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

Авторы патента:

Шалимов Андрей Сергеевич (RU)

H04B1/10 - Передача сигналов (системы для передачи измеряемых переменных величин, управляющих или подобных сигналов G08C; анализ и синтез речи G10L; кодирование, декодирование, преобразование кода вообще H03M; радиовещание H04H;многоканальные системы связи H04J; секретная связь H04K; передача дискретной информации как таковая H04L)

Владельцы патента RU 2776969:

Шалимов Андрей Сергеевич (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к выделению полезного сигнала из входного сигнала, содержащего как полезную составляющую, так и шум в различных системах фильтрации сигнала в условиях априорной неопределенности. Техническим результатом является 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. Для этого при фильтрации входного сигнала в области частот, соответствующей спектру полезной составляющей сигнала, для каждого уровня квантования во входном сигнале определяют период следования таких сечений реализации случайного процесса, которые не имеют отношения к полезной составляющей, с помощью которого, относительно начального сечения реализации случайного процесса, в качестве которого принимают сечение реализации случайного процесса в момент времени, соответствующий началу наблюдения входного сигнала, определяют такие сечения реализации случайного процесса, которые не имеют отношения к полезной составляющей, используют их в качестве маркера, центрального для области (окна), маскирующей временные области входного сигнала, соответствующие шуму, совокупность которых образует шум, и реализуют метод вычитания спектров (спектрального вычитания) применительно к входному сигналу. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники - к способам выделения полезного сигнала из входного сигнала, содержащего как полезный сигнал, 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_вых, определяют как: U_вых=U₁-U_K, где U₁ - сигнал, полученный в результате фильтрации входного сигнала в области частот, соответствующих спектру полезного сигнала [2].

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.

Известен также 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, выполнении аппроксимации промежуточных значений, масштабировании корректирующего сигнала и итерационном вычитании корректирующего сигнала из входного сигнала [3].

Этот способ выбран в качестве прототипа предложенного решения.

Первый недостаток этого способа заключается в том, что период следования значений входного сигнала, которые не связаны с полезной составляющей сигнала, определяют для всего входного сигнала в целом, не учитывая при этом значение уровня квантования, что обуславливает огрубление результата и, следовательно, снижение эффективности применения этого способа.

Второй недостаток этого способа заключается в том, что в качестве метода получения промежуточных значений корректирующего сигнала используется линейная аппроксимация и масштабирование, что обуславливает неточности в получении значений корректирующего результата, связанные с отсутствием гибкости в обработке, огрублении результата и, следовательно, снижение эффективности 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 (реализации случайного процесса), заключающемся в фильтрации входного сигнала, в области частот, соответствующей спектру полезной составляющей, для каждого уровня квантования во входном сигнале определяют период следования таких сечений реализации случайного процесса, которые не имеют отношения к полезной составляющей. С помощью этого периода, относительно начального сечения реализации случайного процесса, в качестве которого принимают сечение реализации случайного процесса в момент времени, соответствующий началу наблюдения входного сигнала, определяют такие сечения реализации случайного процесса, которые не имеют отношения к полезной составляющей. Найденные сечения используют в качестве маркера, центрального для области (окна), маскирующей временные области входного сигнала, соответствующие шуму. Совокупность найденных сечений для всех маскированных областей входного сигнала образует шум, с использованием которого реализуют метод вычитания спектров (спектрального вычитания) [4, 5] применительно к входному сигналу, выделяя, таким образом, полезную составляющую.

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 ƒ_гр, соответствующей верхней граничной частоте полезной составляющей, и для каждого уровня квантования определяют период следования сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей с помощью выражения:

где:

Τ_i - период следования сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей для i-го уровня квантования;

σ - среднеквадратичное отклонение входного сигнала;

ƒ_гр - верхняя граничная частота полезного сигнала;

H_i - значение i-го уровня квантования, для которого вычисляется значение периода следования сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей.

Период следования сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей, определяют также (в качестве альтернативы) с помощью выражения:

Где:

- максимально возможное значение длительности положительного выброса реализации случайного процесса на i-м уровне квантования;

Далее, используя найденные сечения реализации случайного процесса в качестве маркера, расположенного посередине маскирующего окна выполняют маскирование временных областей входного сигнала. Ширину маскирующего окна определяют с помощью выражения:

где:

W - ширина маскирующего окна;

ƒ_д - частота дискретизации;

K - масштабирующий коэффициент, значение которого определяют исходя из требуемой точности выделения полезной составляющей и имеющихся вычислительных ресурсов.

