Устройство разрешения сигналов на фоне произвольной помехи

Изобретение относится к технике электросвязи и может быть использовано в приемниках сигналов радиоуправления, радиолокационных станций, систем связи с подвижными объектами. Достигаемый технический результат - повышение верности приема в условиях действия помех с изменяющимися параметрами, структурных помех, наличия переотраженных сигналов. Устройство разрешения сигналов на фоне произвольной помехи содержит каналы (1₁-1_н) обработки сигналов, при этом число каналов обработки сигналов равно заданному числу комбинаций наложения разрешаемых сигналов, тактовый генератор (2), блок сравнения (3), каждый из каналов обработки сигналов содержит блок корреляционной обработки сигнала (4) и блоки суммирования (5₀-5_L), блок вычисления итогового функционала отношения правдоподобия текущей комбинации наложения разрешаемых сигналов (6), блок вычисления апостериорных вероятностей комбинаций номеров гауссовских компонент разрешаемых сигналов (7), блок экстраполяции (8). В устройстве реализован параллельно-конвейерный метод обработки поступающего сигнала с рекуррентным вычислением итогового функционала отношения правдоподобия, что обеспечивает его некритичность к параметрам помех и высокую скорость обработки сигналов. 3 ил.

 

Изобретение относится к технике электросвязи и может быть использовано в приемниках сигналов радиоуправления, радиолокационных станций, систем связи с подвижными объектами.

В качестве аналога выбрано устройство для подавления шума в системе связи (патент RU 2169992 С2 “Способ и устройство для подавления шума в системе связи”, опубл. 27.06.2001), которая предназначена для передачи информации с использованием информационных кадров в каналах, причем информационные кадры содержат шум, из которого получают оценку шума канала, при этом устройство содержит средство для оценки энергии канала в текущем информационном кадре, средство для оценки полной энергии канала в текущем информационном кадре на основе оценки энергии канала, средство для оценки мощности спектров текущего информационного кадра на основе оценки энергии канала, средство для оценки мощности спектров множества прошедших информационных кадров на основе оценки мощности спектров текущего кадра, средство для определения отклонения между оценкой мощности спектров текущего кадра и оценкой мощности спектров множества прошедших кадров и средство для обновления оценки шума канала на основе оценки полной энергии канала и полученного отклонения. Рассматриваемое устройство также содержит блоки корреляционной обработки, однако обработка сигнала проводится в предположении, что в канале присутствует только шум, структурные же помехи и переотраженные сигналы не учитываются, что не позволяет получить требуемый технический результат в виде решения о том, какие сигналы и в какой комбинации присутствуют на входе.

В качестве прототипа выбрано устройство различения сигналов на фоне произвольной помехи (авторское свидетельство SU 1596469 А1 “Устройство различения сигналов на фоне произвольной помехи”, опубл. 30.09.1990. Бюл. №36). Устройство различения сигналов на фоне произвольной помехи содержит каналы обработки сигналов, первые выходы каждого из которых соединены с первыми входами блока сравнения, выходы которого являются выходами устройства, информационный вход которого соединен с информационным входами каналов обработки сигналов, а каждый из каналов обработки сигналов содержит блок корреляционной обработки сигнала и блоки суммирования, выходы которых являются первыми выходами канала обработки сигналов, информационным входом которого является информационный вход блока корреляционной обработки сигнала, первый и второй выходы которого подключены к входам блоков суммирования, при этом введен тактовый генератор, выход которого соединен с тактовыми входами каналов обработки сигналов, вторые выходы которых подключены к вторым входам блока сравнения, причем управляющие входы каналов обработки сигналов соединены с управляющим входом устройства, а в каждый канал обработки сигналов введен блок выбора максимального сигнала, выход которого является вторым выходом канала обработки сигналов, тактовый вход которого соединен с тактовыми входами блока суммирования, блока корреляционной обработки сигнала и блока выбора максимального сигнала, сигнальные входы которого подключены к выходам блока корреляционной обработки сигнала.

