоенного значения выборочного среднего компонента спектрального представления F_j, сравнивают уровни каждой из спектральных компонент из последовательности спектрального представления F_j с вычисленным пороговым уровнем шума U и формируют первую F_1j и вторую F_2j последовательности соответственно из спектральных компонент F_j, 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 R_пор, а решение о факте обнаружения сигнала принимают при условии, что R>R_пор. Пороговое значение R_пор выбирается в интервале R_пор=0,13-0,15.

Недостатком способа-прототипа является узкая область применения, так как он не обеспечивает точное измерение времени прихода обнаруживаемого сигнала в условиях шумов.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к заявленному, является способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов, см. патент RU №2419968, МПК Н04В 1/10 (2006.01). Опубл.: 27.05.2011, Бюл. №15. В котором принимают аналоговый сигнал z(t), оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, затем рассчитывают параметры оцифрованного сигнала z_i, 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 K, между последовательностями z₁ и z₂ и формируют ее спектральное представление F_j, 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 F_j на коэффициент Q. Сравнивают уровень каждой из спектральных компонент F_j с предварительно вычисленным пороговым значением уровня шума U и при выполнении для одной из j-x компонент условия F_j>U фиксируют факт обнаружения узкополосного сигнала. Значение Q выбирают в интервале Q=3,5-4,5.

Недостатком способа-прототипа является узкая область применения, так как он не обеспечивает точное измерение времени прихода обнаруживаемого сигнала в условиях шумов.

Задачей изобретения является создание способа, позволяющего точно определять временные параметры обнаруживаемого сигнала в условиях шумов.

Техническим результатом является построение функции средних значений компонент от функции взаимной корреляции между оцифрованной реализацией входного сигнала и эталонным сигналом, нормированной на каждом отсчете, обладающей низким уровнем дисперсии, позволяющим осуществлять точное измерение времени прихода обнаруживаемого сигнала в условиях шумов.

Заявляемый технический результат достигается тем, что в известном способе обнаружения узкополосных сигналов, заключающемся в том, что принимают аналоговый сигнал, оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, рассчитывают функцию взаимной корреляции, вычисляют пороговое значение уровня шума оцифрованного сигнала, умножают среднее значение компонент на коэффициент, значение которого выбирают в интервале 3,5-4,5, производят сравнение с вычисленным пороговым значением уровня шума, по результатам сравнения принимают решение о факте обнаружения сигнала, предварительно формируют эталонный сигнал, параметры которого соответствуют обнаруживаемому сигналу в условиях отсутствия шумов, рассчитывают функцию взаимной корреляции между оцифрованным сигналом и эталонным сигналом, вычисляют пороговое значение уровня шума оцифрованного сигнала путем умножения средних значений компонент функции взаимной корреляции на коэффициент, значение которого выбирают в интервале 3,5-4,5, сравнивают пороговое значение уровня шума оцифрованного сигнала с компонентами функции взаимной корреляции, если хотя бы любые три рядом расположенные компоненты функции взаимной корреляции превысят пороговое значение уровня шума оцифрованного сигнала, то принимают решение о факте обнаружения сигнала, а в случае обнаружения сигнала вычисляют функцию средних значений компонент от функции взаимной корреляции, нормированной на каждом отсчете, определяют ее максимальную величину и соответствующее этой максимальной величине временное значение определяют в качестве времени прихода обнаруженного сигнала.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе обеспечивается возможность построения функции средних значений компонент от функции взаимной корреляции между оцифрованной реализацией входного сигнала и эталонным сигналом, нормированной на каждом отсчете, обладающей низким уровнем дисперсии, позволяющим осуществлять точное измерение времени прихода обнаруживаемого сигнала в условиях шумов.

Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:

фиг. 1. Временная реализация функции взаимной корреляции K(τ) оцифрованного аналогового сигнала в шумах z(t) с предварительно сформированным эталонным сигналом u(t), нанесенное пороговое значение уровня шума G, истинное положение обнаруживаемого полезного сигнала s(t) и временная реализация функции взаимной корреляции С(τ) оцифрованного аналогового сигнала, содержащего только полезный сигнал без шумов, с предварительно формированным эталонным сигналом u(t);

фиг. 2. Временная реализация функции средних значений компонент от функции взаимной корреляции, нормированной на каждом отсчете R(τ), с нанесенным пороговым значением уровня шума G и истинным положением обнаруживаемого полезного сигнала s(t), а также временная реализация функции взаимной корреляции С(τ) оцифрованного аналогового сигнала, содержащего только полезный сигнал без шумов, с предварительно формированным эталонным сигналом u(t);

фиг. 3. Временная реализация принятого аналогового сигнала в шумах z(t), с истинным положением обнаруживаемого полезного сигнала s(t).

