СИСТЕМА ТЕЛЕУПРАВЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области радиосвязи и может быть использовано при разработке широкополосных средств связи с повышенной скрытностью, помехоустойчивостью и помехозащищенностью, одной разновидностью которых являются системы телеуправления (СТУ).
СТУ образуют особый класс радиосистем передачи информации. Если в системах передачи информации решается задача доставки получателю информации с минимальными искажениями, то в СТУ передается команда на выполнение объектом управления определенных операций и решается задача обнаружения сигнала на основе критерия Неймана-Пирсона. При этом очень важно обеспечить в СТУ малую заранее заданную вероятность ложного приема команды, а затем принять все меры для получения максимальной вероятности правильного приема команды.
Известно устройство для передачи и приема модулированных по фазе и частоте сигналов [1], содержащее на передающей стороне - последовательно соединенные синхронизатор, первый коммутатор, фазовый модулятор, смеситель, ко второму входу которого подключен выход частотного модулятора, состоящего из двух ключей, выходы которых являются выходом частотного модулятора, первые входы которых через второй коммутатор подключены ко второму выходу синхронизатора, причем вторые входы ключей частотного модулятора через соответствующие выходы синтезатора частот подключены ко второму входу фазового модулятора, а также содержит выходной согласующий блок, выход которого является выходом передающей стороны, на приемной стороне - линейный согласующий блок, вход которого является входом приемной стороны, последовательно соединенные блок задержки, смеситель, ко второму входу которого подключен выход частотного модулятора, состоящего из двух ключей, выходы которого являются выходом частотного модулятора, усилитель промежуточной частоты и фазовый детектор, выход которого является первым выходом приемной стороны, причем выход усилителя промежуточной частоты подключен к блоку формирования опорного сигнала, первый выход которого через синтезатор частот соединен с первыми входами ключей частотного модулятора, а второй выход соединен со вторым входом фазового детектора, а также содержит два полосовых фильтра, входы которых подключены к входу блока задержки, а выходы через соответствующие амплитудные детекторы соединены с соответствующими входами детектора максимального сигнала, выходы которого через соответствующие интеграторы подключены ко вторым входам ключей частотного модулятора и соответствующим входам триггера, выход которого является выходом приемной стороны.
Признаками данного аналога, совпадающим с существенными признаками заявляемой системы, являются: а) на передающей стороне - синхронизатор, смеситель, синтезатор частот, выходной согласующий блок, включающий полосовой фильтр, усилитель мощности и антенну; б) на приемной стороне - линейный согласующий блок, включающий антенну и усилитель высокой частоты, а также смеситель, гетеродин, усилитель промежуточной частоты, два полосовых фильтра, два амплитудных детектора, два интегратора.
К причинам, препятствующим достижению технического результата, следует отнести: 1) низкую скрытность функционирования, поскольку для достоверной обработки информации необходимо, чтобы на входе приемной части отношение сигнал/помеха по мощности было значительно больше единицы, что существенно облегчает разведдоступность; 2) низкую помехозащищенность функционирования, поскольку при недостаточной энергетической скрытности для потенциального противника не составляет труда организовать радиоэлектронное подавление устройства.
Известно также устройство для передачи и приема модулированных по фазе и частоте сигналов [2], содержащее на передающей стороне - синхронизатор, коммутатор, смеситель, ко второму входу которого подключен выход частотного модулятора, состоящего из двух ключей, выходы которых являются выходом частотного модулятора, первый полосовой фильтр, второй смеситель и выходной согласующий блок, выход которого является выходом передающей стороны, причем второй вход второго смесителя через последовательно соединенные первый линейный частотно-модулированный гетеродин, первый блок «ИЛИ», первый делитель частоты и первый блок «И» подключен ко второму входу второго ключа и через первый синтезатор частот - ко вторым входам фазового модулятора и первого ключа, первый вход которого соединен с первым входом второго ключа и выходом второго коммутатора, первый вход которого подключен ко второму выходу синхронизатора, а второй вход - через последовательно соединенные второй блок «ИЛИ» и второй блок «И» подключен ко второму входу передающей стороны, являющемуся информационным входом устройства, при этом первый вход второго блока «И» соединен со вторым входом первого блока «И», первым выходом блока управления и первым входом третьего блока «И», второй вход которого подключен к третьему входу передающей стороны, являющемуся информационным входом устройства, а выход через третий блок «ИЛИ» соединен со вторым входом первого коммутатора, причем второй вход третьего блока «ИЛИ» через последовательно соединенные блок «И-НЕ», второй выход которого подключен ко второму входу второго блока «ИЛИ», и первый согласованный фильтр соединен со вторым входом первого блока «ИЛИ» и первым входом блока управления, второй вход которого подключен к первому входу передающей стороны, являющемуся входом управляющего сигнала устройства, а второй выход блока управления соединен со вторыми входами блока «И-НЕ» и четвертого блока «И», первый вход которого через второй делитель частоты подключен ко второму выходу синтезатора частот, первому входу первого линейного частотно-модулированного гетеродина и выходу первого опорного генератора, а выход четвертого блока «И» через генератор кодов соединен с первым согласованным фильтром, на приемной стороне - последовательно соединенные линейный согласующий блок, вход которого является входом приемной стороны, третий смеситель, второй полосовой фильтр, блок задержки, четвертый смеситель, ко второму входу которого подключен выход частотного модулятора, состоящего из двух ключей, выходы которых являются выходом частотного модулятора, и усилитель промежуточной частоты, выход которого подключен к первому входу фазового детектора и через блок формирования опорного сигнала соединен со вторым входом фазового детектора, выход которого является выходом приемной стороны, причем первый выход блока формирования опорного сигнала через второй синтезатор частот подключен к первым входам третьего и четвертого ключей, а также содержит два полосовых фильтра, входы которых подключены к входу блока задержки, а выходы через соответствующие амплитудные детекторы соединены с соответствующими входами детектора максимального сигнала, выходы которого через соответствующие интеграторы подключены ко вторым входам ключей частотного модулятора и соответствующим входам третьего триггера, выход которого через последовательно соединенные седьмой блок «И», второй согласованный фильтр, второй триггер, шестой блок «И», выход которого подключен ко второму входу второго триггера, первый триггер, формирователь импульсов, четвертый блок «ИЛИ» и второй линейный частотно-модулированный гетеродин подключен ко второму входу третьего смесителя, причем второй вход второго линейного частотно-модулированного гетеродина соединен со вторым входом шестого блока «И» и выходом второго опорного генератора, выход которого через последовательно соединенные пятый блок «И» и третий делитель частоты подключен ко второму входу четвертого блока «ИЛИ», а соответствующие выходы первого триггера соединены с соответствующими входами пятого и седьмого блоков «И».