Устройство, рассматриваемое в качестве прототипа, после каждого цикла работы, на выходах блока сравнения содержит информацию о том, какой, из рассматриваемого множества сигналов, поступил на вход, но не позволяет получить требуемый технический результат в виде решения о том, какие сигналы и в какой комбинации присутствуют на входе. Кроме того, устройство различения для принятия решения использует вектор входных отсчетов достаточно большой размерности, что значительно повышает вычислительную сложность обработки, а при больших выборках вообще делает ее практически нереализуемой.

Решаемая техническая задача - повышение верности приема в условиях действия помех с изменяющимися параметрами, структурных помех, наличия переотраженных сигналов за счет решения задачи разрешения сигналов.

Решаемая техническая задача в устройстве разрешения сигналов на фоне произвольной помехи, содержащее каналы обработки сигналов, тактовый генератор, выход которого соединен с тактовыми входами каналов обработки сигналов, выходы каждого из которых соединены с соответствующими входами блока сравнения, выходы которого являются выходами устройства, информационный вход которого соединен с информационными входами каналов обработки сигналов, причем управляющие входы каналов обработки сигналов соединены с управляющим входом устройства, а каждый канал обработки сигналов содержит блок корреляционной обработки сигнала и блоки суммирования, достигается тем, что число каналов обработки сигналов равно заданному числу комбинаций наложения разрешаемых сигналов, каждый канал обработки сигналов дополнительно содержит блок вычисления итогового функционала отношения правдоподобия (БВФОП) текущей комбинации наложения разрешаемых сигналов, выход которого является выходом канала обработки сигналов, причем соответствующие сигнальные входы БВФОП подключены к соответствующим сигнальным выходам блоков суммирования, которые параллельно подключены к соответствующим входам блока вычисления апостериорных вероятностей комбинаций номеров гауссовских компонент разрешаемых сигналов, выходы которого соответственно подключены к входам блока экстраполяции, сигнальные выходы которого соединены с соответствующими входами блока вычисления итогового функционала отношения правдоподобия и соответствующими входами блока вычисления апостериорных вероятностей комбинаций номеров гауссовских компонент разрешаемых сигналов.

На фиг.1 приведена структурная схема устройства разрешения сигналов на фоне произвольной помехи; на фиг.2 - структурная схема блока корреляционной обработки сигнала, входящего в состав каждого канала обработки сигналов; на фиг.3 - структурная схема блока вычисления итогового функционала отношения правдоподобия.

Устройство разрешения сигналов на фоне произвольной помехи, содержит каналы (1₁-1_н) обработки сигналов, тактовый генератор 2, выход которого соединен с тактовыми входами каналов обработки сигналов, выходы каждого из которых соединены с соответствующими входами блока 3 сравнения, выходы которого являются выходами устройства, информационный вход которого соединен с информационными входами каналов обработки сигналов, причем управляющие входы каналов обработки сигналов соединены с управляющим входом устройства, а каждый из каналов обработки сигналов содержит блок 4 корреляционной обработки сигнала и первые блоки 5₀-5_L суммирования, при этом число каналов обработки сигналов равно заданному числу комбинаций наложения разрешаемых сигналов, каждый канал обработки сигналов дополнительно содержит блок 6 вычисления итогового функционала отношения правдоподобия текущей комбинации наложения разрешаемых сигналов, выход которого является выходом канала обработки сигналов, причем соответствующие сигнальные входы блока вычисления итогового функционала отношения правдоподобия текущей комбинации наложения разрешаемых сигналов подключены к соответствующим сигнальным выходам блоков суммирования, которые параллельно подключены к соответствующим входам блока 7 вычисления апостериорных вероятностей комбинаций номеров гауссовских компонент разрешаемых сигналов, выходы которого соответственно подключены к входам блока 8 экстраполяции, сигнальные выходы которого соединены с соответствующими входами блока вычисления итогового функционала отношения правдоподобия и соответствующими входами блока вычисления апостериорных вероятностей комбинаций номеров гауссовских компонент разрешаемых сигналов. Система, обеспечивающая питание блоков, на чертеже не показана.

