Устройство восстановления несущей частоты фазоманипулированных сигналов СРНС «Навстар» Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

АВТОМАТИКА, УПРАВЛЕНИЕ И ТЕХНИЧЕСКАЯ КИБЕРНЕТИКА

УДК 621.376.43

УСТРОЙСТВО ВОССТАНОВЛЕНИЯ НЕСУЩЕЙ ЧАСТОТЫ ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫХ СИГНАЛОВ СПУТНИКОВОЙ РАДИОНАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ «НАВСТАР»

© 2006 г. А.П. Дятлов, П.А. Дятлов, Б.Х. Кульбикаян

Одной из актуальных задач радиомониторинга (РМ) фазоманипулированных сигналов (ФМС), излучаемых космическими аппаратами (КА), входящими в состав спутниковой радионавигационной системы (СРНС) «НАВСТАР», является восстановление несущей частоты с целью обеспечения демодуляции ФМС.

Данная задача успешно решена в аппаратуре потребителя (АП) СРНС «НАВСТАР» при ее функционировании в штатном режиме [1], когда основные параметры и манипулирующая функция ФМС априорно известны. В этом случае при построении устройства восстановления несущей (УВН) используются алгоритмы квазикогерентной обработки и следящей фильтрации на основе фазовой автоподстройки частоты (ФАП).

При РМ радиоизлучений СРНС «НАВСТАР», функционирующей в нештатном режиме, ФМС следует отнести к классу сигналов с неизвестной формой, поскольку отсутствует информация о манипулирующей функции и интервал неопределенности по несущей частоте сигнала может составлять сотни кГц.

Поскольку при РМ ФМС с неизвестной формой использование алгоритмов квазикогерентной обработки не представляется возможным, то для свертки спектра ФМС в УВН следует использовать нелинейное (квадратичное) преобразование (НП), инвариантное к закону изменения манипулирующей функции.

Вариант построения УВН с использованием НП и следящего фильтра (СФ) на основе ФАП описан в работе [2]. К недостаткам такого УВН следует отнести жесткие требования к интервалу неопределенности о несущей частоте ФМС, которые не выполняются при РМ слабых ФМС, когда входное отношение

I 2

сигнал / помеха по мощности g вх намного меньше единицы.

В данной работе исследуются принципы построения и основные характеристики устройства восстановления несущей частоты слабых ФМС с неизвестной формой при проведении РМ излучений СРНС «НАВСТАР», функционирующей в нештатном режиме.

Восстановление несущей частоты ФМС осуществляется в несколько этапов с использованием:

- целеуказаний по результатам пространственно-частотного ФМС с целью обеспечения квазисогласованного по спектру приема;

- нелинейного квадратичного преобразования, обеспечивающего свертку спектра двухпозиционных ФМС;

- следящей фильтрации за несущей частотой ФМС с заданными характеристиками.

Пространственно-частотный поиск в подсистеме РМ обеспечивает [3]:

- разрежение многокомпонентной радиообстановки до двухкомпонентного уровня;

- обнаружение ФМС и оценивание его частотных параметров (несущей частоты и ширины спектра

а/);

- возможность подстройки параметров линейного тракта приемника (ЛТП) с целью повышения помехоустойчивости УВН.

Как показано в работе [3], при осуществлении пространственно-частотного поиска радиоизлучений СРНС «НАВСТАР» при эквивалентной шумовой полосе ЛТП А/п = 2 -107 Гц и коэффициенте усиления антенны О = 100 на выходе ЛТП обеспечивается отношение сигнал/помеха по мощности g 2 = 10-2, и при этом целеуказания по частотным параметрам ФМС, подаваемым на вход УВН, производятся со среднеквадратичной погрешностью / = 5 -10 -3 А/;.

Использование в УВН НП обеспечивает превращение ФМС в гармонический процесс с удвоенной частотой, что необходимо при реализации следящего фильтра (СФ).

Качество восстановления несущей частоты на выходе СФ характеризуется допустимой среднеквадратичной погрешностью отслеживания фазы стфд, при которой энергетические потери при демодуляции Аg не превосходят заданного уровня. Так, например, при Аg = 0,5 дБ имеем афд = 0,1 радиан [4].

