Содержание к диссертации
Введение
1 Радиомониторинг сложных сигналов 17
1.1 Модели радиообстановки при проведении радиомониторинга 17
1.2 Особенности радиомониторинга слабых широкополосных частотно-модулированных сигналов 25
1.3 Выводы 35
2 Обнаружение и измерение девиации частоты слабых широкополосных ЧМ сигналов 36
2.1 Краткий обзор методов и средств измерения девиации ЧМ сигналов 36
2.2 Особенности квадратурной обработки ЧМ сигналов с гармонической модуляцией 40
2.3 Исследование алгоритма работы ЭА в режиме обнаружения ЧМ сигналов 44
2.4 Исследование режима измерения девиации частоты ЧМ сигналов 52
2.5 Анализ полученных результатов 58
2.6 Выводы 60
3 Измерение средней и модулирующей частот ЧМ сигналов 62
3.1 Краткий обзор методов измерения средней ЧМ сигналов 62
3.2 Многошкальный автокорреляционный частотный дискриминатор 65
3.3 Особенности режима "грубого" измерения средней частоты ЧМ сигналов 71
3.4 Расчет выходного отношения сигнал / шум и среднеквадратической погрешности "грубого" измерения средней частоты ЧМ сигналов 74
3.5 Особенности режима измерения модулирующей частоты ЧМ сигналов 76
3.6 Расчет входного и выходного отношения сигнал / шум спектроанализатора и среднеквадратической погрешности измерения модулирующей частоты ЧМ сигналов 79
3.7 Особенности режима "точного" измерения средней частоты ЧМ сигналов 80
3.8 Расчет длительности сеанса радиомониторинга 83
3.9 Выводы 84
4 Моделирование адаптивного экспресс-анализатора 86
4.1 Вводные замечания 86
4.2 Функциональные зависимости измеряемых параметров ЧМ сигналов
4.3 Моделирования рабочих характеристик 88
4.4 Моделирование автокорреляционного частотного дискриминатора в режиме измерения девиации 90
4.5 Моделирование частотного дискриминатора в режиме измерения несущей частоты ЧМ сигнала 94
4.6 Моделирование частотного дискриминатора в режиме измерения модулирующей частоты ЧМ сигнала 100
4.7 Выводы 104
Заключение 106
Литература 111
Приложения 119
- Особенности радиомониторинга слабых широкополосных частотно-модулированных сигналов
- Особенности квадратурной обработки ЧМ сигналов с гармонической модуляцией
- Многошкальный автокорреляционный частотный дискриминатор
- Функциональные зависимости измеряемых параметров ЧМ сигналов
Введение к работе
Проблема повышения помехозащищенности и скрытности систем управления и связи является весьма острой и до сих пор не нашла своего решения в большинстве прикладных задач. Решению этой проблемы способствует комплексное использование различных методов и средств (сигналов сложной формы, оптимальных методов их обработки, фазированных антенных решеток, современной технологии, организационных мер).
Существует большое количество радиоэлектронных средств (РЭС), которые, как правило, являются составной частью сложных комплексов различного назначения, используемых в радиосвязи, радиолокации (РЛ), радионавигации (РН), радиоуправлении (РУ), радиомониторинге (РМ), рассмотренные в книге Вартанесяна В.А. [1].
Быстрый рост числа РЭС усложняет электромагнитную обстановку, а вопросы электромагнитной совместимости приобретают первостепенное значение. Эти обстоятельства усложняют работу средств РМ в системах оперативного обнаружения, обусловливают повышенные требования по точности оценки параметров сигналов и быстродействию.
Способность комплекса выполнять задачу в заданных условиях принято характеризовать его эффективностью. Эффективность радиосистем зависит от ряда факторов, таких как точность, живучесть, надежность, помехозащищенность, верность передачи информации. В системах радиомониторинга на первый план, как правило, выступает достоверность параметров сигналов. Если же такая оценка осуществляется в условиях радиопротиводействия, то большое значение приобретает фактор помехоустойчивости или помехозащищенности радиосистемы. При этом требуемая точность оценивания параметров сигналов должна достигаться в сложной помеховой обстановке, что в значительной степени будет
определяться помехоустойчивостью системы радиомониторинга. При этом часто точность и помехоустойчивость оказываются тесно связанными.
Согласно работе Тузова Г.И. [2], под помехозащищенностью радиосистемы понимается ее способность выполнять задачи в условиях радиоэлектронного подавления (РЭП). Таким образом, помехозащищенность представляет собой то слагаемое эффективности систем, которое характеризуется способностью противостоять мерам РЭП.
Для повышения помехозащищенности радиосистем используется РМ, в ходе которого предполагается последовательное выполнение трех основных задач: обнаружение факта работы РЭС (обнаружение сигнала), определение структуры обнаруженного сигнала (на основе определения ряда его параметров) и раскрытие содержащейся (передаваемой) в сигнале информации. Последняя задача иногда имеет самостоятельное значение (является одной из конечных целей).