Признаками данного аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемой системы, являются: а) на передающей стороне - синхронизатор, смеситель, полосовой фильтр, гетеродин, выходной согласующий блок, включающий полосовой фильтр, усилитель мощности и антенну; б) на приемной стороне - линейный согласующий блок, включающий антенну и усилитель высокой частоты, а также смеситель, гетеродин, усилитель промежуточной частоты, два полосовых фильтра, два амплитудных детектора, два интегратора.
К причинам, препятствующим достижению технического результата, следует отнести существенную зависимость помехоустойчивости устройства от нестабильности частот гетеродинов и неидентичности законов перестройки частоты в гетеродинах линейно-частотно модулированных колебаний на приемной и на передающей сторонах.
2
2
2
2
2
Из известных устройств, подобных заявляемой системы телеуправления (СТУ), наиболее близкой по технической сущности является помехозащищенная система связи [3], состоящая из передатчика и приемника, причем состоящая из передатчика и приемника, причем передатчик содержит источник информации, блок модуляции, преобразователь частоты, выход которого через усилитель мощности соединен с передающей антенной, а второй вход соединен с выходом синтезатора несущей частоты, блок коммутации, генератор сетки частот (ГСЧ), блок опорных частот, первый выход которого соединен с первым входом ГСЧ и с входом источника информации, а второй выход соединен с входом генератора кода, приемник содержит приемную антенну, соединенную с сигнальным входов первого смесителя, опорный вход которого соединен с выходом синтезатора частот, а выход соединен с входом первого усилителя промежуточной частоты (УПЧ), выход которого соединен с сигнальными входами блока поиска узкополосных помех, первого информационного канала, состоящего из последовательно соединенных соответствующих смесителя, УПЧ и квадратурного демодулятора, и первого блока синхронизации, первый выход которого соединен с входом ГСЧ, М пар квадратурных выходов которого соединены с соответствующими 2М сигнальными входами блока режекции и коммутации, опорный генератор, выход которого соединен с опорным входом блока формирования игорных сигналов (БФОС), блок управления, первый и второй входы которого соединись с соответствующими выходами блока поиска узкополосных помех, третий вход которого соединен со вторым выходом блока управления, третий вход которого соединен со вторым выходом первого блока синхронизации, отличающаяся тем, что в передатчик введен преобразователь информационных символов, первый вход которого соединен о выходом источника информации, второй вход является входом добавочного символа, служащего пилот-сигналом, а М выходов соединены с соответствующими М информационными входами блока модуляции, М опорных входов которого соединены с М соответствующими выходами ГСЧ, второй вход которого соединен с четвертым выходом блока опорных частот, третий выход которого соединен с третьим входом преобразователя информационных символов и со вторым входом формирователя импульсов управления, первый вход которого соединен с четвертым входом преобразователя информационных символов и с первым выходом блока опорных частот, М выходов блока модуляции соединены с соответствующими М сигнальными входами блока коммутации, М управляющих входов которого соединены с соответствующими М выходами формирователя импульсов управления, причем выход блока коммутации соединен с первым входом преобразователя частоты, а выход генератора кода соединение входом синтезатора несущей частоты, в приемник введены (М-2) информационных канала, идентичных первому, два квадратурных пилот-канала, каждый из которых состоит из соответствующих последовательно соединенных смесителя и УПЧ, преобразователь информационных символов, фазовращатель на 90° и второй блок синхронизации, первый выход которого соединен с входом синтезатора частот, а второй выход соединим с четвертым входом блока управления, пятый вход которого соединен с первым выходом первого блока синхронизации, вторым входом блока поиска узкополосных помех и (2М-1)-м входом преобразователя информационных символов, выход которого является выходом приемника, а (2М-2) остальных входов соединены соответственно с (М-1) парами выходов соответствующих квадратурных демодуляторов (М-1) информационных каналов, вторые входы всех квадратурных демодуляторов объединены и соединены с выходом; УПЧ синфазного пилот-канала, третьи входы всех квадратурных демодуляторов объединены и соединены с выходом УПЧ квадратурного пилот-канала, четвертые входы всех квадратурных демодуляторов объединены и соединены с третьим выходом первого блока синхронизации, сигнальные входы смесителей обоих пилот-каналов и смесителей всех введенных (М-2) информационных каналов объединены и соединены с выходов первого УПЧ, опорный вход смесителя квадратурного пилот-канала через фазовращатель на 90° соединен с опорным входом смесителя синфазного пилот-канала, с первым выводом БФОС и со вторым входом первого блока синхронизации, М следующих входов [с третьего по (М+2)-й] которого соединены с соответствующими М выходами [с (4М+3)-го по (5М+3)-й] блока режекции и коммутации, остальные (4М+2) выходов [с первого по (4М+2)-й] которого соединены с соответствующими входами БФОС, (4М+3)-й вход которого соединен с первым выходом блока управления, (М-1) выходов БФОС (со второго по М-й) соединены с опорными входами соответствующих смесителей информационных каналов, а (М+1)-й выход соединен с четвертым входом блока поиска узкополосных помех, сигнальный вход второго блока синхронизации соединен с выходом первого УПЧ, М следующих входов [со второго по (М+1)-й] соединены с соответствующими синфазными выходами ГСЧ, а (М+2)-й вход соединен с третьим выходом блока управления, четвертый и пятый выходы которого соединены соответственно с (М+4)-м и (М+3)-м входами первого блока синхронизации, а следующие (М+4М) выходов соединены шиной с соответствующими управляющими входами блока режекции и коммутации.
