RU2723441C2

RU2723441C2 - Method for matched nonlinear correlation-probability filtering of signals and device for its implementation

Info

Publication number: RU2723441C2
Application number: RU2018133558A
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Панычев; Николай Андреевич Самоцвет; Амер Фархан Шит; Дмитрий Андреевич Самоцвет
Original assignee: Общество С Ограниченной Ответственностью "Инновационный Центр Самоцвет"
Priority date: 2018-09-21
Filing date: 2018-09-21
Publication date: 2020-06-11
Also published as: RU2018133558A; RU2018133558A3

Abstract

FIELD: circuits using digital equipment.SUBSTANCE: invention relates to methods and means for non-linear filtering of signals against background multiplicative and correlated interference and can be used in radio engineering to increase the energy signal-to-noise ratio at the output of the receiving device when processing signals using a matched filter. Technical result is achieved due to the fact that in the method of matched nonlinear correlation-probability filtration of signals, the probability density function (PDF) of the instantaneous values of the informative signal parameter, known accurately, is measured, at the linear part of the receiver output, the PDF signal mixture measurement of the useful signal, noise and interference at the receiver linear part output, the PDF convolution of the informative signal parameter known exactly, with the PDF additive mixture of the signal, noise and interference, the convolution result is compared to the threshold in accordance with the optimum reception criterion to make a decision on the presence of a known signal in the input mixture. Device implementing the method comprises a receiving antenna, a receiver connected in series to the digital output, which is the output of the linear quasi-optimum filter, a PDF measurement unit, the output of which is connected to the first input of the convolution generating unit, the second input of which is connected to the output of the PDF memory unit of signals known exactly, output of the convolution generating unit is connected to the input of the threshold device for generation and setting of the decision threshold on the presence of a signal known exactly in accordance with the optimum reception criterion.EFFECT: technical result is high noise-immunity reception at low signal-to-noise ratios.2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области способов и средств оптимальной фильтрации сигналов на фоне помех и может быть использовано в радиотехнике для увеличения энергетического отношения сигнал-шум на выходе приемного устройства при обработке сигналов с помощью согласованного фильтра.The invention relates to the field of methods and means of optimal filtering of signals against a background of interference and can be used in radio engineering to increase the energy signal-to-noise ratio at the output of a receiving device when processing signals using a matched filter.

Известен способ приема полезного сигнала известного точно на фоне «белых» шумов (Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости. - М.: Госэнергоиздат, 1956 г. [1]). Способ обнаружения сигнала известного точно по Котельникову заключается в том, что смесь сигнала и шума подается на последовательно соединенные оптимальный линейный фильтр и пороговое устройство. Оптимальный линейный фильтр, согласованный со спектром принимаемого сигнала, обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум на входе порогового устройства. Пороговое устройство выдает решение о наличие полезного сигнала на входе приемного устройства в случае, когда амплитуда процесса на выходе оптимального линейного фильтра превышает заданное пороговое напряжение. Уровень порогового напряжения выбирается по одному из известных критериев оптимального приема сигналов.A known method of receiving a useful signal known precisely against the background of "white" noise (VA Kotelnikov. Theory of potential noise immunity. - M.: Gosenergoizdat, 1956 [1]). A method of detecting a signal known exactly according to Kotelnikov is that a mixture of signal and noise is fed to an optimal linear filter and a threshold device connected in series. The optimal linear filter, consistent with the spectrum of the received signal, provides the maximum signal to noise ratio at the input of the threshold device. The threshold device gives a decision on the presence of a useful signal at the input of the receiving device when the amplitude of the process at the output of the optimal linear filter exceeds a predetermined threshold voltage. The threshold voltage level is selected according to one of the known criteria for optimal signal reception.

Известно также устройство приема сигнала на фоне «белых» шумов [1]. Устройство состоит из оптимального линейного фильтра, согласованного с параметрами сигнала известного точно, и порогового устройства.A device for receiving a signal against a background of “white” noise is also known [1]. The device consists of an optimal linear filter, consistent with the signal parameters known exactly, and a threshold device.

Теория потенциальной помехоустойчивости Котельникова [1] имеет огромное значение и является хорошо развитой и обоснованной теорией приема сигналов на фоне «белых» шумов. Поскольку высокочастотный тракт современных приемных устройств по своей сути является оптимальным или квазиоптимальным линейным фильтром, то характеристики реальных приемных устройств оказываются близкими к характеристикам, вытекающим из теории потенциальной помехоустойчивости, но никогда их не превышают.The theory of potential noise immunity Kotelnikov [1] is of great importance and is a well-developed and justified theory of signal reception against the background of "white" noise. Since the high-frequency path of modern receivers is inherently an optimal or quasi-optimal linear filter, the characteristics of real receivers are close to those arising from the theory of potential noise immunity, but never exceed them.

Поэтому принято считать, что характеристики линейного оптимального приемника являются предельно достижимыми для всех без исключения классов приемных систем и дальнейшее развитие теории Котельникова невозможно.Therefore, it is generally accepted that the characteristics of a linear optimal receiver are extremely achievable for all classes of receiving systems without exception, and further development of the Kotelnikov theory is impossible.

