Обнаружение и классификация связных сигналов с псевдослучайной перестройкой несущей частоты Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.396.982.6:621.396.683

ОБНАРУЖЕНИЕ И КЛАССИФИКАЦИЯ СВЯЗНЫХ СИГНАЛОВ С ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ

© 2003 г. Б.Х. Кульбикаян

Algorithms of functioning and error of classification of signals are investigated at carrying out of radiomonitoring of sources of a radio emission with pseudo-casual reorganization of carrying frequency.

Интенсивное развитие средств радиосвязи, в том числе мобильных систем с равнодоступными каналами и их внедрение в эксплуатационную практику сделали актуальной задачу радиомониторинга (РМ) излучений средств радиосвязи (СРС) в части обнаружения и классификации связных сигналов с псевдослучайной перестройкой несущей частоты (СППНЧ).

Для поиска и обнаружения СППНЧ могут быть использованы методы, основанные:

- на параллельной пространственной и параллельной частотной обработке информации;

- параллельной пространственной и последовательной частотной обработке информации;

- последовательной пространственной и последовательной частотной обработке информации;

- последовательной пространственной и параллельной частотной обработке информации.

Применение первых двух методов обработки требует сложного и дорогостоящего аппаратного обеспечения, третий метод отличается низким быстродействием, и только четвертый метод может обеспечить эффективное обнаружение и классификацию СППНЧ.

При проведении РМ электромагнитной обстановки (ЭМО) радиообстановка (РО) для большинства частотных диапазонов является сложной и динамичной. Предположим, что в зоне РМ находится значительное количество CPC {Nc » 1), в составе которых имеется одно СРС с СППНЧ. Модель РО на входе устройства пространственно-частотного обнаружения и классификации (ПЧОК) описывается многокомпонентным процессом

N'-1

З'пСО = S(t, I,ос) + £P;(?,a,) + n{t),

/=о

где S(t, I, ос) - СППНЧ с априорно неизвестными сопутствующими параметрами ос; Р; (V, а,) - «/» коррелированная помеха с неизвестными параметрами ос1( соответствующая работающими зоне обслуживания ПЧОК одночастотным СРС и другим радиоэлектронным средствам (РЭС); n(t) - гауссовая стационарная помеха, соответствующая внутреннему шуму ПЧОК.

Параллельная частотная обработка ' СППНЧ в ПЧОК может быть реализована на основе использования беспоисковых многоканальных приемников (БМП) или приемников мгновенного измерения частоты (ПМИЧ).

Так как реализация БМП связана со значительной сложностью аппаратурного обеспечения из-за потребности большого числа необходимых каналов, то в рамках данной работы полагаем, что при построении

а, Є [1, mj], mf = Д/„/Д/ь; g(t) =

ПЧОК для параллельной частотной обработки используется ПМИЧ, который при допустимой аппаратурной сложности обладает высокими помехоустойчивостью обнаружения, точностью измерения мгновенной частоты и быстродействием.

Полагаем, что при пространственной обработке обеспечивается полное разрешение S(t, I, а) и P[(t,о^), тогда многокомпонентный процесс y„(t) преобразуется на входе ПМИЧ в одно- или двухкомпонентный процесс y2(t) следующего вида:

S(t,l,oi) + n(t);

У2(0=- Pi(t,«i) + n(Q; n(t);

S(t, l,a.) = Umc cos [2n(fH +a,Afs)t + cp,]g(t - /7}), при to + (i - 1)7; < t < t0 + iTs; Ts = 7}; i e [1, ent(rn/r„)];

fl, при Q<t<Tj,

[О, приt>0,t<Tf,

/.=/« + »I/A/s; /в -fa = A/nJ T„<Te, где Umc - амплитуда S(t, l, ос );/B,/H - верхняя и нижняя границы рабочего частотного диапазона ПЧОК; Af -величина частотного скачка; 7) - время излучения на одной частоте; Ts - длительность информационного символа; ср,- - начальная фаза i частотного скачка; а,• -номер частотного скачка, изменяющийся по псевдослучайному закону; g(t) - единичная функция; mf -количество частотных скачков в СППНЧ; t0 - момент начала сеанса РМ; Тп - длительность одного цикла пространственного поиска; ent [х] - целая часть х.

Так как в данном случае принимается Ts = 7}, то рассматривается S(t, I, ос) с побитовой псевдослучайной перестройкой частоты; Тс - длительность излучения СППНЧ.

