Способ распознавания частотно-манипулированных сигналов с неизвестными параметрами
Изобретение относится к распознаванию образов, а именно - к способам распознавания радиосигналов, в частности к способам распознавания вида и параметров модуляции радиосигналов. Способ может быть использован в автоматизированных, технических средствах распознавания сигналов в условиях воздействия шумов и помех. Достигаемым техническим результатом является повышение вероятности правильного распознавания частотно-манипулированных радиосигналов при воздействии шумов и помех и сокращения времени процесса распознавания за счет использования в качестве основного признака значения нормированного коэффициента взаимной корреляции между огибающими отдельных частотных составляющих сигнала. При распознавании принятый радиосигнал дискретизируют по времени и квантуют по уровню. На основе совместного использования методов спектрального и кластерного анализа решается задача обнаружения многокомпонентного радиосигнала и его частотных компонент в полосе анализа. Затем выделяются частотные компоненты и находятся их огибающие. Вычисляя нормированный коэффициент взаимной корреляции полученных огибающих частотных составляющих многокомпонентного сигнала и сравнивая его с порогом, определенным в ходе исследований, принимается решение об отнесении принятого радиосигнала к классу сигналов с частотной манипуляцией. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к распознаванию образов, а именно к способам распознавания радиосигналов, в частности к способам распознавания вида и параметров модуляции радиосигналов. Способ может быть использован в автоматизированных технических средствах распознавания сигналов в условиях воздействия шумов и помех.
Заявленное техническое решение расширяет арсенал средств аналогичного назначения.
Известен способ обнаружения частотно-манипулированных сигналов, в котором производят многоканальную обработку сигнала в пространстве его частоты и ее производной, заключающийся в том, что осуществляют корреляционную свертку принятого сигнала с эталонным в каждом частотном канале и по полученному значения принимают решение о наличии или отсутствии сигнала [Я.А.Фомин, Г.Р.Тарловский. Статистическая теория распознавания образов. - М.: Радио и связь, 1986. - 264 с.].
Недостатком данного способа является невозможность его реализации при большом диапазоне изменения параметров, что приводит к большому числу каналов обработки сигнала.
Также известен способ распознавания сигналов [Омельченко В.А. Распознавание сигналов по спектру мощности в оптимальном базисе Карунена-Лоева. - Известия ВУЗов MB и ССО СССР. Сер. Радиоэлектроника, 1980, №12, с.11-18], в котором вычисляют спектр мощности сигнала, затем выполняют преобразование Карунена-Лоева, на основе полученных признаков сначала производят селекцию сигналов на полезные и мешающие, и в случае наличия полезного сигнала выполняют его отнесение к одному из эталонных классов.
Недостатком данного способа является низкая вероятность правильного распознавания сигналов, имеющих похожие спектры, что обусловливается низкой контрастностью признаков, сформированных по данному способу при распознавании таких сигналов.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является известный способ обнаружения частотно-модулированного сигнала с неизвестными параметрами (патент РФ №2154837, G 01 S 7/285 от 16.06.1999), основанный на определении максимума модуля корреляционной суммы выборок принятого сигнала и опорного сигнала в пространстве параметров частота сигнала и ее производная, заключающийся в том, что осуществляют аналого-цифровое преобразование сигнала, вычисляют корреляционные суммы путем суммирования отсчетов дискретного преобразования Фурье сегментов, умноженных на комплексные коэффициенты, определяют максимум модуля корреляционной суммы для частоты сигнала и ее производной по узлам сетки, далее сравнивают значение максимума модуля корреляционной суммы с порогом и принимают решение о наличии сигнала в узле сетки с индексом, соответствующим максимальному значению модуля корреляционной суммы.
Недостатком прототипа является относительно низкая вероятность правильного распознавания частотно-манипулированного радиосигналов при малом отношении сигнал/шум, обусловленным наличием в полосе анализа различного рода помех или сигналов других радиоэлектронных средств (РЭС). Это определяется тем, что производная частоты сигнала при воздействии шумов и помех приобретает случайный характер и данный метод становится непригодным для распознавания сигналов в сложной помеховой обстановке.
Кроме того, распознавание по способу-прототипу связано со значительными вычислительными затратами за счет необходимости формирования опорных сигналов в узлах сетки гексагонального типа.
