Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов Российский патент 2023 года по МПК H04B1/10 H04B1/71 

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

Известен «Способ автоматического обнаружения сигналов» (Патент РФ № 2480901 С1, МПК H03M 1/08 (2006.01), G06F 17/00, H04L 27/22, 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 F_j, где j = 1, 2, … - порядковый номер спектральной компоненты, оцифрованного сигнала z_i, 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, при этом 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, F2_j, …, 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 равное утроенному значению усредненной суммы спектральных компонентов фрагмента.

Недостатком этого способа является ограниченность области его применения, поскольку его реализация не обеспечивает точного определения времени прихода обнаруживаемого сигнала в условиях, когда в обрабатываемом фрагменте содержится лишь часть полезного сигнала.

Известен также «Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов» (Патент РФ № 2382495, МПК H04B 1/10, 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, 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. Решение о факте обнаружения сигнала принимают при условии, что R>R_пор, при том, что пороговое значение R_пор выбирается в интервале R_пор=0,13 - 0,15.

Недостатком этого способа также является ограниченность области его применения, поскольку его реализация не обеспечивает точного определения времени прихода обнаруживаемого сигнала в условиях, когда в обрабатываемом фрагменте содержится лишь часть полезного сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному, способу является «Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов» (Патент РФ № 2419968, H04B 1/10, опубл.: 27.05.2011, Бюл. № 15).

В данном способе 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 К, 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. Значение Q выбирают в интервале Q=3,5 - 4,5. Сравнивают уровень каждой из спектральных компонент F_j с предварительно вычисленным пороговым значением уровня шума U и при выполнении, по крайней мере, для одной из j-х компонент условия F_j>U фиксируют факт обнаружения узкополосного сигнала.

Недостатком этого способа является ограниченность области его применения, поскольку его реализация не обеспечивает точного определения времени прихода обнаруживаемого сигнала в условиях, когда в обрабатываемом фрагменте содержится лишь часть полезного сигнала.

Задачей изобретения является создание способа, обеспечивающего установление времени прихода обнаруживаемого полезного сигнала даже в тех условиях, когда входную реализацию для обработки представляют в виде временных фрагментов, содержащих лишь часть полезного сигнала.

Техническим результатом является выбор границ обрабатываемого временного фрагмента входной реализации таким образом, чтобы контур его функции взаимной корреляции с предварительно сформированным эталонным сигналом полностью отображался на экране осциллографа.

Технический результат достигается тем, что в способе автоматического 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 на коэффициент, производят сравнение с вычисленным пороговым значением уровня шума, по результатам сравнения принимают решение о факте обнаружения сигнала, при этом предварительно формируют эталонный сигнал, параметры которого соответствуют параметрам обнаруживаемого сигнала в условиях отсутствия шумов, затем эталонный сигнал и компоненты оцифрованной входной реализации содержащей только шум подают в коррелятор, где вычисляют оценку дисперсии их взаимной корреляционной функции, которую подают на усилитель-умножитель и умножают на коэффициент, значение которого выбирают в интервале от трех до четырех, полученный результат определяют в качестве порогового значения уровня шума оцифрованного сигнала, затем оцифрованный аналоговый сигнал разбивают на фрагменты, и независимо друг от друга каждый фрагмент подают в коррелятор, на второй вход которого подают эталонный сигнал, где вычисляют оценки дисперсии их взаимных корреляционных функций, затем вычисленные оценки дисперсий взаимных корреляционных функций подают на компаратор и выбирают тот фрагмент входной реализации оцифрованного аналогового сигнала, который имеет наибольшее значение вычисленной оценки, затем наибольшее значение вычисленной оценки сравнивают с пороговым значением уровня шума оцифрованного сигнала, принимают решение об обнаружении полезного сигнала, если наибольшее вычисленное значение оценки превысит пороговое значение уровня шума оцифрованного сигнала, затем фрагмент входной реализации оцифрованного аналогового сигнала, который имеет наибольшее значение вычисленной оценки, и отчеты предварительно сформированного эталонного сигнала, подают на цифровой коррелятор, который подключают к осциллографу, и проводят дополнительный анализ функции взаимной корреляции выбранного фрагмента, если на экране осциллографа контур функции взаимной корреляции полностью отображен, то определяют максимальную величину функции взаимной корреляции и соответствующее ей значение времени определяют в качестве момента времени прихода обнаруживаемого полезного сигнала, а если контур функции взаимной корреляции не полностью отображен, то к компонентам выбранного фрагмента, соответственно добавляют компоненты предшествующих ему фрагментов и последующих за ним фрагментов, и тем самым формируют новый временной фрагмент входной реализации, указанные процедуры выполняют до тех пор, пока на экране осциллографа не будет полностью отражаться контур функции взаимной корреляции, и затем по максимальному значению отображаемой на осциллографе функции взаимной корреляции определяют соответствующее ему значение времени, которое определяют как момент времени прихода обнаруживаемого полезного сигнала в обрабатываемой входной реализации.

Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны результаты моделирования, аналогичные процедурам заявляемого технического решения:

фиг. 1 – временное отображение функции взаимной корреляции Kzu(τ) входной реализации оцифрованного аналогового сигнала z(t), содержащего полезный сигнал s(t), и эталонного сигнала u(t), а также показан истинный момент времени T0 прихода обнаруживаемого полезного сигнала s(t) в обрабатываемой входной реализации z(t);

фиг. 2. – временное отображение функции взаимной корреляции K1zu(τ) фрагмента входной реализации z1(t), содержащей только первую часть полезного сигнала s1(t) при ОСШ равном 18 дБ, и эталонного сигнала u(t);

фиг. 3. – временное отображение функции взаимной корреляции K2zu(τ) фрагмента входной реализации z1(t), содержащей только вторую часть полезного сигнала s2(t) при ОСШ равном 18 дБ, и эталонного сигнала u(t);

фиг. 4. – временное отображение функции взаимной корреляции K12zu(τ) от нового фрагмента входной реализации, переформированного таким образом, что он содержит и первую s1(t), и вторую s2(t) части полезного сигнала s(t) и при ОСШ равном 18 дБ, и эталонного сигнала u(t).

Если полезный сигнал полностью содержится в обрабатываемой входной реализации оцифрованного аналогового сигнала, то проблем с обнаружением полезного сигнала и установлением времени его прихода не возникает. Так как момент времени прихода обнаруживаемого полезного сигнала в обрабатываемой входной реализации соответствует моменту времени, при котором функция взаимной корреляции имеет однозначно выраженное максимальное значение.

В качестве примера, на фиг. 1 показаны результаты моделирования, поясняющие принцип обнаружения полезного сигнала на основе корреляционной обработки входной реализации. Здесь изображено: истинное положение полезного сигнала s(t) в пределах обрабатываемой входной реализации z(t), сформированный эталонный сигнал u(t) и функция взаимной корреляции Kzu(τ), максимальное значение которой точно совпадает с моментом времени прихода обнаруживаемого полезного сигнала в обрабатываемой входной реализации Т0.

Учитывая, что фрагменты входной реализации оцифрованного аналогового сигнала формируют по мере его приема, то может возникнуть ситуация, когда временные компоненты полезного сигнала s(t) будут содержаться в двух соседних сформированных фрагментах. Например, s1(t) – компоненты полезного сигнала s(t), которые содержатся в первом фрагменте z1(t); а s2(t) компоненты полезного сигнала s(t), которые содержатся во втором фрагменте z2(t).

Тогда, если параметры эталонного сигнала u(t) полностью совпадают с параметрами полезного сигнала (т.е. s(t) = u(t)), то в результате совместной обработки фрагментов z1(t) и z2(t) с сформированным эталонным сигналом u(t), то контуры их формируемых функций взаимной корреляции K1zu(τ) и K2zu(τ) будут не полностью отображены на экране осциллографа.

