Главная | Научная деятельность | Издания | Помехозащищенность систем радиосвязи: основы теории и принципы реализации. В.И. Борисов. / 2009

Научная деятельность

Помехозащищенность систем радиосвязи: основы теории и принципы реализации. В.И. Борисов. / 2009
Помехозащищенность систем радиосвязи: основы теории и принципы реализации УДК 621.391
ББК 32.811.7
Б82

Рецензенты:
академик Ю.В. Гуляев,
доктор технических наук Г.С. Нахмансон

Помехозащищенность систем радиосвязи: основы теории и принципы реализации / В.И. Борисов. - М.: Наука, 2009. - 358 с. - ISBN 978-5-02-036943-6 (в пер.).

Изложены современные основы теории и принципы реализации систем радиосвязи (СРС), обеспечивающие их эффективную работоспособность при постоянном совершенствовании техники и тактики радиоэлектронной борьбы. На основе разработанной вероятностно-временной модели функционирования СРС в условиях организованных помех радиоэлектронного подавления анализируется методология создания эффективных помехозащищенных СРС, проводятся синтез и анализ эффективности оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов обнаружения и различения сигналов. Исследуются эффективные меры помехозащищенности, основанные на применении шумоподобных сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, адаптации по частоте, скорости и пространству, адаптивной цифровой фильтрации. Приведены принципы реализации современных систем и средств радиосвязи. Для научных работников, инженеров, аспирантов, специализирующихся в области исследований и разработки помехозащищенных систем и средств радиосвязи.


Предисловие

Современный период развития общества многими исследователями квалифицируется как переход от постиндустриального общества к глобальному информационному обществу. Средства информатики, новые информационные, компьютерные и телекоммуникационные технологии проникают сегодня практически во все сферы деятельности сотен миллионов людей, становятся атрибутами новой, информационной культуры общества, определяющим фактором его научно-технического и социального развития. Поэтому способность государства формировать, сохранять, распределять и эффективно использовать информационные ресурсы в значительной степени определяет его конкурентоспособность в мировом сообществе и является одним из необходимых условий обеспечения его национальной безопасности.

Особенно важным обстоятельством является необходимость доведения информации до мобильных абонентов, а также необходимость управления мобильными объектами на больших расстояниях на суше, на воде (и под водой), в космическом пространстве. Неслучайно в последнее время понятие «электронное» («электронное правительство», «электронные институты», «электронная дивизия» и т.п.) трансформируются в понятие «мобильное». Основу мобильных платформ составляют мобильные радиосредства, карманные или блокнотные компьютеры и беспроводная интернет-структура. Интернет как бы «разлит» по всему жизненному пространству и любой абонент, находясь в любом месте, может воспользоваться его услугами.

Методологической основой создания систем и средств беспроводной радиосвязи является статистическая теория связи и ее практическое применение. Нам представляется необходимым уделить хотя бы небольшое внимание основным этапам развития статистической теории связи. Связано это с двумя важными событиями в жизни специалистов по радио и связи. В сентябре 2008 г. исполнилось 100 лет со дня рождения академика РАН В.А. Котельникова, одного из основоположников статистической теории связи и потенциальной помехоустойчивости, и 75 лет — со дня формулирования им теоремы о дискретизации.

При анализе статистической теории связи можно выделить два основных направления ее развития, несмотря на то что в обоих направлениях используется одна и та же блок-схема системы связи. Первое направление, сформулированное В.А. Котельниковым и Д. Миддлтоном, представляет собой статистическую теорию принятия решения и оценку потенциальной помехоустойчивости. Второе направление, основанное на работах К. Шеннона и А.Н. Колмогорова, сосредоточено главным образом на кодировании и декодировании, рассматриваемых с наиболее общих позиций, объединяющих теории кодирования, модуляции и приема сигналов. Более детальный анализ истории развития статистической теории связи, информационных основ и их взаимосвязи выполнен в главе 1.