Целью заявленного технического решения является разработка способа распознавания частотно-манипулированных радиосигналов, обеспечивающего повышение вероятности правильного распознавания при воздействии шумов и помех, за счет использования жесткой зависимости частот манипуляции при передаче информационных символов в системах частотной телеграфии.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе распознавания частотно-манипулированных радиосигналов, заключающемся в том, что принятый аналоговый сигнал дискретизируют с частотой fд, квантуют, после чего на предварительно заданном интервале из n выборок квантованных отсчетов формируют признаки сигнала, по значениям которых принимают решение о принадлежности принятого сигнала к классу частотно-манипулированных сигналов, для формирования признаков сигнала интервал из n выборок квантованных отсчетов представляют в спектральном виде. Последовательно фильтруют частотные составляющие спектра, для пиковых значений Un которых выполняется условие Un
кUmax, где Umax - наибольшее пиковое значение из всех частотных составляющих спектра, к - предварительно заданный коэффициент соотношения Un и Umax, каждую i-ю, где i=1, 2, ... m - номер частотной составляющей. Далее каждую отфильтрованную составляющую спектра детектируют и выделяют ее огибающую без постоянной составляющей. После чего вычисляют коэффициенты взаимной корреляции Bij для всех возможных сочетаний из двух частотных составляющих при i
j, где i,j=1, 2, ... m - номера частотных составляющих. Для принятия решения по распознаванию сигнала сравнивают вычисленные коэффициенты корреляции Bij с предварительно заданным пороговым уровнем Впор - коэффициента взаимной корреляции, причем при Вij>Впор принимают решение о принадлежности сигнала, образованного двумя частотными составляющими с номерами i и j, к классу частотно-манипулированных сигналов.
Коэффициент корреляции между огибающими отдельных частотных составляющих вычисляют по формуле:
где a(fi) - огибающая сигнала на частоте fi;
- инвертированная огибающая сигнала на частоте fj.
Число выборок квантованных отсчетов n выбирают в пределах n=100-1000. Коэффициент к соотношения между Un и Umax выбирается в пределах к=0.5-0.8
Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе снижают влияние шумов и помех на вероятность распознавания частотно-манипулированных сигналов за счет использования свойства корреляции между огибающими частотных компонент радиосигнала, что обеспечивает достижение необходимой контрастности признака, использующегося для распознавания, при меньшем объеме выборки, а следовательно, сокращает время на обработку. Все это в совокупности позволяет отказаться от применения различных эталонных описаний, сократить время и повысить вероятность распознавания в сложной сигнально-помеховой обстановке.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности “новизна”. Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличными от прототипа признаками заявленного объекта показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности “изобретательский уровень”.
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
Фиг.1. Обобщенная структурная схема распознавания.
Фиг.2. Структурная схема, иллюстрирующая процесс распознавания сигналов с частотной манипуляцией по предлагаемому способу.
Фиг.3. Рисунки, поясняющие процесс формирования нормированного коэффициента взаимной корреляции между огибающими отдельных частотных составляющих радиосигнала.
Фиг.4. График зависимости оценки значения нормированного коэффициента взаимной корреляции от длительности анализируемой последовательности и отношения сигнал/шум.
Фиг.5. Сравнительная оценка вероятности правильного распознавания предлагаемым способом и способом прототипом от ОСШ.
Заявленный способ может быть реализован следующим образом.
Распознавание радиосигналов базируется на теории распознавания образов [Дж. Ту, Р. Гонсалес. Принципы распознавания образов. Пер. с англ. - М.: Мир, 1978. - 411 с.]. Оно представляет собой отнесение исследуемого радиосигнала, задаваемого в виде совокупности наблюдений, к одному из классов.
Процесс распознавания в общем случае включает в себя следующие процедуры (фиг.1): формирование признаков распознавания, сравнение полученных значений признаков с эталонами или пороговыми значениями и принятие решения об отнесении к классу.
Важнейшей особенностью реальных задач распознавания радиосигналов является то, что наблюдения S(t) неизбежно подвержены случайным возмущениям. Дестабилизирующие факторы выступают в виде влияния внешних шумов и помех на радиосигнал, собственных шумов приемной и анализирующей аппаратуры, погрешностей устройств технического анализа, неточностей регистрации измеренных значений, ошибок округления при вычислениях. Все это приводит к тому, что наблюдения Si(t) неизбежно оказываются реализациями случайных величин, поэтому распознавание радиосигналов должно основываться на статистической теории распознавания. В тоже время различные признаки по разному искажаются под воздействием дестабилизирующих факторов.
Из этого можно сделать вывод о том, что для повышения вероятности правильного распознавания радиосигналов при воздействии шумов и помех необходимо, чтобы признаки распознавания были контрастными в условиях решения задачи, т.е. слабо зависели от влияния помех и шумов. Из этого следует, что одним из наиболее эффективных путей повышения вероятности правильного распознавания является выделение наиболее контрастного признака либо совокупности признаков, разделяющих анализируемые радиосигналы на заданные классы.
Суть предлагаемого способа заключается в следующем (фиг.2).
При распознавании принятый радиосигнал дискретизируют по времени и квантуют по уровню.
