Способ выделения полезного сигнала из шумов - "метод зеркальных шумовых образов" и устройство для его осуществления

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для повышения точности и чувствительности разных измерительных приборов и оборудования в радиолокационных станциях, системах связи и т.п. Достигаемый технический результат - повышение отношения сигнал/шум при выделении сигнала из шумов. Способ выделения полезного сигнала из шумов заключается в фильтрации входного сигнала в области частот, соответствующих спектру полезного сигнала, в выделении из входного сигнала путем фильтрации, по крайней мере, в одной из областей частот, лежащих за пределом спектра полезного сигнала, не менее одного дополнительного сигнала, с помощью которого формируют сигнал компенсации шума. Устройство для выделения полезного сигнала из шумов содержит источник входного сигнала, подключенный к входу основного фильтра, предназначенного для выделения сигнала в области частот, соответствующих спектру полезного сигнала, блок из дополнительных фильтров, предназначенных для выделения дополнительных сигналов в областях частот, лежащих за пределом спектра полезного сигнала, блок обработки сигналов. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для повышения точности и чувствительности разных измерительных приборов и оборудования (неинвазивных глюкометров, радиолокационных станций, систем связи и т.п.).

Известен способ выделения полезного сигнала из шумов, заключающийся в согласованной фильтрации полезного сигнала /1/.

Этот способ реализуется с помощью устройства, в состав которого входит согласованный фильтр /1/.

Недостатки этого способа и устройства заключаются в том, что заранее должна быть известна форма принимаемого сигнала, а также то, что не подавляется шумовой сигнал в области частот, соответствующих спектру полезного сигнала.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ выделения полезного сигнала из шумов, заключающийся в фильтрации входного сигнала в области частот, соответствующих спектру полезного сигнала /2/.

Устройство для выделения полезного сигнала из шумов по второму способу содержит источник входного сигнала, подключенный к входу основного фильтра, предназначенного для выделения сигнала в области частот, соответствующих спектру полезного сигнала /2/.

Недостатком этого способа и устройства является то, что при выделении полезного сигнала не подавляется шумовой сигнал в области частот спектра полезного сигнала. Изобретение решает задачу повышения отношения сигнал/шум при выделении сигнала из шумов.

Сущность изобретения заключается в формировании компенсирующего сигнала, снижающего уровень шумового сигнала в области частот, соответствующих спектру полезного сигнала, а также в ведении в известное устройство блока дополнительных фильтров, работающих в области частот, находящихся вне спектра полезного сигнала, и блока обработки сигналов.

Технический результат заключается в повышении чувствительности и точности измерительных приборов и оборудования.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе выделения полезного сигнала из шумов, заключающемся в фильтрации входного сигнала в области частот, соответствующих спектру полезного сигнала, по крайней мере, в одной из областей частот, лежащих за пределом спектра полезного сигнала, из входного сигнала выделяют путем фильтрации не менее одного дополнительного сигнала, с помощью которого формируют компенсирующий сигнал, который затем вычитают из сигнала, полученного в результате фильтрации входного сигнала в области частот, соответствующих спектру полезного сигнала.

Указанный технический результат также достигается тем, что в устройство для выделения полезного сигнала из шумов, содержащем источник входного сигнала, подключенный к входу основного фильтра, предназначенного для выделения сигнала в области частот, соответствующих спектру полезного сигнала, дополнительно вводится блок дополнительных фильтров, предназначенных для выделения дополнительных сигналов в областях частот, лежащих за пределом спектра полезного сигнала, а также вводится блок обработки сигналов.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого изобретения, позволяет установить, что заявителем не обнаружены технические решения, характеризующиеся признаками, идентичными всем существенным признакам заявляемого изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа позволило выявить совокупность существенных (по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату) отличительных признаков в заявляемом объекте, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует требованиям «новизна» по действующему законодательству.

Сведений об известности отличительных признаков в совокупности признаков известных технических решений с достижением такого же, как у заявляемого изобретения, положительного эффекта не имеется. На основании этого сделан вывод, что предлагаемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Способ выделения полезного сигнала из шумов заключается в следующем.

Из входного сигнала путем фильтрации в области частот, соответствующих спектру полезного сигнала, выделяют сигнал U₁. По крайней мере, в одной из областей частот, лежащих за пределом спектра полезного сигнала, из входного сигнала путем фильтрации выделяют не менее одного дополнительного сигнала U_д, с помощью которого формируют компенсирующий сигнал U_к, выходной сигнал, U_вых, определяют как:

Одним из вариантов формирования компенсирующего сигнала может быть следующий:

U_к формируют для каждого (q-ого) временного интервала (t_q1≤t≤t_q2, где t - текущее время, t_q1, t_q2 - соответственно начало и конец q-ого временного интервала) в виде

где F₁ - отклик на единичную функцию (идеальная ступенька), 1(t), (основного) фильтра, применяемого для выделения полезного сигнала в области частот, соответствующих спектру полезного сигнала, n≥1,

значения u_i, t_i определяют из решения системы из 2n уравнений вида:

где 2≤k≤2n, F₂ - отклик на единичную функцию дополнительного фильтра, применяемого для выделения дополнительного сигнала U_д, δτ=τ₂-τ₁, где τ₁, τ₂ - соответственно временные задержки сигналов дополнительного и основного фильтров.