Однако следует отметить, что в теории Котельникова приняты ограничения, связанные с применением принципа суперпозиции в описании аддитивной смеси сигнала и шума, которые распространяют действие теории только на линейные приемные системы.However, it should be noted that in Kotelnikov’s theory, restrictions have been adopted related to the application of the principle of superposition in the description of an additive mixture of signal and noise, which extend the effect of the theory only to linear receiving systems.

Из теории Котельникова вытекают практически следующие важные выводы:The following important conclusions follow from Kotelnikov’s theory:

- достоверность приема полезного сигнала известного точно на фоне «белых» шумов не зависит от формы сигнала, а зависит только от его энергии;- the reliability of the reception of a useful signal known exactly against the background of "white" noise does not depend on the shape of the signal, but depends only on its energy;

- оптимальный линейный фильтр, согласованный со спектром полезного сигнала, обеспечивает на входе решающего устройства максимально возможное отношение сигнал/шум.- the optimal linear filter, consistent with the spectrum of the useful signal, provides the maximum possible signal-to-noise ratio at the input of the resolver.

При обнаружении сигнала, известного точно, на фоне «белых» шумов решающее устройство принимает решение о наличие сигнала в случае, когда уровень сигнала на выходе оптимального линейного фильтра превышает некоторый пороговый уровень (который выбирается по одному из критериев оптимальности, в зависимости от типа и назначения приемного устройства), (Чистяков Н.И., Сидоров М.В., Мельников B.C. Радиоприемные устройства. -М.: Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио. 1959. - 895 с. [2]).When a signal is known that is known precisely against the background of “white” noise, the decider makes a decision on the presence of a signal when the signal level at the output of the optimal linear filter exceeds a certain threshold level (which is selected according to one of the optimality criteria, depending on the type and purpose receiving device), (Chistyakov NI, Sidorov MV, Melnikov BC Radio receivers. -M.: State Publishing House of Literature on Communications and Radio. 1959. - 895 p. [2]).

На основе теории потенциальной помехоустойчивости было показано, что спектральная плотность шумов и спектральная плотность смеси сигнала и шума на выходе согласованного фильтра совпадают. И, следовательно, предел отношения спектральной плотности смеси сигнала и шума и просто шума тождественно равен 1. Таким образом, в классе линейных систем оптимальный линейный приемник В.А. Котельникова обладает наилучшей потенциальной помехоустойчивостью.Based on the theory of potential noise immunity, it was shown that the spectral density of noise and the spectral density of a mixture of signal and noise at the output of a matched filter are the same. And, therefore, the limit of the ratio of the spectral density of the mixture of signal and noise and just noise is identically equal to 1. Thus, in the class of linear systems, the optimal linear receiver V.A. Kotelnikova has the best potential noise immunity.

Основным недостатком известного и широко применяемого на практике способа и устройства оптимальной линейной фильтрации сигналов на фоне гауссовых шумов является ограниченная область применения, а именно он применим только в ситуациях, когда сигнал и шум на входе приемника не коррелированы, то есть, связаны друг с другом аддитивно.The main disadvantage of the known and widely used in practice method and device for optimal linear filtering of signals against a background of Gaussian noise is its limited scope, namely, it is applicable only in situations where the signal and noise at the receiver input are not correlated, that is, they are additively related to each other .

Вместе с тем, в ситуациях наличия при приеме сигналов мультипликативных помех, ответных коррелированных радиопомех, формируемых из самого полезного сигнала, линейные методы фильтрации перестают быть оптимальными. В этих ситуациях для оптимизации энергетического отношения сигнал/шум на выходе квазиоптимального фильтра необходимо применять методы нелинейной фильтрации. В настоящее время не существует единой общей теории нелинейной фильтрации сигналов на фоне коррелированных радиопомех. Существуют лишь различные способы и устройства - нелинейные фильтры для решения указанной задачи.At the same time, in situations of presence of multiplicative interference signals, correlated radio interference responses generated from the most useful signal, linear filtering methods cease to be optimal. In these situations, to optimize the energy signal-to-noise ratio at the output of the quasi-optimal filter, it is necessary to apply nonlinear filtering methods. Currently, there is no single general theory of nonlinear filtering of signals against the background of correlated radio interference. There are only various methods and devices - non-linear filters for solving this problem.

Еще одним недостатком указанного выше способа обнаружения сигнала на фоне некоррелированных гауссовых шумов и устройства для его реализации является недостаточная достоверность приема сигнала известного точно в области малых отношений сигнал/шум, т.е. при малой энергии сигнала.Another disadvantage of the above method for detecting a signal against a background of uncorrelated Gaussian noise and a device for its implementation is the lack of reliability of the reception of a signal known exactly in the region of small signal to noise ratios, i.e. at low signal energy.