Признаками прототипа, совпадающим с признаками заявляемой СТУ, являются: в передатчике - синхронизатор, состоящий из блока опорных частот и генератора тактовых импульсов, источника сообщений, генератора кода, синтезатора частоты, смесителя, усилителя мощности с полосовым фильтром, передающей антенной; а в приемнике - приемная антенна, усилитель высокой частоты, состоящего из смесителя и гетеродина, усилителя промежуточной частоты.
К недостаткам прототипа следует отнести:
1) низкие скрытность и помехоустойчивость функционирования СТУ вследствие использования в качестве модулирующей функции элементов ЧВМ сигналов с ППРЧ гармонических колебаний;
2) большое время готовности, нужное для начала сеанса связи, из-за необходимости проведения поисковых процедур при вхождении СТУ в синхронизм и обеспечения режекции помех;
3) высокая разведдоступность излучений СТУ, приводящая к снижению ее помехозащищенности при постановке многочастотных помех.
Задачи, на решение которых направлена заявляемая полезная модель:
1) повышение скрытности, помехоустойчивости и помехозащищенности СТУ;
2) сокращение времени готовности СТУ к началу связи за счет исключения а) режима синхронизации в приемнике; б) поисковых процедур для обеспечения режекции помех.
Технический результат достигается тем, что в известное устройство дополнительно
S
- в передатчик (12) введены: генератор последовательности линейночастотномодулированных сигналов (1), ключ (2) и первый полосовой фильтр (3) с целью снижения спектральной плотности N излучаемых сигналов и возможности увеличения времени их накопления при обработке, что обеспечивает повышение скрытности и помехоустойчивости СТУ;
- в приемник (42) введены: многоканальное частотноизбирательное устройство, состоящее из параллельно включенных полосовых фильтров (18, 31, 36), коммутаторы (19, 34, 37), энергетические обнаружители (23, 33, 38), автокорреляторы (27, 34, 39), пороговые устройства (30, 35, 40) и и решающее устройство (41) с целью обеспечения повышения скрытности, помехоустойчивости, помехозащищенности и уменьшения времени готовности СТУ с сеансу связи.
Для достижения технического результата в систему-прототип, содержащее в передающем устройстве (12) последовательно соединенные синхронизатор (8), источник сообщений (10), генератор кода (11), синтезатор частоты (9) первого смесителя (4), второй полосовой фильтр (5), усилитель мощности (6), передающая антенна (7), в приемном устройстве (42) последовательно соединенные приемную антенну (13), усилитель высокой частоты (14), преобразователь частоты, состоящий из второго смесителя (15) и гетеродина (16) и усилителя промежуточной частоты (17), отличающая тем, что в состав передающего устройства (12) дополнительно введены генератор линейночастотномодулированого сигнала (1), ключ (2), первый полосовой фильтр (3), причем управляющий вход генератора линейночастотномодулированого сигнала (1) соединен с первым выходом синхронизатора (8), выход генератора линейночастотномодулированого сигнала (1) подключен к входу ключа (2), к управляющему входу которого подключен второй выход синхронизатора (8), выход ключа (2) через последовательно включенный первый полосовой фильтр (3) соединен со вторым входом первого смесителя (4); в приемное устройство (42) дополнительно введены многоканальное частотно-избирательное устройство, состоящее из параллельно включенных полосовых фильтров (18, 31, 36), к выходу которых подключены коммутаторы (19, 34, 37), энергетические обнаружители (23, 33, 38), автокорреляторы (27, 34, 39), пороговые устройства (30, 35, 40), выходы которых соединены со вторым решающим устройством, причем вход полосового фильтра (18) подключен к выходу усилителя промежуточной частоты (17), а к выходу полосового фильтра (18) параллельно подключены коммутатор (19) и энергетический обнаружитель (23), состоящий из последовательно соединенных квадратичного детектора (20), интегратора (21) и первого решающего устройства (22), выход которого соединен с управляющим входом коммутатора (19), к выходу которого подключен автокоррелятор (27), состоящий из перемножителя (24), первый вход которого соединен непосредственно с выходом коммутатора (19), а второй вход соединен с выходом коммутатора (19) через последовательно включенную линию задержки (25), выход перемножителя (24) подключен ко входу порогового устройства (30) через последовательно соединенные узкополосный фильтр (26), детектор (28) и фильтр нижних частот (29), выход порогового устройства подключен к первому входу второго решающего устройства (41), к выходу полосового фильтра (31) подключены коммутатор (34) и энергетический обнаружитель (33), выход которого подключен к управляющему входу коммутатора (34), выход которого через последовательно соединенные автокоррелятор (34) и пороговое устройство (35) подключен к i-му входу второго решающего устройства (41), к выходу полосового фильтра (36) подключены коммутатор (37) и энергетический обнаружитель (38), выход которого подключен к управляющему входу коммутатора (37), выход которого через последовательно соединенные автокоррелятор (39) и пороговое устройство (40) подключен к последнему входу второго решающего устройства (41).