Выбор рационального варианта построения УВН при РМ ФМС осуществляется на основе оптимизации параметров отдельных компонентов УВН по совокупности таких характеристик, как быстродействие, по-

мехоустоичивость, погрешность оценивания частоты и фазы при ограничениях на допустимую сложность реализации.

Под быстродействием УВН Тб понимается время регулирования, необходимое для поиска, захвата по частоте и ввода в синхронизм несущей частоты ФМС.

При наличии ограничений на быстродействие УВН целесообразно использовать вариант построения с многоступенчатым поиском несущей частоты ФМС на основе комплексирования ФАП с устройствами частотной автоподстройки (ЧАП) и последовательно-параллельного спектрального анализа (ППСА) [4].

Структура подсистемы РМ с многоступенчатым поиском в УВН приведена на рис. 1, где А - антенна; ЛТП - линейный тракт приемника; Ф1, Ф2, Ф3, Ф4, -полосовые фильтры; См1, См2 - смесители; СЧ - синтезатор частоты, Кв - квадратор; Упр1, Упр2 - управители; ПСА - параллельный спектроанализатор; РУ -решающее устройство; Ком - коммутатор; ФАП -фазовая автоподстройка; АЧД - автокорреляционный частотный дискриминатор; ФД - фазовый детектор; ФНЧ - фильтр нижних частот; УГ - управляемый генератор; Умн - умножитель частоты; Фвр - регулируемый фазовращатель.

ФАП реализована на основе ФД, ФНЧ, Упр2, УГ; ЧАП - с помощью АЧД, Упр2, УГ, последовательно-параллельный спектральный анализ - на основе См1, СЧ, ПСА, РУ и Упр1.

Принцип действия УВН состоит в следующем. После проведения пространственно-частотного поиска на основе целеуказаний осуществляется подстройка гетеродина ЛТП и полосы пропускания полосового фильтра Ф1.

При этом на выходе Ф1 имеем аддитивную смесь У2 (t) = í hФ1 (t - x)Ur(x)y (x)dx = S (t) + n (t) ;

У 20 (t) = S0 (t) + n0 (t); S0 (t) = UmoП(t^os/; Ur (t) = Umr cos2n/rt;

hф 1 (t) = 2Д/П sin с (гсД/пt )cos2n/it;

S (t) = UmsП (t)cOs + фs ) ; /s = /0 - /г ;

Д/д1

f.

f1 -

f1 fл

; f ~ ^fs;

f = 2qfi при Pg = 0,95,

где у 20 (7) - аддитивная смесь ФМС 5 0 (7) и гауссовой стационарной помехи п 0 ( ) на входе ЛТП; ит0, /0 , П (7) - амплитуда, несущая частота и манипулирующая функция ФМС на входе ЛТП; иг (7) - напряжение гетеродина в ЛТП с амплитудой и тг и частотой /г; 5 (7) - ФМС на выходе Ф1 с амплитудой и тз, частотой /, начальной фазой ф 5; И ф 1 () -импульсная реакция Ф1; п (7) - квазибелый шум; /1, Д/п - средняя (промежуточная) частота и полоса

пропускания Ф1; о/1 - среднеквадратичная погрешность частотных целеуказаний; Рд , Д/д1, - доверительная вероятность и доверительный интервал неопределенности по частоте в полосе пропускания Ф1.

Рис. 1. Структура подсистемы РМ

После квадратичного преобразования на выходе Ф2 ФМС превращается в гармонический процесс:

U ф 2 (t )= J h ф 2(t - x) S2 (x) dx = U m2 cos [4nfst + 2Ф s ];

h ф 2 (t) = 4А/д1 sin с (2nA/fllt )cos2rc/2t; f2 = 2 /,

где h ф (t) - импульсная реакция Ф2 со средней частотой /2 и полосой пропускания 2А/д1.

С целью уменьшения интервала неопределенности по частоте на первом этапе поиска применяется последовательно-параллельный спектральный анализ. При преобразовании частоты напряжения U ф (t)

в См1 в качестве гетеродинного напряжения используется вторая гармоника напряжения СЧ с линейно -ступенчатым законом перестройки частоты, и при этом на выходе Ф3 получим:

Uф3 (t)= \hф3(t - x)Uф2 (x)UСч (x)dx; hф 3 (t) = 2А/фз sin с (nA^t )cos2n/3t; Uсч (t) = Umсч cos [4п/сч (t)t + 2фсч ];

/сч (t) ^{/"сч^ ' "^./^сч j сч m } ;

д1 .

