Главная | Научная деятельность | Издания | Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью. В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин, Г.С. Нахмансон. / 2003

Научная деятельность

Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью. В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин, Г.С. Нахмансон. / 2003
Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью УДК 621.391.372

Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью.// В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин, Г.С. Нахмансон; Под ред. В.И. Борисова. - М.: Радио и связь, 2003. - 640 с. ISBN - 5-256-01672-5

Излагаются методы оценки помехоустойчивости систем радиосвязи (СРС) с фазоманипулированными широкополосными сигналами (ФМШПС) в условиях радиоэлектронного подавления (РЭП) и взаимных помех. Приводятся принципы расширения спектра сигналов, способы формирования ФМШПС и их основные свойства. Рассматриваются алгоритмы адаптивной цифровой фильтрации ФМШПС на фоне комплекса помех, анализируются их эффективность и возможности аппаратурной реализации.

Приводятся алгоритмы многоальтернативного обнаружения и различения, совместного обнаружения и оценивания, поиска шумоподобных сигналов в условиях априорной неопределенности относительно статистических характеристик сигналов, каналов и помех. Анализируются структурные схемы синхронизаторов и влияние неидеальности синхронизации на качество приема сигналов.

Рассматривается применение акустооптических устройств в СРС в интересах анализа помеховой обстановки, различения и оценивания параметров шумоподобных сигналов.

Для научных работников, аспирантов, инженеров и студентов старших курсов вузов, специализирующихся в области исследований и разработки помехозащищенных систем радиосвязи.

Ил.314. Табл.23. Библиогр.406 назв.

Рецензенты:
доктор техн. наук, профессор Ю.Г.Бугров
доктор техн. наук, профессор В.В.Быков
доктор техн. наук, профессор В.И.Прытков

Предисловие

Одним из основных путей обеспечения помехозащищенности систем радиосвязи (СРС), функционирующих в условиях преднамеренных (организованных) и непреднамеренных помех (включая взаимные помехи), является использование сигналов с расширением спектра (шумоподобных сигналов), в частности, методом непосредственной (прямой) модуляции несущей псевдослучайной последовательностью (ПСП).

Настоящая книга посвящена изложению теоретических и методических аспектов помехозащищенности СРС, разрабатываемых на базе использования таких сложных (шумоподобных) видов сигналов. По замыслу авторов и фактическому содержанию книга является продолжением и дальнейшим развитием основ помехозащищенности СРС, изложенных в ранее изданных монографиях В.И.Борисова, В.М.Зинчука "Помехозащищенность систем радиосвязи. Вероятностно-временной подход" (М.: Радио и связь, 1999) и В.И.Борисова, В.М.Зинчука и др. "Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты" (М.: Радио и связь, 2000).

Различные вопросы помехозащищенности СРС с расширением спектра сигналов непосредственной модуляцией несущей ПСП рассматриваются в значительном количестве работ отечественных и зарубежных специалистов. К ним следует отнести в первую очередь широко известные монографии и труды научных школ Л.Е.Варакина, Г.И.Тузова; книгу Дж.Прокиса "Цифровая связь" (пер. с англ. под ред. Д.Д.Кловского, - М.: Радио и связь, 2000); книгу К.Феера "Беспроводная цифровая связь" (пер. с англ. под ред. В.И.Журавлева, - М.: Радио и связь, 2000); неизданные до настоящего времени на русском языке книги M.K.Simon, J.K.Omura, R.A.Scholtz, B.K.Levitt "Spread Spectrum Communication" (vol.I-III, Rockville, MD.: Computer Science Press, 1985); D.J.Torrieri "Principles of Secure Communication Systems" (Dedham, MA.: Artech House, Inc., 1985) и др. В 1998 г. издательством "Artech House, Inc.", специализирующемся в области радиолокации, радиосвязи, радиоэлектронного подавления и др., выпущены в свет книги D.C.Schleher "Advanced Electronic Warfare Principles", E.Waltz "Introduction to Information Warfare".

И тем не менее, проблема эффективности СРС, исследование и разработка перспективных мер и способов повышения помехозащищенности СРС, особенно в условиях все нарастающего усложнения сигнально-помеховой обстановки, постоянного совершенствования техники и тактики РЭП остаются актуальными и важными как с теоретической, так и с практической точки зрения.

