Главная | Научная деятельность | Издания | Помехозащищённость систем радиосвязи с расширением спектра прямой модуляцией псевдослучайной последовательностью. В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, В.И. Шестопалов / 2011

Научная деятельность

Помехозащищённость систем радиосвязи с расширением спектра прямой модуляцией псевдослучайной последовательностью. В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, В.И. Шестопалов / 2011
Помехозащищённость систем радиосвязи с расширением спектра прямой модуляцией псевдослучайной последовательностью УДК 621.391.372
ББК 32.811.7

В.И. Борисов, В.М. Зинчук, А.Е. Лимарев, В.И. Шестопалов. Помехозащищённость систем радиосвязи с расширением спектра прямой модуляцией псевдослучайной последовательностью. Под ред. В.И. Борисова. Изд. 2-е перераб. и доп. - М.: РадиоСофт, 2011. - 550с; ил.281. ISBN 978-5-93-274-032-3

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 аппаратной 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. 281. Табл. 13. Библиогр. 386 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), являются 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 защищенности 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. Scholts, B.K. Levitt “Spread Spectrum Communication Handbook” (N.Y.: McGraw-Hill, Inc., 2002); D.J. Torrieri “Principles of Secure Communication Systems” (Dedham, MA.: Artech House, Inc., 1985); J.K. Holmes “Spread Spectrum System for GNSS and Wireless Communication” (Norwood: Artech House, 2007).

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.

Системы связи 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 их 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 единственной 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 эффективных СРС.

Первое издание книги 2003 года довольно быстро было распространенно издательством «Радио и связь» и получило широкую известность как в России, так и за рубежом. Об этом свидетельствует большое количество ссылок на книгу в научных статьях и обращений на сайт отдела перспективных исследований по обработке сигналов ОАО «Концерн «Созвездие». Это обстоятельство побудило авторов переработать книгу, добавить новые результаты и выпустить второе издание.

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 первоисточниками (к ним относятся, например, вопросы синхронизации).

Желание упростить излагаемый материал, сделать его доступным для широкого круга инженеров, специализирующихся в области исследования 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, И.В. Шестопаловой 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.