Используемый при реализации ПЧОК пространственный поиск СППНЧ осуществляется на основе последовательного пошагового просмотра сектора неопределенности по азимуту Да путем перемещения апертуры антенны, которая имеет ширину диаграммы направленности по азимуту 0 о,5а и углу места 0 0.53 = =ДР, с постоянной скоростью £2 = Да/Тп.

При 0о,5р = ДР, 0 о,5а = 9 0,5 полное время простран-ственного поиска Гп в зоне обслуживания РМ определяется из следующего соотношения

Тп = па *де> «а = Аос/Д0; Где - Д0/П; Д0 < 0О>5, где па - количество шагов (ячеек) поиска по азимуту; /Д9 - время просмотра одной ячейки поискового пространства, соответствующей элементу разрешения по азимуту размером, равным Д0.

В ходе пространственной обработки информации /— --------2— 1 •

наряду с задачей разрешения (выделения) исследуе- ^а(0 (0 + ^* (0 > Мі[і/А(01 =—/£^а(0^ 5

мого СППНЧ возможно получение оценки азимута „ 0

а5 носителя СППНРЧ, на основе использования амплитудного метода пеленгования на проходе по максимуму эффекта на выходе ПЧОК, которая может [/с(г) = І/г., (? - г, ) у,п П)уоп (г - т)сН ;

использоваться на этапе перехвата СППНЧ. о

Структурная схема ПЧОК, обеспечивающая функ- <*,

ционирование данного алгоритма обнаружения и £/8(г) = | Лф2 (? - ХУгої (ОУго (г _ т)<^ ; классификации приведена на рис. 1. 0

1 т„

М,[1/А(0] ^ ^порі і при ^ — гк, tK — tH- То6\

н„

Рис. 1. Структурная схема ПЧОК: А - антенна; УВЧ - усилитель высокой частоты; П - перемножитель; ЛЗ - фиксированная бездисперсионная линия задержки; Фв - фазовращатель на я/2; Ф| - полосовой фильтр на выходе УВЧ; Ф2 -фильтр нижних частот; Кв - квадратор; Сум - сумматор; ИК - устройство извлечения корня квадратного; Дел - делитель напряжений; ФП -функциональный преобразователь; ПУ - пороговое устройство; РУ - решающее устройство; УУ - устройство управления пространственным поиском; И - интегратор

Принцип действия ПЧОК основан на результатах исследований по методам пространственного поиска [1], амплитудного пеленгования [2,3] и ПМИЧ [4].

В результате пространственной обработки путем циклического сканирования диаграммы направленности А многокомпонентный процесс уп(*) на входе ПМИЧ преобразуется к виду

л>(0;

а(г) = Пг; £2 = Да/Г„ = Д0//д9, е [1,Да/Д0];

Д6 < 0о,5 при ?0 + (/’ - 1) *о +^де>

где О а - коэффициент усиления А; ^[а(0] ~ нормированная диаграмма направленности А, ось симметрии которой перемещается в пространстве по закону а(0; У ~ номер ячейки поискового пространства по азимуту.

■ В ПМИЧ обработка процесса у2(г) осуществляется в двух каналах [4]:

- в канале оценки амплитуды и обнаружения сигнала;

- в канале оценивания мгновенной частоты сигнала.

На выходе первого канала ПМИЧ имеем:

y2a{t) = \h^x{t-t2)y2{t)df, ■

о

/гф1(0 = 2 Д/„ sine (7iA/„Ocos(2e/0?); /гфг(0 = 2Д/фг sine (яДfy)\ Т< ГД0;

Гоб -- К05 Т — Д0о6/£2; К0§ = Д0О5/Д0, где /гфх(г). Лфг(0 - импульсная реакция полосового фильтра (Ф0 на выходе УВЧ и фильтра нижних частот (Ф2); /о, Д/п - средняя частота и ширина рабочего частотного диапазона ПМИЧ; Д/ф2 - полоса пропускания Ф2; £/c(r), Us(t) - косинусная и синусная составляющие напряжения на выходе Ф2; UA(t) - напряжение на выходе ИК; Mi[f/A(0] - математическое ожидание процесса £/д(0; Т - постоянная интегрирования И; y2o(t) - процесс на выходе Фь y20±(t) - напряжение на выходе Фв; Unopi - пороговое напряжение; tK -момент начала и окончания сеанса обнаружения; Н|, Н0- гипотезы о наличии или отсутствии сигнала; АГоб-количество шагов поиска по пространству; Т0б - длительность сеанса обнаружения сигнала при сканировании диаграммы направленности А; Д 0об - сектор, в котором в процессе пространственного поиска обеспечивается обнаружение сигнала.