Существующая проблема обнаружения узкополосных сигналов в шумах заключается в том, что рассчитываемая функция взаимной корреляции K(τ) оцифрованного аналогового сигнала в шумах z(t) с эталонным сигналом u(t) имеет достаточно большую дисперсию, не позволяющую проводить точное измерение времени прихода обнаруживаемого полезного сигнала s(t). Притом, что эталонный сигнал u(t) полностью совпадает по своим параметрам с обнаруживаемым полезным сигналом s(t).

В качестве примера, на фиг. 1 представлена временная реализация функции взаимной корреляции K(τ) оцифрованного аналогового сигнала в шумах z(t)=s(t)+x(t), где s(t) - полезный сигнал, x(t) - шум, и предварительно с формированного эталонного сигнала u(t) с нанесенным пороговым значением уровня шума G и истинным положением обнаруживаемого полезного сигнала s(t). Так, при отношении сигнал/шум принятой реализации равном SNR=-6 дБ, дисперсия функции взаимной корреляции K(τ) не позволяет осуществлять точное измерение времени прихода обнаруживаемого сигнала в условиях шумов.

Для рассматриваемой ситуации положение максимального значения функции взаимной корреляции K_max на временной оси не совпадает с временным отсчетом Т₀ (показано пунктирной линией), характеризующим начало полезного сигнала s(t).

В качестве примера, для реализации, представленной на фиг. 1, среднее значение различий между функциями взаимных корреляций K(τ) и С(τ), рассчитываемое по формуле

где N - количество временных отсчетов,

составит D_KC=0,154.

При том, что для реализации, представленной на фиг. 2, среднее значение различий между функциями взаимных корреляций R(τ) и С(τ), рассчитываемое по формуле

составит D_RC=0,0015.

Здесь R(τ) - функции взаимной корреляции, нормированная на каждом отсчете, определяется в соответствии с выражением

где τ=1, 2, …, N; N - количество временных отсчетов.

В результате, используя функцию функции взаимной корреляции, нормированной на каждом отсчете R(τ), предоставляется возможность точного измерения времени прихода обнаруживаемого сигнала в условиях шумов.

Так на фиг. 2 показано, что для рассматриваемой ситуации положение максимального значения функции взаимной корреляции, нормированной на каждом отсчете R_max, на временной оси совпадает с временным отсчетом Т₀ (показано пунктирной линией), характеризующим начало полезного сигнала s(t).

Реализация заявленного способа объясняется следующим образом.

1. Принимают реализацию в виде аналогового сигнала z(t), например, с тракта промежуточной или низкой частоты радиоприемного устройства.

Процедуры приема аналогового сигнала известны, и, например, рассмотрены в [см. Способ распознавания радиосигналов, Патент RU №2356064. Опубл.: 20.05.2009, Бюл. №14].

Принятая реализация z(t) будет содержать или только шум z(t)=x(t), или аддитивную смесь z(t)=s(t)+x(t) обнаруживаемого полезного сигнала s(t) и шума x(t). По виду принятого аналогового сигнала z(t) (см. фиг. 3) невозможно определить, содержится ли в нем полезный сигнал s(t).

2. Оцифровывают принятую реализацию в виде аналогового сигнала z(t), 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 RU №2261476. Опубл.: 27.09.2005, Бюл. №27].

3. Формируют эталонный сигнал, параметры которого соответствуют обнаруживаемому сигналу в условиях отсутствия шумов.

Процедуры формирования эталонных сигналов известны, и, например, рассмотрены в [см. Способ распознавания радиосигналов, Патент RU №2423735, Опубл.: 10.07.2011, Бюл. №19].

4. Рассчитывают функцию взаимной корреляции между оцифрованным сигналом и эталонным сигналом.

Процедуры расчета функции взаимной корреляции известны [см. Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов. Патент RU №2419968, Н04В 1/10 (2006.01). Опубл.: 27.05.2011, Бюл. №15].

Функция взаимной корреляции показана на фиг. 1.

5. Вычисляют пороговое значение уровня шума оцифрованного сигнала путем умножения средних значений компонент функции взаимной корреляции на коэффициент, значение которого выбирают в интервале 3,5-4,5.

