DE4243113A1 - Verfahren zur automatischen, spektralen Einweisung von Modulationsart-Klassifikatoren - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur automatischen, spektralen Einweisung von Modulationsart-Klassifikatoren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Mit dem Verfahren werden die in einem vorgegebe­ nen Signal-Spektrum [1] enthaltenen, markanten Spektrumsanteile entdeckt, von Spektrumsanteilen anderer Signale isoliert und schnell so nach Mittenlage und Breite geschätzt, daß hiermit ein automatischer Modulationsarten-Klassifikator, vgl. z. B. [2], genü­ gend genau eingewiesen werden kann.

Zur Überwachung der Frequenzbandbelegung im Funkverkehr, z. B. durch die Post, ist es wegen der hohen Signaldichte und aus Ko­ stengründen erforderlich, weitestmöglich automatische Verfahren einzusetzen. So werden u. a. Systeme zur schnellen Spektrumsbildung und automatisch suchende, schnelle Empfänger mit Energiedetektoren verwendet, mit denen signifikante Energieanteile mit den dazugehö­ rigen geschätzten Frequenzen erkannt werden können [3]. Weiterhin existieren Systeme zur Modulationsart-Klassifikation, die automa­ tisch die Modulationsart eines unbekannten Signals identifizieren oder klassifizieren können. Diese Systeme müssen auf die zu analy­ sierenden Signale mit Mittenfrequenz und Bandbreite eingewiesen werden. Speziell für die automatische Analyse moderner digitaler Modulationsarten, wie z. B. Phasenumtastungen oder QAM (Quadrature Amplitude Modulation) [4], ist zunächst eine genaue Einweisung nach Mittenfrequenz und Bandbreite erforderlich. Die von den be­ kannten Suchempfängern gelieferten Parameterwerte reichen hierfür von der Genauigkeit und vom Umfang her nicht aus. So wird die Ab­ grenzung gegen Spektrumsanteile anderer Signale, d. h. die Isolie­ rung des interessierenden Spektrumsanteils einschließlich der ge­ nügend genauen Schätzung von Mittenlage und Breite nicht gelei­ stet. Die durchgängige Automatisierung bis hin zur Modulationsar­ tenanalyse bereitet deswegen Probleme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vorgegebenes, i. allg. wenig glattes Signal-Spektrum möglichst schnell und genau so aufzubereiten, daß damit ein Modulationsarten-Klassifikator zuver­ lässig eingewiesen werden kann. Hierzu gehören folgende Verfah­ rensschritte: die Entdeckung relevanter Spektrumsbereiche, die Ab­ grenzung gegen Spektrumsanteile anderer Signale, d. h. die Iso­ lierung des jeweils interessierenden Anteils und die schnelle und genaue Schätzung von Mittenlage und Breite der markanten Spek­ trumsanteile.

Die erfindungsmäßige Lösung dieser Aufgabe ist im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 beschrieben. Die Unteransprüche enthalten vor­ teilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung.

Zugrunde liegen soll ein Leistungsdichtespektrum in digitalisier­ ter Form. Da die Spektrumsbildner heute häufig digital arbeiten, ist eine gesonderte Digitalisierung meistens nicht erforderlich. In dem gegebenen Spektrum sollen sich eine Reihe von i. allg. un­ terschiedlich starken und unterschiedlich breiten Spektrumsantei­ len befinden. Die Spektrumsanteile verschiedener Signale dürfen dicht beieinanderliegen, sie dürfen sich gegebenenfalls auch teil­ weise überlappen. Weiterhin dürfen sie verrauscht sein und/oder unregelmäßige Strukturen aufweisen, wie das besonders bei Kurzzeitspektren häufig der Fall ist.

