ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН, Том 1 ,№ 4, 2005, стр. 14-17
- ФИЗИКА И РАДИОТЕХНИКА =====
УДК 621.396.88
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА РАДИОМОНИТОРИНГА
© 2005 г. А.П. Дятлов1
Данная работа посвящена изложению результатов научных исследований, посвященных разработке многофункциональных средств радиомониторинга (MCP). Отличительной особенностью предложенных MCP является использование при их построении одного класса алгоритмов (автокорреляционных алгоритмов), что позволяет реализовать эффективные MCP с однородной структурой, обладающие высокими техническими, экономическими и эксплуатационными характеристиками.
При проведении радиомониторинга (РМ) необходимо решать задачи, связанные со сбором, запоминанием и обновлением информации о компонентах радиообстановки. Начальным этапом РМ является режим экспресс-анализа (ЭА), обеспечивающий оперативное решение таких статистических задач, как обнаружение, классификация и оценивание энергетических и неэнергетических параметров сигналов.
Использование при построении MCP класса автокорреляционных алгоритмов обусловлено тем, что эти алгоритмы являются квазиоптимальными при обнаружении и оценивании параметров сигналов неизвестной формы на фоне гауссовой стационарной помехи.
Из числа корреляционных устройств, используемых при решении задач ЭА, наиболее широкое применение получили автокорреляционные устройства с квадратурной обработкой (АУКО) [1].
Проведем анализ и систематизацию функциональных возможностей АУКО при следующих исходных условиях:
- модель радиообстановки на входе АУКО предполагается двухкомпонентной: y(t) = S(t, I, а.) + n(t), i0 < t < t0 + Tc, где y(t) - аддитивная смесь; S(r, I, a) - сигнал с неизвестной формой; I - информативный параметр сигнала; ä - набор сопутствующих параметров сигнала; n(t) - гауссовая стационарная помеха с известной автокорреляционной функцией RJt) = а2п sinc(3tA/nT)cos(conx), /п =
= соп/2л;; о2п - дисперсия помехи n(t);fn, Д/п-средняя частота и ширина спектра помехи; t0, Тс - момент начала и длительность сеанса PK;
1 Таганрогский государственный радиотехнический уни-
верситет, г. Таганрог
- алгоритм обработки - мультипликативный;
- вариант реализации АУКО - одноканаль-ный.
Структура АУКО приведена на рисунке 1. Принцип действия АУКО основан на вычислении квадратурных корреляционных интегралов Uy(t, т) и С/ (t,т) с последующей обработкой результатов в РУ.
Выражения для Uy(t,т) и С/ (f,т) имеют следующий вид:
'i
Uy (t,т) = //гф2 (t - í, ) ■ у0(t)y0 (t - x)dt\
—00
'1
Uy± (t,т) = //гФг (t — t])-(t)y0(t -x)dt;
—00
'2
Уо(0= SK2(t-tJ-y(t)dt\
—00
йф, (0 = 2A/n sine (яД/пт)cos(2jt/nt); /гФг (0 = 2Д/Ф sine (лД/фТ), Д/ф Д/п,
где /гф|(0, h,p2(t) - импульсная реакция фильтров Ф, и Ф2; Д/п, Д/ф - полоса пропускания фильтров Ф> и Ф2; /„ — средняя частота фильтра Ф ¡ ; jo(0 ~ аддитивная смесь на выходе фильтра Ф,; т - временной сдвиг, вносимый ЯЗ.
АУКО может функционировать в двух режимах: 1) при фиксированных значениях частоты Г/г и временного сдвига т; 2) при подстройке и адаптации частоты Г/г и временного сдвига т.
Прежде всего остановимся на анализе особенностей 1-го режима функционирования АУКО. В этом случае параметры АУКО выбираются из условий обеспечения: а) допустимых линейных
Рис. 1. Структура многофункционального автокорреляционного устройства:
А - антенна; ЛТП - линейный тракт приемника; См - смеситель; Г - гетеродин; Фь Ф2 - фильтры; Фвр - фазовращатель на л/2; ЛЗ - линия задержки; П - перемножитель; УУ,, УУ, - устройства управления; РУ - решающее устройство.