Перечисленным задачам радиомониторинга могут быть
противопоставлены три вида скрытности сигналов: энергетическая, структурная и информационная. Энергетическая скрытность характеризует способность противостоять мерам, направленным на обнаружение сигнала разведывательным приемным устройством. Путями повышения энергетической скрытности являются увеличение ширины спектра используемых сигналов (применение сложных сигналов), использование селекции (пространственной, временной, частотной) и снижение энергетического потенциала системы связи.
Под помехоустойчивостью РЭС понимается способность РЭС противостоять вредному влиянию помех. Помехоустойчивость РЭС зависит от сочетания большого числа факторов - выбора формы сложного сигнала, вида (формы) помехи, ее интенсивности, формы полезного сигнала, выбора оптимальных методов синтеза приемников, включающих синтез систем
фильтрации, антенны, оптимизацию систем поиска, применяемых способов борьбы с помехами и т.д.
Метод передачи информации, при котором сигнал занимает полосу частот, существенно превышающую полосу частот передаваемого сообщения, называется широкополосным, а системы связи его реализующие, -широкополосными. В настоящее время в системах связи получили распространение широкополосные фазоманипулированные (ФМ) сигналы с шириной спектра до 20 МГц. Существенное увеличение спектра ФМ сигналов сдерживается возможностями цифровой элементной базы. Данное ограничение успешно устраняется при использовании в системах связи широкополосных частотно-модулированных сигналов (ЧМС) с индексом частотной модуляции
(3 = »1 при девиации частоты ДбУ>107 -т-108 Гц и модулирующей частоте
Q порядка сотен килогерц, а также цифровые сигналы с помехоустойчивым кодированием. В обоих примерах эффективно используется вся занимаемая полоса частот. Недостатком существующих систем, использующих такой сигнал, является то, что они обеспечивают удовлетворительную работу лишь при входных отношениях сигнал / шум (ОСШ) gex > 1. Так, аналоговая ЧМ
обеспечивает хорошую работу лишь при gex > 10, а при gex < 10 наступает
пороговый эффект, о чем говорится в работе Тузова Г.И. [2].
В отечественной и зарубежной литературе появилось значительное число работ, посвященных изучению свойств сложных сигналов и исследованию систем, использующих такие сигналы. Значительный вклад в эти исследования внесен основополагающими работами Л.Е. Варакина, А.С. Винницкого, С. Голомба, А.Г. Зюко, Дж. Костаса, Б.Р. Левина, А.А. Сикарева, Н.Л. Теплова, В.И. Тихонова, Л.М. Финка, А.А. Харкевича, а также трудами Г.Б. Блэсбалга, Г. Ван Триса, Р.К. Диксона, В.И. Журавлева, Ч. Кука, А.С. Немировского, Ю.Б.
Окунева, В.Б. Пестрякова, Н.Т. Петровича, Г.И. Тузова, Х.Ф. Хармута, М.С. Ярлыкова и других ученых.
В настоящее время теоретические возможности сложных сигналов и систем сигналов достаточно хорошо изучены, доказаны перспективность систем связи со сложными сигналами, необходимость их дальнейшего изучения, освоения и внедрения в практику. Как сказано в работе Полякова П.Ф. [3], особенно перспективно применение сложных сигналов в сочетании с принципами адаптации (для преодоления априорной неопределенности о характеристиках сигналов и помех) для повышения эффективности работы систем связи в современных каналах, подверженных комплексному воздействию, в первую очередь замираний, шумов и сосредоточенных по спектру помех.
Развитие теории и техники аналоговых систем связи со сложными сигналами важно еще и потому, что, в последнее время снова возрос интерес к аналоговым системам передачи информации, использующим широкополосные сигналы (ШПС). Это связано с тем, что непрерывно совершенствуется аналоговая техника и в'ряде случаев аналоговые методы могут обеспечить более помехоустойчивую и эффективную по сравнению с цифровыми передачу непрерывных сообщений.
Использование сложных сигналов позволяет создавать радиотехнические системы извлечения информации о трассе прохождения сигнала, обладающие свойством скрытности функционирования.
Широкополосные ЧМС находят большое применение в современных радиолокационных станциях (РЛС) для обнаружения целей и слежения за ними, а также в РН, связи, измерительной технике. Они рассматриваются в трудах таких ученых, как Поляков П.Ф., Картьяну Г., Виницкий А.С., Зенькович А.В., Помазанов А.В., Зикий А.Н., Зорин Р.Л., Дикарев Б.Д. [3, 5 -7, 79].
Одновременное измерение дальности и скорости целей осуществляется также РЛС с непрерывной ЧМ, например, по треугольному закону. Трудности реализации работающих в непрерывном режиме РЛС в значительной степени окупаются простотой приемника.
В радиовысотомерах (РВ), устанавливаемых на самолетах, вертолетах, искусственных спутниках Земли и космических аппаратах, часто применяют импульсные и непрерывные ЧМС. РВ с ЧМ позволяют не только с высокой точностью измерять средние и малые расстояния между излучателем и поверхностью, но и получать дополнительную информацию о скорости снижения, характере подстилающей поверхности и т.д.