Для практических приложений, в том числе и для СРС с расширением спектра, требующих учета реальных условий в процессе передачи и приема информации, важной и актуальной является проблема синтеза и анализа эффективности оптимальных и субоптимальных алгоритмов многоальтернативного обнаружения и различения сигналов, совместного обнаружения и оценивания параметров сигналов, применения последовательного анализа к задачам обнаружения, поиска ШПС в условиях различной априорной неопределенности относительно статистических характеристик сигналов, каналов и помех.

Внедрение в современных СРС быстродействующей микропроцессорной техники и новейшей элементной базы позволяет реализовать разработанные за последнее время оптимальные и субоптимальные алгоритмы обработки шумоподобных сигналов (ШПС), включая алгоритмы адаптивной цифровой фильтрации ШПС на фоне узкополосных помех и гауссовского шума; алгоритмы многоальтернативного обнаружения и различения сигналов, одновременного обнаружения и оценивания параметров ШПС в условиях априорной неопределенности; алгоритмы обнаружения ШПС с постоянным уровнем ложных тревог; алгоритмы циклического поиска сигналов на основе использования полумарковских процессов и направленных графов и др. Реализация перечисленных выше алгоритмов обнаружения, различения, оценивания, поиска и адаптивной цифровой фильтрации ШПС позволит существенным образом повысить помехозащищенность СРС в условиях различного вида априорной неопределенности и воздействия помех.

Помехозащищенность СРС в значительной мере зависит от учета помеховой обстановки, в которой эта СРС функционирует. Наиболее приемлемым вариантом решения этой проблемы для СРС с ШПС является использование акустооптических устройств, позволяющих практически в реальном масштабе времени и с высокой степенью достоверности распознавать и оценивать параметры как ШПС, так и помеховых сигналов.

Системы радиосвязи с фазоманипулированными широкополосными сигналами (ФМШПС) наиболее сильно подвержены влиянию узкополосных помех. Борьба с этими видами помех ведется различными способами, основными из которых являются режекторные цифровые и аналоговые фильтры. Одним из эффективных способов подавления узкополосных помех является адаптивная цифровая фильтрация (АЦФ). Поэтому в книге значительное внимание уделено техническим (вплоть до реализации) и методическим аспектам АЦФ шумоподобных сигналов.

Излагаемые в книге вопросы отражают современные взгляды на основные аспекты помехозащищенности СРС с ШПС в условиях априорной неопределенности и воздействия преднамеренных и непреднамеренных помех. Большая часть материалов книги посвящена решению единой задачи - оценке помехозащищенности СРС с ШПС и эффективности алгоритмов обработки ШПС, включая алгоритмы инвариантного многоальтернативного обнаружения и различения сигналов, совместного обнаружения и оценивания параметров сигналов, обнаружения сигналов с постоянным уровнем ложных тревог, независимым от мощности помехи, циклических процедур поиска сигналов.

Вопросы и методы, рассматриваемые в книге, являются важными и актуальными областями дальнейших исследований и разработок, стимулируемых насущными потребностями в создании более эффективных СРС.

В основу книги положены собственные работы авторов, также в ней широко использованы результаты исследований отечественных и зарубежных ученых. Часть материалов книги, базирующихся на неизданных на русском языке трудах зарубежных специалистов, изложена в виде аналитических обзоров с соответствующими ссылками на первоисточники (к ним относятся, например, вопросы синхронизации).

Желание упростить излагаемый материал, сделать его доступным для широкого круга инженеров, специализирующихся в области исследований и проектирования помехозащищенных СРС с ШПС, привело к тому, что в книге в основном рассматриваются типовые СРС с бинарными ФМШПС, каналы связи без затухания, в качестве собственных шумов - гауссовские помехи.

Излагая материал книги, авторы намеренно не рассматривают конкретные СРС с расширением спектра сигналов. Такая позиция мотивируется желанием изложить единый подход к проблеме помехозащищенности СРС в целом, где основное внимание уделяется не частным техническим задачам, а теоретическим и методическим основам разработки алгоритмов обнаружения, поиска, оценивания и фильтрации ФМШПС.

Для чтения книги требуются знания основ статистической теории связи в рамках известных монографий В.И.Тихонова, Б.Р.Левина, а также теории вероятности и ее практических приложений.

Материалы отдельных глав книги используются авторами при чтении лекций студентам старших курсов Воронежского государственного университета и Воронежского государственного технического университета.

