RU2552534C1 - Method of processing hydroacoustic noise-like phase-shift keyed signals - Google Patents

Method of processing hydroacoustic noise-like phase-shift keyed signals Download PDF

Info

Publication number
RU2552534C1
RU2552534C1 RU2014111722/07A RU2014111722A RU2552534C1 RU 2552534 C1 RU2552534 C1 RU 2552534C1 RU 2014111722/07 A RU2014111722/07 A RU 2014111722/07A RU 2014111722 A RU2014111722 A RU 2014111722A RU 2552534 C1 RU2552534 C1 RU 2552534C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
frequency
sampling frequency
correlation function
value
Prior art date
Application number
RU2014111722/07A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Федор Владимирович Безручко
Игорь Николаевич Бурдинский
Иван Вячеславович Карабанов
Михаил Александрович Линник
Андрей Сергеевич Миронов
Семен Александрович Отческий
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тихоокеанский государственный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тихоокеанский государственный университет" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тихоокеанский государственный университет"
Priority to RU2014111722/07A priority Critical patent/RU2552534C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2552534C1 publication Critical patent/RU2552534C1/en

Links

Landscapes

  • Measurement Of Velocity Or Position Using Acoustic Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

FIELD: radio engineering, communication.
SUBSTANCE: method of processing hydroacoustic noise-like phase-shift keyed signals includes receiving a signal s(t), digitising the signal, obtaining yk, pre-equalising the amplitude y ˙ k = s i g n [ y k ] ,
Figure 00000054
where s i g n [ x ] = { + 1 п р и x 0 1 п р и x < 0 ,
Figure 00000055
performing shift into the low-frequency region and determining the real component
Figure 00000038
and the imaginary component of the signal
Figure 00000039
(fs is the centre frequency of the noise-like phase-shift keyed signal being processed, fd is the sampling frequency of the signal processing system, Ns is the processing window length, which must be equal to an integer number of periods in sampling frequency readings, i.e. Ns=n·Ts·fd, where n=1, 2, 3…), for the obtained signal y ˜ j = A j + i B j
Figure 00000056
( i = 1
Figure 00000057
- imaginary unit) using a low-pass filter, suppressing high-frequency components,
Figure 00000058
is the pulse response of the filter, Nf if the length of the pulse response of the filter), decimating the sampling frequency with an interval Ns of the signal
Figure 00000059
where Ns is the sampling interval, which is equal to the radio of the sampling frequency fd of the source signal and the doubled cutoff frequency N s = f d 2 f c p = f d Δ f ,
Figure 00000060
after which the sampling frequency of the signal becomes equal to fd2=2fcut=Δf, repeating signal amplitude equalisation y ˙ j s = s i g n [ y j s ]
Figure 00000061
and for the obtained signal y ˙ j д
Figure 00000062
, calculating the value of a correlation function Y j = Σ k = 1 N c u t y ˙ j s m k ,
Figure 00000063
where Ncut is the duration of the processed signal in sampling frequency readings fd2, mk is the reference correlator signal in symbol form, calculating a threshold value Υ t h r e s = n 2 k n ,
Figure 00000064
where n is the number of symbols in the modulating pseudorandom sequence, k is an integer defined by a given false response probability ρfalse, wherein k≤n and is selected as the greatest number for which the condition ρ f a l s e 0.5 k Σ j = k n C n i
Figure 00000065
is satisfied, where C n i
Figure 00000053
is the number of combinations i through n : C n i = n ! i ! ( n i ) ! ) ,
Figure 00000066
comparing the value of the correlation function Yj with the threshold value Ythres, and presence of a signal is determined when the value of the correlation function exceeds the threshold value.
EFFECT: improved noise-immunity when detecting a hydroacoustic signal in real operating conditions with low hardware computational power.

Description

Изобретение относится к области гидроакустики, а именно к способам обработки гидроакустических сигналов в условиях реального канала распространения, и может применяться в гидроакустических системах связи, управления и позиционирования. Способ обработки может быть использован для обнаружения гидроакустического шумоподобного фазоманипулированного сигнала известной формы. Также возможно применение при организации многоабонентской системы с разделением каналов путем кодирования сигналов различными бинарными псевдослучайными последовательностями из одного семейства.The invention relates to the field of sonar, and in particular to methods for processing sonar signals in a real distribution channel, and can be used in sonar communication systems, control and positioning. The processing method can be used to detect a hydroacoustic noise-like phase-shifted signal of a known shape. It is also possible to use when organizing a multi-subscriber system with channel separation by encoding signals with various binary pseudorandom sequences from the same family.

Известен способ классической линейной корреляционной обработки шумоподобных сигналов с целью оценки их параметров [1, 2]. В основе данного способа лежит вычисление скалярного произведения (u, ν) двух сигналов u(t), ν(t), которое также называется корреляцией и свидетельствует о подобии (похожести) сигналов:A known method of classical linear correlation processing of noise-like signals in order to assess their parameters [1, 2]. The basis of this method is the calculation of the scalar product (u, ν) of two signals u (t), ν (t), which is also called correlation and indicates the similarity (similarity) of the signals:

Figure 00000001
Figure 00000001

где u(t) - исходный наблюдаемый сигнал в канале;where u (t) is the initial observed signal in the channel;

ν(t) - опорный сигнал, идентичный принимаемому.ν (t) is the reference signal identical to the received one.

Затем используется правило максимума корреляции:Then the rule of maximum correlation is used:

Figure 00000002
Figure 00000002

где k - номер сигнала из множества рассматриваемых сигналов;where k is the signal number from the set of considered signals;

j - номер принятого сигнала;j is the number of the received signal;

Hj - это гипотеза о том, что именно сигнал под номером j является искомым.H j is the hypothesis that the signal number j is the one sought.