Существуют способы и устройства обнаружения сигналов на фоне шумов при отношениях сигнал/шум менее единицы. Они пригодны для обнаружения сигналов негауссовых шумов и помех. Они основаны на применении корреляционного способа фильтрации сигналов с известными параметрами на фоне различных помех. По своим основным свойствам корреляционный фильтр соответствует рассмотренному выше оптимальному фильтру. Наиболее оправдано применение корреляционной фильтрации при применении широкополосных сигналов с большой базой. Увеличение энергетического отношения сигнал/шум на выходе оптимального фильтра достигается при этом за счет временного сжатия сигнала в фильтре. Теоретически коэффициент сжатия соответствует базе широкополосного сигнала. Основными элементами устройства для реализации такого фильтра являются перемножитель принятой приемником аддитивной смеси сигнала и шума с копией полезного сигнала, а также интегратор. В таком фильтре выполняется операция вычисления интеграла свертки входной смеси с импульсной передаточной характеристикой фильтра.There are methods and devices for detecting signals against a background of noise with signal-to-noise ratios of less than unity. They are suitable for detecting non-Gaussian noise and interference signals. They are based on the use of a correlation method for filtering signals with known parameters against various interference. According to its main properties, the correlation filter corresponds to the optimal filter considered above. The most justified is the use of correlation filtering when applying broadband signals with a large base. An increase in the energy signal-to-noise ratio at the output of the optimal filter is achieved by temporarily compressing the signal in the filter. Theoretically, the compression ratio corresponds to the base of a broadband signal. The main elements of the device for implementing such a filter are the multiplier of the additive mixture of signal and noise received by the receiver with a copy of the useful signal, as well as an integrator. In such a filter, the operation of calculating the convolution integral of the input mixture with the impulse response of the filter is performed.

Итак, рассмотрение способов фильтрации сигналов на фоне помех позволяет различить два вида фильтрации: линейную и нелинейную.So, consideration of signal filtering methods against the background of interference allows us to distinguish between two types of filtering: linear and nonlinear.

При линейной фильтрации сигналы претерпевают только линейные преобразования: усиление, суммирование, дифференцирование, интегрирование. Процессы в линейной фильтрации описываются линейными дифференциальными уравнениями, имеется линейная связь между изменениями входного и выходного сигналов и справедливость принципа суперпозиции. Эти свойства присущи только линейным цепям, упрощают как реализацию, так и математическое описание линейных фильтров, что привело к выделению их в самостоятельный класс фильтров, получивших широкое применение.With linear filtering, signals undergo only linear transformations: amplification, summation, differentiation, integration. The processes in linear filtering are described by linear differential equations, there is a linear relationship between changes in the input and output signals and the validity of the principle of superposition. These properties are inherent only to linear circuits, simplify both the implementation and the mathematical description of linear filters, which led to their separation into an independent class of filters that have been widely used.

Применение только линейных фильтров для обработки сигналов на фоне помех снижает возможности оптимальной фильтрации, т.к. в иных случаях нелинейная фильтрация может быть более оптимальной, и дать лучший результат.The use of only linear filters for signal processing against the background of interference reduces the possibility of optimal filtering, since in other cases, non-linear filtering may be more optimal and give a better result.

При нелинейной фильтрации осуществляются нелинейные преобразования сигналов (перемножение, возведение в степень и др.). Выходной сигнал нелинейного фильтра, в общем случае, определяется нелинейным дифференциальным уравнением.With non-linear filtering, non-linear signal transformations (multiplication, exponentiation, etc.) are carried out. The output of a nonlinear filter is generally determined by a nonlinear differential equation.

Нелинейная обработка сигналов в ряде случаев позволяет получить более высокие показатели качества обработки, чем линейная, а иногда является единственно возможной формой обработки сигналов. Например, в случае, когда информационными параметрами являются фаза или частота сигнала, в силу нелинейной зависимости реализации сигнала от фильтруемого параметра может использоваться только нелинейная фильтрация. При этом оптимальными оказываются следящие фильтры (устройства фазовой или частотной автоподстройки частоты).Nonlinear signal processing in some cases allows to obtain higher processing quality indicators than linear, and sometimes it is the only possible form of signal processing. For example, in the case where the information parameters are the phase or frequency of the signal, due to the non-linear dependence of the signal implementation on the filtered parameter, only non-linear filtering can be used. In this case, the following are optimal filters (phase or frequency self-tuning devices).

В отличие от линейной фильтрации по способу Котельникова, фильтрация сигналов корреляционным методом является нелинейной, поскольку она основана на выполнении операции свертки (перемножения с усреднением) смеси сигнала с помехами и аналога (копии) сигнала. В корреляционном приемнике делают допущение, что априорная плотность распределения вероятностей (ПРВ) оцениваемого параметра совпадает с функцией правдоподобияUnlike linear filtering by the Kotelnikov method, signal filtering by the correlation method is non-linear, since it is based on the operation of convolution (multiplication with averaging) of a mixture of a signal with noise and an analogue (copy) of a signal. The assumption is made in the correlation receiver that the a priori probability distribution density (PRD) of the estimated parameter coincides with the likelihood function

где х (t) - временная реализация аддитивной смеси сигнала и шума;where x (t) is the temporary implementation of the additive mixture of signal and noise;

у (t) - временная реализация сигнальной функции.y (t) is the temporary implementation of the signal function.

