Способ распознавания сигналов систем радиосвязи

 

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для целей радиоконтроля при решении задачи скрытого определения характеристик источников радиоизлучения. Технический результат заключается в распознавании сигналов систем радиосвязи при заранее неизвестных параметрах принимаемого сигнала и может быть достигнут за счет адаптивной многоступенчатой настройки параметров системы приема и цифровой обработки радиосигналов, включающей ее подстройку по частоте и полосе приема сигнала, изменение частоты дискретизации принятого сигнала, формирование контекстного второго набора классификационных признаков, а также адаптивное (контекстное) подключение второй половины дерева классификации. 3 ил.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано для целей радиоконтроля излучений при решении задачи скрытого определения характеристик (частоты, ширины спектра, скорости манипуляции, вида передачи) источников радиоизлучения.

Известны способы формирования признаков распознавания сигналов на основе их частотно-временных распределений (ЧВР) плотности энергии (см. "Метод формирования признаков распознавания сигналов на основе их частотно-временных распределений плотности энергии", Аладинский В.А., Мотков В.И., Симонов А.Н. Военный университет связи, С-Петербург) [1], [2], при котором в качестве признаков распознавания сигналов формируют как минимум одномерный массив собственных чисел {λi}. Предполагается, что эти признаки имеют нормальный закон распределения. В качестве его параметров используют математическое ожидание M(λ) и среднеквадратическое отклонение σ(λ). Из этого массива отбирается минимальное количество контрастных признаков распознавания сигналов. Результаты моделирования подтверждают возможность автоматического формирования минимального количества контрастных признаков распознавания.

Однако указанные способы позволяют распознавать ограниченное количество видов радиосигналов, что обусловлено использованием только ЧВР их плотности энергии.

Известен способ классификации видов модуляции сигналов с фазовой манипуляцией и квадратурной амплитудной модуляцией (КАМ) путем раздельного анализа дискретного преобразования Фурье (ДПФ) фазовых гистограмм и использования знания о распределении амплитуд (см. в статье Christoph Schreyogg, "Modulation Classification Of QAM Schemes Using The DFT Of Phase Histogram Combined With Modulus Information", http://www. argreenhouse. com/society/TacCom/milcom_97_papers.shtml) [2].

Недостатком данного способа является необходимость априорного знания точных значений частоты несущей и частоты манипуляции сигнала, что не обеспечивается в реальных условиях обнаружения неизвестного сигнала.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ разработки и применения моделей для распознавания речевых сигналов, при котором: 1) увязывают во времени блоки полученных тренинговых данных в разговорной речи и модели звуков речи; 2) объединяют модели в группы звуков и формируют соответствующие блоки; 3) формируют из блоков компоненты моделей; 4) из полученных компонентов составляют модели для каждой группы звуков речи; 50 принимают речевой сигнал и выделяют в нем звуки; 6) помещают каждый звук в определенную группу однородных звуков с использованием первого набора параметров по правилам дерева решений (классификаций); 7) выделяют в группе блок однородных звуков, используя второй набор параметров; 8) формируют набор новых классификационных признаков для блока однородных звуков; 9) корректируют модели групп звуков по новому набору классификационных признаков.

(См. патент US 5715367, М.кл. G 01 L 9/00, Feb. 3, 1998 "Apparatuses and methods for developing and using models for speach recognition" [3]).

Сущность данного способа состоит в создании адаптивной системы формирования моделей сигналов для их распознавания.

Однако работа системы обеспечивается только при фиксированных параметрах системы получения входных сигналов.

Техническим результатом изобретения является распознавание сигналов систем радиосвязи при заранее неизвестных параметрах принимаемого сигнала за счет адаптивной многоступенчатой настройки параметров системы приема и цифровой обработки радиосигналов, включающей ее подстройку по частоте и полосе приема сигнала, изменение частоты дискретизации принятого сигнала, формирование контекстного второго набора классификационных признаков, а также адаптивное (контекстное) подключение второй половины дерева классификации.

В заявляемом способе осуществляется адаптивная многоступенчатая настройка параметров системы приема и цифровой обработки радиосигналов, в то время как в [3] параметры приемной системы фиксированы (неизменны), а создается адаптивная система формирования моделей сигналов для их распознавания.