искажений исследуемых сигналов в фильтре Фь т.е. Д/п > Д/с; б) однозначного отсчета частоты, т.е. т ^ 1/2Д/п; в) согласованного по спектру выделения процессов £/у(?, т) или 11у; (7,т) на выходе
фильтра Ф2, т.е. А/ф ^ АГС, где АРС - ширина спектра процессов иу0, т) и £/у± (/,т).
Процессы (Уу(г, т) и 1/у (7,т) состоят из постоянных составляющих, соответствующих математическим ожиданиям М[[£/у(/, т)], а
также переменных составляющих, соответствующих среднеквадратическим значениям о[11у(1, т)],
В РУ для формирования информативных признаков сигналов и их функциональной обработки реализуются следующие алгоритмы [2]:
П
и J *» о
о[£/(г,т)] = л М2[иМ,т)] - М?[г/(*,т)];
о[иу1 (г,т)] = ^М2[иу, (?,т)] - М?[1/у, (*,т)]
у±
1
м2[г/у(г,т)] = -;г7у/а,т)Л;
Т о
М2[иу^,х)] = ^}и2у±0,т)с11-,
1 о
1/с1 «М,[£/у(*,т)]; Е/я1 =М1[г7ух(^,т)]; ис2=а[иу(1,т)]; ^2=о[[/у±(?,т)],
где М2[£/у (/, т)], М2[[/ух (?,т)] - второй начальный
момент напряжений на выходе синфазного и квадратурного каналов АУКО; С/с1, - постоянные составляющие процессов на выходе синфазного и квадратурного каналов АУКО; ис2, иа - переменные составляющие процессов на выходе синфазного и квадратурного каналов АУКО.
При автокорреляционной обработке аддитивной смеси _у0(г) эффект на выходе фильтров Ф2 и РУ определяется тремя компонентами, обусловленными взаимодействиями типа: первая - "сиг-нал-сигнал", вторая - "сигнал-помеха" и третья -"сигнал-шум" [3].
На этапе рассмотрения принципа действия АУКО при формировании информативных признаков сигналов и алгоритмов их обработки для описания напряжений 1/ы, из1, IIс2, и%2 можно ограничиться использованием компоненты, обусловленной взаимодействием типа "сигнал-сигнал".
В качестве примеров рассмотрим описание выходного эффекта при воздействии на АУКО: - гармонического (ГС) сигнала
итс(г) = ит со8(юс0;
16
А.П. ДЯТЛОВ
- амплитудно-модулированного (АМ) сигнала
^ам(0 = ит[1 + тсо8(О*)]со8(а)с0;
- частотно-модулированного (ЧМ) сигнала
£/чм(0 = итсоа[Щ + р8т(Й0], р =
где ит, озс - амплитуда и круговая частота сигнала; Р - индекс частотной модуляции; т - коэффициент амплитудной модуляции; F - модулирующая частота; А/д - девиация частоты.
При функционировании АУКО в 1-м режиме при фиксированной настройке частоты гетеродина/,., когда/ф =/с -/г */„, х = 1/2Д/п, АД > Г = Гс, Д/фГ 1, где/ф - частота сигнала после См, составляющие выходного эффекта описываются следующими соотношениями [2]:
ГС: \ис1 = ^)со8((офт); С/с2 = 0;
7/ -Мт
г1(т)8т((офт); £/с2=(Н;
АМ: |[/с1 =^^г1(т)со8(шфт);
К и2 I— /Ох\ ис7--з-и-л/гт сое — С08((0лт);
2 I 2 ) ф
£/„-^®-г2(х)8т(а)фт);
Г ^ Л ЧМ: С/с1 ш-вЬ^г-
г3(х)со8(о}фх);
ис2 = ^у^л/2У1(Р3)со8^) 8ш(шфх);
= ^^^/1(рз)с08^) с08(0)фх)|;
г,(х) = 1; г2(х):
1 т гх_
1 + — сое Ух 2
1 + ^-
2
4/д
г3(т) = Л(рэ); Рэ = 2^-8Ш(яРг), Рэ 5 1, г
где г,(х), г2(х), г3(х) - огибающая коэффициента автокорреляции для ГС, АМ, ЧМ; Рэ - индекс ча-
стотной модуляции после обработки ЧМ-сигна-ла в АУКО; /0(Рэ)> -Л(Рэ) ~ функции Бесселя нулевого и первого порядка; Кп - коэффициент пропорциональности с размерностью 1/В.
