Содержание к диссертации
Введение
1. Наземная система передачи информации в составе радиолокационного комплекса 13
1.1. Функционирование наземной радиосистемы передачи информации в составе радиолокационного комплекса 13
1.2. Особенности построения наземных радиосистем передачи информации с использованием широкополосных сигналов 15
1.3. Пути повышения помехозащищенности радиосистем передачи информации в составе радиолокационного комплекса 17
1.4. Выводы 24
2. Адаптивные системы приема информации по радиоканалу в условиях действия комплекса помех 26
2.1. Классификация систем комбинированной обработки сигналов 26
2.2. Показатели качества работы комбинированной системы обработки на основе многомерного согласованного фильтра 39
2.3. Показатели качества работы комбинированной системы обработки информации при использовании принципа работы с независимой адаптацией компонент 42
2.4. Показатели качества работы комбинированной системы обработки при использовании принципа работы с взаимозависимой адаптацией компонент 46
2.4.1. Анализ характеристик пространственно - временной комбинированной системы обработки в условиях действия комплексной широкополосной помехи и узкополосной помехи на фоне гауссовского шума 47
2.4.2. Применение комбинированной системы обработки для подавления широкополосных помех приходящих с направления, близкого к направлению прихода полезного сигнала 51
2.4.3. Сравнительный анализ эффективности комбинированных систем обработки сигналов, реализующих минимизацию целевой функции по критерию минимума среднеквадратичного отклонения 55
2.4.4. Определение граничных условий функционирования предложенной схемы построения КСО 62
2.5. Выводы 63
3. Имитационное моделирование комбинированной системы обработки 66
3.1. Модель пространственно-временной комбинированной системы обработки с модифицированной диаграммообразующей схемой 66
3.2. Структурная схема имитационной модели комбинированной системы обработки 75
3.3. Выводы 77
4. Синхронизация системы передачи информации 78
4.1. Особенности синхронизации устройствах обработки широкополосного шумоподобного сигнала 78
4.2. Синхронизация при действии помехи типа гауссовского шума 79
4.3. Синхронизация на основе рангового обнаружителя 81
4.4. Применение классификатора помехи при решении задачи синхронизации 87
4.5. Выводы 90
5. Реализационные основы построения радиолинии с широкополосными сигналами и комбинированной подсистемой адаптации по помехе 92
5.1. Принципы построения системы с мажоритарным кодовым уплотнением канальных сигналов 92
5.2. Структурная схема системы 96
5.3. Выводы 99
6. Выводы по диссертации 100
7. Список литературы
- Особенности построения наземных радиосистем передачи информации с использованием широкополосных сигналов
- Показатели качества работы комбинированной системы обработки при использовании принципа работы с взаимозависимой адаптацией компонент
- Структурная схема имитационной модели комбинированной системы обработки
- Синхронизация на основе рангового обнаружителя
Введение к работе
Актуальность темы. Многопозиционные радиолокационные системы (МПРЛС) получили широкое распространение в настоящее время. Одной из ключевых особенностей построения таких систем является большой пространственный разнос элементов и значительные объемы передаваемой информации между ними. Системы обмена информацией в МПРЛС могут быть организованы различными способами, в том числе с использованием высокоскоростной передачи данных по радиоканалу. Так как радиоэфир является средой, подверженной влиянию множества помех как искусственного, так и естественного происхождения, существует проблема повышения помехозащищенности системы передачи информации по радиоканалу. Актуальность данной проблемы связана с постоянным ухудшением сигнально-помеховой обстановки (СПО) вследствие увеличения количества радиопередающих устройств. Благодаря этому стали совершенствоваться методы формирования и обработки сигнала, и был совершен логический переход от систем с использованием узкополосных сигналов (УПС) к системам с использованием широкополосных сигналов (ШПС). У ШПС есть ряд неоспоримых преимуществ: возможность восстановить исходное сообщение даже в случае работы в условиях многолучевости, высокая помехозащищенность, сигналы с большой базой позволяют реализовать скрытность передачи. Недостатком такого подхода является то, что при действии мощных комплексных (смеси узкополосных и широкополосных) помех базы сигнала недостаточно для обеспечения помехоустойчивости приемопередающей системы.