Авторы выражают благодарность Ю.Г.Белоус, Е.И.Гончаровой, Т.В.Доровских, Е.В.Ижбахтиной, Т.Ф.Капаевой, О.А.Крыниной, Ю.Н.Максюта за компьютерный набор книги, проведение многочисленных расчетов, подготовку и оформление графического и иллюстративного материала.

Авторы признательны Т.Ф.Капаевой и Ю.Н.Максюта за разработку ряда математических моделей и алгоритмов обработки сигналов.

Оглавление


ПРЕДИСЛОВИЕ
9

ВВЕДЕНИЕ
12

Глава 1.
СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ С РАСШИРЕНИЕМ СПЕКТРА СИГНАЛОВ МОДУЛЯЦИЕЙ НЕСУЩЕЙ ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬЮ: ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ

17
1.1. Краткая характеристика методов расширения спектра сигналов 17
1.1.1. Концепция и методы расширения спектра сигналов 17
1.1.2. Краткий исторический очерк 19
1.1.3. Метод непосредственной модуляции несущей псевдослучайной последовательностью 22
1.1.4. Типовые структурные схемы систем радиосвязи с ФМШПС 26
1.2. Псевдослучайные последовательности и их основные свойства 32
1.2.1. Общая характеристика и формирование ПСП 32
1.2.2. Свойства М-последовательностей 36
1.2.3. Кодовые последовательности Голда 40
1.2.4. Апериодические авто- и взаимокорреляционные функции ПСП 46
1.3. Общая характеристика помехозащищенности систем радиосвязи с ФМШПС 52
1.3.1. Помехоустойчивость и скрытность сигналов СРС 52
1.3.2. Модели и краткая характеристика основных видов помех 54
1.4. Оптимальный и субоптимальный прием сигналов на фоне помех 61
1.4.1. Оптимальный прием сигналов на фоне шума с равномерным спектром 61
1.4.2. Прием сигналов на фоне шума с неравномерным спектром 66
1.4.3. Субоптимальный прием сигналов на фоне сосредоточенных по спектру помех и белого гауссовского шума 69
1.5. Искажение корреляционной функции ШПС при субоптимальном приеме 73
Приложение к главе 1. Коэффициенты порождающих многочленов 77

Глава 2.
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ С ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫМИ ШИРОКОПОЛОСНЫМИ СИГНАЛАМИ

79
2.1. Помехоустойчивость СРС с двоичными ФМШПС при воздействии стационарных помех 79
2.2. Помехоустойчивость СРС с двоичными ФМШПС при воздействии импульсных помех 90
2.3. Помехоустойчивость СРС с двоичными ФМШПС при воздействии взаимных помех 93
2.3.1. Основные соотношения для оценки помехоустойчивости 93
2.3.2. Приближенные методы расчета СВО на бит информации 98
2.4. О возможных путях повышения помехоустойчивости СРС с ФМШПС в условиях взаимных помех 122

Глава 3.
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И ИНТЕРПОЛИРОВАНИЕ УЗКОПОЛОСНЫХ ПОМЕХ АДАПТИВНЫМИ ЦИФРОВЫМИ ФИЛЬТРАМИ ПРИ ПРИЕМЕ ШУМОПОДОБНЫХ СИГНАЛОВ

137
3.1. Основные понятия 137
3.2. Прогнозирование узкополосных помех адаптивными цифровыми фильтрами 140
3.3. Выбор порядка адаптивного цифрового фильтра 148

Глава 4.
АЛГОРИТМЫ АДАПТИВНОЙ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ШУМОПОДОБНЫХ СИГНАЛОВ НА ФОНЕ УЗКОПОЛОСНЫХ ПОМЕХ И ГАУССОВСКОГО ШУМА

152
4.1. Уравнение Юла-Уолкера 152
4.2. Алгоритм Левинсона-Дурбина 155
4.3. Алгоритм Берга 159
4.4. Адаптивные алгоритмы, использующие оценки градиента целевой функции 162
4.4.1. Алгоритм наискорейшего спуска для нерекурсивных фильтров 162
4.4.2. Алгоритм наименьших средних квадратов 168
4.4.3. Рекуррентный алгоритм наименьших квадратов 172
4.5. Алгоритмы адаптации для фильтров решетчатой структуры 186
4.5.1. Градиентный алгоритм адаптации фильтров решетчатой структуры 187
4.5.2. Рекуррентный алгоритм наименьших квадратов для фильтров решетчатой структуры 188
4.6. Результаты имитационного моделирования алгоритмов адаптации 192

