АДАПТИВНЫЙ КОМПЛЕКС РАДИОМОНИТОРИНГА
ADAPTIVE RADIO MONITORING SYSTEM

Изобретение относится к области оперативного мониторинга скрытых помехоустойчивых систем радиосвязи, основанных на излучении широкополосных сигналов.
В настоящее время из широкополосных сигналов все более широкое применение в профессиональной и спутниковой связи получают сигналы с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ). Проведение радиомониторинга (РМ) таких сигналов затруднено, поскольку частотный диапазон размещения компонентов частотно-временной матрицы радиоизлучений может меняться в пределах от 1 МГц до 1000 МГц.
Известен цифровой приемник-спектроанализатор [1. Радзиевский В.Г., Сирота А.А. Теоретические основы радиотехнической разведки. - М.: Радиотехника, 2004. - С. 108], обеспечивающий РМ связных сигналов в полосе частот до 100 МГц и состоящий из входной высокочастотной части (аналог линейного тракта радиоприемника), аналого-цифрового преобразователя (АЦП), буфера накопления данных (БНД) и процессора дискретного преобразования Фурье (ПДПФ).
Признаками аналога, совпадающими с признаками заявленного устройства, являются входная высокочастотная часть (аналог антенны и тракта радиоприемника), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), буфер накопления данных (БНД), процессор дискретного преобразования Фурье (ПДПФ) (аналог цифрового спектроанализатора).
К недостаткам рассматриваемого устройства следует отнести возможность проведения РМ связных сигналов при мгновенной полосе анализа не более 100 МГц и входном отношении сигнал/шум намного большем единицы.
Известно также устройство векторного анализа спектра сигнала [2. Афонский А.А., Дьяконов В.П. Цифровые анализаторы спектра, сигналов и логики. - М.: Солон-Пресс, 2009. - С. 30], предназначенное для анализа амплитудных и фазовых спектров связных сигналов и состоящее из преобразователя радиочастоты, к выходу которого последовательно подключены фильтр промежуточной частоты, АЦП с тактовым генератором, цифровой преобразователь сигналов, процессор быстрого преобразования Фурье (БПФ) с памятью и устройством индикации, причем преобразователь частоты состоит из последовательно включенных входного фильтра, смесителя с местным гетеродином и усилителем.
К недостаткам данного устройства следует отнести возможность проведения РМ связных сигналов при мгновенной полосе анализа не более нескольких десятков МГц и входном отношении сигнал/шум намного большем единицы.
Из известных устройств, подобных заявленному изобретению, наиболее близким по технической сущности является устройство экспресс-анализа радиоизлучений с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты [3. Патент РФ №110574, опубл. 20.11.2011 г.], взятый за прототип.
В устройстве для контроля работы радиостанций с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты входной сигнал, принятый антенной, через линейный тракт приемника подается на вход комплексного переносчика частоты (КПЧ), где раскладывается на квадратурные составляющие и переносится в область нулевых частот. Полученные сигналы квадратур преобразуются в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а затем поступают на цифровой понижающий преобразователь (ЦПП), с помощью которого осуществляется выбор интересующего сигнала, точный снос его на нулевую частоту и децимация сигнала для обеспечения необходимой полосы анализа. Необходимое число отсчетов сигнала с выхода ЦПП накапливаются в блоке накопления отсчетов сигнала (БНО), а затем общим массивом поступает на цифровой спектроанализатор (ЦСА), реализованный на основе вычисления быстрого преобразования Фурье (БПФ). В ЦСА формируется массив частотных отсчетов спектра сигнала, которые поступают на блок формирования порога (БФП) и на логический анализатор (ЛА). В БФП на основе анализа спектральных отсчетов сигнала и заданных критериев обнаружения вычисляется порог обнаружения, который поступает в ЛА. Сравнивая спектральные отсчеты сигнала с порогом, ЛА принимает решение об обнаружении сигналов, оценивает их центральные частоты и ширину спектра.
