Содержание к диссертации
Введение
1. Характер преобразования входной смеси сигнала и помехи, превышающей динамический диапазон частотно-избирательных каскадов информационно-измерительной системы 22
1.1 Анализ спектральных характеристик отклика нелинейной системы при одновременном воздействии сигнала и мощной помехи 22
1.2 Некоторые статистические характеристики комбинационной ^ компоненты на разностной частоте несущих колебаний сигнала и помехи 26
1.3 Разработка структуры оптимального обрабатывающего устройства, работающего на разностной частоте 28
1.4 Оценка погрешностей устройства обработки мультипликативной смеси сигнала и помехи 39
1.5 Выводы 44
2. Использование комбинационных составляющих для выделения квазидетерминированного сигнала на фоне мощных помех 46
2.1 Измерение параметров am сигнала в присутствии интенсивных помех 49
2.2 Обнаружение импульсных сигналов при воздействии помех, приводящих к нелинейному режиму работы частотно-избирательных каскадов приемного тракта 64
2.3 Выводы 82
3. Прием шумоподобных сигналов на фоне мощных помех 84
3.1 Особенности выделения шумового процесса на фоне непрерывных узкополосных помех, превышающих динамический диапазон рпу 86
3.2 Система защиты приемника шумоподобного сигнала от потока импульсных помех 92
3.3 Компенсация мощной шумовой помехи путем обработки в области низких частот 94
3.4 Выводы
Заключение 112
Литература
- Некоторые статистические характеристики комбинационной ^ компоненты на разностной частоте несущих колебаний сигнала и помехи
- Оценка погрешностей устройства обработки мультипликативной смеси сигнала и помехи
- Обнаружение импульсных сигналов при воздействии помех, приводящих к нелинейному режиму работы частотно-избирательных каскадов приемного тракта
- Система защиты приемника шумоподобного сигнала от потока импульсных помех
Введение к работе
Актуальность проблемы. Обнаружение радиосигналов и измерение их параметров информационно-измерительными системами (ИИС) существенно усложнилось в последнее время. Дело в том, что интенсивное развитие средств радиосвязи, радиолокации и радиоуправления привело к тому, что в условиях ограниченного пространства, на одном и том же, или на соседних участках частотного диапазона одновременно работает несколько радиосистем различного назначения. С учетом возрастающего энергетического потенциала радиопередающих средств и тенденции к увеличению чувствительности радиоприемных средств в целом, складывается ситуация, которая получила название проблемы электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств (ЭМСРЭС) [1,2].
Проблема ЭМС РЭС является определенной конкретизацией известной проблемы помехозащищенности РЭС. Фундаментальные работы В.А.Котельникова [3], Д. В. Агеева [4], И.Н. Амиантова [5] , Л.С. Гуткина [6], Ю.С. Лезина [7], В.И. Тихонова [8, 9], А.П. Трифонова [10, 11] и многих других ученых, решающие общие задачи помехоустойчивости радиоприемных устройств, подготовили обширную теоретическую базу для решения многих конкретных задач ЭМС. Тем не менее, проблема обеспечения ЭМС РЭС ставит некоторые новые задачи, определяемые спецификой совместной работы большого числа радиоэлектронных средств. -Направления решения проблемы ЭМС.
В общем случае решение проблемы ЭМС в настоящее время проводится по двум направлениям: техническими методами и организационными мероприятиями.
Организационные меры применяются, в основном, для защиты от непреднамеренных помех, создаваемых «своими» источниками. Задача обеспечения ЭМС средств комплекса должна рассматриваться как задача оптимизации совместной работы, структуры и свойств всего коллектива РТС [12]. В частности, решение проблемы может сводиться к задаче оптимизации
6 пространственного расположения РТС [13], регламентации использования частотного диапазона [14, 15], а также задаче оптимального управления параметрами сигналов и характеристик РЭС [12, 16,17].
Одним из основных путей повышения помехоустойчивости РЭС, работающих в фуппировке в условиях непреднамеренных импульсных помех является упорядочивание импульсных потоков [18]. Проводимые организационные и технические мероприятия создают условия для недопущения помех от передающих средств на вход приемных устройств за счет синхронизации передающих устройств [19] или проведения жесткой регламентации использования временного и частотного ресурса [20, 21]. При этом, однако, не решается проблема защиты от переотражений собственного излученного сигнала и приема импульсов «своих» РЭС, не охваченных организационными мерами, а также от организованных помех различной структуры и интенсивности. -Защита от помех, создаваемых системами радиоэлектронной борьбы.
Современные РЭС в определенной мере защищены от стандартного набора опасных помех, разработанных в 60-70 годах прошлого столетия. Однако, в последние двадцать лет возможности РЭБ [22] существенно возросли [23, 24]. Во-первых, за счет внедрения элементов цифровой техники появилась возможность формировать эффективные сигналоподобные помехи, затрудняющие или блокирующие процесс наблюдения РЛС в режиме обзора, и приводящие к срыву режимов автосопровождения целей. Во-вторых, в практику РЭБ внедрены принципы коллективной обороны, что позволило создавать высокоэффективные разнесенные по пространству помехи. Эффективных способов защиты от этих двух групп помех пока не найдено.
Использование цифровых каналов связи [25, 26] открыло новое направление радиоэлектронного подавления как в специальных областях их применения, так и для каналов общего пользования - это так называемые имитационные помехи, которые позволяют скрытно и несанкционированно воздействовать на устройства обработки сигналов в приемном тракте канала
связи. Одним из возможных вариантов нападения является воздействие на системы тактовой и цикловой синхронизации канала [27]. -Оценки эффективности систем защиты от помех.
Для определения качества обеспечения ЭМС РЭС необходимо исследовать эффективность защиты от помех. Оценке эффективности ИИС в условиях действия помех посвящено много работ [28-33]. В частности, в [28] определено аналитическое выражение для функции распределения времени пребывания сообщений в системе радиосвязи при ее функционировании в сложной сигнальной и помеховой обстановке. В [31] предложен метод оценки эффективности РЛС при воздействии шумовых импульсных помех. Оценка параметров импульсного сигнала, принимаемого на фоне модулирующих помех различной структуры проводится в работах А.П.Трифонова [29, 30]. Вопросы обнаружения и фильтрации импульсных сигналов, наблюдаемых на фоне шума, рассмотрены в работе [34]. В работах [35-38] рассмотрены оценки эффективности конфликтного_взаимодействия линий дискретной радиосвязи со средствами создания преднамеренных помех и источниками станционных помех различного рода в нелинейных приемниках связи (с идеальными полосовыми ограничителями на входе). Анализ комплексного воздействия аппаратурных искажений и различного рода помех в канале связи при некогерентном и когерентном приеме сигналов проводится в работах [32, 33].
