Способ обнаружения периодической импульсной последовательности и оценки её периода

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПЕРИОДИЧЕСКОЙ ИМПУЛЬСНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ И ОЦЕНКИ Е ПЕРИОДА(71) Заявитель Учреждение образования Полоцкий государственный университет(72) Авторы Железняк Владимир Кириллович Барков Александр Валерьевич(73) Патентообладатель Учреждение образования Полоцкий государственный университет(57) Способ обнаружения периодической импульсной последовательности и оценки ее периода, при котором измеряют и оценивают параметры зашумленного сигнала, отличающийся тем, что генерируют исходный сигнал в виде прямоугольных импульсов с заданными параметрами амплитуды, частотыследования импульсов и скважности, смешивают исходный сигнал с генерируемым шумом путем сложения и получают зашумленный сигнал, производят его дискретное преобразование Фурье и формируют спектр амплитуд, в котором определяют гармонику с наибольшей амплитудой без учета нулевой гармоники, сравнивают частоту гармоники с наибольшей амплитудой с частотойисходного сигнала для установления их соответствия, удаляют из спектра амплитуд зашумленного сигнала нулевую гармонику и гармоники, некратные частотеисходного сигнала,производят обратное дискретное преобразование Фурье и сравнивают полученный сигнал с исходным сигналом, из спектра амплитуд которого предварительно удаляют нулевую гармонику, по выбранному критерию оптимальности решений в задачах обнаружения сигналов судят о соответствии полученного сигнала исходному сигналу и принимают решение об обнаружении периодической импульсной последовательности, а оценку ее периода осуществляют по частоте гармоники с наибольшей амплитудой. 17138 1 2013.06.30 Изобретение относится к области измерительной и вычислительной техники и может быть использовано в устройствах совместного обнаружения и оценки параметров случайных потоков импульсов с дискретным временем обнаружения сигналов в канале утечки информации. Известен способ обработки случайных потоков импульсов, выполняемой в интересах получения информации о наличии полезных сигналов, оценки их параметров и выделения потоков импульсных сигналов, принадлежащих отдельным источникам радиоизлучения. 1 Способ основан на методах совпадения импульсных сигналов и реализуется с применением накопителей на линиях задержки с положительной обратной связью. Недостатками этого способа являются ограниченные функциональные возможности из-за невыполнения функции фильтрации импульсных потоков. Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является способ обнаружения периодических импульсных последовательностей и оценки их периода 2, основанный на измерении временных интервалов (ВИ) между моментами прихода смежных импульсов входного потока, накоплении первичной выборки (массива) иззначений ВИ новым является то, что по значениям первичной выборки ВИ вычисляют первую, вторую, , (7) вторичные выборки значений ВИ между моментами прихода первого, второго, , (7) (опорного) импульсов соответственно до моментов прихода всех других импульсов исходной реализации потока, в рамках отдельных вторичных выборок ВИ вычисляют статистические оценки наибольших общих делителей (НОД) возможных сочетаний из двух и более ВИ, формируют частные ряды распределения оценок НОД отдельных вторичных выборок ВИ, объединяют частные ряды распределения оценок НОД, в которых выявлено группирование их значений, принимают решение об обнаружении периодических импульсных последовательностей по фактам группирования оценок НОД в объединенном ряду распределения их значений, а за оценки периодов обнаруженных импульсных последовательностей принимают средние значения выявленных групп оценок НОД. Недостатками известного способа является отсутствие обработки сигнала для обнаружения в шумах высокого уровня, учет только влияния мешающих факторов импульсных последовательностей, без учета помех в виде белого шума, не учитывается возможность сложения амплитуд сигнала и шума. Задачей предлагаемого изобретения является обнаружение периодической импульсной последовательности в шумах высокого уровня при воздействии факторов помех, таких как белый шум, хаотическая импульсная последовательность, телеграфный сигнал,выделение импульсного сигнала их аддитивной смеси с шумом, в которой может меняться амплитуда сигнала за счет наложения шума. Поставленная задача решается за счет того, что в способе обнаружения периодической импульсной