Начиная с 1980-х гг. на развитие систем и средств связи существенное влияние оказывает радиоэлектронная борьба (РЭБ), в целях которой обеспечивается обнаружение излучений средств связи и постановка помех (радиоэлектронное подавление) с целью нарушения функционирования линий связи. Время реакции постановщиков помех каждые 5 лет уменьшалось в 100-150 раз и сегодня составляет единицы миллисекунд. Это требует разработки дополнительных мероприятий по повышению помехозащищенности линий связи, а в ряде случаев создания систем и средств нового поколения, а также уточнения и дальнейшего развития некоторых положений статистической теории связи в части оценки помехозащищенности линий радиосвязи в условиях конфликта «радиосвязь — РЭБ». С этой целью нами предложена новая методология оценки помехозащищенности системы радиосвязи, основанная на разработанной нами вероятностно-временной модели функционирования систем радиосвязи в условиях РЭБ, позволяющей проводить оценку помехозащищенности, учитывающую энергетические и временные возможности как системы радиосвязи, так и станций радиоразведки и постановки помех при конечном времени передачи сообщений и действии помех со случайным временем запаздывания (см. главу 1 настоящей монографии).

В условиях постоянного совершенствования и развития техники и тактики РЭБ необходимо решать задачи, связанные с мероприятиями по помехозащищенности систем радиосвязи. К настоящему времени на практике реализованы многие из полученных в статистической теории связи алгоритмы и способы повышения помехозащищенности, например:

  • шумоподобные широкополосные сигналы (ШПС) с величиной базы сигнала 1000-30000;
  • псевдослучайная перестройка рабочих частот (ППРЧ) с количеством скачков 100-300 в секунду (медленная ППРЧ) и 3000-20000 скачков в секунду (быстрая ППРЧ);
  • адаптация по частоте, скорости и пространству.

Перечисленные выше мероприятия по защите систем радиосвязи от организованных помех и оценка их помехоустойчивости рассмотрены в главах 2 и 3.

Методологической основой написания первых трех глав явились выпущенные ранее в издательстве «Радио и связь» мною в соавторстве книги: «Помехозащищенность систем радиосвязи. Вероятностно-временной подход» (1999. 252 с.), «Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты» (2000. 384 с.), «Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью» (2003. 640 с.).

В главе 4 приводятся некоторые результаты реализации техники радиосвязи для помехозащищенных систем.

Оглавление


Предисловие
3

Глава 1
Помехозащищенность систем радиосвязи. Вероятностно-временной подход

1.1. Краткая история развития статистического и информационного направлений в теории приема и передачи сигналов 6
1.2. Обзор существующих подходов к анализу помехозащищенности радиотехнических систем, функционирующих в условиях радиотехнической разведки и радиоэлектронного подавления. Сущность радиоэлектронного конфликта «система радиосвязи – система РЭП» 13
1.3. Обобщенная структурная схема и математическая модель функционирования систем радиосвязи в условиях РЭП 21
1.4. Общие выражения для расчета вероятности ошибок при многоальтернативном различении сигналов в условиях действия запаздывающих помех РЭП со случайным моментом времени появления в течение конечного времени передачи 37
1.4.1. Постановка задачи 37
1.4.2. Общее выражение для вероятности ошибочного различения при конечном времени передачи и действии помехи РЭП со случайным временем запаздывания 38
1.4.3. Примеры численного расчета помехозащищенности радиолиний связи в условиях следящих помех РЭП на основе вероятностно-временной модели 42
1.5. Физические ограничения возможностей ответных помех по подавлению систем радиосвязи с ППРЧ 44
1.5.1. Временные возможности станции ответных помех и их взаимосвязь с мощностью передатчика помех 46
1.5.2. Влияние точности измерения частоты на время срабатывания и на мощность ответной помехи на входе приемника СРС 51
1.5.3. Селекция сигналов СРС с ППРЧ по направлению прихода 53
1.6. Синтез оптимальных алгоритмов многоальтернативного обнаружения и различения сигналов на фоне аддитивной гауссовской помехи со случайным моментом времени скачкообразного изменения дисперсии на интервале длительности передачи сигнала 57
1.6.1. Постановка задачи 57
1.6.2. Математическая модель 58
1.6.3. Критерий оптимальности. Общий метод решения задачи синтеза 63
1.7. Анализ оптимальных алгоритмов многоальтернативного обнаружения и различения сигналов на фоне аддитивной гауссовской помехи со случайным моментом времени скачкообразного изменения дисперсии на интервале длительности передачи сигнала 76
1.7.1. Постановка задачи 76
1.7.2. Анализ помехоустойчивости оптимального алгоритма различения сигналов при фиксированном моменте времени скачкообразного изменения дисперсии помехи 79
1.7.3. Анализ помехоустойчивости алгоритма различения, оптимального в условиях стационарной помехи при наличии помех со скачкообразно изменяющейся дисперсией 84
1.7.4. Анализ помехозащищенности оптимального алгоритма различения сигналов при случайном моменте времени скачкообразного изменения дисперсии помехи 90
Литература 98