Содержание

Предисловие 8
Введение 11
Глава 1. Системы радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью: общие принципы 15
1.1. Краткая характеристика методов расширения спектра сигналов 15
1.1.1. Концепция и методы расширения спектра сигналов 15
1.1.2. Краткий исторический очерк 17
1.1.3. Метод непосредственной модуляции несущей псевдослучайной последовательностью 20
1.1.4. Типовые структурные схемы систем радиосвязи с ФМШПС 24
1.2. Псевдослучайные последовательности и их основные свойства 30
1.2.1. Общая характеристика и формирование ПСП 30
1.2.2. Свойства М-последовательностей 34
1.2.3. Кодовые последовательности Голда 38
1.2.4. Апериодические авто- и взаимокорреляционные функции ПСП 44
1.3. Общая характеристика помехозащищенности систем радиосвязи с ФМШПС 50
1.3.1. Помехоустойчивость и скрытность сигналов СРС 50
1.3.2. Модели и краткая характеристика основных видов помех 52
1.4. Оптимальный и субоптимальный прием сигналов на фоне помех 59
1.4.1. Оптимальный прием сигналов на фоне шума с равномерным спектром 59
1.4.2. Прием сигналов на фоне шума с неравномерным спектром 64
1.4.3. Субоптимальный прием сигналов на фоне сосредоточенных по спектру помех и белого гауссовского шума 67
1.5. Искажение корреляционной функции ШПС при субоптимальном приеме 71
Приложение к главе 1. Коэффициенты порождающих многочленов 75
Глава 2. Методы оценки помехоустойчивости систем радиосвязи с фазоманипулированными широкополосными сигналами 77
2.1. Помехоустойчивость СРС с двоичными ФМШПС при воздействии стационарных помех 77
2.2. Помехоустойчивость СРС с двоичными ФМШПС при воздействии импульсных помех 88
2.3. Помехоустойчивость СРС с двоичными ФМШПС при воздействии взаимных помех 91
2.3.1. Основные соотношения для оценки помехоустойчивости 91
2.3.2. Приближенные методы расчета СВО на бит информации 96
2.4. О возможных путях повышения помехоустойчивости СРС с ФМШПС в условиях взаимных помех 120
Глава 3. Прогнозирование и интерполирование узкополосных помех адаптивными цифровыми фильтрами при приеме шумоподобных сигналов 135
3.1. Основные понятия 135
3.2. Прогнозирование узкополосных помех адаптивными цифровыми фильтрами 138
3.3. Выбор порядка адаптивного цифрового фильтра 146
Глава 4. Алгоритмы адаптивной цифровой фильтрации шумоподобных сигналов на фоне узкополосных помех и гауссовского шума 150
4.1. Уравнение Юла-Уолкера 150
4.2. Алгоритм Левинсона-Дурбина 153
4.3. Алгоритм Берга 157
4.4. Адаптивные алгоритмы, использующие оценки градиента целевой функции 160
4.4.1. Алгоритм наискорейшего спуска для нерекурсивных фильтров 160
4.4.2. Алгоритм наименьших средних квадратов 166
4.4.3. Рекуррентный алгоритм наименьших квадратов 170
4.5. Алгоритмы адаптации для фильтров решетчатой структуры 184
4.5.1. Градиентный алгоритм адаптации фильтров решетчатой структуры 185
4.5.2. Рекуррентный алгоритм наименьших квадратов для фильтров решетчатой структуры 186
4.6. Результаты имитационного моделирования алгоритмов адаптации 190
Глава 5. Анализ эффективности алгоритмов адаптивной цифровой фильтрации шумоподобных сигналов на фоне комплекса помех 195
5.1. Критерии оценки эффективности 195
5.2. Коэффициент выигрыша в отношении сигнал-помеха 197
5.3. Асимптотическое значение для коэффициентов выигрыша 205
5.4. Влияние характеристик сигнала и помех на эффективность адаптивной цифровой фильтрации 212
5.5. Деформация корреляционной функции шумоподобного сигнала адаптивным цифровым фильтром 223
Глава 6. Некоторые аспекты аппаратурной реализации адаптивных цифровых фильтров 227
6.1. Особенности реализации АЦФ на однокристальном микропроцессоре 227
6.2. Анализ шумов квантования при реализации адаптивных цифровых фильтров на микропроцессорах с фиксированной точкой 232
6.2.1. Источники шумов квантования 232
6.2.2. Вклад шумов квантования в избыточный, по отношению к минимальному, средний квадрат ошибки 235
6.2.3. Анализ собственных значений корреляционной матрицы 239
6.3. Мультипроцессорная реализация адаптивных цифровых фильтров 245
Глава 7. Многоальтернативное обнаружение, различение и оценивание параметров сигналов в условиях априорной неопределенности относительно статистических характеристик сигналов и помех 259
7.1. Краткая характеристика проблемы 259
7.2. Оптимальные алгоритмы многоальтернативного обнаружения и различения сигналов в условиях априорной неопределенности 262