Правило максимума корреляции означает, в частности, что из М возможных сигналов с одинаковой энергией фактически принятым считается тот, который имеет максимум корреляции с наблюдением ν(t). Предпочтение отдается тому из сигналов, который наиболее подобен наблюдению ν(t) в сравнении с остальными при условии, что в качестве критерия похожести принята величина корреляции.The rule of maximum correlation means, in particular, that of the M possible signals with the same energy, the one that has the maximum correlation with observation ν (t) is considered to be actually accepted. Preference is given to the one of the signals that is most similar to the observation of ν (t) in comparison with the others, provided that the correlation value is taken as a criterion of similarity.

Недостатком данного способа является низкая помехоустойчивость в условиях небелого шума (поскольку данный способ не является оптимальным для данных условий), а также то, что способ не может быть использован в асинхронных системах, когда неизвестен момент и интервал излучения сигналов.The disadvantage of this method is the low noise immunity in conditions of non-white noise (since this method is not optimal for these conditions), as well as the fact that the method cannot be used in asynchronous systems when the moment and interval of signal emission are unknown.

Известен способ демодуляции сигналов с относительной фазовой модуляцией, описанный в патенте РФ №2271071, 2006 г., МПК H06L 27/22. В данном способе принимают сигнал S(t), фильтруют и выравнивают его амплитуду, генерируют опорный сигнал S0(t), вычисляют корреляционную функцию Y(t). Затем фильтруют результат произведения сигналов S0(t) и SС(t) в блоке уменьшения уровня помехи, обусловленной изменением полярности видеосигнала на выходе фильтра низких частот за время, т.е. времени, в течение которого на длительности элемента сигнала Т формируется корреляционная функция Y(t). Затем интегрируют корреляционную функцию Y(t) последовательно на длительности Т и фиксируют ее значение Yn по окончанию элемента сигнала. Вычисляют абсолютное значение разности |ΔYn| между текущим и предшествующим значением корреляционных функций Yn и Yn-1, соответственно на n-м и на (n-1)-м временных интервалах T. Полученное значение модуля разности сравнивают с предварительно сформированным порогом Yпор по правилу: если выполняется неравенство |ΔYn|>Yпор, то решение о демодулируемом символе принимают равным «единице», а в случае невыполнения неравенства принимают равным «нулю».A known method of demodulating signals with relative phase modulation described in the patent of the Russian Federation No. 2271071, 2006, IPC H06L 27/22. In this method, a signal S (t) is received, its amplitude is filtered and equalized, a reference signal S 0 (t) is generated, a correlation function Y (t) is calculated. Then, the result of the product of signals S 0 (t) and S C (t) is filtered in the block for reducing the noise level due to a change in the polarity of the video signal at the output of the low-pass filter over time, i.e. time during which the correlation function Y (t) is formed on the duration of the signal element T. Then, the correlation function Y (t) is integrated sequentially over the duration T and its value Y n is fixed at the end of the signal element. The absolute value of the difference | ΔY n | between the current and previous values of the correlation functions Y n and Y n-1, respectively, at the nth and (n-1) -th time intervals T. The obtained value of the difference modulus is compared with a previously generated threshold Y then according to the rule: if the inequality | ΔY n |> Y then , the decision on the demodulated symbol is taken equal to "one", and in case of inequality, they are taken equal to "zero".

Недостатком способа является относительно низкая помехозащищенность, обусловленная тем, что решение о демодулируемом символе принимается путем сравнения с предварительно сформированным в отсутствии помех неизменным порогом Yпор, который не учитывает изменения фазы демодулируемого сигнала в результате воздействия помехи.The disadvantage of this method is the relatively low noise immunity, due to the fact that the decision on the demodulated symbol is made by comparing with the constant pore threshold Y then preformed in the absence of interference, which does not take into account phase changes of the demodulated signal as a result of interference.

Известен также способ демодуляции сигналов с относительной фазовой модуляцией, описанный в патенте РФ №2454014, 2010 г., МПК H04L 27/00, H04L 13/18, первый вариант. В известном способе демодуляции сигналов с относительной фазовой модуляцией принимают сигнал S(t), фильтруют и выравнивают его амплитуду, генерируют опорный сигнал S0(t), вычисляют корреляционную функцию Y(t) между опорным сигналом S0(t), иотфильтрованным сигналом с выровненной амплитудой Sc(t) путем их перемножения Y(t)=Sc(t)·S0(t), интегрируют корреляционную функцию Y(t) последовательно на временных интервалах длительностью Т и фиксируют ее значение Yn по окончанию n-го интервала времени Т, где n=1, 2,…, вычисляют модуль разницы |ΔYn| значений корреляционных функций Yn и Yn-1 соответственно на n-м и на (n-1)-м временных интервалах Т, полученное значение модуля разницы |ΔYn| сравнивают с предварительно заданным пороговым значением Yпop корреляционной функции и при выполнении условия |ΔYn|>Yпop присваивают принятому информационному элементу значение «единицы», в противном случае - «нуля». Предварительно формируют случайную L-элементную последовательность с равным числом единичных и нулевых элементов в ней, где L есть целое число, а затем изменяют эту последовательность, для чего принятый на n-м временном интервале T демодулированный информационный элемент записывают первым элементом в L-элементную последовательность, сдвигая все ее элементы на один бит при сохранении ее общей длины L, корректируют пороговое значение корреляционной функции Yпор, для чего вычисляют число «единиц» в измененной L-элементной последовательности, вычисляют отклонение Δ Y п о р п