В качестве примера на фиг. 2 и фиг. 3 показаны формируемые функции взаимной корреляции K1zu(τ) и K2zu(τ), которые будут отображаться на экране осциллографа, при обработке фрагментов входной реализации оцифрованного аналогового сигнала, содержащего только часть компонентом полезного сигнала s(t), представленных как s1(t) и s2(t).

Для получения полного контуру функции взаимной корреляции с одним ярко выраженным максимумом, необходимо переформировать фрагмент обрабатываемой входной реализации. Для рассмотренного примера необходимо добавить к компонентам фрагмента входной реализации z1(t) компоненты фрагмента входной реализации z2(t).

В качестве примера, на фиг. 4 показан переформированный фрагмент, состоящий из компонент фрагмента входной реализации z1(t), представленного на фиг. 2, начиная с момента времени Т1, и заканчивая моментом времени Т2 фрагмента входной реализации z2(t), представленного на фиг. 3. Так как новый фрагмент z4(t) полностью содержит полезный сигнал s(t), то контур рассчитанной новой функции взаимной корреляции K12zu(τ) соответствует контуру Kzu(τ), и, следовательно, имеет ярко выраженный максимум, который позволяет не только обнаружить факт наличия полезного сигнала s(t), но и определить момент времени прихода обнаруживаемого полезного сигнала Т0 в обрабатываемой входной реализации.

Последовательность рассмотренных процедур раскрывает сущность заявляемого технического решения.

Реализация заявленного способа объясняется следующим образом.

1. Формируют эталонный сигнал u(t), параметры которого соответствуют обнаруживаемому сигналу s(t) в условиях отсутствия шумов. То есть u(t) = s(t).

Процедуры формирования эталонных сигналов известны, и, например, рассмотрены в [Патент RU № 2423735, МПК G06K 9/00 (2006.01). Способ распознавания радиосигналов. Опубликовано: 10.07.2011. Бюл. № 19].

2. Принимают входную реализацию в виде аналогового сигнала z(t), содержащую только шум х(t), т.е. z(t) = х(t). Прием может осуществляться, например, с тракта промежуточной или низкой частоты радиоприемного устройства.

Процедуры приема аналогового сигнала известны, и, например, рассмотрены в [Патент RU № 2356064. МПК G01S 7/00 (2006.01). Способ распознавания радиосигналов. Опубликовано: 20.05.2009. Бюл. № 14].

3. 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 [Патент RU № 2261476. МПК G 06 K 9/00. Способ распознавания радиосигналов. Опубликовано: 27.09.2005 Бюл. № 27].

4. Затем эталонный сигнал и компоненты оцифрованной входной реализации содержащей только шум подают в коррелятор, где вычисляют оценку дисперсии их взаимной корреляционной функции.

Процедуры расчета функции взаимной корреляции сигналов известны [Патент RU № 2419968, МПК H04B 1/10 (2006.01). Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов. Опубликовано: 27.05.2011. Бюл. № 15]. Процедуры вычисления оценки дисперсии взаимной корреляционной функции известны [ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ СССР № 224174, МПК G06G 7/19 (2006.01). Устройство для вычисления оценки дисперсии взаимной корреляционной функции. Опубликовано: 06.08.1968. Бюл. № 24].

5. Вычисленное значение подают на усилитель-умножитель и умножают на коэффициент, значение которого выбирают в интервале от трех до четырех, полученный результат определяют в качестве порогового значения уровня шума оцифрованного сигнала.

Процедуры расчета порогового значения уровня шума оцифрованного сигнала известны [Патент RU № 2484581, МПК H04B 1/10 (2006.01). Способ обнаружения сигналов без несущей. Опубликовано: 10.06.2013. Бюл. № 16].

Конкретное значение выбора указанного коэффициента осуществляют по результатам предварительного испытания, в ходе которого производят обработку не менее 200 реализаций z(t) = х(t) для текущего значения уровня шума, и вычисляют не менее 200 значений среднеквадратического отклонения компонент функции взаимной корреляции Kхu(j), 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].

