Способ определения энергетического спектра шумового электрического сигнала

 

Изобретение относится к области гидроакустики и радиотехники и может быть использовано для построения систем обнаружения сигнала. Технический результат заключается в уменьшении суммарной помехи и повышении отношения сигнал/помеха при определении энергетического спектра шумового электрического сигнала при малом отношении сигнал/помеха входного шумового электрического процесса. Способ определения энергетического спектра шумового электрического сигнала на фоне нормальной стационарной шумовой помехи содержит дискретизацию шумового электрического процесса, представляющего собой смесь шумового электрического сигнала и нормальной стационарной шумовой помехи, набор дискретизированных отсчетов шумового электрического процесса, быстрое преобразование Фурье данного набора дискретизированных отсчетов шумового электрического процесса, выделение реальной и мнимой частей энергетического спектра; повторение процедуры выделения реальной и мнимой частей энергетического спектра для n определенных последовательно во времени наборов дискретизированных отсчетов шумового электрического процесса, суммирование реальных частей энергетического спектра по n наборам, суммирование мнимых частей энергетического спектра по n наборам, возведение в квадрат сумм реальных и мнимых частей энергетического спектра по n наборам, а энергетический спектр шумового электрического сигнала определяют как результат сложения квадратов этих сумм. 1 ил.

Изобретение относится к области гидроакустики и радиотехники и может быть использовано для построения систем обнаружения сигнала.

Известны способы определения энергетического спектра шумового электрического процесса, представляющего собой смесь шумового электрического сигнала и нормальной стационарной шумовой помехи.

Известные способы содержат спектральный анализ этого процесса, детектирование спектральных составляющих, интегрирование огибающей и сравнение с порогом (Евтютов Е.С. и Митько В.Б. Примеры инженерных расчетов в гидроакустике. – Судостроение, 1981 г., с.77).

Аналогичные способы приведены в Справочнике по гидроакустике, Судостроение, 1988 г., с. 27. При этом под спектральным анализом понимают, как правило, полосовую фильтрацию, выделяющую основную энергию шумового электрического процесса. При использовании цифровой техники в качестве спектрального анализа применяют процедуры быстрого преобразования Фурье (БПФ), которые обеспечивают выделение и измерение энергетического спектра шумового электрического процесса (Применение цифровой обработки сигналов. - М.: Мир, 1990, с. 296).

По технической сущности наиболее близким аналогом предлагаемого способа является способ определения энергетического спектра, изложенный в книге Макс Ж. Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях - М.: Мир, 1983, с. 248.

Способ содержит следующую последовательность операций: сначала производят дискретизацию входного шумового электрического процесса, затем производят набор дискретизированных отсчетов этого процесса и этот набор подвергают быстрому преобразованию Фурье. Выделяют реальную часть спектра, выделяют мнимую часть спектра; возводят в квадрат реальную часть спектра, возводят в квадрат мнимую часть спектра, а энергетический спектр одного набора определяют как сумму квадратов реальной и мнимой частей спектра данного набора дискретизированных отсчетов входного шумового электрического процесса.

Определенный таким образом энергетический спектр одного набора запоминают и производят перечисленные операции по определению энергетического спектра n раз для каждого из n наборов дискретизированных отсчетов шумового электрического процесса через равные промежутки времени Δt. После этого производят суммирование полученных энергетических спектров, центрирование суммарного энергетического спектра, нормирование центрированного энергетического спектра и этот центрированный энергетический спектр считают оценкой искомого энергетического спектра входного шумового электрического сигнала.

Недостатком данного способа является то, что увеличение постоянной составляющей накопленного спектра происходит не только за счет сигнала, но и за счет помехи, что при малом отношении сигнал/помеха снижает точность определения энергетического спектра шумового электрического сигнала.

Задачей изобретения является повышение точности определения энергетического спектра шумового электрического сигнала на фоне нормальной стационарной шумовой помехи при малом отношении сигнал/помеха.

Для решения поставленной задачи в способе определения энергетического спектра шумового электрического сигнала на фоне нормальной стационарной шумовой помехи, содержащем дискретизацию шумового электрического процесса, представляющего собой смесь шумового электрического сигнала и нормальной стационарной шумовой помехи, набор дискретизированных отсчетов шумового электрического процесса, быстрое преобразование Фурье данного набора дискретизированных отсчетов шумового электрического процесса, выделение реальной части энергетического спектра и выделение мнимой части энергетического спектра; повторение процедуры выделения реальной части энергетического спектра и мнимой части энергетического спектра для n определенных последовательно во времени наборов дискретизированных отсчетов шумового электрического процесса, введены новые признаки, а именно: производят суммирование реальных частей спектра по n наборам, производят суммирование мнимых частей спектра по n наборам, возводят в квадрат суммы реальных частей энергетического спектра по n наборам, возводят в квадрат суммы мнимых частей энергетического спектра по n наборам, а энергетический спектр шумового электрического сигнала определяют как результат сложения квадратов этих сумм.