Широкое применение находят ЧМ сигналы и в космической связи, о чем говорится в работе Кочемасова В.Н. [4]. Современные РЛС в состоянии не только обнаруживать космические объекты и измерять параметры их движения, но и определять их размер, конфигурацию, скорость вращения вокруг центра тяжести и оси вращения. Широкополосные ЧМС могут использоваться в межспутниковых каналах связи в сантиметровом и миллиметровом диапазонах частот (109 -г 101 Гц). Для предотвращения возможности постановки помех данные системы связи должны обладать скрытностью функционирования, а, следовательно, уровень сигнала должен быть намного ниже уровня шумов. Для решения этих задач необходимы сигналы с полосой частот до нескольких сотен мегагерц. В литературе встречаются упоминания об использовании для этого непрерывных ЧМ сигналов и коротких смодулированных радиоимпульсов с полосой частот в несколько гигагерц, как, например, в книге Alongi A.V. [80], но наибольшее применение нашли все же ЧМ сигналы, рассмотренные в работах как отечественных ученых таких, как Кочемасов В.Н., Белов Л.А. [68], так и зарубежных, таких, как Bromaghim D.R., Perry J.B., Filler Е., Yartt J. [81, 82].
ЧМС нашли применение в различных областях радиотехники, так как они обеспечивают высокую помехоустойчивость, точность измерения параметров облучаемых объектов, возможность работы ниже уровня шумов. Для ЧМ сигналов относительно просто осуществляется коррекция искажений, вносимых элементами тракта и средой распространения радиоволн. С помощью ЧМ сигналов возможно осуществление различных частотно-временных преобразований входного сигнала.
Устройства формирования ЧМ сигналов могут быть реализованы в различных диапазонах частот (от звукового до оптического), с девиацией частоты от единиц герц до единиц гигагерц и скоростью изменения частоты, достигающей в отдельных случаях 1 ГГц / мкс и более.
Стабилизируя амплитуду и используя управители частоты, слабо влияющие на амплитуду, удается достигнуть широких диапазонов перестройки по частоте. Так, типичной является октавная перестройка по частоте транзисторных генераторов СВЧ с помощью варикапов, известны генераторы с диапазоном перестройки в 3 - 4 декады.
Как подчеркнул Пеклер В.В. в работе [8], исследование проблемы измерения параметров сигналов скрытных систем связи, использующих сигналы с широким спектром (1 ГГц и более), в рамках РМ и радиоэлектронной борьбы (РЭБ) на настоящий момент нельзя считать исчерпанным, усилия специалистов направлены на создание систем РЭБ с очень высокой вероятностью перехвата и оценивания параметров любых сложных сигналов, что наряду с аппаратным совершенствованием систем РЭБ, осуществляемым на основе новых технологий, делает важными и актуальными научный анализ аналоговых сигналов, направленный на определение оптимальных методов и потенциальных точностных границ оценки параметров таких сигналов. Постоянно повышаются требования к точности оценивания параметров сигналов и для принятия правильных практических решений очень
важно знание потенциальных точностных границ оценивания. При этом не нашел отражения вопрос влияния на точностные показатели оценивания закона модуляции. Несомненно, важны и необходимые временные затраты.
Для обнаружения и определения параметров движения носителей ЧМС и их местоположения требуется измерение доплеровского смещения /доп, т.е. возникает необходимость в точном измерении средней частоты широкополосных ЧМС. При построении средств радиомониторинга (СРМ) большое внимание уделено обработке узкополосных сигналов с шириной спектра А/^<107 Гц и достаточно большим уровнем (входное отношение
сигнал / шум g]x>\), а вопросы обработки слабых широкополосных ЧМС исследованы недостаточно. Описанные достоинства ЧМ сигналов и возможность их применения в скрытных линиях связи позволяет сделать вывод о необходимости построения СРМ таких сигналов, что свидетельствует об АКТУАЛЬНОСТИ ТЕМЫ ДИССЕРТАЦИИ.
ЦЕЛЬЮ диссертационной работы является исследование принципов построения адаптивного экспресс-анализатора (АЭА) на основе автокорреляционного устройства с квадратурной обработкой (АУКО), обладающего высокими показателями помехоустойчивости, точности измерения информативных параметров сигналов и обеспечивающего в процессе радиомониторинга обнаружение, измерение девиации, средней и модулирующей частот слабых широкополосных частотно-модулированных сигналов.
Задача измерения параметров имеет следующие особенности:
- большой диапазон априорной неопределенности по измеряемым
параметрам;
- необходимость приема слабых широкополосных ЧМС, когда входное
отношение сигнал / помеха меньше единицы.
Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:
1) исследованием принципов построения измерителя параметров ЧМ
сигналов на основе многошкального АУКО;
2) исследованием алгоритмов, принципов построения и структур экспресс-
Щ анализатора (ЭА) радиомониторинга, обеспечивающего обнаружение и
измерение информативных параметров "полезных" сигналов;
3) определением погрешностей ЭА на этапах обнаружения и измерения
параметров ЧМС для оценки качества его работы;
4) разработкой программного обеспечения для моделирования
разработанных алгоритмов и проведение на его основе имитационного
моделирования работы экспресс-анализатора.