Figure 00000003
порогового значения корреляционной функции от предварительно заданного его значения Yпop и рассчитывают значение Δ Y п о р к о р
Figure 00000004
путем алгебраического сложения предварительно заданного порогового значения корреляционной функции Yпop и вычисленного ее отклонения Δ Y п о р п
Figure 00000005
на n-м временном интервале Т, Δ Y п о р к о р = Y п о р + Δ Y п о р п
Figure 00000006
, после чего все действия по демодуляции сигнала S(t) на последующем (n+1)-м временном интервале Т повторяют с учетом откорректированного значения Δ Y п о р к о р
Figure 00000007
. А отклонение Δ Y п о р п
Figure 00000008
порогового значения корреляционной функции вычисляют по формуле:
Figure 00000009
There is also a method of demodulating signals with relative phase modulation, described in RF patent No. 2454014, 2010, IPC H04L 27/00, H04L 13/18, the first option. In the known method of demodulating signals with relative phase modulation, a signal S (t) is received, filtered and its amplitude is equalized, a reference signal S is generated0(t), calculate the correlation function Y (t) between the reference signal S0(t), and a filtered signal with equalized amplitude Sc(t) by multiplying them Y (t) = Sc(t)0(t), integrate the correlation function Y (t) sequentially at time intervals of duration T and fix its value Yn at the end of the n-th time interval T, where n = 1, 2, ..., the modulus of difference | ΔYn| values of correlation functions Yn and Yn-1 respectively, at the nth and (n-1) -th time intervals T, the obtained value of the difference modulus | ΔYn| compared with a predetermined threshold value Ypopcorrelation function and when the condition | ΔYn|> Ypop assign the value of "one" to the received information element, otherwise - "zero". A random L-element sequence with an equal number of unit and zero elements in it is preformed, where L is an integer, and then this sequence is changed, for which the demodulated information element received at the nth time interval T is written as the first element in the L-element sequence shifting all its elements by one bit while maintaining its total length L, adjust the threshold value of the correlation function Ysincewhy calculate the number of "units" in the changed L-element sequence, calculate the deviation Δ Y P about R P
Figure 00000003
 threshold value of the correlation function from its predetermined value Ypop and calculate the value Δ Y P about R to about R
Figure 00000004
 by algebraic addition of a predetermined threshold value of the correlation function Ypop and its calculated deviation Δ Y P about R P
Figure 00000005
 on the n-th time interval T, Δ Y P about R to about R = Y P about R + Δ Y P about R P
Figure 00000006
after which all the actions for demodulating the signal S (t) on the subsequent (n + 1) -th time interval T are repeated taking into account the adjusted value Δ Y P about R to about R
Figure 00000007
. A deviation Δ Y P about R P
Figure 00000008
 the threshold value of the correlation function is calculated by the formula:
Figure 00000009

где k(l) - число «единиц» в L-элементной последовательности. Данный способ наиболее близок к заявленному и далее именуется как способ-прототип.where k (l) is the number of "units" in the L-element sequence. This method is closest to the claimed and is hereinafter referred to as the prototype method.

Недостатками способа-прототипа также являются относительно низкая помехоустойчивость (прием ведется при отношениях сигнал/шум более 6 дБ) и избыточность вычислительных операций.The disadvantages of the prototype method are also relatively low noise immunity (reception is carried out at a signal-to-noise ratio of more than 6 dB) and redundancy of computational operations.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение помехоустойчивости при решении задачи обнаружения гидроакустического сигнала в реальных условиях эксплуатации (мощность сигнала много меньше уровня гидроакустических шумов) при низкой вычислительной мощности аппаратного обеспечения.The problem to which the invention is directed is to increase the noise immunity when solving the problem of detecting a hydroacoustic signal in real operating conditions (signal power is much less than the level of hydroacoustic noise) with low computing power of hardware.

Технический результат достигается тем, что принимают сигнал s(t) со средней частотой fs и полосой частот Δf, фильтруют и выравнивают его амплитуду, генерируют опорный сигнал s0(t), вычисляют корреляционную функцию Y(t) между опорным сигналом s0(t) и отфильтрованным сигналом с выровненной амплитудой sc(t) путем их перемножения Y(t)=sc(t)s0(t), интегрируют корреляционную функцию Y(t), согласно изобретению принимают сигнал s(t), оцифровывают сигнал, получают уk, предварительно выравнивают амплитуды y ˙ k = s i g n [ y k ] ,