На основе совместного использования известных методов спектрального и кластерного анализа [Дж. Ту, Р. Гонсалес. Принципы распознавания образов. Пер. с англ. - М.: Мир, 1978. - 411 с., А. Миленький. Классификация сигналов в условиях неопределенности. - М.: Сов. радио, 1975. - 328 с.] решается задача обнаружения многокомпонентного радиосигнала и его частотных компонент в полосе анализа.
После чего формируют признак, по которому производится отнесение радиосигнала к классу частотно-манипулированных сигналов (фиг.3). Для этого выбирают интервал из n выборок квантованных отсчетов (фиг.3б) и представляют их в спектральном виде (фиг.3в). Число выборок квантованных отсчетов n выбирают в пределах n=128-2048 и должно удовлетворять соотношению n=2k, где к - целое число, кроме того, число квантованных отсчетов должно выбираться в зависимости от того, в какой полосе анализируется сигнал для того чтобы обеспечить точность определения положения частотной составляющей не более 10 Гц. Затем последовательно фильтруют частотные составляющие спектра (фиг.3г), для пиковых значений Un которых выполняется условие Un кUmax, где Umax - наибольшее пиковое значение из всех частотных составляющих спектра, к - предварительно заданный коэффициент соотношения Un и Umax, каждую i-ю, где i=1, 2, ... m - номер частотной составляющей. Коэффициент к соотношения между Un и Umax выбирается в пределах к=0.5-0.8, это связано с тем, что в современных системах передачи информации выполняется требование о равномерности передачи различных кодовых символов алфавита.
Далее каждую отфильтрованную составляющую спектра детектируют и выделяют ее огибающую без постоянной составляющей (фиг.3д, е, ж). После чего вычисляют нормированные коэффициенты взаимной корреляции Bij для всех возможных сочетаний из двух частотных составляющих при i j, где i,j=1, 2 ... m - номера частотных составляющих, по формуле:
где а(fi) - нормированная огибающая компоненты радиосигнала на частоте fi, 
- инвертированная нормированная огибающая компоненты радиосигнала на частоте fj.
Учитывая специфику решаемой задачи, значение коэффициентов взаимной корреляции Bij предполагается использовать для целей идентификации радиосигнала.
Конструктивное решение задачи становится возможным за счет использования свойства частотно-манипулированных радиосигналов, заключающегося в том, что, если в отсчетный момент времени сигнал присутствует на частоте f1, то на частоте f2 сигнал отсутствует и присутствует только шумовая составляющая. Таким образом, инвертированная огибающая радиосигнала на частоте f2 будет совпадать с огибающей сигнала на частоте f1. В идеальном случае при анализе двух компонент частотно-манипулированного сигнала коэффициент взаимной корреляции примет значение, равное 1. Естественно, в результате обработки входных реализаций будут возникать ошибки в оценке огибающих за счет воздействия шумов и мешающих радиосигналов. В такой ситуации повышение вероятности распознавания можно достичь только за счет увеличения длительности анализируемой выборки, так как на энергетические параметры радиосигналов на приемной стороне повлиять практически невозможно.
При использовании в качестве признака значения коэффициента взаимной корреляции огибающих различных частотных составляющих возможно наличие двух видов ошибок: ошибок, обусловленных наличием шумов, и ошибок, обусловленных совпадением информационной последовательности, содержащейся в компоненте частотно-манипулированного и мешающего сигналов. Со статистической точки зрения вероятность возникновения ситуации совпадения информационной последовательности содержащейся в компоненте частотно-манипулированного и мешающего сигнала определяется выражением:
где n - количество символов. Исходя из этого, минимальная длительность анализируемой последовательности для исключения ошибок второго вида (чтобы вероятность ошибки второго вида, например, не превышала 10-3) должна составлять не менее 10 символов.
Учитывая, что вероятность передачи “0” и “1” равна 0.5, значение нормированного коэффициента взаимной корреляции огибающих независимых радиосигналов (такой случай возможен при наличии в полосе анализа мешающего амплитудно-манипулированного сигнала или компонент другого частотно-манипулированного сигнала) будет стремиться к уровню 0.25. В случае, когда в качестве анализируемых частотных составляющих берется компонента частотно-манипулированного сигнала и несущей, значение нормированного коэффициента взаимной корреляции их огибающих будет стремиться к 0, т.к. удаление постоянной составляющей из огибающей несущей обращает ее в нулевое значение и остается лишь тренд шумовой составляющей.
С целью изучения контрастности предлагаемого признака был проведен машинный эксперимент по методу статистических испытаний Монте-Карло. В качестве исходных реализаций брались записанные с эфира частотно-манипулированные сигналы с различными скоростями (U) и разносами частот (
f) при условии U/ f>1. В качестве мешающих излучений использовались сигналы несущей, амплитудной телеграфии и компоненты других частотно-манипулированных сигналов. Для обеспечения корректности результатов проводилась 1000 испытаний. Результаты экспериментов представлены на рисунке, фиг.4. Кривые 1 демонстрируют зависимость оценки значения нормированного коэффициента взаимной корреляции двух компонент частотно-манипулированного сигнала от длительности обрабатываемой реализации и отношения сигнал/шум, кривые 2 соответствуют аналогичной зависимости для компоненты частотно-манипулированного сигнала и амплитудно-манипулированного сигнала или компоненты другого частотно-манипулированного сигнала.