6. Затем принимают входную реализацию в виде аналогового сигнала z(t), содержащую полезный сигнал s(t) и шум х(t), т.е. z(t) = s(t) +х(t) (аналогично п. 2). Оцифровывают ее (аналогично п. 3) и оцифрованный аналоговый сигнал разбивают на фрагменты.

Длительность фрагментов выбирают одинаковой величины исходя из двух условий. Во-первых, длительность фрагмента должна превышать длительность полезного сигнала s(t). Во-вторых, длительность фрагмента должна удовлетворять условиям его обработки вычислительными устройствами обнаружителя.

7. Независимо друг от друга каждый фрагмент подают в коррелятор, на второй вход которого подают эталонный сигнал (аналогично п. 4).

8. вычисляют оценки дисперсии их взаимных корреляционных функций (аналогично п. 4).

9. Вычисленные оценки дисперсий взаимных корреляционных функций подают на компаратор и выбирают тот фрагмент входной реализации оцифрованного аналогового сигнала, который имеет наибольшее значение вычисленной оценки.

Процедуры соответствующего выбора и сравнения известны [Патент RU № 2450458, МПК H04K 3/00 (2006.01), H04L 27/22 (2006.01). Способ радиоподавления каналов связи. Опубликовано: 10.05.2012. Бюл. № 13].

10. Затем наибольшее значение вычисленной оценки сравнивают с пороговым значением уровня шума оцифрованного сигнала, принимают решение об обнаружении полезного сигнала, если наибольшее вычисленное значение оценки превысит пороговое значение уровня шума оцифрованного сигнала.

11. Затем фрагмент входной реализации оцифрованного аналогового сигнала, который имеет наибольшее значение вычисленной оценки, и отчеты предварительно сформированного эталонного сигнала, подают на цифровой коррелятор, который подключают к осциллографу, и проводят дополнительный анализ функции взаимной корреляции выбранного фрагмента, если контур функции взаимной корреляции полностью отображен, то определяют максимальную величину функции взаимной корреляции и соответствующее ей значение времени определяют в качестве момента времени прихода обнаруживаемого полезного сигнала.

Реализация данного пункта раскрыта к пояснению результатов, представленных на фиг. 1.

Процедуры вычисления корреляционной функции известны [Патент RU № 2735488, МПК G06F 17/15 (2006.01). Цифровой коррелятор. Опубликовано: : 03.11.2020 Бюл. № 31].

12. А если контур функции взаимной корреляции не полностью отображен, то к компонентам выбранного фрагмента, соответственно добавляют компоненты предшествующих ему фрагментов и последующих за ним фрагментов, и тем самым формируют новый временной фрагмент входной реализации, указанные процедуры выполняют до тех пор, пока на экране осциллографа не будет полностью отражаться контур функции взаимной корреляции.

Реализация данного пункта раскрыта к пояснению результатов, представленных на фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4.

Для рассматриваемого примера ОСШ = 18 дБ. В ходе моделирования установлено, что пороговое значение уровня шума оцифрованного сигнала составляет 0,04. А наибольшее значение квадратного корня от вычисленной оценки дисперсии будет у фрагмента на фиг. 2 (равно 0,22). Для рассматриваемого случая, при формировании нового временного фрагмента z4(t), использовались компоненты последующего фрагмента оцифрованного аналогового сигнала z2(t), изображенного на фиг. 3.

Наличие полного контура функции взаимной корреляции приводит к увеличению значения оценки дисперсии. Данный факт использован при реализации процедур автоматического обнаружения.

13. затем по максимальному значению отображаемой на осциллографе функции взаимной корреляции определяют соответствующее ему значение времени, которое определяют как момент времени прихода обнаруживаемого полезного сигнала в обрабатываемой входной реализации.

В качестве примера, на фиг. 4 представлены: временная реализация сформированной новой функции взаимной корреляции K12zu(τ), полностью содержащей полезный сигнал s(t) и истинное положение полезного сигнала Т0.

