Способ выделения полезного сигнала из входного сигнала, содержащего полезный сигнал и сигнал помехи Российский патент 2024 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 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_K, 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 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 [3].

Этот способ выбран в качестве прототипа предложенного решения.

Недостаток этого способа заключается в том, что для получения корректирующего сигнала необходимо располагать сигналом помехи или использовать в качестве сигнала помехи фрагмент входного сигнала, про который заранее известно, что тот не содержит полезного сигнала. Это доступно далеко не всегда, что приводит к снижению 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 (реализации случайного процесса), содержащего полезный сигнал и сигнал помехи, заключающемся в выделении корректирующего сигнала и вычитании корректирующего сигнала из входного сигнала, причем, 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, в качестве сигнала помехи используют промежуточный сигнал, представляющий собой результат децимации входного сигнала, причем так, чтобы значение частоты Найквиста полученного промежуточного сигнала было меньше, чем частота полезного сигнала, и при этом число пересечений траекторией промежуточного сигнала среднего уровня входного сигнала было пропорционально коэффициенту корреляции (нормированной корреляционной функции) полезного сигнала и сигнала помехи.

Общеизвестно [4], что при децимации входного сигнала происходит масштабирование спектра входного сигнала с сохранением полезного сигнала в новом спектре при условии, что значение частоты Найквиста полученного промежуточного сигнала будет больше, чем частота полезного сигнала. При этом спектр сигнала помехи зеркально отразится от частоты Найквиста полученного промежуточного сигнала и произойдет его суммирование с той частью спектра промежуточного сигнала, которая находится ниже частоты Найквиста полученного промежуточного сигнала. Поэтому, если исключить нахождение полезного сигнала в спектре промежуточного сигнала, то такой промежуточный сигнал будет представлять собой в чистом виде сигнал помехи. Этого можно добиться посредством установления такой частоты Найквиста промежуточного сигнала при децимации входного сигнала, при которой частота полезного сигнала будет больше частоты Найквиста, т.е. в результирующем спектре промежуточного сигнала не будет полезного сигнала, а будет только сигнал помехи. Этот подход дает возможность автоматического определения сигнала помехи, содержащегося во входном сигнале, в условиях, когда о полезном сигнале заранее известна лишь нижняя частота его спектра.

Способ выделения полезного сигнала из входного сигнала, содержащего полезный сигнал и сигнал помехи, реализуется следующим образом.

Сначала выполняют децимацию входного сигнала так, чтобы значение частоты Найквиста полученного промежуточного сигнала было меньше, чем частота полезного сигнала. Промежуточные значения между полученными значениями промежуточного сигнала получают посредством аппроксимации с тем, чтобы результирующая длина промежуточного сигнала совпала с длиной входного сигнала.

Полученный промежуточный сигнал представляет собой результат преобразования входного сигнала (реализации случайного процесса), и так же может быть рассмотрен в качестве реализации некоторого случайного процесса. Известно [5], что число пересечений реализацией случайного процесса среднего уровня (математического ожидания) пропорционально коэффициенту корреляции (нормированной корреляционной функции) полезного сигнала и сигнала помехи:

где:

N - число пересечений траекторией промежуточного сигнала среднего уровня входного сигнала;

k - коэффициент пропорциональности;

ρ - коэффициент корреляции (нормированная корреляционная функция) полезного сигнала и сигнала помехи.

Следовательно, если разбить полученный промежуточный сигнал на фрагменты во временной области (окна) и найти такое окно, в пределах которого число пересечений траекторией промежуточного сигнала среднего уровня входного сигнала (математического ожидания) будет пропорционально коэффициенту корреляции (нормированной корреляционной функции) полезного сигнала и сигнала помехи, то соответствующий фрагмент входного сигнала не содержит полезного сигнала и представляет собой сигнал помехи. Поиск такого окна происходит посредством «наложения» во временной области на входной сигнал промежуточного сигнала и последующего определения фрагмента входного сигнала, удовлетворяющего описанным выше условиям.

Разбиение входного сигнала на фрагменты (окна) крайне важно для последующего применения преобразования Фурье, т.к. однажды определив фрагмент входного сигнала, в котором отсутствует полезный сигнал, можно использовать этот фрагмент в качестве промежуточного сигнала сразу для нескольких последующих фрагментов (окон) того же самого входного сигнала для реализации преобразования Фурье оконного типа с перекрытием [6-7]. Так можно «двигаться» по входному сигналу и выделять полезный сигнал до тех пор, пока не «встретим» новый фрагмент входного сигнала, в котором опять же будет отсутствовать полезный сигнал, и продолжить работу уже с новым промежуточным сигналом и так далее - до тех пор, пока не «дойдем» до конца входного сигнала.