Признаками данного устройства (прототипа), совпадающими с существенными признаками заявленного устройства, являются антенна, радиоприемное устройство, комплексный переносчик частоты, аналого-цифровой преобразователь, цифровой понижающий преобразователь, блок накопления отсчетов, цифровой спектроанализатор, блок формирования порогов, логический анализатор, причем к выходу антенны последовательно включены радиоприемное устройство, комплексный переносчик частоты, аналого-цифровой преобразователь, цифровой понижающий преобразователь, блок накопления отсчетов и цифровой спектроанализатор, к выходу которого параллельно подключены вход блока формирования порогов и первый вход логического анализатора, второй вход логического анализатора подключен к тактовому выходу аналого-цифрового преобразователя, третий вход логического анализатора подключен к выходу блока формирования порогов.
К недостаткам прототипа следует отнести относительно узкую полосу одновременно обрабатываемых частот, невозможность одновременной работы по сигналам в различных диапазонах частот и по пространственно разнесенным источникам.
Технической задачей заявляемой модели является решение следующего набора задач:
1. Возможность проведения РМ с максимальной пропускной способностью по излучениям нескольких космических аппаратов (КА) в каждом сеансе наблюдения.
2. Возможность повышения помехоустойчивости РМ адаптивного комплекса радиомониторинга (АКР) за счет когерентного или некогерентного накопления результатов от отдельных каналов.
3. Расширение функциональных возможностей АКР за счет перестройки его архитектуры и управления параметрами устройств в отдельных каналах.
4. Возможность снижения весогабаритных характеристик и стоимости АКР за счет уменьшения количества резервного оборудования и уменьшения эксплуатационных расходов.
Технический результат достигается тем, что в адаптивный комплекс радиомониторинга дополнительно введены коммутационная матрица, М опорно-поворотных устройств и решающее устройство, причем выход каждого опорно-поворотного устройства подключен к соответствующей антенне, выход первого опорно-поворотного устройства подключен к первой антенне, а выход М-го опорно-поворотного устройства подключен к М-й антенне, входы опорно-поворотных устройств подключены к 1, 5, …, 4N-3 выходам решающего устройства, выходы комплексных переносчиков частоты подключены ко входам коммутационной матрицы, выходы коммутационной матрицы подключены ко входам аналого-цифровых преобразователей, входящих в состав цифровых спектроанализаторов устройств экспресс-анализа радиоизлучений, выходы цифровых спектроанализаторов, соответствующие выходам логических анализаторов, подключены к соответствующим N входам решающего устройства, выходы 2, 6, …, 4N-2 решающего устройства подключены к управляющим входам комплексных переносчиков частоты, выходы 4, 8, …, 4N решающего устройства подключены к N управляющим входам коммутационной матрицы, выходы 3, 7, …, 4N-1 решающего устройства подключены к управляющим входам цифровых понижающих преобразователей.
Для достижения технического результата в адаптивный комплекс радиомониторинга, содержащий М устройств экспресс анализа радиоизлучений, каждое из которых состоит из антенны, радиоприемного устройства, комплексного переносчика частоты, аналого-цифрового преобразователя, цифрового понижающего преобразователя, блока накопления отсчетов, цифрового спектроанализатора, блока формирования порогов, логического анализатора, причем к выходу антенны последовательно включены радиоприемное устройство, комплексный переносчик частоты, аналого-цифровой преобразователь, цифровой понижающий преобразователь, блок накопления отсчетов и цифровой спектроанализатор, к выходу которого параллельно подключены вход блока формирования порогов и первый вход логического анализатора, второй вход логического анализатора подключен к тактовому выходу аналого-цифрового преобразователя, третий вход логического анализатора подключен к выходу блока формирования порогов, дополнительно введены коммутационная матрица, М опорно-поворотных устройств и решающее устройство, причем выход каждого опорно-поворотного устройства подключен к соответствующей антенне, выход первого опорно-поворотного устройства подключен к первой антенне, а выход М-го опорно-поворотного устройства подключен к М-й антенне, входы опорно-поворотных устройств подключены к 1, 5, …, 4N-3 выходам решающего устройства, выходы комплексных переносчиков частоты подключены ко входам коммутационной матрицы, выходы коммутационной матрицы подключены ко входам аналого-цифровых преобразователей, входящих в состав цифровых спектроанализаторов устройств экспресс-анализа радиоизлучений, выходы цифровых спектроанализаторов, соответствующие выходам логических анализаторов, подключены к соответствующим N входам решающего устройства, выходы 2, 6, …, 4N-2 решающего устройства подключены к управляющим входам комплексных переносчиков частоты, выходы 4, 8, …, 4N решающего устройства подключены к N управляющим входам коммутационной матрицы, выходы 3, 7, …, 4N-1 решающего устройства подключены к управляющим входам цифровых понижающих преобразователей.