Величина А0об зависит от мощности сигнала Р8, реальной чувствительности ПЧОК Рр0 и характера нормированной диаграммы направленности А Р(0) РЛД0об) = РР\ РР £ Рро\ РРо = *7УУшД/„ £о ; кТ0 - 4-10"21 Вт/Гц,

где Nш - коэффициент шума ПМИЧ; gl - отношение сигнал/шум по мощности на входе ПМИЧ; Рр - уровень сигнала на входе УВЧ.

На выходе второго канала ПМИЧ имеем [4]:

£//0 =—агеся-^- = 5>/(0;

' 2т ис{ 0 1

£ =Ъ, при /0 + 0'- 1)Г8<г<

/6 [1, ет(Г„/Г8)];

л ст[£/л(7)]

ДЛэ=—г--------------: А/ф2Г8>1; Г>тГ5; ш>10,

н

1S

н

0S

‘М, [tf , (/)] = ^)uf mt\ м2 [ и f (01 = У и) №,

1 о I о

при t„<t<t„ + T,

где т - временной сдвиг, вносимый JI3; Uj(f) - напряжение на выходе ФП; f{t) - закон изменения мгновенной частоты процесса у20(t); S/- крутизна дискримина-

Л

ционной характеристики ПМИЧ; Ufl(t,Ts)- оценка напряжения UJit) на интервале времени Т% при значении

А Л

мгновенной частоты сигнала, равной ft ; /, - оценка частоты сигнала на интервале времени Г8; М,[С/^ (г)] > M2[t/j(0] - первый и второй центральные моменты процесса Uj(f); cr2[Uf(t)]- дисперсия процесса U/t); Hu. Hos - гипотезы о наличии или отсутствии в процес-

А

се _у2о(0 СППНЧ; и„0р2 ~ пороговое напряжение; А /„ -оценка эквивалентного частотного скачка СППНЧ, усредненного за «т» символов. Для случаев, когда на вход ПММИЧ поступает только шум (y2(r) = n(t)), условие M,[t/A(r)] < C/nopi выполняется в течение всего цикла поиска, что соответствует гипотезе Но - отсутствия сигнала. В тех ячейках поискового пространства, в которых присутствует полезный сигнал S(t, /,а), т.е. y2(t) = S(t, /,«) + n{t), или коррелированная помеха P/(t,ocj), т.е. y2(t) = P/(t,oi1)+ n(t), при выполнении

условия Mi[t/A(0J > ^liopl. происходит принятие гипотезы Н| о наличии сигнала, но при этом нет ясности о том, что принято £(f, /,«) или Pi(t,aiг).

Для устранения указанной неопределенности требуется дальнейшая обработка, обеспечивающая оценивание таких информативных параметров, как ам-

ТТ Л

плитуда сигнала t/mc, азимут а, источника радиоизлучения, величина эквивалентного частотного скачка

А д д

А /ю . Алгоритмы оценивания параметров итс и а.

имеют следующий вид [3]:

Н,: М,[1/А«] > t/порь Ьтс = М,[£/а«] -> шах;

MWa(O1 = 0; Ukat^\ Ка = {Ксш + Как)12;

as = Ка А0; Д0 < 0 о.5 при tH<t< tK,

где t„, tK - начальный и конечный отсчеты времени,

л

при которых М,[УА(0] > t/nopi; t - оценка интервала времени, соответствующая оценке азимута as источ-

Л

ника сигнала; f/mc- оценка амплитуды сигнала;

Л

Ка - оценка номера ячейки, соответствующая азиму-

А А

ту СРС; Кая, Как - оценка номеров ячеек в поисковом пространстве, где начинается и завершается процесс обнаружения сигнала.

В процессе функционирования ПЧОК возможна организация одноэтапной и двухэтапной обработки информации.

Далее рассмотрим одноэтапную обработку информации в ПЧОК, соответствующую режиму экс-пресс-анализа при проведении РМ, в ходе которого непрерывно производится пространственный поиск СРС, а их обнаружение, грубое оценивание азимута и классификация по гипотезам His и H0s осуществляется на проходе за интервал времени Го6.

В ходе дальнейшего анализа полагаем, что А/^2 =1 ГГ,\ Т - tAg- То6 = 10 Т3 при Коб =1,

А/„/Д/ф2» 1; Д/„ Г» 1; г > 1/Д/„.

При принятых исходных данных справедлива гипотеза о нормализации процессов Us(t), Uc(t), UA(t), Uj(t), Mi[UA(t)], ШиЩ, M2[Uff)], что позволяет использовать при анализе результаты, полученные в [6,7].