Die Verarbeitung in dem Verfahren beginnt mit einer Glättung des vorliegenden Spektrum-Werteverlaufs durch eine gleitende Mittel­ wertbildung mit einer Fensterlänge entsprechend der angestrebten Frequenzauflösung. Aus dem geglätteten Spektrums-Werteverlauf wird eine vorzugebende Anzahl der kleinsten Werte extrahiert und aufge­ mittelt. Der mit einem Faktor versehene Mittelwert bildet den Ent­ scheidungsschwellenwert für die Bereichsdetektion. Überall dort, wo der Entscheidungsschwellenwert von den Spektrumswerten über­ schritten wird und sich hierbei zusammenhängende Bereiche ergeben, wird genauer nach markanten Spektrumsanteilen gesucht. Hierbei dürfen sich auch mehrere separierbare Spektrumsanteile in einem detektierten Bereich befinden. Zunächst wird der zu bearbeitende Bereich für den ersten markanten Spektrumsanteil weiter einge­ grenzt: Nach Feststellung des als Obergrenze benutzten maximalen Ordinatenwertes wird hieraus mit Hilfe eines situationsangepaßten Faktors <1, z. B. 0.1, die untere Grenze des zu bearbeitenden Ordi­ natenbereichs festgelegt. Die Abszissengrenzwerte des einzugren­ zenden Bereiches ergeben sich aus den äußeren Schnittpunkten des markanten Spektrumsanteils mit der bereits festgelegten unteren Ordinatenbereichsgrenze. Die sich in dem so isolierten Bereich be­ findlichen Spektrums-Werte werden mit einer oder nacheinander mit mehreren verschiedenen Referenzfunktionen nach der Methode der kleinsten quadratischen Abweichung, approximiert. Die vorzugeben­ den Referenzfunktionen richten sich nach der gesuchten Modulati­ onsartklasse. So ist z. B. bei modernen digitalen Modulationsarten wie Phasenumtastungen für die markanten Anteile des nichtlogarith­ mierten Spektrums als Referenzfunktion ein Polynom 2. Ordnung ge­ eignet. Werden mehrere Referenzfunktionen benutzt, so wird dieje­ nige weiterverwendet, für die sich die kleinste mittlere quadrati­ sche Abweichung zu den vorgegebenen Spektrumswerten ergeben hat. Die gewünschten Abszissenwerte für die Lage von Maximum und Breite des jeweils isolierten Spektrumsanteils lassen sich einfach aus den Parametern der entsprechenden Referenzfunktion ermitteln.

Um die dargestellten Verfahrensschritte in einfacher Weise auch auf die weiteren markanten Spektrumsanteile in dem gegebenen Werteverlauf anwenden zu können, wird der bereits bearbeitete Spektrumsanteil aus dem Werteverlauf eliminiert. Hierfür werden zu beiden Seiten des bearbeiteten Anteils die lokalen minimalen Ordi­ natenwerte gesucht. Im Eliminationsschritt werden die so gefun­ denen Randwerte linear miteinander verbunden, d. h. die ursprüngli­ chen Werte werden ersetzt durch die der Verbindungsgeraden ent­ sprechenden Werte. Auf den so entstandenen neuen Werteverlauf werden die oben beschriebenen Verfahrensschritte erneut angewendet. Das gilt sowohl für weitere markante Spektrumsanteile in dem bereits detektierten Abszissenwertebereich als auch für Anteile innerhalb anderer Bereiche, die nicht mit dem bereits bearbeiteten zusammenhängen. Die Verfahrensschritte werden so lange wiederholt, bis alle markanten Spektrumsanteile innerhalb der detektierten Abszissenwertebereiche abgearbeitet, d. h. isoliert und nach Mittenlage und Breite geschätzt sind. Die Ergebnisse werden zur Einweisung nachfolgender Modulationsart-Klassifikatoren ausgegeben.