Сочетание отличительных признаков и свойств предлагаемого изобретения в доступной литературе не обнаружено, поэтому оно соответствует критерию новизны и изобретательского уровня.
Структура АКР приведена на чертеже.
АКР состоит из:
1
2
М
11-1, 11-2, …, 11-М - антенны (А, А, …, А);
1
2
М
12-1, 12-2, …, 12-М - радиоприемные устройства (РПрУ, РПрУ, …, РПрУ);
1
2
М
13-1, 13-2, …, 13-М - комплексные переносчики частоты (КПЧ, КПЧ, …, КПЧ);
1
2
N
14-1, 14-2, 14-N - аналого-цифровые преобразователи частоты (АЦП, АЦП, …, AЦП);
1
2
N
15-1, 15-2, …, 15-N - цифровые понижающие преобразователи (ЦПП, ЦПП, …, ЦПП);
1
2
N
16-1, 16-2, …, 16-N - блоки накопления отсчетов (БНО, БНО, …, БНО);
1
2
N
17-1, 17-2, …, 17-N - цифровые спектроанализаторы (ЦСА, ЦСА, …, ЦСА);
1
2
N
18-1, 18-2, …, 18-N - блок формирования порогов (БФП, БФП, …, БФП);
1
2
N
19-1, 19-2, …, 19-N - логические анализаторы (ЛА, ЛА, …, ЛA);
20 - коммутационная матрица (КМ);
1
2
М
21-1, 21-2, …, 21-М - опорно-поворотные устройства (ОПУ, ОПУ, …, ОПУ);
22 - решающее устройство (РУ);
1
2
N
23-1, 23-2, …, 23-N - цифровые сигнальные процессоры (ЦСП, ЦСП, …, ЦСП);
1
2
М
24-1, 24-2, …, 24-М - антенные посты (АП, АП, …, АП);
25 - пункт управления (ПУ).
Технический результат достигается тем, что в известное устройство дополнительно введены:
1
2
М
1. Коммутационная матрица (КМ) 20, устанавливаемая между выходами КПЧ 13-1, 13-2, …, 13-М антенных постов АП, АП, …, АП и входами ЦСП 23-1, 23-2, …, 23-N, и обеспечивающая перестройку архитектуры АКР с целью расширения его функциональных возможностей.
1
2
М
1
2
М
2. Опорно-поворотные устройства (ОПУ, ОПУ, …, ОПУ) 21-1, 21-2, …, 21-М, обеспечивающие автономную регулировку пространственного положения лучей антенны (А, А, …, А) 11-1, 11-2, …, 11-М в зависимости от задач РМ, решаемых в конкретном сеансе наблюдения.
1
2
N
3. Решающее устройство (РУ) 22, установленное на выходе цифровых сигнальных процессоров (ЦСП, ЦСП, …, ЦСП) 23-1, 23-2, …, 23-N, обеспечивающее управление параметрами опорно-поворотных устройств, комплексных переносчиков частоты, коммутационной матрицы, цифровых понижающих преобразователей, а также сбор и хранение информации, полученной в ходе РМ.
Принцип действия заявленного устройства рассмотрим для РМ излучений спутниковых систем связи с ППРЧ.
1
2
М
1
2
N
АКР конструктивно реализуется в виде набора пространственно-разнесенных необслуживаемых антенных постов (АП, АП, …, АП) 24-1, 24-2, …, 24-М и пункта управления (ПУ) 25. В состав АП 24 входит ОПУ 21, двухдиапазонная антенна (А) 11 и РПрУ 12 с КПЧ 13. В состав ПУ 25 входят КМ 20, набор из N цифровых сигнальных процессоров (ЦСП, ЦСП, …, ЦСП) 23-1, 23-2, …, 23-N и РУ 22. Каждый ЦСП содержит АЦП, ЦПП, БНО, ЦСА, БФП и ЛА.