Figure 00000010
где s i g n [ x ] = { + 1 п р и x 0 1 п р и x < 0 ,
Figure 00000011
выполняют смещение в область низких частот и определяют реальную составляющую
Figure 00000012
и мнимую составляющую сигнала
Figure 00000013
(fs - средняя частота обрабатываемого шумоподобного фазоманипулированного сигнала, fd - частота дискретизации системы обработки сигнала, Ns - длина окна обработки, должна равняться целому числу периодов в отсчетах частоты дискретизации, т.е. Ns=n·Ts·fd, где n=1, 2, 3…), для полученного сигнала y ˜ j = A j + i B j
Figure 00000014
( i = 1
Figure 00000015
- мнимая единица) фильтром нижних частот подавляют высокочастотные составляющие,
Figure 00000016
- импульсная характеристика фильтра, Nф - длина импульсной характеристики фильтра), проводят операцию децимации частоты дискретизации с шагом Nд сигнала
Figure 00000017
где Nд - шаг дискретизации, равный отношению частоты дискретизации fd исходного сигнала и удвоенной частоты среза N д = f d 2 f c p = f d Δ f ,
Figure 00000018
после чего частота дискретизации сигнала становится равна fd2=2fcp=Δf , вторично выполняют выравнивание амплитуд сигнала y ˙ j д = s i g n [ y j д ]
Figure 00000019
и для полученного сигнала y ˙ l д
Figure 00000020
вычисляют значение корреляционной функции Y j = k = 1 N c p y ˙ j д m k ,
Figure 00000021
где Ncp - длительность обрабатываемого сигнала в отсчетах частоты дискретизации fd2, mk - опорный сигнал коррелятора в знаковой форме, вычисляют пороговое значение Y п о р = n 2 k n
Figure 00000022
, где n - количество знаков в модулирующей псевдослучайной последовательности, k - это целое число, определяемое заданной вероятностью ложных срабатываний ρлож (при этом k<n и выбирают как наибольшее число, при котором выполняется условие ρ л о ж 0.5 k Σ i = k n C n i
Figure 00000023
, где C n i
Figure 00000024
- число сочетаний i по n : C n i = n ! i ! ( n i ) ! )
Figure 00000025
, с пороговым значением Yпор сравнивают значение корреляционной функции Yj>Yпop, определяют наличие сигнала в случае, если значение корреляционной функции превышает пороговое значение.The technical result is achieved by receiving a signal s (t) with an average frequency f s and a frequency band Δf, filtering and equalizing its amplitude, generating a reference signal s 0 (t), and calculating the correlation function Y (t) between the reference signal s 0 ( t) and a filtered signal with aligned amplitude s c (t) by multiplying them Y (t) = s c (t) s 0 (t), integrate the correlation function Y (t), according to the invention, the signal s (t) is received, digitized the signal is obtained at k , the amplitudes are pre-aligned y ˙ k = s i g n [ y k ] ,
Figure 00000010
Where s i g n [ x ] = { + one P R and x 0 - one P R and x < 0 ,
Figure 00000011
perform an offset to the low-frequency region and determine the real component
Figure 00000012
and the imaginary component of the signal
Figure 00000013
(f s is the average frequency of the processed noise-like phase-shifted signal, f d is the sampling frequency of the signal processing system, N s is the length of the processing window, should be an integer number of periods in the samples of the sampling frequency, i.e., N s = n · T s · f d , where n = 1, 2, 3 ...), for the received signal y ˜ j = A j + i B j
Figure 00000014
( i = - one
Figure 00000015
- imaginary unit) high-frequency components suppress the low-pass filter,
Figure 00000016
- impulse response of the filter, N f - length of the impulse response of the filter), carry out the operation of decimation of the sampling frequency in increments of N d signal
Figure 00000017
where N d is the sampling step equal to the ratio of the sampling frequency f d of the original signal and the double cutoff frequency N d = f d 2 f c p = f d Δ f ,
Figure 00000018
after which the sampling frequency of the signal becomes equal to f d2 = 2f cp = Δf, the signal amplitudes are equalized again y ˙ j d = s i g n [ y j d ]
Figure 00000019
and for the received signal y ˙ l d
Figure 00000020
calculate the value of the correlation function Y j = k = one N c p y ˙ j d m k ,
Figure 00000021
where N cp is the duration of the processed signal in samples of the sampling frequency f d2 , m k is the reference signal of the correlator in sign form, the threshold value is calculated Y P about R = n - 2 k n
Figure 00000022
, where n is the number of characters in the modulating pseudorandom sequence, k is an integer determined by the given probability of false positives ρ boxes (in this case, k <n and is chosen as the largest number under which the condition ρ l about well 0.5 k Σ i = k n C n i
Figure 00000023
where C n i
Figure 00000024
is the number of combinations i by n : C n i = n ! i ! ( n - i ) ! )
Figure 00000025
, with the threshold value of Y then compare the value of the correlation function Y j > Y pop , determine the presence of a signal if the value of the correlation function exceeds the threshold value.

Заявляемый способ обработки гидроакустических шумоподобных фазоманипулированных сигналов включает:The inventive method of processing hydroacoustic noise-like phase-shifted signals includes:

- выравнивание амплитуд сигнала, результатом которого является дискретный сигнал, принимающий одно из двух значений (1 и -1);- alignment of the amplitudes of the signal, the result of which is a discrete signal that takes one of two values (1 and -1);

- смещение сигнала в область низких частот;- signal shift to low frequencies;

- фильтрацию высокочастотных составляющих, начиная с частоты среза fср, которая определяется как половина ширины полосы частот сигнала;- filtering high-frequency components, starting with a cutoff frequency f cf , which is defined as half the signal bandwidth;

- децимацию частоты дискретизации сигнала интегральным способом до удвоенного значения граничной частоты fcp для сокращения количества вычислительных операций по обработке сигнала;- decimation of the sampling frequency of the signal in an integrated way to a double value of the cutoff frequency f cp to reduce the number of computational operations for processing the signal;

- вторичное выравнивание амплитуд сигнала, результатом которого является дискретный сигнал, принимающий одно из двух значений (1 и -1);- secondary alignment of the amplitudes of the signal, the result of which is a discrete signal that takes one of two values (1 and -1);

- знаковую корреляционную обработку полученного сигнала с опорным сигналом;- Sign correlation processing of the received signal with the reference signal;

- сравнение полученных корреляционных величин с заданным порогом.- comparison of the obtained correlation values with a given threshold.

Данный способ предназначен для обработки гидроакустического шумоподобного фазоманипулированного сигнала, модулируемого по методу прямой последовательности с целью обнаружения сигнала заданной формы и оценки его временной задержки (момента прихода).This method is intended for processing a hydroacoustic noise-like phase-shifted signal modulated by the direct sequence method in order to detect a signal of a given shape and evaluate its time delay (time of arrival).

При реализации способа выполняется выравнивание амплитуд принятого сигнала, представленного в дискретной форме, реализующее знаковую функцию:When implementing the method, equalization of the amplitudes of the received signal is presented, presented in a discrete form, which implements a sign function:

y ˙ k = s i g n [ y k ] ,

Figure 00000026
y ˙ k = s i g n [ y k ] ,
Figure 00000026

где уk - это дискретные отсчеты принимаемого сигнала,where k are discrete samples of the received signal,

sign[] - знаковая функция:sign [] - sign function:

Figure 00000027
Figure 00000027

Операция выравнивания амплитуд выполняется с целью сокращения разрядности цифровых блоков, выполняющих фильтрацию, смещение полосы частот сигнала и децимацию частоты дискретизации. В способе-прототипе выравнивание амплитуд перед фильтрацией отсутствует и выполняется лишь один раз уже после фильтра.The operation of equalizing the amplitudes is performed in order to reduce the bit depth of digital blocks performing filtering, shifting the frequency band of the signal and decimating the sampling frequency. In the prototype method, amplitude equalization before filtering is absent and is performed only once after the filter.

