Главная | Научная деятельность | Издания | Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты. В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин, В.И. Шестопалов. / 2000

Научная деятельность

Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты. В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин, В.И. Шестопалов. / 2000
УДК 621.391.372.019

Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов методом псевдослучайной перестройки рабочей частоты. В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, Н.П. Мухин, В.И. Шестопалов. - М.: Радио и связь, 2000. - 384 с.: ил. ISBN - 5-256-01392-0

Излагаются основные принципы и характеристики метода расширения спектра сигналов за счет псевдослучайной перестройки рабочей частоты (ППРЧ). Приводится анализ возможных способов повышения помехозащищенности типовых систем радиосвязи (СРС) с ППРЧ и частотной манипуляцией в условиях организованных помех и собственных шумов СРС. Решаются задачи синтеза и анализа помехоустойчивости адаптивных алгоритмов демодуляции сигналов с ППРЧ и частотным разнесением информационных символов в условиях априорной неопределенности относительно мощности сосредоточенной по спектру помехи. Приводятся типовые структурные схемы и алгоритмы функционирования основных устройств подсистемы синхронизации в СРС с ППРЧ, показатели и методы оценки эффективности циклических процедур поиска. Рассматривается совместное использование с СРС сигналов с ППРЧ и адаптивных антенных решеток (ААР). Анализируется алгоритм адаптации, обеспечивающий максимальное отношение сигнал-помеха. Описываются алгоритмы и рабочие характеристики энергетических обнаружителей, обеспечивающих обнаружение сигналов с ППРЧ в целях их радиоэлектронного подавления.

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

Ил.211. Табл.14. Библиогр.112 назв.

Рецензенты:
доктор техн. наук, профессор Ю.Г. Бугров
доктор техн. наук, профессор Ю.Г. Сосулин
доктор техн. наук, профессор Н.И. Смирнов

Предисловие

Важнейшим путем достижения требуемой помехозащищенности систем радиосвязи (СРС) при воздействии организованных (преднамеренных) помех является использование сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ) и применение оптимальных и квазиоптимальных алгоритмов обработки таких сигналов.

Проблеме помехозащищенности СРС с расширением спектра сигналов методом ППРЧ посвящено большое число работ отечественных и зарубежных авторов. К ним, в первую очередь, следует отнести широко известные монографии и труды научных школ Л.Е. Варакина и Г.И. Тузова; неизданные до настоящего времени на русском языке книги D.J. Torrieri "Principles of Secure Communication Systems", Dedham, MA.: Artech House, Inc., 1985; M.K. Simon, J.K. Omura, R.A. Scholtz, B.K. Levitt "Spread Spectrum Communication", vol. I-III, Rockville, MD.: Computer Science Press, 1985. В 1998 г. издательством "Artech House, Inc.", специализирующемся в области радиолокации, радиосвязи, радиоэлектронного подавления и др., опубликованы книги D.C. Schleher "Advanced Electronic Warfare Principles", E. Waltz "Introduction to Information Warfare". Ассоциация американских специалистов в области теории и техники связи под руководством профессора J.S. Lee (Inc. 2001, Jefferson Davis Highway, Suite 601. Arlington, Virginia 22202) опубликовала более десяти, в том числе и заказных, работ по различным аспектам помехозащищенности СРС с ППРЧ. В 1999 г. в издательстве "Радио и связь" вышла монография В.И. Борисова, В.М. Зинчука "Помехозащищенность систем радиосвязи. Вероятностно-временной подход".

Тем не менее, проблема эффективности СРС с ППРЧ, исследование и разработка перспективных способов повышения помехозащищенности СРС, особенно в условиях постоянного совершенствования тактики и техники радиоэлектронного подавления (РЭП), остаются актуальными и важными как с научной, так и с практической точки зрения.