Блок 4 корреляционной обработки сигнала, входящий в состав каждого канала обработки сигналов, изображенный на фиг.2, содержит блоки 9₁-9_N вычисления частных гауссовских функционалов отношения правдоподобия для каждой компоненты помехи и белого гауссовского шума и блоки 10₀₁-10_NL вычисления частных гауссовских функционалов отношения правдоподобия для всех комбинаций наложения компонент разрешаемых сигналов, присутствующих в смеси, и компонент помехи, а также белого гауссовского шума, информационные входы которых соединены с информационным входом соответствующего канала обработки сигналов, а информационные выходы блоков 9₁-9_N и 10₀₁-10_NL соединены с информационными входами соответствующих блоков суммирования 5₀-5_L.

Блок 6 вычисления итогового функционала отношения правдоподобия текущей комбинации наложения разрешаемых сигналов, входящий в состав каждого канала обработки сигналов, изображенный на фиг.3, содержит первые блоки 11₁-11_L умножения, первые информационные входы которых соединены с соответствующими выходами блоков 5₁-5_L суммирования, а вторые информационные входы блоков 11₁-11_L умножения соединены с соответствующими выходами блока 8 экстраполяции, причем соответствующие выходы блоков 11₁-11_L умножения соединены с соответствующими входами второго блока 12 суммирования, выход которого соединен со вторым входом блока 13 деления, первый вход которого соединен с выходом блока 5₀ суммирования, при этом выход блока деления соединен с первым входом второго блока 14 умножения, выход которого является выходом канала обработки сигналов и входом блока 15 задержки, выход которого соединен с вторым входом блока 14 умножения.

Первые блоки 11₁-11_L умножения, второй блок 12 суммирования, блок 13 деления, второй блок 14 умножения и блок 15 задержки могут быть выполнены по стандартным, опубликованным в литературе схемам.

Устройство разрешения сигналов на фоне произвольной помехи работает следующим образом.

Входной сигнал, представляющий собой сумму r сигналов разных типов (всего J типов сигналов), импульсной помехи и белого гауссовского шума в виде m - отсчетов n-го элемента поступает на информационные входы блоков 4 корреляционной обработки сигнала всех каналов обработки сигналов. Задача полного разрешения сигналов формулируется следующим образом: предполагается, что во входном колебании в произвольный момент времени может присутствовать произвольное число сигналов из некоторого набора; по результатам наблюдения в присутствии шумовых и импульсных помех с учетом априорной информации о параметрах сигналов требуется определить, сколько и в какой комбинации из всех возможных сигналов присутствуют на входе устройства. Сигналы разных типов представляют собой дискретные многоэлементные сигналы (МЭС) - последовательности К элементарных сигналов:

где I - число типов элементарных сигналов, J - число сигналов в ансамбле (число типов разрешаемых сигналов), заданных марково-смешанными полигауссовыми (МС-ПГ) моделями:

где и - элементы матрицы переходных вероятностей и вектора начальных вероятностей .

Сигналы могут появляться на интервале наблюдения (0, Т) в случайных различных комбинациях. Поэтому входное колебание может содержать сумму случайного числа r сигналов Кроме того, во входной смеси присутствует белый гауссовский шум n_ш(t) и ординарный поток независимых импульсных помех n_п(t) с вероятностью Р_п накладывающихся на k-ю временную позицию МЭС. При условии наложения импульсной помехи на k-ю временную позицию ее распределение имеет следующий вид:

где - вероятность -й компоненты импульсной помехи.