Технический результат достигается тем, что способ распознавания сигналов систем радиосвязи включает:
а) прием радиосигнала x(t) радиоприемным устройством (РПУ);
б) преобразование радиосигнала в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП);
в) выполнение прямого дискретного преобразования Фурье S{Xi} и S{Xi²} над массивами отсчетов сигнала {Xi} и массивами квадратов отсчетов сигнала { Xi²} соответственно;
г) измерение по полученным спектрам частотных параметров принятого сигнала;
д) сравнение значений измеренных частотных параметров принятого сигнала с параметрами настройки РПУ;
e) осуществление подстройки частоты и полосы РПУ в случае выхода значений измеренных частотных параметров за границы допустимых значений и повторение действий с а) по д);
ж) выполнение обратного дискретного преобразования Фурье {Yi} над массивами S{Xi} при соответствии параметров настройки РПУ принятому сигналу;
з) измерение значений параметров принятого сигнала, входящих в первый набор классификационных признаков дерева классификации, построенного заранее;
и) отнесение принятого сигнала к определенной группе сигналов или к неизвестным сигналам по правилам дерева классификации;
к) формирование второго набора классификационных признаков сигналов для данной группы сигналов;
л) измерение значений параметров принятого сигнала, входящих во второй набор классификационных признаков;
м) отнесение принятого сигнала к одному из типов сигналов данной группы или к неизвестным сигналам данной группы по правилам дерева классификаци;
н) в случае отнесения сигнала к неизвестному осуществление подстройки частоты дискретизации АЦП и частоты и полосы РПУ и повторение действий с а) по н) до тех пор, пока не произойдет отнесение сигнала к определенному типу или не будет достигнуто максимальное значение количества циклов подстройки РПУ и АЦП и в этом случае будет принято решение о приеме сигнала неизвестного типа.

На фиг. 1 приведена схема осуществления способа распознавания сигналов систем радиосвязи.

На фиг. 2 приведен пример реализации спектра сигнала, содержащего две группы частотных составляющих (Nгp=2) и имеющего ширину спектра сигнала ΔFc.

На фиг.3 приведен пример фрагмента дерева классификации.

Способ распознавания сигналов систем радиосвязи содержит следующие операции (фиг.1):
а) прием радиосигнала x(t) радиоприемным устройством (РПУ) 1;
б) преобразование радиосигнала в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 2;
в) выполнение прямого дискретного преобразования Фурье S{Xi} и S{Xi²} над массивами отсчетов сигнала {Xi} и массивами квадратов отсчетов сигнала { Xi²} соответственно с использованием ЭВМ 3;
г) измерение по полученным спектрам частотных параметров принятого сигнала 4;
д) сравнение значений измеренных частотных параметров принятого сигнала с параметрами настройки РПУ 5;
е) осуществление подстройки частоты и полосы РПУ в случае выхода значений измеренных частотных параметров за границы допустимых значений 6 и повторение действий с а) по д);
ж) выполнение обратного дискретного преобразования Фурье {Yi} над массивами S{ Xi} при соответствии параметров настройки РПУ параметрам принятого сигнала с использованием ЭВМ 7;
з) измерение значений параметров принятого сигнала, входящих в первый набор классификационных признаков дерева классификации, построенного заранее, 8;
и) отнесение принятого сигнала к определенной группе сигналов или к неизвестным сигналам по правилам дерева классификации 9;
к) формирование второго набора классификационных признаков сигналов для данной группы сигналов и измерение значений параметров принятого сигнала, входящих во второй набор классификационных признаков, 10;
л) отнесение принятого сигнала к одному из типов сигналов данной группы или к неизвестным сигналам данной группы по правилам дерева классификации 11;
м) в случае отнесения сигнала к неизвестному осуществление подстройки частоты дискретизации АЦП и частоты и полосы РПУ 13 и повторение действий с а) по м) до тех пор, пока не произойдет отнесение сигнала к определенному типу или не будет достигнуто максимальное значение количества циклов подстройки РПУ и АЦП 12 и в этом случае будет принято решение о приеме сигнала неизвестного типа 14.

При реализации способа распознавания сигналов систем радиосвязи принимают радиосигнал x(t), полученный с выхода антенной системы, с помощью радиоприемного устройства (РПУ) 1, настроенного на частоту Fп для приема излучения данного сигнала частотой Fc. Настройка РПУ на частоту Fп вызвана тем, что, как правило, значение частоты Fc известно заранее (например, в результате обнаружения сигнала) с некоторой ошибкой, так же, как и величина ширины полосы частот спектра данного сигнала ΔFc.

