Способ определения отношения сигнал/шум Советский патент 1981 года по МПК G01R29/26 

(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТНОШЕНИЯ СИГНАЛ/ШУМ

1

Изобретение относится к радиотех ническим измерениям и может быть использовано для определения отношения сигнал/шум (С/Ш) преимущественно в радиолокационных и телевизионных устройствах.

Известен фотоэлектрический способ измерения отношения С/Ш, заключающийся в соответствующей обработке сигнала на выходе фотоэлектрического преобразователя, помещенного перед экраном осциллографа, на вход вертикального канала которого подан сигнал. Сущность этого способа состоит в том, что фотоэлектрический преобразователь, светочувствительная поверхность которого закрыта непрозрачной маской с узкой щелью, перемещают сперва относительно осциллограммы помехи, а затем - относительно осциллограммы сигнала с наложенной на него помехой и определяют разность (в децибеллах) первого и второго отсчетов стрелочного прибора, включенного на выходе фотоэлектрического преобразователя l.

Недостаток способа состоит в том, что он требует предварительного выдо.чения помехи из смеси полезного

сигнала и помехи, что не всегда возможно.

Наиболее близким к предлагаемому является корреляционный способ определения отношения С/Ш, основанный на использовании статистических свойств полезного сигнала и помехи путем линейного вычитания и сложения входного задержанного и незадержанного

0 сигналов, представляющих собой аддитивную смесь полезного сигнала и помехи, причем время аналоговой задержки выбирается в зависимости от интервалов корреляции обеих составляющих входного сигнала. Способ осуществляется при следующей последовательности операций. Центрируют входной сигнал (отфильтровывают постоянную составляющую входного сигнала),

0 центрированный сигнал задерживают на время задержки Л t . которое выбирают в зависимости от значений интервалов корреляции t КС г 2кш полезного сигнала и флюктуационной

5 помехи соответственно так, чтобы utt2KC Задержанный и незадержанный сигналы суммируют и вычитают, измеряют размахи суммарного и разностного сигналов и определяют отно0шение этих размахов. Данное отношение подрергают нелинейному преобразованию по закону, который определяют из соотношения ItrnFTTlT /5 - отношение С/Ш; К - отношение размахов суммарного и разностного сигналов; (it) - коэффициент корреляции между сечениями полезтыми на время задержки 12. Однако в известном способе, для преобразования отношения размахов К в отношение С/Ш по приведенной выше формуле необходимо знать корре ляционную функцию полезного сигнала и интервалы корреляции помехи и сиг нала. Определение корреляционной функции полезного сигнала является достаточно сложной операцией, а при наличии шума данная операция может стать практически невыполнимой; кро ме того, операция аналоговой задерж ки высокочастотного сигнала являетс сложной технической задачей, что су жает область применения способа и д лает его малоэффективным. Цель изобретения - повышение точ ности измерения. Поставленная цель достигается те что в способе определения отношения сигнал/шум, основанном на анализе статистических свойств центрированн го входного сигнала, сравнивают цен трированный сигнал с нулевым уровне вырабатывают знаковый сигнал одной полярности, при превышении центрированным сигналом нулевого уровня и противоположной полярности, при н превышении нулевого уровня, сравнивают полярности знаковых сигналов для выбранных интервалов времени, подсчитывают число совпадений поляр ностей знакового сигнала и общее число сравнений полярностей, опреде ляют отношение числа совпадений полярностей к общему числу сравнений, полученное отношение подвергают нелинейному преобразованию по закону. Обратному произведению функции Бесселя и экспоненты. Сущность предлагаемого способа заключается в следующем. Значение знаковой корреляционной функции (ЗКФ) входного сигнала, образованного суммированием полезного сигнала со случайной фазой (необходимость обработки такового сигнала часто возникает в радиолокации, сис темах связи и телевидении) и нормал ной финитной случайной помехи для м ментов времени, отстоящих на величи Т( периода полезного ну сигнала связано с отношением /i V/ С/Ш зависимостью , R(t, TJ-R (fiHl-Joi AJR.). Поэтому, измерив значение ЗКФ и преобразовав его по закону обратному произведению функции Бесселя и экспоненты, получаем отношение С/Ш с требуемой для практики точностью. Значение ЗКФ получаем путем определения знака входного сигнала в моменты, задаваемые двумя последовательностями тактовых импульсов, одна из которых сдвинута относительно другой на период полезного сигнала At (в радиолокации, например, этот период может быть равен периоду несущей частоты радиоимпульса), затем знаки сигналов в эти моменты сравнивают , подсчитывают число знакосовпадений и определяют отношение числа знакосовпадений к общему числу тактовых импульсов в одной последовательности, при которых производится определение знака входного случайного сигнала. Способ осуществляется следующим образом. Центрируют входной сигнал. Эта операция может осуществляться входным устройством, в качестве которого применяют центрирующие фильтры (фильтры высоких частот). Центрирование является необходимой операцией при определении корреляционных функций, так как в противном случае вместо корреляционных функций будут определяться 2-ые начальные моментные функции. Сравнивают центрированный сигнал с нулевым уровнем в моменты времени, сдвинутые один относительно другого на временной интервал At, равный периоду колебаний полезного сиг- нала Т . Моменты сравнения могут быть заданы двумя последовательностями тактовый импульсов, одна из которых сдвинута относительно другой на интервал Д t , равный периоду полезного сигнала. Вырабатывают знаковый сигнал одной полярности, если центрированный сигнал в момент сравнения превысит нулевой уровень, и противоположной полярности, если центрированный сигнал в момент сравнения не превысит нулевого уровня. Операции сравнения и выработки знакового сигнала могут быть выполнены такими широко применяемыми техническими устройствами, как компараторы. Сравнивают полярности знаковых сигналов для сдвинутого и несдвинутого моментов времени. Эта операция может быть осуществлена устройствами, реализующими логическую операцию конъюнкции (схемы совпадений, логические схемы И). Подсчитывают число совпадений полярностей знаковых сигналов и общее число сравнений полярностей этих сигналов . Определяют отношение числа совпадений полярностей к общему числу

сравнений. Операции подсчета и определения отношения могут быть легко реализованы с помощью счетчиков и делителя частоты следования импульсов .