Технические меры защиты от непреднамеренных и организованных помех предусматривают принятие действенных мер индивидуальной защиты РПУ. Защита от радиопомех различной природы, структуры и интенсивности базируется на отличии структуры и закономерностей изменения параметров, свойственных полезным сигналам и мешающим воздействиям. Она обеспечивается защитой от перегрузок приемников, селекцией сигнала от помех, компенсацией помех, использованием адаптивных методов защиты [39, 40].
-Помехозащищенность РЛС.
В современных бортовых РЛС для борьбы с локальными (многоточечными по пространству) помехами применяют некогерентные компенсаторы, запрещающие прохождение помеховых сигналов, если их значение в основном канале приема меньше значения в компенсационном канале с ненаправленной антенной [41]. Однако, использование принципа запрета приводит к тому, что наряду с помеховыми сигналами подавляются и полезные сигналы, отраженные от целей. Подавление помех возможно лишь при значительном угловом разносе цели и постановщика помех.
Более плодотворным способом борьбы с распределенными в пространстве помехами в однопозиционных РЛС является формирование провалов (нулей) ДН антенны в направлении на постановщиков помех, реализуемое с помощью адаптивных фазированных антенных решеток (АФАР) [41, 42, 43], либо широко применяемых в наземных и корабельных РЛС автокомпенсаторов боковых лепестков.
В реальных условиях «нули» ДНА бортовой РЛС имеют конечное значение. Как следствие, при высоком потенциале станций активных помех, обеспечиваемом мощным передатчиком и ФАР с направленным излучением, возможны ситуации, когда нескомпенсированные остатки помех будут превышать по мощности сигнал, отраженный от цели. Это может привести к подавлению сигнала от цели либо появлению ложных отметок на индикаторе в тех направлениях, где цели нет [44].
Некоторые существующие в настоящее время способы защиты бортовых РЛС от организованных помех описаны в [44]. Дополнительные возможности в борьбе с сигналоподобными и многоточечными помехами появляются при организации коллективной помехозащиты в рамках многопозиционных радиолокационных систем [45]. В [46] описан адаптивный алгоритм выделения полезного сигнала на фоне интенсивных помех произвольного вида в многоканальной приемной системе. Качество обнаружения полезного сигнала с
9 помощью этого алгоритма зависит лишь от степени линейной зависимости полезного сигнала и помех. -Проблемы помехозащищенности цифровых систем.
В последние годы значительный прогресс в телекоммуникационных технологиях достигнут благодаря переходу на цифровые виды связи и обработки информации и использованию современных видов модуляции. Преимущества цифровых технологий связи, по сравнению с аналоговыми, рассмотрены, например, в работах К.Феера [47]. Однако, проблемы помехозащищенности и ЭМС существуют и в современных системах связи.
Существенные радиочастотные помехи, присущие всем беспроводным системам, являются одним из наиболее важных параметров связи в сотовых и других системах подвижной связи. Непреднамеренные и организованные помехи разной интенсивности могут проникать в системы радиосвязи, как по основному, так и по побочным каналам приема [47, 48].
Одним из путей повышения помехоустойчивости радиотехнических систем (связи, радиолокации, радионавигации) является применение широкополосных шумоподобных сигналов (ШПС), формируемых на основе технологии расширения спектра (Spread Spectrum, SS). Расширение спектра [49, 50, 51, 52] представляет собой метод формирования сигнала с помощью дополнительной ступени модуляции, обеспечивающей не только расширение спектра сигнала, но и ослабление его влияния на другие сигналы. Примером некогерентного сигнала с расширением спектра может быть пачка радиоимпульсов, модулированных по амплитуде (АИМ), принимаемых приемником РЛС АСН. Дополнительная модуляция никак не связана с передаваемым сообщением, поэтому подобное расширение полосы не позволяет ослабить влияние аддитивного белого шума. Широкополосные системы связи (ШСС) находят применение благодаря своим потенциальным преимуществам [47,52]. Исследование помехоустойчивости ШСС проводится в [53, 54, 55].
ю При работе в линейном режиме, системы с расширением спектра
обеспечивают существенное подавление как узкополосных помех (в частности,
гармонических), так и широкополосных помех обеспечивая выигрыш при
обработке G=f(/fb , где /0 - частота следования информационных символов, fb -
скорость передачи. Выигрыш обеспечивается за счет корреляционного сжатия
спектра принятого полезного сигнала в полосе модулирующих частот при
одновременном расширении спектра помехи.
К современным методам защиты цифровых РЭС от аддитивных помех, а также от мультипликативных помех, обусловленных особенностями трасс распространения сигнала, замираний за счет многолучевого распространения сигнала, фазового шума, доплеровского сдвига частоты можно отнести использование оптимальных (квазиоптимальных) алгоритмов демодуляции цифрового сигнала [56], выбор оптимальной структуры сигнала [57], а также использование адаптивных помехоустойчивых кодов, согласованных с каналом связи [58].
Для защиты ШСС от мешающих колебаний, уровень которых превышает обеспечиваемый базой допустимый запас помехоустойчивости (уровень вероятности ошибки на бит), применяют различные методы подавления помех [54]. Указанные методы можно разделить на две группы -режекция пораженной части спектра ШПС и компенсация помехи в РПУ путем создания ее копии с последующим вычитанием созданной копии помехи из входного сигнала. Реализация этих методов защиты осуществляется, в основном, цифровым способом на промежуточной или видеочастоте РПУ. При этом полагают, что входные сверхвысокочастотные каскады РПУ преобразуют входную смесь полезного сигнала, шума и помех линейно, не внося значительных искажений в принимаемый сигнал. -ЭМС и ограниченность динамического диапазона.