Для обеспечения инвариантности оценок информативных признаков исследуемых сигналов к частоте /ф в РУ осуществляется квадратурная обработка
где им - постоянная составляющая выходного эффекта в РУ; иА2 - переменная составляющая выходного эффекта в РУ.
При этом в РУ на основе приведенных выше информативных признаков могут быть реализованы следующие алгоритмы обнаружения, оценивания параметров сигналов:
'а1 §
н
пор
• У=
' ' с
С/А1; п1~
и
а2
и
;
и
а2 .
А1
и
А1
Зс ~ /г + ./ф'
агОД —— 2лх ^ £/с1
где Н1; Н0 - гипотезы о наличии и отсутствии сигнала на входе АУКО; С/пор - пороговое напряжение; - оценка уровня сигнала; М - оценка ко-
эффициента амплитудной модуляции; рэ - оценка коэффициента частотной модуляции; ^ -оценка частоты сигнала на входе АУКО и выходе Ф„
Для классификации исследуемых сигналов можно реализовать следующие алгоритмы:
Нгс: {иА1>ипор-,иА2<ипор};
Ндм: {им > £/пор; 1/А2 > и„ор};
хчм-
иа1 > и- и а2
' пор> ^ АI ^ пор I '
где Нгс, НАМ, Нчм - гипотезы о приеме ГС-, АМ-, ЧМ-сигналов.
К недостаткам приведенных выше алгоритмов классификации следует отнести возможность перепутывания в АУКО АМ- и ЧМ-сигналов.
С целью устранения отмеченного недостатка, а также для расширения функциональных возможностей и повышения помехоустойчивости АУКО целесообразно использовать адаптацию по частоте /с и временному сдвигу х, что становится возможным при переходе ко 2-му режиму функционирования АУКО.
При этом в случае выполнения условий/ф х = К, /ф =/п> гДе К - целое число, составляющие выходного эффекта при Ох < 1 преобразуются к сле-
дующему виду:
ГС: t/c,=
КЖ
; ис2= 0; Usl = 0; t/s2=0 ;
AM: J£/Cl--Uc2 = —^
V2
-m;
= i/s2 = 0 ;
РЭ = 2ЯА/Дтй1.
Перечисленные выше, при описании 1-го режима функционирования АУКО, алгоритмы обнаружения и оценивания параметров сигналов в этом случае преобразуются к следующему виду [3]:
U.
Hl
с 1
н
С/с,
Aj{ = 2V2^; j/-/r
с 1
i/c,
•Та ~ л
2лт
arctg
^с/
Кроме того, при перестройке ЛЗ по линейному закону АУКО обеспечивает снятие коррело-грамм /?с[т(г)] исследуемых сигналов и оценивание интервала корреляции сигнала ткс на основе алгоритма
= ОД,
где К0 - нормированный уровень фиксации ткс.
Алгоритмы классификации исследуемых сигналов для 2-го режима функционирования АУКО имеют вид:
Hi
Нд
гс-
{Ucl > i/nop; Uc2 < Unop, t/sl =0; i/s2 = 0); \Ur
*am- i^ci > Unop, Uc2 > Unop; Us 1 =0; Us2 = 0}; H4M: {Ucl > t/nop; Uc2 < Unop; Usl =0; Us2 > Unop}.
Использование различных наборов информативных признаков при классификации AM- и ЧМ-сигналов позволяет устранить их перепутывание.
При приеме ГС- и ЧМ-сигналов АУКО может обеспечить также оценивание выходного отношения сигнал/помеха по напряжению $ на основе следующего алгоритма:
& = ujuc2.
При использовании адаптации по временному сдвигу (т = Тп, где Гп - длительность посылки) и по частоте (/"фт = К, где К - целое число) АУКО обеспечивает демодуляцию фазоманипулиро-ванных (ФМ-2) сигналов. При этом квадратурный канал АУКО используется в кольце частотной автоподстройки ГС, а выделение манипулирующей функции ФМ-2 осуществляется в синфазном канале АУКО.
Методика и результаты анализа помехоустойчивости АУКО при решении задач обнаружения, классификации и оценивания параметров сигналов приведены в работах [1-3].
Сравнительный анализ алгоритмов, рассмотренных в работе средств РМ, показывает их однотипность, что позволяет
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.