Способ выделения полезной составляющей из входного сигнала, содержащего полезную составляющую и шум

Изобретение относится к области измерительной техники. Технический результат – повышение эффективности выделения полезной составляющей из входного сигнала, содержащего полезную информацию и шум, которые находятся в одном и том же частотном диапазоне, за счет уменьшения или полного устранения искажения формы полезного сигнала одновременно с повышением отношения сигнал/шум. Способ содержит этапы, на которых из входного сигнала выделяют корректирующий сигнал посредством определения периода следования точек во входном сигнале, которые не связаны с полезной составляющей сигнала, выполняют аппроксимацию промежуточных значений, масштабируют корректирующий сигнал и итерационно вычитают корректирующий сигнал из входного сигнала. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники - к способам выделения полезного сигнала из входного сигнала, содержащего как полезную составляющую, так и шум. Оно может быть использовано в различных системах фильтрации сигнала в условиях априорной неопределенности.

Известен способ адаптивного и согласованного подавления флуктуационных шумов и сосредоточенных помех, заключающийся в том, что по команде управления устанавливаются необходимые параметры каждой из М антенн приемника широкополосного сигнала (ШПС) и режимы обработки сигнала, далее выполняется многократное преобразование входного сигнала с помощью различных методов (преобразование несущей частоты выходного аналогового широкополосного радиосигнала каждой из М антенн на промежуточную частоту; аналого-цифровое преобразование выходного аналогового широкополосного сигнала каждой из М антенн; перенос на более низкую промежуточную частоту последовательности временных отсчетов оцифрованных с заданной тактовой частотой выходных аналоговых широкополосных сигналов на промежуточной частоте, принятых каждой из М антенн, в максимально возможной заданной полосе входного широкополосного сигнала; преобразование в частотную область текущих временных отсчетов очищенного от помех оцифрованного с заданной тактовой частотой выходного аналогового широкополосного сигнала на промежуточной частоте в сформированной рабочей полосе пропускания канала на соответствующей тактовой частоте путем применения процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ); преобразование во временную область текущих частотных отсчетов скорректированного спектра дополнительно очищенного от узкополосных помех оцифрованного с заданной тактовой частотой выходного аналогового широкополосного сигнала на промежуточной частоте в сформированной рабочей полосе пропускания канала на соответствующей тактовой частоте путем применения процедуры обратного быстрого преобразования Фурье (ОБПФ); цифроаналоговое преобразование очищенных от сосредоточенных во времени помех квадратурных составляющих дополнительно очищенного от узкополосных помех оцифрованного с заданной тактовой частотой выходного аналогового широкополосного сигнала на промежуточной частоте в сформированной рабочей полосе пропускания канала на текущей тактовой частоте; аналого-цифровое преобразование очищенных от сосредоточенных во времени помех квадратурных составляющих дополнительно очищенного от узкополосных помех оцифрованного с заданной тактовой частотой выходного аналогового широкополосного сигнала на промежуточной частоте в сформированной рабочей полосе пропускания канала на текущей тактовой частоте, затем используется бланкирование сосредоточенных во времени помех в квадратурных составляющих дополнительно очищенного от узкополосных помех оцифрованного с заданной тактовой частотой выходного аналогового широкополосного сигнала на промежуточной частоте в сформированной рабочей полосе пропускания канала на текущей тактовой частоте [1].

Первый недостаток этого способа заключается в том, что для его реализации необходимо по команде управления установить необходимые параметры каждой из М антенн приемника ШПС и режимов обработки сигнала, что обуславливает необходимость предварительной настройки устройства, реализующего этот способ, и, следовательно, снижает эффективность применения этого способа.

Второй недостаток этого способа заключается в том, что этот способ предполагает многократное преобразование входного сигнала с помощью различных методов, что приводит к искажению формы полезного сигнала, повышению сложности устройства, реализующего этот способ, и, следовательно, снижению эффективности применения этого способа.

Третий недостаток этого способа заключается в том, что используется бланкирование сосредоточенных во времени помех в квадратурных составляющих дополнительно очищенного от узкополосных помех оцифрованного с заданной тактовой частотой выходного аналогового широкополосного сигнала на промежуточной частоте в сформированной рабочей полосе пропускания канала на текущей тактовой частоте, что, помимо искажения формы полезного сигнала, приводит к снижению помехоустойчивости приема сообщений при уровнях импульсной помехи, сравнимых с уровнем сигнала, и, следовательно, снижению эффективности применения этого способа.

Четвертый недостаток этого способа заключается в том, что он предполагает работу исключительно с цифровыми сигналами, что существенно ограничивает область применения этого способа.

