ДонНТУ   Портал магистров

Атаров Николай Александрович

Факультет радиотехники и специальной подготовки

Кафедра радиотехники и защиты информации

Специальность «Радиоэлектронные устройства, системы и комплексы»

Исследование методов оценки отношения сигнал/шум в принимаемом радиосигнале

Научный руководитель: к. т. н., доцент Паслён Владимир Владимирович

Консультант: к. т. н., с. н. с. Алаев Александр Николаевич

Резюме Биография Реферат Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Актуальность темы
• 2. Цель и задачи исследования, научная новизна
• 3. Обзор исследований и разработок
• 4. Метод оценки отношения сигнал/шум
• 5. Устройство для реализации метода
• Выводы
• Список источников

Введение

Сигнал – это информационная функция, несущая сообщение о физических свойствах, состоянии или поведении какой-либо физической системы, объекта или среды. Целью обработки сигналов можно считать извлечение определенных информационных сведений, которые отображены в этих сигналах и преобразование этих сведений в форму, удобную для восприятия и дальнейшего использования [1]. Наиболее распространенным типом сигнала является электрический сигнал, т. е. сигнал, в котором носителем полезной информации является ток или напряжение, которые изменяются во времени.

При детектировании сигналов, несущих целевую для данного вида измерений информацию, в сумме с основным сигналом одновременно регистрируются и мешающие сигналы – шумы и помехи самой различной природы. К помехам относят также искажения полезных сигналов при влиянии различных дестабилизирующих факторов на процессы измерений, как, например, грозовых разрядов на электроразведочные методы измерений и т. п. [2]. Выделение полезных составляющих из общей суммы зарегистрированных сигналов или максимальное подавление шумов и помех в информационном сигнале при сохранении его полезных составляющих является одной из основных задач радиотехники.

Шум всегда присутствует в электронных схемах. Его слышно в радиоприемнике между станциями и при приеме слабого сигнала. Физически шум представляет собой случайные флуктуации напряжения, которые можно слышать как шипение в громкоговорителе. Именно по электрическому шуму устанавливается самый нижний диапазон измерений в электронных приборах; шум ограничивает реальную чувствительность радиоприемника. Будучи явлением случайным, шум не сосредоточен на одной частоте, но существует во всех частях спектра. И в самом деле: мощность шума, порождаемого схемой, обычно пропорциональна ее ширине полосы.

Часто мерой «различимости» полезного сигнала на фоне шума в той или иной системе служит отношение сигнал/шум [3].

Отношение сигнал/шум (ОСШ) – безразмерная величина, показывающая отношение мощности полезного сигнала к мощности шума. Обычно отношение сигнал/шум выражается в децибелах (дБ). Чем больше это отношение, тем меньше шум влияет на характеристики системы, тем качественнее и «чище» звук, видео или сигнал на выходе.

Основные причины высокого уровня шума в сигнальных системах:

1. Рассогласованные линии передачи сигнала (неидеальность электронных компонентов);
2. Тепловой шум в электронных компонентах системы;
3. Недостаточная разрядность аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (в системах с цифровой обработкой сигнала, т. е. практически во всех современных);
4. Резонансные явления;
5. Паразитные связи;
6. Самовозбуждение системы;
7. Нелинейность передаточных характеристик.

1. Актуальность темы

В радиотехнических системах различного назначения (радиолокационные, радионавигационные, системы связи, информационно–измерительные системы) актуальной является задача оценки отношения сигнал/шум в принятом радиосигнале. Существующие методы оценки требуют предварительного знания полосы частот, занимаемой принимаемым сигналом или введения в передаваемый сигнал специальных дополнительных сигналов. В данной магистерской работе рассмотрен метод оценки отношения сигнал/шум для сигналов с непрерывной несущей, свободный от указанных недостатков.

2. Цель и задачи исследования, научная новизна

Целью магистерской работы является исследование методов оценки отношения сигнал/шум в принимаемых радиосигналах.

Основные задачи исследования:

1. Анализ существующих методов оценки отношения сигнал/шум;
2. Разработка метода оценки отношения сигнал/шум, инвариантного к ширине спектра сигнала;
3. Разработка и моделирование устройства, с помощью которого возможно реализовать разрабатываемый метод;
4. Анализ полученных результатов.