Um neben dem gewünschten automatischen Verfahrensablauf auch eine optische Funktionskontrolle durch einen menschlichen Beobachter zu ermöglichen, können neben dem ursprünglichen Spektrums-Wertever­ lauf die isolierten und durch Referenzfunktionen approximierten Spektrumsanteile mit den daraus gewonnenen Schätzwerten für Mit­ tenlage und Breite direkt auf einem Sichtschirm dargestellt wer­ den.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß es bei der Automatisierung der Funküberwachung möglich wird, ein vorgegebenes Signal-Spektrum schnell so aufzuarbeiten, daß Modulationsart-Klassifikatoren gezielt und genau auf bestimmte Signale nach Mittenlage und Breite eingewiesen werden können. Hiermit wird eine bisher bestehende Lücke im automatischen Analy­ seablauf geschlossen. Der technische Aufwand kann durch digitale Realisierung gering gehalten werden, da die auszuführenden Verfah­ rensschritte einfach sind, wenn sie an der Leistungsfähigkeit mo­ derner käuflicher Signalprozessoren gemessen werden. Vorteilhaft ist weiter die Möglichkeit der übergeordneten Steuerung und/oder einer weiteren Datenauswertung durch einen Digitalrechner ohne da­ für notwendige D/A- oder A/D-Wandlung, da das erfindungsmäßige Verfahren bereits auf digitaler Signalverarbeitung beruht.

Ein Ausführungsbeispiel für die Anwendung hinter einem Fourier- Spektrumsbildner ist in Abb. 1 dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Das hinter dem Spektrumsbildner 1 anliegende Signal-Spektrum wird mit dem Spektrumsglätter 2 geglättet und in den Wertespeicher 3 eingeschrieben. Aus dem geglätteten Spektrum wird mit der Schwellenwertrecheneinheit 4 die Bereichsdetektions­ schwelle ermittelt und dem Bereichsdetektor 5 zugeführt. Der Wer­ tespeicher 3 und die nachfolgend beschriebenen Baugruppen werden für jeden isolierten Spektrumsanteil durchlaufen, wobei die Be­ reichsdetektionsschwelle für jedes Spektrum nur einmal in der Schwellenwertrecheneinheit 4 ermittelt wird. Dieser Sachverhalt wird in Abb. 1 dadurch verdeutlicht, daß der Schalter 6 nach Er­ mittlung der Bereichsdetektionsschwelle von Position a nach Posi­ tion b wechselt. Der Bereichsdetektor 5 detektiert aus dem im Wer­ tespeicher 3 stehenden geglätteten Spektrum die Abszissengrenz­ werte für den ersten relevanten Spektrumsbereich und übergibt die dazugehörigen Ordinatenwerte an den Wertespeicher 7. Der Maximums­ detektor 8 ermittelt daraus den maximalen Ordinatenwert und über­ gibt diesen an den Bereichseingrenzer 9. Dieser benutzt den maxi­ malen Ordinatenwert als Obergrenze und einen kleineren, aus dem Maximalwert abgeleiteten Ordinatenwert als Untergrenze für den zu isolierenden Spektrumsanteil. Weiterhin ermittelt der Bereichsein­ grenzer die Abszissengrenzwerte hierfür aus den äußeren Schnitt­ punkten des markanten Spektrumsanteils mit der Ordinatenunter­ grenze. Der in dem so festgelegten Fenster enthaltene, i. allg. we­ nig glatte Spektrumsanteil wird in der Kurvenanpaßeinheit 10 durch eine oder nacheinander durch mehrere Referenzfunktionen ap­ proximiert. Die am besten passende Referenzfunktion wird herausge­ sucht und deren Parameter an die Recheneinheit 11 weitergegeben. Diese ermittelt aus den Referenzfunktionsparametern die Abszissen­ werte für die Mittenlage und die Breite und übergibt die Ergeb­ nisse an den Ergebnis-Wertespeicher 12. Von dort aus werden die Ergebnisse zur Ausgabe-/Anzeige-Einheit 13 weitergeleitet. Aus dem Spektrum, wie es im Wertespeicher 3 steht, wird der gerade analy­ sierte Spektrumsanteil im Eliminator 14 eliminiert und das so mo­ difizierte Spektrum zur Bearbeitung des nächsten markanten Spek­ trumsanteils wieder in den Wertespeicher 3 eingeschrieben. Wenn alle isolierten Spektrumsanteile bearbeitet und eliminiert sind, wird im Bereichsdetektor 5 kein neuer relevanter Bereich mehr ent­ deckt und die Bearbeitung eines Signal-Spektrums ist beendet. Im fortlaufenden Betrieb wird nach Wechsel des Schalters 6 von Posi­ tion b nach Position a das nächste, bereits geglättete Spektrum aus dem Spektrumsglätter 2 in den Wertespeicher 3 geschrieben. Zu diesem Zeitpunkt ist die neue Bereichsdetektionsschwelle in der Schwellenwertrecheneinheit 4 bereits ermittelt worden, so daß der Bereichsdetektor 5 mit der Detektion des ersten relevanten Berei­ ches im neuen Signal-Spektrum beginnen kann.