Проблема ЭМС приобретает особую остроту в бортовых (корабельных, самолетных, ракетных) радиоэлектронных комплексах [59, 60]. Например, в бортовых РЛС мешающие сигналы могут поступать от собственного
11 передатчика за счет недостаточной эффективности блокировки приемного устройства. Специфика некоторых объектов вообще требует работы приемников и передатчиков на одну общую широкополосную антенну [61]. При этом реальна ситуация, при которой основное излучение радиопередающего устройства попадает в полосу побочного канала приема, а внеполосное излучение попадает в основной канал приема. Уровень мешающего воздействия, в таком случае, зачастую достаточен для нарушения нормального (линейного) режима работы приемных устройств.
В условиях растущего количества работающих радиотехнических систем беспроводной связи, которое наблюдается в последнее десятилетие, возникают ситуации, когда уровень помех, поступающих на вход ШСС, превышает возможности динамического диапазона (ДД) ПУ. Аналогичная ситуация возможна в случае целенаправленного подавления действующей ШСС мощной узкополосной помехой (УП), поскольку именно УП постановщику помех легче всего генерировать. В этом случае входные СВЧ каскады ПУ, а именно малошумящий усилитель (МШУ) и смеситель переходят в нелинейный режим работы. Искажения полезного ШПС, возникающие вследствие нелинейных преобразований во входных каскадах ПУ, невозможно компенсировать последующей цифровой обработкой, так как характер таких искажений трудно предсказуем. Следовательно, возникает необходимость дополнительной защиты входных каскадов ШСС от воздействия мощных помех. -Воздействие мощных помех и нелинейные эффекты.
Воздействие на приемное устройство мощных помех может привести к значительным изменениям в режимах работы отдельных каскадов, к проявлению существенных нелинейных эффектов, значительно ухудшающих качество выделения полезной информации из входной смеси.
Исследованию нелинейных эффектов, сопровождающих прохождение сигнала большой мощности (или смеси сигнала и помехи) по приемному тракту посвящено достаточно много работ. Подробно исследованы явления перегрузки
12 усилительных устройств [62], перекрестные искажения и явление интермодуляции [63], вопросы образования комбинационных частот [64], явление подавления слабого сигнала в детекторе [65], проведен анализ взаимной модуляции в полупроводниковом смесителе [66-68], эффекты потери чувствительности в приемном тракте [69-72] и т.д.
Основные результаты этих исследований систематизированы в работах [73, 48, 74]. Отметим, что в определенной степени изучены нелинейные явления в оконечных усилительных каскадах, так как обычно предполагалось, что на преобразовательные каскады и на первые каскады усилителя поступают сравнительно слабые сигналы, и эти каскады не перегружены. Нелинейные эффекты (характеристики интермодуляции 3-го порядка и перекрестные искажения), возникающие в смесителе при различных режимах работы, а также методы их уменьшения остаются в поле зрения исследователей и в настоящее время [75].
Широкое использование в современных РЭС цифровой обработки сигналов, важным элементом которой являются аналого-цифровые преобразователи, требует принятия в рассмотрение нелинейных и инерционных свойств АЦП, проявляющихся в виде возникновения комбинационных компонент при преобразовании суммы нескольких сигналов, по крайней мере, один из которых значительно превышает другой [76]. -Существующие методы борьбы с мощными помехами.
Арсенал средств защиты от помех, не превышающих динамический диапазон РПУ разработанный до настоящего времени, достаточно широк [39]. Однако, в большинстве существующих методов, обработка смеси сигнала с помехой производится либо на промежуточной частоте, либо на видеочастоте. Это основывается на линейном преобразовании смеси с сигнала с помехой в каскадах РПУ, что, вообще говоря, не всегда справедливо, особенно в том случае, когда уровень помехи превышает динамический диапазон входного усилителя.
Разработанные к настоящему времени технические методы и способы борьбы с мощными помехами можно свести к двум основным направлениям.
Первый путь включает в себя различные способы по недопущению воздействия помехи на РГГУ (или существенного ослабления уровня мешающего сигнала). Второй путь заключается в соответствующей обработке в самом приемном устройстве входной смеси с целью наилучшего выделения полезной информации.
В первом случае, для предотвращения попадания мощной помехи на вход РПУ используются различного рода преселекторы [77] компенсационные схемы [78] и схемы быстрой перестройки частоты [79]. Эти методы, по-видимому, малоперспективны в условиях все возрастающих мощностей помех. Использование специальных преселекторов неперспективно в первую очередь по экономическим соображениям: размер, вес, стоимость [2] использование же компенсационных схем ограничено их недостаточным быстродействием [78] или малым динамическим диапазоном [39].
Защиту РЭС от воздействия узкополосных помех (УП), уровень которых превышает границы динамического диапазона приемного устройства, необходимо осуществлять во входных каскадах РПУ, до малошумящего усилителя и смесителя. Непрерывные узкополосные помехи могут быть подавлены на входе приемника с помощью режекторных фильтров (РФ) [80, 81, 82]. Использование РФ на входе для подавления мощных помех, ширина спектра которых значительно меньше ширины спектра полезного сигнала AFyn« AF, рекомендуется также для современных систем связи с ШПС [83].
Современные технологии позволяют создавать высокодобротные узкополосные РФ (например, на диэлектрических резонаторах [84], либо на основе ядерного магнитного резонанса [85]). Для защиты РПУ от мощных нестационарных узкополосных помех можно использовать блоки таких фильтров или перестраиваемые режекторные СВЧ фильтры [84].
Максимально возможное количество УП в системе ШПС, которые могут быть подавлены указанным способом, зависит от ширины спектра полезного
сигнала, ширины полосы режекции каждого фильтра и величины порогового уровня основного пика корреляционной функции, при котором происходит обнаружение полезного сигнала, принятого в конкретной системе. В системе без расширения спектра (с базой AFT=\), режекция может привести к полному блокированию узкополосного полезного сигнала, при совпадении несущей частоты сигнала с частотой режекции. Неприемлемо использование РФ, выполненных на активных элементах при воздействии мощных импульсных помех, так как возникающие нелинейные эффекты могут привести к полному запиранию тракта.
В приемниках радиосвязи для борьбы с импульсными помехами (ИП) большой амплитуды и малой длительностью используются устройства, выполненные по схеме ШОУ (Широкополосный усилитель - амплитудный Ограничитель - Узкополосный усилитель), ШПУ (Широкополосный усилитель - Прерыватель - Узкополосный усилитель) [39]. В частности, системы ШОУ используются для защиты от импульсных помех в современных приемниках стандарта CDMA [86].