Появившиеся в последнее время возможности широкого внедрения в СРС быстродействующей микропроцессорной техники и современной элементной базы позволяют реализовать новые принципы формирования, приема и обработки сигналов с ППРЧ, включая и частотное разнесение символов с высокой кратностью и малой длительностью элементов, совместное использование М-ичной частотной манипуляции (ЧМ) и помехоустойчивого кодирования, сигналов с ППРЧ и адаптивных антенных решеток и др. Все это позволяет обеспечить высокую помехозащищенность СРС при воздействии различных видов организованных помех.

Рассматриваемые в книге темы, их содержание и изложение отражают в определенной степени современное состояние основных аспектов проблемы помехозащищенности СРС, включая, в том числе, вопросы синхронизации, совместного применения в СРС сигналов с ППРЧ и адаптивных антенных решеток, а также обнаружения сигналов с ППРЧ станциями радиотехнической разведки, обеспечивающими эффективное функционирование систем РЭП. Содержание книги подчинено единой цели - анализу эффективности возможных способов повышения помехозащищенности СРС с ППРЧ в условиях РЭП.

Книга написана на основе собственных работ авторов, в ней широко использованы результаты исследований отечественных и зарубежных специалистов. При этом авторы, обращаясь по некоторым вопросам помехозащищенности СРС с ППРЧ к неизданным на русском языке трудам зарубежных специалистов, ряд материалов книги изложили в виде аналитических обзоров.

В книге используется доступный для инженеров математический аппарат, приводятся структурные схемы типовых СРС, графики и таблицы, иллюстрирующие возможности способов помехозащищенности СРС с ППРЧ. Желание упростить излагаемый материал привело к тому, что в книге главным образом рассматриваются типовые двоичные СРС с ЧМ, а каналы связи - без затухания и с гауссовскими помехами.

Чтение книги предполагает знание основ статистической теории связи, изложенных в наиболее известных, ставших уже классическими, монографиях В.И. Тихонова "Статистическая радиотехника", - М.: Радио и связь, 1982, и Б.Р. Левина "Теоретические основы статистической радиотехники", - М.: Радио и связь, 1989.

Отдельные главы книги используются авторами при чтении лекций по целевой подготовке студентов старших курсов Воронежского государственного университета и Воронежского государственного технического университета.

За большую помощь при работе над иностранной литературой авторы благодарны переводчикам Зыкову Н.А., Луневой С.А., Титовой Л.С.

Авторы признательны сотрудникам Воронежского НИИ связи Ю.Г. Белоус, Е.И. Гончаровой, Т.В. Доровских, Е.В. Ижбахтиной, Т.Ф. Капаевой, Н.А. Парфеновой, Е.В. Погосовой, О.И. Сорокиной и Н.Н. Старухиной за компьютерный набор материалов книги, проведение многочисленных расчетов, разработку и подготовку графического и иллюстративного материала.

Оглавление


ПРЕДИСЛОВИЕ
8

ВВЕДЕНИЕ
10

Глава 1.
СИСТЕМЫ РАДИОСВЯЗИ С РАСШИРЕНИЕМ СПЕКТРА СИГНАЛОВ МЕТОДОМ ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКИ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ: ОБЩИЕ ПРИНЦИПЫ

13
1.1. Краткая характеристика расширения спектра сигналов методом ППРЧ 13
1.1.1. Основные принципы и методы расширения спектра сигналов 13
1.1.2. Метод псевдослучайной перестройки рабочей частоты 19
1.1.3. Типовые структурные схемы систем радиосвязи с ППРЧ 24
1.2. Коэффициент расширения спектра сигнала и запас помехоустойчивости системы радиосвязи с ППРЧ 36
1.3. Общая характеристика помехозащищенности систем радиосвязи с ППРЧ 42
1.3.1. Помехоустойчивость систем радиосвязи с ППРЧ 42
1.3.2. Скрытность сигналов систем радиосвязи с ППРЧ 44
1.3.3. Радиоэлектронный конфликт: "система радиосвязи - система РЭП" 53
1.4. Модели и краткая характеристика основных видов помех 56