Способ выделения полезного сигнала из шумов реализуется с помощью устройства, представленного на фиг.1. Устройство содержит источник входного сигнала 1, подключенный к входу основного фильтра 2, предназначенного для выделения сигнала в области частот, соответствующих спектру полезного сигнала. Устройство дополнительно содержит блок 3 из m (m≥1) дополнительных фильтров (31, 32,…), предназначенных для выделения дополнительных сигналов в областях частот, лежащих за пределом спектра полезного сигнала, а также содержит блок обработки сигналов 4. При этом выход основного фильтра 2 и выходы блока 3 дополнительных фильтров подключены к входам блока 4 обработки сигналов, выход которого является выходом устройства.

Основной фильтр 2 и фильтры блока фильтров 3 могут быть аналоговыми. Тогда блок 4 обработки сигналов должен иметь в своем составе многоканальный аналого-цифровой преобразователь.

На выходе источника входного сигнала 1 может быть аналого-цифровой преобразователь. Тогда фильтры 2, 3 будут цифровыми.

В качестве блока 4 обработки сигналов может быть использован персональный компьютер или специальный вычислитель, выполненный, например, на основе микроконтроллеров.

Устройство работает следующим образом.

Сигнал с выхода источника 1 входных сигналов (аналоговый или цифровой в зависимости от наличия или отсутствия аналого-цифрового преобразователя в блоке 1) поступает на вход фильтра 2 и блока фильтров 3. Фильтр 2 путем фильтрации в области частот, соответствующих спектру полезного сигнала, выделяет сигнал U₁. Фильтры блока 3 выделяют из входного сигнала путем фильтрации в области частот, лежащих за пределом спектра полезного сигнала, дополнительные сигналы, которые поступают в блок 4 обработки сигналов. Если в блоке 3 всего один фильтр, то в блоке 4 на ограниченном временном интервале (q - интервал) определяются u_i, t_i в соответствии с выражением (3). Следует отметить, что коэффициенты передачи фильтров 2 и 3 должны быть заранее «выровнены» по максимальному значению коэффициента передачи. Для этого при предварительной настройке устройства на входы фильтров 2, 3 подают сигнал в виде ступеньки (соответствует единичной функции, l(t)) и определяют коэффициент k, при котором максимальное отклонение сигнала от 0 на выходе фильтра 3 совпадает с максимальным отклонением сигнала от 0 на выходе фильтра 2. Значение k учитывается в значениях F₂. Сигнал компенсации U_к определяется в соответствии с выражением (2). Выходной сигнал U_выx формируют в соответствии с выражением (1).

Применение изобретения позволяет повысить отношение сигнал/шум в приборах и различной аппаратуре за счет ослабления шума в области частот, соответствующих спектру полезного сигнала.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Гутников B.C. Фильтрация измерительных сигналов. Издательство Энергоатомиздат, 1990 г.

2. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы - М.: Сов. Радио, 1986.

1. Способ выделения полезного сигнала из шумов, заключающийся в фильтрации входного сигнала в области частот, соответствующих спектру полезного сигнала, отличающийся тем, что, по крайней мере, в одной из областей частот, лежащих за пределом спектра полезного сигнала, из входного сигнала выделяют путем фильтрации не менее одного дополнительного сигнала U_д, с помощью которого формируют компенсирующий сигнал U_к, выходной сигнал, U_вых, определяют как:
U_вых=U₁-U_к,
где U₁ - сигнал, полученный в результате фильтрации входного сигнала в области частот, соответствующих спектру полезного сигнала.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что компенсирующий сигнал U_к формируют для каждого (q-го) временного интервала (t_q1≤t≤t_q2, где t - текущее время; t_q1, t_q2 - соответственно начало и конец q-го временного интервала) в виде:

где F₁ - отклик на единичную функцию, l(t), (основного) фильтра, применяемого для выделения полезного сигнала в области частот, соответствующих спектру полезного сигнала, n≥1,
значения u_i, t_i из решения системы из 2n уравнений вида:

где 2≤k≤2n, F₂ - отклик на единичную функцию дополнительного фильтра, применяемого для выделения дополнительного сигнала U_д, δτ=τ₂-τ₁, где τ₁, τ₂ - соответственно временные задержки сигналов дополнительного и основного фильтров.

3. Устройство для выделения полезного сигнала из шумов, содержащее источник входного сигнала, подключенный к входу основного фильтра, предназначенного для выделения сигнала в области частот, соответствующих спектру полезного сигнала, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит блок из m (m≥1) дополнительных фильтров, предназначенных для выделения дополнительных сигналов в областях частот, лежащих за пределом спектра полезного сигнала, а также содержит блок обработки сигналов, при этом выход основного фильтра и выходы блока дополнительных фильтров подключены к входам блока обработки сигналов, выход которого является выходом устройства.