последовательности и оценки ее периода, при котором измеряют и оценивают параметры зашумленного сигнала, в отличие от прототипа генерируют исходный сигнал в виде прямоугольных импульсов с заданными параметрами амплитуды, частотыследования и скважности, смешивают исходный сигнал с генерируемым шумом путем сложения и получают зашумленный сигнал, который моделирует канал утечки, производят его дискретное преобразование Фурье и формируют спектр амплитуд, в котором определяют гармонику с наибольшей амплитудой без учета значения нулевой гармоники, сравнивают частоту гармоники с наибольшей амплитудой с частотойисходного сигнала для установления их соответствия, удаляют из спектра амплитуд зашумленного сигнала нулевую гармонику и гармоники, некратные частотеисходного сигнала, производят обратное дискретное преобразование Фурье и сравнивают полученный сигнал с исходным сигналом, из спектра амплитуд которого предварительно удаляют нулевую гармонику, по выбранному критерию оптимальности решений в задачах обнаружения сигналов 3, с. 33 судят о соответствии полученного сигнала исходному сигналу и принимают решение об обнаружении периодической импульсной последовательности, а оценку ее периода осуществляют по частоте гармоники с наибольшей амплитудой. 2 17138 1 2013.06.30 Генерируют исходный сигнал в виде прямоугольных импульсов с заданными параметрами амплитуды, частотыи скважности, смешивают исходный сигнал с генерируемым шумом путем сложения и получают зашумленный сигнал. Шум может быть различной структуры белый, телеграфный сигнал, хаотическая импульсная последовательность. Сложение сигнала и шума позволяет получить аддитивную смесь, которая моделирует канал утечки информации. Преобразование Фурье представляет сигнал в частотной области, что позволяет оценить частотуследования импульсов и получить спектр смеси сигнал и шум, в которой обнуляем гармоники, соответствующие шумовому сигналу. После обнуления гармоник шума, которые некратны частотеследования импульса, производят обратное преобразование Фурье. В результате получают сигнал с лучшим отношением сигнал-шум, что позволяет выделить исходную периодическую импульсную последовательность с большей достоверностью. Сравнение и оценку обнаружения производят при помощи оптимального приема и порогового детектирования, выбор порога осуществляется по известным критериям оптимальности решений в задачах обнаружения сигналов 3, с. 33. На фиг. 1 приведена структурная схема устройства возможного варианта технической реализации способа, на фиг. 2 - сгенерированные прямоугольные импульсы (исходный сигнал), на фиг. 3 - шумовой сигнал в виде хаотической импульсной последовательности,на фиг. 4 - зашумленный сигнал, на фиг. 5 - спектр амплитуд зашумленного сигнала, на фиг. 6 - спектр амплитуд с обнуленными составляющими, на фиг. 7 - спектр амплитуд исходного сигнала, на фиг. 8 - сигнал после обратного дискретного преобразования Фурье,на фиг. 9 - спектр амплитуд исходного сигнала после удаления нулевой составляющей, на фиг. 10 - исходный сигнал после обратного дискретного преобразования Фурье. Устройство возможного варианта технической реализации способа (фиг. 1) включает генератор 1 прямоугольных импульсов синхронизации единичной амплитуды и генератор 2 шума. К одному выходу генератора 1 последовательно подключен сумматор 3, к выходу генератора 2 подключен полосой фильтр 4, к выходу сумматора подключен блок первого дискретного преобразование Фурье (ДПФ) 5, блок получения спектра амплитуд 6, блок определения максимальной амплитуды в спектре 7, блок фильтрации спектра удалением гармоник, некратных частоте сигнала и нулевой составляющей 8, первое обратное преобразование Фурье (ОДПФ) блок 9, выходной сигнал блок 10, к выходу блока 10 подключен блок 11, который осуществляет оптимальный прием сигнала. К другому выходу генератора 1 последовательно подключены второе дискретное преобразование Фурье (ДПФ) 12,фильтрация спектра удалением нулевой составляющей 13, второе обратное преобразование Фурье (ОДПФ) 14. Выходы блоков 10 и 14 соединены с устройством 11 сравнения входного сигнала и выходного после фильтрации. Предлагаемый способ осуществляют следующим образом. Блоком 1 генерируют прямоугольные импульсы (фиг. 2) с известными параметрами- амплитуда- частота следования импульсов 1/ - период следования импульсов и - частота импульса и 1/и - период импульса/и - скважность. Частота следование импульсов составляет 1 кГц, длительность импульса составляет 10 