лчм
01
02
1
2
1
2
1
i
n
1
i
n
1
2
1
i
n
1
i
n
1
i
n
На фиг. приведена структурная схема заявляемой системы телеуправления (СТУ), где 1 - генератор линейно-частотномодулированного сигнала (Г); 2 - ключ (Кл); 3, 5 - полосовые фильтры (ПФ, ПФ); 4, 15 - смесители (См, См); 6 - усилитель мощности (УМ); 7, 13 - антенны (A, A); 8 - синхронизатор (Син); 9 - синтезатор частот (СЧ); 10 - источник сообщений (ИС); 11 - генератор кода (ГК); 12 - передающее устройство (Пер); 14 - усилитель высокой частоты (УВЧ); 16 - гетеродин (Г); 17 - усилитель промежуточной частоты (УПЧ); 18, 31, 36 - полосовые фильтры (ПФ, …, ПФ, …, ПФ); 19, 32, 37 - коммутаторы (Ком, …, Ком, …, Ком); 20 - квадратичный детектор (КД); 21 - интегратор (И); 22, 41 - решающие устройства (РУ, РУ); 23, 33, 38 - энергетические обнаружители (ЭО, …, ЭО, …, ЭО); 24 - перемножитель (П); 25 - линия задержки (ЛЗ); 26 - узкополосный фильтр (УФ); 28 - детектор (Д); 29 - фильтр нижних частот (ФНЧ); 27, 34, 39 - автокорреляторы (Ав, …, Ав, …, Ав); 30, 35, 40 - пороговые устройства (ПУ, …, ПУ, …, ПУ); 42 - приемное устройство (Пр).
Возможность достижения поставленных задач полезной модели подтверждается приведенным ниже анализом работы СТУ.
Для передачи информации в СТУ используется комбинированная модуляция ЛЧМ-ППРЧ-ЧМн, где ЛЧМ - линейно-частотная модуляция; ППРЧ - псевдослучайная перестройка частоты; ЧМн - частотная манипуляция.
S
Линейно-частотная модуляция (ЛЧМ) предназначена для повышения скрытности при функционировании СТУ за счет снижения спектральной плотности сигнала N.
Для повышения помехоустойчивости при функционировании СТУ, наряду с использованием ЛЧМ импульсов с большой базой В, для увеличения времени накопления используется периодическая последовательность ЛЧМ импульсов, а также набор частотных скачков в одном бите. Быстрая ППРЧ предназначена для повышения помехозащищенности СТУ, а также для повышения ее помехоустойчивости.
Частотная манипуляция (ЧМн) предназначена для передачи информации путем реализации битов информации набором последовательных временных слотов с различными частотами.
S
f
n
7
8
9
Реализация СТУ с повышенными скрытностью, помехозащищенностью и помехоустойчивостью на основе комбинированной модуляции (ЛЧМ-ППРЧ-ЧМн) при ширине спектра ЛЧМ импульсов Δf∈[10, 10] Гц, количестве частот в частотно-временной матрице М∈[10, 100] требует использования рабочего частотного диапазона Δf≈10 Гц, что возможно в сантиметровом или миллиметровом диапазоне волн.
Рассмотрим особенности формирования сигналов в передающем устройстве (12).
П
c1
лчм
c2
И
а
П
И
И
Синхронизатор (8) формирует две тактовые последовательности дельта-импульсов с периодом Т, одна из которых U(t) используется для запуска Г (1), а вторая U(t) обеспечивает ограничение длительности τ ЛЧМ импульсов U(t) путем закрытия Кл (2) на время Δτ=Т-τ, Δτ<<τ.
01
При этом после фильтрации на выходе ПФ (3) имеем последовательность ЛЧМ импульсов
при
;
Д
И
Д
И
c
с
П
K
K
П
K
c
Δf=βτ; B=Δfτ; N=T/T; N=T/T; N<<N,
с
с
a
И
0
0
a
0
дев
a
a
a
K
K
где rect(x) - временное окно; N - количество тактовых импульсов от синхронизатора (8) за интервал времени, соответствующий длительности одного сеанса T в СТУ; U(t) - ЛЧМ импульсный сигнал длительностью τ; U, φ - амплитуда и начальная фаза U(t); f, Δf - средняя частота и девиация U(t); β - скорость изменения частоты в U(t); В - база сигнала U(t); N - количество ЛЧМ импульсов на интервале времени T, равном длительности ЛЧМ импульсов и соответствующем длительности элемента частотно-временной матрицы (ЧВМ) процесса с ППРЧ.