^ НАУЧНАЯ НОВИЗНА диссертационной работы заключается в
следующем:
а) предложены и проанализированы принципы построения адаптивного
экспресс-анализатора на основе автокорреляционной обработки, обладающего
совокупностью таких характеристик, как высокие точность и
помехозащищенность, широкий рабочий частотный диапазон, что позволяет
к решать такие актуальные задачи радиомониторинга, как обнаружение и
экспресс-анализ параметров слабых широкополосных ЧМС;
б) предложены и исследованы алгоритмы обнаружения, измерения
информативных параметров слабых широкополосных ЧМС на основе
использования многофункциональных автокорреляционных устройств;
в) разработаны методики анализа помехоустойчивости устройства
обнаружения, быстродействия, точности измерения средней частоты, девиации
ф и модулирующей частоты.
ПРАКТИЧЕСКУЮ ЗНАЧИМОСТЬ работы представляют: а) алгоритмы и принципы построения средства радиомониторинга информационных параметров слабых широкополосных ЧМС в условиях полной априорной неопределенности;
б) рассчитанные погрешности измерения каждого параметра;
в) разработанный инструмент моделирования корреляционных устройств
для решения широкого круга задач обнаружения и измерения параметров
'г сигналов, и на его основе проведено исследование предложенных принципов
построения.
РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Основные результаты работы нашли применение в работах, выполненных в интересах предприятий КБП (г. Тула), НКБ "Миус" (г. Таганрог) в ходе выполнения хоздоговорных НИР № 11224, № 11227 и госбюджетной НИР № 1054 / 2, выполненной в ТРТУ, а также находят использование в учебном процессе на кафедре РТС ТРТУ в
v' курсах "Технико-экономическое проектирование РТС", "Актуальные вопросы
обработки сигналов" и "Актуальные вопросы системотехники".
АПРОБАЦИЯ основных теоретических и практических результатов работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах в Таганрогском государственном радиотехническом университете, на Всероссийской конференции "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва, 2004 г.), на Всероссийской конференции "Новые информационные технологии в научных исследованиях и в образовании" (НИТ-2004) (Рязань, 2004 г.), на Всероссийской конференции с международным участием "Техническая кибернетика, радиоэлектроника и системы управления " (Таганрог, 2004 г.).
ПУБЛИКАЦИИ. Результаты диссертации отражены в 8 научных работах,
из них 4 статьи, 3 тезисов докладов на научно-технических конференциях и
'& одна заявка на патент № 2004121435 от 13.07.04.
СТРУКТУРА И ОБЪЁМ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав и заключения, списка литературы и списка основных сокращений и условных обозначений.
Работа содержит 118 страниц, 32 рисунка, список литературы из 86 наименований, 11 страниц приложений и актов о внедрении.
Во ВВЕДЕНИИ обозначена актуальность создания радиоэлектронных средств различного назначения с повышенной скрытностью и помехозащищенностью, рассматриваются достоинства широкополосных сигналов и, в частности, частотно-модулированных сигналов.
В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ диссертации описываются модели радиообстановки на входе приемных устройств, формулируется постановка задачи. Описываются достоинства и недостатки существующих в настоящее время средств радиомониторинга сложных сигналов. Предлагается принцип построения комплекса радиомониторинга
Во ВТОРОЙ ГЛАВЕ обсуждаются методы и средства оценивания девиации частоты широкополосных ЧМ сигналов, исследуются пути построения и принцип действия адаптивного автокорреляционного измерителя в режиме обнаружения и оценивания ширины спектра (девиации) ЧМ сигналов.
В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ производится обзор существующих методов и средств оценивания средней и модулирующей частот ЧМ сигналов, описывается принцип действия адаптивного автокорреляционного измерителя в режиме измерения средней и модулирующей частот слабых широкополосных частотно-модулированных сигналов.
В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ приводятся результаты исследования с помощью имитационного моделирования на ЭВМ предложенных алгоритмов и структур технических средств, входящих в состав автокорреляционного экспресс-анализатора (АЭА) и показано, что результаты хорошо согласуются с теоретическими выводами.
В заключении формулируются результаты диссертации, показана ее актуальность, теоретическая и практическая значимость.
Особенности радиомониторинга слабых широкополосных частотно-модулированных сигналов
Принципы действия ЭА определяются: 1) интересами СРМ как системы более высокого ранга в виде требований к выбору принципов управления и уровня автоматизации; 2) особенностями применения ЭА в виде требований к выбору принципов обеспечения надежности и готовности; 3) целевым назначением ЭА с учетом особенностей РО и других исходных данных в виде требований к выбору методов поиска ИРИ, селекции ИРИ, функциональных преобразований, включающих в себя операции обнаружения, классификации и оценивания информативных параметров сигналов, а также особенностей режимов функционирования.
В общем случае ЭА может быть представлен совокупностью трех подсистем: входного тракта (ВТ), измерительной подсистемы (ИП), и устройства управления (УУ). Обобщенная структурная схема выглядит так, как показано на рисунке 1.1. ВТ, состоящий из антенного устройства (АУ) и радиоприемного устройства (РПрУ), предназначен для поиска и селекции сигналов по пространству и частоте, усиления, преобразования по частоте и нормирования сигналов по уровню. ИП, состоящая из обнаружителей сигналов r# (Об), устройств измерения параметров сигналов (УИз), классификаторов сигналов (Кл), решающего устройства (РУ), предназначена для обнаружения, классификации сигналов, измерения их информационных параметров и приведения полученных результатов к виду, удобному для обработки в СРМ. УУ представляет собой орган управления режимами функционирования ЭА и отражает интересы СРМ.