Для каждого фрагмента (окна) входного сигнала 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 (2) и фазового спектра входного сигнала (3), выполняют обратное преобразование Фурье, результатом которого становится корректирующий сигнал:

где:

s_K - корректирующий сигнал;

f(A, Ф) - обратное преобразование Фурье на основе амплитудного спектра (2) и фазового спектра (3).

Наконец, полученный корректирующий сигнал итерационно вычитают из входного сигнала. Количество итераций выбирают исходя из требований Заказчика к значению отношения сигнал/шум полученного результата.

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 (Фиг. 1). Выполним децимацию входного сигнала так, чтобы частота Найквиста полученного промежуточного сигнала была равна 80 Гц поскольку общеизвестно [8], что полный спектр человеческой речи имеет диапазон в среднем от 80 до 12000 Гц, а для понимания человеческой речи достаточно спектрального диапазона от 300 до 3400 Гц. Т.е. ниже 80 Гц в спектре входного сигнала гарантированно отсутствует полезный сигнал. Поскольку в данном примере идет речь об обработке зашумленной человеческой речи, то коэффициент корреляции полезного сигнала (речи) и сигнала помехи (шума в речи) равен нулю и, следовательно, нужно найти такой фрагмент входного сигнала, которому соответствует во временной области фрагмент промежуточного сигнала, траектория которого пересекает средний уровень входного сигнала 0 раз. Таким фрагментом (сигналом помехи) оказался фрагмент входного сигнала, длительностью 80 мс, расположенный в самом начале входного сигнала.

Найденный таким образом фрагмент входного сигнала, в котором отсутствует полезный сигнал, будем использовать сразу для всех последующих фрагментов (окон) того же самого входного сигнала для реализации преобразования Фурье оконного типа с перекрытием. То есть будем «двигаться» по входному сигналу и выделять полезный сигнал до тех пор, пока не «дойдем» до конца входного сигнала.

Для каждого фрагмента входного сигнала (окна длиной 80 мс) 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 вычтем за одну итерацию из входного сигнала.

В результате получим сигнал (Фиг. 2), в котором отношение сигнал/шум равно 34 дБ, т.е. применение данного способа повысило отношения сигнал/шум на 18 дБ, что соответствовало требованиям Заказчика и поэтому обусловило выполнение только одной итерации.

Во втором примере осуществления изобретения в качестве входного сигнала рассмотрим сигнал зашумленного музыкального произведения (человеческое пение под аккомпанемент из музыкальных инструментов на фоне шума, обусловленного некачественной записью), записанный с частотой дискретизации, равной 44100 Гц с отношением сигнал/шум, равным 16 дБ (Фиг. 3). Выполним децимацию входного сигнала так, чтобы частота Найквиста полученного промежуточного сигнала была равна 16 Гц поскольку общеизвестно [9, 10], что человек номинально слышит любые звуки (в том числе и музыку, а не только речь) в диапазоне частот от 16 до 20000 Гц. Коэффициент корреляции (нормированная корреляционная функция) полезного сигнала и сигнала помехи в данном случае равен 0.15, коэффициент пропорциональности к был выбран равным 100 из соображений получения целого числа пересечений траекторией промежуточного сигнала среднего уровня входного сигнала N. Таким образом, число пересечений траекторией промежуточного сигнала среднего уровня входного сигнала равно 15. Таким фрагментом (сигналом помехи) оказался фрагмент входного сигнала, длительностью 60 мс, расположенный в самом начале входного сигнала.

Найденный таким образом сигнал помехи будем использовать сразу для 10 последующих фрагментов (окон) входного сигнала для реализации преобразования Фурье оконного типа с перекрытием. При этом каждое последующее окно входного сигнала будем проверять на выполнение условия по заданному числу пересечений траекторией промежуточного сигнала среднего уровня входного сигнала. Если для первых 10 окон это условие было выполнено только для первого окна, то для окна №11 описанное выше условие снова было выполнено. Следовательно, в данном случае мы «обновим» сигнал помехи (заменим старый сигнал помехи на новый найденный). Учитывая, что больше ни одно из последующих фрагментов (окон) входного сигнала не удовлетворяло описанному выше условию по заданному числу пересечений траекторией промежуточного сигнала среднего уровня входного сигнала, то для всех оставшихся окон входного сигнала «обновление» сигнала помехи не выполнялось.