Для достижения поставленной цели и решения сформулированных задач для заявленного изобретения используются различные виды комплексирования составных частей и управление их параметрами отдельных функциональных узлов с целью изменения архитектуры и параметров АКР. В процессе комплексирования используются подходы, основанные на различных вариантах соединения АП и ЦСП, а также адаптации параметров антенн, РПрУ, КПЧ, ЦПП и РУ.
С целью увеличения пропускной способности АКР целесообразно использовать архитектуру, при которой обеспечивается автономная работа каждого АП по отдельному КА с использованием двухдиапазонных антенн, РПрУ и КПЧ, а также набора ЦСП, обеспечивающих соответствующую мгновенную полосу РМ.
С целью повышения помехоустойчивости АКР целесообразно использовать архитектуру, при которой антенны всех АП наведены на один и тот же КА, приемные устройства каждого АП настроены на рабочий частотный диапазон исследуемого КА, комплексные переносчики частоты обеспечивают перенос принимаемых сигналов в единый диапазон промежуточных частот, затем через коммутационную матрицу к выходу каждого антенного поста подключается набор ЦСП, обеспечивающий необходимую полосу мгновенного анализа и разрешающую способность по частоте и далее в решающем устройстве осуществляется накопление результатов от отдельных АП, что обеспечивает энергетический выигрыш, равный количеству совмещенных АП. Так при М=4 выигрыш равен 6 Дб.
С целью расширения функциональных возможностей АКР, например, реализации режимов частотной панорамы и детального анализа можно использовать подключение к выходу АП двух ЦСП с разными параметрами ЦПП.
Снижение весогабаритных характеристик и стоимости АКР достигается благодаря возможности использования А, РПрУ и ЦСП, а также ограничению количества резервного оборудования.
Уменьшение эксплуатационных расходов достигается благодаря размещению на ПУ решающих устройств для всех АП, что позволяет существенно сократить количество обслуживающего персонала.
Рассмотрим особенности функционирования АКР для ситуации, когда РМ осуществляется в результате автономного использования одного из АП для перехвата сигналов, излучаемых конкретным КА.
ПОР
Аддитивная смесь сигнала с ППРЧ δ(t) и шума n(t) после прохождения антенны (11-1) и линейного тракта РПрУ (12-1) (см. фигуру) поступает на вход комплексного переносчика частоты (13-1), 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) и через коммутационную матрицу (20) подается на вход двухканального АЦП (14-1), где он преобразуется в цифровую форму и подается в цифровой понижающий преобразователь частоты (15-1), а затем после накопления отсчетов в БНО (16-1) поступает в ЦСА (17-1), реализованный на основе быстрого преобразования Фурье (БПФ). С выхода ЦСА (17-1) при закрытом входе РПрУ (12-1) процесс, соответствующий шуму n(t), подается на вход блока формирования порога (18-1), в котором в зависимости от допустимой величины ложной тревоги в каналах ЦСА (17-1) формируется нормированный порог g, который подается в логический анализатор (19-1). Сюда же при приеме y(t)=δ(t)+n(t) подаются процессы с выходов каналов ЦСА и тактовые импульсы с выхода генератора, входящего в состав АЦП.
На выходе ЦСА (17-1) после базовых операций БПФ множество временных отсчетов квадратурных составляющих входного процесса преобразуется в множество частотных отсчетов, которые после усреднения и квадратурной обработки превращаются в набор напряжений, соответствующих уровню спектральной плотности в соответствующих каналах ЦСА (17-1)
y1
yi
yn
ƒ
где U(T), …, U(T), …, U(T) - отсчеты напряжений, снимаемые с выходов 1-го, …, , …, n канала ЦСА (17-1);
S
U (T) - набор отсчетов напряжений, соответствующих одному сигналу;
Т - постоянная интегрирования в каналах ЦСА (17-1);
БПФ
Т - длительность одного цикла БПФ;
а
Δƒ - полоса мгновенного анализа;
0
t - момент начала сеанса РМ;
ƒ
n - - количество каналов в ЦСА (17-1);
к
Δƒ - полоса пропускания одного канала ЦСА;
yl
yi
yn
ПОР
Далее напряжения {U(T), …, U(T), …, U(T)} сравниваются с порогом U, и в тех частотных каналах, в которых порог превышается, принимается гипотеза об обнаружении сигнала, после чего этот отсчет поступает в логический анализатор для оценивания таких параметров сигнала, как амплитуда  средняя частота  ширина спектра  моменты появления  и окончания  символов.