сч1
сч2
Далее в Пер (12) осуществляется преобразование частоты. В качестве гетеродинного напряжения в СЧ (9) формируется процесс с ППРЧ на основе целеуказаний от ИС (10) и ГК (11). При передаче бита, соответствующего «1» или «0», ГК выдает целеуказания на формирование в СЧ процессов U(t) или U(t)
01
1
K
j1
01
1
K
при t+(j-1)T≤t≤t+jT;
02
2
K
j2
01
2
K
при t+(j-1)T≤t≤t+jT;
K1
11
1
Д
K
K
f=f+(K-1)Δf; Δf≥Δf; T=T;
K2
01
2
б
K
f=f+(К-1)Δf; T=mT;
1
1
2
2
f
K∈[1, L]; K∈[1, L]; m=0,5M,
mсч1
сч
01
02
сч1
cч2
K1
K2
11
01
1
2
1
2
б
n
f
CK
где U, φ - амплитуда и начальная фаза гетеродинного напряжения; t, t - моменты начала формирования процессов U(t) и U(t); {f}, {f} - множество частот, используемых в процессах с ППРЧ при передачи бит, соответствующих «1» и «0»; m - количество частот, используемых при передачи одного бита информации; f, f - нижнее значение частот используемых в процессах с ППРЧ при передаче битов информации, соответствующих «1» и «0»; K, К - псевдослучайные коэффициенты в пределах L и L при передачи битов информации, соответствующих «1» и «0»; Δf - величина частотного скачка между соседними элементами ЧВМ процессов с ППРЧ; T - длительность бита; Δf - ширина рабочего частотного диапазона СТУ; M - количество частот в ЧВМ; Т - длительность частотного скачка в ЧВМ процессов с ППРЧ.
02
После преобразования частоты, фильтрации в ПФ (5) и усиления на выходе УМ (6) в случае передачи битов информации, соответствующей «1» и «0» имеем:
б
K
П
N=T/Tm,
б
0
где N - количество ЛЧМ импульсов U(t) в пачке, длительность которой равна длительности бита.
Для обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) СТУ с другими радиоэлектронными средствами (РЭС) в Пер и Пр целесообразно использовать высоконаправленные антенны, и мощность излучения Пер выбирается на основе компромисса между требуемыми помехоустойчивостью и скрытностью функционирования СТУ.
2
Приемное устройство СТУ должно обеспечивать высокие помехоустойчивость и помехозащищенность, что достигается на основе использования высоконаправленной антенны А, многоканальной частотной селекцией, квазиоптимального автокорреляционного алгоритма обработки ЛЧМ процессов, мажоритарного алгоритма обработки и списочного декодирования ППРЧ, и режекции для подавления организованных помех.
С целью упрощения аппаратурной реализации широкодиапазонного Пр на его выходе обеспечивается преобразование частоты в диапазоны, где возможна реализация многоканальных частотноизбирательных устройств на основе технологии с использованием ПАВ.
2
1(0)
n
n
При отсутствии организованной помехи p(t) на входе Пр имеем аддитивную смесь y(t)=U(t)+n(t), где n(t) - гауссовая стационарная помеха с автокорреляционной функцией , , где , N - дисперсия и спектральная плотность помехи n(t) на входе Пр; f - средняя частота рабочего частотного диапазона СТУ.
21
2
ПЧ
n
Г
Г
После усиления и преобразования частоты на выходе УПЧ получаем аддитивную смесь y(t), которая отличается от процесса y(t) тем, что ее средняя частота равна f=f-f, где f - частота Г.
21
1
i
n
Далее процесс y(t) расфильтровывается многоканальным частотно-избирательным устройством, включающим в себя ПФ, …, ПФ, …, ПФ. При этом на выходах ПФ получаем:
;
;
;
;
;
,
ф1
фi
фn
1
i
n
ф1
фi
фn
1
i
n
K
ф1
фi
фn
1
i
n
где U(t), U(t), U(t) - напряжения на выходах ПФ, …, ПФ, …, ПФ; h(t), h(t), h(t) - импульсные реакции ПФ, …, ПФ, …, ПФ; Δf - полоса пропускания каждого ПФ; f, f, f - средние частоты ПФ, …, ПФ, …, ПФ.
f
n
ф1
фi
фn
2
Г
1
0
Для упрощения дальнейшего анализа полагаем, что количество фильтров n равно количеству частот в ЧВМ M, полоса пропускания ПФ Δf равна величине частотного разноса в ЧВМ Δf, а средние частоты ПФ {f, …, f, …, f} с учетом преобразования частоты в См при отсутствии нестабильности частоты гетеродина f совпадает с набором частот используемых при формировании в Пер информационных сигналов U(t) и U(t).
f
K
Д
1
K
K1
ф1
ф3
ф5
ф7
ф9
0
K
K2
ф2
ф4
ф6
ф8
ф10
8
8
Если использовать в СТУ списочное кодирование, полагая, что n=M=10; Δf=1,2·10 Гц; Δf=10 Гц, то при формировании сигнала U(t) ЧВМ бита состоит из пяти элементов с длительностью каждого равной T, и, например, с частотами {f}≡{f, f, f, f, f}, а при формировании сигнала U(t) ЧВМ бита состоит из пяти элементов длительностью T и, например, с частотами {f}≡{f, f, f, f, f}.