Для каждого фрагмента входного сигнала (окна длиной 60 мс) 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 за 3 итерации из входного сигнала. В результате получим сигнал (Фиг. 4), в котором отношение сигнал/шум равно 30 дБ, т.е. применение данного способа повысило отношения сигнал/шум на 14 дБ, что соответствовало требованиям Заказчика и поэтому обусловило выполнение трех итераций.

Источники информации:

1. Патент РФ №2539573.

2. Патент РФ №2480897.

3. Патент РФ №2800226 - прототип.

4. StudFiles [Электронный ресурс] // сайт. - Режим доступа: https://studfile.net/preview/5830097/page:4/ (дата обращения: 10.09.2023)

5. Тихонов В.И., Хименко В.И. Выбросы траекторий случайных процессов / В.И. Тихонов, В.И. Хименко. -М.: Наука, 1987.

6. Петровский А.А., Вашкевич М.И., Азаров И.С. Цифровая обработка аудио- и видеоданных / А.А. Петровский, М.И. Вашкевич, И.С. Азаров. - Минск: БГУИР, 2017.

7. Хабр: Проектирование оконных функций, суммирующихся в единицу с заданным уровнем перекрытия [Электронный ресурс] // сайт.- URL: https://habr.com/ru/articles/430536/ (дата обращения: 10.09.2023).

8. Яковлев, А. В. Алгоритмы обработки речи в научных исследованиях: учебное пособие / А. В. Яковлев. - Санкт-Петербург: ГУ АЛ, 2022. - 81 с. - ISBN 978-5-8088-1751-7.- Текст: электронный// Лань: электронно-библиотечная система. - URL: https://e.lanbook.com/book/340997 (дата обращения: 10.09.2023).

9. Косяченко, Б. В. Лекции по музыкальной информатике: учебное пособие / Б. В. Косяченко, О. В. Садкова. - Нижний Новгород: ННГК им. М.И. Глинки, 2019. - 128 с. - Текст: электронный // Лань: электронно-библиотечная система. - URL: https://e.lanbook.com/book/155827 (дата обращения: 10.09.2023).

10. Википедия [Электронный ресурс] // сайт.- Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D1%81%D0%B8%D1%85%Р0%ВЕ%Р0%В0%Р0%ВА%Р1%83%Р1%81%Р1%82%Р0%В8%Р0%ВА%Р0%В0#:~:text=%P0%A7%P0%В5%Р0%ВВ%Р0%ВЕ%Р0%В2%Р0%В5%Р0%ВА%20%Р0%ВР%Р0%ВЕ%Р0%ВС%Р0%В8%Р0%ВР%Р0%В0%Р0%ВВ%Р1%8С%Р0%ВР%Р0%ВЕ%20%Р1%81%Р0%ВВ%Р1%8В%Р1%88%Р0%В8%Р1%82%20%Р0%В7%Р0%В2%Р1%83%Р0%ВА%Р0%В8%20%Р0%В2,%Р0%ВС%Р0%ВЕ%Р0%В3%Р1%83%Р1%82%20%Р0%ВЕ%Р1%89%Р1%83%Р1%89%Р0%В0%Р1%82%Р1%8С%Р1%81%Р1%8F%20%P1%87%Р0%В5%Р1%80%Р0%В5%Р0%В7%20%Р0%ВЕ%Р1%80%Р0%В3%Р0%В0%Р0%ВР%Р1%8В%20%Р0%ВЕ%Р1%81%Р1%8F%P0%B7%P0%B0%P0%BP%P0%B8%Р1%8F (дата обращения: 10.09.2023)

Изобретение относится к области измерительной техники. 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. Это достигается тем, что предложен 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. Причем в качестве сигнала помехи используют промежуточный сигнал, представляющий собой результат децимации входного сигнала, причем так, чтобы значение частоты Найквиста полученного промежуточного сигнала было меньше, чем частота полезного сигнала, и при этом число пересечений траекторией промежуточного сигнала среднего уровня входного сигнала было пропорционально коэффициенту корреляции полезного сигнала и сигнала помехи. 4 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, причем, 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, отличающийся тем, что в качестве сигнала помехи используют промежуточный сигнал, представляющий собой результат децимации входного сигнала, причем так, чтобы значение частоты Найквиста полученного промежуточного сигнала было меньше, чем частота полезного сигнала, и при этом число пересечений траекторией промежуточного сигнала среднего уровня входного сигнала было пропорционально коэффициенту корреляции полезного сигнала и сигнала помехи.