способ обнаружения сигнала известного точно и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ обнаружения сигнала известного точно, включающий узкополосную оптимальную фильтрацию входного сигнала, представляющего собой узкополосный шум и смесь полезного сигнала и узкополосного шума, с получением на выходе оптимального линейного фильтра аддитивной смеси полезного сигнала и узкополосного шума, являющегося по своей структуре сигналом биений, отличающийся тем, что после узкополосной оптимальной фильтрации осуществляют преобразование структуры узкополосного шума из структуры биений в структуру амплитудно-модулированного сигнала с несущей, путем изменения фазы высокочастотной составляющей сигнала на (где =180°), при каждом достижении огибающей узкополосного шума нулевого значения, с обеспечением получения отличий по спектральной плотности узкополосного шума и смеси полезного сигнала и узкополосного шума, соответствующих критерию Слепяна, и при наличии таких отличий принимают решение об обнаружении полезного сигнала.

2. Устройство обнаружения сигнала известного точно, содержащее оптимальный линейный фильтр, обеспечивающий получение на своем выходе аддитвной смеси полезного сигнала и узкополосного шума, причем вход оптимального линейного фильтра является входом устройства, отличающееся тем, что введены последовательно соединенные амплитудно-фазовый преобразователь и решающий блок по Слепяну, причем вход амплитудно-фазового преобразователя соединен с выходом оптимального линейного фильтра, а выход решающего блока по Слепяну является выходом устройства, при этом амплитудно-фазовый преобразователь предназначен для переключения фазы высокочастотной составляющей сигнала на (где =180°) при каждом достижении огибающей сигнала с выхода оптимального линейного фильтра нулевого уровня, а решающий блок по Слепяну, предназначен для принятия решения об обнаружении сигнала по наличию отличий в спектральной плотности узкополосного шума и смеси полезного сигнала и узкополосного шума.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области радиоприема, а именно к обнаружению радиоимпульса известного точно на фоне собственных шумов приемного устройства.

Известен способ приема полезного сигнала известного точно на фоне «белых» шумов (Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости. - М.: Госэнергоиздат, 1956 г.[1]). Способ обнаружения сигнала известного точно по Котельникову заключается в том, что смесь сигнала и шума подается на последовательно соединенные оптимальный линейный фильтр и пороговое устройство. Оптимальный линейный фильтр, согласованный со спектром принимаемого сигнала, обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум на входе порогового устройства. Пороговое устройство выдает решение о наличие полезного сигнала на входе приемного устройства в случае, когда амплитуда процесса на выходе оптимального линейного фильтра превышает заданное пороговое напряжение. Уровень порогового напряжения выбирается по одному из известных критериев.

Известно также устройство приема сигнала на фоне «белых» шумов [1]. Устройство состоит из оптимального линейного фильтра, согласованного с параметрами сигнала известного точно, и порогового устройства.

Теория потенциальной помехоустойчивости Котельникова [1] имеет огромное значение и является хорошо развитой и обоснованной теорией приема сигналов на фоне «белых» шумов. Поскольку высокочастотный тракт современных приемных устройств по своей сути является оптимальным или квазиоптимальным линейным фильтром, то характеристики реальных приемных устройств оказываются близкими к характеристикам, вытекающим из теории потенциальной помехоустойчивости, но никогда их не превышают.

Поэтому принято считать, что характеристики линейного оптимального приемника являются предельно достижимыми для всех без исключения классов приемных систем и дальнейшее развитие теории Котельникова невозможно.

Однако следует отметить, что в теории Котельникова приняты ограничения, связанные с применением принципа суперпозиции в описании аддитивной смеси сигнала и шума, которые распространяют действие теории только на линейные приемные системы.

Из теории Котельникова вытекают практически следующие важные выводы.

- Достоверность приема полезного сигнала известного точно на фоне «белых» шумов не зависит от формы сигнала, а зависит только от его энергии.

- Оптимальный линейный фильтр, согласованный со спектром полезного сигнала, обеспечивает на входе решающего устройства максимально возможное отношение сигнал/шум.

