Способ фильтрации дискретизированных сигналов александра глухова

 

Изобретение относится к системам обработки широкополосных сложных сигналов и может быть использовано в активной гидролокации, радиолокации, навигационных системах связи. Цель изобретения увеличение отношения сигнал/шум в выходном сигнале. Способ заключается в том, что текущую дискрету выходного сигнала получают суммированием всех результатов, попарного умножения i - й дискреты импульсной характеристики и i - й дискреты входного сигнала из последовательности предыдущих М дискрет входного сигнала, частоту дискретизации входного сигнала и импульсной характеристики выбирают равной f_д=2f_в·N , где f_в - высшая частота спектра входного сигнала, M=f_у·T , при этом 0÷f_в, где T - длительность импульса, и предварительно выполняют перестановку входного сигнала с образованием новой последовательности дискрет, над которой выполняют быстрое или прямое преобразование фурье с получением соответствующих спектральных составляющих и выбирают те из них, которые принадлежат диапазоном частот f_в(2N-1)÷f_в·2N , а остальные приравнивают к нулю и выполняют обратные преобразования фурье с образованием восстановленной последовательности дискрет входного сигнала выполняют путем квантования с переменным шагом размаха амплитуды импульсной характеристики на L "окон", где 2≅ L≅ 0,5 M с равным количеством дискрет, принадлежащих одному "окну", затем разбивают последовательность предыдущих M дискрет входного сигнала на L групп, относя к L-й группе, где l = 1, L, дискреты входного сигнала, соответствующие дискретам импульсной характеристики, принадлежащих l-му "окну", а внутри групп дискреты входного сигнала располагают по убыванию или возрастанию и формируют новую последовательность дискрет входного сигнала путем расположения на месте i-й дискреты входного сигнала максимальной, если i - четное, или минимальной, если i - нечетное, дискреты входного сигнала, принадлежащей группе, к которой принадлежит i-я дискрета, с исключением использованной дискреты из этой группы, при этом последовательно выполняемые операции перестановки дискрет входного сигнала и преобразования их повторяют не более, чем раз, причем полученные дискреты входного сигнала при предыдущем повторении берут за исходные при последующем повторении.

Изобретение относится к системам обработки широкополосных сложных сигналов и может быть использовано в активной гидролокации, радиолокации, навигационных системах, связи.

Известен способ оптимальной фильтрации сложных сигналов, при котором оптимальный приемник образует взаимно коррекляционную функцию опорного сигнала и ожидаемого сигнала.

Недостатком данного способа является то, что максимальное отношение сигнал/шум на фоне шума со спектром Е_ш (Вт/c) не может превосходить отношение ρ≅ , (1) где Е_ш - энергия сигнала.

Известен способ оптимальной фильтрации, при котором вначале с помощью прямого быстрого преобразования Фурье вычисляют частотные спектры от входного дискретизированного сигнала и от дискретизированной импульсной характеристики, затем одноименные частотные дискреты перемножаются и от полученного результата путем обратного быстрого преобразования Фурье получают дискреты отклика.

Недостатком этого способа является то, что отношение сигнал/шум не может превышать отношение 1.

Известен также способ, при котoром текущая дискрета отклика формируется в соответствии с выражением Y_n= h_i·X_i-n , (2) где h_i - i-я дискрета импульсной характеристики; Х_i - i-я дискрета входного сигнала из участвующих в формировании текущей дискреты выходного сигнала; М - количество дискрет импульсной характеристики.

Этот способ заключается в том, что текущую дискрету выходного сигнала получают суммированием всех результатов попарного умножения i-й дискреты импульсной характеристики на i-ю дискрету входного сигнала из М дискрет, участвующих в формировании текущей дискреты выходного сигнала.

Недостатком способа является то, что отношение сигнал/шум не может превосходить отношение 1.

Цель изобретения - повышение отношения сигнал/шум в выходном сигнале путем многократного рассеивания части энергии шума на нерабочий диапазон частот с сосредоточением этой части энергии шума около частотной дискреты f_в˙N и подавление этой части энергии.