Одним из подходов для обеспечения надежного функционирования системы является использование адаптивных систем и алгоритмов. Адаптация может проводиться по нескольким критериям: направление прихода, поляризация или частота. Логично предположить, что возможность объединения этих критериев позволит достигнуть большего выигрыша по сравнению с существующими системами, обеспечивающими обработку сигнала только по одному признаку.
Целью диссертационной работы является исследование путей повышения помехозащищенности радиосистем передачи информации между звеньями многопозиционного радиолокационного комплекса в условиях изменяющейся сигнально-помеховой обстановки и действия комплекса помех.
В соответствии с поставленной целью в работе решаются следующие задачи:
-
Разработка метода повышения помехозащищенности радиолинии на основе использования пространственно-временной комбинированной системы обработки (КСО) ШПС.
-
Анализ характеристик звеньев пространственного и режекторного фильтров, входящих в состав модифицированной пространственно-временной комбинированной системы обработки.
-
Создание имитационной модели, описывающей работу комбинированной системы с предложенной диаграмообразующей схемой на основе введенного ограничения амплитудно-фазового распределения сигнала по раскрыву антенной решетки.
-
Разработка структурной схемы высокоскоростной системы передачи информации между звеньями МПРЛС с использованием методов адаптации по помехе, беспоисковой синхронизации и структурного уплотнения ШПС
Методы исследований. При решении поставленных задач использован аппарат математического анализа, теории вероятностей, численного моделирования, вычислительной математики и программирования. Основные теоретические результаты проверены путем имитационного моделирования на ЭВМ.
Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем:
-
На основе оценки факторов, влияющих на помехозащищенность канала обмена информацией в составе МПРЛС, обоснован выбор метода повышения помехозащищенности с использованием комбинированных систем обработки.
-
Предложено ввести ограничения на амплитудно-фазовое распределение сигнала по раскрыву антенной решетки пространственно-временной КСО для решения задачи повышения помехозащищенности канала обмена информацией в случае действия комплекса помех, приходящих с направления, близкого к направлению прихода полезного сигнала.
-
Произведена оценка помехозащищенности системы обмена информацией, использующей предложенный алгоритм формирования диаграммы направленности (ДН), комбинированную систему обработки (КСО) и критерий минимизации среднеквадратичного отклонения (МСКО).
-
Проведено сравнение с оптимальным пространственным фильтром. Подтверждена целесообразность применения адаптивной модифицированной КСО в условиях изменяющейся сигнально-помеховой обстановки (СПО).
-
С использованием математического аппарата и методов имитационного моделирования доказывается эффективность выбранной адаптивной комбинированной схемы. Получены графики диаграммы направленности и амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) адаптивной комбинированной системы обработки (КСО) для различных вариантов сигнально-помеховой обстановки (СПО).
Практическая значимость диссертационной работы состоит в следующем:
-
Разработан метод повышения помехозащищенности радиолинии на основе использования пространственно-временной комбинированной системы обработки (КСО) ШПС;
-
Повышена помехозащищенность системы обмена информацией между звеньями МПРЛС в случае, когда направление прихода полезного сигнала и помехи отличаются незначительно за счет ограничений, введенных на амплитудно-фазовое распределение (АФР) сигнала по апертуре антенной решетки.
-
В результате имитационного моделирования получены количественные оценки помехозащищенности для предложенной схемы КСО.
-
Разработана структурная схема высокоскоростной системы обмена информацией между звеньями МПРЛС, использующей предложенную адаптивную КСО, подсистему беспоисковой синхронизации с классификатором помех и структурным уплотнением канальных ШПС.
Вариант приемо-передающей системы с предложенным подходом к построению адаптивной КСО, подсистемой беспоисковой синхронизации с классификатором помех и структурным уплотнением ШПС позволил решить задачу повышения помехозащищенности высокоскоростной передачи информации в радиолинии с комплексом помех для звеньев МПРЛС, разнесенных в пространстве.