Совместное распределение помех и шума на k-й позиции имеет вид:

При наложении r сигналов с номерами j₁, j₂,...,j_r, вследствие инвариантности гауссовских распределений относительно линейных преобразований, наблюдаемый на k-й временной позиции вектор также представляется МС-ПГ моделью следующего вида:

где - набор типов элементарных сигналов на k-й временной позиции, соответствующих набору сигналов в конкретной комбинации наложения сигналов из ансамбля j₁,j₂,...,j_r. Для простоты рассуждений введем понятие гипотезы , соответствующей этой комбинации, причем число гипотез . Нижние индексы в блоках 5₀-5_L, 9₁-9_N и 10₀₁-10_NL, 11₁-11_L представляют собой натуральный ряд чисел, где N представляет собой число гауссовских компонент в полигауссовом разложении импульсной помехи, a L определяется как число всевозможных сочетаний номеров гауссовых компонент в полигауссовом разложении разрешаемых сигналов, присутствующих в текущей гипотезе

В частности, для случая, соответствующего J=2 (число сигналов в ансамбле), R=3 (максимальное число сигналов из ансамбля во входном колебании), число гипотез , а набор комбинаций сигналов, соответствующий гипотезам имеет вид

т.е. гипотеза h=1 соответствует комбинации полного отсутствия сигналов, h=2 соответствует комбинации, когда присутствует только сигнал 1-го типа (из ансамбля), h=8 соответствует комбинации, когда присутствует один сигнал 1-го типа и один сигнал 2-го типа (из ансамбля) и т.п. Таким образом, гипотезе h соответствует набор сигналов

Гауссовские компоненты N{•} в выражении (4) определяются свертками распределений, соответствующих гауссовским плотностям, линейными комбинациями которых представлены полигауссовы плотности сигналов и помех в (1).

Преобразуем выражение (4) к виду

где

- соответственно вектор математического ожидания и ковариационная матрица ПГ распределения вектора соответствующего комбинации наложения сигналов ансамбля (или, по-другому гипотезе h).

На основе анализа совместного распределения наблюдаемого на k-м шаге (k-й временной позиции) вектора отсчетов и вектора набора номеров, реализовавшихся компонент ансамбля сигналов

с учетом свойства марковости, можно записать выражение для совместных апостериорных распределений компонент и номеров сигналов:

В выражении (9) составляющая представляет собой элемент матрицы переходных вероятностей МС-ПГ распределения комбинации сигналов , которая определяет зависимость вектора номеров компонент ансамбля сигналов, реализовавшегося на k-й временной позиции от вектора номеров, реализовавшегося на (k-1)-й временной позиции (так как вектор номеров, реализующихся в процессе приема гауссовских компонент по позициям , образует также дискретную однородную цепь Маркова, которая характеризуется вышеуказанной матрицей переходных вероятностей и вектором начальных вероятностей):

причем в силу статистической независимости сигналов матрица переходных вероятностей и вектор начальных вероятностей определяются через аналогичные характеристики сигналов ансамбля следующим образом:

Оптимальный алгоритм разрешения МС-ПГ сигналов на фоне комплекса помех на основе байесовского критерия при одинаковых платах за ошибки имеет вид:

Итоговые функционалы отношения правдоподобия , сведем определяются следующими выражениями:

Каждый отсчет входного сигнала представляет собой v разрядный двоичный код и поступает на вход устройства одновременно с сигналом стробирования . Функционал плотности распределения произвольной импульсной помехи представляется выражением (2), где N_п - число гауссовских случайных процессов как с одинаковыми ковариационными матрицами и различными средними .

Частные гауссовские функционалы отношения правдоподобия определяются следующим образом: (19а)

В данных выражениях введем следующие обозначения:

которые имеют смысл корреляционных интегралов вычисляющих взвешенные суммы выборочных значений входного процесса, взаимной энергии сигналов соответствующих гауссовским компонентам импульсной помехи и сигналов и энергий входной реализации. Подставляя принятые обозначения, получим:

Блок 4 корреляционной обработки сигнала каждого канала, состоит из блоков 9₁-9_N, 10₀₁-10_NL вычисления частных гауссовских функционалов отношения правдоподобия, которые после приема входного сигнала формируют на своих выходах сигналы, пропорциональные частным гауссовским функционалам отношения правдоподобия, входящих в выражения (18)-(19). Эти значения с соответствующих выходов каждого блока 4 корреляционной обработки сигнала поступают одновременно на информационные входы блоков 5₀-5_L суммирования, где формируются сигналы, пропорциональные линейной комбинации частных гауссовских функционалов отношения правдоподобия по всем помеховым компонентам.