При приеме одного ППРЧ-сигнала в составе многокомпонентной радиообстановки (РО) алгоритм классификации ППРЧ-сигналов соответствует алгоритму сложной статистической задачи, включающей в себя 3 задачи:
1) задачу классификации "новых" компонентов;
2) задачу классификации "кратковременных" компонентов;
3) задачи классификации "узкополосных" компонентов:
ц
где  - гипотезы о приеме ППРЧ-сигнала на основе внутрицикловой обработки в течение 1, …, z, …, n цикла;
- гипотезы о приеме "кратковременных" компонентов;
- гипотезы о приеме "узкополосных" компонентов;
- оценка частот элементов ППРЧ-сигналов;
ППРЧ
Н - гипотеза о приеме ППРЧ-сигнала с соответствующим банком частот;
ДЧ
Ц
Т, n - длительность и количество циклов анализа ППРЧ-сигнала.
Алгоритмы классификации компонентов на "старые" (гипотеза ) и "новые" (гипотеза ) строятся на основе таких информативных признаков как гипотеза об обнаружении, оценка несущей частот  ширины спектра  момента начала компоненты  и описываются так:
где  - оценка момента начала "новой" компоненты, несущая частота которой расположена на "свободных" участках рабочего частотного диапазона ЭА;
,  - быстродействие и количество используемых циклов при классификации "старых" компонентов;
,  - быстродействие и количество используемых циклов при классификации "новых" компонентов;
- количество циклов, соответствующих ожиданию появления "новой" компоненты.
Ц
Ц
41
При классификации "старых" и "новых" компонентов основное влияние на успешность решения задачи оказывают пропуски сигналов. Для случая классификации "старых" узкополосных компонентов на основе критерия обнаружения во всех циклах (алгоритм "n из n") вероятность успешной классификации "старых" компонентов Р равна:
51
При классификации "новых" узкополосных компонентов ошибочные решения появляются как из-за наличия пропусков сигналов, так и появления ложных тревог. При этом вероятность успешной классификации "новых" компонентов Р в случае использования алгоритма "n из n" равна:
где  - вероятность ошибок при наличии пропусков «нового» компонента в течение  циклов анализа, начиная с момента появления компонента;
ij
- вероятность ошибок за счет появления ложных тревог на одной из частот f в течение  циклов анализа.
Алгоритмы классификации компонентов на "кратковременные" (гипотеза ) и "долговременные" (гипотеза ) строятся на основе таких информативных признаков как гипотеза об обнаружении и оценки длительности компонентов  и описываются следующими соотношениями:
где ΔT - максимально ожидаемая длительность "кратковременных" компонентов РО;
- количество циклов анализа, используемых при классификации "кратковременных" компонентов.
ij
42
При классификации "долговременных" компонентов основное влияние на успешность решения задачи оказывают пропуски сигналов, которые приводят к эффекту перепутывания компонентов. Если при принятии решения использовать критерий, соответствующий пропуску сигналов на одной частоте f не менее, чем в двух соседних циклах анализа, то вероятность успешной классификации «долговременных» компонентов Р равна
Ц
Ц
6
При классификации "кратковременных" компонентов ошибочные решения возникают как при пропусках сигналов, так и за счет наличия ложных тревог. Если при этом, при наличии решения, использовать критерий обнаружения во всех  циклах анализа (алгоритм "n из n"), то вероятность успешной классификации "кратковременных" компонентов Р равна
где  - вероятность ошибочных решений за счет пропусков сигналов;
- вероятность ошибочных решений за счет наличия ложных тревог.