Реализация и внедрение результатов исследований. Настоящая диссертационная работа выполнена при проведении НИР: «Исследование применения комбинированной обработки принимаемых широкополосных шумоподобных сигналов для повышения пропускной способности и помехоустойчивости систем передачи информации по радиоканалам с комплексом помех» (НИР 209.02.01.003), проводившейся в НУК РЛМ МГТУ им. Н.Э. Баумана в соответствии с техническим заданием на НИР в 2004 - 2006 годах. Работа продолжает исследования, проводившиеся в НИИ РЛ МГТУ при выполнении ряда НИР, направленные на создание средств связи, обеспечивающих помехозащищенность при передаче информации в условиях действия комплекса помех. Результаты численных исследований, приведенные в работе, использованы при проведении НИР «Насилие», головной исполнитель НИИ РЭТ, что подтверждается соответствующими актами о внедрении.
Апробация результатов. Основные результаты доложены и обсуждены на следующих конференциях: «Студенческая весна» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004, 2005, 2006 г.), на заседаниях «Ассоциации документальной электросвязи» в секции «Повышение эффективности использования радиочастотного спектра» (Москва, 2008-2009 г.), а также на международной конференции «Нормативно-правовые аспекты использования радиочастотного спектра — 2009» (пос. Ольгинка, 2009 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы статьи в следующих журналах, входящих в перечень ВАК:
-
«Мобильные системы» № 11 ноябрь 2006;
-
«Вестник МГТУ им. Н.Э.Баумана, серия «Приборостроение»,
№ 1 (66) 2007; -
«Век качества», ноябрь – декабрь № 6 2009;
-
«Век качества», май – июнь №3 2010.
А также в журналах:
-
«Документальная электросвязь» ноябрь, 2008;
-
«Документальная электросвязь» ноябрь, 2009.
Результаты работы включены в отчеты по вышеуказанным НИР и отражены в тезисах перечисленных выше докладов на конференциях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 110 страницах машинописного текста, содержит 37 рисунков, 2 таблицы, 93 формулы и список литературы.
Особенности построения наземных радиосистем передачи информации с использованием широкополосных сигналов
Известно [2, 3, 6, 7], что многие проблемы, возникающие в системах передачи информации, могут быть решены при использовании широкополосных шумоподобных сигналов (ШПС). Основной идеей использования передачи информации с расширением спектра, является возможность расширения спектра полезной информации в полосу, превышающую во много раз полосу сигнала сообщения. В результате такого преобразования, обеспечиваются следующее преимущества:
1. обеспечение доступа к общему каналу передачи информации нескольким пользователям в один и тот же момент времени;
2. снижение влияния интерференции сигналов вследствие эффекта многолучевости в радиоканале на качество приема сообщений;
3. возможность раздельного приема одного или ряда запаздывающих лучей в условиях действия многолучевости повышает помехоустойчивость приема ШПС;
4. обеспечение высокой помехозащищенности систем передачи информации в сложной сигнально - помеховой обстановке;
5. благодаря частотной избыточности, система с использованием ШПС успешно работает при наличии в полосе ряда узкополосных помех. Пораженные участки спектра могут быть вырезаны без ущерба функционирования основной системы.
В большинстве случаев базовым методом обработки сигналові позволяющим повысить помехоустойчивость, является метод корреляционной обработки (согласованной фильтрации) сложных сигналов или сигналов с расширением спектра [8, 9, 10, 11, 12].