Затем полученный сигнал смещается в область низких частот и представляется в виде квадратурной суммы:Then the received signal is shifted to the low frequency region and is represented as a quadrature sum:

y ˜ j = A j + i B j

Figure 00000014
, y ˜ j = A j + i B j
Figure 00000014
,

где Aj - реальная составляющая сигнала,where A j is the real component of the signal,

Bj - квадратурная составляющая сигнала,B j is the quadrature component of the signal,

i = 1

Figure 00000028
- мнимая единица. i = - one
Figure 00000028
- imaginary unit.

Реальная и мнимая составляющие сигнала при этом вычисляются следующим образом:The real and imaginary components of the signal are calculated as follows:

Figure 00000029
Figure 00000029

где fs - средняя частота обрабатываемого шумоподобного фазоманипулированного сигнала,where f s is the average frequency of the processed noise-like phase-shifted signal,

fd - частота дискретизации системы обработки сигнала,f d is the sampling frequency of the signal processing system,

Ns - длина окна обработки, должна равняться целому числу периодов в отсчетах частоты дискретизации, т.е. Ns=n·Ts·fd, где n=1, 2, 3…N s is the length of the processing window, must be an integer number of periods in the samples of the sampling frequency, i.e. N s = n · T s · f d , where n = 1, 2, 3 ...

Смещение в область низких частот позволяет понизить частоту дискретизации сигнала наиболее эффективно. В способе-прототипе смещение в область низких частот не используется.A shift to the low-frequency region allows you to lower the sample rate of the signal most effectively. In the prototype method, the offset to the low frequency region is not used.

Полученный сигнал y ˜ j

Figure 00000030
смещен в область низких частот и проходит через фильтр низких частот:Received signal y ˜ j
Figure 00000030
shifted to the low-frequency region and passes through the low-pass filter:

Figure 00000031
Figure 00000031

где hj - импульсная характеристика фильтра низких частот,where h j is the impulse response of the low-pass filter,

Nф - длина импульсной характеристики фильтра.N f - the length of the impulse response of the filter.

Частота среза фильтра выбирается равной половине полосы частот сигнала.The cutoff frequency of the filter is selected equal to half the frequency band of the signal.

Фильтрация позволяет повысить помехоустойчивость за счет среза высокочастотной помехи.Filtering improves noise immunity by cutting off high-frequency noise.

Далее удвоенная частота среза 2fcp (ширина полосы частот сигнала) выбирается в качестве частоты дискретизации системы после децимации частоты интегральным способом:Next, the doubled cutoff frequency 2f cp (signal bandwidth) is selected as the system sampling frequency after decimating the frequency in an integrated way:

Figure 00000032
Figure 00000032

где Nd - шаг дискретизации, равный отношению частоты дискретизации fd исходного сигнала и удвоенной частоты среза (Nd=fd/2fcp).where N d is the sampling step equal to the ratio of the sampling frequency f d of the original signal and the double cutoff frequency (N d = f d / 2f cp ).

Децимация частоты дискретизации также отличает заявленный способ обработки гидроакустического сложного фазоманипулированного сигнала от способа-прототипа. Операция децимации позволяет существенно сократить количество вычислительных операций вычисления корреляции при условии, что полоса частот принимаемого сигнала много меньше верхней частоты сигнала.Decimation of the sampling frequency also distinguishes the claimed method for processing a hydroacoustic complex phase-shifted signal from the prototype method. The decimation operation can significantly reduce the number of computational operations for calculating the correlation, provided that the frequency band of the received signal is much less than the upper frequency of the signal.

Над полученным сигналом повторно выполняется операция выравнивания амплитуд:The amplification equalization operation is performed again on the received signal:

Figure 00000033
Figure 00000033

Операция выравнивания амплитуд выполняется с целью сокращения разрядности цифровых блоков, выполняющих корреляционную обработку. Кроме того, знаковая корреляционная обработка является более помехоустойчивой в условиях небелых шумов, к которым также относятся и гидроакустические шумы.The operation of equalization of amplitudes is performed in order to reduce the bit depth of digital blocks performing correlation processing. In addition, the sign correlation processing is more noise-resistant in conditions of non-white noise, which also includes hydroacoustic noise.

Далее низкочастотный сигнал с пониженной частотой дискретизации проходит знаковую корреляционную обработку с целью выделения полезного сигнала:Next, a low-frequency signal with a reduced sampling frequency undergoes sign correlation processing in order to extract a useful signal:

Figure 00000034
Figure 00000034

где Ncp - длительность обрабатываемого сигнала в отсчетах частоты дискретизации fcp, where N cp is the duration of the processed signal in samples of the sampling frequency f cp,

mk - опорный сигнал коррелятора в знаковой форме.m k is the correlator reference signal in sign form.

Далее по заданному порогу Yпop происходит определение наличия сигнала в канале. Вычисляют пороговое значение Y п о р = n 2 k n

Figure 00000022
, где n - количество знаков в модулирующей псевдослучайной последовательности, k - это целое число, определяемое заданной вероятностью ложных срабатываний ρлож (при этом k≤n и выбирают как наибольшее число, при котором выполняется условие ρ л о ж 0.5 k Σ i = k n C n i
Figure 00000023
, где C n i
Figure 00000035
- число сочетаний i по n : C n i = n ! i ! ( n k ) ! ) ,
Figure 00000036
с пороговым значением Yпор сравнивают значение корреляционной функции Yj>Yпop, определяют наличие сигнала в случае, если значение корреляционной функции превышает пороговое значение.Next, at a given threshold, Ypop , the presence of a signal in the channel is determined. The threshold value is calculated. Y P about R = n - 2 k n
Figure 00000022
, where n is the number of characters in the modulating pseudorandom sequence, k is an integer determined by the given probability of false positives ρ boxes (in this case, k≤n is chosen as the largest number under which the condition ρ l about well 0.5 k Σ i = k n C n i
Figure 00000023
where C n i
Figure 00000035
is the number of combinations i by n : C n i = n ! i ! ( n - k ) ! ) ,
Figure 00000036
with the threshold value of Y then compare the value of the correlation function Y j > Y pop , determine the presence of a signal if the value of the correlation function exceeds the threshold value.