В магистерской работе будет предложен принципиально новый метод оценки отношения сигнал/шум.

3. Обзор исследований и разработок

Задача измерения отношения сигнал/шум не является новой. Интенсивно развивалась в 80–90 гг. прошлого века. В [4] предложен способ измерения отношения сигнал/шум, включающий узкополосную фильтрацию смеси сигнала и шума и ее последующую обработку. При этом обработку смеси сигнала и шума осуществляют путем переключения фазы высокочастотной составляющей смеси сигнала и шума на при каждом достижении огибающей смеси сигнала и шума нуля. Далее производят выделение внеполосных составляющих в спектре обработанного сигнала и по отношению мощности внеполосных составляющих к общей мощности сигнала определяют отношение сигнал/шум. Недостатком способа является необходимость предварительной оценки ширины спектра сигнала (полосы частот, занимаемой сигналом), что существенно увеличивает время оценки отношения сигнал/шум, тем самым снижает быстродействие.

В [5] предложен способ измерения отношения сигнал/шум, при котором смесь сигнала и шума преобразуют с помощью нелинейного элемента с квадратичной характеристикой, производят измерение значений спектральной плотности мощности процесса на выходе нелинейного элемента в двух частотных диапазонах, границей разделения которых является половинное значение ширины спектра шума (сигнала), вычисляют функцию от этих величин, по которой судят об искомой величине.

Недостатками способа измерения отношения сигнал/шум является низкое быстродействие из-за наличия двух параллельно включенных полосовых фильтров для которых требуется предварительное определение полосы пропускания, на что затрачивается дополнительное время.

В [6] предложен другой способ измерения отношения сигнал/шум путем частотной селекции принимаемой смеси сигнала и шума, нормирования ее по уровню, формирования из нее двух сумм сигнала с шумом, с зависимыми сигнальными составляющими, перемножения полученных сумм и усреднения результата перемножения, две суммы сигнала с шумом формируют в виде некоррелированных квадратурных составляющих смеси сигнала с шумом, поворачивают их по фазе по отношению друг к другу на 90°.

4. Метод оценки отношения сигнал/шум

Прием полезных сигналов с непрерывной несущей сопровождается шумами. При этом если рассмотреть мгновенную частоту такой суммы полезного сигнала и шума, то можно отметить, что имеются две составляющие: небольшие флуктуации и короткие выбросы большой амплитуды [7].

Для облегчения понимания данного процесса предположим, что несущая сигнала немодулирована. Её можно представить как вращающийся вектор с фазой Θ(t) и длиной U_m(t), равной амплитуде. Частота сигнала есть просто угловая скорость вращения этого вектора.

Вектор шума складывается с сигнальным вектором, как показано на рис. 1, а. Поскольку сигнальный вектор вращается с постоянной скоростью, для удобства представления можно просто отображать лишь относительное вращение результирующего вектора относительно сигнального вектора (рис. 1, б).

Когда вектор шума мал, как показано на рис. 2, а, он вызывает незначительные флуктуации мгновенной частоты, как показано на рис. 2, б.

Если вектор шума велик, то результирующий вектор принимаемой смеси сигнала и шума описывает своим концом траекторию вокруг начала координат (рис. 3, а). Это вызывает фазовую ошибку величиной 2π (перескок на один период или цикл). Если такое движение совершается быстро, то его можно приближенно считать скачком фазы, который ведет к появлению кратковременного импульса мгновенной частоты большой амплитуды, как показано на рис. 3, б.

Это явление называется аномальной ошибкой [7]. При этом мгновенная частота такой суммы представляется импульсной последовательностью, обусловленной тем, что конец результирующего вектора описывает траектории вокруг начала координат, и флуктуационного шума, который можно исследовать методами линейного анализа. Компонента перескоков фазы обладает равномерным спектром с плотностью (2π)²f_s, где f_s – математическое ожидание числа перескоков в секунду (средняя интенсивность перескоков), определяется по формуле:

В этом выражении: p – отношение сигнал/шум на выходе фильтра ПЧ, erfc() – дополнительная функция ошибки, которая определяется выражением:

R – радиус гирации фильтра ПЧ:

В выражении (3) f₀ – несущая частота, H – передаточная характеристика фильтра [7].