Применение ШПС в системе обмена информацией между разнесенными позициями и пунктом обмена информацией в составе МПРЛС дает также дополнительные преимущества, такие как: 1. независимость защитных свойств методов корреляционной обработки сигналов с расширенным спектром от количества станций помех, режимов их работы и пространственного положения; 2. высокую помехоустойчивость радиоэлектронных систем с использованием ІІШЄ при воздействии широкого класса помех; 3. высокую энергетическую и структурную скрытность систем связи, управления и ретрансляции, использующих сигналы с расширенным спектром с большими базами; 4. возможность простого и эффективного решения задачи многостанционного доступа к радиоканалу большого числа пространственно-распределенных позиций МПРЛС, а также возможность реализовать одновременную передачу с кодовым разделением для увеличения пропускной способности систем передачи информации; 5. возможность реализации адресного режима передачи информации; 6. возможность создания совмещенных радиоэлектронных средств (информационных, измерительных), что является важным для перспективных систем связи и управления и т.д.
Главной особенностью использования рассмотренных типов сигналов является необходимость начальной синхронизации приемного и передающего устройствпо времени задержки и частоте [8, 13], особенно при больших значениях неопределенности по этим параметрам. Без успешного завершения режима поиска ШПС и вхождения в синхронизм невозможно функционирование радиоэлектронной системы по целевому назначению. Необходимо отметить, что режим поиска сигнала является наиболее уязвимым режимом работы радиоэлектронной системы. К недостаткам использования ШПС можно отнести:
1. необходимость проведения этапа поиска и синхронизации, длительность которого зависит от условий сигнально-помеховой обстановки;
2. уязвимость по отношению к преднамеренным помехам на этапе поиска и синхронизации;
3. снижение пропускной способности, пропорциональное выигрышу в помехоустойчивости, что не всегда приемлемо.
В силу присущих методам обработки ограничений, ни один из них не позволяет в полной мере для произвольных условий сигнально-помеховой обстановки решить проблемы помехоустойчивости и электромагнитной совместимости систем связи и управления при заданных ограничениях на пропускную способность.
Это, в свою очередь, указывает на необходимость комбинированного (совместного) использования известных методов подавления помех с целью максимального снижения влияния ограничивающих факторов на качество подавления и достижения максимальной помехоустойчивости за счет наращивания числа параметров, по которым производится обработка.
Пути повышения помехозащищенности радиосистем передачи информации в составе радиолокационного комплекса Следует отметить, что в некоторых случаях, особенно при воздействии на систему мощных широкополосных помех применение только ШПС не позволит обеспечить помехозащищенность канала обмена информацией. Для успешного решения задачи, наряду с использованием нескольких методов подавления помех (например, селекции по времени и поляризации), приемопередатчик должен изменять свои характеристики в соответствии с действующей сигнально - помеховой обстановкой. Такую коррекцию параметров устройства обработки можно реализовать в рамках направления адаптивной обработки сигналов.
Адаптивная обработка сигналов является одним из способов решения ряда проблем в радиотехнических системах [5]. Интерес к адаптивной обработке сигналов повышается в связи с возможностями подавления мешающих сигналов без априорных сведений об их параметрах. Адаптация есть процесс целенаправленного изменения параметров, структуры или свойств системы на основании информации, получаемой в процессе выполнения основных задач, с целью достижения оптимального функционирования при изменяющихся условиях [14].
В общем случае адаптивная система представляет собой замкнутый контур, содержащий объект управления, устройство контроля/идентификации, решающее устройство и устройство управления. Устройство контроля (идентификации) (рис. 1.3) обеспечивает распознавание (контроль) характеристик объекта управления и приложенных к нему возмущающих воздействий. В процессе идентификации определяются средние значения случайных функций, дисперсий, корреляционных функций и т.д.
Показатели качества работы комбинированной системы обработки при использовании принципа работы с взаимозависимой адаптацией компонент
Критерий качества определяют, как правило, на основе сопоставления! решений, характеризующихся различной степенью достижения цели, в нашем случае обработки сигналов. Сопоставление различных систем обработки производится на основе измерения и анализа совокупности показателей качества. Показатель качества определяют как меру степени соответствия реального результата функционирования системы обработки требуемому [24, 25, 26].
В общем случае качество работы приемных устройств РЭС характеризуется большой совокупностью показателей, основными из которых являются: помехоустойчивость, пропускная способность, надежность, масса и габариты, стоимость.
