CC BY
230
УДК 623.624
Радиоэлектроника и системы связи
ОПТИМАЛЬНЫЙ ПРИЕМ И ОБРАБОТКА РАДИОСИГНАЛОВ В НЕЛИНЕЙНОМ КАНАЛЕ ВЧ-ОБЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО СНЯТИЯ АКУСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ
В.Б. Авдеев, С.Н. Панычев, Н.Г. Денисенко, Н.А. Самоцвет, М.С. Сковпин
Приводится обоснование структурной схемы установки для дистанционного снятия акустической информации на основе высокочастотного зондирования источников акустических сигналов. Разработан алгоритм оптимальной нелинейной фильтрации сигналов в приемнике, основанный на применении усовершенствованной корреляционной процедуры обработки сложных сигналов на фоне шумов
Ключевые слова: акустическая информация, нелинейная фильтрация, корреляция, шумы, сигналы
В 70-х годах прошлого столетия появилось новое направление радиотехники, а именно теория и техника нелинейных радиотехнических средств (НРТС). Начало развития теории НРТС положено трудами ученых Хагера Р.О., Штейншлегера В. Б. с соавторами [1,2]. Исторически первым направлением развития теории НРТС была нелинейная радиолокация. В последующие годы теория нелинейной радиолокации развивалась Вернигоровым Н.С., Горбачевым А.А, Ларцовым С.В., Щербаковым Г.Н. и другими отечественными и зарубежными учеными. Серийно выпускаемые в России, США и Великобритании нелинейные радиолокаторы получили широкое применение в практике обнаружения искусственных объектов с нелинейными электрическими свойствами на фоне подстилающей поверхности, а также для поиска радиозакладок и других средств несанкционированного дистанционного съема акустической информации.
На рубеже XXI столетия теория и техника НРТС продолжили свое развитие в направлениях обоснования принципов построения и разработки образцов средств нелинейной радиолокации, радиосвязи, защиты информации, радио- и радиотехнической разведки и радиоэлектронного подавления. Значительный вклад в развитие этого направления радиотехники внесли профессоры Вернигоров Н.С., Авдеев В.Б, Головков А.А., Шифрин Я.С., Панычев
С.Н. [3-6].
На данный момент проблема обеспечения требуемой дальности НРТС не решена, что существенно ограничивает сферу их применения. Амплитудные "силовые" методы увеличения дальности, связанные с увеличением мощности зондирующих сигналов, приводят к усложнению проблем внутри и вне-объектовой электромагнитной совместимости радиоаппаратуры и по этой причине на практике не прием-
Авдеев Владимир Борисович - ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, тел. 8-903-653-55-20
Панычев Сергей Николаевич - ВИ ФСИН, д-р техн. наук, доцент, тел. 8-915-583-90-02
Денисенко Николай Григорьевич - ГНИИИ ПТЗИ, науч. сотрудник, тел. 8-950-873-43-78 Самоцвет Николай Андреевич - ВГТУ, аспирант, тел. 8-951-871-87-04
Сковпин Михаил Сергеевич - ВГТУ, аспирант, тел. 8-951-559-26-47
лемы. Подробный обзор методов повышения дальности действия НРТС приведен в обзорной работе [7]. Ни один из известных методов (и даже их сочетание) в практически реализуемых НРТС не могут дать желаемого эффекта увеличения зоны их действия. Поэтому очевидно, что решение проблемы следует искать на пути формирования оптимальных зондирующих сигналов и обработки принятых полезных сигналов в приемнике НРТС. Таким образом, последним резервом на пути повышения предельно достижимой дальности является применение сложных широкополосных сигналов с большой базой и их оптимальная обработка при приеме.
Развитию методов оптимальной обработки радиосигналов применительно к НРТС посвящены работы [8-10].
Целью статьи является дальнейшее развитие указанных теоретических и практических методов, направленных на совершенствование принципов построения НРТС и оптимальной обработки сигналов в них.