Еще одним из распространенных способов защиты приемников от импульсных помех (ИП) является бланкирование [87]. Бланкирование помехи является эффективным способом подавления ИП разной интенсивности (в т.ч. и превышающих динамический диапазон РПУ) и обычно осуществляется прерывателем, расположенным перед защищаемым каскадом. Импульсы управляющего напряжения формируются в дополнительном канале выделения помехи. В системах с бланкированием реальна ситуация, когда из-за эффекта последействия и потери чувствительности, длительность управляющих импульсов больше длительности импульсов помехи. Вследствие этого, приемник будет закрыт для приема полезного сигнала, следующего непосредственно за помехой. Эффект последействия и потери чувствительности может быть устранен (или значительно снижен) путем использования специальных технических решений [88-91].
Оценки эффективности перечисленных систем защиты от ИП приведены в работах [92, 93], где показано, что общим свойством систем подавления ИП является ухудшение их эффективности при воздействии на них помех, по своей структуре приближающихся к "неимпульсным", причем, чем выше устойчивость любой системы подавления к ИП, тем более ухудшается её устойчивость к неимпульсным помехам. Системы с бланкированием и устройства ШПУ в условиях непрерывных помех вообще теряют свою работоспособность.
Во втором случае, как правило, решается задача расширения динамического диапазона усилительного устройства и последующая компенсация помехи, находящейся в аддитивной смеси с сигналом [79]. Для расширения динамического диапазона усилительных каскадов широко используются схемы автоматической регулировки усиления АРУ, линеаризирующие каскады, логарифмические усилители и т.д. В работе [94] подробно рассматриваются преимущества и недостатки этих способов. Отметим только, что автоматическая регулировка мощности (АРМ) и схемы АРУ заметно уменьшают способность приемного устройства выделять слабый сигнал на фоне сильной помехи, увеличивая, при этом инерционность приемного устройства. Нелинейные методы линеаризации приводят к явно выраженным усложнениям схемы [95, 96] , которые становятся еще более значительными, если синтез линеаризуемых элементов проводить на основе теории нелинейной фильтрации [97].
Необходимо отметить, что возможности рассмотренных способов в части дальнейшего расширения динамического диапазона ограничены, т.к. они становятся малоэффективными именно в режиме большого входного сигнала [94, 95, 96]. Поэтому поиск новых, более эффективных и приемлемых для бортовой аппаратуры методов расширения динамического диапазона приемных устройств и способов борьбы с помехой большой мощности представляют актуальную задачу современной радиотехники.
Диссертация посвящена рассмотрению ряда вопросов, связанных с эффектами, возникающими в РПУ при воздействии помех большой мощности,
16 разработке некоторых способов расширения динамического диапазона отдельных каскадов приемного тракта РПУ и способов борьбы с помехами большой мощности.
Целью работы является разработка способов выделения полезной информации на выходе приемного тракта информационно-измерительной системы, работающей в нелинейном режиме, обусловленном воздействием помехи, превышающей динамический диапазон частотно-избирательных каскадов.
Для достижения поставленной цели в работе были решены следующие задачи:
Изучение спектральных и статистических характеристик отклика системы, имеющей квадратичную нелинейность при одновременном воздействии сигнала и помехи, превышающей динамический диапазон частотно-избирательных каскадов;
Обоснование структуры оптимального выделения сигнала из смеси сигнала с помехой на разностной частоте несущих сигнала и помехи и оценка погрешностей предложенного алгоритма;
Разработка способов и принципов построения устройств, основанных на использовании комбинационных компонент нелинейного взаимодействия сигнала и помехи для индивидуальной защиты приемников сигналов с амплитудной, импульсной и амплитудно-импульсной модуляцией от воздействия мощных непрерывных, импульсных и шумовых помех. Оценка эффективности предложенных методов защиты;
Разработка принципов построения устройств защиты приемников шумоподобных сигналов от воздействия мощных узкополосных, импульсных и шумовых помех.
Экспериментальные исследования и компьютерное моделирование синтезированных устройств защиты РТС от мощных помех.
Методы исследования:
Для решения поставленных задач используются методы вариационного исчисления; спектрального и корреляционного анализа; экспериментальные исследования с применением радиотехнических устройств, устройств управления на основе персональных ЭВМ; математическое компьютерное моделирование с использованием пакетов цифровой обработки сигналов и с использованием программ, разработанных автором. Научная новизна работы.
Разработан алгоритм оптимального выделения огибающей AM сигнала из мультипликативной компоненты, выделяемой на разностной частоте несущих колебаний AM сигнала сос и AM помехи соп, и предложена структура оптимального приемника, реализующего этот алгоритм в условиях отсутствия априорной информации о распределении модулирующих функций сигнала и помехи.
Предложены способы выделения AM (АИМ) сигнала в присутствии помех, диапазон амплитуд которых может превышать динамический диапазон частотно- избирательных каскадов РПУ.
Обосновано комплексное использование фильтрации комбинационной компоненты на разностной частоте сигнала и помехи и гомоморфной фильтрации для выделения AM сигнала на фоне мощной шумовой помехи.
Предложен метод защиты дискретных РТС от мощных импульсных помех, заключающийся в сочетании стробирования, бланкирования приемного тракта и фильтрации компоненты на разностной частоте биений сигнала и помехи.
Доказана возможность путем фильтрации комбинационной компоненты обнаружить импульсные сигналы на фоне мощного шумового излучения, приводящего к перегрузке приемного тракта.
Предложены и исследованы методы повышения помехоустойчивости приемников шумовых сигналов, основанные на использовании комбинационных продуктов образующихся при воздействии мощных амплитудно-модулированных, импульсных и шумовых помех.
18 7. Показана возможность измерения мощности шумового сигнала при малых частотных расстройках с мощной шумовой помехой.
Теоретическая и практическая значимость работы.
Теоретическая значимость работы заключается в обосновании возможности использования продуктов нелинейного взаимодействия сигнала и помехи для выделения полезного сообщения при перегруженном режиме работы приемного тракта.
Практическая значимость работы состоит в разработанных способах и устройствах выделения полезного сигнала на фоне мощных помех.