Используемые в ЭА устройства отличаются многообразием используемых принципов, методов и вариантов их реализации. Так, в качестве АУ находят применение всенаправленные, узкополосные поисковые, многолучевые, интерферометрические антенны и фазированные решетки. В качестве РПрУ находят применение РПрУ с мгновенным измерением частоты, узкополосные и широкополосные супергетеродинные РПрУ, многоканальные и матричные РПрУ, РПрУ с акустооптической обработкой, перестраиваемые гетеродинные РПрУ со сжатием импульсов и автокорреляционной обработкой, описанные в работах Щербака В.И., Баландина B.C., Вакина С.А. [18-20] и др.
Выбор принципов построения ЭА, методов и вариантов реализации устройств определяется целевым назначением, критериями эффективности и условиями применения. СРМ, предназначенные для функционирования в сложной помеховой обстановке, чаще всего строятся на основе следующих типов РПрУ, рассмотренных Щербаком В.И., Баландиным B.C. и др. [18, 19, 70 - 73]: - широкополосные радиоприемники прямого усиления; - перестраиваемые супергетеродинные радиоприемники; - многоканальные радиоприемники с преобразованием частоты; - акустооптические радиоприемники; л - радиоприемные устройства с мгновенным измерением частоты (МИЧ); - радиоприемники со сжатием обрабатываемого сигнала. Существующие тенденции проектирования систем РМ направлены на то, чтобы один тип приемника удовлетворял полному комплексу требований, предъявляемых к системе. При этом выбирается компромиссное соотношение положительных и отрицательных качеств, обеспечивающих решение общей задачи. Поэтому системы, проектируемые по данному принципу, никогда не смогут достигнуть максимальных показателей по всем параметрам вследствие ограничений, присущих данному виду приемников. Рассмотренные приемные устройства имеют недостатки, заключающиеся, в первую очередь, в относительно низкой точности измерения параметров ЧМ сигналов.
Анализ работ Щербака В.И., Баландина B.C., Вакина С.А. и других ученых [18 - 20, 69, 70 - 73] показывает, что ни один из существующих в настоящее время типов радиоприемников не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к современным устройствам быстрого распознавания сигналов. Так, РПрУ с МИЧ обеспечивают стопроцентную вероятность перехвата в широком диапазоне частот, и высокую точность измерения частоты, но малоэффективны в условиях большой плотности одновременно действующих передатчиков. Акустооптический радиоприемник и радиоприемник сжатия относительно узкополосны (до 1 ГГц) и требуют высокой скорости обработки выходной информации. Многоканальные РПрУ сложны в реализации, кроме того, не решена проблема подавления интермодуляционных составляющих. Поэтому усилия производителей радиоприемных устройств, занимающихся разработкой систем РЭБ, направлены на создание комбинированных радиоприемных устройств, обеспечивающих улучшение наибольшего числа характеристик. Для РМ слабых широкополосных сигналов наиболее подходят следующие два типа комбинированных РПрУ, основанных на сочетании 1) супергетеродинного и многоканального приема; 2) супергетеродинного приема и дискриминаторной обработки на основе приемника с МИЧ (ПМИЧ). Использование вышеуказанных комбинированных РПрУ позволяет реализовать процесс РМ в два последовательных этапа. На первом этапе РМ обеспечить решение задач разрешения, обнаружения, классификации и предварительного оценивания параметров сигналов, обеспечивающих формирование целеуказания для второго этапа РМ. На втором этапе РМ осуществлять точное оценивание параметров слабых широкополосных сигналов, в качестве которых в рамках данной работы полагаются ЧМС.
Особенности квадратурной обработки ЧМ сигналов с гармонической модуляцией
В данном параграфе исследуются особенности РМ слабых широкополосных ЧМС на основе использования адаптивного автокорреляционного экспресс-анализатораС квадратурной обработкой, исследованию которого посвящены работы таких ученых, как Дятлов А.П., Липок В.И. [14, 15,34-39].
При проведении радиомониторинга радиоизлучений (РИ) средств связи к числу наиболее важных задач следует отнести задачи обнаружения и измерение параметров слабых ЧМС с гармонической модуляцией, когда входное отношение сигнал / шум по напряжению gex меньше единицы.
Если несущая частота может быть в ряде случаев измерена или стабилизирована системой частотной автоподстройки, то текущая фаза, как правило, принципиально неопределенна из-за влияния большого числа случайных факторов: условия распространения радиоизлучения, геометрических соотношений, нестабильности частоты гетеродинов, ошибок систем автоподстройки частоты, доплеровского эффекта и т.д. При этом интересующая нас информация содержится в функции автокорреляции RA(T) комплексной амплитуды A(t), описывающей закон модуляции сигнала, а неизвестные параметры временной сдвиг г, средняя частота cos и текущая фаза cp{t) определяют случайный множитель cos у/, изменяющийся в интервале Г-1, 11, где у/ = а 0т + g?(t).