При приеме одного ППРЧ-сигнала в составе многокомпонентной РО алгоритм классификации ППРЧ-сигналов соответствует алгоритму сложной статистической задачи, включающей в себя 3 задачи:
1) задачу классификации "новых" компонентов;
2) задачу классификации "кратковременных" компонентов;
3) задачи классификации "узкополосных" компонентов:
ц
где  - гипотезы о приеме ППРЧ-сигнала на основе внутрицикловой обработки в течение 1, …, z, …, n цикла;
- гипотезы о приеме "кратковременных" компонентов;
- гипотезы о приеме "узкополосных" компонентов;
- оценка частот элементов ППРЧ-сигналов;
ДЧ
Н - гипотеза о приеме ППРЧ-сигнала с соответствующим банком частот;
ДЧ
Ц
Т, n - длительность и количество циклов анализа ППРЧ-сигнала.
При классификации ППРЧ-сигнала, принимаемого в составе многокомпонентной РО, возможны ошибочные решения за счет пропусков элементов ППРЧ-сигнала, ложных тревог, перепутывания с быстро замирающими "узкополосными" компонентами, наложения частот элементов ППРЧ-сигнала на "занятые" участки спектра, наличия импульсных помех с высокой плотностью потока.
к
ƒ
В тех случаях, когда величина частотного скачка Δƒ в ППРЧ-сигнале не превышает полосы пропускания каналов ЦСА (17-1) Δƒ для классификации ППРЧ-сигналов можно ограничиться такими информативными признаками, как кратковременность частотной посылки и непрерывность во времени ЧВМ ППРЧ-сигнала, состоящей из М частот. Если учитывать влияние на достоверность классификации ППРЧ-сигналов только пропусков отдельных посылок, то вероятность правильной классификации равна  при  Для случая приема нескольких ППРЧ-сигналов ортогональными массивами частот для их разделения необходимо усложнять алгоритм классификации путем добавления таких информативных признаков, как номиналы несущих частот ЧВМ и величина частотных скачков.
После определения банка частот в ЧВМ определяется загрузка частотного диапазона и количество абонентов в сети. С этой целью путем упорядочивания частот элементов ЧВМ строится трехмерная картина, где ось ОХ позволяет определить количество абонентов, ось OY соответствует текущим частотам, а ось OZ соответствует моментам появления элементов ЧВМ.
На основе полученной информации можно приступить к решению задачи по перехвату информации и радиоэлектронному подавлению.
Антенна совмещенного приема сигналов двух диапазонов частот совместно с ОПУ реализована на основе работы, приведенной в журнале "Общие вопросы радиоэлектроники", в. 1, 2008, Ростов н/Д, ФГУП РНИИРС, с. 3-7.
Широкодиапазонное приемное устройство с мгновенным рабочим частотным диапазоном порядка 1 ГГц может быть реализовано на основе работы, приведенной в журнале "Общие вопросы радиоэлектроники", в 1(20), 2002 г., Ростов н/Д, ФГУП РНИИРС, с 71-82.
Комплексный переносчик частоты может быть реализован на основе специализированной микросхемы HMC597LP4 (ф. Hittite), функционирующей в частотном диапазоне от 0,1 до 4 ГГц. Полоса пропускания каждого из квадратурных каналов составляет 600 МГц.
Двухканальный аналого-цифровой преобразователь может быть реализован на АЦП ADC12D1800 (ф. Texas Instruments), имеющем частоту дискретизации 1800 МГц и количество разрядов 12.
Цифровой понижающий преобразователь, цифровой спектроанализатор, блок накопления отсчетов, блок формирования порога и логический анализатор могут быть реализованы на ПЛИС семейств Virtex-6, Virtex-7 (ф. Xilinx) или на заказных специализированных микросхемах.
Цифровой спектроанализатор (ЦСА), БНО, БФП, ЛА и РУ могут быть реализованы на ПЛИС семейств Virtex-6, Virtex-7, имеющих большие вычислительные ресурсы и частоты дискретизации до 400-500 МГц.
Таким образом, реализация АКР не вызывает затруднений. Представленная схема на фигуре и подробное описание принципа действия каждого блока, разработанного на типовых функциональных узлах, с использованием современной элементной базы, позволяет изготовить адаптивный комплекс радиомониторинга промышленным способом по своему назначению, что характеризует изобретение как промышленно применимое.