Сигнал с выхода РПУ на промежуточной частоте преобразуют в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 2, в результате чего получают массив цифровых эквивалентов (отсчетов) мгновенных значений принятого сигнала { Xi} (где i - номер текущего отсчета), выбранных с установленной в АЦП частотой дискретизации Fдискр.

Над массивами отсчетов сигнала {Xi} и квадратов отсчетов сигнала {Xi²}, переданными в память ЭВМ, выполняют прямое дискретное (быстрое) преобразование Фурье (БПФ), получая массивы отсчетов спектров сигнала S{Xi} и S{Xi²}. По полученным спектрам измеряют основные частотные параметры принятого сигнала, например значения Fc и ΔFc.

Сравнивают измеренные частотные параметры принятого сигнала с параметрами настройки РПУ в блоке 5; в качестве параметров настройки РПУ могут использоваться частота приема Fп и ширина полосы частот РПУ ΔFп. В большинстве случаев частота принимаемого сигнала Fc и частота настройки РПУ Fп не совпадают, а также ширина спектра сигнала ΔFc и полоса частот РПУ ΔFп не соответствуют друг другу из-за неточных априорных данных о сигнале или их отсутствия, применения дискретного крупного шага перестройки частоты приема РПУ, разброса параметров РПУ и т.д.

В случае выхода значений измеренных частотных параметров сигнала за границы допустимых значений настройки РПУ осуществляют подстройку частоты и полосы РПУ 6. За счет такой подстройки условия приема сигнала и его дальнейшей обработки улучшаются по сравнению с отсутствием указанного этапа адаптивной подстройки РПУ, учитывающей параметры принимаемого сигнала по частоте и занимаемой полосе частот.

После подстройки РПУ повторяют действия, соответствующие реализации блоков 1...5.

Если параметры настройки РПУ и параметры принимаемого сигнала соответствуют друг другу, то выполняют обратное дискретное (быстрое) преобразование Фурье (ОБПФ) {Yi} в блоке 7.

В блоке 8 измеряют значения параметров принятого сигнала, входящих в первый набор классификационных признаков дерева классификации, построенного заранее. К ним могут быть отнесены, например, количество локальных групп частотных составляющих в спектре сигнала Nгp (фиг.2), усредненная ширина спектра сигнала ΔFс, количество уровней фазы, частоты или амплитуды.

В зависимости от сочетания измеренных в блоке 8 величин значений параметров принятого сигнала, входящих в первый набор классификационных признаков дерева классификации, по правилам дерева классификации (дерева решений), построенного заранее (фиг.3), относят в блоке 9 принятый сигнал к одной из выделенных ранее групп однотипных сигналов или к неизвестным сигналам.

Из фиг. 3 следует, что в блоке 9, реализующем правила первой половины (части) дерева классификации, сигнал с измеренными параметрами, например Nгр= 1 и ΔFc≤0,2 кГц, относят к группе, включающей сигналы двух типов: NON и НС-1. В то же время принятый другой сигнал с параметрами Nгp=2 и ΔFc=0,1... 40 кГц отнесут к группе, включающей сигналы трех других типов: ЧТ2, С-1 и С-2. Сигналы с параметрами Nгp=1 и ΔFc>0,2 кГц или с параметрами Nгp=2 и ΔFс <0,1 кГц либо ΔFc >40 кГц отнесут к неизвестным сигналам.

В блоке 10 в зависимости от выбранной в блоке 9 группы сигналов производят формирование второго (контекстного) набора классификационных признаков, необходимых для разделения сигналов различных типов внутри данной группы. При этом для каждой группы сигналов выполняют свойственный этой группе ряд дополнительных расчетов (например, производят расчет цифровых детекторов AM, ЧМ, ФМ сигналов, строят гистограммы скоростей манипуляции сигналов на выходах детекторов и т.д.). Так, например, для распознавания сигналов внутри первой группы (фиг. 3) формируют набор классификационных признаков, содержащий два признака: прерывистость сигнала и скорость телеграфирования (манипуляции) сигнала на выходе амплитудного детектора Vад. В то же время, для распознавания сигналов внутри второй группы (фиг.3) формируют набор, содержащий три признака: прерывистость сигнала и скорости телеграфирования (манипуляции) сигнала на выходах частотного (Vчд) и фазового (Vфд) детекторов. В общем случае указанные признаки могут быть сложными и включать для своего получения выполнение различных операций обработки сигналов. После формирования второго набора классификационных признаков измеряют значения соответствующих им параметров принятого сигнала, а также отдельные вспомогательные параметры сигнала (например, значение частоты центра "тяжести" спектра или середины спектра сигнала, ширина спектра сигнала на различных уровнях измерения, значение частоты максимальной составляющей спектра, скважность импульсов сигнала и т.д.).