Literatur

[1] R. Unbehauen: Systemtheorie, Grundlagen für Ingenieure, 5. Auflage, R. Oldenburg-Verlag, 1990, S. 194.
[2] Produktinformation der Fa. Alcatel/SEL: PSK Indica­ tor/Demodulator, Pforzheim 1992.
[3] Produktinformation der Fa. Rohde & Schwarz: Automatik-Empfän­ ger ESP, Datenblatt N6-303 D-1, München 1985.
[4] J. G. Proakis: Digital Communications, Second Edition, McGraw- Hill, New York 1989, Kap. 3.3, S. 163 ff.

Claims (4)

1. Verfahren zur automatischen, spektralen Einweisung von Modula­ tionsart-Klassifikatoren bei vorgegebenem Signal-Spektrum, gekenn­ zeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

• a) Der zugrunde liegende Spektrums-Werteverlauf wird mit Hilfe ei­ nes Glättungsfilters einstellbarer Filterlänge geglättet,
• b) aus einer vorzugebenden Anzahl der kleinsten Ordinatenwerte wird durch gewichtete Mittelung eine Bereichs-Detektionsschwelle gebildet,
• c) mit der Bereichs-Detektionsschwelle wird ein relevanter Spek­ trumsbereich durch Abfrage nach Schwellenüberschreitung detek­ tiert,
• d) für den detektierten Bereich wird der maximale Ordinatenwert gesucht und damit die obere Grenze für den ersten einzugrenzenden Spektrumsanteil gebildet,
• e) die untere Grenze des Eingrenzungsbereichs wird durch einen vorzugebenden Faktor <1 aus dem Ordinatenwert der oberen Grenze ermittelt; die Grenzen links und rechts werden aus den äußeren Schnittpunkten des markanten Spektrumsanteils mit der unteren Grenze ermittelt,
• f) an die in dem isolierten Bereich befindlichen Spektrumswerte wird eine oder werden nacheinander mehrere vorzugebende Referenz­ funktionen approximiert,
• g) die Referenzfunktion mit der geringsten Abweichung zum vorgege­ benen Verlauf der isolierten Spektrumswerte wird ausgewählt,
• h) aus der ausgewählten Referenzfunktion werden Mittenlage und Breite ermittelt und als Schätzwerte für die entsprechenden Größen des isolierten Spektrumsbereiches ausgegeben,
• i) der bearbeitete Spektrumsbereich wird aus dem Spektrums-Werte­ verlauf eliminiert und die Verfahrensschritte c bis h werden für alle weiteren markanten Spektrumsanteile wiederholt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ reichsgrenzen für die Isolation des markanten Spektrumsanteils sich von den unter 1d und 1e beschriebenen nur durch bestimmte Faktoren und/oder Summanden unterscheiden.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf den geglätteten Spektrums-Werteverlauf vor der weiteren Verarbeitung weitere lineare oder nichtlineare Transformationen angewendet werden.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ergebnisse in Form der durch Referenzfunktionen approxi­ mierten markanten Spektrumsanteile, zusammen mit den geschätzten Werten für Mittenlagen und Breiten, auf einem Sichtschirm ange­ zeigt werden.