Совокупность всех найденных сечений реализации случайного процесса (для всех уровней квантования) образует шум, который далее используют для реализации метода вычитания спектра (спектрального вычитания) применительно к входному сигналу.

Как пример, рассмотрим в качестве входного сигнала аддитивную смесь синусоидального сигнала частотой 10 Гц (полезная составляющая) и белый шум (Фигура 1). Данный сигнал был записан на оборудовании, позволяющем получить шаг квантования, равный 0.1 мВ, следовательно, во входном сигнале в данном примере присутствует 20000 уровней квантования. Для каждого уровня квантования вычислим значение периода следования сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей, с помощью выражения (1) при условии, что ƒ_гр=10 Гц. Далее, используя найденный период в качестве временного лага, относительно начального сечения реализации случайного процесса в момент времени t=0 для каждого уровня квантования определяем местоположение сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей. Далее, используя найденные сечения реализации случайного процесса в качестве маркера, расположенного посередине маскирующего окна шириной в 10 мс, выполняем маскирование временных областей входного сигнала. Совокупность найденных сечений для всех выделенных областей входного сигнала образует шум, который будем использовать для реализации метода вычитания спектров (спектрального вычитания) (Фигура 2). В данном случае отношение сигнал/шум повысилось на 50% и при этом не наблюдается искажение формы сигнала, наоборот, на отдельных участках можно видеть, что форма результирующего сигнала приближается к форме идеального синусоидального сигнала (полезной составляющей).

Источники информации:

1. Патент РФ №2539573.

2. Патент РФ №2480897.

3. Патент РФ №2658171 - прототип.

4. S.F. Boll, «Suppression of Acoustic Noise in Speech Using Spectral Subtraction», IEEE Transactions on Acoustics, Speech, and Signal Processing, vol. ASSP-27, April 1979, pp, 113-120.

5. J.S. Lim and A.V. Oppenheim, «Enchancement and Bandwidth Compression of Noisy Speech», Proceedings of the IEEE, Vol. 67, No. 12, December 1979, pp. 1586-1604.

1. Способ выделения полезной составляющей из входного сигнала, содержащего полезную составляющую и шум (реализации случайного процесса), заключающийся в фильтрации входного сигнала в области частот, соответствующей спектру полезной составляющей сигнала, отличающийся тем, что для каждого уровня квантования во входном сигнале определяют период следования таких сечений реализации случайного процесса, которые не имеют отношения к полезной составляющей, с помощью которого, относительно начального сечения реализации случайного процесса, в качестве которого принимают сечение реализации случайного процесса в момент времени, соответствующий началу наблюдения входного сигнала, определяют такие сечения реализации случайного процесса, которые не имеют отношения к полезной составляющей, используют их в качестве маркера, центрального для области (окна), маскирующей временные области входного сигнала, соответствующие шуму, совокупность которых образует шум, и реализуют метод вычитания спектров (спектрального вычитания) применительно к входному сигналу.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что период следования сечений реализации случайного процесса, которые не имеют отношения к полезной составляющей, определяется с помощью выражения:

где T_i - период следования сечений реализации случайного процесса, которые не связаны с полезной составляющей для i-го уровня квантования;

σ - среднеквадратичное отклонение входного сигнала;

ƒ_гр - верхняя граничная частота полезного сигнала;

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что период следования сечений реализации случайного процесса, которые не имеют отношения к полезной составляющей, определяется с помощью выражения:

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в цифровых устройствах приема информационных сигналов с многопозиционной относительной фазовой манипуляцией (МОФМ или MPSK). Техническим результатом изобретения является реализация цифровой когерентной демодуляции сигнала с МОФМ с потенциальной помехоустойчивостью, не требующей фазовой синхронизации устройства, что упрощает построение цифрового демодулятора сигналов с МОФМ, например, на программируемых логических интегральных схемах.

Энтропийное кодирование разностей векторов движения // 2776910

Изобретение относится к средствам для кодирования видео. Технический результат заключается в повышении эффективности кодирования видео.