Техническим результатом от использования изобретения является уменьшение суммарной помехи и повышение отношения сигнал/помеха при определении энергетического спектра шумового электрического сигнала при малом отношении сигнал/помеха входного шумового электрического процесса.

Поясним достижение указанного результата.

Результатом оценки энергетического спектра по способу-прототипу является сигнал, определяемый суммой квадратов n наборов реальной части и суммы квадратов n наборов мнимой части энергетического спектра. Это равносильно процессу детектирования, когда из реальной части и мнимой части переменного входного напряжения возникает только положительное напряжение реальной части и мнимой части, которые в дальнейшем возводят в квадрат и складывают. Поэтому можно считать, что происходит суммирование положительной энергии реальной части и положительной энергии мнимой части переменного входного напряжения.

Известно, что реальная часть каждой спектральной составляющей и мнимая часть той же спектральной составляющей состоят из положительных и отрицательных значений.

При стандартной обработке, когда вычисляют энергию спектральной составляющей в пределах одного набора, положительные и отрицательные значения возводят в квадрат.

При накоплении n последовательных наборов спектров входного дискретизированного процесса происходит суммирование положительных значений энергии и помехи, и сигнала.

В предлагаемой процедуре определения энергетического спектра происходит суммирование положительных и отрицательных значений реальных и мнимых значений спектральных отсчетов n наборов входного дискретизированного процесса.

Поскольку номера спектральных отсчетов помехи для 1-го, 2-го и т.д. наборов не совпадают в силу того, что они не коррелированы, то может происходить совпадение положительных значений одних спектральных отсчетов помехи при суммировании с отрицательными значениями других спектральных отсчетов помехи разных наборов и их взаимное вычитание как для реальных частей, так и для мнимых частей суммарного энергетического спектра помехи. При этом в результате такой обработки энергия помехи в выходном процессе уменьшается.

Для сигнала, поскольку положение спектральной составляющей по оси частот детерминировано, при суммировании наборов дискретизированных отсчетов происходит сложение положительных и отрицательных значений спектральных отсчетов сигнала в разных наборах и после возведения в квадрат этих сумм - увеличение энергии сигнала.

Таким образом, при накоплении n наборов в предложенном способе происходит увеличение сигнал/помехи и за счет увеличения энергии сигнала, и за счет уменьшения энергии помехи.

На чертеже изображена блок-схема устройства, реализующего данный способ. Устройство содержит дискретизатор входного сигнала 1, спектроанализатор 2, выполненный на процессорах быстрого преобразования Фурье (БПФ), который имеет два выхода, один из которых соединен с блоком 3 вычисления реальной части спектра, второй - с блоком 4 вычисления мнимой части спектра; выход каждого из них соединен через блок 5 суммирования реальной части спектра и блок 6 суммирования мнимой части спектра с квадраторами 7 и 8, а выходы квадраторов соединены с сумматором 9.

С помощью описанного выше устройства предложенный способ реализуется следующим образом.

Входное напряжение поступает на дискретизатор 1, где происходит дискретизация входного шумового сигнала и набор дискретизированных отсчетов. После чего n наборов дискретизированных отсчетов последовательно во времени с интервалом Δt поступает на вход блока 2 спектранализатора БПФ.

С выхода блока 2 БПФ выдаются отдельно положительные и отрицательные значения реальной части Re спектра - блок 3 и отдельно положительные и отрицательные значения мнимой части Jm спектра - блок 4, которые в дальнейшем суммируются в блоках 5 и 6.

Результаты суммирования и подаются в блоки возведения в квадрат 7 и 8, на выходе которых формируются сигналы и ; дальше в блоке 9 формируется сигнал, представляющий собой энергетический спектр шумового электрического сигнала

при этом, как было показано раньше, энергия сигнала увеличивается, а энергия помехи уменьшается, что позволяет считать задачу изобретения решенной.

Формула изобретения

Способ определения энергетического спектра шумового электрического сигнала на фоне нормальной стационарной шумовой помехи, содержащий дискретизацию шумового электрического процесса, представляющего собой смесь шумового электрического сигнала и нормальной стационарной шумовой помехи, набор дискретизированных отсчетов шумового электрического процесса, быстрое преобразование Фурье данного набора дискретизированных отсчетов шумового электрического процесса, выделение реальной части энергетического спектра и выделение мнимой части энергетического спектра, повторение процедуры выделения реальной части энергетического спектра и мнимой части энергетического спектра для n определенных последовательно во времени наборов дискретизированных отсчетов шумового электрического процесса, отличающийся тем, что производят суммирование реальных частей энергетического спектра по n наборам, производят суммирование мнимых частей энергетического спектра по n наборам, возводят в квадрат суммы реальных частей энергетического спектра по n наборам, возводят в квадрат суммы мнимых частей энергетического спектра по n наборам, а энергетический спектр шумового электрического сигнала определяют как результат сложения квадратов этих сумм.

РИСУНКИРисунок 1