Преимущества нелинейных способов фильтрации по отношению к линейным способам наиболее явно применяются при приеме и обработке случайных и шумоподобных сигналов на фоне негауссовых аддитивных и мультипликативных помех. В настоящее время не существует единой теории нелинейной оптимальной фильтрации сигналов на фоне коррелированных помех. Принципы построения современных нелинейных фильтров очень многообразны и варьируют в зависимости от конкретных решаемых задач.The advantages of non-linear filtering methods with respect to linear methods are most clearly applied when receiving and processing random and noise-like signals against the background of non-Gaussian additive and multiplicative noise. At present, there is no unified theory of nonlinear optimal filtering of signals against the background of correlated interference. The principles of constructing modern non-linear filters are very diverse and vary depending on the specific tasks being solved.

Самым распространенным нелинейным фильтром для случаев воздействия аддитивных и мультипликативных помех является стандартный медианный фильтр.The most common non-linear filter for cases of additive and multiplicative interference is the standard median filter.

Медианный фильтр представляет собой оконный фильтр, последовательно скользящий по массиву сигнала и возвращающий на каждом шаге один из элементов, попавших в окно (апертуру) фильтра. Выходной сигнал у_k скользящего медианного фильтра шириной 2n+1 для текущего отсчета k формируется из входного временного ряда x_k-1, x_k, x_k+1 The median filter is a window filter that sequentially glides over the signal array and returns at each step one of the elements that fell into the filter window (aperture). The output signal at _{k of a} moving median filter of width 2n + 1 for the current reference k is formed from the input time series x _k-1 , x _k , x _{k + 1}

в соответствии с формулой:according to the formula:

где med{x}=х_n+1.where med {x} = x _n +1.

Таким образом, медианная фильтрация осуществляет замену значений отсчетов в центре апертуры медианным значением исходных отсчетов внутри апертуры фильтра.Thus, median filtering replaces the sample values in the center of the aperture with the median value of the original samples inside the filter aperture.

Рассмотрим практически применимые фильтры такого рода.Consider practically applicable filters of this kind.

Известен способ быстрой цифровой медианной фильтрации сигналов, который описан в (Бардин Б.В. Быстрый алгоритм медианной фильтрации. -Научное приборостроение, 2011, том 21, № 3, с. 135-139 [3]). Сущность этого способа фильтрации сигналов заключается в том, что отклик фильтра на входное воздействие («зашумленное» изображение) определяется как медиана - значение сигнала середины (центра) вариационного ряда (2).A known method of fast digital median filtering of signals, which is described in (Bardin B.V. Fast Median Filtering Algorithm. Scientific Instrumentation, 2011, Volume 21, No. 3, pp. 135-139 [3]). The essence of this method of filtering signals is that the response of the filter to the input action (“noisy” image) is defined as the median - the signal value of the middle (center) of the variation series (2).

Недостатком этого способа является то, что в случае нестационарных случайных помех медиана на выходе фильтра будет меняться по неизвестному закону. Поэтому этот способ применяют для обработки статических или медленно меняющихся изображений.The disadvantage of this method is that in the case of unsteady random interference, the median at the filter output will change according to an unknown law. Therefore, this method is used to process static or slowly changing images.

Известен способ обнаружения радиолокационных сигналов с формированием следящего порогового напряжения в условиях воздействия нестационарных помех (Белинский В.Т. и др. Сравнение способов формирования порога в системах, стабилизирующих вероятность ложных тревог. Известия ВУЗов. Радиоэлектроника. № 4, 1977, с. 109/ [4]). Суть этого способа состоит в том, что проводят оптимальную обработку принимаемого колебания, состоящую из согласованной фильтрации и фильтрации огибающей с постоянной времени t_c в сравнении отфильтрованного колебания с порогом, устанавливаемым в зависимости от уровня помех, измеренного в интервале времени, включающем в себя интервал вероятного приема сигнала, путем усреднения напряжения помех за время t_ф>>t_C.A known method of detecting radar signals with the formation of a tracking threshold voltage under the influence of unsteady interference (Belinsky V.T. et al. Comparison of the methods for generating a threshold in systems stabilizing the probability of false alarms. News of Universities. Radio Electronics. No. 4, 1977, p. 109 / [4]). The essence of this method is that the optimal processing of the received oscillation is carried out, consisting of a coordinated filtering and envelope filtering with a time constant t _c in comparison with the filtered oscillation with a threshold set depending on the level of interference measured in a time interval including the interval of probable receiving a signal by averaging the interference voltage over a time t _f >> t _C.

