Цифровое устройство квантования видеосигнала на фоне комбинированной помехи
Владельцы патента RU 2277715:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский Государственный Институт Электронной Техники (Технический Университет)" (RU)
Изобретение относится к обработке сигналов с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) и может быть использовано на этапе преобразования видеосигнала в цифровой логический сигнал на фоне комбинированной помехи. Техническим результатом является снижение вероятности ложного срабатывания при работе устройства на малых отношениях сигнал/шум и/или на фоне комбинированной помехи. Технический результат достигается тем, что в устройство помимо цифрового элемента задержки, формирователя квантованного видеосигнала и схемы контроля с предварительно записанными в ее регистры длительностями эталонного и квантованного видеоимпульса, допустимыми отклонениями реальной длительности от эталонной, введены компаратор с гистерезисом, схема компенсации ложных срабатываний, реализующая алгоритм медианной фильтрации, интегратор, детектор длительности импульса и статистический формирователь порога. автоматически устанавливающий пороги квантования компаратора с гистерезисом в зависимости от уровня шума на входе устройства. 4 ил., 1 табл.
Изобретение относится к обработке сигналов с импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) и может быть использовано на этапе преобразования видеосигнала в цифровой логический сигнал на фоне комбинированной помехи. Под комбинированной помехой понимается аддитивная смесь белого гауссовского шума и импульсной помехи, причем длительность импульсных выбросов шума не превышает половины длительности полезных импульсов.
Известен амплитудно-временной квантователь с регулируемым порогом, содержащий квантизатор, счетчик, блок допускового контроля, формирователь кода порога, блок задания приращения порога, первый и второй элементы И, элемент задержки, блок задания времени выборки, преобразователь код-напряжение, генератор импульсов и источник сигнала допуска [1].
Однако устройство обладает недостатком, присущим всем аналоговым квантователям: применение аналоговых элементов для сравнения сигнала с пороговым уровнем требует ручной настройки опорных напряжений, величины которых могут меняться во времени и зависеть от температуры. Также данное устройство не рассчитано на обработку сигнала на фоне комбинированной помехи.
Наиболее близким к изобретению является цифровой квантователь видеосигнала, содержащий цифровой элемент задержки, измеритель крутизны фронта, формирователь порога, формирователь квантованного видеосигнала, детектор длительности фронта, компаратор и схему контроля [2].
Однако известное устройство не рассчитано на работу при малых отношениях сигнал/шум, а также на фоне комбинированной помехи, что приводит к увеличению вероятности ложных срабатываний.
Цель изобретения - снижение вероятности ложного срабатывания при малых отношениях сигнал/шум, а также при работе на фоне комбинированной помехи.
Поставленная цель достигается тем, что в цифровое устройство квантования видеосигнала на фоне комбинированной помехи, содержащее цифровой элемент задержки, формирователь квантованного видеосигнала и схему контроля, введены компаратор с гистерезисом, схема компенсации ложных срабатываний, интегратор, детектор длительности импульса и статистический формирователь порога, при этом шина входного сигнала подключена к первому входу статистического формирователя порога, а также к первому входу компаратора с гистерезисом, первый и второй выходы статистического формирователя порога соединены со вторым и третьим входами компаратора с гистерезисом, а выход компаратора с гистерезисом подключен ко входу цифрового элемента задержки, выходы которого соединены со входами схемы компенсации ложных срабатываний, выход схемы компенсации ложных срабатываний подключен ко входу интегратора, выход которого соединен с первым входом детектора длительности импульса, а выход детектора длительности импульса соединен с первым входом формирователя квантованного видеосигнала, при этом шина внешних сигналов управления подключена к схеме контроля, первый выход которой соединен со статистическим формирователем порога, а второй и третий выходы - со вторым и третьим входами детектора длительности импульса, четвертый выход схемы контроля подключен ко второму входу формирователя квантованного видеосигнала.
На фиг.1 представлена блок-схема цифрового устройства квантования видеосигнала на фоне комбинированной помехи, где 0 - шина входного сигнала у, 1 - компаратор с гистерезисом, 2 - цифровой элемент задержки, 3 - схема компенсации ложных срабатываний, 4 - интегратор, 5 - детектор длительности импульса, 6 - формирователь квантованного видеосигнала, 7 - схема контроля, 8 - статистический формирователь порога, 9 - выходной сигнал, 10 - шина внешних сигналов управления.