Процедуры вычисления средних значений компонент функции взаимной корреляции известны [см. Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов. Патент RU №2419968, Н04В 1/10 (2006.01). Опубл.: 27.05.2011, Бюл. №15]. Процедуры умножения также известны [см. Способ и устройство формирования сигналов квадратурной амплитудной манипуляции. Патент RU №2439819. Опубл.: 10.01.2012, Бюл. №1].

Рассчитанное пороговое значение уровня шума оцифрованного сигнала G показано на фиг. 1 и фиг. 2.

6. Сравнивают пороговое значение уровня шума оцифрованного сигнала с компонентами функции взаимной корреляции, и если хотя бы любые три рядом расположенные компоненты функции взаимной корреляции превысят пороговое значение уровня шума оцифрованного сигнала, то принимают решение о факте обнаружения сигнала.

Процедуры сравнения порогового значения уровня шума оцифрованного сигнала с компонентами функции взаимной корреляции известны [см. Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов. Патент RU №2419968, МПК Н04В 1/10 (2006.01). Опубл.: 27.05.2011, Бюл. №15].

7. В случае обнаружения сигнала вычисляют функцию средних значений компонент от функции взаимной корреляции, нормированной на каждом отсчете.

Расчет функции средних значений компонент от функции взаимной корреляции, нормированной на каждом отсчете, производят по формуле (3).

На фиг. 2 показана функция средних значений компонент от функции взаимной корреляции, нормированной на каждом отсчете R(τ).

8. Определяют максимальную величину функции средних значений компонент от функции взаимной корреляции, нормированной на каждом отсчете и соответствующее этой максимальной величине временное значение, которое определяют в качестве времени прихода обнаруженного сигнала.

Процедуры измерения времени известны [см. Способ радиоподавления каналов связи. Патент RU №2450458. Опубл.: 10.05.2012, Бюл. №13].

На фиг. 2 пунктиром показано, что максимальное значение R_max функции средних значений компонент от функции взаимной корреляции, нормированной на каждом отсчете, по времени совпадает с начальным значением, т.е. истинным положением обнаруживаемого полезного сигнала s(t).

Таким образом, благодаря использованию функции средних значений компонент от функции взаимной корреляции между оцифрованной реализацией входного сигнала и эталонным сигналом, нормированной на каждом отсчете, обладающей низким уровнем дисперсии, позволяющим осуществлять точное измерение времени прихода обнаруживаемого сигнала в условиях шумов, обеспечивается заявляемый технический результат.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно - к способам обнаружения узкополосных сигналов в аддитивных шумах в условиях априорной неопределенности о времени их прихода.

Техническим результатом является повышение точности измерения времени прихода обнаруживаемого сигнала в условиях шумов. Заявляемый технический результат достигается тем, что в случае обнаружения сигнала вычисляют функцию средних значений компонент от функции взаимной корреляции, нормированной на каждом отсчете, определяют ее максимальную величину и соответствующее этой максимальной величине временное значение, которое определяют в качестве времени прихода обнаруженного сигнала. 3 ил.

Способ обнаружения узкополосных сигналов, заключающийся в том, что принимают аналоговый сигнал, оцифровывают его, для чего последовательно выполняют операции дискретизации, квантования и кодирования, рассчитывают функцию взаимной корреляции, вычисляют пороговое значение уровня шума оцифрованного сигнала, умножают среднее значение компонент на коэффициент, значение которого выбирают в интервале 3,5-4,5, производят сравнение с вычисленным пороговым значением уровня шума, по результатам сравнения принимают решение о факте обнаружения сигнала, отличающийся тем, что предварительно формируют эталонный сигнал, параметры которого соответствуют обнаруживаемому сигналу в условиях отсутствия шумов, рассчитывают функцию взаимной корреляции между оцифрованным сигналом и эталонным сигналом, вычисляют пороговое значение уровня шума оцифрованного сигнала путем умножения средних значений компонент функции взаимной корреляции на коэффициент, значение которого выбирают в интервале 3,5-4,5, сравнивают пороговое значение уровня шума оцифрованного сигнала с компонентами функции взаимной корреляции, если хотя бы любые три рядом расположенные компоненты функции взаимной корреляции превысят пороговое значение уровня шума оцифрованного сигнала, то принимают решение о факте обнаружения сигнала, а в случае обнаружения сигнала вычисляют функцию средних значений компонент от функции взаимной корреляции, нормированной на каждом отсчете, определяют ее максимальную величину и соответствующее этой максимальной величине временное значение определяют в качестве времени прихода обнаруженного сигнала.