Квадратурная корреляционная обработка применяется при решении задач радиолокации, радиосвязи, телеметрии и т.д. Одной из проблем, возникающих при разработке радиотехнических устройств с квадратурной обработкой, является выделение ортогональных составляющих широкополосных сигналов. Это требует высоких качественных показателей перемножителей и идентичности частотных характеристик последующих каскадов в трактах ортогональных сигналов. В противном случае происходит частичная декорреляция обрабатываемых сигналов, согласно статье Миропольского Ю.Ф. [41].
На основе изложенного предлагается структурная схема построения адаптивного экспресс-анализатора на основе АЧД с квадратурной обработкой (см, рисунок 1,4), осуществляющего радиомониторинг слабых широкополосных ЧМ сигналов в условиях априорной неопределенности по всем информативным параметрам.
Структурная схема ЭА выполнена на основе схемы, описанной в патенте на изобретение Дятлова А.П., Клименко П.П., Петрова А.Я. [42] и приведена на рисунке 2.3, где А - антенна; ЛТП - линейный тракт радиоприемного устройства; П - перемножитель; ПЛЗ - перестраиваемая линия задержки; Фвр - фазовращатель на к I 2; ФНЧ - фильтр нижних частот; ПФ], ПФ2 - полосовые фильтры; УКО - устройство квадратурной обработки; Кв - квадратор; Сум — сумматор; ИК - устройство извлечения корня квадратного; ПУ - пороговое устройство; РУЬ РУ2, РУз - решающие устройства; Дель Дел2 - делители напряжений; ФП - функциональный преобразователь; Упрь Упр2 - управители; Г - гетеродин; См - смеситель; ПСА - параллельный спектроанализатор; ВУ - вычитающее устройство.
Задача обнаружения теоретически сводится к отысканию определенной системы правил, позволяющих наблюдателю решить, содержит ли принятое колебание полезный сигнал или нет. Принятое колебание - в зависимости от того, присутствует или отсутствует полезный сигнал - представляет собой либо смесь полезного сигнала в месте приема, либо одни помехи. Поэтому наличие некоторого сигнала в месте приема еще не означает, что этот сигнал именно тот, который необходимо обнаружить. В связи с этим, прежде чем принять решение, наблюдатель должен провести анализ принятого колебания, который по совокупности признаков дал бы возможность отличить смесь полезного сигнала с помехой от чистой помехи. Анализ принятого колебания позволяет уменьшить число ошибочных решений, но не исключает их полностью.
Для успешного решения задачи обнаружения наблюдатель должен заранее располагать некоторыми сведениями о полезном сигнале и помехах и по возможности полнее использовать эти сведения при анализе принятого колебания. Именно эти априорные данные и дают возможность по совокупности различий между сигналом и помехой установить факт наличия или отсутствия полезного сигнала в принятом колебании.
В данной главе рассмотрим принцип действия АЭА на этапах обнаружения полезного сигнала и измерения девиации частоты ЧМС. Двухкомпонентная смесь ЧМ сигнала и гауссовой помехи N(t) поступает с выхода ЛТП на вход автокорреляционного устройства с квадратурной обработкой. С помощью широкополосного фазовращателя на угол и / 2, описанного в работе Мамонтова К.А. [65], и перемножителей П выделяются квадратурные составляющие сигнала, которые затем интегрируются с помощью фильтров нижних частот и поступают в устройство квадратурной обработки.
На рисунке 2.4 изображены зависимости вероятностей правильного обнаружения от входного отношения сигнал / шум Рцо — / {gex), рассчитанного по выражениям (2.4) для трех значений вероятности ложной тревоги Рдт, соответствующих значениям 10"6, 10 5 и 10"4.
При этом считалось, что девиация частоты Afd = 5-Ю7 Гц, ширина полосы пропускания линейного тракта Af„ = 108 Гц, постоянная времени фильтров нижних частот Tj = 10"3 сек и Tj = 0,1 сек.
Многошкальный автокорреляционный частотный дискриминатор
В данном разделе исследуются особенности РМ слабых широкополосных ЧМС на основе использования автокорреляционного экспресс-анализатора. При проведении радиомониторинга радиоизлучений (РИ) средств связи к числу наиболее важных задач следует отнести задачи обнаружения и оценивания частоты слабых ЧМС с гармонической модуляцией, описанные в работах Дятлова А.П., Геложе Ю.А., Клименко П.П. [54 - 57], когда входное отношение сигнал / шум по напряжению gex меньше единицы. Как было сказано выше, широкое применение получили многофункциональные автокорреляционные устройства с квадратурной обработкой, рассмотренные в работах Дятлова А.П. [14 - 16], поскольку они Т обладают инвариантностью к априорной информации об уровне, несущей частоте сигнала и, кроме того, обеспечивают возможность нормирования уровня сигнала при малом входном отношении сигнал / помеха (gex 1).