При обнаружение сигнала известного точно на фоне «белых» шумов решающее устройство принимает решение о наличие сигнала в случае, когда уровень сигнала на выходе оптимального линейного фильтра превышает некоторый пороговый уровень, который выбирается по одному из критериев оптимальности, в зависимости от типа и назначения приемного устройства (Чистяков Н.И., Сидоров М.В., Мельников B.C. Радиоприемные устройства. - М.: Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио. 1959. - 895 с.[2]).

В 1956 году Д.Слепян в своей теореме математически обосновал возможность повышения потенциальной помехоустойчивости (Slepian D. Some comment on the Detection of Gaussian Signals in Gaussian Noise // JRE Transactions on Information Theory, 1958. - N 2. - p.65-68. [2]). Суть данной теоремы состоит в том, что если выполняется условие

где S_n( ) и S_m+n( ) - спектральные плотности шума и смеси сигнала и шума, то существует правило решения, использующее входной процесс при 0 t T и обеспечивающее заданную вероятность ложной тревоги F< и вероятность правильного обнаружения D>1- , где >0 - любое наперед заданное число при сколь угодно малом отношении сигнал/шум (T - временной интервал, в течение которого происходит обнаружение).

Данная теорема была подвергнута критике (Вайнштейн Л.А., Зубаков В.Д. Выделение сигналов на фоне случайных помех. М.: Сов. радио, 1960, с.447. [3]) в том смысле, что указанный эффект может быть достигнут лишь для тривиального случая, когда ширина спектра сигнала больше ширины спектра шума. Для случая, когда ширина спектра шумов на входе приемного устройства больше ширины спектра сигнала, условие теоремы Слепяна (1) не выполняется.

Базируясь на теории потенциальной помехоустойчивости, было показано, что спектральная плотность шумов и спектральная плотность смеси сигнала и шума на выходе согласованного фильтра совпадают. И, следовательно, предел отношения спектральной плотности смеси сигнала и шума и просто шума тождественно равен 1. Таким образом, теорема Слепяна подтверждает тот факт, что в классе линейных систем оптимальный линейный приемник В.А.Котельникова обладает наилучшей потенциальной помехоустойчивостью. При этом критики теоремы Слепяна распространили действие указанного факта на все виды приемных устройств. Благодаря этому работы по поиску оптимальных приемников для обнаружения сигналов известных точно на фоне белых шумов не получили должного развития. Это связано с тем, что в то время не был поставлен вопрос; если какие-либо возможные преобразования сигнала и шума, при которых требования теоремы Слепяна выполнялись бы при обнаружении сигнала известного точно на фоне белого шума.

Следует отметить, что математические выкладки, изложенные в теореме Слепяна, не вызвали никаких сомнений у его оппонентов.

Поскольку согласно теории потенциальной помехоустойчивости оптимальный линейный фильтр, согласованный с параметрами полезного сигнала, обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум, то единственным возможным решением задачи является поиск способа нелинейного преобразования, способного обеспечить выполнение условий теоремы Слепяна и реализацию алгоритма, изложенного в указанной теореме.

Наиболее близким способом, принятым в качестве прототипа, является способ приема сигнала по Котельникову, который заключается в использовании оптимального линейного фильтра, согласованного с параметрами сигнала, и порогового устройства. Оптимальный линейный фильтр имеет амплитудно-частотную характеристику, согласованную со спектром принимаемого сигнала, и обеспечивает максимально возможное отношение сигнал/шум на входе порогового устройства. Решение о наличие сигнала известного точно на входе приемного устройства принимается в случае, когда уровень сигнала на входе порогового устройства превышает наперед заданный пороговый уровень. Уровень порога выбирается по одному из критериев оптимальности [1].

Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является оптимальный приемник по Котельникову, который состоит из оптимального линейного фильтра, согласованного с параметрами сигнала, и порогового устройства [1].

Основным недостатком указанного выше способа обнаружения сигнала на фоне шумов и устройства по прототипу является недостаточная достоверность приема сигнала известного точно в области малых отношений сигнал/шум, т.е. при малой энергии сигнала.

