УСТРОЙСТВО ЭКСПРЕСС-АНАЛИЗА РАДИОИЗЛУЧЕНИЙ С ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ

Полезная модель относится к области радиомониторинга скрытых помехозащищенных систем радиосвязи, основанных на радиоизлучениях с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ).
В настоящее время системы радиосвязи с ППРЧ получили широкое применение в системах наземной и спутниковой радиосвязи различного назначения, имеют тенденцию к расширению частотного диапазона размещения компонентов частотно-временной матрицы (ЧВМ) радиоизлучений с ППРЧ (от 1 МГц до 1000 МГц), что существенно усложняет проведение радиомониторинга таких сигналов.
Известно устройство для контроля работы радиостанций с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (патент РФ №2161863, опубл. 10.01.2001 г.), состоящее из двух антенн (всенаправленной и перестраиваемой по направлению с кардиоидной диаграммой направленности), первого и второго подключенных к ним узкополосных радиотрактов, на выходах которых включены амплитудные детекторы, выходы которых подключены к схеме деления и коммутатору (второй и третий входы). К выходу схемы деления последовательно подключены пороговый блок, формирователь импульса останова, генератор пилообразного напряжения, генератор, управляемый напряжением, выходной сигнал которого с линейно изменяющейся частотой подается на вторые (управляющие) входы радиотрактов. Ко второму выходу первого радиотракта также последовательно подключены частотомер и блок памяти, на вторые входы которых подается сигнал с выхода формирователя импульса останова. Этот же сигнал поступает также на четвертый вход коммутатора, на первый вход которого подается сигнал с выхода схемы деления. Выход коммутатора подключен ко второму входу индикатора, на первый вход которого подается сигнал с генератора пилообразного напряжения.
Узкополосные радиотракты под действием сигнала с генератора, управляемого напряжением, перестраиваются в заданном диапазоне частот.
В результате детектирования на индикаторе отображается частотная панорама, После этого путем вращения кардиоидной диаграммы направленности совмещают ее нулевой провал с направлением прихода сигнала, что приводит к увеличению сигнала на выходе схемы деления и превышению амплитудой этого сигнала заданного порога, в результате чего вырабатывается импульс останова, прекращающий перестройку генератора пилообразного напряжения и вызывающий включение частотомера и блока памяти. Таким образом, после обнаружения оператором сигнала выполняется измерение и запоминание частоты сигнала. Это устройство позволяет выделять слабые сигналы на фоне приходящих с других направлений маскирующих сигналов, а также измерять и записывать значения их частот.
К недостаткам рассматриваемого устройства можно отнести низкую оперативность работы, связанную с тем, что решение о наличии сигнала принимает оператор; ряд операций производится последовательно во времени, при этом каждая из них требует определенных временных затрат, таких как:
- последовательное сканирование узкополосных радиотрактов по частоте;
- перестройка по направлению антенны с кардиоидной диаграммой направленности;
- остановка процесса сканирования для измерения частоты сигнала частотомером.
Кроме того, измерение частотомером частоты радиосигнала чревато большими погрешностями, особенно в случае его слабого уровня.
Известно также устройство для контроля работы радиостанций с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (патент РФ №2231926, опубл. 27.06.2004). В данном устройстве благодаря дополнительному введению двух радиотрактов, амплитудных детекторов, фазовращателей на 90°, перемножителей, ключей, а также фазоинверторов, сумматоров и полосовых фильтров в структуру, приведенную в патенте РФ №2161863, обеспечивается повышение избирательности и помехоустойчивости панорамного приемника-пеленгатора и устранена неоднозначность сетки используемых частот.Однако к недостаткам данного устройства, наряду с громоздкостью и высокой стоимостью, следует отнести ограниченность пропускной способности и скорости обнаружения искомых сигналов.
Из известных устройств, подобных заявленной полезной модели, наиболее близкой по технической сущности является "Обнаружитель радиопередач с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты" (патент РФ №2292643, опубл. 27.01.2007), взятый за прототип, состоящий из блока управления и последовательно соединенных круговой антенной решетки (КАР) с возможностью вращения ее диаграммы направленности (ДН), радиоприемного устройства (РПУ), а также системы определения пеленгов и частот сигналов, последняя выполнена в виде последовательно соединенных аналого-цифрового (AT ЦТ) и цифрового понижающего преобразователя (ЦПП), блока накопления отсчетов сигнала, сдвигающего регистра, блока вычисления амплитудного спектра, блока построения частотно-пеленгового распределения (ЧПР), пикового детектора, блока построения и накопления точечного ЧПР, блока подсчета частот для каждого пеленга, схемы сравнения с пороговым значением количества частот и решающей схемы. Кроме того, выход блока вычисления амплитудного спектра подключен также ко входу схемы определения порога амплитудного спектра, выход которой соединен со вторым входом пикового детектора, а второй выход блока построения и накопления точечного ЧПР подключен ко второму входу решающей схемы. Управляющий вход КАР соединен с блоком управления, который выполнен с функцией непрерывного кругового вращения ДН.