Конечным результатом этих усилий должно явиться значительное увеличение радиуса действия нелинейных радиосредств, в частности, комплексов дистанционного снятия акустической информации. Анализ современных моделей технических средств добывания информации показывает, что в аппаратуре акустической речевой разведки (АРР) на базе ВЧ генераторов и панорамных поисковых приемников (анализаторов спектра) используется явление модуляции речевым или акустическим сигналом зондирующих высокочастотных излучений. При этом облучаются линии коммуникаций и средства, предназначенные для речевой коммуникативной деятельности (например, телефонные аппараты). В указанных моделях технический канал извлечения речевой информации посредством ВЧ облучения (канал ВЧ облучения) по физической сущности трактуется как своеобразный канал доплеровского зондирования объектов, вибрирующих под действием давления акустического речевого сигнала.
Такими объектами могут быть:
- мембрана трубки телефонного аппарата (даже в отключенном состоянии);
- диффузор акустического датчика пожарно-охранной сигнализации;
- металлические и металлизированные объекты, размещенные в помещении и подверженные механической вибрации.
Этот принцип получения звуковой информации при облучении объекта монохроматическим ВЧ сигналом приводит к возникновению в спектре отраженного сигнала частотных составляющих, обусловленных эффектом Доплера. Конечный эффект заключается в сдвиге несущей частоты по закону, соответствующему вибрации объекта. Однако экспериментальные исследования показывают, что наряду с этим, линейным по своей сущности каналом извлечения звуковой информации одновременно существует пока не учитываемый в современных моделях акустической разведки нелинейный канал. Он возникает при одновременном воздействии на объект с нелинейными электрическими свойствами (например, телефонный аппарат) зондирующего ВЧ сигнала и электрического колебания звуковой частоты (например, тока в микрофонной цепи аппарата). В этом случае имеет место физический эффект амплитудной модуляции ВЧ излучения акустическим сигналом. Поскольку прием и обработка слабого АМ сигнала на фоне мощного зондирующего сигнала приводит к тому же результату, что и выделение доплеровских составляющих спектра, то при настройке приемника на частоту зондирующего сигнала этот канал практически выявить сложно. Однако он явно проявляется на частотах нелинейных откликов, соответствующих гармоникам зондирующего сигнала.
Дополним модель акустической речевой разведки с учетом нелинейного канала и обоснуем принципы построения установки для ее практической реализации. Теоретические и экспериментальные исследования, значительная часть которых опубликована в работах [2 - 13], показывают, что дальность действия установки можно существенно увеличить за счет применения двухчастотного зондирующего сигнала и приема откликов на частотах интермодуляции 3-го порядка.
С учетом того, что амплитуда отклика на частотах интермодуляции 3-го порядка, а именно
2 / - / 2 / - /
•>1 J2 или 2 1 значительно превышает амплитуды нелинейных откликов на гармониках и частотах интермодуляции 2-го порядка, структурная схема двухчастотного нелинейного канала ВЧ облучения состоит из элементов, приведенных на рис. 1.
Рис. 1. Структурная схема двухчастотного нелинейного канала ВЧ облучения
В следующем разделе статьи будет показано, что эффективность установки возрастает в случае применения вместо гармонического ВЧ зондирую-
щего сигнала сложного сигнала с большой базой, например, ЛЧМ излучения. Принимаемый сигнал демодулируется в поисковом приемнике и прослушивается через динамик, либо регистрируется в аналоговом или цифровом виде.
Экспериментальная проверка установки в од-ночастотном варианте с применением простого сигнала показала возможность ее практической реализации с помощью серийно выпускаемых антенн, генераторов сигналов и приемников (анализаторов спектра).
Оптимальная нелинейная фильтрация сигналов в поисковом приемнике.
Нелинейные радиотехнические средства (НРТС) съема акустической информации имеют отмеченные выше характеристики, имеют принцип работы, основанный на генерации и обработке сигналов базирующихся на нелинейных эффектах.
Дальность действия НРТС может быть увеличена благодаря оптимизации обработки внутренних сигналов и помех, учитывая особенности их характеристик.
Реализация алгоритмов оптимальной обработки сигналов возможна при использовании шумоподоб-ных сигналов с комбинированной модуляцией, обеспечивающей широкую базу. Сворачивание и оптимизация во временной области вышеуказанных сигналов позволяет многократно увеличить отношение сигнал-шум, расширив зону действия акустических НРТС.