Известен также 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_выx, определяют как: U_вых=U₁-U_K, где U₁ - сигнал, полученный в результате фильтрации входного сигнала в области частот, соответствующих спектру полезного сигнала [2].

Этот способ выбран в качестве прототипа предложенного решения.

Первый недостаток этого способа заключается в том, что он не учитывает возможность искажения формы полезного сигнала в результате реализации этого способа, а имеет своей целью улучшение только одного параметра (повышение отношения сигнал/шум), что существенно ограничивает область применения этого способа.

Второй недостаток этого способа заключается в том, что для его реализации коэффициенты передачи всех используемых фильтров должны быть заранее «выровнены» по максимальному значению коэффициента передачи, что обуславливает необходимость предварительной настройки устройства, реализующего этот способ, и, следовательно, снижает эффективность применения этого способа.

Третий недостаток этого способа заключается в том, что для его реализации необходимо использовать блок дополнительных фильтров, что повышает сложность устройства, реализующего этот способ, и, следовательно, снижает эффективность применения этого способа.

Задача изобретения - повышение эффективности выделения полезной составляющей из входного сигнала, содержащего полезную составляющую и шум, которые находятся в одном и том же частотном диапазоне, за счет уменьшения или полного устранения искажения формы полезного сигнала одновременно с повышением отношения сигнал/шум.

Это достигается тем, что в способе выделения полезной составляющей из входного сигнала, содержащего полезную составляющую и шум, заключающемся в фильтрации входного сигнала в области частот, соответствующей спектру полезного сигнала, во входном сигнале определяются такие значения, которые не имеют отношения к полезной составляющей сигнала и, следовательно, подлежат удалению. Между найденными значениями путем аппроксимации линейной функцией определяются промежуточные значения. Полученные таким образом значения вместе образуют корректирующий сигнал, который масштабируется и итерационно вычитается из входного сигнала.

Способ выделения полезной составляющей из входного сигнала, содержащего полезную составляющую и шум, реализуется следующим образом. Входной сигнал пропускают через фильтр низких частот с граничной частотой f_гр и определяют период следования точек, которые не связаны с полезной составляющей сигнала с помощью выражения:

где:

Н(n)=K⋅rms³(ξ)-2.038⋅10^-4⋅rms²(ξ)+4.157⋅10^-4⋅rms(ξ)-4.617⋅10^-5;

rms(ξ) - величина среднеквадратичного отклонения входного сигнала;

N(ω) - спектральная плотность мощности входного сигнала;

K - масштабный коэффициент.

Затем с помощью линейной функции выполняется аппроксимация промежуточных значений и полученный таким образом корректирующий сигнал масштабируется и итерационно вычитается из входного сигнала.

Как пример, рассмотрим, в качестве полезной составляющей сигнала, смесь из 3 синусоидальных сигналов смещение нуля, амплитуда, частота и фаза каждого из которых были заданы случайным образом. Добавим к указанной полезной составляющей сигнала шум и рассчитаем период следования точек, которые не связаны с полезной составляющей сигнала с помощью выражения (1). Затем выполним аппроксимацию промежуточных значений, масштабируем полученный корректирующий сигнал путем умножения каждого его значения на масштабный коэффициент, равный 1/10000, и итерационно вычтем из входного сигнала.

На фиг. 1 представлен результат применения способа для описанных выше условий. В данном случае отношение сигнал/шум повысилось на 10% и при этом не наблюдается искажение формы сигнала, наоборот, на отдельных участках можно видеть, что форма результирующего сигнала (штрихпунктирная линия) приближается к форме полезной составляющей сигнала (сплошная линия) относительно входного сигнала (штриховая линия).

Источники информации

1. Патент РФ №2539573.

2. Патент РФ №2480897 - прототип.

1. Способ выделения полезной составляющей из входного сигнала, содержащего полезную составляющую и шум, заключающийся в фильтрации входного сигнала в области частот, соответствующей спектру полезной составляющей сигнала, отличающийся тем, что из входного сигнала выделяется корректирующий сигнал посредством определения периода следования точек во входном сигнале, которые не связаны с полезной составляющей сигнала, выполнения аппроксимации промежуточных значений, масштабирования корректирующего сигнала и итерационного вычитания корректирующего сигнала из входного сигнала.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что период следования точек, которые не связаны с полезной составляющей сигнала, определяется с помощью выражения:

,

где

,

rms(ξ) - величина среднеквадратичного отклонения исходного сигнала;

N(ω) - спектральная плотность мощности исходного сигнала;

К - масштабный коэффициент.