1
0
ф1
фi
фn
K
После прохождения многоканального частотно-избирательного устройства на выходе каждого ПФ непрерывное излучение с информационными сигналами U(t) и U(t) превращаются в импульсные процессы U(t), …, U(t), …, U(t), длительность каждого из которых равна T.
1
0
K
1
1
ф1
ф3
ф5
ф7
ф9
11
11
б
0
0
ф2
ф4
ф6
ф8
ф10
01
01
б
При передачи сигналов U(t) и U(t) биты информации представляют собой набор последовательно расположенных во времени процессов длительностью T с разными частотами в соответствии со списком для гипотезы H, соответствующей передачи «1», H∈{U(t), U(t), U(t), U(t), U(t)} при t≤t≤t+T; и для гипотезы Н, соответствующей передачи «0», Н∈{U(t), U(t), U(t), U(t), U(t)} при t≤t≤t+T.
Порядок расположения частот в списке может произвольно меняться одновременно в Пер и Пр.
фi
Сигнальная составляющая процесса U(t) имеет следующий вид:
,
j
где δf - априорно неизвестное частотное смещение, обусловленное нестабильностью частот СЧ и Г; φ - случайное значение начальной фазы.
фi
1
i
n
В связи с наличием априорной неопределенности о частоте процесса S(t) с целью повышения помехоустойчивости СТУ на выходе каждого ПФ для обработки сигнальных составляющих используются автокорреляторы (Ав, …, Ав, …, Ав), в которых реализуется следующий алгоритм:
; ;
,
a
a0
ЛЗ
уф
уф
уф
где U(T) - напряжение на выходе ФНЧ; T - постоянная времени ФНЧ; U(t) - напряжение на выходе узкополосного фильтра (УФ); τ - временной сдвиг, вносимый ЛЗ; h(t) - импульсная реакция УФ; f, Δf - средняя частота и полоса пропускания УФ.
фi
Независимо от средней частоты процесса S(t) напряжение на выходе УФ имеет вид:
П
П
при t+(i-1)T≤t≤t+iT,
уф
ЛЗ
ЛЗ
i
K
K
П
если f≈βτ; τ=Δτ; φ∈[0, 2π]; N=Т/T.
i
а0
ao
П
ЛЗ
ЛЗ
Поскольку φ принимает случайные значения, то напряжение U(t) представляет собой фазоманипулированный процесс с шириной спектра Δf=1/Т. Учитывая, что в процессе эксплуатации СТУ нестабильность ЛЗ может составлять порядка Δτ≈0,1τ, то при этом ширина полосы пропускания УФ и скорость перестройки частоты ЛЧМ импульса β выбирается из следующих соотношений:
уф
П
ЛЗ
ЛЗ
уф
ЛЗ
кn
кn
K
Δf=1/T+βτ; βτ≥5Δf; τ>>τ; τ≈1/Δf,
кn
где τ - интервал корреляции помехи n(t), после ее прохождения через ПФ.
П
Напряжение с выхода каждого Ав при наличии сигнальной составляющей равно , K - коэффициент передачи Д размерностью 1/В, которое затем поступает на вход ПУ, где реализуется алгоритм:
,
где ,  - гипотезы о наличии или отсутствии в конкретном i-м канале Пр элемента ЧВМ информационного сигнала в течение конкретного временного слота.
1
2
1
При передаче информационного сигнала U(t) в РУ принимается гипотеза H о наличии бита, соответствующего единице, при выполнении соотношений:
0
2
0
При передаче информационного сигнала U(t) в РУ принимается гипотеза Н о наличии бита, соответствующего нулю, при выполнении соотношений:
2
1
0
Использование списочного кодирования при формировании ЧВМ информационных сигналов наряду с повышением помехоустойчивости СТУ позволяет обойтись без канала синхронизации. Наличие избыточности информации в РУ для повышения помехоустойчивости при наличии гауссовой помехи n(t) и организованных помех p(t) можно использовать мажоритарные алгоритмы. Мажоритарное декодирование эквивалентно некогерентному накоплению информации на нескольких частотных составляющих. При использовании критерия обнаружения 3 из 5, т.е. когда в трех из пяти каналах Пр принимается правильное решение по гипотезам H и Н, результирующая вероятность ошибки может быть подсчитана с использованием формулы для биноминального распределения
,
ош1
пр
ЛТ
; P=0,5(P+P),
ош1
пр
ЛТ
где  - количество возможных комбинаций каналов, в которых принимается гипотеза ; Р - вероятность ошибки в одном из каналов Пр; P, P - вероятности пропуска и ложной тревоги.
oш1
При r=3 и m=5, если P<<1, то имеем .
Перепутывание битов «1» на «0» и «0» на «1» возможно только при одновременном пропуске и наличии тревоги не менее, чем в трех каналах Пр, т.е. при .