Известно, что при приеме слабых сигналов, когда уровень помех соизмерим или превышает уровень полезного сигнала на входе приемника, достоверность принимаемой информации количественно оценивается вероятностью пропуска сигнала Р_п.c и вероятностью ложной тревоги Р_л.т. Эти величины взаимозависимы, т.е. увеличение одной из них влечет за собой уменьшение другой и наоборот. Отношение этих величин определяется порогом срабатывания решающего устройства, который выбирается по одному из критериев оптимальности, в зависимости от типа и назначения приемного устройства (Чистяков Н.И., Сидоров М.В., Мельников B.C. Радиоприемные устройства. - М.: Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио. 1959. - 895 с. [4]).

Решаемой технической задачей, предложенного способа и устройства обнаружения сигнала известного точно, является повышение помехоустойчивости приема при малых отношениях сигнал/шум.

Решаемая техническая задача достигается использованием новых информационных признаков, позволяющих выполнить условия теоремы Слепяна за счет нелинейной обработки аддитивной смеси сигнала и узкополосного шума на выходе оптимального линейного фильтра

Решаемая техническая задача в предложенном способе обнаружения сигнала известного точно, включающем узкополосную оптимальную фильтрацию входного процесса, достигается тем, что после узкополосной оптимальной фильтрации осуществляют переключение фазы высокочастотной составляющей узкополосного процесса на при каждом достижении огибающей узкополосного процесса нулевого уровня и принимают решение о наличие сигнала по критерию Слепяна.

Решаемая техническая задача в предложенном устройстве обнаружения сигнала известного точно, содержащем оптимальный линейный фильтр, причем вход оптимального линейного фильтра является входом устройства, достигается тем, что введены последовательно соединенный амплитудно-фазовый преобразователь и решающий блок по Слепяну, причем вход амплитудно-фазового преобразователя соединен с выходом оптимального линейного фильтра, а выход решающего блока по Слепяну является выходом устройства.

При гетеродинном приеме сигнал после преобразователя подается на усилитель промежуточной частоты, являющийся, как правило, узкополосным. Амплитудно-частотная характеристика усилителя промежуточной частоты при приеме радиоимпульса близка к прямоугольной. Это обстоятельство будет в дальнейшем учитываться при рассмотрении спектров сигналов.

Поскольку для большинства радиоприемных систем выполняется условие

где F - полоса пропускания усилителя промежуточной полосы, F_пр - промежуточная частота приемного устройства, то согласно работе (В.И.Тихонов. Статистическая радиотехника. М.: Советское радио. 1966 г. [3]) собственные шумы приемного устройства могут быть представлены в виде

где А(t) и (t) - медленно изменяющиеся функции по сравнению с cos ₀t, представляющие огибающую и случайную фазу узкополосных флуктуаций. Представим огибающую A(t) в виде разложения в ряд Фурье:

так как А(t) - нормальный случайный процесс с нулевым средним значением, то нулевой член разложения отсутствует. С учетом этого узкополосный процесс может быть представлен как

Из формулы (5) следует, что узкополосный шум по своей структуре является сигналом биений.

Рассмотрим структуру выходного процесса при гетеродинном приеме, представляющего собой смесь полезного сигнала и собственных шумов приемника. Для определенности будем считать, что полезный сигнал представляет собой гармонический сигнал с постоянной амплитудой U_c и угловой частотой, равной ₀.

Указанный выходной процесс, с учетом выражения (4), можно представить в следующем виде

Из выражения (6) следует, что структура аддитивной смеси сигнала и шума зависит от уровня гармонического сигнала. При больших значениях амплитуды гармонического сигнала С/Ш>3 структура смеси сигнала и шума подобна структуре амплитудно-модулированного сигнала, а при малых уровнях гармонического сигнала 0<С/Ш<3, структура смеси близка к структуре амплитудно-модулированного колебания с частично подавленной несущей.

Таким образом, структура узкополосных шумов и смеси сигнала и шума существенно отличаются, причем информация о наличии и отсутствии сигнала имеется не только в амплитудном спектре, но и структуре узкополосного процесса.