Упрощение реализации обнаружителя в другом варианте обнаружителя радиопередач с ППРЧ, состоящем из блока управления и последовательно соединенных КАР с возможностью вращения ДН, РПУ и системы определения пеленгов и частот сигналов, в котором блок управления выполнен с функцией дискретного кругового вращения ДН антенны, а система определения пеленгов и частот сигналов состоит из последовательно соединенных АЦП, ЦПП, блока накопления отсчетов сигнала, блока вычисления амплитудного спектра, блока построения ЧПР, пикового детектора, схемы вычисления среднеквадратичного отклонения (СКО), схемы точного определения положения максимума, блока построения и накопления точечного ЧПР, блока подсчета количества частот, схемы сравнения с пороговым значением количества частот и решающей схемы. Выход блока вычисления амплитудного спектра подключен также к второму входу пикового детектора через схему определения порога амплитудного спектра, второй выход блока построения и накопления точечного ЧПР соединен со вторым входом решающей схемы, а ко второму входу схемы вычисления СКО подключен узел хранения эталона ДН.
Признаками прототипа, совпадающими с признаками заявленного устройства, являются: антенна 1, радиоприемное устройство 2, АЦП 4, цифровой понижающий преобразователь 5, блок накопления отсчетов 6, цифровой спектроанализатор 7, блок формирования порога 8.
К недостаткам прототипа следует отнести ограниченный частотный диапазон размещения частот сигналов с ППРЧ, поскольку их оцифровка осуществляется на промежуточной частоте; снижение достоверности и оперативности вскрытия параметров частотно-временной матрицы (ЧВМ) сигналов, обусловленное сканированием диаграммы направленности антенны и одновременной обработкой только фрагментов ЧВМ сигналов.
Целью создания предлагаемой полезной модели является расширение частотного диапазона одновременно анализируемых частотных компонентов ЧВМ сигнала, благодаря их переносу КПЧ в области видеочастот; повышение достоверности и оперативности вскрытия параметров ЧВМ сигналов благодаря одновременному приему всех частотных компонентов ЧВМ и использованию логического анализатора, в котором реализуются соответствующие алгоритмы классификации поступающей информации.
Для реализации поставленной цели предлагается устройство экспресс-анализа радиоизлучений с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, содержащее антенну, радиоприемное устройство, последовательно включенные аналого-цифровой преобразователь, цифровой понижающий преобразователь, блок накопления отсчетов, цифровой спектроанализатор, блок формирования порога.
Согласно полезной модели, дополнительно введены комплексный переносчик частоты, вход которого подключен к выходу радиоприемного устройства, а его выход подключен ко входу аналого-цифрового преобразователя и логический анализатор, первый вход которого подключен к выходу цифрового спектроанализатора, второй вход которого подключен к выходу блока формирования порога, третий вход которого подключен к тактовому выходу аналого-цифрового преобразователя.
Комплексный переносчик частоты (КПЧ), установленный между РПрУ и АЦП, обеспечивает разложение сигналов на квадратурные составляющие в области видеочастот.
1ij
Логический анализатор в начале преобразует поток входных процессов в цифровой поток, состоящий из 1 и 0, где 1 - соответствуют гипотезе Н о наличии процесса на выходе i-го канала ЦСА в j-ом интервале времени; а затем осуществляют обработку матричного процесса, полученного за длительность одного сеанса Те, на основе алгоритмов классификации с целью вскрытия параметров ЧВМ сигналов с ППРЧ.
На фиг.1 приведена структурная схема заявленного устройства, на фиг.2 - функциональная схема логического анализатора, на фиг.3 показано изменение частоты сигнала ППРЧ во времени.
Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемой полезной модели из литературы не известны, поэтому она соответствует критерию новизны.