Алгоритм измерения частоты в АУКО имеет вид, приведенный в трудах Зеньковича А.В., Дятлова А.П. [7, 14 - 17, 36 - 40]: /, = 2 arctg , fs=f0-f2, (3.1) где Js - оценка средней частоты сигнала ; Ry(t), Ryl(t) - квадратурные составляющие автокорреляционной функции процесса y(t), г - величина временного сдвига, вносимого линией задержки, /г - частота гетеродина. После описанных в главе 2 этапов обнаружения и измерения девиации ЧМС фиксируется значение задержки ПЛЗ \r(t) = f0] и ЭА переходит к этапу "грубого" оценивания средней частоты ЧМС в соответствии с алгоритмом (3.1), где fs - оценка средней частоты ЧМС на входе АУКО при фиксированном значении частоты гетеродина. Отличительные особенности АУКО в данном случае состоят в том, что в нем наряду с ФНЧ в одном из квадратурных каналов используется ПФ, предназначенный для выделения выходного эффекта, обусловленного первой гармоникой модулирующей частоты ЧМС F. « Измерение средней частоты ЧМС основано на особенности АКФ ЧМСГМ, заключающееся в ее периодичности, что дает возможность работать не только с первым (главным) пиком огибающей АКФ, но и с последующими (рисунок 2.2). Период АКФ обратно пропорционален частоте модуляции ЧМСГМ ТАКФ- —
С целью уменьшения среднеквадратической погрешности измерения частоты и, следовательно, возможности измерения доплеровского смещения частоты ЧМСГМ необходимо увеличивать крутизну дискриминационной характеристики путем увеличения временного сдвига т. Однако из-за периодичности дискриминационной характеристики АЧД возникает неоднозначность измерения частоты сигнала. С целью ее устранения используется многошкальный принцип построения АЧД. Структура многошкального АЧД, описанного в трудах Дятлова А.П. [15, 21], приведена на рисунке 3.2, где ОС - обнаружитель сигналов; АЧДЬ АЧД,..., АЧДч -АЧД 1-й, /-й и N-й шкал; ЛУ - логическое устройство, обеспечивающее исключение псевдооценок.
Количество шкал в АЧД может быть уменьшено при наличии целеуказаний об интервале изменения частоты /0. Такая возможность появляется при необходимости измерения доплеровского смещения частоты /о, диапазон изменения А/доп которой известен. Полагаем, что предварительное использование параллельного анализатора спектра обеспечивает "грубое" целеуказание. Тогда возможно использование двухшкального АЧД.
В случае двухшкального АЧД для первой ("грубой") шкалы величина Pi = pi априори известна, и с учетом известных значений г, = i/, г(,+/) = т2 и полученных оценок Аф(=Афх, Аф{М)=Аф2 имеется возможность в соответствии с приведенным алгоритмом работы ЛУ оценить значение PO+i) Р2К тем самым устранить неоднозначность оценивания частоты.
На этапе "грубого" измерения средней частоты ЧМС также выделяются квадратурные компоненты сигнала с помощью широкополосного фазовращателя на угол л I 2, двух перемножителей и фильтров нижних частот, с выхода которых синусная и косинусная составляющие подаются на делитель напряжений. На выходе делителя напряжений (см. рисунок 2.3) ДХ выглядит так, как показано на рисунке 3.3, а. Выход делителя напряжений подключен ко входу функционального преобразователя arctg(x), на выходе которого стоит управляющее устройство Упр2, подстраивающее частоту гетеродина для более точной настройки на необходимый пик АКФ. ФП arctg(x) может быть реализован, например, программными или табличными методами. ДХ на выходе ФП изображена на рисунке 3.3, б. Диапазон однозначного оценивания А/одн соответствует ширине спектра ЧМС и определяется величиной задержки в ПЛЗ по формуле (3.2). В РУ2 (см. рисунок 2.3) осуществляется "грубая" оценка средней частоты ЧМС fs (промежуточной частоты) на выходе ЛТП. Полученная оценка средней частоты ЧМС fs используется для подстройки частоты Г с целью обеспечения условия (a)s+Aco)zA3 = 2ттк, где Аса - величина частотной подстройки.
Функциональные зависимости измеряемых параметров ЧМ сигналов
Определим приближенное значение полного времени, необходимого для проведения всех этапов РМ. 1. Проведен краткий обзор существующих способов и средств измерения средней и модулирующей частот ЧМС. Рассмотрен алгоритм работы и структура многошкального АЧД и описан принцип действия экспресс-анализатора на этапах "грубого" и "точного" измерения средней частоты, а также модулирующей частоты слабых широкополосных ЧМС. 2. Разработана методика анализа основных характеристик многошкального АЧД. Показано, что измерение параметров ЧМС возможно при условиях, когда сигнал на входе намного слабее шума. В Определена длительность всего сеанса анализа, зависящая главным образом от постоянной интегрирования АЧД. Для рассмотренного примера, который соответствует типовым значениям параметров время анализа равно Та = 0,43 сек. 4 Моделирование адаптивного экспресс-анализатора 4.1 Вводные замечания
Экспресс-анализатор радиообстановки предназначен для обнаружения и измерения информативных параметров. Как показано в третьей главе, ЭА представляет собой СРМ, содержащее набор многофункциональных автокорреляционных устройств и предназначенных для решения перечисленных выше задач обработки информации.
