Анализ и синтез адаптивных устройств помехозащиты в радиолиниях с широкополосными шумоподобными сигналами, входящих в состав радиолокационных комплексов

Многопозиционные радиолокационные системы (МПРЛС) получили широкое распространение в настоящее время. Одной из ключевых особенностей построения таких систем является пространственная разнесенность элементов и значительные объемы передаваемой информации между узлами [1]. Системы обмена информацией в МПРЛС могут быть организованы различными способами, в том числе с использованием высокоскоростной передачи данных по радиоканалу. Так как радиоэфир является средой, подверженной влиянию множества помех искуственного и естественного происхождения, существует проблема повышения качества передачи информации и обработки сигналов. Актуальность данной проблемы связана с возрастающим ухудшением сигнально — помеховой обстановки (СПО) вследствие увеличения количества радиопередающих устройств. Возрастающие потребности по совершенствованию методов формирования и обработки принимаемого полезного сигнала привели к логическому переходу от систем с использованием узкополосных сигналов (УПС) к радиопередающим устройствам с широкополосными сигналами (ШПС) [2]. У ШПС есть ряд неоспоримых преимуществ:

1. Возможность восстановления исходного сообщения в случае работы в условиях многолучевости.

2. Обеспечение высокой помехозащищенности.

3. Реализация скрытности передачи за счет использования сигналов с большой базой.

За счет использования ШПС с большой базой (В"1) система обладает высокой помехозащищенностью в присутствии мощных узкополосных помех. Вместе с тем, при действии мощных комплексных (узкополосных и широкополосных) помех базы сигнала может быть недостаточно для обеспечения необходимой помехозащищенности системы. В настоящей работе предлагается использовать адаптивные алгоритмы, которые позволят подстроить параметры системы для обеспечения ее функционирования в заданной СПО. Адаптация может проводиться по нескольким характеристикам полезного сигнала и действующих в радиолинии помех: направление прихода, поляризация, частота. Логично предположить, что возможность объединения этих критериев позволит достигнуть лучшего результата. Разработке и анализу характеристик комбинированной пространственно-временной системы обработки сигналов с использованием адаптивных алгоритмов посвящена настоящая диссертационная работа.

Первая глава диссертации содержит описание структуры наземного многопозиционного радиолокационного комплекса. Рассматриваются возможные пути повышения помехозащищенности радиосистем передачи информации, входящих в состав МПРЛС. Делается вывод о необходимости совместного применения ШПС и адаптивных систем обработки для противодействия помехам и выделения полезного сигнала.

Во второй главе диссертации рассматриваются адаптивные комбинированные системы обработки (КСО), их разновидности, преимущества и недостатки. Одно из направлений построения КСО заключается в реализации системы обработки в виде многомерного фильтра. Недостатками являются высокие временные затраты на вычисления и сложность исполнения [3]. Второе направление развития КСО заключается в последовательном включении фильтров меньшей размерности. При этом независимая адаптация каждого из звеньев фильтра (например, временного и пространственного) позволяет значительно сократить временные затраты. Однако, все типы помех, действующие на входе, подавляются в каждом из звеньев многоэлементного фильтра, что снижает эффективность системы. Алгоритм адаптации, который сочетает в себе энергетическую эффективность полной обработки, сохраняя приемлемое время адаптации к СПО, базируется на принципе взаимозависимой адптации компонент. Далее рассматривается двумерная пространственно—временная КСО, в которой адаптация компонент системы происходит с учетом состояния других компонент. Этот подход позволяет подавлять в пространственном фильтре только широкополосные помехи (ШПП) без учета действия узкополосных помех (УПП), подавляемых в режекторном фильтре, а в режекторном фильтре — подавлять УПП без учета действия ШПП, подавляемых в пространственном фильтре. При построении такого многомерного фильтра также выявлен недостаток — малая эффективность противодействия помехам, приходящих с направлений, близкорасположенных к направлению прихода полезного сигнала. В работе предлагается алгоритм, который позволяет путем задания ограничений при формировании амплитудно-фазового распределения электромагнитной волны по раскрыву антенной решетки изотропных излучателей обеспечить подавление таких ШПП.

Математическая модель, допущения, которые использовались при создании имитационной модели, описаны в третьей главе. В ходе моделирования рассматривались следующие сигнально-помеховые ситуации:

1. Одна широкополосная помеха, приходящая по боковому лепестку диаграммы направленности пространственного фильтра системы, четыре частотно-распределенных узкополосных помехи.