Глава 2
Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты

2.1. Краткий исторический очерк 103
2.2. Системы радиосвязи с расширением спектр сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты: общие принципы построения 106
2.2.1. Краткая характеристика расширения спектра сигналов методом ППРЧ 106
2.2.2. Общая характеристика помехозащищенности систем радиосвязи с ППРЧ 116
2.2.3. Модели и краткая характеристика основных видов помех 118
2.3. Помехоустойчивость типовых систем радиосвязи с ППРЧ и частотной манипуляцией 123
2.3.1. Условная вероятность ошибки на бит информации при двоичной ЧМ 123
2.3.2. Оценка воздействия шумовых помех в части полосы на системы радиосвязи с ППРЧ 126
2.3.3. Оценка воздействия ответных шумовых помех на системы радиосвязи с ППРЧ и ЧМ 132
2.3.4. Помехоустойчивость систем радиосвязи с ППРЧ, частотной манипуляцией и блоковым кодированием 145
2.4. Синтез и анализ эффективности адаптивных алгоритмов различения сигналов с ППРЧ, частотной манипуляцией и разнесением символов по частоте 152
2.4.1. Синтез оптимального адаптивного алгоритма различения сигналов с внутрисимвольной ППРЧ и ЧМ 152
2.4.2. Квазиоптимальный адаптивный алгоритм различения сигналов с внутрисимвольной ППРЧ и двоичной ЧМ 160
2.4.3. Оценка помехоустойчивости синтезированного адаптивного алгоритма различения сигналов с внутрисимвольной ППРЧ и двоичной ЧМ 165
2.5. Синхронизация в системах радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты 170
2.5.1. Назначение подсистемы синхронизации 170
2.5.2. Описательная модель подсистемы синхронизации 175
Литература 186

Глава 3
Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью

3.1. Системы радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией псевдослучайной последовательностью: общие принципы 189
3.1.1. Краткая характеристика методов расширения спектра сигналов 189
3.1.2. Псевдослучайные последовательности и их основные свойства 194
3.1.3. Общая характеристика помехозащищенности систем радиосвязи с ФМ ШПС 202
3.1.4. Оптимальный и субоптимальный прием сигналов на фоне помех 205
3.2. Методы оценки помехоустойчивости систем радиосвязи с фазоманипулированными широкополосными сигналами 217
3.3. Алгоритмы адаптивной цифровой фильтрации шумоподобных сигналов на фоне узкополосных помех и гауссовского шума 243
3.3.1. Структуры адаптивных цифровых фильтров 245
3.3.2. Алгоритмы адаптации 249
3.4. Анализ эффективности алгоритмов адаптивной цифровой фильтрации ШПС на фоне комплекса помех 254
3.5. Некоторые аспекты аппаратурной реализации адаптивных цифровых фильтров 258
3.6. Синхронизация в системах радиосвязи с широкополосными сигналами 265
Литература 289

Глава 4
Некоторые результаты реализации техники радиосвязи для помехозащищенных систем

4.1. Радиоприемные устройства 295
4.2. Синтезатор частот 306
4.3. Анализ динамических свойств совместной работы систем автоматической установки (поиска) и фазовой автоподстройки частоты 327
4.4. Оценка совместной работы узкополосных и широкополосных каналов связи 336
4.5. Классификация техники связи по поколениям 341
Литература 350
Список сокращений 352