Это достигается тем, что текущую дискрету выходного сигнала получают суммированием всех результатов попарного умножения i-й дискреты импульсной характеристики и i-й дискреты входного сигнала из М последовательности предыдущих дискрет входного сигнала и предварительно выполняют следующие операции: частоту дискретизации входного сигнала и импульсной характеристики выбирают равной f_в = 2 ˙ f_в ˙ N, где f_в - высшая частота спектра входного сигнала; N >> 1, при этом М = f_д ˙ Т, где Т - длительность импульса; выполняют перестановку дискрет входного сигнала с образованием новой последовательности дискрет; над которой выполняют быстрое прямое преобразование Фурье или прямое преобразование Фурье с получением соответствующих спектральных составляющих, из которых выбирают спектральные составляющие, принадлежащие диапазонам частoт 0 - f_в и f_в.(2 ˙ N-1) - 2 ˙ f ˙ N, а остальные приравнивают к нулю и выполняют обратное быстрое преобразование Фурье или обратное преобразование Фурье с образованием восстановленной последовательности дискрет входного сигнала.

Перестановку дискрет входного сигнала выполняют путем квантования с переменным шагом размаха амплитуды импульсной характеристики на L "окон", где 2 ≅ L ≅ 0,5 М с равным количеством дискрет, принадлежащих одному "окну". Затем разбивают М последовательность предыдущих диcкрет входного сигнала на L групп, относя к l-й группе, где l=1, диcкреты входного сигнала, соответствующие дискретам импульсной характеристики, принадлежащих l-му "окну" а внутри групп дискреты входного сигнала располагают по убыванию или возрастанию и формируют новую последовательность дискрет входного сигнала путем расположения на месте i-й дискреты входного сигнала максимальной, если i - четное, или минимальной, если i - нечетное, дискреты входного сигнала, принадлежащей группе, к которой принадлежит i-я дискрета с исключением использованной дискреты из этой группы.

Последовательно выполняемые операции перестановки дискрет входного сигнала, прямого быстрого преобразования Фурье или прямого преобразования Фурье, обнуления части спектральных составляющих в диапазоне частот f_в - f_в ˙ (2 ˙ N-1), обратное быстрое преобразование Фурье или обратное преобразование Фурье повторяют не более, чем Lраз, при этом полученные дискреты входного сигнала при предыдущем повторении берут за исходные при последующем повторении.

Способ осуществляется следующим образом.

Входной сигнал и импульсная характеристика дискретизируются с частотой f_д = 2 ˙ f_в˙ N, где N >> 1, т.е. в N раз выше, чем минимальная необходимая по теореме Котельникова. Импульсная характеристика согласована с рабочим сигналом и рабочая полоса равна 0 - f_в. Для простоты полагаем, что импульсная характеристика и входной сигнал имеют только реальную часть, при этом длительность импульса равна Т и, следовательно, количество дискрет импульсной характеристики равно М = f_д ˙ Т.

Возьмем те дискреты входного сигнала, в которых имеется вся реализация отраженного сигнала от точечного отражателя, заметим, что их количество равно М, причем это М предыдущих дискрет, которые участвуют в формировании текущей дискреты выходного сигнала, найдем те дискреты входного сигнала, в которых составляющие отраженного сигнала одинаковые с некоторой точностью следующим образом. Сделаем квантование размаха амплитуды импульсной характеристики, который равен 2 ˙ h_мах, где h_маx- амплитуда импульсной характеристики на L "окон" с переменным шагом, причем, изменяя ширину каждого окна для конкретной импульсной характеристики и конкретной частоты дискретизации, всегда можно сделать так, чтобы каждому окну принадлежало одинаковое количество дискрет. Дискрета импульсной характеристики считается принадлежащей l-му окну, если ее величина больше нижней границы окна и меньше верхней границы окна. Также считаем, что дискрета входного сигнала из М последовательности принадлежит l-му окну, если на нее умножается дискрета импульсной характеристики в слагаемом выражении 2, принадлежащая l-му окну. Дискреты входного сигнала, принадлежащие одному окну, выделяются в отдельную группу, в которой они переставляются в порядке возрастания или убывания, причем в этих дискретах составляющие отраженного сигнала одинаковые.