2. Одна широкополосная помеха, приходящая по главному лепестку диаграммы направленности пространственного фильтра системы, четыре частотно-распределенных узкополосных помехи.

3. Четыре широкополосные помехи, приходящие по главному (одна помеха) и боковому (3 помехи) лепесткам диаграммы направленности пространственного фильтра системы, четыре частотно-распределенных узкополосных помехи.

Условие окончания процесса адаптации — это малое приращение значений весовых коэффициентов между предыдущей и текущей итерациями.

В работе определены граничные условия применимости алгоритма. Вводятся ограничения на взаимные направления прихода источников помех и полезного сигнала. Если направления прихода полезного ШПС и ШПП совпадают, а также в случае появления более одной ШПП в главном лепестке ДН подавление помеховых компонент достигается только частично или вовсе не происходит.

Имитационное моделирование показало, что КСО с модифицированным адаптивным пространственным фильтром обеспечивает значения коэффициентов подавления широкополосных помех в пределах 2535 дБ, а значения коэффициентов подавления узкополосных помех варьируются в пределах 40−62 дБ. Неэнергетический выигрыш предложенного подхода заключается в снижении времени адаптации системы до 30 мс.

При рассмотрении радиосистемы обмена информацией между компонентами МПРЛС нельзя исключать важный этап синхронизации устройства обработки ШПС, который рассмотрен в четвертой главе. Как правило, методы беспоисковой синхронизации рассматриваются для двух классических типов помех — гауссовской и негауссовской. Оптимальным устройством беспоисковой синхронизации в условиях действия гауссовской помехи является согласованный фильтр. В случае негауссовской помехи для целей синхронизации в работе использован ранговый непараметрический обнаружитель (РНО). Для обеспечения максимальной эффективности устройства синхронизации в изменяющейся СПО в состав системы следует ввести классификатор помех (КП). Основные задачи КП заключаются в определении типа помех в канале и принятии решения о применении того или иного устройства беспоисковой синхронизации.

В пятой главе описан подход к построению адаптивной приемопередающей системы. Значительным преимуществом системы является возможность повышения скорости передачи информации в каналах с многолучевостью за счет применения структурного уплотнения канальных ШПС. Для синхронизации приемного устройства используется классификатор помехи и одна из схем беспоискового вхождения в синхронизм (СФ или РО).

В заключении представлены основные результаты работы.

1. Отражены факторы, влияющие на помехозащищенность канала обмена информацией в рамках МПРЛС и обоснован выбор метода комбинированной обработки сигнала.

2. Разработан метод повышения помехозащищенности радиолинии на основе использования пространственно-временной комбинированной системы обработки (КСО) ШПС.

3. Обеспечена помехозащищенность системы обмена информацией между звеньями МПРЛС в случае прихода помехи с направления, близкого к направлению прихода полезного сигнала за счет использования ограничений на амплитудно — фазовое распределение при приеме сигнала антенной решеткой.

4. В результате имитационного моделирования получены количественные оценки помехозащищенности для предложенной схемы КСО.

5. Разработана структурная схема высокоскоростной системы обмена информацией между звеньями МПРЛС, использующей предложенную адаптивную КСО, подсистему беспоисковой синхронизации с классификатором помех и структурным уплотнением канальных ШПС.

Вариант приемо-передающей системы с предложенным подходом к построению адаптивной КСО, подсистемой беспоисковой синхронизации с классификатором помех и структурным уплотнением ШПС позволил решить задачу повышения помехозащищенности высокоскоростной передачи информации в радиолинии с комплексом помех для звеньев МПРЛС, разнесенных в пространстве.

Настоящая диссертационная работа выполнена при проведении НИР: «Исследование применения комбинированной обработки принимаемых широкополосных шумоподобных сигналов для повышения пропускной способности и помехоустойчивости систем передачи информации по радиоканалам с комплексом помех» (НИР 209.02.01.003), проводившейся в НУК РЛМ МГТУ им. Н. Э. Баумана в соответствии с техническим заданием на НИР в 2004 — 2006 годах. Работа продолжает исследования, проводившиеся в НИИ РЛ МГТУ при выполнении ряда НИР, направленные на создание средств связи, обеспечивающих помехозащищенность при передаче информации в условиях действия комплекса помех. Результаты численных исследований, приведенные в работе, использованы при проведении НИР «Насилие», головной исполнитель НИИ РЭТ.