Вероятности правильного обнаружения Рпо и ложной тревоги Рт могут быть определены из соотношений [6,7]:

Рпо = Ф

8 А -

агсФ(1-Рлт)

V1 + 2^o

РПТ 1 Ф^порО,

Ф{х)=-^=г]е *df, £п„р1=^-

‘\j'2jZ -оо ^П.П

/д/Ф2 Vl + 2go

•^sO

при r,(x) -» 1; r„(x) -» 0;

So=1J7-’ < =ВД,

где Ф(х), arc Ф(я) - функция Лапласа и ее обратная величина; gA, g - отношение сигнал/шум по напряжению на выходе И и Ф2; gnopi - пороговое отношение сигнал/шум в канале обнаружения; rs(x), г„(т) - коэффициенты автокорреляции одного символа сигнала S(t, I, а) и шума; <т„.п - дисперсия компоненты шум-шум на выходе И.

Характеристики обнаружения СППНЧ при

Г5= 1/Д/ф2 = 10 3 с, Т= 10 2 с, Рлт = 10"6 приведены на рис. 2, из которого следует, что для обеспечения

Лю = 0,95 необходимо, чтобы gl = -16 дБ при Д/„Г = = Ю5 и gl = -26 дБ при Д/„Г = Ю7.

Для классификации С1111НЧ в ПЧОК используется такой информативный признак, как эквивалентный

1,2

1,0

0,95-""

0,8

0,6

0,4

0,2

1 1 і і і 1 і

Г 1 С ' II м О „ і

Iі III 1 Л и о а о

/ * 1 Li- 1 , 1 Т=іо~'с,~

<nl<nj , 1 . ®Afj=io':

/ / і ® bfj= ю5, ,

/ Xх і - - ^ , ; і

О “30 \-20 \-10 О 10 20

-26 -16

Рис. 2. Характеристики обнаружения СППНЧ

go, дБ

Алгоритм классификации СППНЧ реализуется на основе обработки напряжения (7/г) в РУ! в следую-

л

щем виде Н18: Д/5Э > Д/д при гн < г < ?к,

АЛэ =

;А/д=-

пор2

°/

где Д/д - допустимая пороговая величина частотного скачка.

С учетом того, что структура СППНЧ представляет ЧВМ, имеем

\ /

If,

1=1

(т

- fH=Ks A/s; KS=\Z5,

fm,

A/S3 =

Л

гДе /, > /н _ оценки і-го частотного скачка и нижней

а/, = Д/A, Д/д = Д/„ - Д/чм; Рд =

-Ґ12

dt,

p — P p — 1 _'p -1 ^ i-'ii-'ii,

i д — ■* |UI> * ОШ “ 1 Г КЛ»

где - коэффициент Стьюдента; A/J

лов СРС, находящихся в зоне обслуживания ПЧОК; Рд - доверительная вероятность при классификации СППНЧ; Ркл - вероятность правильной классификации результатов СППНЧ.

Из результатов анализа погрешности оценивания частоты ПМИЧ для случая, когда в нем используется одношкальный автокорреляционный частотный дискриминатор (АЧД), следует [4], что для достижения требуемого уровня достоверности классификации СППНЧ необходимо, чтобы отношение сигнал/шум на входе ПМИЧ gK определялось из соотношений:

1 /Д/ф2

g/= , ; т = 1/А/„; gf=-

2mqfa

As(l + 2gK2)

границы ЧВМ СППНЧ; Ks - оценка усредненного за т отсчетов U/(г, Г5) номера эквивалентного частотного скачка ППРЧ, соответствующего отрезку реализации СППНЧ от ta до tK.

В процессе классификации СППНЧ наиболее существенное влияние на уровень достоверности оказывают ошибочные решения, обусловленные пропуском сигнала, и ложные тревоги за счет перепутывания СППНЧ с сигналами СРС, использующими частотную модуляцию.

Полагая, что Д/д соответствует доверительному интервалу оценки эквивалентного частотного скачка

А

СППНЧ Д/8Э, выражения для допустимой среднеквадратичной погрешности оценивания частоты с/ и вероятности ошибочной классификации СППНЧ Рош можно представить следующим образом [4,8]:

о к.

максималь-

ноожидаемое1 значение девиации частоты ЧМ'сигна-

Kse [1, ent (T/Ts)], где g\ — входное отношение сигнал/шум по мощности при классификации; gs - отношение сигнал/шум по напряжению на выходе ФП; Къ - коэффициент пропорциональности, зависящий от особенностей обработки напряжения £//г, Г5) в РУ и вида манипулирующей функции g(f) СППНЧ.