а/

ф3

f4 = 2( - /счJ )

^ А/фз V,./-А

/з -

/з +■

ф3

когда несущая частота ФМС попадает в зону действия параллельного спектрального анализатора (ПСА), то по команде, подаваемой с РУ на Упрь перестройка СЧ прекращается, и при этом фиксируется его частота

Л

/сч j •

После прохождения напряжения U ф 3 через один из каналов (например к-й канал) ПСА имеем:

1 Ti

Uk (Ti ) =- J ик (t)dt; T1 0

Uk (t)= J hk (t - x)Uф3 (x)dx; hk (t) = 2A/k sin с (/ )cos2n/kt; T- = T();

f =Д/ф3; /к = /з/+ /+(k - -)A/k; nk 22

Л

k e[1, «k ]; 4 = Л,

где h k(t) - импульсная реакция полосового фильтра в k-м канале ПСА; Uk (t), Uk (T1) - напряжения на

выходе полосового фильтра и интегратора с постоянной времени T1 в k-м канале ПСА; /k, A/k - средняя частота и полоса пропускания k-го канала ПСА; nk -

/счJ = /сч! +(' - 1)4/3

при t0 + (J -1)T> ^ t ^ 10 + jTo ; J e [1,ш];

f3 = /2 - (/сч! + /"счш ) ; Uф3 (t) = иш3 cos 4п(( - /сч . ) + 2 (ф , -Ф сч ) /Sl = 2 (( -

/сч j ),

где / - частота ФМС на выходе Ф3; А ф3 (t) - импульсная реакция Ф3 со средней частотой /3 и полосой пропускания 4/ф3; Uсч (t) - напряжение СЧ на выходе УМН; /сч1,.../сч . ,.../счш - набор частот СЧ

при перестройке частоты; ш - максимальное количество шагов перестройки СЧ; 10 - момент начала перестройки СЧ; T0 - длительность одной ступени перестройки СЧ; ф сч - начальная фаза Uсч (t). При выполнении условия

количество каналов ПСА; / - оценка частоты ФМС в ПСА.

В РУ осуществляется обнаружение ФМС и предварительное оценивание его несущей частоты :

Л Л

/к

Н;:ик (Т )> ипор ; /пр = /сч^ + 2 , где Н; - гипотеза об обнаружении ФМС в к-м канале

АЛА

ПСА; и пор - пороговое напряжение; /; пр , /сч , , /к -

предварительная оценка несущей частоты ФМС /.,

оценка частоты СЧ /сч , и частоты к-го канала ПСА

/к.

Далее напряжение и к (/) через Ком поступает в устройства ЧАП и ФАП. В АЧД осуществляется уточ-

А

нение оценки частоты / [5]:

Л

Л Л

= . = 1 (T2,т).

/s1 = /к + /s2 ; /s2 = SU (T т) ' S = 2пт; /к т = р + к; А/ = / = -;

1 T-2

Us (T2,т) = — J Uk±(t)Uk (t-T)dt;

T о

- 2 0 T2

12

Uc (T2,т) = — J Uk (t)Uk (t -T)dt;

T

20

Л

fs пр2 fга j +

fk + f

s 2

где - оценка отклонения частоты ФМС от /к в

АЧД; 5 - крутизна дискриминационной характеристики АЧД; т - временной сдвиг, вносимый линией задержки в АЧД; р - целое число; Д/од - диапазон

однозначного оценивания частоты в АЧД; ик± (7) -

квадратурная составляющая напряжения ик (7); Т2 -

постоянная интегрирования в АЧД; (Т2, т),

ис (Т2, т) - синусная и косинусная составляющая

напряжения в квадратурных каналах АЧД; fs

пр2

f Л д^ fk + fs

fyr

=fs

те в устройстве ФАП; 7 с - время доводки несущей частоты ФМС до синхронизма.