На фиг.1 приведена структурная схема заявленного устройства экспресс-анализа радиоизлучений (УЭА) с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты; где 1 - антенна (А); 2 - радиоприемник (РПрУ); 3 - комплексный переносчик частоты (КПЧ); 4 - АЦП; 5 - цифровой понижающий преобразователь (ЦПП); 6 - блок накопления отсчетов (БНО); 7 - цифровой спектроанализатор (ЦСА); 8 - блок формирования порога (БФП); 9 - логический анализатор (ЛА);
1
N
A
1
2
На фиг.2 приведена функциональная схема ЛА, где 10, 11, 12 - компараторы (K, K, K); 13, 14 - оперативные запоминающие устройства (ОЗУ, ОЗУ); 15 - компаратор кодов (КК), 16 - устройство запуска (УЗ); 17 - счетчик задержки запуска (СЗЗ); 18 - счетчик цифровой задержки (СЦЗ); 19 - схема И (И); 20 - блок преобразования информации (БПИ); 21 - индикатор (ИНД).
Принцип действия заявленного устройства состоит в следующем.
пор
Аддитивная смесь сигнала с ППРЧ δ(t) и шума n(t) после прохождения антенны (1) и линейного тракта РПрУ (2) (фиг.1) поступает на вход комплексного переносчика частоты (3), который обеспечивает разложение входного процесса на квадратурные составляющие и их преобразование в область видеочастот. Далее аналоговый видеопроцесс, который выделяется в частотном диапазоне размещения компонентов частотно-временной матрицы (ЧВМ) в двухканальном АЦП (4) преобразуется в цифровую форму и подается в цифровой понижающий преобразователь частоты (5), а затем после накопления отсчетов в БНО (6) поступает в ЦСА (7), реализованный на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ). С выхода ЦСА (7) при закрытом входе РПрУ (2) процесс, соответствующий шуму n(t), подается на вход БФП (8), в котором в зависимости от допустимой величины ложной тревоги в каналах ЦСА (7) формируется нормированный порог g, который подается в ЛА (9). Кроме того в ЛА (9) при приеме y(t)=δ(t)+n(t) подаются процессы с выходов каналов ЦСА (7) от 1 до N и тактовые импульсы с выхода генератора, входящего в состав АЦП (4).
ij
ij
1
N
1
N
1
N
ij
В ЛА (9) (фиг.2) набор компараторов (10, 11) от 1 до N преобразует входные процессы в прямоугольные импульсы S, которые имеют уровень логической единицы, если процесс превосходит нормированный порог, с выхода компараторов импульсы S поступают в соответствующие ОЗУ, …, ОЗУ (13, 14). Компаратор кодов (15) выбирает нужный код в зависимости от алгоритма классификации для включения устройства запуска (16). Для управления накопленной в ОЗУ, …, О3У (13, 14) информацией используется СЗЗ (17), СЦЗ (18), логическая схема И (19). Синхронизация работы ЛА (9) обеспечивается тактовыми импульсами, которые поступают через компаратор (12) на входы СЦЗ (18) и логической схемы И (19). В результате описанной выше работы ЛА (9) в ОЗУ, …, ОЗУ (13, 14) накапливается набор логических единиц {S}, которые представляют собой отсчеты входного процесса y(t), превосходящие нормированный порог в i-ом канале ЦСА (7) в j-й момент времени.
Вышеописанное преобразование входного процесса y(t) существенно упрощает процесс вскрытия параметров ЧВМ δ(t) на основе алгоритмов классификации по ряду информационных признаков, которые реализуются в БПИ (20) и отображаются в ИНД (21).
Таким образом функционирование ЛА (9) может быть представлено совокупностью следующих этапов: настройка, регистрация данных, анализ и отображение информации. На этапе настройки ЛА (9) обеспечивается запуск, синхронизация, выбор параметров и размеров осциллограмм. На этапе регистрации данных обеспечивается представление информации в табличной форме с бинарным заполнением. И наконец, на последнем этапе выполняется анализ на основе классификационных алгоритмов и отображение данных на экране дисплея.
Входной процесс y(t), представляющий радиообстановку, в общем случае, имеет следующий вид
0
0
ЭА
при t≤t≤t+T,
k
где S(t) - сигнал с ППРЧ, принадлежащий k-му абоненту;
S
m - количество абонентов в сети, использующей излучение ППРЧ;
1
P(t) - узкополосное стационарное ("старое") радиоизлучение;
2
P(t) - широкополосное стационарное ("старое") радиоизлучение;
1
2
ЭА
m и m - количество узкополосных и широкополосных "старых" радиоизлучений в сеансе экспресс-анализа, длительность которого равна Т;
0
t - момент начала сеанса экспресс-анализа;
n(t) - гауссовая стационарная помеха.