Аналогично процедуре принятия решения в блоке 9, по набору измеренных значений параметров принятого сигнала, входящих во второй набор классификационных признаков, в блоке 11 (реализующем правила второй половины дерева классификации) относят принятый сигнал к определенному типу (одному из типов) сигналов данной группы или к неизвестному сигналу данной группы. Например, для сигналов первой группы (NON и НС-1) определяют тип сигнала NON, если при измерении значения параметра прерывистости получен результат N (отсутствие прерывистости - непрерывный сигнал); в случае получения другого ответа (Y - сигнал прерывистый) и измеренного значения скорости телеграфирования на выходе амплитудного детектора Vад в пределах от 5 до 20 Бод принимают решение о приеме сигнала типа НС-1; если параметр Vад выходит за эти пределы, то принимают решение о приеме неизвестного сигнала. Аналогичным образом принимают решение о типе принятого сигнала, отнесенного в блоке 9 к сигналам второй группы. В случае отнесения сигнала к неизвестному осуществляют дополнительную подстройку параметров РПУ (частоты и полосы) и/или изменение параметров работы АЦП, в частности изменение частоты дискретизации сигнала Рдискр (13), пользуясь измеренными в блоке 10 вспомогательными параметрами сигнала.

Повторяют все описанные выше действия до тех пор, пока не произойдет отнесение сигнала к определенному типу или не будет достигнуто предельное значение Nмакс количества циклов подстройки РПУ и АЦП (блок 12). В этом случае принимают решение (блок 14) о приеме сигнала неизвестного типа.

Источники информации
1. Аладинский В. А. , Мотков В. И., Симонов А.Н. "Метод формирования признаков распознавания сигналов на основе их частотно-временных распределений плотности энергии". Сборник научных трудов по материалам 6-й международной конференции "Теория и техника передачи, приема и обработки информации" 17-19 сентября 2000 г.. Харьковский ПТУРЭ, стр.396- 398/
2. http://www.argreenhouse.com/society/TacCom/milcom _97_papers.shtml,
[3] Патент US 5715367, М.кл. G 01 L 9/00, Feb. 3, 1998 "Apparatuses and methods for developing and using models for speach recognition".

Формула изобретения

Способ распознавания сигналов систем радиосвязи, включающий прием радиосигнала радиоприемным устройством (РПУ), преобразование радиосигнала в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), выполнение прямого дискретного преобразования Фурье над массивами отсчетов сигнала и массивами квадратов отсчетов сигнала, измерение по полученным спектрам частотных параметров принятого сигнала, сравнение значений измеренных частотных параметров с параметрами настройки РПУ, осуществление подстройки частоты и полосы РПУ в случае выхода значений измеренных частотных параметров за границы допустимых значений и повторение вышеперечисленных действий, начиная с приема радиосигнала по осуществлению подстройки частоты и полосы РПУ, выполнение обратного дискретного преобразования Фурье при соответствии параметров настройки РПУ параметрам принятого сигнала, измерение значений параметров принятого сигнала, входящих в первый набор классификационных признаков дерева классификации, построенного заранее, отнесение принятого сигнала к определенной группе сигналов или к неизвестным сигналам по правилам дерева классификации, формирование второго набора классификационных признаков сигналов для данной группы сигналов, измерение значений параметров принятого сигнала, входящих во второй набор классификационных признаков, отнесение принятого сигнала к одному из типов сигналов данной группы или к неизвестным сигналам данной группы по правилам дерева классификации, в случае отнесения сигнала к неизвестному осуществление подстройки частоты дискретизации АЦП и частоты и полосы РПУ и повторение всех действий, начиная с приема радиосигнала, до тех пор, пока не произойдет отнесение сигнала к определенному типу или не будет достигнуто максимальное значение количества циклов подстройки РПУ и АЦП и в этом случае будет принято решение о приеме сигнала неизвестного типа.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3