На фиг.2 показано место цифрового устройства квантования видеосигнала на фоне комбинированной помехи в структуре цифрового устройства первичной обработки ИКМ сигнала, где 0' - сигнал от антенны, 1' - приемное устройство, 2' - АЦП, 3' - устройство квантования видеосигнала, 4' - декодер ИКМ сигнала.
На фиг.3 представлены временные диаграммы, поясняющие работу устройства, где а) - ИКМ сигнал, б) - значение порога без учета гистерезиса, в) - режим работы устройства, i и Т - номер и период следования пачки ИКМ сигнала, с и g - режимы квантования и формирования порога соответственно.
На фиг.4 представлены временные диаграммы, поясняющие пример работы устройства, где а) - сигнал синхронизации, б) - входной сигнал, в) и г) - пороги переключения компаратора с гистерезисом 1 при переходе из нуля в единицу и наоборот соответственно, д) - сигнал с выхода компаратора с гистерезисом 1, е) - сигнал с выхода схемы компенсации ложных срабатываний 3, ж) - сигнал с выхода интегратора 4, з) и и) - пороги, задающие диапазон значений, при которых на выходе детектора длительности импульса 5 появляется логическая единица, к) - сигнал с выхода детектора длительности импульса 5.
Устройство содержит компаратор с гистерезисом 1, на вход которого подается шина входного сигнала 0, а также пороги срабатывания при переходе из нуля в единицу и наоборот от статистического формирователя порога 8; выход компаратора 1 подключен к цифровому элементу задержки 2, выходы которого соединены с входами схемы компенсации ложных срабатываний 3; схема компенсации ложных срабатываний 3 последовательно соединена с интегратором 4, выходной сигнал с которого поступает на вход детектора длительности импульса 5; выходной сигнал детектора длительности импульса 5 подключен к входу формирователя квантованного видеосигнала 6; схема контроля 7 соединена с формирователем квантованного видеосигнала 6, вторым и третьим входами детектора длительности импульса 5, а также со статистическим формирователем порога 8 и функционирует под управлением внешних сигналов управления.
ИКМ сигналы нашли широкое применение при дистанционном управлении беспилотными летательными аппаратами (БЛА). Типичная цифровая система обработки ИКМ сигнала на борту БЛА (фиг.2) состоит из приемного устройства 1', аналого-цифрового преобразователя 2', устройства квантования видеосигнала 3' и декодера ИКМ сигнала 4'.
Одним из распространенных способов квантования видеоимпульса является сравнение видеосигнала с некоторым пороговым значением. В случае, когда амплитуда импульса известна и постоянна, порог устанавливают на уровне, равном примерно половине амплитуды импульса, а в случае переменной амплитуды импульса или быстроменяющейся интенсивности шума целесообразно использовать порог, адаптивный к шумовому окружению. В предлагаемом изобретении порог рассчитывается на основе статистических характеристик шумовой составляющей сигнала:
где μ и σ - среднее значение и стандартное отклонение шума соответственно; k - коэффициент настройки.
Для расчета порога на основе статистических характеристик шумовой составляющей сигнала в структуру устройства введен статистический формирователь порога 8. В основе расчета порогового уровня шума лежит рекуррентная формула, позволяющая оптимизировать аппаратные затраты, а также не использовать память для накопления выборки сигнала:
где N - это размер обучающей выборки в количестве цифровых отсчетов, i - номер цифрового отсчета, y(i) - входной сигнал в цифровом виде. Благодаря тому, что ИКМ сигнал передается пачками импульсов с постоянным периодом, можно использовать паузы между пачками для формирования порогового уровня, поскольку в эти моменты на входе присутствует только шумовая составляющая сигнала (фиг.3).
Для снижения вероятности появления ложного срабатывания при сравнении входного сигнала с порогом предлагается использовать компаратор с гистерезисом 1. Гистерезис задается различными порогами переключения компаратора из нуля в единицу θ1 и наоборот θ2, величины которых определяются различными величинами коэффициента настройки в выражении (1). Значения коэффициентов k1 и k2 для расчета θ1 и θ2 находятся в пределах от 1 до 5 и выбираются так, чтобы минимизировать вероятности ложных срабатываний компаратора при отсутствии и наличии полезного сигнала, определяемые следующими выражениями соответственно:
где а - отношение сигнал/шум на входе устройства квантования; n и s - это гауссовский шум и исходный видеосигнал соответственно.