Принимая передаточную характеристику фильтра ПЧ равномерной в пределах [ f₀ – Δf/2; f₀ + Δf/2], из (3) получим следующий результат для радиуса гирации:

Подставив это в выражение (1), получим:

Из последнего выражения видно, что число аномальных ошибок зависит от полосы частот занимаемой сигналом, поэтому представляет интерес разработка метода оценки относительной частоты появления аномальных ошибок, инвариантного к полосе частот.

Определим среднее число максимумов N_1max случайной частоты суммы сигнала и шума (рис. 2. б), считая спектральную плотность шума равномерной в полосе частот Δf с равномерным распределением фазы в пределах от –π до π. Нетрудно заметить, что спектральная плотность флуктуаций фазы суммы гармонического сигнала и шума будет также прямоугольна, но ее полоса будет составлять Δf/2.

В [8] определено соотношение для среднего числа максимумов для флуктуаций фазы квазигармонического процесса как:

где r₀ – корреляционная функция процесса r(τ) при τ = 0; r₀″ и r₀⁽⁴⁾ – производные r(τ) при τ = 0 второго и четвертого порядка соответственно.

Учитывая причинно-следственную связь, очевидно, что среднее число экстремумов для флуктуаций фазы и частоты будет совпадать, поскольку частота является производной фазы.

Приняв, что функция изменения частоты (рис. 2, б) имеет равномерный спектр в полосе частот от 0 до 2π, ее корреляционную функцию можно представить в виде:

Вычислив производные и подставив в (5) получим:

Разделив (4) на полученное соотношение, получим выражение, инвариантное по отношению к полосе частот, занимаемой анализируемым сигналом:

Таким образом, отношение сигнал/шум будет определятся по формуле:

где erfc^–1() – обратная дополнительная функция ошибки.

График этой зависимости представлен на рис. 4.

5. Устройство для реализации метода

Пример реализации этого способа иллюстрируется на рис. 5, где блок 1 – узкополосный фильтр, блок 2 – частотный детектор, блок 3 – указатель экстремумов, 4 – счетчик экстремумов, блок 5 – дифференцирующая цепь, блок 6 – амплитудный селектор, блок 7 – счетчик аномальных выбросов, блок 8 – решающее устройство.

После предварительной фильтрации и частотного детектирования суммы сигнала и шума, осуществляемых в блоках 1 и 2 соответственно, производят выделение экстремальных значений и коротких выбросов большой амплитуды (аномальных выбросов) с помощью блоков 3, 5 и 6 соответственно. Далее с помощью блоков 4 и 7 подсчитывается число экстремумов и аномальных выбросов. Решающее устройство (блок 8) считывает содержимое счетчика аномальных выбросов при заданном значении счетчика экстремумов и производит преобразование этого числа в соответствии с формулой (6).

Указатель экстремумов реализуется схемой, представленной на рис. 6, где DA1 – операционный усилитель (ОУ), DA2 – компаратор. Его работа поясняется временными диаграммами, приведенными на рис. 7, где 9 – входной сигнал; 10 – сигнал на выходе ОУ; 11 – сигнал на выходе компаратора.

При увеличении входного сигнала, сигнал на выходе ОУ также увеличивается, причем его уровень больше уровня входного сигнала на величину порогового значения напряжения на диоде VD1. С уменьшением уровня входного сигнала, сигнал на выходе ОУ также уменьшается, причем его уровень меньше уровня входного сигнала на величину порогового значения напряжения на диоде VD2.

Таким образом, между входным сигналом и сигналом на выходе ОУ всегда существует разность, равная пороговому напряжению открытия диодов VD1 и VD2, причем, если входной сигнал увеличивается, эта разность имеет положительный знак, если уменьшается – отрицательный знак. Изменение знака разности напряжений происходит в момент изменения знака производной сигнала (когда производная обращается в нуль).

Это разность выделяется с помощью компаратора.

Выводы

Таким образом, предложенный метод оценки отношения сигнал/шум, основанный на нахождении отношения частоты появления аномальных ошибок (кратковременных импульсов мгновенной частоты большой амплитуды) к общему числу экстремумов (выбросов) частоты сигнала, является инвариантным к полосе частот, занимаемой принимаемым сигналом. Он не требует предварительной оценки полосы частот, занимаемой принимаемым сигналом, что в конечном итоге приводит к уменьшению времени, необходимого для оценки отношения сигнал/шум.