Отличия в структурах процессов приводят к изменению спектра огибающей при прохождении последнего через нелинейные цепи.

Для решения вопроса о возможности использования найденных структурных отличий для повышения помехоустойчивости приемных устройств нами были рассмотрены различия между сигналом со структурой сигнала биений (Фиг.1) и амплитудно-модулированным сигналом со 100% модуляцией при одной и той же огибающей (Фиг.2).

На Фиг.1 и Фиг.2 представлены временные диаграммы сигналов со структурой биений (Фиг.1) и структурой амплитудно-модулированного сигнала (Фиг.2) с одной и той же огибающей.

На Фиг.3 изображена структурная схема устройства обнаружения сигнала известного точно.

На Фиг.4 изображен спектр узкополосных шумов на выходе линейного фильтра с П-образной амплитудно-частотной характеристикой.

На Фиг.5 изображен спектр узкополосных шумов на выходе амплитудно-фазового преобразователя.

На Фиг.6 изображен спектр смеси узкополосных шумов и сигнала известного точно на выходе амплитудно-фазового преобразователя.

На Фиг.7 изображена структурная схема амплитудно-фазового преобразователя.

Как видно из (Фиг.1), сигнал биений отличается от сигнала со структурой AM-колебания (Фиг.2) только тем, что в сигнале биений при достижении огибающей нулевого уровня фаза высокочастотной составляющей изменяется на .

Если в сигнале биений изменять фазу высокочастотной составляющей на при достижении огибающей нулевого уровня, то преобразованный сигнал будет иметь структуру AM-колебания с несущей. При одной и той же огибающей спектр AM-колебания в два раза шире спектра сигнала биений, так как имеет две симметричные боковые полосы.

Следовательно, отличие в структуре сигналов приводят к отличиям по ширине спектра огибающей на выходе нелинейного преобразователя.

Различия в спектральных плотностях могут быть использованы для создания помехоустойчивого приемного устройства, реализующего алгоритм обработки Слепяна [2].

Способ повышения помехоустойчивости оптимального линейного приемника может быть реализован с помощью устройства, структурная схема которого приведена на Фиг.3. Устройство состоит из последовательно соединенных оптимального линейного фильтра 1, амплитудно-фазового преобразователя 2 и решающего блока 3 по Слепяну. Вход оптимального линейного фильтра 1 является входом устройства. Выход решающего блока по Слепяну 3 является выходом устройства. Амплитудно-фазовый преобразователь содержит парафазный каскад 4, устройство управления 5 и электронные ключи 6, 7, при этом вход парафазного каскада 4 соединен со входом устройства управления 5 и являются входом амплитудно-фазового преобразователя, выходы парафазного каскада 4 соединны со входами электронных ключей 6, 7 соответственно. Выходы устройства управления соединены со входами управления электронных ключей 6, 7 соответственно, а выходы электронных ключей соединены между собой и являются выходом амплитудно-фазового преобразователя. Перечисленные выше блоки подключены к источнику электропитания.

Рассмотрим осуществление способа обнаружения сигнала известного точно который заключается в том, что осуществляют узкополосную оптимальную фильтрацию входного процесса, осуществляют переключение фазы высокочастотной составляющей на при каждом достижении огибающей узкополосного процесса на выходе оптимального линейного фильтра и принимают решение о наличие сигнала по критерию Слепяна.

Рассмотрим работу устройства обнаружения сигнала известного точно.

В случае отсутствия на входе приемного устройства полезного сигнала на выходе оптимального линейного фильтра 1 присутствуют только узкополосные шумы, которые, как было показано выше, имеют структуру сигнала биений. На Фиг.4 показан спектр узкополосных шумов на выходе узкополосного фильтра с П-образной амплитудно-частотной характеристики. Амплитудно-фазовый преобразователь 2 при каждом достижении огибающей узкополосного шума нулевого уровня переключает фазу высокочастотной составляющей на , тем самым изменяя структуру узкополосного шума.