Формируем новую последовательность дискрет входного сигнала по правилу: берем i-ю дискрету из М дискрет входного сигнала, определяем, к какому окну она принадлежит и из найденной группы берем максимальную или самую правую из неиспользованных ранее из найденной группы, если i - четное, или минимальную самую левую из неиспользованных ранее из найденной группы, если i - нечетное, и размещаем ее на i-м месте в новой последовательности дискрет входного сигнала. От полученной последовательности берем прямое быстрое преобразование Фурье. Так как представляются те дискреты, в которых составляющие отраженного сигнала одинаковые, то разрыва во времени его не будет, а следовательно, спектр его не изменится. На составляющие шумового сигнала никаких условий не наложено, поэтому после перестановки входной сигнал за счет шумовой составляющей во времени будет иметь разрыв, что вызовет изменение спектра, т.е. его расширение на нерабочую часть частотного диапазона в силу повышенной частоты дискретизации f_в - f_в ˙ (2 ˙ N-1), в котором частотные дискреты обнуляются. В силу того, что в новой последовательности дискреты располагаются так: максимальная, минимальная и т.д., часть энергии шума сосредотачивается около частот f_в ˙ N. От полученной последовательности частотных дискрет берем обратное быстрое преобразование Фурье. В восстановленной последовательности дискрет входного сигнала уровень шума будет ниже, чем в исходной. Далее операции перестановки, прямого и обратного быстрого преобразования Фурье, обнуления части частотных дискрет повторяем много раз в пределе до полного разрушения отраженного сигнала, т.е. не более чем в Lраз.

Предложенный способ позволяет увеличить отношение сигнал/шум. Использование обработки по данному способу сигналов активной гидролокации, активной локации, систем связи и навигации позволит увеличить достоверность или дальность действия или снизить энергию излучаемого импульса.

Формула изобретения

Способ фильтрации дискретизированных сигналов, заключающийся в том, что текущую дискрету выходного сигнала получают суммированием всех результатов попарного умножения i-й дискреты импульсной характеристики и i-й дискреты входного сигнала из последовательности предыдущих M дискрет входного сигнала, отличающийся тем, что , с целью увеличения отношения сигнал/шум в выходном сигнале, частоту дискретизации входного сигнала и импульсной характеристики выбирают равной f_g = 2f_b·N, где f_b - высшая частота спектра входного сигнала, N >> 1 , при этом M = f_g·T, где T - длительность импульса, и предварительно выполняют перестановку дискрет входного сигнала с образованием новой последовательности дискрет, над которой выполняют прямое быстрое преобразование Фурье или прямое преобразование Фурье с получением соответствующих спектральных составляющих, из которых выбирают спектральные составляющие, принадлежащие диапазонам частот 0 - f_b и/или f_b(2N-1 ) - f_b·2N, а остальные приравнивают к нулю и выполняют обратное быстрое преобразование Фурье или обратное преобразование Фурье с образованием восстановленной последовательности дискрет входного сигнала, причем перестановку дискрет входного сигнала выполняют путем квантования с переменным шагом размаха амплитуды импульсной характеристики на L " окон ", где 2≅L≅0,5M, с равным количеством дискрет, принадлежащих одному "окну", затем разбивают последовательность предыдущих M дискрет входного сигнала на L групп, относя к l-й группе, где l = 1, L, дискреты входного сигнала, соответствующие дискретам импульсной характеристики, принадлежащих l-му "окну", а внутри групп дискреты входного сигнала располагают по убыванию или возрастанию и формируют новую последовательность дискрет входного сигнала путем расположения на месте i-й дискреты входного сигнала, причем начинают с первой и заканчивают последней, M-й, максимальной, если i-четное, или минимальной, если i -нечетное, дискреты входного сигнала, принадлежащие группе, к которой принадлежит i-я дискрета, исключают использованную дискрету из этой группы, при этом последовательно выполняемые операции перестановки дискрет входного сигнала, прямого быстрого преобразования Фурье или прямого преобразования Фурье, обнуления части спектральных составляющих в диапазоне частот f_b - f_b (2n-1), обратное быстрое преобразование Фурье или обратное преобразование Фурье повторяют не более чем L раз, причем полученные дискреты входного сигнала при предыдущем повторении берут за исходные при последующем повторении.