Глава 5.
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ АЛГОРИТМОВ АДАПТИВНОЙ ЦИФРОВОЙ ФИЛЬТРАЦИИ ШУМОПОДОБНЫХ СИГНАЛОВ НА ФОНЕ КОМПЛЕКСА ПОМЕХ

197
5.1. Критерии оценки эффективности 197
5.2. Коэффициент выигрыша в отношении сигнал-помеха 199
5.3. Асимптотическое значение для коэффициентов выигрыша 207
5.4. Влияние характеристик сигнала и помех на эффективность адаптивной цифровой фильтрации 214
5.5. Деформация корреляционной функции шумоподобного сигнала адаптивным цифровым фильтром 225

Глава 6.
НЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ АППАРАТУРНОЙ РЕАЛИЗАЦИИ АДАПТИВНЫХ ЦИФРОВЫХ ФИЛЬТРОВ

229
6.1. Особенности реализации АЦФ на однокристальном микропроцессоре 229
6.2. Анализ шумов квантования при реализации адаптивных цифровых фильтров на микропроцессорах с фиксированной точкой 234
6.2.1. Источники шумов квантования 234
6.2.2. Вклад шумов квантования в избыточный, по отношению к минимальному, средний квадрат ошибки 237
6.2.3. Анализ собственных значений корреляционной матрицы 241
6.3. Мультипроцессорная реализация адаптивных цифровых фильтров 247

Глава 7.
МНОГОАЛЬТЕРНАТИВНОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ, РАЗЛИЧЕНИЕ И ОЦЕНИВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СИГНАЛОВ В УСЛОВИЯХ АПРИОРНОЙ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ ОТНОСИТЕЛЬНО СТАТИСТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СИГНАЛОВ И ПОМЕХ

261
7.1. Краткая характеристика проблемы 261
7.2. Оптимальные алгоритмы многоальтернативного обнаружения и различения сигналов в условиях априорной неопределенности 264
7.2.1. Математическая модель. Критерий оптимальности 264
7.2.2. Общий метод решения 266
7.2.3. Многоальтернативный t-критерий 283
7.2.4. Порядок расчета и формулы для распределений 288
7.3. Инвариантное многоальтернативное обнаружение и различение сигналов в условиях параметрической априорной неопределенности 292
7.3.1. Математическая модель. Критерий оптимальности 292
7.3.2. Метод решения 297
7.3.3. Результаты численных расчетов рабочих характеристик инвариантного обнаружителя 306
7.4. Обнаружение сигналов с постоянным уровнем ложных тревог в условиях параметрической априорной неопределенности 310
7.4.1. Постановка задачи обнаружения сигналов с постоянным уровнем ложных тревог 310
7.4.2. Структурная схема обнаружителя. Алгоритм обнаружения, обеспечивающий ПУЛТ 315
7.4.3. Рабочие характеристики обнаружителя с ПУЛТ 319
7.4.4. Результаты численных расчетов рабочих характеристик обнаружителя с ПУЛТ 322
7.5. Оптимальное усеченное последовательное многоальтернативное обнаружение при неизвестных вероятностях появления сигналов 324
7.5.1. Постановка задачи 324
7.5.2. Метод решения 329
7.5.3. Последовательный алгоритм бинарного обнаружения 336
7.5.4. Численный расчет рабочих характеристик последовательного обнаружителя 339
7.6. Синтез и анализ оптимальных алгоритмов многоальтернативного совместного обнаружения и оценивания параметров сигналов в условиях априорной неопределенности 346
7.6.1. Математическая модель. Критерий оптимальности 346
7.6.2. Синтез оптимальной структуры 351
7.6.3. Оптимальный алгоритм ОБ-ОЦ для случая оценки энергетических параметров, квадратичной функции потерь за оценку и простых стоимостей за обнаружение 357
7.6.4. Имитационное моделирование алгоритма совместного бинарного ОБ-ОЦ сигнала со случайной амплитудой на фоне аддитивной гауссовской помехи 364
Приложение к главе 7. Вычислительные алгоритмы расчета обобщенного F-распределения 373