его периода, то есть 0,0001 с, амплитуда импульсов 1, скважность равна 10, в качестве шумового сигнала приведем хаотическую импульсную последовательность. Блоком 2 генерирует шум (фиг. 3). В примере шумовой сигнал представляет собой хаотическую импульсную последовательность. Шумы могут быть различного характера белый шум, телеграфный сигнал, хаотическая импульсная последовательность. Прямоугольные импульсы исходного сигнала смешивают с шумом в сумматоре 3, при 3 17138 1 2013.06.30 этом шумовой сигнал в сумматор 3 подают через полосовой фильтр 4, который ограничивает его полосу, таким образом можно ограничить мощность шума. Блок 3 смешивает исходный сигнал и шум путем их сложения, в результате получают зашумленный сигнал(фиг. 4), который представляет собой аддитивную смесь сигнала и шума. Зашумленный сигнал моделирует канал утечки информации. Блок 5 производит преобразование Фурье зашумленного сигнала, получают представление сигнала в частотной области. Блок 6 выделяет спектр амплитуд зашумленного сигнала (фиг. 5). По спектру амплитуд определяют гармонику с наибольшей амплитудой. Фиг. 5 показывает, что будет выделена гармоника с амплитудой 0,27 и частотой 1000 Гц. За оценку периодов обнаруженных импульсных последовательностей принимают частоту гармоники спектра амплитуд с наибольшей амплитудой,выделение этой гармоники происходит в блоке 7. Этот параметр носит информативный характер, при правильном обнаружении данная частота будет соответствовать исходной . Блок 8 производит фильтрацию спектра, обнуляя составляющие, некратные основной частоте следования импульсов(значение этой частоты принимают из априорных данных сигнала). Кратность частот определяют по формуле, где 0, 1, 2, ,- номер гармоники,частота следования импульсов, в примере равно 1000 Гц. Спектр амплитуд после фильтрации представлен на фиг. 6. На фиг. 7 представлен спектр амплитуд исходного сигнала . Видно,что после фильтрации сигналы незначительно отличаются амплитудами и смещением на постоянную составляющую. Блок 9 выполняет ОДПФ (обратное дискретное преобразование Фурье). Если сравнить исходный сигнал (фиг. 2) и сигнал после обратного дискретного преобразования Фурье (фиг. 8), видно, что сигнал восстановлен с некоторыми искажениями по форме, однако значительно отличается от зашумленного сигнала (фиг. 4). Блок 10 представляет зашумленный сигнал во временной форме (фиг. 8). Блок 12 производит преобразование Фурье исходной последовательности импульсов. Блок 13 удаляет из спектра исходного сигнала постоянную составляющую. Фиг. 9 представляет спектр амплитуд исходного сигнала после удаления нулевой составляющей, что улучшает отношение сигнал-шум и позволяет приблизить форму зашумленного сигнала к исходной сгенерированной импульсной последовательности. Блок 11 служит для сравнения сигналов и принятия решения о выделении сигнала из шума о соответствии полученного сигнала исходному сигналу, может быть выполнен в виде взаимно-корреляционного устройства и порогового устройства, выбор порога осуществляется по известным критериям оптимальности решений в задачах обнаружения сигналов 3, с. 33. В блок сравнения подаются сигналы фиг. 8, фиг. 10 принимает решение о соответствии сигнала исходному сигналу. Соответствие полученного сигнала исходному сигналу определяют с помощью оптимального приема и порогового устройства, выбор порога осуществляется по известным критериям оптимальности решений в задачах обнаружения сигналов 3, с. 33. За оценку частоты следования периодической импульсной последовательности принимают значение, которое получено в блоке 7, равное 1000 Гц, что соответствует исходному сгенерированному значению. Заявленный способ обладает следующими преимуществами - выделение периодической импульсной последовательности в шумах высокого уровня при воздействии факторов помех, таких как белый шум, хаотическая импульсная последовательность,телеграфный сигнал, выделение импульсного сигнала их аддитивной смеси с шумом, в которой может меняться амплитуда сигнала за счет наложения шума. Источники информации 1. Лезин Ю.С. Оптимальные фильтры и накопители импульсных сигналов. - М. Сов. радио, 1969. - С. 64, 82, 184. 2. Патент Российской Федерации 2251704, МПК 01 23/02, 2005 (прототип). 3. Охонский А.Г., Елисеев А.А., Каплунова Н.В., Кулин А.Н., Минько Э.В. Помехоустойчивость информационных радиосистем управления Учеб. пособие. - М. МГАП Мир книги, 1993. - 216 с. 4 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6