PL B1. POLITECHNIKA GDAŃSKA, Gdańsk, PL BUP 02/12

Transkrypt

1 PL B1 RZECZPOSPOLITA POLSKA (12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: (51) Int.Cl. H04B 1/00 ( ) H04B 1/10 ( ) Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (22) Data zgłoszenia: (54) Sposób i układ do wykrywania sygnałów radiowych z widmem rozproszonym zlokalizowanych poniżej poziomu szumów w obecności zakłóceń wąskopasmowych (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 02/12 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 04/15 (73) Uprawniony z patentu: POLITECHNIKA GDAŃSKA, Gdańsk, PL (72) Twórca(y) wynalazku: RYSZARD KATULSKI, Gdańsk, PL JACEK STEFAŃSKI, Gdańsk, PL RYSZARD STUDAŃSKI, Rumia, PL KRZYSZTOF BRONK, Gdańsk, PL RADOSŁAW WĄS, Gdynia, PL

2 2 PL B1 Opis wynalazku Znana jest technika rozpraszania widma umożliwiająca przesyłanie sygnałów przy małych wartościach stosunku mocy sygnału do mocy szumu. Wykrycie transmisji sygnału przy użyciu analizatora widma jest skuteczne w przypadku sygnałów wąskopasmowych. Natomiast w przypadku sygnałów o rozproszonym widmie sposób ten nie znajduje zastosowania, gdyż widmo to jest niewidoczne na tle szumu odbieranego ze środowiska propagacyjnego oraz szumu własnego urządzenia. Znany jest sposób wykrywania sygnałów radiowych z widmem rozproszonym zlokalizowanych poniżej poziomu szumów w obecności zakłóceń wąskopasmowych polegający na poszukiwaniu prążków w widmie uśrednionym amplitudowym poprzez obróbkę cyfrową próbek sygnału. Znany jest układ do wykrywania sygnałów radiowych z widmem rozproszonym zlokalizowanych poniżej poziomu szumów w obecności zakłóceń wąskopasmowych składający się z anteny która połączona jest poprzez blok analogowy, przetwornik analogowo/cyfrowy, blok cyfrowy z blokiem wizualizacji. Sposób wykrywania sygnałów radiowych z widmem rozproszonym zlokalizowanych poniżej poziomu szumów w obecności zakłóceń wąskopasmowych polegający na poszukiwaniu prążków w widmie uśrednionym amplitudowym poprzez obróbkę cyfrową próbek sygnału charakteryzuje się według wynalazku tym, że w pierwszej kolejności w środowisku propagacyjnym wykrywa się i eliminuje się zakłócenia wąskopasmowe poprzez analizę widma amplitudowego w ten sposób, że wyznacza się granicę każdego zakłócenia wąskopasmowego i w jego miejsce wprowadza się do widma próbki szumu o zinterpolowanej liniowo amplitudzie i losowej fazie. Po powrocie do dziedziny czasu próbki sygnału podnosi się do n-tej potęgi, po czym wyznacza się widmo amplitudowe próbek sygnału i poszukuje się prążków w uśrednionym widmie amplitudowym spełniających kryterium wysokości w stosunku do próbek szumu wokół niego oraz kryterium zadanego charakteru próbek zawartych w obszarze wokół tych prążków. Układ do wykrywania sygnałów radiowych z widmem rozproszonym zlokalizowanych poniżej poziomu szumów w obecności zakłóceń wąskopasmowych składający się z anteny szerokopasmowej, która połączona jest poprzez blok analogowy, przetwornik analogowo/cyfrowy, blok cyfrowy z blokiem wizualizacji, przy czym blok analogowy składa się z połączonych szeregowo następujących elementów: przedwzmacniacza niskoszumowego wysokiej częstotliwości, bloku przemiany wysokiej częstotliwości do pośredniej częstotliwości, filtra pasmowo-przepustowego, wzmacniacza pośredniej częstotliwości, charakteryzuje się według wynalazku tym, że blok cyfrowego przetwarzania sygnałów składa się z połączonych szeregowo: bloku wymnażania przez funkcję okna i wyznaczania widma amplitudowego oraz fazowego, bloku wykrywania i eliminacji zakłóceń wąskopasmowych, bloku przekształcania z dziedziny częstotliwości do dziedziny czasu. Korzystanie z wynalazku umożliwia wykrywanie sygnałów radiowych z widmem rozproszonym zlokalizowanych poniżej poziomu szumów w obecności zakłóceń wąskopasmowych. Wynalazek objaśniony jest bliżej na rysunku na którym, fig. 1 przedstawia schemat blokowy układu, fig. 2 obrazuje interpolację liniową pomiędzy wartościami składowych widma bezpośrednio przed i po zakłóceniu, po usuniętych prążkach widma amplitudowego zakłócenia, a fig. 3 obrazuje sposób analizy uśrednionego widma amplitudowego sygnału po obróbce cyfrowej. P r z y k ł a d I W celu wykrycia sygnału radiowego z dwuwartościową modulacją z kluczowaniem fazy (BPSK) i z widmem rozproszonym poniżej poziomu szumu należy odpowiednio zmodyfikować widmo amplitudowe takiego sygnału poprzez realizację wykrywania i eliminacji zakłóceń wąskopasmowych. W dalszej kolejności, po powrocie do dziedziny czasu i podniesieniu próbek sygnału do potęgi drugiej, realizuje się wyznaczanie uśrednionego widma amplitudowego, a następnie poszukiwanie prążków tego widma spełniających zadane kryteria. Wartość częstotliwości każdego znalezionego w ten sposób prążka będzie dokładnie dwukrotnie większa niż częstotliwość pośrednia znalezionego w tym momencie sygnału radiowego BPSK. Układ do wykrywania i eliminowania zakłóceń wąskopasmowych oraz wykrywania sygnałów z widmem rozproszonym poniżej poziomu szumu według fig. 1 składa się on z bloku analogowego 1, przetwornika analogowo-cyfrowego 6, bloku cyfrowego 7 oraz modułu wizualizującego 12. W skład bloku analogowego 1 wchodzi: antena, wzmacniacz niskoszumowy wysokiej częstotliwości 2, blok przemiany częstotliwości 3, filtr pasmowo-przepustowy 4, wzmacniacz pośredniej częstotliwości 5. W skład bloku cyfrowego 7 z kolei wchodzi: blok wymnażania przez funkcję okna i wyznaczania widma amplitudowego i fazowego 8, blok wykrywania i eliminacji zakłóceń wąskopasmowych 9, blok