Аспект НРТС недостаточно проработан, в связи с этим, техника нелинейного зондирования с целью получения акустической информации с оптимальной обработкой сложных сигналов, является перспективной для исследования.
Из теории статистического обнаружения сигналов известно, что при обработке сигналов во временной области оптимальным фильтром приемника, максимизирующим отношение сигнал-шум, является коррелятор. Для ЛЧМ сигнала согласованный фильтр представляет собой дисперсионную линию задержки, которая достаточно просто реализуется с помощью фильтров на поверхностных акустических волнах (ПАВ) или АЯС-фильтрах.
Критерий минимума среднего риска (средней цены последствий ошибок) является общим критерием оптимальности (качества) обнаружения сигналов в статистической радиотехнике. Критерий Неймана-Пирсона, критерий идеального наблюдателя, критерий минимума среднеквадратической ошибки, весовой критерий являются следствиями этого критерия.
Критерий отношения правдоподобия:
1(х) =
РСП (х) Рп (х)
(1)
1(х)_
где * х - отношение плотностей распределения вероятностей (ПРВ) параметра х при двух условиях: когда сигнал воздействует на приемное устройство совместно с шумом (помехой); и когда на входе приемника действует только шум (помеха). При использовании этого критерия делают допущение, что априорная ПРВ совпадает с функцией правдоподобия.
В обнаружительном приемнике отношение правдоподобия испытывается на порог, а в приемни-
ке извлечения информации находится то значение оцениваемого параметра сигнала, при котором отношение правдоподобия максимально.
При обработке сигналов во временной области корреляционный приемник является оптимальным фильтром (ОФ), поскольку он максимизирует энергетическое отношение сигнал-шум (помеха) на выходе ОФ.
Обычно, отношение правдоподобия при корреляционном приеме заменяется монотонной функцией корреляционного интеграла, который для принятия оптимального решения рассчитывается по принятой реализации у(1) для любого фиксированного параметра х исследуемого (случайного в общем случае) процесса х(1) При этом сравнение отношения правдоподобия (1) с порогом 10 заменяется сравнением
корреляционного интеграла Ъ с соответствующим % 0
порогом 0 .
Корреляционный интеграл в случае приема сигнала с полностью известными параметрами определяется выражением:
2(а) — |х(г,а)у(г)йг где х(г,а) - ожидаемый сигнал с оцениваемым параметром а;
у()- принимаемое колебание, представляющее собой аддитивную смесь шума п(1) и полезного сигнала х(^,а ИСТ ) с истинным значением оцениваемого параметра аИСТ :
у@)=п@)+Лх^,аИСТ) где А может принимать значения 1(сигнал есть) или 0 (сигнала нет).
Структурная схема корреляционного прием -ника приведена на рис. 2.
Э — | х \г )йг
(3)
Рис. 2. Структурная схема корреляционного приемника
Корреляционный интеграл есть сумма случайной (шумовой) 2п и (х) - сигнальной составляющей:
2 — 2 п + Л2с —
= | п(ъ) х(£, а)Ж + Л | х^,а ИСТ) х(£, а)Ж
(2)
Значения корреляционного интеграла являются случайными величинами, подчиняющимися различным законам распределения. Распределение ПРВ РСП (х) значений корреляционного интеграла 2 , соответствующее отсутствию сигнала (рис. 3), при его наличии сдвигается вправо по оси 2 на величину:
которая имеет размерность энергии.
Рис. 3. Графическая иллюстрация корреляционного приёма
Требуемую вероятность правильного обнаружения сигнала О для допустимого значения условной вероятности ложной тревоги ¥, определяемой порогом Х0, можно обеспечить за счет наличия сдвига Э при достаточной энергии полезного сигнала. На рис. 3 видно, что вероятность правильного обнаружения О зависит не только от порога 20, но и от формы ПРВ РСП (г) и Рп (2) .
Корреляционный интеграл достигает своего максимального значения 2тах — Э , в точках совпадения истинных и ожидаемых значений оцениваемого параметра сигнала а —аИСТ .
В связи с этим задача отыскания максимального значения корреляционного интеграла является центральной в методике.
Плотность распределения вероятностей корреляционного интеграла РСП (2) является результатом математической операции свертки исходной ПРВ РСП (х) и опорного колебания (копии ожидаемого сигнала) х(1,а), происходящих при корреляционной обработке.