Показатели качества являются физическими величинами, которые можно измерить и которые количественно характеризуют качество приема полезного сигнала, оценки его параметров и т.д. За показатели качества могут быть приняты средний квадрат ошибки выходного сигнала системы обработки от эталонного, отношение сигнал/шум (ОСШ) на выходе системы обработки и т.д. Целевой называется функция, с помощью которой описывается зависимость показателя качества от весовых коэффициентов и структуры системы обработки.
Для достижения заданного критерия качества в условиях априорной неопределенности применяются различные методы и алгоритмы адаптации, представляющие собой реализацию конкретного метода достижения требуемого критерия качества. Отклик на выходе согласованного фильтра является выходным сигналом КСО, к которому предъявляются различные требования, например, по искажениям формы сигнала, относительному уровню и т.д. Выходной сигнал поступает на вход детектора, а затем на вход схемы принятия решения (СПР). В зависимости от решаемой задачи (например, задачи поиска (входа в синхронизм) сигнала, приема сигнала)
СПР определяет наличие или отсутствие сигнала в принятой смеси Х, либо определяет какой информационный символ из М-ичного ансамбля (в общем случае) переносит полезный сигнал. Первая задача относится к обнаружению сигнала, а вторая — к приему полезной информации. Блок управления осуществляет общую координацию процессов функционирования приемного устройства. В частности, он определяет режим функционирования — поиск или прием сигнала, задает решающее правило для СПР, управляет длительностью обработки сигналов в согласованном фильтре, изменяет алгоритм функционирования адаптивного процессора и его параметры в соответствии с изменением режима и условий.
Таким образом, здесь рассматриваются комбинированные системы обработки сигналов, реализующие методы обработки сигналов, выполняемые до операции детектирования.
В качестве классификационных признаков КСО используем признаки компонент (фильтров и адаптивного процессора). Тогда КСО можно разделить на классы (рис.2.4) [5].
По типу преобразований сигналов различаются линейные и нелинейные КСО. По количеству компонент выделяют одно-, двух- и многокомпонентные КСО. Такое разделение по количеству компонент оказывается оправданным из-за наличия существенных особенностей, а также важности анализа двухкомпонентных и трехкомпонентных КСО, принципы построения и функционирования которых в значительной мере распространяются на многокомпонентные системы. По физической природе различаются пространственные, поляризационные, временные (частотные) компоненты обработки и их всевозможные комбинации. Как следует из классификации КСО (рис 2.4), возможно построение многокомпонентной пространственной КСО. Такое построение осуществляется каскадно и позволяет существенно уменьшить количество управляемых элементов. Адаптивные КСО
По принципу организации выделения сигнала различаются компенсационные, фильтрационные, экстраполяционные и КСО, использующие комбинацию указанных принципов. По типу адаптации различаются КСО функциональной и структурной адаптацией.
Особенностью комбинированных систем неквадратичность целевой функции, и, многоэкстремальность. Все методы адаптации КСО принадлежат к итеративным методам. При их классификации производится разделение на методы непосредственного вычисления весовых коэффициентов, непосредственного обращения корреляционной матрицы, градиентные методы, методы с применением нелинейных правил принятия решения и их комбинации.
Критерии адаптации включают в себя методы, реализующие критерий минимума среднеквадратичного отклонения (МСКО), критерий максимума отношения сигнал\шум (МСШ), критерий максимума правдоподобия, критерий минимума дисперсии шума и критерии с ограничениями на область изменения весовых коэффициентов.
Структура КСО может быть описана следующими характеристиками: составом и порядком включения компонент (составляющих) обработки сигналов, структурными параметрами составляющих, взаимосвязями компонент с адаптивным процессором, сведениями о том, по какому параметру (или параметрам) осуществляет обработку та или иная составляющая и т.д. В зависимости от вида физических параметров КСО относят к пространственным, пространственно-временным, поляризационно-пространственным, пространственно-поляризационным и другим системам обработки. Количество компонент К показывает, сколько составляющих обработки используется в составе КСО.