Результаты работы могут быть применены в радиоэлектронных средствах различного назначения (радиолокационных, связных, навигационных и др.)> функционирующих в условиях возможного воздействия непреднамеренных и организованных мощных помех, приводящих к существенно нелинейному режиму работы частотно- избирательных каскадов информационных систем. Вклад автора;
Синтезировал алгоритм оптимального выделения огибающей AM сигнала из мультипликативной компоненты, выделяемой на разностной частоте.
Предложил структурные схемы для защиты приемников квазидетерминированных сигналов от мощных импульсных помех. Получил экспериментальные данные, характеризующие зависимость параметров выходного сигнала исследуемых устройств защиты от параметров входного полезного сигнала и от параметров мощного мешающего колебания.
Разработал и создал экспериментальную установку для проверки предложенных технических решений.
Исследовал возможности использования комбинационных компонент перегруженного каскада для выделения импульсного сигнала на фоне непрерывной, импульсной и шумовой помехи.
Разработал функциональную схему устройства защиты приемников квазидетерминированных сигналов от мощных шумовых помех с помощью нелинейного (гомоморфного) фильтра и экспериментально подтвердил ее эффективность.
Предложил численную модель взаимодействия шумового сигнала и мощного мешающего колебания, алгоритмы обработки продуктов нелинейного взаимодействия шумового сигнала и мощной помехи и структурные схемы устройств, их реализующие. Провел математическое моделирование для различных сигнально- помеховых ситуаций.
Апробация результатов работы и публикации:
Результаты диссертационной работы представлялись на Всесоюзном симпозиуме "Электромагнитная совместимость радиоэлектронных средств"-(Харьков, 1986г.), Всесоюзной конференции "Статистические методы обработки сигналов и изображений" (Новороссийск, 1991 г), симпозиуме "Прикладная оптика-94" (Санкт-Петербург, 1994), 5 МНТК "Радиолокация, навигация, связь", (Воронеж 1999 г), Шестая научная конференция по радиофизике (Нижний Новгород, 2002 г.)
По результатам работы по теме диссертации опубликованы 11 работ, в том числе 2 статьи в рецензируемых журналах. Получены 2 авторских свидетельства на изобретение.
На защиту выносятся следующие результаты:
Синтез алгоритма оптимального выделения огибающей AM сигнала из мультипликативной компоненты, выделяемой на разностной частоте между несущими частотами AM сигнала и AM помехи.
Способ комплексного использования фильтрации комбинационной компоненты на разностной частоте биений сигнала и помехи и гомоморфной фильтрации для выделения AM сигнала на фоне мощной шумовой помехи.
Метод защиты дискретных РЭС от мощных импульсных помех, заключающийся в сочетании стробирования, бланкирования приемного тракта и фильтрации разностных частот.
Система обнаружения импульсных сигналов на фоне мощного шумового излучения,
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, и заключения.
Во введении излагаются состояние и актуальность предмета исследования, обоснование методов исследования, цели и структура работы.
В первой главе исследуются возможности выделения сигнала в условиях перегрузки усилительных каскадов путем использования продуктов нелинейного преобразования входной смеси полезного сигнала и мешающего колебания большого уровня. Методами спектрально-корреляционной теории определяются статистические характеристики процесса на разностной частоте между несущими частотами сигнала и помехи.
На основе критерия максимального правдоподобия разрабатывается алгоритм оптимального выделения огибающей AM сигнала из мультипликативной компоненты, выделяемой на разностной частоте. Приводится структура оптимального приемника, реализующего этот алгоритм в условиях отсутствия априорной информации о распределении модулирующих функций сигнала и помехи.
Рассматриваются теоретические и экспериментальные оценки погрешности, обусловленные ошибкой, возникающей за счет не учитываемых в рассмотрении высших степеней аппроксимирующего полинома.
Во второй главе рассматриваются способы повышения помехоустойчивости радиотехнических устройств с использованием комбинационных продуктов взаимодействия сигнала и мощной помехи при амплитудной и импульсной модуляции полезного сигнала. Исследование проводится для случаев AM, импульсной и шумовой помехи.
Для каждого их рассматриваемых вариантов сигнально - помеховой ситуации на входе РПУ предлагается функциональная схема устройства, реализующего выделение полезного сигнала. Приводятся данные, полученные на экспериментальной установке.
В третьей главе предлагается численная модель взаимодействия
шумового сигнала и мощного мешающего колебания. Рассматриваются методы
повышения помехоустойчивости приемников шумовых сигналов, основанные
на использовании комбинационных продуктов образующихся при воздействии
мощных амплитудно-модулированных, импульсных и шумовых помех.
Разрабатываются алгоритмы обработки продуктов нелинейного
взаимодействия сигнала и помехи и блок- схемы устройств, их реализующие.
Описываются результаты проведенной серии численных экспериментов по
проверке предложенных алгоритмов. Исследуется построение
компенсационной схемы измерения мощности сигнала, основанное на использовании низкочастотных компонентов выходного спектра перегруженного каскада.
В заключении рассматриваются основные достигнутые при выполнении работы результаты.
Работа выполнена на кафедре радиотехники радиофизического факультета Нижегородского государственного университета им. Н.И.Лобачевского и в Нижегородском научно-исследовательском радиофизическом институте.
Некоторые статистические характеристики комбинационной ^ компоненты на разностной частоте несущих колебаний сигнала и помехи
Из (1.5) видно, что в результате нелинейного взаимодействия сигнала и помехи спектр выходного колебания перегруженного усилителя намного шире, чем спектр входной аддитивной смеси сигнала и помехи. Модулирующее колебание на несущей частоте полезного сигнала сос, представляет собой сложную функцию, зависящую от модулирующих функций сигнала и помехи. Следовательно, форма модулирующего колебания на частоте сос на выходе резко отличается от формы модулирующего колебания x(t). Спектральный состав процесса (1.5) для случая амплитудной модуляции сигнала и помехи одночастотными сигналами проиллюстрирован на рис. 1.2.