На основе кратко описанной традиционной общей технологии корреляционного приема обоснуем принципы оптимальной обработки сигналов применительно к установке, структурная схема которой приведена на рис. 1.
Главным отличием предлагаемой структурной схемы оптимального коррелятора нелинейного средства акустической разведки является наличие нелинейного блока формирования опорного сигнала (копии ожидаемого полезного сигнала). Наличие этого блока позволяет реализовать эффективную нелинейную оптимальную обработку в приемнике акустических сигналов. Структурная схема оптимального нелинейного коррелятора приведена на рис. 4.
Рис. 4. Структурная схема оптимального нелинейного коррелятора
Опорный сигнал формируется с помощью двух генераторов ЛЧМ-сигналов со средними частотами
f и f2. Эти сигналы вместе с низкочастотным рече-
подобным сигналом подаются на модулятор (нелинейный элемент с типовой проходной вольт-амперной характеристикой). С выхода модулятора с помощью фильтра выделяются сигналы на частотах интермодуляции 3-го порядка, которые имеют двойную модуляцию: ЛЧМ и низкочастотную модуляцию речеподобным сигналом. Нелинейный модулятор является аналогом объекта съема акустической информации в схеме, приведенной на рис. 1. Интегратор может быть выполнен на дисперсионной линии задержки.
Данная схема обработки позволяет извлекать обнаруженный акустический сигнал с уровнями, значительно меньшими уровня собственных шумов приемника за счет сжатия сигнала во времени в линии задержки. Последнее обстоятельство позволяет значительным образом увеличить дальность действия нелинейного комплекса акустической разведки. Теоретически предельно достижимая дальность действия комплекса определяется по формулам, приведенным в [12]. Она пропорциональна корню 4-й степени из суммарной мощности зондирующего сигнала, умноженной на коэффициент сжатия принятого сигнала в оптимальном приемнике. При значении последнего коэффициента 1000 дальность можно увеличить в 5, 6 раза.
В качестве источника речеподобного сигнала целесообразно использовать генератор нескольких речевых формант. При практической реализации устройства извлечения полезной акустической информации эти форманты могут вычитаться из спектра принятого акустического сигнала без заметного снижения разборчивости речи.
Предложена структурная схема установки для дистанционного снятия акустической информации на основе двухчастотного генератора широкополосных сигналов и панорамного приемника с оптимальной обработкой сигналов. Установка отличается от известных возможностью увеличения радиуса зоны разведки за счет приема информативного сигнала на частотах продуктов нелинейного преобразования зондирующих сигналов, амплитуды которых максимальны. Кроме того, обоснован новый алгоритм оптимальной обработки сигнала в приемнике с целью
увеличения отношения сигнал-шум применительно к нелинейному комплексу дистанционного съема акустической информации. Он отличается процедурой формирования опорного ВЧ колебания на частотах интермодуляции 3-го порядка. Применение указанной процедуры обеспечивает извлечение искомой акустической сигнальной информации в ситуациях, когда амплитуды полезных сигналов в сотни раз меньше среднего уровня собственных шумов приемника. Полученные результаты способствуют созданию технического облика перспективного комплекса нелинейной акустической разведки. Практическая реализация обоснованных в статье новых принципов построения средств акустической разведки приводит к улучшению их эффективности. Подобного рода устройства с ЛЧМ модуляцией частично реализованы в нелинейных локаторах в Томске и Козачеко Н.И. в Воронеже.
Литература
1. Подвальный С.Л. Адаптация и оптимизация при построении АСУТП с использованием методов имитационного моделирования / С.Л. Подвальный // Структурная адаптация сложных систем управления: сб. науч. тр. Воронеж: Воронежский политехнический институт, 1977. С. 114-116.
2. 2. Подвальный С.Л. Эволюционные принципы формирования структуры вычислительных систем / С.Л. Подвальный // Адаптация в сложных системах управления: сб. науч.тр. Воронеж: Воронежский политехнический институт, 1979. С. 60-63.
3. Подвальный С.Л. Эволюционные структуры специального математического обеспечения интегрированных систем моделирования / С.Л. Подвальный // Проблемы оптимального выбора в прикладных задачах. Воронеж: Воронежский государственный университет, 1980. С. 90-139.