Помехозащищённая передающая система с автоматическим устройством согласования, использующим широкополосный сигнал // 2776424

Изобретение относится к технике радиосвязи и может быть использовано в радиостанциях коротковолнового (КВ) и ультракоротковолнового (УКВ) диапазона, а также в радиостанциях других диапазонов, работающих в условиях сосредоточенных помех. Техническим результатом изобретения является повышение помехозащищённости работы передающей системы к помехам, наводимым в антенну от сигналов мощных радиопередающих устройств, в том числе и для случаев, когда частоты мешающих сигналов расположены близко к частоте настройки или совпадают с ней.

Способы и системы полнодуплексной связи // 2775522

Изобретение относится к области связи. Технический результат состоит в предотвращении помех, возникающих из-за асимметричности FD связи, вызванной разными STA при DL и UL передачах.

Способ адаптации радиосистемы передачи информации за счет многокритериального синтеза сигналов // 2775485

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к способам адаптации радиосистем передачи информации (РСПИ) к внешней обстановке (в том числе и помеховой) за счет многокритериального синтеза радиосигналов как с известными (FSK, QAM, APSK, PSK), так и с неизвестными видами. Техническим результатом является способность РСПИ адаптироваться к внешней обстановке (в том числе и к действию сосредоточенных по спектру помех) за счет многокритериального синтеза радиосигналов.

Способ воздействия на информационно-техническое средство // 2775270

Изобретение относится к технике борьбы с информационно-техническими средствами. Техническим результатом является повышение эффективности воздействия на новые информационно-технические средства за счет формирования новых алгоритмов воздействия, оценки их эффективности и расширения базы данных новыми эффективными алгоритмами воздействия.

Способ автоматического обнаружения сигналов // 2774983

Изобретение относится к радиотехнике, а именно – к способам автоматического обнаружения и измерения длительности сигналов, отраженных от малоразмерных объектов, в частности от беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). Техническим результатом является возможность обнаружения полезного сигнала и установления его длительности.

Способ противодействия системам извлечения информации, осуществляющим распознавание индивидуальной структуры сигналов, путем искажения формы сигнала // 2774743

Изобретение относится к области радиотехники. Технический результат заключается в повышении защищенности передаваемой информации от несанкционированного приема системами извлечения информации, использующими индивидуальную структуру излучаемых сигналов.

Устройство измерения амплитуды некогерентной последовательности сверхширокополосных квазирадиосигналов произвольной формы // 2774436

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в составе аппаратуры радиосвязи, радиолокации, радиоразведки, дистанционного зондирования для измерения значения амплитуды последовательности сверхширокополосных сигналов (СШП) с неизвестными начальной фазы на фоне случайных искажений.

Узел корпуса для терминала и терминал с узлом корпуса // 2774298

Изобретение относится к области технологий для терминалов, в частности к узлу корпуса для терминала и к терминалу с узлом корпуса. Техническим результатом является упрощение сборки терминала и повышение воздухонепроницаемости.

Демодулятор сигналов с непрерывной частотной манипуляцией // 2776974

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться для демодуляции сигналов с минимальной частотной манипуляцией и управляемой межсимвольной интерференцией на двух символьных интервалах в системах передачи дискретной информации. Технический результат состоит в повышении помехоустойчивости приема сигналов с минимальной частотной манипуляцией и управляемой межсимвольной интерференцией на двух символьных интервалах. Демодулятор сигналов с непрерывной частотной манипуляцией содержит блок 1 корреляторов, формирователь 2 элементарных сигналов, первый 3, второй 4, третий 5 и четвертый 6 вычислители веса сигнального пути, коммутатор 7 и детектор 8 максимального сигнала/дешифратор. Входом устройства является информационный вход блока 1 корреляторов, а выходом - выход коммутатора 7. Выходная сигнальная шина и тактовый выход формирователя 2 элементарных сигналов подключены соответственно к входной сигнальной шине и тактовому входу блока 1 корреляторов. Выходы блока 1 корреляторов соединены со входами первого 3, второго 4, третьего 5 и четвертого 6 вычислителей веса сигнального пути. Первые выходы первого 3, второго 4, третьего 5 и четвертого 6 вычислителей веса сигнального пути подключены соответственно к первому, второму, третьему и четвертому информационным входам коммутатора 7, управляющий вход которого соединен с выходом детектора 8 максимального сигнала/дешифратора. Вторые выходы первого 3, второго 4, третьего 5 и четвертого 6 вычислителей веса сигнального пути соединены соответственно с первым, вторым, третьим и четвертым входами детектора максимального сигнала/дешифратора. 6 ил.