Основной недостаток этого способа состоит в невозможности подавления широкополосных импульсов с длительностью t_П≤t_С. Это происходит от того, что напряжение на выходе фильтра за время действия импульса помехи практически не изменится, т.к. время усреднения фильтром t_Ф>>t_П. и пороговый уровень останутся теми же, что были до приема помехи, в то же время импульс помехи пройдет через фильтр так же, как и импульс сигнала при t_П≈t_С, т.е. основная причина в невозможности подавления широкополосных импульсов помехи состоит в неравенстве времени усреднения в цепи формирования сигнала и порогового уровня отбора сигнала.The main drawback of this method is the inability to suppress broadband pulse with a duration t _n _C ≤t. This is due to the fact that the voltage at the filter output during the operation of the interference pulse practically does not change, because filter averaging time t _Ф >> t _П. and the threshold level will remain the same as before the interference was received, at the same time, the interference pulse will pass through the filter in the same way as the signal pulse at t _P ≈t _С , i.e. the main reason for the impossibility of suppressing broadband interference pulses is the inequality of the averaging time in the signal generation circuit and the threshold signal sampling level.

Наиболее близким по технической сущности и получаемому результату к заявляемому изобретению являются способ и устройство обнаружения сигналов по патенту РФ № 2236022. Способ основан на согласованной фильтрации с усилением сигнала и фильтрации его огибающей, на сравнении отфильтрованного колебания с порогом, который устанавливают в зависимости от уровня помех в интервале времени, заключающем в себя интервал вероятного приема сигнала на одновременном с основной обработкой в принимаемом колебании, разрушении корреляционной структуры рабочего сигнала, последующей обработке колебания аналогично основной обработке, измерении уровня помех и установлению по полученному уровню порога обнаружения.The closest in technical essence and the result to the claimed invention is a method and device for detecting signals according to the patent of the Russian Federation No. 2236022. The method is based on matched filtering with amplification of the signal and filtering its envelope, comparing the filtered oscillation with a threshold that is set depending on the level of interference in the time interval that includes the interval of the probable reception of the signal at the same time as the main processing in the received oscillation, the destruction of the correlation structure of the working signal, the subsequent processing of the oscillation similar to the main processing, measuring the noise level and setting the detection threshold according to the received level.

Устройство для реализации способа-прототипа содержит последовательно соединенные согласованный фильтр 1, вход которого является входом устройства, детектор огибающей 2, вычитающее устройство 3 и пороговое устройство 4, выход которого является выходом устройства, последовательно соединенные фазовращатель 5, дополнительные согласованный фильтр 6 и детектор огибающей 7, а также модулятор 8, причем первый вход фазовращателя 5 соединен с входом устройства, а второй вход - с выходом модулятора 8, выход дополнительного детектора 7 огибающей соединен со вторым входом вычитающего устройства 3. Фигура приведена в описании указанного патента.A device for implementing the prototype method comprises a matched filter 1 connected in series, the input of which is an device input, an envelope detector 2, a subtractor 3 and a threshold device 4, the output of which is a device output, a phase shifter 5 connected in series, an additional matched filter 6 and an envelope detector 7 and also a modulator 8, wherein the first input of the phase shifter 5 is connected to the input of the device, and the second input is connected to the output of the modulator 8, the output of the additional envelope detector 7 is connected to the second input of the subtracting device 3. The figure is described in the description of this patent.

Другими словами, требуемый эффект приема рабочего сигнала и подавления нестационарной помехи в известном способе достигается тем, что пороговое напряжение, с которым сравнивается после фильтрации принимаемое колебание, формируется путем измерения напряжения помехи, полученного после разрушения корреляционной структуры рабочего сигнала в принимаемом колебании и последующей фильтрации, согласованной с рабочим сигналом.In other words, the desired effect of receiving the working signal and suppressing non-stationary interference in the known method is achieved by the fact that the threshold voltage with which the received oscillation is compared after filtering is formed by measuring the interference voltage obtained after breaking the correlation structure of the working signal in the received oscillation and subsequent filtering, consistent with the working signal.

Разрушение структуры производится для того, чтобы получить нулевой отклик фильтра, согласованного с рабочим сигналом, на воздействие рабочего сигнала, что исключит увеличение порогового уровня при отсутствии помехи за счет воздействия рабочего сигнала. При действии же помехи фильтрация не будет согласованной как при выполнении операции разрушения структуры рабочего сигнала, так и без нее. Поэтому в результате основной и дополнительной фильтрации помехи будут получены сигналы, в среднем равные, и в результате уровень колебания на выходе вычитающего устройства 3 будет ниже порога порогового устройства 4.Destruction of the structure is carried out in order to obtain a zero response of the filter, consistent with the working signal, to the effect of the working signal, which will exclude an increase in the threshold level in the absence of interference due to the influence of the working signal. Under the action of interference, the filtering will not be consistent both during the operation of destroying the structure of the working signal and without it. Therefore, as a result of the main and additional filtering of the interference, signals will be obtained, on average, equal, and as a result, the level of oscillation at the output of the subtractor 3 will be below the threshold of the threshold device 4.