При использовании в УВН многоступенчатого поиска оптимизация быстродействия может быть обеспечена при наложении ограничений на время регулирования в каждом из компонентов УВН:

Тфап ^ Тд1 ; Тчап ^ Тд2 ; Тп ^ Тд3 . где Тд1 . Тд2 . Тд3 -

допустимое время регулирования в устройствах ФАП, ЧАП и последовательно-параллельного спектрального анализа.

Рассмотрим возможности оптимизации быстродействия УВН, начиная с ФАП.

Временные характеристики ФАП могут быть рассчитаны из следующих соотношений [6]:

предварительная оценка частоты fs с учетом ПСА и АЧД.

Напряжение с выхода АЧД подается в контур ФАП на Упр2 и обеспечивает подстройку частоты УГ до тех пор, пока частота ФМС f не попадет в полосу захватывания.

После подстройки частоты и вхождения ФАП в синхронизм напряжение УГ U уг (t) приобретает вид:

Uуг (t) = U туг cos [2nf угt + Ф s + АФ + аФ g ] ;

t з = 3,5

AfP

Afn3

t с = -

1,5

f

; Afp <Af3; T^n = 13 +1

где Д/ш - шумовая полоса контура ФАП; Д/р - частотное рассогласование несущей частоты ФМС и частоты УГ; Д/з - полоса захвата по частоте.

Характеристики помехоустойчивости и точности контура ФАП определяются следующим образом [6]:

аф < аф д

P = 1 - Ф

ср

Ап Afш

ф (x ) =

1

f Аф^ аФ д

X

I '

1

аф д =—;

л/2П

dt; afф =

аФ д 2nt с

где и туг - амплитуда напряжения иуг (7); /уг -

Л

частота УГ; /!,з - оценка отклонения частоты ФМС от /к при использовании ЧАП и ФАП; Дф - фазовые сдвиги, вносимые функциональными узлами от выхода

Ф1 до входа ФД; / - точная оценка частоты / .

После преобразования частоты в СМ2 на выходе Ф4 с учетом корректирующего Фвр получаем напряжение и н (7), соответствующее восстановленной

несущей частоте ФМС при пренебрежении нестабильностью СЧ,

ин (7) = ит ^[2п/х7 +фж + аф д ] .

Для исследуемой структуры УВН быстродействие

равно: Тб = Тп + Тчап + ТфаП ; Тфап = 7з + 7с ; Тчап = Тчд + Ту .

где Тп - время поиска ФМС при последовательно -параллельном спектральном анализе; Тчап - время оценки и подстройки несущей частоты ФМС в устройстве ЧАП; Тчд - постоянная интегрирования в

частотном детекторе; Ту - время управления в контуре ЧАП; Тфап - время подстройки несущей частоты ФМС в устройстве ФАП; 7 з - время захвата по часто-

где аф , аф д - текущее и допустимое значение среднеквадратичной флюктуационной погрешности разности фаз несущей частоты ФМС и частоты УГ в контуре ФАП; Рср - вероятность срыва слежения за фазой

в интервале Дф = п; g д - допустимое отношение

сигнал/помеха по напряжению на выходе ФАП; Ф (х)

- функция Лапласа; а/ф - среднеквадратичная флюк-

туационная погрешность слежения за частотой в ФАП.

Устройство ЧАП должно обеспечивать уменьшение доверительного интервала неопределенности несущей частоты ФМС до величины, соответствующей полосе захвата ФАП Д/з, при соответствующих значениях точностных и временных характеристик.

При использовании в устройстве ЧАП автокорреляционного частотного дискриминатора (АЧД) имеем [5]:

Д/д 2 =Д/з = 4а/чд при Рд = 0,95;

1

afчд = s—; S =2пт; gf =

g2

Sg

f = -; Ty =

л1^одТчд ;

f 2v

■ • T = T + T ■ v < 2Af2

> ^ чап ^ чд ' ^ у > v — ^'-v ш

Л

g

д

2

где А/д - доверительный интервал неопределенности частоты ФМС на входе ФАП; а/чд - среднеквадратичная флюктуационная погрешность оценивания частоты / в АЧД; Тчд - постоянная интегрирования ФНЧ в АЧД; V - максимально допустимая скорость перестройки частоты в ЧАП и ФАП; gk , g / -

отношение сигнал/помеха по напряжению на входе и выходе АЧД.