Отношение числа совпадений полярностей знаковых сигналов (энакосовпадений ) к общему числу сравнени подвергают нелинейному преобразованию по закону, обратному произведению функции Бесселя и экспоненты. Это преобразование может быть осуществлено либо с помощью специализированного вычислительного устройства с регистрацией результата преобразования в цифровой форме, либо с помощью функционального преобразователя, в котором регистрация результата производится, например стрелочным прибором. Результат преобразования соответствует значению отношения сигнал/щум.

На чертеже представлено устройство для осуществления способа, схема

Устройство для определения отношения сигнал/шум содержит входное устройство 1, компараторы 2 и 3 . генератор 4 тактовых импульсов (ТИ) схемы 5 и б совпадений, инверторы 7 и 8 схему 9 обг единения счетчики 10 и 11 делитель 12 частоты, устройства 13-15 запрета функциональный преобразователь 16 и Формирователи 17 и 18 импульсов.

Устройство работает следующим образом.

Генератор 2 тактовых импульсов вырабатывает две последовательности тактовых импульсов , сдвинутых одна относительно другой на интервал л-fc, которые поступают на входы запрета устройств 13 и 14 запрета и установочные входы компараторов 2 и 3. При поступлении тактовых импульсов входы запрета устройств 13 и 14 эти устройства пропускают центрированный входной сигнал на входы компараторов 2 и 3 для сравнения и выработки знакового сигнала. Компаратор 2 вырабатывает знаковый сигнал определенной полярности, например положительной при превышении центрированным сигналом нулевого уровня в качестве которого выбран потенциал земли, и противоположной полярности, например отрицательной, если центрированный сигнал не превышает нулевой уровень для моментов времени, определяемых одной последовательностью тактовых импульсов, а компаратор 3 выполняет те же операции для моментов времени, определяемых второй сдвинутой последовательностью тактовых импульсов. Схема 5 совпадения вырабатывает сигнал при совпадении положительной полярности знаковых сигналов на выходах компараторов 2 и 3, а схема б совпадения вырабатывает сигнал в случае

совпадения отрицательных полярносте знаковых сигналов. Формирователи 17 и 18 импульсов из сигналов на выходах схем 5 и 6 совпадений формируют импульсы, которые через схему 9 объединения поступают на вход счетчика 10. Делитель 12 частоты и счетчик 11 подсчитывает общее число сравнений полярностей знаковых импульсов N , которое задается заранее. При достижении ы сравнений счетчик .: 1 вы,цает сигнал на устройство 15 запрета, которое пропускает сигнал с выхода счетчика 10 на функциональный преобразователь 16. При определенном подборе коэффициента деления в делителе 12 частоты число в счетчке и будет соответствовать отношению числа знакосовпадений к общему числу сравнений. Функциональный преобразователь преобразует полученное соотношение по заданному зкону в напряжение, соответствующее значению отношения сигнал/шум, которое может быть, например, заре1истрровано обычным стрелочным прибором.

Реализация способа с помощью рассмотренного устройства происходит в течение заданного времени которое выбирается в зависимости от требуемой точности оценивания отношения сигнал/шум и определяется числом пересчетных декад в делителе частоты. При этом не нужно знать априори вероятностно-статистические свойства и характеристики входного сигнала ( корреляционные Функщги и интервалы корреляции полезного сигнала и помехи, а необходимо лишь знание периода случайного полезио1О сигнала со случайной азой f квазислучайного сигнала) и ширины спектра финитного белого шума. Быстродействие предлагаемого способа, приблизительно, вдвое выше, чем известного. Кроме того, предлагаемый способ проще, та;ч как для его реализации не требуется выполнять операцию аналоговой задержки. Заданная ширина спектра финитного белого шума, кратная частоте колебаний полезного сигнала со случайной фазой, может быть обеспечена предварительной обработкой входного сигнала - пропусканием входного сигнала через формирующий фильтр с полосой пропускания, равной ширине спектра помехи, что не требует дополнительных временных затрат и не снижает быстродействия и эффективности способа.

Формула изобретения

Способ определения отношения сигнал/шум, основанный на анализе статистических свойств центрированного входного сигнала в моменты времени с выбранным интервалом, о т л и ч аю щ и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения, сравнивают центрированный сигнал с нулевым уровнем, вырабатывают знаковый сигнал одной полярности f при превышении центрированным сигналом нулевого уровня и противоположной полярностиJ при непревышении нулевого уровня, сравнивают полярности знаковых сигналов для выбранных интервалов времени, подсчитывают число совпадений полярностей знакового сигнала и общее число сравнений полярностей определяют отношение числа совпадений полярностей к общему числу сравнений.

полученное отношение подвергают нелинейному преобразованию по закону, обратному произведению функции Бесселя и экспоненты.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

2.Ткаченко А.П. и Кириллов В.И. Техника телевизионных измерений. Минск, Высшая школа, 1976, с. 6668 (прототип).