3 PL B1 3 przekształcania z dziedziny częstotliwości do dziedziny czasu 10 oraz blok wykrywania sygnałów z widmem rozproszonym 11. Sygnał radiowy o zadanej częstotliwości po wzmocnieniu we wzmacniaczu niskoszumowym wysokiej częstotliwości 2 i przeniesieniu na częstotliwość pośrednią w bloku przemiany częstotliwości 3 oraz po filtracji przez filtr pasmowo-przepustowy 4 i kolejnym wzmocnieniu przez wzmacniacz pośredniej częstotliwości 5 zostaje przetworzony do postaci cyfrowej przez przetwornik analogowocyfrowy 6. W bloku cyfrowym 7 w pierwszej kolejności po przemnożeniu przez funkcję okna wyznaczone zostają kolejne realizacje widma amplitudowego i fazowego takiego sygnału przez blok wymnażania przez funkcję okna i wyznaczania widma amplitudowego i fazowego 8. Następnie realizuje się wykrywanie i eliminowanie zakłóceń wąskopasmowych przez blok wykrywania i eliminacji zakłóceń wąskopasmowych 9. W celu ich wykrycia wyznacza się uśrednione widmo amplitudowe oraz określa się poziom odniesienia. Poszukiwane są próbki sygnału o wartościach większych od przyjętego poziomu odniesienia o zadaną przez użytkownika wartość. W celu eliminacji z kolei stosuje się metodę interpolacji dla poszczególnych realizacji widma. Usunięte prążki widma amplitudowego zakłócenia są interpolowane liniowo pomiędzy wartościami składowych widma bezpośrednio przed i po zakłóceniu, co zostało przedstawione na fig. 2. Widmo fazowe z kolei, po usunięciu próbek zakłócenia, uzupełnia się o wartości losowe fazy. W celu wykrycia zakłóceń wąskopasmowych należy najpierw określić poziom odniesienia. Wyznaczone widmo amplitudowe w bloku wymnażania przez funkcję okna i wyznaczania widma amplitudowego i fazowego 8 jest uśrednianie po kolejnych realizacjach. W tak przygotowanym widmie poszukiwany jest poziom odniesienia. Najpierw należy wyznaczyć wartość średnią próbek widma dla każdego z podpasm, na które podzielono całe uśrednione widmo amplitudowe. Po odrzuceniu wartości największych i najmniejszych, z pozostałych wyznacza się kolejną wartość średnią będącą poziomem odniesienia. W dalszej kolejności rozpoczyna się proces poszukiwania zakłóceń wąskopasmowych. Do tego celu wykorzystuje się uśrednione widmo amplitudowe sygnału. Proces poszukiwania zakłóceń należy rozpocząć od znalezienia pierwszej składowej widma zakłócenia. Aby wykrywanie było mniej wrażliwe na gwałtowne i przypadkowe zmiany wartości poszczególnych składowych widma porównuje się poziom odniesienia z wartością średnią kolejnych trzech składowych widma. Z kolei aby uznać, że dana składowa widma jest pierwszą składową zakłócenia musi być spełniony następujący warunek; wartość średnia trzech kolejnych składowych widma musi być większa od poziomu odniesienia o wartość określoną przez użytkownika, a ostatecznie za początek zakłócenia uznaje się składową o numerze mniejszym o wartość podaną przez użytkownika od faktycznego miejsca przekroczenia poziomu odniesienia o zadaną wartość. Gdy został znaleziony początek zakłócenia poszukiwany jest jego koniec. Analogicznie jak przy poszukiwaniu początku zakłócenia, w celu zmniejszenia wpływu gwałtownych i przypadkowych zmian wartości poszczególnych próbek widma, porównuje się wartości średnie trzech kolejnych składowych widma z poziomem odniesienia. Tym razem wartość średnia próbek powinna być mniejsza od wartości podanej przez użytkownika powiększonej o wartość poziomu odniesienia. W tym przypadku analogiczne jak poprzednio koniec zakłócenia wyznacza się również w oddaleniu, podanym przez użytkownika, od faktycznego spadku poniżej zadanej wartości. Po znalezieniu początku i końca zakłócenia sprawdza się czy szerokość pasma tego zakłócenia jest mniejsza od zdefiniowanej przez użytkownika maksymalnej wartości. Jeśli szerokość pasma zakłócenia jest większa niż dopuszczalna, to nie jest ono uznane za zakłócenie i nie będzie podlegać eliminacji. Podczas eliminacji znalezionych zakłóceń realizuje się interpolację widma amplitudowego między średnimi wartościami widma w otoczeniu zakłócenia. Jak pokazano na fig. 2 najpierw należy wyznaczyć wartości średnie próbek widma sygnału bezpośrednio przed i po zakłóceniu wąskopasmowym. Wyznaczana jest liczba próbek składających się na całe zakłócenie oraz różnica między wyznaczonymi wartościami średnimi. Następnie określany jest współczynnik kierunkowy prostej interpolującej. Interpolacji podlega widmo amplitudowe, a faza wyznaczana jest w sposób losowy. Interpolacja wykonywana jest dla każdego zakłócenia oraz każdej realizacji widma. Po eliminacji zakłóceń wąskopasmowych i powrocie do dziedziny czasu w bloku przekształcania z dziedziny częstotliwości do dziedziny czasu 10 rozpoczyna się proces faktycznego wykrywania sygnałów z widmem rozproszonym poniżej poziomu szumu.