При аппроксимации амплитудной характеристики полиномом третьей степени, только на второй гармонике несущей частоты 2сос полезного сигнала мы имеем составляющую, модулирующее колебание которой (в виде квадратичного члена х (t)) не поражено мультипликативной помехой. В то же время, на разностной частоте между несущими частотами сигнала и помехи сор—\сос-соп\ присутствует огибающая полезного сигнала в смеси с мультипликативной помехой в виде модулирующего колебания мешающим сигналом. Up(t)=x(t)y(t)cos[(o)c-con)t+ pc- pn] (1.6)
Ряд методов повышения помехоустойчивости радиоприемных устройств, которые будут далее рассмотрены в настоящей работе, основан на использовании компоненты (1.6) в целях выделения полезного сигнала в присутствии мощной помехи.
Некоторые статистические характеристики комбинационной компоненты на разностной частоте несущих колебаний сигнала и помехи
В литературе [103, 118] достаточно подробно рассмотрены спектральные и статистические характеристики колебаний, представляющих собой произведение двух независимых случайных процессов. В данном разделе кратко конкретизированы основные результаты, полученные в этих работах применительно к ряду сигнально-помеховых ситуаций, представляющих интерес в рамках предлагаемой диссертационной работы. 1. Пусть x(t) и y(t) медленно меняющиеся по сравнению с частотой сор=\сос-соп\ огибающие сигнала и помехи. Сигнал и помеха, в общем случае, представляют собой статистически независимые случайные процессы. Для мультипликативной огибающей процесса (1.6) на разностной частоте p(t)=x(t)y(t) спектральная плотность Sp(co) представляет собой свертку спектральных плотностей огибающих сигнала Sx(co) и помехи Sy(a ):
То есть, в общем случае, форма спектра на разностной частоте не совпадает ни со спектром сигнала, ни со спектром помехи. Из выражения (1.7), в частности, следует, что в том случае, когда ширина полосы частот помехи много меньше полосы частот сигнала, спектр колебания на разностной частоте с точностью до множителя повторяет спектр сигнала. Очевидно, что сигнал x(t) в таком случае может быть выделен с помощью обычного амплитудного детектора, установленного за полосовым фильтром разностных частот. 2. Рассмотрим интересный для практики случай, когда модулирующая функция сигнала представляет собой гармоническое колебание x(t)-cosQ.ct, а модулирующая функция помехи y(t) представляет собой нормально распределенный стационарный случайный процесс с дисперсией а и энергетическим спектром
Из (1.8) следует, что спектр огибающей p(t) колебания на разностной частоте сплошной в области модулирующих частот ±QC. Таким образом, выделение модулирующей функции полезного гармонического сигнала даже в этом простом случае традиционными методами невозможно и требуется разработка иных методов. 3. Пусть полезный входной сигнал представляет собой последовательность импульсов x(t) = fk(tk), а модулирующая функция помехи y(t) представляет собой нормально распределенный стационарный случайный процесс со средним значением Yo 0. Без ограничения общности будем считать, что импульсы одинаковой формы. fk=f . В этом случае с помощью ПФРЧ выделяется процесс где ук- значения амплитуды помехи в моменты времени прихода сигнальных импульсов tk. Они взаимно независимы для разных к и независимы от tk. Предположим также, что вероятность прихода сигнальных импульсов за определенное время подчиняется закону Пуассона Р(п) = е j3n Iп\ («=0,1,2...). Введем параметр є, равный средней частоте следования импульсов є = p/t = п/Т. В этом случае выражения для среднего значения и функции корреляции огибающей p(t) процесса Up(t) можно представить в следующем виде: 00
В формуле (1.10), вследствие детерминированности функции f(t), интеграл представляет собой функцию корреляции первого рода Ч / г). Фурье преобразование функции ФДт) позволяет найти спектр мощности огибающей рассматриваемой импульсной последовательности S (со) = Ь2У Э г (со).Таким образом, спектр мощности огибающей процесса на разностной частоте совпадает по форме со спектром энергии отдельного импульса.
Оценка погрешностей устройства обработки мультипликативной смеси сигнала и помехи
На рис. 1.4 изображена структурная схема обрабатывающего устройства в присутствии ОБП помехи. По сравнению со структурной схемой (рис. 1.3) здесь вводятся следующие элементы: блок 8 - фазовращатель на угол 7i/2, блок 9 - перемножающее устройство, блок 10 делительное устройство, блок 11 -фильтр низкой частоты, блок 12 - оператор преобразования Гильберта над сообщением y(t), блок 13 - сумматор.
Необходимо отметить, что структуры, изображённые на рис. 1.3 и рис. 1.4, строго говоря, не реализуются физически. Физическая нереализуемость вызвана наличием в схемах идеальных фильтров низкой частоты и необходимостью рассмотрения бесконечно большого интервала анализа (Т-»оо), что в свою очередь обусловлено исходным предположением об ограниченности спектра информационных сообщений, составляющим содержание всей априорной информации. На практике можно реализовать упрощенную схему, реализующую квазиоптимальную структуру обработки. Для этого надо заменить в схеме (рис. 1.3) синхронный детектор на обычный амплитудный. При этом нет необходимости знать колебание разностной частоты с точностью до начальной фазы.
Здесь в числителе приведено колебание, поступившее на вход делителя из канала сигнала, в знаменателе - из канала помехи. В случае полной идентичности каналов и идеальном делительном устройстве имеем Ат=0, (р=0, Q=0 и тогда Udejt(t)=x(t).
Оценим ошибку деления делительного устройства, применяемого в проводимых экспериментах (рис. 1.5). На вход усилителя делительного устройства подается напряжение иф(0=Ьх(1)у(0со8 copt, где x(t)= Uc0[l+mccos(Qct+(pc)],y(t)= Un0[l+mncos(f2nt+(pn}].
В цепь обратной связи усилителя включено перемножающее устройство, на один вход которого подается напряжение с выхода усилителя. На другой вход поступает выделенное в канале помехи напряжение, которое пропорционально огибающей мешающего сигнала
Огибающая выходного сигнала, как видно из последнего равенства, будет однозначно определяться огибающей полезного сигнала.
При оценке ошибки деления мы не будем учитывать ошибок перемножающего устройства, что в определенном диапазоне уровней перемножаемых сигналов справедливо для современных аналоговых интегральных перемножителей
В случае . малой глубины модуляции мешающего сигнала тп и соблюдения модуляционной идентичности (Атп=0) функцияДт) имеет вид При этом режиме работы значения коэффициентов разложения С для к 2 малы по сравнению с С; и сигнал на выходе делительного устройства будет представлять собой напряжение, промодулированное с частотой помехи Qn. Для качественной оценки возможных искажений на выходе устройства можно использовать коэффициент перекрестной модуляции (коэффициент модуляции полезного сигнала частотой помехи).