Для дальнейшего понижения вероятности ложного срабатывания устройства предлагается использовать схему компенсации ложных срабатываний 3, основанную на идее медианной фильтрации, но работающую с однобитным сигналом - результатом сравнения видеосигнала с порогом. Ложные срабатывания компаратора носят импульсный характер, поэтому применение медианной фильтрации, оказывается эффективным и позволяет существенно понизить вероятность ложного срабатывания.
Пусть М - нечетное число и длина апертуры медианного фильтра, тогда согласно алгоритму медианной фильтрации значение на выходе будет верным, если количество выбросов шума в пределах апертуры меньше либо равно (М-1)/2. Исходя из того, что число искаженных отсчетов l в апертуре имеет биноминальное распределение, получаем выражения для вероятности ошибки схемы компенсации ложных срабатываний при отсутствии и наличии сигнала соответственно:
Таким образом, схема компенсации ложных срабатываний 3 позволяет полностью устранить импульсный шум при условии, что количество выбросов шума в пределах апертуры схемы меньше либо равно (М-1)/2. Для того чтобы схема компенсации ложных срабатываний 3 не исказила полезный сигнал, количество отсчетов в импульсе должно быть больше (М-1)/2.
Для контроля длительности видеоимпульсов в структуру устройства введен интегратор 4 и детектор длительности импульса 5. Интегратор 4 суммирует входные отсчеты с выхода схемы компенсации ложных срабатываний 3 на интервале времени, равном сумме эталонной длительности импульса tи и допустимого отклонения h реальной длительности от эталонной:
где k - номер текущего отсчета.
Детектор длительности импульса 5 формирует выходной сигнал согласно следующему выражению:
Пусть l - количество искаженных отсчетов в пределах апертуры интегратора, тогда вероятности ошибки детектора длительности импульса 5 при отсутствии и наличии сигнала можно записать как
Обобщая проведенные выше рассуждения, можно записать общую вероятность ложного срабатывания устройства квантования видеосигнала:
p=p0·рлс30+р1·рлс31,
где p0 и p1 - это априорные вероятности передачи паузы и посылки соответственно.
В таблице приведены вероятности ложного срабатывания устройства для различных отношений сигнал/шум "а" для случая, когда М=9, tи=7, h=3, а посылка и пауза в сигнале равновероятны, т.е. р0=p1=1/2. Видно, что при отношении сигнал/шум, большем двух, общая вероятность ошибки рлс3 с запасом удовлетворяет понятию о помехоустойчивости подобных систем, т.е. не превышает 10-5.
| а | pлс1 | рлс2 | рлс3 |
| 1 | 0.2914 | 0.0886 | 0.0259 |
| 2 | 0.1357 | 0.0036 | 3·10-6 |
| 4 | 0.0139 | 6·10-8 | 8·10-16 |
| 6 | 0.0005 | 10-15 | 10-19 |
Из приведенного выше описания способа квантования видеосигнала на фоне комбинированной помехи видно, что устройство работает в двух режимах: формирование порога и квантование (фиг.3).
В начальный момент времени в регистры схемы контроля 7 записывают длительности эталонного и квантованного видеоимпульса, измеренные в количестве цифровых отсчетов, а также допустимое отклонение реальной длительности от эталонной. В регистры статистического формирователя порога 8 записывают некоторое инициализирующее пороговое значение, например половину амплитуды полезного сигнала, и устройство переходит в режим квантования. По окончании каждой пачки ИКМ сигнала декодер 4' (фиг.2) через схему контроля 7 (фиг.1) переводит устройство в режим формирования порога и запускает статистический формирователь порога 8, который рассчитывает пороговый уровень шума согласно выражению (1).
В режиме квантования устройство работает следующим образом. Входной сигнал у поступает по шине 0 на вход компаратора с гистерезисом 1, где сравнивается с порогом. Однобитный сигнал - результат сравнения подается на вход цифрового элемента задержки, который представляет собой однобитный сдвиговый регистр длиной М. Каждый из М задержанных относительно друг друга на один такт сигналов поступает на входы схемы компенсации ложных срабатываний 3. Схема компенсации ложных срабатываний 3 представляет собой комбинационную схему, реализующую алгоритм медианной фильтрации, т.е. на выходе схемы будет сигнал высокого уровня, когда количество «нулей» в регистрах цифрового элемента задержки меньше либо равно (М-1)/2. И наоборот, на выходе схемы будет сигнал низкого уровня, когда количество «единиц» в регистрах цифрового элемента задержки меньше либо равно (М-1)/2.