4 4 PL B1 W pierwszej kolejności próbki sygnału podnoszone są do potęgi 2, a następnie po wyznaczeniu uśrednionego widma amplitudowego takiego sygnału, wszystkie próbki tego widma są dzielone na podprzedziały, a każdy z nich jest analizowany niezależnie. Jak pokazano na fig. 3 poszukiwana jest wartość maksymalna wart spośród próbek danego przedziału. Wyznaczane są ponadto wartości średnie z usr/2 próbek odpowiednio przed i po próbce o maksymalnej wartości. Wartości przed i po są wyznaczane z próbek znajdujących się w pewnym oddaleniu od prążka, co wynika z uwzględnienia możliwości rozmycia widma prążka. Następnie dokonywane jest sprawdzenie czy wysokość prążka względem średniej wartości próbek przed nim jest większa lub równa podanej przez użytkownika minimalnej wysokości prążka. Podobnego sprawdzenia dokonuje się względem średniej wartości próbek za znalezionym prążkiem. Wartość wart powinna być większa przynajmniej o wartość wys podaną przez użytkownika od wartości po i przed. Dalej wyznaczana jest wysokość prążka wys3 względem wartości średniej sred z usr próbek wokół prążka. Porównywana jest ona z wysokością minimalną podaną przez użytkownika wys oraz wartością do tej pory maksymalną i uzyskaną ewentualnie podczas analizy poprzednich podprzedziałów. Wartość wys3 powinna być większa od wartości do tej pory maksymalnej i przynajmniej równa wartości wys. Dzięki temu znaleziony prążek będzie charakteryzował się największą wartością względną wśród rozpatrzonych podprzedziałów. Następnie wyznaczana jest wysokość prążka względem wariancji dla usr próbek wokół prążka. Ponownie wysokość ta musi być przynajmniej równa wartości zadanej przez użytkownika i największa spośród wszystkich podprzedziałów. Wyznaczana jest również kurtoza i współczynnik skośności rozkładu próbek wokół prążka. Wartości te są potrzebne do przeprowadzenia testu Jarque-Bera, który pozwala ocenić czy analizowany rozkład jest rozkładem normalnym. Zakłada się, że rozkład usr próbek wokół prążka jest rozkładem Gaussa (zgodnie z centralnym twierdzeniem granicznym), gdy rzeczywiście znaleziono pojedynczy i poprawny prążek. Wymienione wcześniej wartości średnie, wariancja, skośność oraz kurtoza liczone są dla tego samego zbioru usr próbek wokół prążka, po uwzględnieniu odstępu wynikającego z ewentualnego rozmycia prążka. Przyjmuje się, że wszystkie powyżej wymienione warunki muszą zostać spełnione by dany prążek można było uznać za pochodzący od sygnału z widmem rozproszonym poniżej poziomu szumu dla modulacji BPSK. Efektem pracy układu jest znalezienie częstotliwości sygnału z widmem rozproszonym i modulacją BPSK, gdy w danym paśmie częstotliwości sygnał taki się znajduje, bądź stwierdzenie jego braku w sytuacji przeciwnej. Ostatnim etapem pracy układu jest wizualizacja wyników, która jest wykonywana przez moduł wizualizujący 12. P r z y k ł a d II W celu wykrycia sygnału radiowego z czterowartościowej modulacji z kluczowaniem fazy lub z kwadraturową modulacją amplitudy (QPSK/QAM) i z widmem rozproszonym poniżej poziomu szumu postępuje się analogicznie jak w przykładzie I z dwiema różnicami: W bloku wykrywania sygnałów z widmem rozproszonym 11 w miejscu podnoszenia do potęgi drugiej należy zastosować podnoszenie do potęgi czwartej. Wartość częstotliwości każdego znalezionego prążka będzie dokładnie czterokrotnie większa niż częstotliwość pośrednia znalezionego w tym momencie sygnału radiowego QPSK/QAM. Zastrzeżenia patentowe 1.Sposób wykrywania sygnałów radiowych z widmem rozproszonym zlokalizowanych poniżej poziomu szumów w obecności zakłóceń wąskopasmowych polegający na poszukiwaniu prążków w widmie uśrednionym amplitudowym poprzez obróbkę cyfrową próbek sygnału, znamienny tym, że w pierwszej kolejności w środowisku propagacyjnym wykrywa się i eliminuje się zakłócenia wąskopasmowe poprzez analizę widma amplitudowego w ten sposób, że wyznacza się granicę każdego zakłócenia wąskopasmowego i w jego miejsce wprowadza się do widma próbki szumu o zinterpolowanej