Число элементов компоненты Ni характеризует сложность реализации и потенциальные возможности по обработке сигналов. Среди всех элементов будем выделять управляемые, которые определяют возможности по адаптации к изменяющимся условиям. Отношение числа управляемых элементов Nyi к общему числу элементов фильтра называют коэффициентом управляемости:
Структурная схема имитационной модели комбинированной системы обработки
Источником информации для приемных устройств радиоэлектронных систем является электромагнитное поле полезного сигнала. Вследствие наличия помеховых компонент, принимаемую совокупность можно представить в виде: мультипликативная помеха, вызванная условиями распространения радиосигнала; umua(t,p)- электромагнитное поле і-ой аддитивной помехи; n(t,p)- гауссовский шум. К основным параметрам, влияющим на поведение имитационной модели пространственно-временной КСО будем относить: направление прихода сигнала относительно нормали к раскрыву антенной решетки, мощность принимаемого сигнала и помех, время задержки одного элемента временной компоненты (интервал корреляции). При рассмотрении модели не учитывалось влияние быстрых и медленных замираний при распространении электромагнитной волны в пространстве, а также ее поляризация. Взаимная корреляция широкополосной помехи и сигнала на выходах линий задержки равна нулю. Классы помех ограничим широкополосными помехами, и помехами типа гауссовский шум. Апертуру антенной решетки, представляющей собой пространственную компоненту КСО, совместим с плоскостью хОу, начало системы координат совместим с первым антенным элементом. За основу для модели взята эквидестантная линейная антенная решетка излучателей (рис. 3.1). При комбинированной обработке предусматривается обработка электрических процессов на выходах отдельных антенных элементов. Пространственно - временные сигналы по своим свойствам разделяют на два типа: пространственно узкополосные и пространственно - широкополосные. Для первого типа сигналов влиянием разности времени распространения сигнала по апертуре антенной системы на огибающую сигнала можно пренебречь. -физический размер апертуры, с-скорость света, AF -полоса сигнала. Для пространственно-широкополосных сигналов данное условие не выполняется. В дальнейшем рассматриваются пространственно— узкополосные сигналы, которые позволяют записать принимаемый антенной решеткой сигнал в векторной форме: форма сигнала, bTs=[bl Ь2 ... bNa]-вектор амплитудно-фазового распределения сигнала, iVa-число антенных элементов. Для линейных антенных решеток элементы bs можно переписать
Методы оптимальной обработки сигналов в антенных решетках можно разделить на два больших класса: 1) реализуемые при идеальных и 2) при неидеальных условиях (при наличии неоднородности распространения). Идеальные условия распространения характеризуются тем, что распространение энергии сигнала происходит в идеальной, неслучайной, недиспергирующей среде, когда волновой фронт полезного сигнала является плоским (или сферическим) и элементы приемной антенной решетки не вносят искажений. Любое ухудшение эффективности, обусловленное отличием действительных условий работы от предполагаемых идеальных условий, минимизируется путем использования дополнительных методов (например, ограничений). В случае, когда система работает в упомянутых идеальных условиях, согласование с полезным сигналом обеспечивается весовым суммированием сигналов элементов решетки.
Моделирование процессов адаптации КСО во временном фильтре требует использования дискретной модели сигнала, задаваемой вектором: число линий задержки, т3 - интервал линии задержки. Помехи от точечных источников по отношению к ширине спектра полезного сигнала также разделяются на узкополосные и широкополосные. Для узкополосных помех ширина спектра помехи много меньше ширины спектра сигнала, а для широкополосных-сравнима.
В простейшем случае узкополосная помеха моделируется в виде гармонического сигнала со случайной начальной фазой: случайная начальная фаза, са = 2т# п- частота узкополосной помехи, А = j2P}n - амплитуда узкополосной помехи. Для всех принимаемых сигналов, кроме полезного и узкополосных помех, принимается модель гауссовского распределения мгновенных значений. Дискретную модель строим с учетом постоянства огибающей в процессе распространения по антенной апертуре: иуя(0="уя(0
При моделировании пространственно-временной КСО, все помеховые сигналы разделяются на помехи от внешних точечных источников, внешний и внутренний шумы. За основную модель внутреннего шума примем гауссовский шум с постоянной спектральной плотностью на всех частотах. Мощность шума в полосе приемника: постоянная Больцмана, Та - шумовая температура антенны,- которая складывается из нескольких составляющих, обусловленных собственными шумами приемника, излучением окружающей среды и так далее.