Исходя из анализа зависимости коэффициента взаимной корреляции различных сигналов от отношения сигнал/шум и длительности обрабатываемой реализации для решения задачи классификации можно установить порог принятия решения о присутствии компонент сигнала в полосе анализа. Если значение коэффициента взаимной корреляции В>0,5, то тестируемые составляющие принадлежат одному частотно-манипулированному сигналу, В<0,5 - тестируемые составляющие являются либо двумя независимыми радиосигналами амплитудной телеграфии или компонентами двух независимых сигналов частотной манипуляции, либо одна из анализируемых компонент несущая.
Результаты моделирования способа распознавания сигналов с частотной манипуляцией представлены графиком зависимости вероятности распознавания частотно-манипулированного радиосигнала от отношения сигнал/шум и длительности анализируемой последовательности, фиг.5.
Из анализа графиков вероятности распознавания следует, что при отсутствии мешающих излучений в полосе анализа вероятность правильного распознавания на длительности в 20 посылок при ОСШ=3 дБ составляет 0,99. Таким образом, что для обеспечения вероятности правильного распознавания сигналов с частотной манипуляцией 0,99 при ОСШ=3 дБ достаточно наблюдение реализации на длительности в 20 посылок, что при скоростях передачи от 50 до 600 Бод составляет время наблюдения реализации от 0,03 до 0,4 секунды. Не составляет трудностей расширить возможность применения данного способа для распознавания радиосигналов двойной частотной манипуляции.
Таким образом, предложенный способ обладает высокой помехоустойчивостью, не требует априорной информации о параметрах сигналов, характеристиках каналов и помех, обеспечивает высокую вероятность правильного распознавания при малой длительности выборки входной реализации. Его применение позволит обнаруживать и распознавать радиосигналы частотной манипуляцией при ОСШ>3 дБ с вероятностью распознавания 0,99.
Результаты сравнительных расчетов показали:
1. Вероятность правильного распознавания радиосигналов заявленным способом выше, чем способом-прототипом (фиг.5):
- в области низких (0-5 дБ) значений Pc/Pш - в 2-3 раза;
- в области средних (5-8 дБ) значений Рс/Рш - в 1.1-1.8 раза;
- в области высоких (более 8 дБ) значений Рс/Рш - в 1.01-1.1 раза.
2. Продолжительность процедуры распознавания при применении заявленного способа в среднем в три-четыре раза меньше, чем при использовании способа-прототипа.
Формула изобретения
1. Способ распознавания частотно-манипулированных радиосигналов, заключающийся в том, что принятый аналоговый сигнал дискретизируют с частотой fд, квантуют, после чего на предварительно заданном интервале из n выборок квантованных отсчетов формируют признаки сигнала, по значениям которых принимают решение, о принадлежности принятого сигнала к классу частотно-манипулированных сигналов, отличающийся тем, что для формирования признаков сигнала интервал из n выборок квантованных отсчетов представляют в спектральном виде, последовательно фильтруют частотные составляющие спектра, для пиковых значений Uн которых выполняется условие Uн кUmax, где Umax - наибольшее пиковое значение из всех частотных составляющих спектра, к - предварительно заданный коэффициент соотношения Uн и Umax, каждую i-ю, где i=1, 2,..., m номер частотной составляющей, отфильтрованную составляющую спектра детектируют и выделяют ее огибающую без постоянной составляющей, после чего вычисляют коэффициенты взаимной корреляции Вij для всех возможных сочетаний из двух частотных составляющих при i j, где i, j=1, 2,..., m номера частотных составляющих, а для принятия решения по распознаванию сигнала сравнивают вычисленные коэффициенты корреляции Вij с предварительно заданным пороговым уровнем Впор коэффициента взаимной корреляции, причем при Вij>Впор принимают решение о принадлежности сигнала, образованного двумя частотными составляющими с номерами i и j, к классу частотно-манипулированных радиосигналов.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что коэффициент взаимной корреляции между огибающими отдельных частотных составляющих вычисляют по формуле
где a(fi) - огибающая сигнала на частоте fi;
- инвертированная огибающая сигнала на частоте fj.
3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что число выборок квантованных отсчетов n выбирают в пределах n=128-2048.
4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что коэффициент к соотношения между Uн и Umax выбирается в пределах к=0,5-0,8.
РИСУНКИРисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8