Глава 2.
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ТИПОВЫХ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ С ППРЧ И ЧАСТОТНОЙ МАНИПУЛЯЦИЕЙ

64
2.1. Условная вероятность ошибки на бит информации при двоичной ЧМ 64
2.2. Оценка воздействия шумовой помехи в части полосы на системы радиосвязи с ППРЧ и неслучайной ЧМ 73
2.3. Оценка воздействия шумовой помехи в части полосы на системы радиосвязи с ППРЧ и случайной двоичной ЧМ 80
2.4. Оценка воздействия ответных помех на системы радиосвязи с ППРЧ и ЧМ 86
2.4.1. Оценка временных возможностей станции ответных помех 86
2.4.2. Оценка воздействия ответных шумовых помех на системы радиосвязи с ППРЧ и ЧМ 96
2.4.3. Оценка воздействия ответных гармонических помех на системы радиосвязи с ППРЧ и ЧМ 102
2.5. Помехоустойчивость систем радиосвязи с ППРЧ, двоичной ЧМ и блоковым кодированием 111

Глава 3.
СИНТЕЗ И АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ АДАПТИВНЫХ АЛГОРИТМОВ РАЗЛИЧЕНИЯ СИГНАЛОВ С ППРЧ, ЧАСТОТНОЙ МАНИПУЛЯЦИЕЙ И РАЗНЕСЕНИЕМ СИМВОЛОВ ПО ЧАСТОТЕ

124
3.1. Синтез оптимального адаптивного алгоритма различения сигналов с внутрисимвольной ППРЧ и ЧМ 124
3.2. Квазиоптимальный адаптивный алгоритм различения сигналов с внутрисимвольной ППРЧ и двоичной ЧМ 132
3.3. Оценка помехоустойчивости синтезированного адаптивного алгоритма различения сигналов с внутрисимвольной ППРЧ и двоичной ЧМ 141
3.3.1. Случай "слабых" сигналов 142
3.3.2. Случай "сильных" сигналов 148

Глава 4.
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ АДАПТИВНЫХ АЛГОРИТМОВ ДЕМОДУЛЯЦИИ СИГНАЛОВ С ВНУТРИБИТОВОЙ ППРЧ И ДВОИЧНОЙ ЧАСТОТНОЙ МАНИПУЛЯЦИЕЙ

152
4.1. Структурные схемы демодуляторов 152
4.2. Помехоустойчивость демодулятора с линейным сложением выборок 157
4.3. Помехоустойчивость демодулятора с нелинейным сложением выборок 164
4.4. Помехоустойчивость демодулятора с мягким ограничителем 170
4.5. Помехоустойчивость самонормирующегося демодулятора 173
4.6. Влияние адаптивной регулировки усиления на помехоустойчивость СРС 182
4.7. Сравнительный анализ помехоустойчивости демодуляторов сигналов с внутрибитовой ППРЧ и двоичной ЧМ 189

Глава 5.
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ СИСТЕМ РАДИОСВЯЗИ С ППРЧ ПРИ СОВМЕСТНОМ ПРИМЕНЕНИИ ЧАСТОТНОЙ МАНИПУЛЯЦИИ, РАЗНЕСЕНИЯ СИМВОЛОВ ПО ЧАСТОТЕ И БЛОКОВОГО КОДИРОВАНИЯ

194
5.1. Помехоустойчивость систем радиосвязи с ППРЧ при М-ичной ЧМ и L-кратном разнесении символов по частоте 194
5.1.1. Условная вероятность ошибки на бит информации 197
5.1.2. Анализ средней вероятности ошибки на бит информации 199
5.2. Помехоустойчивость систем радиосвязи с ППРЧ, М-ичной ЧМ, блоковым кодированием и L-кратным частотным разнесением кодовых слов 203
5.2.1. Структурная схема системы радиосвязи. 203
5.2.2. Средняя вероятность ошибки на бит информации. 206
5.2.3. Анализ средней вероятности ошибки на бит информации 209