Получим корреляционные и взаимокорреляционные матрицы, соответствующие различным типам сигналов и элементам пространственно-временной КСО. Корреляционная матрица помех от точечных источников может быть представлена для сигнала (52) в виде
Синхронизация на основе рангового обнаружителя
Один из классификационных параметров является тип модуляции. В отличие от демодулятора сигналов, где требуются точные знания несущей частоты, ширины спектра сигнала, типа и всех параметров модуляции, классификатор сигналов требует не намного более точной информации о несущей частоте сигнала и его спектре, чем требует энергетический обнаружитель.
Наиболее перспективным на сегодняшний день является подход, который использует спектральный анализ при помощи методов цифровой обработки сигнала, таких как быстрое преобразование Фурье. При этом классификация включает в себя сравнение спектра сигнала со спектрами, ожидаемыми для каждого из типов модуляции. Так как спектр сигнала является изменяющейся во времени функцией модулирующего сигнала, то необходима какая — либо разновидность статистического сравнения.
В литературе опубликовано несколько сообщений о разработке процедур распознавания образов применительно к задаче классификации радиосигналов [59, 60, 61]. Все эти процедуры так или иначе связаны с анализом поведения мгновенной огибающей сигнала, мгновенной частоты и\или начальной фазы. Эти процедуры нашли свое успешное применение при анализе достаточно мощных сигналов, т.е. при ОСШ 20 дБ. В то же время при отношениях сигнал — шум порядка 10 дБ и менее их возможности ограничены. Отчасти, это связано с тем, что оценки упомянутых выше параметров сигнала являются смещенными в присутствии шума. Кроме того, в этих процедурах не учитывается в явном виде отношение сигнал-шум, поэтому игнорируется тот факт, что искаженные шумами сигналы более походят друг на друга, чем те же сигналы без шума, независимо от конкретного типа модуляции. Необходимо отметить, что этот метод обеспечивает достаточно увереннное решение, когда отношение сигнал-шум велико. Например, ОСШ 20 дБ обеспечивает правильное решение по классификации амплитудной модуляции и частотной модуляции с вероятностью, которая превышает 0,99 с надежностью 96%.
В ситуациях, когда полезным сигналом является ШПС, особенность которого состоит в малой спектральной плотности, наличие мощных негауссовских помех может быть зафиксировано классификатором с весьма высокой вероятностью. Это позволит принять необходимое решение об использовании соответствующих алгоритмов работы устройства беспоисковой синхронизации.
1. Задача приема информации в условиях действия комплекса помех распадается на две составляющие: поиск сигнала (или синхронизация), и непосредственно прием информации. Этап синхронизации является критически важным с точки зрения правильности оценки параметров принимаемого сигнала, так как в результате ошибки на этапе синхронизации не может быть осуществлен правильный прием. Рассматривается несколько подходов для решения указанной задачи. В работе используются следующие устройства синхронизации.
а. На основе СФ. Устройство является оптимальным в условиях действия помех типа гауссовского шума, однако, предъявляет повышенные требования к точности установки порога принятия решения. При действии негауссовской помехи, устройство синхронизации не является оптимальным.
Ь. На основе РО. Устройство проигрывает первому по энергетическим характеристикам около 1,7 дБ при действии гауссовой помехи. Если при использовании устройства синхронизации на основе СФ необходимо точно устанавливать порог, то в устройстве синхронизации на основе РО такой сложной операции не требуется. В случае помехи негауссовского типа эффективность РО оказывается выше.