4. Подвальный С.Л. Многоальтернативные системы: обзор и классификация / С.Л. Подвальный // Системы управления и информационные технологии. 2012. № 2.С. 4-13.
5. Hager R. O., Proc. IEEE, 1974, vol. AES - 12, №2, p. 230.
6. Штейншлегер В. Б., Мисежников Г. С., Мухина М. М. - Радиоэлектроника, 1987, т. 22, № 11. - 2444 с.
7. Вернигоров Н. С. Процесс нелинейного преобразования и рассеяния электромагнитного поля электрически нелинейными объектами. - Радиотехника и электроника, 1997, т. 42, № 10, с. 1181 - 1185.
8. Шифрин Я. С. Нелинейные эффекты в антеннах. - Зарубежная радиоэлектроника. Успехи современной радиоэлектроники, 1997, № 4, с. 33 - 34.
9. Головков А.А., Волобуев А.Г. Способ нелинейной радиосвязи, основанный на использовании активных искусственных неоднородностей: в сб. трудов Межвузовской НТК"Военная электроника: опыт эксплуатации и проблемы подготовки специалистов", Воронеж, Военный институт радиоэлектроники, 2004, с. 34 - 36.
10. Авдеев В.Б., Панычев С.Н., Сенькевич Д.В. Методы и техника нелинейной радиодальнометрии и радиопеленгации (обзор). - Информационно-измерительные и управляющие системы, 2005, т. 3, №6, с. 27 - 33.
11. Авдеев В.Б., Авдеева Д.В., Кравцов Е.В., Паны-чев С.Н. Методы увеличения дальности действия нелинейных радиотехнических средств (обзор). - Информационно-измерительные и управляющие системы, 2010, т. 8, № 1, с. 18-23.
12. Горовой В.Ю. Анализ использования ЛЧМ сигнала в системах поиска средств несанкционированного съема информации. - Радиотехника, 2004, №11, с. 59 -61.
13. Панычев С.Н. Информационная трактовка теории оптимального приема сигналов в нелинейных радиотехнических средствах. - Телекоммуникации, 2008, № 6 , с. 10 - 14.
14. Авдеев В.Б., Панычев С.Н., Сенькевич Д.В. Вероятностно-энтропийный фильтр для обнаружения шу-моподобных сигналов нелинейными радио- и радиотехническими средствами. - Информационно-измерительные и управляющие системы, 2007, № 6, с. 35 - 42 .
15. Панычев С.Н., Кравцов Е.В. Особенности схем оптимальной обработки линейно-частотно модулированных сигналов в нелинейной радиолокации. - Телекоммуникации. 2010, № 6. С. 37 - 42.
16. Авдеев В.Б., Бабусенко С.И., Бердышев А.В., Катруша А.Н., Панычев С.Н. Экспериментальные исследования помех, возникающих из-за интермодуляции в радиопередатчиках. - Телекоммуникации, 2005, № 10, с. 39 - 42.
17. Алиев Д.С., Авдеев В.Б., Ваганов М.С., Ваганов Е.С., Панычев С.Н. Методический аппарат для оценки эффективности средств нелинейной радиосвязи и радиоподавления. - Телекоммуникации, 2007, № 7, с. 35 - 42).
Воронежский государственный технический университет Воронежский институт Федеральной службы исполнения наказаний
Государственный научно-исследовательский испытательный институт проблем технической защиты информации Федеральной службы по техническому и экспортному контролю (г. Воронеж)
OPTIMAL RECEPTION AND SIGNAL PROCESSING IN NONLINEAR CHANNEL RF EXPOSURE FOR REMOTE SPEAKER REMOVAL OF INFORMATION
V.B. Avdeev, S.N. Panychev, N.G. Denisenko, N.A. Samotsvet, M.S. Skovpin
The justification for the block diagram of the installation of a remote control acoustic information based on high-sounding sources of acoustic signals. An algorithm for optimal nonlinear filtering of signals in the receiver, based on the use of improved correlation procedures for complex signals from the background noise are given
Key words: acoustic information, nonlinear filtering, correlation, noise signals