K
K
Для расчета вероятности автокоррелятора (Ав) при ΔfT>>1 можно использовать следующие соотношения:
; ; ,
П
уф
a
где Φ(x) - функция Лапласа; arc Φ(x) - обратная функция Лапласа; g - нормированный порог в ПУ; g - отношение сигнал/помеха по напряжению на выходе УФ; g - отношение сигнал/помеха по напряжению на выходе ФНЧ.
уф
a
Отношения сигнал/помеха g и g определяются следующим образом:
;
S
S
Д
; ; P=NΔf;
;
S
c1
c0
S
n
c1(0)
где  - дисперсия помехи n(t) на входе ПФ; P - мощность сигнала U(t) или U(t) на входе ПФ;  - отношение сигнал/помеха n(t) по мощности на входе ПФ; N, N - спектральные плотности сигналов U(t) и помехи n(t) на входе ПФ.
S
n
Для обеспечения скрытности функционирования необходимо выполнения условия N/N≤1.
p
Д
p
si
При анализе помехозащищенности СТУ полагаем, что на вход Пр воздействует одна или несколько прицельных шумовых помех p(t), с шириной спектра Δf≈Δfи средними частотами f, совпадающими с отдельными частотами {f} ЧВМ информативных сигналов.
3
1(0)
si
p
p
p
Рассмотрим вначале функционирование СТУ при воздействии на вход процесса y(t)=U(t)+p(t)+n(t) при f≈f, Δf≈Δf.
1
Для повышения помехозащищенности СТУ в Пр на выходе каждого ПФ установлено защитное устройство, включающее в себя энергетический обнаружитель (ЭО), включающий квадратичный детектор (КД), интегратор (И), решающее устройство (PУ), и коммутатор (Ком).
ЭО обеспечивает выделение помехи p(t) на основе алгоритма
1
И
; T=τ,
З
1
пор З
1
где U(T) - напряжение на выходе ЭО; U - пороговое напряжение в ЭО; Т - постоянная интегрирования в ЭО.
З
1
Напряжение U(T) состоит из набора компонентов
З
1
ss
1
sn
1
nn
1
sp
1
pn
1
pp
1
U(T)=U(T)+U(T)+U(T)+U(T)+U(T)+U(T),
ss
1
sn
1
sp
1
nn
1
pn
1
pp
1
где U(T), U(T), U(T) - компоненты, обусловленные взаимодействием типа «сигнал-сигнал», «сигнал-помеха n(t)», «сигнал-помеха p(t)»; U(T), U(T), U(T) - компоненты, обусловленные взаимодействием типа «помеха n(t) - помеха n(t)», «помеха p(t) - помеха p(t)», «помеха p(t) - помеха n(t)».
ss
1
sn
1
sp
1
Учитывая, что на выходе ПФ имеем , , где  - отношение помеха p(t)/помеха n(t) по мощности на выходе ПФ;  - дисперсия помехи p(t) на выходе ПФ, то при этом компонентами U(T), U(T), U(T) можно пренебречь.
С учетом вышеизложенного характеристики помехоустойчивости ЭО в режиме обнаружения помехи p(t) определяются следующими соотношениями:
; ;
,
З
пр
ПО р
ЛТ р
где g - отношение помеха p(t) к помехе n(t) по напряжению на выходе ЭО; g - нормированный порог при обнаружении помехи p(t); P, P - вероятности правильного обнаружения и ложной тревоги помехи p(t) в ЭО.
1
При отсутствии на выходе ПФ прицельной шумовой помехи p(t) для исключения ложного закрытия канала в результате обнаружения информационного сигнала решающее устройство (PУ) функционирует в соответствии с алгоритмом, состоящим из трех этапов:
;
;
,
1
эо
1
1
эо
1
пр1
1
1
S
2
пр1
1
1
K
Т
2
1
3
Т
2
2
1
пр1
где F[U(t, T)] - функционал, соответствующий срабатыванию первого порогового устройства в PУ при превышении U(t, T) порогового напряжения U и формирующий в момент времени t дельта-импульс δ(t); t - момент прихода информационного сигнала на вход ЭО; F[Uδ(t)] - функционал, соответствующий задержке дельта-импульса δ(t) с помощью триггера на время, соответствующее длительности элемента ЧВМ информационного сигнала T; Uδ(t) - задержанный на выходе триггера дельта-импульс, который используется в качестве стробирующего на входе второго порогового устройства в РУ; F[Uδ(t)] - функционал, соответствующий сравнению напряжения на выходе ЭО в момент времени t в PУ с пороговым напряжением U.
1
1
2
2
1
При срабатывании первого порогового устройства в PУ в момент времени t к моменту времени t в случае процесса y(t), состоящего из информационного сигнала и помехи n(t), напряжение на выходе ЭО становится меньше порогового, то есть при этом второе пороговое устройство в PУ не срабатывает, и, следовательно, не запирает Ком, что обеспечивает нормальное функционирование канала Пр.
1
1
2
пр1
В случае воздействия помехи p(t) в PУ в момент времени t срабатывает первое пороговое устройство, а поскольку помеха p(t) является непрерывным процессом, то в момент времени t напряжение на выходе ЭО вызывает срабатывание второго порогового устройства в результате чего формируется единичный скачок U1(t), который используется для запирания Ком, что обеспечивает режекцию канала, пораженного помехой p(t).