Основные характеристики ППСА могут быть определены по методике, приведенной в работе [7]:

T „ =

А/

ф 3

пк ¥k

To ; АД з = 2А/Д1 = 8cf/i при Рд = 0,95;

P = Ф

агоФ (1 - Рлт)

л/1 + 2^ 2х

P = 1 - Ф (g )• P = n,P ■

лт уо пор f > лт k лт1 >

gl

/ при g 2х << 1;

A/k =А/од; с/к =

А/к_ iS

Разработанная методика обеспечивает согласование энергетических, частотных и временных характеристик отдельных компонентов УВН и УВН в целом.

Для иллюстрации проведенных исследований рассмотрим пример построения УВН при следующих исходных данных:

g 2х = 10 -l; A/s e[l-106;2 • 107 ] ; f = 5-10 -3.

где А/ф3 - полоса пропускания Ф3; Рпо - вероятность правильного обнаружения ФМС на выходе ПСА; Рлт, Рлт 1 - вероятность ложных тревог на выходе ПСА и

одного из его каналов; агсФ (х) - функция, обратная Ф (х); Т0 - время интегрирования в каналах ПСА; А/к - полоса пропускания канала ПСА; gk - отношение сигнал/помеха по напряжению на выходе полосового фильтра канала ПСА; ст/к - среднеквадратичная погрешность оценивания частоты / ; g 0 - отношение сигнал/помеха по напряжению на выходе интегратора канала ПСА.

Совместное использование в УВН ППСА и ЧАП обеспечивает упрощение аппаратной реализации за счет сокращения числа каналов в ПСА. При этом величина выигрыша в числе каналов равна к в = А/к/А/з .

При пренебрежении нестабильностью частоты СЧ качество (точность) восстановления несущей частоты определяется характеристиками ФАП, а быстродействие УВН определяется суммарным временем обработки в ППСА, ЧАП и ФАП.

I. /

А/;

Качество (точность) восстановленного несущего колебания ФМС должна удовлетворять условию аф д < 0,1 рад, а допустимое быстродействие Тбд

составлять Тбд < 3,5 с.

Анализ основных характеристик составных частей УВН выполним для наиболее сложной ситуации, когда А/; = А/п = 2-107Гц и а/1 = 105 Гц.

Баланс временного ресурса при оптимизации быстродействия УВН распределим между ФАП, ЧАП и ППСА следующим образом: Т < 1,1 с; Тд < 1,4 с;

Тд 3 =1 с.

При аф д = 0,1 рад и (з = 1 с основные характеристики ФАП соответствуют следующим значениям: Рср ^0; А/ш = 20Гц; А/3 = 45Гц; = 7,5-10-2с; а/ф = 0,2 Гц; Тфап = 1,075 с.

При т = 10 -3 с, А/з = А/д 2 = 45 Гц, Рд = 0,95 основные характеристики ЧАП соответствуют следующим значениям: А/од = 103 Гц; а/чд = 11,25 Гц; Тчд = 0,7 с; Ту = 0,63 с; Тчап = 1,33 с.

При Рпо = 0,97 , РлТ1 = 10-5; А/к = А/од = 103 Гц; А/д 1 = 8а/г = 8 -105 Гц основные характеристики ППСА соответствуют следующим значениям: А/ф3 = 5,2-104 Гц; пк = 52; Т0 = 6,5-10 -2 с; а/к = 255 Гц; к в = 22; Тп = 1 с.

С учетом вышеизложенного быстродействие УВН составляет Тб = 3, 45 с и удовлетворяет исходному требованию.

Полученные результаты свидетельствуют возможности реализации на основе комплексирования ФАП, ЧАП и ППСА высокоточного быстродействующего УВН. Совместное использование ППСА и ЧАП обеспечивает существенное уменьшение числа каналов в ПСА ( кв = 22 ).

В ходе проведенных исследований разработаны принципы построения и методика анализа основных характеристик УВН ФМС при проведении РМ в условиях большой частотной неопределенности и малом входном отношении сигнал/помеха.