При этом форма спектра на выходе амплитудно-фазового преобразователя 2 будет иметь треугольную форму с шириной спектра, в два раза превышающей полосу пропускания оптимального линейного фильтра.

На Фиг.5. приведен спектр преобразованных узкополосных шумов на выходе амплитудно-фазового преобразователя.

При наличие на входе приемного устройства полезного сигнала со структурой AM-колебания, на выходе оптимального линейного фильтра 1 будет присутствовать аддитивная смесь полезного сигнала и узкополосного шума. В этом случае структура смеси полезного сигнала и узкополосного шума имеет структуру AM-колебания с частично подавленной несущей (При 0<С/Ш/<3) или AM-сигнала с несущей (При С/Ш>3). При этом огибающая смеси не доходит до нулевого уровня и переключения фазы на не происходит. Таким образом, узкополосный процесс с выхода оптимального линейного фильтра 1 проходит через амплитудно-фазовый преобразователь 2 без изменения спектра и энергии полезного сигнала Фиг.6.

На Фиг.6 приведен спектр смеси сигнала и шума на выходе амплитудно-фазового преобразователя.

Из сравнения спектров, приведенных на Фиг.5 и Фиг.6, видно, что отношение спектральных плотностей узкополосного шума и смеси сигнала и узкополосного шума на выходе амплитудно-фазового преобразователя 2 не равно единице. Таким образом, выполняется условие (1) теоремы Слепяна и существует возможность использования критерия обнаружения, предложенного в теореме.

Поскольку согласно доказанной теореме обнаружение сигнала возможно при сколь угодно малом отношение сигнал/шум, то можно сделать вывод о том, что предлагаемый приемник будет обладать более высокой помехоустойчивостью, чем линейный оптимальный приемник.

В качестве оптимального линейного фильтра 1 может быть использован высокочастотный тракт приемного устройства, согласованный с параметрами принимаемого сигнала.

На Фиг.7 приведена структурная схема амплитудно-фазового преобразователя, который содержит парафазный каскад 4, устройство управления 5 и электронные ключи 6, 7. Алгоритм работы решающего блока по Слепяну приведены в приложении к заявке.

В случае когда на вход амплитудно-фазового преобразователя 2 подаются только узкополосные шумы, то на выходах парафазного каскада 4 формируются два противофазных узкополосных процесса. Процесс на первом выходе парафазного каскада 4 находится в противофазе по отношению к входному напряжению, а процесс на втором выходе парафазного каскада 4 синфазен входному процессу. Когда огибающая входного узкополосного процесса достигает нулевого уровня, устройство управления 5 изменяет состояние электронных ключей 6, 7. Особенность управления работой электронных ключей 6, 7 заключается в том, что в любой момент времени включенным оказывается только один из электронных ключей 6 или 7. Второй ключ в это время находится в выключенном состоянии. Таким образом, при каждом достижении огибающей узкополосного процесса нулевого уровня происходит изменение фазы высокочастотной составляющей на . При этом, как было показано выше, изменяется структура узкополосного процесса, который из узкополосного процесса со структурой сигнала биений преобразуется в узкополосный процесс со структурой AM-колебания. При этом спектр преобразованного процесса на выходе амплитудно-фазового преобразователя оказывается шире спектра на его входе.

Если на вход амплитудно-фазового преобразователя подается смесь полезного сигнала и шума, то структура входного процесса будет соответствовать структуре амплитудно-модулированного сигнала с несущей, с коэффициентом модуляции менее 100%. При этом огибающая узкополосного процесса не достигает нулевого уровня и переключения фазы не происходит. В этом случае амплитудно-фазовый преобразователь работает как линейный элемент и изменение ширины спектра не происходит.

Поскольку на выходе амплитудно-фазового преобразователя выполняется условие теоремы Слепяна (1), то существует возможность использования алгоритма обнаружения полезного сигнала по Слепяну. Таким образом, применяемый способ позволяет значительно улучшить обнаружительные характеристики приемного устройства, уменьшить вероятность ложной тревоги при минимальных расходах и незначительной модификации радиоприемного устройства.