Глава 6.
СИНХРОНИЗАЦИЯ В СИСТЕМАХ РАДИОСВЯЗИ С ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ

214
6.1. Назначение подсистемы синхронизации. 214
6.2. Описательная модель подсистемы синхронизации. 219
6.2.1. Типовая структурная схема подсистемы синхронизации 219
6.2.2. Типовые структурные схемы и алгоритмы функционирования основных устройств подсистемы синхронизации 221
6.3. Показатели и оценка эффективности циклических процедур поиска. 230
Приложение П.6.1. Верхняя граница среднего нормированного времени поиска 242
Приложение П.6.2. Верхняя граница вероятности правильного обнаружения 243

Глава 7.
АДАПТИВНЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ В СИСТЕМАХ РАДИОСВЯЗИ С ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ

244
7.1. Влияние сигналов с ППРЧ на характеристики адаптивной антенной решетки 244
7.2. Максиминный алгоритм обработки сигналов и помех 256
7.3. Реализация и возможности максиминного алгоритма 259
7.4. Модернизация максиминного алгоритма 271
7.4.1. Параметрическая обработка. 272
7.4.2. Спектральная обработка 274
7.4.3. Обработка с упреждением. 277

Глава 8.
ОБНАРУЖЕНИЕ СИГНАЛОВ С ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ

281
8.1. Обнаружение сигналов неизвестной структуры. 281
8.2. Широкополосный энергетический обнаружитель 286
8.3. Многоканальные энергетические обнаружители 292
8.3.1. Квазиоптимальный многоканальный обнаружитель 293
8.3.2. Многоканальный обнаружитель типа сумматора с блоком фильтров 295
8.3.3. Модель обнаружителя типа сумматора с блоком фильтров при перехвате сигналов с медленной ППРЧ 297
8.3.4. Многоканальный обнаружитель типа сумматора с блоком фильтров в части полосы. 305
8.3.5. Рассогласование по времени и частоте между характеристиками сигнала с ППРЧ и параметрами обнаружителя. 309
8.3.5.1. Рассогласование по времени 310
8.3.5.2. Рассогласование по частоте 311
8.4. Многоканальный адаптивный энергетический обнаружитель в условиях воздействия мешающих сигналов 313
8.4.1. Структурная схема многоканального адаптивного энергетического обнаружителя с регулировкой порогового уровня 313
8.4.2. Вероятность ложной тревоги и адаптивная регулировка порогового уровня 316
8.4.3. Вероятность обнаружения. 320
8.4.4. Влияние рассогласования по времени на обнаружение сигналов. 323
8.5. Другие возможные типы обнаружителей сигналов с ППРЧ 331
8.5.1. Корреляционный радиометр. 331
8.5.2. Цифровой анализатор спектра. 332
8.5.3. Метод вскрытия частотно-временной матрицы сигнала с ППРЧ 334
Приложение П.8.1. Алгоритмы вычисления обобщенной Q-функции Маркума. 335
П.8.1.1. Постановка задачи 335
П.8.1.2. Представление степенными рядами. 339
П.8.1.3. Представление в виде рядов Неймана. 341
П.8.1.4. Численное интегрирование 345
П.8.1.5. Гауссовская аппроксимация 349
П.8.1.6. Численные результаты 350
Приложение П.8.2. Анализ вероятностно-временных характеристик алгоритмов обнаружения сигналов 353
П.8.2.1. Вероятностно-временные характеристики основных видов обнаружителей 353
П.8.2.2. Алгоритмы расчета вероятностно-временных характеристик основных видов обнаружителей 356
П.8.2.2.1. Обнаружитель детерминированных сигналов 356
П.8.2.2.2. Обнаружитель квазидетерминированных сигналов со случайной фазой 359
П.8.2.2.3 Обнаружитель сигналов неизвестной структуры. 360
П.8.2.2.4. Обнаружители с постоянным уровнем ложной тревоги 363
П.8.2.3 Численные результаты 367
СПИСОК ОСНОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ 372
ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 374
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 377