Описанный цикл вычислений выполняется каждый момент времени j, с частотой дискретизации системы, что позволяет детектировать сигнал в реальном времени.The described cycle of calculations is performed every moment of time j, with the sampling rate of the system, which allows the signal to be detected in real time.

Отличительными от способа-прототипа признаками заявляемого способа являются: 1) предварительное выравнивание амплитуд сигнала до операции фильтрации; 2) смещение сигнала в область низких частот; 3) децимация частоты дискретизации сигнала интегральным способом для сокращения количества вычислительных операций по корреляционной обработке сигнала; 4) способ вычисления порогового значения. Наличие отличительных от прототипа признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого способа критерию ″новизна″.Distinctive features of the prototype method of the features of the proposed method are: 1) preliminary alignment of the signal amplitudes before the filtering operation; 2) the shift of the signal to the low frequency region; 3) decimation of the sampling frequency of the signal in an integrated way to reduce the number of computational operations for correlation signal processing; 4) a method for calculating a threshold value. The presence of distinctive features from the prototype features allows us to conclude that the proposed method meets the criterion of ″ novelty ″.

Обзор известных изобретений показал, что заявленный способ обладает новым свойством, позволяющим минимизировать значение вероятности ложной тревоги, эффективно бороться с импульсной помехой и тем самым увеличить помехоустойчивость обработки гидроакустических сигналов, за счет выполнения операций в предложенной последовательности. Данное обстоятельство позволяет сделать вывод о соответствии разработанного способа критерию ″существенные отличия″.A review of the known inventions showed that the claimed method has a new property that allows to minimize the value of the probability of false alarm, to effectively deal with impulse noise and thereby increase the noise immunity of the processing of hydroacoustic signals by performing operations in the proposed sequence. This circumstance allows us to conclude that the developed method meets the criterion ″ significant differences ″.

Пример реализации способа.An example implementation of the method.

Пусть есть излучатель гидроакустического шумоподобного фазоманипулированного сигнала, модулируемого по методу прямой последовательности. Средняя частота сигнала fs=41666 Гц, ширина полосы частот сигнала, определяемая по уровню 0.1, равна Δf=10 кГц, нижняя граница спектра fн,=36166 Гц, верхняя граница спектра fB=46166 Гц, длина одного символа сигнала задана количеством периодов средней частоты сигнала Np=8, длительность сигнала τ=24,3 мс, модулирующий код из семейства М-последовательностей длины 127. Данные условия актуальны для гидроакустических систем с короткой базой, работающих в условиях мелкого моря.Let there be an emitter of a hydroacoustic noise-like phase-shifted signal modulated by the direct sequence method. The average signal frequency f s = 41666 Hz, the signal bandwidth, determined by the level of 0.1, is Δf = 10 kHz, the lower edge of the spectrum f n = 36166 Hz, the upper edge of the spectrum f B = 46166 Hz, the length of one signal symbol is specified by the number periods of the average signal frequency N p = 8, signal duration τ = 24.3 ms, a modulating code from the family of M-sequences of length 127. These conditions are relevant for short-base sonar systems operating in shallow sea conditions.

На входе приемного устройства пороговый детектор, работающий на частоте fd=192 кГц (частота современных АЦП), который осуществляет прием сигнала. Сигнал в бинарном виде, представляющий собой смесь полезного сигнала и шумовой составляющей, с выхода детектора, подвергается смещению в область низких частот (fср=0 Гц, fH=-5 кГц, fB=5 Гц), полоса частот при этом остается прежней. Полученный сигнал проходит через фильтр низких частот с частотой среза fср=5 кГц, который подавляет высокочастотные составляющие сигнала (5(f)→0 при f>5 кГц). Затем происходит сокращение частоты дискретизации исходного сигнала в целое число раз Nд, которое определяется как округленное до меньшего целого значение частного fd/2fcp, то есть в данном случае 192000/10000=19,2 и после округления Nд=19. То есть после операции децимации частота дискретизации равна 10,1 кГц, а длительность сигнала в отсчетах частоты дискретизации равна 242. После чего происходит корреляционная обработка и каждое значение корреляции подвергается сравнению с заданным порогом h=0.45. Данное значение порога было h определено при помощи методов математической статистики и обеспечивает верное срабатывание приемного устройства с вероятностью не менее 95% для SNR ≥-18 дБ в условиях белого шума или SNR≥-7 дБ в условиях небелого шума реального гидроакустического канала.At the input of the receiving device, a threshold detector operating at a frequency f d = 192 kHz (the frequency of modern ADCs) that receives a signal. The binary signal, which is a mixture of the useful signal and the noise component, is shifted from the detector output to the low frequency region (f cf = 0 Hz, f H = -5 kHz, f B = 5 Hz), while the frequency band remains the same. The received signal passes through a low-pass filter with a cutoff frequency f av = 5 kHz, which suppresses the high-frequency components of the signal (5 (f) → 0 at f> 5 kHz). Then, the sampling rate of the original signal is reduced by an integer number of times N d , which is defined as the value of the partial f d / 2f cp rounded to a smaller integer, that is, in this case 192000/10000 = 19.2 and after rounding N d = 19. That is, after the decimation operation, the sampling frequency is 10.1 kHz, and the signal duration in the samples of the sampling frequency is 242. After that, correlation processing occurs and each correlation value is compared with a predetermined threshold h = 0.45. This threshold value was determined using methods of mathematical statistics and ensures the correct operation of the receiving device with a probability of at least 95% for SNR ≥ -18 dB in white noise or SNR≥-7 dB in conditions of non-white noise of a real sonar channel.