Полученные результаты могут найти применение при проектировании перспективных комплексов радиомониторинга.

Литература

1. Мищенко И.Н., Волынкин А.И., Волосов П.С. и др. Гло-

бальная навигационная система НАВСТАР // Зарубежная радиоэлектроника. 1980.№ 8. С. 52-83.

2. Стиффлер Дж. Дж. Теория синхронной связи. М., 1975.

3. Дятлов А.П., Дятлов П.А., Кульбикаян БХ. Пространст-

венно-частотный поиск радиоизлучений созвездия космических аппаратов СРНС «НАВСТАР» // Изв. вузов, Сев.-Кав. регион. Электромеханика. 2005. Вып. 11. С. 25-33.

4. Фомин А.Ф., Хорошавин А.И., Шелухин О.И. Аналоговые и цифровые синхронно-фазовые измерители и демодуляторы. М., 1987.

5. Дятлов А.П., Дятлов П.А., Кульбикаян Б.Х. Радиоэлектронная борьба со спутниковыми радионавигационными системами. М., 2004.

6. Спилкер Дж. Цифровая спутниковая связь. М., 1979.

7. Ипатов В.П., Казаринов Ю.М., Коломенский Ю.А. и др. Поиск, обнаружение и измерение параметров сигналов в радионавигационных системах. М., 1975.

Таганрогский государственный радиотехнический университет;

Ростовский государственный университет путей сообщения 13 марта 2006 г.

УДК 681

МОДЕЛЬ ОРГАНИЗАЦИИ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОГО КАНАЛА ПЕРЕДАЧИ КОНФИДЕНЦИАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

© 2006 г. В.М. Деундяк, Д.В. Харченко

Введение

Организация и обслуживание выделенных физически защищенных каналов передачи данных связана с большими материальными затратами, имеющиеся же открытые каналы передачи данных достаточной защищенностью не обладают. Таким образом, актуальной является проблема разработки систем защиты информации (ЗИ), позволяющих передавать конфиденциальную информацию по имеющимся открытым каналам передачи данных с обеспечением высокого уровня безопасности.

Среди современных средств ЗИ важную роль играют средства защиты от несанкционированного доступа (НСД), основанные на криптографических методах, и средства защиты от помех, действующие благодаря применению помехоустойчивых кодов. При разработке этих средств используется разнообразный математический аппарат. В настоящее время большую популярность получает алгебро-геометрический подход, при этом методы алгебраической геометрии, обладающие высокой степенью надежности, эффективны как в криптографии, так и в помехоустойчивом кодировании [1, 2].

Анализ показывает [3-5], что разрабатываемые средства ЗИ должны удовлетворять ряду требований, например: надежность и быстрота передачи информации, эффективность применения в сетях передачи данных, гибкость применения, экономическая привлекательность, соответствие как современным стандартам и протоколам ЗИ, так и необходимым регламентирующим документам по защите информации. Актуальным также является требование разработки средств ЗИ, которые бы одновременно обеспечивали защиту и от НСД, и от помех. Такую универсальность

можно достигать, например, на основе использования стохастических методов кодирования [4].

В данной работе представлена программно реализованная модель организации и функционирования помехоустойчивого канала передачи конфиденциальной информации, в которой защита и от НСД, и от помех достигается универсальными алгебро-геометрическими методами. Эта модель соответствует перечисленным выше требованиям, ее предварительные версии рассмотрены в [6-9]. Модель обладает рядом важных особенностей: использование современных криптографических методов, позволяющих достичь высокого уровня безопасности; адекватная комбинация криптографических протоколов, позволяющая обеспечить быстроту и надежность защиты информации; применение помехоустойчивых кодеков, позволяющих эффективно бороться с помехами; гибкость использования, позволяющая применять модель для организации требуемого уровня безопасности передачи или хранения информации; возможность обновления и расширения, позволяющая использовать вновь появляющиеся протоколы защиты информации. Модель организации защищенного обмена информацией может применяться с целью как защиты отдельных участков информационного или ключевого обмена для различных систем, так и организации инфраструктуры защищенного обмена и хранения информации в целом.

Структурная схема модели

На рис. 1 представлена структурная схема модели организации защищенного обмена информацией, коротко опишем ее модули.