Способ определения энергетического спектра шумового электрического сигнала

Способ может быть использован в области гидроакустики и радиотехники для построения систем обнаружения сигнала. Способ включает получение последовательно через равные промежутки времени n наборов дискретизированных отсчетов шумового электрического процесса и быстрое преобразование Фурье полученных наборов дискретизированных отсчетов шумового электрического процесса для получения комплексного спектра сигнала. Энергетический спектр шумового электрического сигнала определяют как сумму n-1 взаимных спектров между комплексными спектрами каждого предыдущего и каждого последующего набора дискретизированных отсчетов шумового электрического процесса. Способ позволяет уменьшить суммарную помеху и повысить отношение сигнал/помеха при определении энергетического спектра шумового электрического сигнала при малом отношении сигнал/помеха входного шумового электрического процесса. 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 стационарной шумовой помехи, которые 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, с.77).

Аналогичные способы приведены в "Справочнике по гидроакустике", Судостроение, 1988, 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, стр.296).

Известен также способ определения энергетического спектра, изложенный в книге Ж. Макс. "Методы и техника обработки сигналов при физических измерениях " М. Мир 1983 г. 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; определяют модуль реальной части спектра; определяют модуль мнимой части спектра и энергетический спектр данного набора дискретизированных отсчетов шумового электрического процесса определяют как сумму квадратов модулей реальной и мнимой частей спектра.

Определенный таким образом энергетический спектр запоминают, повторяют перечисленные операции n раз для каждого из n наборов дискретизированных отсчетов шумового электрического сигнала через равные промежутки времени Δt, производят суммирование, центрирование и нормирование суммарного энергетического спектра и этот центрированный энергетический спектр считают искомым энергетическим спектром входного шумового электрического сигнала.

Недостатком данного способа является то, что при накоплении происходит увеличение постоянной составляющей накопленного спектра не только за счет сигнала, но и за счет помех, что снижает точность определения энергетического спектра входного шумового электрического сигнала.

Этого недостатка лишен способ определения энергетического спектра шумового электрического сигнала по патенту РФ №2236687, который по технической сущности и количеству общих признаков наиболее близок к предлагаемому.

Указанный способ содержит следующую последовательность операций: как и в ранее описанном способе производят дискретизацию шумового электрического процесса, представляющего собой смесь шумового электрического сигнала и нормальной стационарной шумовой помехи, производят 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, т.е. определение комплексного спектра, повторяют эту процедуру для n определенных последовательно во времени наборов дискретизированных отсчетов шумового электрического процесса, а возведение в квадрат производят после суммирования реальных частей спектра по n наборам и мнимых частей спектра по n наборам, и энергетический спектр шумового электрического сигнала определяют как результат сложения квадратов этих сумм.

В способе-прототипе происходит увеличение отношения сигнал/помеха выходного процесса как за счет увеличения энергии сигнала, поскольку накапливаемый сигнал коррелирован. Уменьшение энергии помехи происходит за счет вычитания спектральных отсчетов разных наборов. Однако при малом исходном отношении сигнал\помеха это увеличение может являться недостаточным. Действительно, в способе-прототипе величина суммы реальных и мнимых частей спектра зависит от исходного отношения сигнал\помеха. При малом исходном отношении сигнал\помеха увеличивается дисперсия каждой частоты измеряемого спектра и при n наборах частота в первом наборе может отличаться от частоты в n-ом наборе, что снижает точность определения энергетического спектра сигнала.

Техническим результатом от использования изобретения является уменьшение суммарной помехи и повышение отношения сигнал/помеха при определении энергетического спектра шумового электрического сигнала при малом исходном отношении сигнал/помеха, что решает задачу повышения эффективности определения энергетического спектра шумового электрического сигнала.

Для достижения указанного технического результата в 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 шумовой помехи, набор дискретизированных отсчетов шумового электрического процесса, быстрое преобразование Фурье данного набора дискретизированных отсчетов шумового электрического процесса, получение комплексного спектра, повторение процедуры получения комплексного спектра для n последовательных во времени дискретизированных наборов отсчетов шумового электрического процесса, введены новые признаки, а именно: запоминают полученные комплексные спектры последовательно по каждому набору, определяют n-1 взаимных спектров между комплексными спектрами каждого предыдущего и каждого последующего набора дискретизированных отсчетов шумового электрического процесса, а энергетический спектр шумового электрического сигнала определяют как сумму этих n-1 взаимных спектров.

Поясним достижения заявленного технического результата.