Источники информацииInformation sources

1. Valery P. Ipatov, Spread Spectrum and CDMA. Principles and Applications / John Willy & Sons Ltd, 2005 - 398 p.1. Valery P. Ipatov, Spread Spectrum and CDMA. Principles and Applications / John Willy & Sons Ltd, 2005 - 398 p.

2. Linnik M.A., Karabanov I.V., Burdinskiy I.N. Threshold Methods of Sonar Pseudonoise Phase-shift Signal Detection / The First Russia and Pacific Conference on Computer Technology and Applications (Russia Pacific Computer 2010) 6-9 September, 2010 Russian Academy of Sciences, Far Eastern Branch. - Владивосток, 2010. - С.404-408.2. Linnik M.A., Karabanov I.V., Burdinskiy I.N. Threshold Methods of Sonar Pseudonoise Phase-shift Signal Detection / The First Russia and Pacific Conference on Computer Technology and Applications (Russia Pacific Computer 2010) 6-9 September, 2010 Russian Academy of Sciences, Far Eastern Branch. - Vladivostok, 2010 .-- S.404-408.

Claims (1)

Способ обработки шумоподобных фазоманипулированных сигналов, основанный на том, что принимают сигнал s(t) со средней частотой fs и полосой частот Δf, фильтруют и выравнивают его амплитуду, генерируют опорный сигнал s0(t), вычисляют корреляционную функцию Y(t) между опорным сигналом s0(t) и отфильтрованным сигналом с выровненной амплитудой sc(t) путем их перемножения Y(t)=sc(t)s0(t), интегрируют корреляционную функцию Y(t), отличающийся тем, что принимают сигнал s(t), оцифровывают сигнал, получают уk, предварительно выравнивают амплитуды y ˙ k = s i g n [ y k ] ,
Figure 00000010
где s i g n [ x ] = { 1 п р и x < 0 + 1 п р и x 0
Figure 00000037
, выполняют смещение в область низких частот и определяют реальную составляющую
Figure 00000038
и мнимую составляющую сигнала
Figure 00000039
(fs - средняя частота обрабатываемого шумоподобного фазоманипулированного сигнала, fd - частота дискретизации системы обработки сигнала, Ns - длина окна обработки, должна равняться целому числу периодов в отсчетах частоты дискретизации, т.е. Ns=n·Ts·fd, где n=1, 2, 3…), для полученного сигнала y ˜ j = A j + i B j
Figure 00000014
( i = 1
Figure 00000028
- мнимая единица) фильтром нижних частот подавляют высокочастотные составляющие,
Figure 00000040
_ импульсная характеристика фильтра, Nф - длина импульсной характеристики фильтра), проводят операцию децимации частоты дискретизации с шагом Nд сигнала
Figure 00000041
где Nд _ шаг дискретизации, равный отношению частоты дискретизации fd исходного сигнала и удвоенной частоты среза N д = f d 2 f c p = f d Δ f ,
Figure 00000042
после чего частота дискретизации сигнала становится равна fd2=2fср=Δf, вторично выполняют выравнивание амплитуд сигнала y ˙ j д = s i g n [ y j д ]
Figure 00000043
и для полученного сигнала y ˙ j д
Figure 00000044
вычисляют значение корреляционной функции Y j = Σ k = 1 N c p y ˙ j д m k ,
Figure 00000045
где Nср _ длительность обрабатываемого сигнала в отсчетах частоты дискретизации fd2, mk - опорный сигнал коррелятора в знаковой форме, вычисляют пороговое значение Υ п о р = n 2 k n
Figure 00000046
, где n - количество знаков в модулирующей псевдослучайной последовательности, k - это целое число,определяемое заданной вероятностью ложных срабатываний ρлож (при этом k<n и выбирают как наибольшее число, при котором выполняется условие ρ л о ж 0.5 k Σ i = k n C n i
Figure 00000023
, где C n i
Figure 00000024
- число сочетаний i по n : C n i = n ! i ! ( n i ) ! ) ,
Figure 00000047
с пороговым значением Yпор сравнивают значение корреляционной функции Yj>Yпор, определяют наличие сигнала в случае, если значение корреляционной функции превышает пороговое значение.
A method for processing noise-like phase-shifted signals, based on the fact that a signal s (t) is received with an average frequency f s and a frequency band Δf, filter and equalize its amplitude, a reference signal s 0 (t) is generated, a correlation function Y (t) between the reference signal s 0 (t) and a filtered signal with aligned amplitude s c (t) by multiplying them Y (t) = s c (t) s 0 (t) integrate the correlation function Y (t), characterized in that they take signal s (t), digitize the signal, get at k , equalize the amplitudes y ˙ k = s i g n [ y k ] ,
Figure 00000010
Where s i g n [ x ] = { - one P R and x < 0 + one P R and x 0
Figure 00000037
, perform an offset to the low frequency region and determine the real component
Figure 00000038
and the imaginary component of the signal
Figure 00000039
(f s is the average frequency of the processed noise-like phase-shifted signal, f d is the sampling frequency of the signal processing system, N s is the length of the processing window, should be an integer number of periods in the samples of the sampling frequency, i.e., N s = n · T s · f d , where n = 1, 2, 3 ...), for the received signal y ˜ j = A j + i B j
Figure 00000014
( i = - one
Figure 00000028
- imaginary unit) high-frequency components suppress the low-pass filter,
Figure 00000040
_ impulse response of the filter, N f - length of the impulse response of the filter), carry out the operation of decimation of the sampling frequency in increments of N d signal
Figure 00000041
where N d _ the sampling step equal to the ratio of the sampling frequency f d the original signal and the double cutoff frequency N d = f d 2 f c p = f d Δ f ,
Figure 00000042
after which the sampling frequency of the signal becomes equal to f d2 = 2f cf = Δf, the signal amplitudes are again aligned y ˙ j d = s i g n [ y j d ]
Figure 00000043
and for the received signal y ˙ j d
Figure 00000044
calculate the value of the correlation function Y j = Σ k = one N c p y ˙ j d m k ,
Figure 00000045
where N cp _ processed signal duration in samples sampling frequency f d2, m k - reference signal correlator in symbolic form, calculated threshold value Υ P about R = n - 2 k n
Figure 00000046
, where n is the number of characters in the modulating pseudorandom sequence, k is an integer determined by the given probability of false positives ρ boxes (in this case, k <n and is chosen as the largest number under which the condition ρ l about well 0.5 k Σ i = k n C n i
Figure 00000023
where C n i
Figure 00000024
is the number of combinations i by n : C n i = n ! i ! ( n - i ) ! ) ,
Figure 00000047
with the threshold value of Y then compare the value of the correlation function Y j > Y then , determine the presence of a signal if the value of the correlation function exceeds the threshold value.
RU2014111722/07A 2014-03-26 2014-03-26 Method of processing hydroacoustic noise-like phase-shift keyed signals RU2552534C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014111722/07A RU2552534C1 (en) 2014-03-26 2014-03-26 Method of processing hydroacoustic noise-like phase-shift keyed signals