Сущность способа-прототипа заключается в том, что для сигналов с внутриимпульсной модуляцией две последовательно выполняемые операции - разрушение корреляционной структуры рабочего сигнала в принимаемом колебании и дополнительная фильтрация, согласованная с рабочим сигналом, заменены одной дополнительной фильтрацией, дающей нулевой результат при воздействии рабочего сигнала, а при воздействии помехи - результат, близкий к результату основной фильтрации, что достигается путем дополнительной фильтрации, согласованной с сигналом, который является ортогональным рабочему из-за другого вида модуляции, т.к. известно, что корреляционный интеграл двух ортогональных функций равен нулю (см., например, Ширман Я.Д. Разрешение и сжатие сигналов. М.: Сов. радио. Стр. 12. [5]).The essence of the prototype method is that for signals with intrapulse modulation, two sequentially performed operations - the destruction of the correlation structure of the working signal in the received oscillation and the additional filtering, consistent with the working signal, are replaced by one additional filtering that gives a zero result when the working signal is exposed, and when exposed to interference, a result close to the result of the main filtering, which is achieved by additional filtering, consistent with the signal, which is orthogonal to the worker due to another type of modulation, because it is known that the correlation integral of two orthogonal functions is equal to zero (see, for example, Shirman Y.D. Resolution and compression of signals. M: Sov. radio. P. 12. [5]).

Недостаток способа-прототипа и устройства для его реализации заключаются в том, что они пригодны только для оптимальной фильтрации сигналов с внутриимпульсной модуляцией на фоне шумов и помех. Кроме того, аппаратурная реализация способа является достаточно сложной.The disadvantage of the prototype method and device for its implementation are that they are suitable only for optimal filtering of signals with intrapulse modulation against the background of noise and interference. In addition, the hardware implementation of the method is quite complex.

Заявляемое изобретение направлено на обоснование еще одного технического решения для нелинейной фильтрации сигналов на фоне мультипликативных и коррелированных помех.The invention is aimed at justifying another technical solution for non-linear filtering of signals against the background of multiplicative and correlated interference.

Целью изобретения является упрощение способа для его реализации в конкретных цифровых приемниках на ПЛИС и расширение области применения на сигналы с любым видом модуляции.The aim of the invention is to simplify the method for its implementation in specific digital receivers on FPGAs and expand the scope of applications for signals with any type of modulation.

Решаемой технической задачей предложенного способа и устройства является повышение помехоустойчивости приема при малых отношениях сигнал/шум.The technical problem of the proposed method and device is to increase the noise immunity of the reception at low signal-to-noise ratios.

Технический результат от использования заявляемых способа и устройства заключается в том, что принципы построения нелинейного фильтра отличаются от известных, выполняемых либо в виде согласованного фильтра, либо корреляционного приемника. Главное отличие состоит в том, что еще до перемножения шумо-сигнальной смеси с сигналом известным точно, выполняется статистическая обработка шумо-сигнальной смеси путем построения плотности распределения вероятностей информативного параметра сигнала.The technical result from the use of the inventive method and device is that the principles of constructing a non-linear filter differ from the known ones, performed either in the form of a matched filter or a correlation receiver. The main difference is that even before the multiplication of the noise-signal mixture with the signal known exactly, statistical processing of the noise-signal mixture is performed by constructing the probability density of the informative parameter of the signal.

Достижение поставленной цели обеспечивается тем, что фильтрация известных сигналов на фоне мультипликативных или коррелированных помех производится следующим образом:Achieving this goal is ensured by the fact that the filtering of known signals against the background of multiplicative or correlated interference is performed as follows:

- измеряют плотность распределения вероятностей (ПРВ) мгновенных значений информативного параметра сигнала известного точно (амплитуд, частоты, фазы, времени задержки и др.) на выходе линейной части приемника (линейного квазиоптимального фильтра);- measure the probability distribution density (PRV) of the instantaneous values of the informative parameter of the signal known exactly (amplitudes, frequency, phase, delay time, etc.) at the output of the linear part of the receiver (linear quasi-optimal filter);

- измеряют ПРВ аддитивной сигнальной смеси полезного сигнала, шума и помехи на выходе линейной части приемника;- measure the PRV of the additive signal mixture of the useful signal, noise and interference at the output of the linear part of the receiver;

- выполняют операцию свертки ПРВ информативного параметра известного сигнала с ПРВ аддитивной смеси сигнала и шума +помеха как математическую операцию перемножения функции с функцией с усреднением результата;- perform the convolution operation of the PRV of the informative parameter of the known signal from the PRV of the additive mixture of signal and noise + interference as a mathematical operation of multiplying a function with a function with averaging the result;

- выполняют операцию сравнения результата (функции) свертки с порогом по одному из известных критериев для принятия решения о наличии известного сигнала во входной смеси.- perform the operation of comparing the result (function) of the convolution with a threshold according to one of the known criteria for deciding on the presence of a known signal in the input mixture.