5 PL B1 5 liniowo amplitudzie i losowej fazie, a następnie po powrocie do dziedziny czasu próbki sygnału podnosi się do n-tej potęgi, po czym wyznacza się widmo amplitudowe próbek sygnału i poszukuje się prążków w uśrednionym widmie amplitudowym spełniających kryterium wysokości w stosunku do próbek szumu wokół niego oraz kryterium zadanego charakteru próbek zawartych w obszarze wokół tych prądów. 2. Układ do wykrywania sygnałów radiowych z widmem rozproszonym zlokalizowanych poniżej poziomu szumów w obecności zakłóceń wąskopasmowych składający się z anteny szerokopasmowej, która połączona jest poprzez blok analogowy, przetwornik analogowo/cyfrowy, blok cyfrowy z blokiem wizualizacji, przy czym blok analogowy składa się z połączonych szeregowo następujących elementów; przedwzmacniacza niskoszumnego wysokiej częstotliwości, bloku przemiany wysokiej częstotliwości do pośredniej częstotliwości, filtra pasmowo-przepustowego, wzmacniacza pośredniej częstotliwości, znamienny tym, że blok cyfrowego przetwarzania sygnałów (7) składa się z połączonych szeregowo: bloku wymnażania przez funkcję okna i wyznaczania widma amplitudowego oraz fazowego (8), bloku wykrywania i eliminacji zakłóceń wąskopasmowych (9), bloku przekształcania z dziedziny częstotliwości do dziedziny czasu (10).

6 6 PL B1 Rysunki Departament Wydawnictw UPRP Cena 2,46 zł (w tym 23% VAT)