Из графиков (см. рис. 1.6, 1.7 и 1.8), где показаны изменения величины перекрестных искажений Кпер в зависимости от параметров у, ср и Am видно, что: 1. Ошибка делительного устройства растет с ростом параметра у. Причем при у 0 в точках а=т-1 (т.е. у 0) мы имеем очень большой коэффициент перекрестных искажений. Поэтому для качественной работы делительного устройства необходимо, чтобы соблюдалось условие у 0.
2. Перекрестные искажения возрастают с увеличением фазовой и модуляционной неидентичности по закону, показанному на графиках 1.6 и 1.7.
Таким образом, из проведенного исследования ошибки деления видно, что для качественного выделения полезного AM сигнала на фоне AM помехи предложенным способом необходимо: добиваться идентичности параметров огибающей мешающего сигнала выделяемой в канале помехи ( тп , #?„ ) и в канале сигнала (т„, (рп ), улучшить структуру делительного устройства.
Обнаружение импульсных сигналов при воздействии помех, приводящих к нелинейному режиму работы частотно-избирательных каскадов приемного тракта
При отсутствии помехи на входе система защиты выключена. Поиск настроек, обеспечивающих наличие сигнала на выходе системы, производится путем последовательного переключения каналов широкополосного усилителя. При обнаружении помехи подключается система защиты. По заданному алгоритму производится поиск настроек широкополосного усилителя, ПФРЧ и линейного фильтра, входящего в состав гомоморфного фильтра.
Как следует из выражения (2.2), при воздействии мощной немодулированной помехи Un(t)=y(t)coscont (причем y(t)=Y0), огибающая повторяет огибающую входного импульсного процесса. В этой ситуации, полностью применимы схемы и алгоритмы выделения сигнала, рассмотренные в главе 2.1.1. Эти схемы и алгоритмы применимы в задачах обнаружения, системах связи, использующих времяимпульсный и широтно-импульсный способы кодирования информации и работоспособны даже при наличии у помехи амплитудной модуляции. Рассмотрим эту задачу на примере РЛС АСН с коническим сканированием антенны.
Если информация о направлении содержится в огибающей принимаемой пачки эхо-импульсов, то воздействие амплитудно-модулированной помехи в системах сопровождения и наведения, приводит неверному целеуказанию или к срыву сопровождения в системе. В данной ситуации, в предположении что модулирующая функция помехи y(t) 0 и является медленно меняющейся функцией времени, применим рассмотренный в главе 2.1.2 алгоритм восстановления огибающей пачки эхо-импульсов сигнала путем деления огибающей колебания на разностной частоте на огибающую мешающего колебания. В РЛС выделение помехи можно выполнить и некоторыми другими способами: предварительной поляризацией полезного сигнала; использованием двух антенн, если помехи и цель различаются по углу.
Эти способы приводят к значительным усложнениям приемного устройства и велика вероятность появления сигнала в канале выделения помехи [114]. Значительно проще в импульсных РЛС использовать дополнительное стробирование приемного устройства, позволяющее между стробами сигнала выделить отрезок непрерывного мешающего колебания с помощью "строба помехи". Рассмотрим этот способ выделения огибающей помехи более подробно (рис. 2.20).
Пусть на входе импульсной РЛС присутствует непрерывная модулированная помеха. Тогда в отрезок времени ,, когда на входе РЛС нет отраженного от цели эхо-сигнала, на входе приемника имеем:
В этом случае поступающий с генератора строб - импульсов "строб -импульс помехи" открывает ключ К. В канале сигнала УПЧ закрыто (т.к нет строба сигнала). Мешающий сигнал y(t)cos(cont+(pn) длительностью тстр поступает через открытый ключ К в канал помехи на линию задержки ЛЗ.
Если в ожидаемый момент времени , +тстр на вход РЛС поступает и эхо-сигнал от цели (для этого строб помехи должен быть синхронизован со стробом сигнала), то на входе будем иметь:
Рассмотрим ситуацию, когда и полезный сигнал и помеха представляют собой импульсные последовательности. В РТС, использующих дискретные сигналы, для защиты от импульсных помех широко используется стробирование. Недостатком стробирующей схемы является то, что в момент действия селекторного импульса на вход приемника поступают не только сигнальные импульсы, но и помеховые, совпадающие с ними по времени. Необходимо также отметить, что стробирование входа приемника по сигналу не обеспечивает его защиту от непрерывных помех. Интересной представляется возможность использования комбинационных частот, выделяемых с помощью ПФРЧ в сочетании с методом стробирования в целях защиты дискретных РТС от мощных помех [115]. Возможное структурное исполнение такого устройства приведено на рис. 2.21. Эта структура отличается от приведенной на рис. 2.13 наличием стробирующей схемы 1 на входе. Стробирование входа позволяет отсечь помеховые импульсы, приходящие в моменты времени, когда поступление сигнальных импульсов не ожидается. Импульсы помехи, поступающие в интервалы времени, разрешенные для приема сигнала, и приводящие к нелинейному режиму работы усилителей отсекаются от остального тракта бланкирующим устройством. y(t)
На верхней развертке приведена осциллограмма смеси импульсного сигнала с импульсной помехой на входе макета (на входе стробирующего устройства). На второй развертке представлен входной сигнал усилителя 2, прошедший через стробирующее устройство 1. Видно, что импульсы помехи, не попадающие в сигнальный строб, отсутствуют, однако есть импульсы помехи, совпадающие по времени с сигнальным стробом.
На время действия этих импульсов тракт приема закрывается бланкирующим устройством 7. В результате взаимодействия сигнала и помехи в моменты времени, когда сигнальные и помеховые импульсы перекрываются, в спектре выходного сигнала перегруженного усилителя на частоте, равной разности между значениями несущих частот сигнала и помехи наблюдается импульсный процесс, который выделяется фильтром разностной частоты 3 (на третьей развертке показан выходной сигнал ПФРЧ). Он представляет собой поток совпадений сигнальных и помеховых импульсов. Информация, которая содержится в этих импульсах используется для заполнения разрывов в информации о полезном сигнале, вызванных работой бланкирующего устройства. Выходной сигнал сумматора 8 - на четвертой развертке. Из приведенных на рис. 2.22 осциллограмм видно, что в условиях действия мощных импульсных помех, схема, представляющая собой сочетание трех методов подавления помех, позволяет произвести восстановление формы полезного сигнала.