Возможность различения полезного сигнала в смеси с шумами и помехами обусловлена тем обстоятельством, что ПРВ аддитивной смеси сигнала, шума и помехи отличается от ПРВ смеси шума и помехи при отсутствии известного сигнала на входе приемника. Свертка (ПРВ сигнала, шума и помехи) ⊗ (ПРВ сигнала) еще более значительно отличается от свертки (ПРВ шума и помехи) ⊗ (ПРВ сигнала), подобно тому, как корреляционный интеграл сигнально-шумовой смеси отличается от шумовой смеси при отсутствии известного сигнала при корреляционной фильтрации.The possibility of distinguishing between a useful signal in a mixture with noise and interference is due to the fact that the ADR of an additive mixture of signal, noise and interference is different from the ADR of a mixture of noise and interference in the absence of a known signal at the receiver input. Convolution of (PRV signal, noise and interference) ⊗ (PRV of signal) even more significantly different from convolution (PRV of noise and interference) ⊗ (PRV signal), similar to how the correlation integral of a signal-noise mixture differs from a noise mixture in the absence of a known signal with correlation filtering.

Измерение ПРВ производится, например, как указано в патенте РФ № 2350023 Способ оценки качества маскирующего акустического шума.The measurement of PRV is carried out, for example, as indicated in RF patent No. 2350023 A method for evaluating the quality of masking acoustic noise.

Существенные отличия от известных способов фильтрации заключаются в статистической обработке сигналов, шумов и помех при построении ПРВ путем получения и сглаживания гистограмм, а также в перемножении ПРВ по известным правилам перемножения функций. Предлагаемый способ позволяет увеличить отношение сигнал/шум на выходе оптимального фильтра по сравнению с аналогичным отношением на его входе. Новый способ позволяет обнаруживать сигналы на фоне коррелированных и некоррелированных шумов при отношениях сигнал/шум меньше единицы.Significant differences from the known filtering methods are in the statistical processing of signals, noise and interference during the construction of the PRV by obtaining and smoothing the histograms, as well as in the multiplication of the PRV according to the well-known rules of multiplication of functions. The proposed method allows to increase the signal-to-noise ratio at the output of the optimal filter in comparison with a similar ratio at its input. The new method makes it possible to detect signals against the background of correlated and uncorrelated noises with signal-to-noise ratios less than unity.

Структурная схема устройства, реализующего заявляемый способ согласованной нелинейной корреляционно-вероятностной фильтрации сигналов, приведена на фигуре 1.The structural diagram of a device that implements the inventive method of coordinated nonlinear correlation-probability filtering of signals is shown in figure 1.

Заявляемое устройство содержит антенну 1, последовательно соединенные с ней приемник 2 с цифровым выходом, блок 3 измерения ПРВ, выход которого соединен с первым входом блока 4 выполнения свертки, а второй вход блока 4 выполнения свертки соединен с выходом блока 5 памяти ПРВ сигналов, известных точно, причем выход блока 4 выполнения свертки соединен со входом порогового устройства 6.The inventive device comprises an antenna 1, a receiver 2 connected in series with a digital output, a PRV measurement unit 3, the output of which is connected to the first input of the convolution unit 4, and the second input of the convolution unit 4 is connected to the output of the PRV signal memory unit 5, known exactly moreover, the output of the convolution unit 4 is connected to the input of the threshold device 6.

Антенна 1 предназначена для приема излучений.Antenna 1 is designed to receive radiation.

Приемник 2 с цифровым выходом предназначен для приема и усиления сигналов, принятых антенной, а также для их преобразования в цифровую форму.A receiver 2 with a digital output is designed to receive and amplify signals received by the antenna, as well as to convert them to digital form.

Блок 3 измерения ПРВ предназначен для измерения плотности распределения вероятностей аддитивной смеси сигнала, шума и помехи при наличии в принимаемом излучении сигнала и для измерения ПРВ аддитивной смеси шума и помехи при отсутствии сигнала.Block 3 measurements of the PRV is designed to measure the density of the probability distribution of the additive mixture of signal, noise and interference in the presence of a received radiation signal and for measuring the PRV of an additive mixture of noise and interference in the absence of a signal.

Блок 4 выполнения свертки предназначен для выполнения математической операции свертки ПРВ, поступающей с выхода блока 3 измерения ПРВ и ПРВ, поступающей с выхода блока 5 памяти сигналов, известных точно.Convolution unit 4 is designed to perform the mathematical operation of convolution of the PRV coming from the output of the block 3 of measuring the PRV and the PRV coming from the output of the block 5 of the signal memory, known exactly.

Блок 5 памяти ПРВ сигналов, известных точно, предназначен для хранения в цифровой форме ПРВ сигналов, известных точно.Block 5 memory PRV signals known exactly, is designed to store digitally PRV signals known exactly.

Пороговое устройство 6 предназначено для формирования и установки порога принятия решения о наличии сигнала известного точно, в принимаемом излучении, в соответствии с выбранным критерием оптимальности приема.The threshold device 6 is designed to form and set a decision threshold for the presence of a signal known exactly in the received radiation, in accordance with the selected reception optimality criterion.