2. Применение классификатора параметров помехи, действующей в канале, является перспективным направлением. На основе оценки параметров помехи обеспечивается выбор наиболее целесообразного алгоритма работы устройства синхронизации. Однако, для работы классификатора требуется достаточно высокое ОСШ.
3. В ситуациях, когда полезным сигналом является ШПС (особенность которого состоит в малой спектральной плотности), наличие мощных негауссовских помех может быть зафиксировано классификатором с весьма высокой вероятностью. Это позволит принять необходимое решение об использовании соответствующих алгоритмов работы устройства беспоисковой синхронизации. 5. Реализационные основы построения радиолинии с широкополосными сигналами и комбинированной подсистемой адаптации по помехе.
Для получения сигнала оценки в адаптивном процессоре при использовании алгоритма МСКО необходимо иметь ожидаемый полезный сигнал. Если этот сигнал совпадает с полезным, то выходной- сигнал адаптивной антенной решетки является наилучшей оценкой полезного сигнала (по минимуму СКО); при этом происходит подавление шума. Однако, на практике необходимая информация о полезном сигнале отсутствует, иначе бы не требовался приемник с антенной решеткой.
Для реализации алгоритма МСКО в приемной системе в качестве ожидаемого полезного сигнала необходимо ввести искуственный, полностью известный «опорный» или «пилот-сигнал». «Пилот-сигнал» должен иметь такие же, как у полезного входного сигнала (или по крайней мере близкие), пространственные и спектральные характеристики. Опорный сигнал не обязательно должен быть точной/копией полезного сигнала, но он должен удовлетворять следующим условиям:
1. Он должен быть сильно коррелирован с выходным полезным сигналом антенной решетки.
2. Он не должен быть коррелирован с составляющими сигнала помехи на выходе антенной решетки.
Если указанные условия выполняются, то адаптивная решетка будет работать в заданном режиме, поскольку на весовые коэффициенты влияет лишь степень корреляции между опорным сигналом и сигналами на выходах элементов решетки. Влияние фазового сдвига в цепи формирования опорного сигнала на работу системы рассмотрено в работе [63].
Адаптивная антенная решетка, в которой реализуется алгоритм МСКО с пилот-сигналом, формирует главный лепесток диаграммы направленности в направлении, определяемом параметрами пилот-сигнала. В пределах полосы частот пилот-сигнала АЧХ постоянна, а ФЧХ - линейна. К тому же в этой полосе частот адаптивная решетка будет формировать нули диаграммы в направлении на точечные источники шума.
Наряду с повышением помехозащищенности важной проблемой является обеспечение высокой скорости обмена информацией по радиоканалам в системе МПРЛС в условиях многолучевого распространения и изменяющейся СПО. Даже при использовании ШПС скорость передачи не может может превышать определенного предела из-за влияния эффекта межсимвольной интерференции. Для преодоления этого ограничения целесообразно- применять многоканальную передачу, с низкой скоростью передачи в каждом канале. Все вышесказанное приводит к необходимости поиска методов формирования канального и группового сигналов, менее чувствительных к эффекту многолучевости в радиоканале. Значительные возможности раскрываются при использовании комбинационных методов уплотнения ШПС, формируемых на основе ПСП. В таком случае может использоваться мажоритарное кодовое уплотнение. В работах [50] было-показано, что среди всех возможных логических функций объединения уплотняемых двоичных символов каналов оптимальной будет мажоритарная функция. Оптимальность здесь определяется максимально возможной долей уплотняемых каналов в групповом сигнале. При этом доли всех уплотняемых каналов оказываются одинаковыми. Рассматриваются структурные схемы устройства уплотнения и устройства разделения многоканальной системы с мажоритарным уплотнением каналов (рис. 5.1 и 5.2) соответственно. Использованы следующие сокращения и обозначения: bv..bm -источники двоичных символов сообщения, ГКС - генератор канальных сигналов, ( М) -мажоритарный элемент.
Похожие диссертации на Анализ и синтез адаптивных устройств помехозащиты в радиолиниях с широкополосными шумоподобными сигналами, входящих в состав радиолокационных комплексов