Более того, в том случае, когда мощность помехи велика и резонансные усилительные тракты РПУ работают в нелинейном режиме на разностной частоте может быть выделен поток совпадений сигнала с помехой. Поток совпадений в сложной помеховой обстановке уже сам несет значительную информацию и использование этой информации может способствовать повышению помехоустойчивости РПУ.
Система защиты приемника шумоподобного сигнала от потока импульсных помех
В ходе проведения экспериментальных работ выяснилось, что наиболее сильное влияние на работу радиометрической аппаратуры оказывают радиолокационные станции, работающие в импульсном режиме. Рассмотрим возможные решения по защите радиометра от импульсных помех, превышающих динамический диапазон приемного тракта.
Защита приемников шумовых сигналов от мощных импульсных помех может быть основана на использовании известных методов (ограничение, бланкирование, фиксация уровня сигнала на время действия помехи). Однако, эти методы могут приводить к потере информации об измеряемом сигнале если длительность импульса помехи достаточно велика по сравнению с временем возможного изменения уровня сигнала за счет длительных временных перерывов в процессе измерения.
Для борьбы с этими недостатками возможно использовать продукты нелинейного взаимодействия сигнала и помехи. Рассмотрим следующие варианты построения схем защиты. -Использование продуктов нелинейного взаимодействия сигнала и помехи.
На рис. 3.9 приведена структурная схема приемника шумовых сигналов предназначенная для защиты от импульсных помех, при наличии расстройки между несущими частотами сигнала и помехи. I I
Рис.3.9. 1-резонансный усилитель, 2- квадратичный детектор, З- ФНЧ, 4-переключатель, 5-ПФРЧ, 6- квадратичный детектор, 7- ФНЧ, 8- нормирующий каскад, 9- сумматор, 10- блок выделения помехи Для защиты от импульсных помех в рассматриваемом случае (u)p Q.c) в схему дополнительно введен второй канал, предназначенный для измерения мощности полезного сигнала в присутствии мешающего колебания. Каналы коммутируются с помощью переключателя 4 под управлением сигнала с блока выделения помехи 10. Выходной сигнал, содержащий информацию о мощности измеряемого шумового сигнала, снимается с выхода сумматора 9.
Во время действия мощного импульса помехи, блок выделения помехи 10 подключает к выходу перегруженного усилителя 1 цепь, состоящую из полосового фильтра разностных частот 5, второго квадратичного детектора, второго ФНЧ 7, нормирующего каскада 8. Одновременно, БВП 10 формирует напряжение (3.5), которое поступает на нормирующий каскад 8.
В целом, преобразования сигналов в этой цепи аналогичны соответствующим преобразованиям рассмотренным в главе 3.2 для подобного случая. Следует отметить, что приведенная на рис. 3.9 схема, позволяет производить измерения мощности сигнала как в отсутствии помех, так и в присутствии как импульсных так и непрерывных узкополосных (в т.ч. AM помех).
Для случая, когда несущие частоты сигнала и импульсной помехи совпадают, или близки настолько, что разностная частота попадает в полосу фильтра низких частот, может быть применена схема, приведенная на рис. 3.10.резонансный усилитель, 2- квадратичный детектор, 3-ФНЧ, 4- переключатель, 5- ФНЧ, 6- вычитающее устройство, 7- сумматор, 8- блок выделения помехи Как и в рассмотренном выше случае, схема содержит цепь, включающую резонансный усилитель 1, квадратичный детектор 2 и фильтр низких частот 3, предназначенную для измерения мощности полезного сигнала Как и в рассмотренном выше случае, схема содержит цепь, включающую резонансный усилитель 1, квадратичный детектор 2 и фильтр низких частот 3, предназначенную для измерения мощности полезного сигнала в отсутствии помех. Для измерения мощности полезного сигнала в присутствии мощной помехи служит цепь, включающая ФНЧ 5, вычитающее устройство 6 и блок выделения помехи 8, управляющий коммутацией каналов с помощью переключателя 4. БВП вырабатывает в присутствии помехи напряжение для компенсации (3.5), которое вычитается из выходного напряжения ФНЧ 5. Преобразования сигналов в данной схеме в присутствии мощной помехи подробно рассмотрены в главе 3.1.
Пусть на входе радиометрического приемника в полосе приема й)о±Лсо/2 присутствуют шумовой широкополосный сигнал и мощная шумовая помеха
Здесь - центральная частота рабочей полосы приема радиометра, x(t) и y(t)- случайные процессы. Будем считать, что процессы x(t) и y(t) взаимно не коррелированы, и их средние значения равны нулю.
Будем считать, что начальные фазы pc(t) и q n(t)- сигнала и помехи Uc(t) и /„(7)-случайные процессы равномерно распределенные на интервале 0-27Г.
Если уровень помехи выходит за границы динамического диапазона усилителя, то взаимодействие сигнала и помехи на участке нелинейности, аппроксимируемой полиномом третьей степени (1.4) на выходе дает смесь сложного спектрального состава (1.5). В то же время, такое взаимодействие приводит к появлению в НЧ области компонент вида (3.9).
Следовательно, среднее значение напряжения на выходе фильтра низких частот при достаточном времени усреднения Т, будет пропорционально сумме мощностей сигнала и помехи (3.10).
Если мы построим блок выделения помехи (БВП) так, чтобы его выходной сигнал был пропорционален мощности помехи то на выходе вычитающего устройства (ВУ) можно получить напряжение (3.12), пропорциональное мощности полезного сигнала
Структура системы обработки радиометрического сигнала в условиях действия мощных шумовых помех, реализующая рассматриваемый алгоритм, приведена на рис. 3.13. Система содержит 1-защищаемый каскад широкополосного усилителя, 2- фильтр нижних частот, 3 и 6- интеграторы, управляемые генератором 7, 4-вычитающее устройство, 5-блок выделения помехи (например, осуществляющий прием помехи на другую антенну).