Заявляемое устройство работает следующим образом. Принимаемое антенной 1 излучение поступает на вход приемника 2 с цифровым выходом, в котором производится предварительная селекция принятого сигнала в усилителе СВЧ, его основное усиление в тракте усилителя промежуточной частоты и преобразование в цифровую форму. В приемнике 2 с цифровым выходом также делаются выборки достаточного объема из принимаемых реализаций с целью измерения ПРВ принимаемой реализации. ПРВ измеряется в блоке измерения ПРВ в соответствии с патентом РФ № 2350023. Результат измерения ПРВ принятой реализации с выхода блока 3 измерения ПРВ поступает на первый вход блока 4 выполнения свертки. На второй вход блока 4 выполнения свертки поступает цифровая реализация ПРВ сигнала, известного точно. Она поступает в виде цифровой выборки достаточного объема. В блоке 4 выполнения свертки ПРВ принятой реализации и ПРВ сигнала, известного точно, перемножаются и усредняются. Если входная реализация содержит собственные шумы приемника, коррелированные или аддитивные помехи и сигнал известный точно, то на выходе блока 4 выполнения свертки будет наблюдаться пик взаимной корреляционной функции между ПРВ входной реализации и ПРВ сигнала, известного точно. При отсутствии известного точно сигнала среди шумов и помех пики взаимной корреляционной функции будут значительно меньшими. Сигнал с выхода блока 4 выполнения свертки поступает на пороговое устройство, где в соответствии с выбранным критерием (например, Неймана-Пирсона) принимается решение о приеме сигнала, известного точно, на фоне шумов и помех.The inventive device operates as follows. The radiation received by the antenna 1 is fed to the input of the receiver 2 with a digital output, in which the received signal is preselected in the microwave amplifier, its main amplification in the path of the intermediate frequency amplifier, and conversion to digital form. In receiver 2 with a digital output, samples of a sufficient volume from the received implementations are also made to measure the PRV of the received implementation. The PDD is measured in the PDP measurement unit in accordance with RF patent No. 2350023. The result of the PDP measurement of the adopted implementation from the output of the PDP measurement unit 3 is supplied to the first input of the convolution unit 4. At the second input of convolution execution unit 4, a digital implementation of the PRV signal, known exactly, is received. It comes in the form of a digital sample of sufficient volume. In block 4, the convolution of the PRV of the received implementation and the PRV of the signal, known exactly, are multiplied and averaged. If the input implementation contains the receiver's own noise, correlated or additive interference, and the signal is known exactly, then at the output of the convolution block 4, a peak of the mutual correlation function between the PRV of the input implementation and the PRV of the signal known exactly will be observed. In the absence of a precisely known signal among noise and interference, the peaks of the mutual correlation function will be significantly smaller. The signal from the output of the convolution execution unit 4 is supplied to a threshold device, where, in accordance with the selected criterion (for example, Neumann-Pearson), a decision is made to receive a signal that is known precisely against the background of noise and interference.

Приемник с цифровым выходом выполняется на основе стандартных микросборок и программируемых ПЛИС. Блоки 3, 4, 5, 6 также выполняются по современным цифровым технологиям на базе программируемых ПЛИС.The receiver with digital output is based on standard microassemblies and programmable FPGAs. Blocks 3, 4, 5, 6 are also performed using modern digital technologies based on programmable FPGAs.

Проверка сущности изобретения была выполнена методом моделирования в ООО «Инновационный центр Самоцвет».Verification of the invention was carried out by a simulation method in LLC Innovation Center Samotsvet.

Claims

1. A method of coordinated nonlinear correlation-probability filtering of signals, including amplifying the signal and filtering its envelope, comparing the filtered oscillation with a threshold, which is set depending on the level of interference in the time interval, which includes the interval of probable signal reception at the same time as the main processing in the received oscillation, destruction of the correlation structure of the working signal, subsequent processing of the oscillation similarly to the main processing, measuring the noise level and establishing the obtained detection threshold level, characterized in that they measure the probability distribution density (PRD) of the instantaneous values of the informative parameter of the signal, known exactly at the output of the linear part of the receiver measure the PSS of the signal additive mixture of the useful signal, noise and interference at the output of the linear part of the receiver, perform the operation of convolution of the PSS of the informative parameter of the signal, known exactly with the PSS of the additive mixture of signal, noise and interference as the mathematical operation of multiplying a function with a function with averaging the result, perform the operation of comparing the convolution result with a threshold in accordance with the optimal reception criterion for deciding on the presence of a known signal in the input mixture.

2. A device for implementing a method of coordinated nonlinear correlation-probability filtering of signals, comprising a receiving antenna, a receiver connected in series with a digital output that is an output of a linear quasi-optimal filter, a probability distribution density measuring unit (PRD) for measuring the PRV of a signal additive signal mixture known exactly, noise and interference when there is a signal in the received radiation that is known exactly, and for measuring the PRD of an additive mixture of noise and interference in the absence of a signal known exactly, while the output of the PRV measurement unit is connected to the first input of the convolution unit intended for convolution The PRV of the informative parameter of the signal known exactly, with the PRV of the additive mixture of the signal, known exactly, noise and interference, while the second input of the convolution block is connected to the output of the memory block of the PRV signals, known exactly, the output of the convolution block is connected to the input of the threshold device, significant for the formation and installation of the decision threshold for the presence of a signal that is known exactly, in accordance with the criterion of optimal reception.