Сигнал с выхода схемы компенсации ложных срабатываний 3 поступает на вход интегратора 4. На каждом такте работы устройства интегратор 4 подсчитывает количество «единиц» в пределах своей апертуры, т.е. в пределах (tи+h) отсчетов. При достижении максимального или минимального значения, определяемого эталонной длительностью импульса, интегратор входит в насыщение.
Сигнал с выхода интегратора 4 поступает на вход детектора длительности импульса 5, где сравнивается с эталонной длительностью импульса tи с учетом допустимых отклонений h (длительность tи±h считаем не допустимой). Таким образом, на выходе детектора длительности импульса 5 появляется сигнал высокого уровня только, когда сигнал с интегратора находится в диапазоне от (tи-h+1) до (tи+h-1).
Положительный фронт сигнала с выхода детектора длительности импульса 5 запускает формирователь квантованного видеоимпульса, который формирует видеоимпульсы необходимой длительности, задаваемой схемой контроля 7. Для этого на начальном этапе работы устройства в регистры схемы контроля 7 была записана длительность квантованного видеоимпульса.
Ниже приведено описание работы устройства для случая, когда М=5, tи=5, h=2. На каждом такте сигнала синхронизации (фиг.4а), который является сигналом запуска АЦП 2' (фиг.2), обновляются данные на входе устройства (фиг.4б). На втором такте значение отсчета превышает верхний порог (фиг.4в) и на выходе компаратора с гистерезисом 1 появляется логическая единица (фиг.4д). На пятом такте значение отсчета становится меньше нижнего порога (фиг.4г) и в импульсе - результате сравнения образуется «прокол» на один такт. Устранить этот «прокол», а также выброс шума на 13 и 14 тактах позволяет схема компенсации ложных срабатываний 3. Когда количество «единиц» в цифровом элементе задержки превышает (М-1/2), на выходе схемы компенсации ложных срабатываний 3 появляется сигнал высокого уровня (фиг.4е).
На шестом такте в пределах аппретуры интегратора 4 появляется первая «единица». С этого момента значение на выходе интегратора 4 начинает увеличиваться на единицу на каждом такте, пока передний фронт импульса не выйдет за пределы апертуры. Далее значение на выходе интегратора 4 начнет уменьшать на единицу на каждом такте до тех пор, пока интегратор 4 не войдет в насыщение. Пока текущее значение интегратора 4 находится между нижним и верхним порогами сравнения длительности (фиг.4з, и) на выходе детектора длительности импульса 5 - логическая единица (фиг.4к). Передний фронт сигнала с выхода детектора длительности импульса 5 запускает формирователь квантованного видеоимпульса 6, который формирует импульс необходимой длительности.
Цифровое устройство для квантования видеосигнала на фоне комбинированной помехи нашло серийное применение в составе специализированной бортовой вычислительной системы высокодинамичного подвижного объекта. Структура устройства для квантования видеосигнала описана на HDL-языке Verilog и реализована на базе ПЛИС фирмы Xilinx серии Spartan2.
Источники информации
1. Патент РФ №1068851, кл. G 01 S 7/30, 01.04.81.
2. International patent WO 92/15025, кл. G 01 S 13/78, 25.02.91 (прототип).
Цифровое устройство квантования видеосигнала на фоне комбинированной помехи, содержащее цифровой элемент задержки и формирователь квантованного видеосигнала, отличающееся тем, что в него введены компаратор с гистерезисом, схема компенсации ложных срабатываний, интегратор, детектор длительности импульса и статистический формирователь порога, при этом шина входного сигнала подключена к первому входу статистического формирователя порога, а также к первому входу компаратора с гистерезисом, первый и второй выходы статистического формирователя порога соединены со вторым и третьим входами компаратора с гистерезисом, а выход компаратора с гистерезисом подключен ко входу цифрового элемента задержки, выходы которого соединены со входами схемы компенсации ложных срабатываний, выход схемы компенсации ложных срабатываний подключен ко входу интегратора, выход которого соединен с первым входом детектора длительности импульса, а выход детектора длительности импульса соединен с первым входом формирователя квантованного видеосигнала, при этом шина внешних сигналов управления подключена к схеме контроля, предназначенной для задания длительности импульсов, в регистры которой предварительно записаны длительности квантованного и эталонного импульсов, а также допустимое отклонение реальной длительности от эталонной, первый выход схемы контроля соединен со статистическим формирователем порога, а второй и третий выходы - со вторым и третьим входами детектора длительности импульса, четвертый выход схемы контроля подключен ко второму входу формирователя квантованного видеосигнала.