Для рассматриваемого примера, выбор временных границ нового фрагмента z4(t) определяется: Т1 – начало (из компонент фрагмента на фиг. 2) и Т2 – окончание (из компонент фрагмента на фиг. 3).

Таким образом, благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе обеспечивается обнаружение полезного сигнала, и установление момента времени прихода обнаруживаемого полезного сигнала в обрабатываемой входной реализации даже в тех условиях, когда входную реализацию для обработки представляют в виде временных фрагментов, в которых полезный сигнал содержится не полностью.

Заявляемый технический результат достигается за счет выбора границ обрабатываемого временного фрагмента входной реализации таким образом, чтобы в ее пределах полностью отображался контур функции взаимной корреляции эталонного сигнала с обнаруживаемым полезным сигналом.

Изобретение относится к радиотехнике, а именно к способам обнаружения узкополосных сигналов в аддитивных шумах в условиях априорной неопределенности о времени их прихода. Техническим результатом изобретения является выбор границ обрабатываемого временного фрагмента входной реализации таким образом, чтобы контур его функции взаимной корреляции с предварительно сформированным эталонным сигналом полностью отображался на экране осциллографа. Способ автоматического обнаружения узкополосных сигналов дополнительно заключается в том, что формируют новый временной фрагмент входной реализации таким образом, чтобы контур рассчитанной новой рабочей функции взаимной корреляции полностью отображался в пределах нового фрагмента, и затем по максимальной величине функции взаимной корреляции и соответствующему ей значению времени определяют время обнаружения полезного сигнала. 4 ил.

Способ автоматического 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 на коэффициент, 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 параметрам обнаруживаемого сигнала в условиях отсутствия шумов, затем эталонный сигнал и компоненты оцифрованной входной реализации, содержащей только шум, подают в коррелятор, где вычисляют оценку дисперсии их взаимной корреляционной функции, которую подают на усилитель-умножитель и умножают на коэффициент, значение которого выбирают в интервале от трех до четырех, полученный результат определяют в качестве порогового значения уровня шума оцифрованного сигнала, затем оцифрованный аналоговый сигнал разбивают на фрагменты и независимо друг от друга каждый фрагмент подают в коррелятор, на второй вход которого подают эталонный сигнал, где вычисляют оценки дисперсии их взаимных корреляционных функций, затем вычисленные оценки дисперсий взаимных корреляционных функций подают на компаратор и выбирают тот фрагмент входной реализации оцифрованного аналогового сигнала, который имеет наибольшее значение вычисленной оценки, затем наибольшее значение вычисленной оценки сравнивают с пороговым значением уровня шума оцифрованного сигнала, принимают решение об обнаружении полезного сигнала, если наибольшее вычисленное значение оценки превысит пороговое значение уровня шума оцифрованного сигнала, затем фрагмент входной реализации оцифрованного аналогового сигнала, который имеет наибольшее значение вычисленной оценки, и отчеты предварительно сформированного эталонного сигнала подают на цифровой коррелятор, который подключают к осциллографу, и проводят дополнительный анализ функции взаимной корреляции выбранного фрагмента, если контур функции взаимной корреляции полностью отображен, то определяют максимальную величину функции взаимной корреляции и соответствующее ей значение времени определяют в качестве момента времени прихода обнаруживаемого полезного сигнала, а если контур функции взаимной корреляции не полностью отображен, то к компонентам выбранного фрагмента соответственно добавляют компоненты предшествующих ему фрагментов и последующих за ним фрагментов и тем самым формируют новый временной фрагмент входной реализации, указанные процедуры выполняют до тех пор, пока на экране осциллографа не будет полностью отражаться контур функции взаимной корреляции, и затем по максимальному значению отображаемой на осциллографе функции взаимной корреляции определяют соответствующее ему значение времени, которое определяют как момент времени прихода обнаруживаемого полезного сигнала в обрабатываемой входной реализации.