Для иллюстрации соотношений, устанавливающих взаимосвязь вероятности правильной классификации СППНЧ Ркд с параметрами ПМИЧ, выполним расчеты для следующих двух примеров: 1) Д/п = 107 Гц;

Д/s = Д/чм = Ю4 Гц; Д/ф2 = l/fs =103 Гц; Г = 10~2 с;

2) Д/п = 109 Гц; Д/5 = Д/чм = 10б Гц; Д/ф2 = 1 !Т% =103 Гц; Г= КГ2 с.

Кроме того, полагаем, что при проведении классификации СППНЧ в конкретном сеансе наблюдения длительностью Т перестройка частоты осуществляется по линейному закону от /„ до /„ + Ks Afs, а усреднение оценок Ufj, Ts) в РУ производится в течение временных интервалов Т = Т, и Т = 10Г8. При Ks = 10 по-

А

лучаем, что Ks - 5,5.

Результаты расчетов в виде зависимостей PM =/[q/] и а/= F( g\) приведены на рис. 3 и 4, из которых следует:

- при Д/„= 107 Гц для обеспечения Р1га = 0,95 необходимо, чтобы о/= 104 Гц, что обеспечивается при #2 = 4 дБ

при Т — Ts— 10~3 с и gI = -2 дБ при Т = 10 Г, = 10~2 с;

- при Д/„ = 109 Гц для обеспечения Рт = 0,95 необходимо, чтобы ст/= 10б Гц, что обеспечивается при g2 = -8 дБ при Т= Ts = 10~3 си g2 = -13 дБ при Т- 10Г5 = 10~2 с.

Сравнение значений чувствительности ПЧОК при обнаружении Рро и классификации Ррк СППНЧ показывает, что при одинаковом уровне достоверности обнаружения и классификации (Рпо = Р*л~ 0,95) для классификации требуется большее значение входного отношения сигнал/шум по мощности, чем при обнаружении ( #2/#о е [13, 20] дБ). С целью уменьшения данного несоответствия целесообразно использовать в ПМИЧ многошкальные АЧД, которые обеспечивают снижение Ррк за счет увеличения крутизны дискриминационной характеристики 5/.

of(Гц)

Рис. 3. Зависимость Р^ =/[о/]

/«.дБ

-2Дб

4Дб

Рис. 4. Зависимость а/ = F( g к)

Литература

1. Ипатов В.П., Казаринов Ю.М., Коломенский Ю.А. и др. Поиск, обнаружение и измерение параметров сигналов в радионавигационных системах / Под ред. Ю.М. Казаринова. М., 1975.

2.Зуфрин А.М. Методы построения судовых автоматических угломерных систем. Л., 1970.

3. Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. М., 1986.

А. Дятлов А.П. Автокорреляционные частотные дискриминаторы: Учебн. пособие. Таганрог, 1988.

5. Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е. и др. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты. М., 2 ООО.

6. Дятлов А.П., Дятлов П.А, Кульбикаян Б.Х. II Радиотехника. 2002. №7.

7. Дятлов А.П, Володин А.В., Дятлов П.А. II Тр. 8-й Между-нар. науч.-техн. конф. «Радиолокация, навигация, связь» (1ШЯС 2002). Воронеж, 2002. Т. 1. С. 527 - 533.

8. Кассандрова О.Н., Лебедев В.В. Обработка результатов

наблюдений. М., 1970.

Ростовский государственный университет путей сообщения

15 ноября 2002 г.

УДК 551.594'

КЛАССИЧЕСКИИ (НЕТУРБУЛЕНТНЫЙ) ЭЛЕКТРОДНЫЙ ЭФФЕКТ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ

© 2003 г. Г.В. Куповых, В.Н. Морозов

Nonturbulent surface layer electric state modeling results are presented. Influence of electric field, aerosol particles and ionization sources on electric characteristics near the sur face has been studied

Для исследования нетурбулентного приземного слоя, когда количество ядер конденсации в атмосфере сравнимо с числом аэроионов, используем стационарную модель классического электродного эффекта [1]. При этом предполагается, что подвижность образовавшихся тяжелых ионов на несколько порядков

меньше, чем легких. Предполагается также стационарность ядер и их постоянная концентрация. Постановка задачи обусловливается большими временными осреднениями (1-3 ч) экспериментальных величин при регулярных наблюдениях за атмосферным электричеством.