По теме диссертации опубликованы статьи в следующих журналах, входящих в перечень ВАК:

1. «Мобильные системы» № 11 ноябрь 2006;

2. «Вестник МГТУ им. Н. Э. Баумана, серия «Приборостроение», № 1 (66) 2007;

3. «Век качества», ноябрь — декабрь № 6 2009;

4. «Век качества», май — июнь № 3 2010.

А также в журналах:

5. «Документальная электросвязь» ноябрь, 2008;

6. «Документальная электросвязь» ноябрь, 2009.

Основные результаты доложены и обсуждены на следующих конференциях: «Студенческая весна» (МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004, 2005, 2006 г.), на заседаниях «Ассоциации документальной электросвязи» в секции «Повышение эффективности использования радиочастотного спектра» (Москва, 2008, 2009 г.), а также на международной конференции «Нормативно-правовые аспекты использования радиочастотного спектра — 2009» (пос. Ольгинка, 2009 г.).

6. Выводы по диссертации.

1. Проектирование помехозащищенной системы обмена информацией по радиоканалу между звеньями территориально-распределенного многопозиционного радиолокационного комплекса имеет ряд особенностей, связанных с возможностью действия в канале мощных узкополосных (УПП) и широкополосных (ШПП) помех, в том числе приходящих с направлений, близких к направлению прихода полезного сигнала.

2. Для борьбы с такими помехами, кроме применения ШПС, весьма перспективным является использование адаптивных систем.

3. Предложена и проанализирована комбинированная пространственно-временная схема обработки сигнала (КСО) с взаимозависимой адаптацией звеньев фильтра и линейными ограничениями в схеме формирования диаграммы направленности.

4. Методами статистического и имитационного моделирования исследована помехозащищенность комбинированной системы с взаимозависимой адаптацией компонент.

5. На ЭВМ реализован алгоритм работы пространственного и временного фильтров с введенными ограничениями на амплитудно-фазовое распредление по раскрыву антенны в ПФ. Принцип взаимозависимой адаптации позволяет реализовать подавление ШПП только в ПФ, а УПП в ЧФ. В результате моделирования получена конфигурация диаграммы направленности эквидестантной решетки антенных излучателей при действии четырех ШПП и четырех УПП. Рассмотрены три различных сценария СПО. Использование предложенного подхода позволило реализовать подавление ШПП на 25−35дБ.

6. На ЭВМ смоделирован алгоритм работы звена временного фильтра, который использован для подавления узкополосных помех в составе КСО. Его использование привело к подавлению УПП на 40−62 дБ.

7. Несмотря на ухудшение направленных свойств антенны (КНД ухудшается в 2 раза), данный подход позволяет добиться эффективного подавления действующихв радиоканале помех и уменьшить время адаптации двухкомпонентной КСО с модифицированным ПФ.

8. Этап синхронизации очень важен для обеспечения возможности приема информации с использованием ШПС и адаптацией по помеховой обстановке. Использование метода беспоисковой синхронизации также позволяет получить априорные сведения для процесса адаптации модифицированной КСО в кратчайший срок.

9. Устройство на основе СФ является оптимальным для работы в условиях действия помех типа гауссовского шума. При действии негауссовской помехи устройство синхронизации с использованием СФ не является оптимальным. Устройство синхронизации на основе рангового обнаружителя (РО) проигрывает первому по энергетическим характеристикам около 1,7 дБ при действии гауссовской помехи. Однако если при использовании устройства синхронизации на основе СФ необходимо, точно устанавливать порог, то в устройстве синхронизации на основе РО этогоне требуется. В случае помехи негауссовского типа, эффективность РО оказывается выше.

10. Использование устройства классификации параметров помехи, действующей в канале, является перспективным направлением. На основе оценки параметров помехи обеспечивается выбор наиболее целесообразного алгоритма работы устройства синхронизации.

11. Наряду с повышением помехозащищенности системы решалась задача обеспечения высокойскорости передачи информации по радиоканалам в условиях многолучевого распространения. Проведен анализ метода параллельной передачи с использованием мажоритарного уплотнения ШПС. При этом доли всех уплотняемых каналов оказываются одинаковыми.

12. Предложенная в работе приемопередающая схема с мажоритарным уплотнением ШПС и адаптивной подсистемой КСО способна обеспечить эффективную защиту от действующей в канале комплексной помехи. Применение классификатора помех позволит решить задачу надежной синхронизации приемника ШПС даже при действии мощной негауссовской помехи путем оптимального выбора алгоритма работы устройства беспоисковой синхронизации.