При этом на выходе блока 5₁ суммирования действует сигнал вида определяемый выражением (18), где - 1-я комбинация номеров компонент разрешаемых сигналов в рамках текущей гипотезы.

Сигналы с выхода блоков 5₀-5_L суммирования поступают одновременно на информационные входы блока 6 вычисления итогового функционала отношения правдоподобия и блока 7 вычисления апостериорных вероятностей комбинаций компонент разрешаемых сигналов. На выходе блока 7 вычисления апостериорных вероятностей формируются сигналы, определяемые выражением (17), которые затем поступают на соответствующие входы блока 8 экстраполяции, где происходит вычисление оценок весов комбинаций гауссовских компонент разрешаемых сигналов, в соответствии с выражением (16), которые, в свою очередь, подаются на соответствующие входы блока 6 вычисления итогового функционала отношения правдоподобия. Блок 6 вычисления итогового функционала отношения правдоподобия формирует итоговые функционалы отношения правдоподобия следующим образом. Сигналы, поступившие с выходов блоков 5₁-5_L суммирования, перемножаются с соответствующими сигналами, поступившими с выходов блока 8 экстраполяции в блоках 11₁-11_L умножения, затем поступают на входы блока 12 суммирования, где вычисляется сумма, входящая в выражение (15), после чего в блоке 13 деления осуществляется деление значения, поступившего с выхода блока 12 суммирования, и значения, поступившего с выхода блока 5₀ суммирования. Полученное значение поступает на вход блока 14 умножения, выход которого связан с блоком 15 задержки, выход которого, в свою очередь, связан со вторым входом блока 14 умножения, где происходит вычисление итогового функционала отношения правдоподобия в строгом соответствии с выражением (15). Полученный сигнал с выхода блока 6 вычисления итогового функционала отношения правдоподобия каждого канала обработки сигналов поступает на входы блока 3 сравнения, где путем выбора максимального значения в соответствии с выражением (14) и принятие решения в пользу определенной гипотезы о комбинации наложения разрешаемых сигналов. В результате после n циклов работы устройства на выходах S₁, S₂,...,S_н имеется информация о поступлении на вход устройства определенной комбинации сигналов. Таким образом, по сравнению с прототипом, который определяет наличие на входе соответствующего сигнала из различаемых, предлагаемое изобретение позволяет определять, сколько и какие из возможных сигналов присутствуют на входе.

Устройство разрешения сигналов на фоне произвольной помехи, содержащее каналы обработки сигналов, тактовый генератор, выход которого соединен с тактовыми входами каналов обработки сигналов, выходы каждого из которых соединены с соответствующими входами блока сравнения, выходы которого являются выходами устройства, информационный вход которого соединен с информационными входами каналов обработки сигналов, причем управляющие входы каналов обработки сигналов соединены с управляющим входом устройства, а каждый канал обработки сигналов содержит блок корреляционной обработки сигнала и блоки суммирования, отличающееся тем, что число каналов обработки сигналов равно заданному числу комбинаций наложения разрешаемых сигналов, каждый канал обработки сигналов дополнительно содержит блок вычисления итогового функционала отношения правдоподобия текущей комбинации наложения разрешаемых сигналов, выход которого является выходом канала обработки сигналов, причем выходы блока корреляционной обработки сигнала соединены с входами соответствующих блоков суммирования, а соответствующие сигнальные входы блока вычисления итогового функционала отношения правдоподобия текущей комбинации наложения разрешаемых сигналов подключены к соответствующим сигнальным выходам блоков суммирования, которые параллельно подключены к соответствующим входам блока вычисления апостериорных вероятностей комбинаций номеров гауссовских компонент разрешаемых сигналов, выходы которого соответственно подключены к входам блока экстраполяции, сигнальные выходы которого соединены с соответствующими входами блока вычисления итогового функционала отношения правдоподобия и соответствующими входами блока вычисления апостериорных вероятностей комбинаций номеров гауссовских компонент разрешаемых сигналов.