Магистерская работа посвящена разработке метода оценки отношения сигнал/шум, который значительно повышает быстродействие системы. В рамках проведенных исследований выполнено:

1. На основании анализа литературных источников приведены основные методы оценки отношения сигнал/шум в принимаемом радиосигнале;
2. Предложен принципиально новый метод оценки отношения сигнал/шум, проанализированы полученные результаты;
3. Рассмотрен один из возможных способов реализации устройства для измерения отношения сигнал/шум и принцип его работы.

Дальнейшие исследования направлены на следующие аспекты:

1. Совершенствование предложенного метода оценки отношения сигнал/шум;
2. Моделирование устройства для измерения отношения сигнал/шум в среде LabVIEW;
3. Анализ результатов моделирования.

При написании данного реферата магистерская работа еще не завершена. Окончательное завершение: декабрь 2014 года. Полный текст работы и материалы по теме могут быть получены у автора или его руководителя после указанной даты.

Список источников

1. Баскаков, С. И. Радиотехнические цепи и сигналы / С. И. Баскаков. – [3-е изд.]. – М.: Высшая школа, 2000. – 462 с.: ил.
2. Харкевич, А. А. Борьба с помехами / А. А. Харкевич. – [2-е изд.]. – М.: Наука, 1965. – 275 с.: ил.
3. Джонс, М. Х. Электроника – практический курс / М. Х. Джонс; пер. с англ. Е. В. Воронова, А. Л. Ларина. – М.: Постмаркет, 1999. – 528 с.: ил.
4. Пат. 2354981 Российская Федерация, МПК G 01 R 29/26. Способ измерения малых отношений сигнал/шум и устройство для его осуществления / Ильин А. Г., Насретдинов М. А.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Казанский государственный технический университет им. А. Н. Туполева. – № 2007131947/28 ; заявл. 21.08.2007 ; опубл. 10.05.2009, Бюл. № 13. – 9 с.: ил.
5. А. с. 1529148 СССР, МПК G 01 R 29/26. Способ измерения отношения сигнал/шум и устройство для его осуществления / Ваккер Р. А., Дорогов О. Н. (СССР). – № 4388103/24–21 ; заявл. 04.03.1988 ; опубл. 15.12.1989, Бюл. № 46. – 7 с.: ил.
6. А. с. 1441334 СССР, МПК G 01 R 29/26. Способ измерения отношения сигнал/шум / Кириллов А. А. (СССР). – № 4170602/24–21 ; заявл. 30.12.1986 ; опубл. 30.11.1988, Бюл. № 44. – 4 с.: ил.
7. Ван Трис, Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции. В 3 т. Теория нелинейной модуляции. Т. 2 / Г. Ван Трис; пер. с англ. В. Т. Горяинов. – М.: Советское радио, 1975. – 344 с.: ил.
8. Тихонов, В. И. Выбросы траекторий случайных процессов / В. И. Тихонов, В. И. Хименко. – М.: Наука, 1987. – 304 с.: ил.
9. Пат. 86834 Украина, МПК G 01 R 29/26. Спосіб вимірювання відношення сигнал/шум / Алаєв О. М., Атаров М. О.; заявник и патентовласник Державний вищий навчальний заклад Донецький національний технічний університет. – № u201309268, заявл. 23.07.2013; опубл. 10.01.2014, Бюл. № 1
10. Алаев, А. Н. Метод оценки качества сигнала с непрерывной несущей / А. Н. Алаев, Н. А. Атаров // Современный научный вестник. – 2013. – № 50 (189). – С. 94–98
11. Алаев, А. Н. Метод измерения отношения сигнал/шум / А. Н. Алаев, Н. А. Атаров // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2014: материалы 10-й Международной молодежной научно–технической конференции. – 2014. – С. 55–56
12. Патюков, В. Г. Оценка отношения сигнал/шум на основе фазовых флуктуаций сигнала / В. Г. Патюков, Е. В. Патюков, А. А. Силантьев // Журнал радиоэлектроники [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://jre.cplire.ru