В этой главе проводится моделирование режимов работы ЭА и описание пакета прикладных программ (ППП) "MicroCap", с помощью которого оно проводилось с целью проверки и подтверждения эффективности полученных результатов и предложенных алгоритмов. Пакет обеспечивает моделирование различных радиотехнических устройств для исследования статистических характеристик и оптимизации параметров обнаружителей, измерителей амплитуды, длительности импульсов, несущей частоты, интервала корреляции сигналов, классификаторов видов модуляции в интересах РМ, реализованных на основе алгоритмов корреляционной обработки, а также многое другое.
Программа предназначена для моделирования сигналов и шумов, функциональных узлов типовых радиозвеньев, а также анализа временных, спектральных, корреляционных и статистических характеристик в различных точках устройства.
Для моделирования работы структуры ЭА были созданы макромодели всех функциональных узлов (ФУ), входящих в состав экспресс-анализатора. Основные типы ФУ созданные для моделирования: генератор белого шума (ГШ); полосовые фильтры Баттерворта 5-го, 7-го и 9-го порядков; широкополосный фазовращатель на угол л:/2, методика расчета и моделирования которого приведена в приложении А; автокорреляционный обнаружитель; АЧД с УКО; несколько видов РУ. Это позволило осуществить системотехническое моделирование режимов работы устройства.
Одной из задач моделирования и анализа систем вообще, наряду с просмотром и оценкой характеристик реализаций в различных точках устройства для заданного входного процесса, является анализ обобщенных характеристик системы. Используемые способы моделирования систем рассматриваются в трудах Кузьмина И.В., Ермакова СМ., Леонова А.И., Ивахненко А.П. [59 - 62]. При воздействии флюктуационных помех это может быть зависимость усредненных по множеству реализаций результатов работы системы от параметров как процессов, воздействующих на систему, так и параметров самой системы. Например, для системы, задача которой -измерение параметров сигналов, может представлять интерес зависимость оценки частоты или амплитуды сигнала от среднеквадратического отклонения флюктуационной помехи, воздействующей на систему совместно с сигналом; другой распространенный пример - экспериментальное построение оценки характеристики обнаружения - зависимости вероятности правильного обнаружения от входного отношения сигнал / шум; в качестве третьего примера можно привести характеристики типа дискриминационных - зависимость заданного параметра выходного процесса от заданного параметра входного процесса. К дискриминационным характеристикам могут быть отнесены все зависимости оценок параметров, например, зависимость оценки частоты сигнала от фактического значения его частоты, зависимость оценки интервала корреляции от его фактического значения, зависимость ОСШ на выходе от ОСШ на входе и т.д.
Подобная характеристика несет в себе информацию о работе системы в целом и может использоваться в качестве интегрального критерия оценки качества системы с той или иной точки зрения. Ее можно назвать рабочей характеристикой (РХ) системы. По результатам моделирования строится рабочая характеристика системы, как математическое ожидание заданного выходного параметра от заданного параметра входного процесса или параметра системы. Так как в присутствии шума результаты измерений представляют собой случайные величины, то РХ представляется двумя функциями - оценками своего математического ожидания и дисперсии: где ві(Лк) - результат оценки параметра в при значении изменяемого параметра А и /-ой реализации шума; мАу , и Dk \ у« \ - соответственно оценки математического ожидания и дисперсии результата измерения параметра в при условии, что входной изменяемый параметр равен Хк; Иш -число реализаций шума; No — количество точек РХ. Конкретный набор входных и выходных параметров ЭА, относительно которых предусмотрено построение рабочих характеристик, следующий: входные параметры - амплитуда сигнала, девиация частоты, средняя частота сигнала, модулирующая частота сигнала, эквивалентный индекс модуляции, величина задержки в линии задержки, среднеквадратическое отклонение шума, входное ОСШ; выходные параметры — оценка R(T) - значения корреляционной функции входного процесса, оценка девиации частоты, оценка средней частоты, оценка модулирующей частоты, оценка ОСШ на выходе.
В режиме оценивания девиации частоты структура модели ЭА приведена на рисунке 4.1, где в дополнении к рисунку 2.3 ГС - генератор сигналов; ГШ - генератор шума. Моделирование заключалось в изменении эквивалентного индекса модуляции /?э в пределах [0-г2,4] посредством изменения величины задержки ПЛЗ и вычислении значения.
В качестве ГС используется генератор частотно-модулированного колебания с гармонической модуляцией, в качестве ГШ используется генератор белого шума. В данной структуре ПФ представляет собой модель линейного тракта приемника ЭА. Предметом моделирования является оценивание девиации частоты при двухкомпонентной модели радиообстановки, рассмотренные в работах Мамонтова К. А. [63 - 65].
Эксперименты проводились с сигналами, имеющими невысокие значения несущей, модулирующей частот и девиации, и соответствующими им параметрами АЭА. Все полученные результаты легко могут быть применены к любому диапазону частот, при этом все результаты увеличиваются пропорционально.