Параметры ЦСА (7) выбираются из следующих соотношений:
ЦСА
n
n
f
СК
СК
Э
Э
Р
Δf≥Δf; Δf=MΔf; Δf>Δf; Δf≤Δf
1
Р
СК
2
ЭА
f
СК
Δt=n/Δf; T=nΔt; T=10MT,
ЦСА
где Δf - полоса мгновенного анализа в ЦСА (7);
n
Δf - ширина диапазона ППРЧ;
СК
Δf -величина минимального частотного скачка сигнала с ППРЧ;
Э
k
Δf - ширина спектра элемента ЧВМ сигнала S(t);
Р
Δf - разрешающая способность по частоте ЦСА (7);
Δt - длительность отсчетов, снимаемых с выходов каналов ЦСА (7);
СК
Т - длительность скачка в ЧВМ;
1
2
n, n - коэффициенты, величина которых соответствует целому числу. При одноцикловом экспресс-анализе на вход ЛА (9) поступает с выходов каналов ЦСА (7) множество отсчетов напряжений, соответствующих гипотезе наличия сигналов Н^ в тех случаях, когда выполняется условие
ij
ПОР
U(Δt)>U,
ij
где U(Δt) - отсчет напряжения, соответствующий i-му моменту времени и j-му значению несущей частоты;
ПОР
ш
1
ЭА
i
U - пороговое напряжение, формируемое в БФП (8). В результате обработки вышеупомянутых отсчетов напряжения в ЛА (9) на вход блока преобразования информации (20) поступает табличная форма с бинарными коэффициентами 1 и 0, где по строкам фигурируют временные отсчеты t от 1 до N=T/Δt; а по столбцам отсчеты частот f от нижней до верхней границы частотного диапазона ЦСА (7). Такое представление информации о радиообстановке существенно упрощает процесс экспресс-анализа радиоизлучений ППРЧ, который может быть реализован в виде последовательности следующих этапов.
На первом этапе формируется карта мешающих излучений, к которым относятся узкополосные и широкополосные "старые" излучения. При этом используются следующие алгоритмы классификации:
;
,
У
Ш
где Н, Н - гипотеза о наличии узкополосного и широкополосного "старого" излучения;
,  - моменты начала и конца радиоизлучения;
jН
jК
f f - нижняя и верхняя границы спектрального распределения радиоизлучения.
В процессе второго этапа экспресс-анализа выявленные "старые" узкополосные и широкополосные излучения исключаются из общей входной информации, представленной в табличной форме.
В ходе третьего этапа экспресс-анализа определяется банк частот, используемый абонентами сети радиоизлучений с ППРЧ. С этой целью используется следующий алгоритм классификации
,
S
СК
где Н - гипотеза о наличии в конкретных частотновременных границах элемента ЧВМ сигнала с ППРЧ. Величина T определяется как разность между моментами появления отсчетов на разных частотах при непрерывности излучений во времени (фиг.3).
После определения банка частот в ходе четвертого этапа определяется загрузка частотного диапазона и количество абонентов в сети. С этой целью путем упорядочивания частот элементов ЧВМ строится трехмерная картина, где ось OX - позволяет определить количество абонентов, ось OY соответствует текущей частоте, а ось OZ соответствует моменту появления элементов ЧВМ.
Широкодиапазонное приемное устройство с мгновенным рабочим частотным диапазоном порядка 1 ГГц может быть реализовано на основе работы, приведенной в журнале "Вопросы радиоэлектроники". Серия ОВР, в 1(20), 2002 г, с 71-82.
Комплексный переносчик частоты может быть реализован на основе специализированной микросхемы ADL 5382 (ф. Analog Device), функционирующей в частотном диапазоне от 0,7 ГГц до 2,7 ГГц.
Р
Двухканальный аналого-цифровой преобразователь может быть реализован на АЦП ADC08D500 (ф. National), имеющем частоту дискретизации 500 МГц и количество разрядов n=8.
Цифровой понижающий преобразователь частоты может быть реализован на основе БИС AD6620 (ф. Analog Device) или HSP50016 (ф. Harris Semiconductors).
Цифровой спектроанализатор, блок накопления отсчетов, блок формирования порога и логический анализатор могут быть реализованы на ПЛИС семейства Virtex-6 типа XC6VLX75T (ф. Xilinx), имеющей большие вычислительные ресурсы и частоту дискретизации до 423 МГц.