7.2.1. Математическая модель. Критерий оптимальности 262
7.2.2. Общий метод решения 264
7.2.3. Многоальтернативный t-критерий 281
7.2.4. Порядок расчета и формулы для распределений 286
7.3. Инвариантное многоальтернативное обнаружение и различение сигналов в условиях параметрической априорной неопределенности 290
7.3.1. Математическая модель. Критерий оптимальности 290
7.3.2. Метод решения 295
7.3.3. Результаты численных расчетов рабочих характеристик инвариантного обнаружителя 304
7.4. Обнаружение сигналов с постоянным уровнем ложных тревог в условиях параметрической априорной неопределенности 308
7.4.1. Постановка задачи обнаружения сигналов с постоянным уровнем ложных тревог 308
7.4.2. Структурная схема обнаружителя. Алгоритм обнаружения, обеспечивающий ПУЛТ 313
7.4.3. Рабочие характеристики обнаружителя с ПУЛТ 317
7.4.4. Результаты численных расчетов рабочих характеристик обнаружителя с ПУЛТ 320
7.5. Оптимальное усеченное последовательное многоальтернативное обнаружение при неизвестных вероятностях появления сигналов 322
7.5.1. Постановка задачи 322
7.5.2. Метод решения 327
7.5.3. Последовательный алгоритм бинарного обнаружения 334
7.5.4. Численный расчет рабочих характеристик последовательного обнаружителя 337
7.6. Синтез и анализ оптимальных алгоритмов многоальтернативного совместного обнаружения и оценивания параметров сигналов в условиях априорной неопределенности 344
7.6.1. Математическая модель. Критерий оптимальности 344
7.6.2. Синтез оптимальной структуры 349
7.6.3. Оптимальный алгоритм ОБ-ОЦ для случая оценки энергетических параметров, квадратичной функции потерь за оценку и простых стоимостей за обнаружение 355
7.6.4. Имитационное моделирование алгоритма совместного бинарного ОБ-ОЦ сигнала со случайной амплитудой на фоне аддитивной гауссовской помехи 362
Приложение к главе 7. Вычислительные алгоритмы расчета обобщенного F-распределения 371
Глава 8. Анализ эффективности обобщенных циклических процедур поиска сигналов на основе использования полумарковских процессов и направленных графов 374
8.1. Общая характеристика проблемы поиска 374
8.2. Анализ эффективности циклических процедур поиска с реальным контрольным этапом 380
8.3. Анализ эффективности циклических процедур поиска с идеальным контрольным этапом 388
8.4. Треугольные и круговые графы 390
8.5. Функция распределения времени поиска 395
8.6. Числовые характеристики времени анализа ячейки 397
8.7. Пример численных расчетов 401
8.8. Пример устройства поиска широкополосного сигнала 414
Приложение к главе 8. Вычисление передаточной функции графа с использованием формулы Мэзона 416
Глава 9. Синхронизация в системах радиосвязи с широкополосными сигналами 424
9.1. Сущность синхронизации 424
9.1.1. Виды и структурная схема системы синхронизации 427
9.1.2. Математическая модель замкнутого контура синхронизатора 431
9.2. Вероятность ошибки при неидеальной синхронизации символов (битов) 434
9.3. Оптимальный и квазиоптимальный синхронизатор символов (битов) на основе разомкнутого контура 441
9.3.1. Алгоритм оптимального синхронизатора 441
9.3.2. Алгоритм квазиоптимального синхронизатора 447
9.4. Оптимальный и квазиоптимальный синхронизатор символов (битов) на основе замкнутого контура 451
9.5. Синхронизация по псевдослучайной последовательности (псевдослучайному коду) 463
9.5.1. Полновременная кодовая когерентная система слежения 463
9.5.2. Полновременная кодовая некогерентная система слежения 468
9.5.3. Кодовая система слежения при передаче квадратурных сигналов 473
9.5.4. Модифицированные кодовые системы слежения 475
Глава 10. Синтез и анализ оптимальных и субоптимальных алгоритмов контроля 480
10.1. Краткая характеристика проблемы 480
10.2. Синтез оптимальных алгоритмов обнаружения ошибок в решениях приемника при различении произвольного числа сигналов 481
10.2.1. Математическая модель 481
10.2.2. Синтез оптимального алгоритма 484
10.2.3. Пример 487
10.3. Субоптимальный алгоритм оценки качества передачи информации при многоальтернативном различении сигналов, основанный на сравнении двух экстремальных статистик 497
10.3.1. Математическая модель 497
10.3.2. Канал со случайно изменяющейся фазой и флюктуационным шумом 502
10.3.3. Канал с медленными замираниями и аддитивной флюктуационной помехой 504
10.3.4. Численные результаты 507
Список основных сокращений 513
Основные условные обозначения 516
Список литературы 518