Глава 8.
АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ ОБОБЩЕННЫХ ЦИКЛИЧЕСКИХ ПРОЦЕДУР ПОИСКА СИГНАЛОВ НА ОСНОВЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПОЛУМАРКОВСКИХ ПРОЦЕССОВ И НАПРАВЛЕННЫХ ГРАФОВ

376
8.1. Общая характеристика проблемы поиска 376
8.2. Анализ эффективности циклических процедур поиска с реальным контрольным этапом 382
8.3. Анализ эффективности циклических процедур поиска с идеальным контрольным этапом 390
8.4. Треугольные и круговые графы 392
8.5. Функция распределения времени поиска 397
8.6. Числовые характеристики времени анализа ячейки 399
8.7. Пример численных расчетов 403
8.8. Пример устройства поиска широкополосного сигнала 416
Приложение к главе 8. Вычисление передаточной функции графа с использованием формулы Мэзона 418

Глава 9.
СИНХРОНИЗАЦИЯ В СИСТЕМАХ РАДИОСВЯЗИ С ШИРОКОПОЛОСНЫМИ СИГНАЛАМИ

426
9.1. Сущность синхронизации 426
9.1.1. Виды и структурная схема системы синхронизации 429
9.1.2. Математическая модель замкнутого контура синхронизатора 433
9.2. Вероятность ошибки при неидеальной синхронизации символов (битов) 436
9.3. Оптимальный и квазиоптимальный синхронизатор символов (битов) на основе разомкнутого контура 443
9.3.1. Алгоритм оптимального синхронизатора 443
9.3.2. Алгоритм квазиоптимального синхронизатора 449
9.4. Оптимальный и квазиоптимальный синхронизатор символов (битов) на основе замкнутого контура 453
9.5. Синхронизация по псевдослучайной последовательности (псевдослучайному коду) 465
9.5.1. Полновременная кодовая когерентная система слежения 465
9.5.2. Полновременная кодовая некогерентная система слежения 470
9.5.3. Кодовая система слежения при передаче квадратурных сигналов 475
9.5.4. Модифицированные кодовые системы слежения 477
9.6. Влияние эффекта Допплера на прием ФМШПС в канале синхронизации 482

Глава 10.
ПРИМЕНЕНИЕ АКУСТООПТИЧЕСКИХ СПЕКТРОАНАЛИЗАТОРОВ ДЛЯ АНАЛИЗА ПОМЕХОВОЙ ОБСТАНОВКИ

503
10.1. Общая характеристика акустооптических устройств 503
10.2. Типовая схема акустооптического спектроанализатора 508
10.3. Оценка параметров спектра и различение квазидетерминированных сигналов 512
10.3.1. Оценка частоты и ширины спектра квазидетерминированных сигналов 512
10.3.2. Различение квазидетерминированных сигналов 522
10.4. Оценка параметров спектра и различение случайных сигналов 528
10.4.1. Оценка частоты и ширины спектра случайных помеховых сигналов 528
10.4.2. Различение случайных сигналов 536
10.5. Различение двухкомпонентных сигналов 538

Глава 11.
АКУСТООПТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ, ПРИНИМАЕМЫХ АНТЕННЫМИ РЕШЕТКАМИ

544
11.1. Оценка частоты и угла прихода квазидетерминированных помеховых сигналов 544
11.2. Оценка частоты и угла прихода сигналов, принимаемых антенными решетками 557
11.3. Влияние неидентичности входных каналов системы обработки на точность оценивания частоты и угла прихода сигналов 562

Глава 12.
ПРИМЕНЕНИЕ АКУСТООПТИЧЕСКИХ КОРРЕЛЯТОРОВ С ВРЕМЕННЫМ ИНТЕГРИРОВАНИЕМ

578
12.1. Оценка времени задержки ШПС в АОКВИ 578
12.2. Увеличение временного интервала для измерения времени задержки ШПС в АОКВИ 583
12.2.1. Оценка времени задержки ШПС в многоканальных АОКВИ 584
12.2.2. Оценка времени запаздывания ШПС в АОКВИ с расширенным контролируемым временным интервалом 590
12.3. Различение дискретно-кодированных сигналов 597
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 603
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 606
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 608
Литература к главам 1-6 608
Литература к главам 7-9 617
Литература к главам 10-12 633