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014111722/07A RU2552534C1 (en) 2014-03-26 2014-03-26 Method of processing hydroacoustic noise-like phase-shift keyed signals

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2552534C1 true RU2552534C1 (en) 2015-06-10

Family

ID=53294968

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014111722/07A RU2552534C1 (en) 2014-03-26 2014-03-26 Method of processing hydroacoustic noise-like phase-shift keyed signals

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2552534C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2807328C1 (en) * 2023-02-13 2023-11-14 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method for detecting synchronization signal of broadband hydroacoustic communication system

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU381078A1 (en) * 1971-10-13 1973-05-15 CORRELATION SIGNAL DETECTOR
US5504455A (en) * 1995-05-16 1996-04-02 Her Majesty The Queen In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of National Defence Of Her Majesty's Canadian Government Efficient digital quadrature demodulator
RU2010124522A (en) * 2010-06-15 2011-12-20 Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Тихоокеанский Государственный Университет" (Ru) METHOD FOR PROCESSING HYDROACOUSTIC NOISE-LIKE PHASOMANIPULATED SIGNALS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU381078A1 (en) * 1971-10-13 1973-05-15 CORRELATION SIGNAL DETECTOR
US5504455A (en) * 1995-05-16 1996-04-02 Her Majesty The Queen In Right Of Canada, As Represented By The Minister Of National Defence Of Her Majesty's Canadian Government Efficient digital quadrature demodulator
RU2010124522A (en) * 2010-06-15 2011-12-20 Государственное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Тихоокеанский Государственный Университет" (Ru) METHOD FOR PROCESSING HYDROACOUSTIC NOISE-LIKE PHASOMANIPULATED SIGNALS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
СКЛЯР Б Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение, 2-е издание.: Пер с англ.- М.: Издательский дом "Вильямс", 2003, с136-137, фиг.3.1. ПАРАМОНОВ А и др Цифровая обработка при когерентной демодуляции сигналов Журнал ChipNews #8 2000г " . *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2807328C1 (en) * 2023-02-13 2023-11-14 Акционерное Общество "Концерн "Океанприбор" Method for detecting synchronization signal of broadband hydroacoustic communication system

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9282525B2 (en) Frequency-domain symbol and frame synchronization in multi-carrier systems
US9516616B2 (en) Method and apparatus for estimating frequency errors
WO2008084381B1 (en) Apparatus, method and computer program product for detecting non-synchronized random access channel preamble
US10855494B2 (en) Transmitter and receiver and corresponding methods
AU2019264585B2 (en) Method and system for acoustic communication
JP4383949B2 (en) Method and apparatus for generating synchronization pulses and receiver comprising the apparatus
JP2014106058A (en) Detection and ranging device, and interference signal identification method
US9106499B2 (en) Frequency-domain frame synchronization in multi-carrier systems
CN103905085A (en) Burst hybrid spread spectrum underwater sound covert communication method
KR101881404B1 (en) receiving apparatus based on correlation width for underwater acoustic communication system with differential phase shift keying and receiving method thereof
Macnae Stripping very low frequency communication signals with minimum shift keying encoding from streamed time-domain electromagnetic data
RU2552534C1 (en) Method of processing hydroacoustic noise-like phase-shift keyed signals
WO2016012817A1 (en) Chaos based communication system using correlation multi delay shift keying
RU2595952C2 (en) Method of character synchronization when receiving code pulse modulation - phase-shift keying with familiar structure
RU2359411C2 (en) Method for noiseless reception of phase-manipulated signals
RU2571390C1 (en) Method of transmitting discrete information via hydroacoustic link in multibeam signal propagation conditions
KR101501483B1 (en) Method of blind demodulation using hopping phase estimator in hopped FM/BFSK Systems
RU2631941C2 (en) Method of simulated echo detection in radio channels
Sokolov et al. Synthesis of ultra-wideband signals receiver algorithm based on Markov theory of nonlinear filtering
RU2569554C1 (en) Protection method against harmonic interference at autocorrelated method for information reception using noise-like signals
RU2318295C1 (en) Detector of phase-manipulated pseudorandom signals
RU2543567C2 (en) Method of character synchronisation when receiving code pulse modulation or frequency keying with familiar structure
RU2532085C2 (en) Method to transmit information by noise-like signals in friend-or-foe detection system
RU2470459C1 (en) Method of detecting broadband signals and device for realising said method
RU2579984C1 (en) Method of demodulating phase-shifted signals

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20160327