1
0
2
1
0
В случае воздействия на вход Пр одной прицельной шумовой помехи p(t), квазисогласованной по спектру с одним из элементов ЧВМ информационного сигнала вероятность ошибочных решений после ее режекции практически не возрастает, в связи с наличием избыточности. Если же на вход Пр будут одновременно воздействовать четыре прицельных шумовых помехи, две из которых квазисогласованы по спектру с элементами ЧВМ информационного сигнала U(t), а две другие квазисогласованы по спектру с элементами ЧВМ информационного сигнала U(t), то при этом в РУ необходимо использовать мажоритарный алгоритм, соответствующий принятию гипотезы H и Н при правильном обнаружении элементов ЧВМ сигналов в двух из трех нормально функционирующих каналов Пр. Тогда вероятность ошибочных решений будет равна .
ош
Рассмотренный выше случай соответствует ситуации, когда радиоподавление производится в 40% рабочего частотного диапазона СТУ, что маловероятно в связи с высокой скрытностью ее функционирования и малой зоной разведдоступности. Дополнительным достоинством СТУ является инвриантность P от уровня помех p(t).
Для иллюстрации полученных соотношений рассмотрим пример, когда передающее устройство (Пер) формирует составные сигналы с комбинированной модуляцией (ЛЧМ-ППРЧ-ЧМн), компоненты которых имеют параметры:
Д
П
И
K
8
-5
-5
-3
а) ЛЧМ компонент: Δf=10 Гц; T=10 с; τ=0,9·10 с; T=10 с;
8
9
ск
K
f
n
б) ППРЧ компонент: Δf=1,2·10 Гц; T=T; М=10; Δf=1,2·10 Гц;
б
ск
1
3
5
7
9
2
4
6
8
10
i
н
в) ЧМн компонент: Т=5Т; {f, f, f, f, f}≡1; {f, f, f, f, f}≡0; f=f+(i-1)Δf, i∈[i, 10].
б
Скорость передачи информации в СТУ равна R=1/T=200 б/с.
Г
дов
Допустимая величина нестабильности частоты гетеродина δf при доверительной вероятности Р=0,95 определяется из следующего соотношения:
.
p
n
K
фi
i
Г
9
8
С учетом исходных данных при построении Пр СТУ необходимо обеспечить рабочий частотный диапазон Δf=Δf=1,2·10 Гц и реализовать десятиканальное часотноизбирательное устройство с полосой пропускания ПФ Δf=Δf=1,2·10 Гц и средними частотами ПФ {f=f-f}, i∈[i, 10].
Параметры автокорреляторов и энергетических обнаружителей (Ав и ЭО) определяются следующим образом:
К
ЛЗ
И
Д
И
-3
-6
13
а) Т=T=10 с; τ=0,1τ=0,9·10 с; β=Δf/τ=10 Гц/с;
уф
ЛЗ
уф
И
6
5
Δf=βτ=9·10 Гц; Δf=2/τ=2,2·10 Гц.
1
И
-6
б) T=τ=0,9·10 с;
1(0)
При приеме информационных сигналов U(t) на фоне гауссовой стационарной помехи n(t) помехоустойчивость СТУ характеризуется следующими параметрами:
ош1
ош
a
П
-3
-8
P=10; Р=10; g=6,2; g=3,1; .
S
n
-12
Скрытность СТУ оценивается соотношением , и поскольку N/N=2,4·10 (-16 дБ), то это позволяет констатировать, что она высока.
При постановке прицельных шумовых организованных помех помехозащищенность СТУ зависит от эффективности защитных устройств, степени спектрального согласования помех с элементами ЧВМ информационных сигналов и количества «пораженных» в Пр каналов.
З
пр
пор
ЛТ
С учетом приведенных выше соотношений, характеризующих помехоустойчивость ЭО при обнаружении помехи p(t) следует, что при  имеем g=17,3, что позволяет при g=10 обеспечить практически безошибочное обнаружение, так как P→1; Р→0.
ош
-8
Наличие избыточности в информационных сигналах позволяет при одном «пораженном» канале в Пр сохранить уровень достоверности обрабатываемой информации на уровне Р=10.
ош
-6
В случае поражения шумовыми помехами в четырех из десяти каналов Пр вероятность ошибочных решений возрастает до Р=3·10.
S
n
Однако в связи с тем, что СТУ имеет высокую степень скрытности (N/N=-16 дБ), разведдоступность ее весьма затруднена, и поэтому организация массированного радиоподавления СТУ маловероятна.
Г
Г
K
K
Г
K
Г
-3
-3
Применение в СТУ описанной выше структуры позволяет существенно уменьшить время ее готовности T к сеансу связи. Так при приеме информационных сигналов на фоне гауссовой помехи n(t) время готовности определяется постоянной времени ФНЧ, входящих в состав Ав, т.е. T=T=10 с, а при наличии организованных помех Ком в защитном устройстве включается через T, и при этом T=2T=2·10 с. Данная СТУ выгодно отличается поэтому показателю от системы-прототипа, в которой T составляет единицы секунд.
Таким образом, поставленные цели полезной модели достигнуты, и предлагаемая система обеспечивает повышение скрытности, помехоустойчивости и помехозащищенности СТУ, существенное уменьшение времени готовности к связи, а также инвариантность к нестабильности частоты гетеродина приемника и уровню прицельной шумовой помехи.
Реализация системы не вызывает затруднения. Все его функциональные узлы являются типовыми и могут быть выполнены на основе современной элементной базы.