Известно, что если имеются два независимых стационарных эргодических процесса X(t) - электрический шумовой сигнал и Y(t) - шумовая нормальная стационарная помеха, то преобразование Фурье к-ой реализации длительностью Т каждого процесса определяется выражением

Тогда взаимный спектр этих двух случайных процессов определяется, с использованием свертки X×Y, соотношением

где - комплексно-сопряженный процесс, получаемый из исходного комплексного спектра.

Если сигнал один и тот же, что соответствует входной реализации в соседних наборах временных дискретизированных отсчетов, содержащих один и тот же электрический шумовой сигнал, то взаимный спектр будет максимальным и определяться формулой

Если взаимный спектр определяется между двумя реализациями нормального стационарного шума, то произведение X_k(f,T)_пом и Y_k+Δt(f,t)_пом будет мало, так как Х и Y независимы. Таким образом, если взаимный спектр определяется между двумя одинаковыми реализациями, представляющими собой электрический шумовой сигнал, имеющий одну и ту же полосу и коррелированный в соседних наборах дискретизированных отсчетов, то энергия взаимного спектра будет максимальна, если же она определяется между независимыми сигналами, представляющими собой независимую шумовую помеху в соседних наборах дискретизированных отчетов, то она равна 0. Также взаимный спектр будет снижаться, если его определять между разнесенными во времени наборами дискретизированных отсчетов шумового электрического сигнала.

После набора дискретизированных отсчетов длительностью Т входной реализации шумового электрического сигнала и шумовой помехи, которая не коррелирована с сигналом и независима от него, определяют суммарный спектр набора дискретизированных отсчетов длительностью Т, в который входит спектр сигнала и спектр независимой помехи.

При накоплении n спектров происходит суммирование спектров сигнала и спектров помехи.

Поскольку электрический шумовой сигнал принимается непрерывно, то его спектр незначительно отличается от набора к набору и можно считать, что взаимный спектр будет иметь максимальное значение. С другой стороны взаимный спектр между энергетическими спектрами соседних наборов помехи будет близок к 0, в силу независимости сигналов помехи в соседних наборах. Также взаимный спектр между спектрами сигналов и спектрами помехи в соседних временных наборах будет также близка к 0. При суммировании n-1 взаимных спектров будут суммироваться спектральные составляющие сигналов, а энергия взаимных спектров помехи будет отсутствовать, также будут отсутствовать взаимные спектры шумового сигнала и шумовой помехи, поскольку они независимы.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства, реализующего данный способ.

Устройство содержит дискретизатор 1 входного процесса, блоки 2 вычисления очередного спектра БПФ, блоки 3 и 4 памяти, блок 5 вычисления взаимного спектра, сумматор 6.

С помощью описанного выше устройства предложенный способ реализуется следующим образом.

Входное напряжение подается на вход дискретизатора 1 и далее дискретизированные отсчеты поступают на вход блока 2 определения комплексного спектра БПФ и далее в блоки памяти 3 или 4. С выхода блока 3 предыдущий комплексный спектр поступает на блок определения взаимного спектра, на второй вход которого поступает последующий комплексный спектр с блока памяти 4. С выхода блока 5 взаимный спектр поступает в сумматор 6. Следующий набор дискретизованных отсчетов длительностью Т, поступает на блок 2 БПФ, после чего определенные предыдущий и последующий комплексные спектры в блоках 3 и 4 поступают на блок 5 вычисления взаимного спектра и далее на сумматор 6, где и происходит суммирование n-1 последовательных взаимных спектров и далее определения суммарного энергетического спектра.

При этом, как это было показано раньше, энергия сигнала увеличивается, а энергия помехи уменьшается, т.е. увеличивается точность определения спектра входного шумового электрического сигнала при меньших соотношениях сигнал/помеха во входном процессе. Результат был подтвержден экспериментально. Это позволяет считать заявленный технический результат достигнутым.

Способ определения энергетического спектра шумового электрического сигнала на фоне нормальной шумовой помехи, содержащий дискретизацию шумового электрического процесса, представляющего собой смесь шумового электрического сигнала и нормальной стационарной шумовой помехи, получение последовательно через равные промежутки времени n наборов дискретизированных отсчетов шумового электрического процесса и быстрое преобразование Фурье полученных наборов дискретизированных отсчетов шумового электрического процесса, получение комплексного спектра, повторение процедуры получения комплексного спектра для n последовательных во времени дискретизированных наборов отсчетов шумового электрического процесса, отличающийся тем, что запоминают полученные комплексные спектры последовательно по каждому набору, определяют n-1 взаимных спектров между комплексными спектрами каждого предыдущего и каждого последующего набора дискретизированных отсчетов шумового электрического процесса, а энергетический спектр шумового электрического сигнала определяют как сумму этих n-1 взаимных спектров.