СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ИМПУЛЬСНОГО РАДИОСИГНАЛА В УСЛОВИЯХ БЫСТРЫХ ЗАМИРАНИЙ НА ФОНЕ БЕЛОГО ШУМА
METHOD FOR DETECTING A PULSED RADIO SIGNAL IN FAST FADING CONDITIONS AGAINST A BACKGROUND OF WHITE NOISE

Изобретение относится к технике приема (обнаружения) импульсных радиосигналов в условиях быстрых амплитудных замираний на фоне белого шума и может быть использовано в аппаратуре приема дискретной информации, а также в радиолокации и в радионавигации.
к
Актуальность данной проблемы обусловлена тем, что практически все реальные радиоканалы характеризуются случайно-изменяющимися параметрами, приводящими к искажениям радиосигналов и соответственно к разрушению содержащейся в них информации (Кириллов Н.Е. Помехоустойчивая передача сообщений по линейным каналам со случайно-изменяющимися параметрами. М.: Связь, 1971, с. 57). При этом быстрые амплитудные замирания сигналов порождаются существенным изменением случайного коэффициента передачи радиоканала на протяжении длительности элемента сигнала Т, в результате чего время корреляции замираний т оказывается меньше Т. Такой характер замираний
проявляется, преимущественно, на подвижных радиосредствах, вследствие частотно-временной дисперсии передаточной функции радиоканала, вызванной его многолучевостью, обусловленной случайной суперпозицией собственных копий сигналов, отраженных от различных внешних объектов на пути их распространения. Очевидно, что быстрые замирания также могут иметь место и на стационарных радиосредствах в условиях многолучевого распространения радиоволн, если параметры отдельных радиолучей (их интенсивность и взаимный временной сдвиг) являются случайными величинами, которые достаточно быстро (по
сравнению с длительностью элемента сигнала Т) изменяются во времени. Наиболее выраженно быстрые замирания проявляются в радиосистемах дальней космической радиосвязи, так как в этом случае энергетические ресурсы ограничены, а затухание сигнала на космических расстояниях велико, то для обеспечения требуемого отношения сигнал-помеха необходимо увеличивать длительность сигнала Т, которая может существенно превышать время корреляции замираний. Такое же явление может иметь место и при «земной» коротковолновой связи, когда необходимо передавать информацию с помощью маломощного передатчика и следовательно с малой скоростью, в результате время корреляции замираний может оказаться значительно меньше длительности сигнала Т, что свидетельствует о наличии быстрых замираний (Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов.радио, 1970, с. 468).
Для борьбы с быстрыми замираниями сигналов применяются два основных способа: способ пространственно-разнесенного приема сигналов и способ, основанный на расширении спектра сигналов в различных вариантах его реализации (Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов.радио, 1970, с. 398-400, 500-509).
Пространственно-разнесенный прием сигналов осуществляется на пространственно-разнесенные антенны с последующей комплексной обработкой сигнально-помеховых реализаций, полученных в отдельных ветвях разнесения. При этом для обеспечения независимости (некоррелированности) сигнально-помеховых реализаций в отдельных ветвях, разнесение антенн в пространстве должно быть не менее 10 длин волн, на которых работает соответствующая радиотехническая система (РТС).
Недостатком данного способа является невозможность его использования на малогабаритных подвижных (летающих) объектах, а также значительные технико-экономические затраты, требующиеся на его реализацию.
Известным способом борьбы с быстрыми замираниями, основанным на расширении спектров информационных сигналов является способ, использующий технологию Рейк (Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов.радио, 1970, с. 500-506). В этом способе в условиях многолучевости за счет применения широкополосных (шумо-подобных) сигналов и их согласованной фильтрации на приемной стороне становится возможным разделить во времени приходящие радиолучи с последующим сложением их мощностей для повышения достоверности (помехоустойчивости) обнаружения сигналов. Основным недостатком данного способа является расширение полосы частот радиоканала на величину, значительно большую, чем необходимую для передачи соответствующей информации, что при ограниченных частотных ресурсах не всегда оказывается возможным. Кроме того, приемное устройство данного способа обнаружения является достаточно сложным в технической реализации и требует высокой точности синхронизации передающего и приемного радиоустройств.
Другим известным способом борьбы с быстрыми замираниями, требующим расширения полосы частот радиоканала, является способ многочастотной передачи, в котором в соответствии с определенной программой каждый элемент сигнала соответствующего информационного символа передается на своей частоте. При этом для передачи двоичных символов число пар частот п выбирается из условия: пТ>L, где Т - длительность элемента сигнала, a L - длительность памяти канала связи, а разнос частот между соседними частотами должен быть значительным, чтобы спектры сигналов с учетом их расширения вследствие быстрых замираний не перекрывались (Финк Л.М. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов.радио, 1970, с. 507-509).
Недостатком данного способа является также сложность в его технической реализации, а главное - неизбежное значительное расширение
полосы частот радиоканала, что при лимитированных частотно-временных ресурсах реализовать практически невозможно.
Наиболее близким к предлагаемому является способ обнаружения импульсного федингующего (замирающего) радиосигнала, содержащий последовательное выполнение операций согласованной фильтрации сигнала и линейного детектирования его огибающей с последующим пороговым принятием решения о его наличии или отсутствии по выбранному критерию (Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь, 1983, с. 81, 92-94).
д
Недостатком данного способа обнаружения является требование значительного увеличения отношения сигнал-помеха, а следовательно и мощности радиопередатчика для получения практически необходимых значений вероятности правильного обнаружения сигнала при заданной вероятности ложной тревоги. Так, например, для получения вероятности правильного обнаружения Р=0,85 при вероятности ложной тревоги
F
4
P=10~ требуется обеспечить отношение сигнал-помеха по мощности
2
2
2
Д
Д
Д
на входе обнаружителя h=2Е/N=100, где Е - средняя энергия замирающего сигнала, N - спектральная плотность мощности белого шума, а для получения Р=0,9 при тех же условиях требуется отношение сигнал-помеха h «170, что требует увеличения мощности радиопередатчика в 1,7 раза. А для получения Р=0,95, что является вполне реальным рабочим значением для ряда РТС, потребуется обеспечить отношение сигнал-помеха h «350, что по сравнению с Р=0,9, потребует
увеличить мощность радиопередатчика более, чем в два раза (Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь, 1983, с. 85 - характеристики обнаружения федингующего сигнала, представленные на рис. 2.10). Обеспечить такой запас мощности радиопередатчика в радиоканалах, в особенности, на летающих, например, космических объектах
при жестко лимитированных массогабаритных характеристиках соответствующей радиоаппаратуры достаточно сложно и по технико-экономическим показателям, безусловно, нецелесообразно.
Технический результат изобретения заключается в повышении помехоустойчивости (достоверности) обнаружения импульсного радиосигнала на фоне белого шума в условиях быстрых замираний при неизменных энергетических и частотно-временных ресурсах канала связи.
Данный технический результат достигается за счет использования независимой обработки отдельных и равных по длительности частей входного замирающего радиосигнала, разделенных интервалом времени корреляции замираний, с каждой из которых локально согласован общий согласованный фильтр. Такой фильтр в дальнейшем описании будет называться локально-согласованным. Далее по огибающей выходной сигнально-помеховой (или только помеховой) реализации локально-согласованного фильтра в соответствующие моменты времени по выбранному критерию принимают частные (независимые) решения об обнаружении сигнала, по комбинации которых принимают итоговое решение о наличии или отсутствии сигнала в канале связи.
Для чего, как и в известном способе обнаружения импульсного радиосигнала в условиях замираний на фоне белого шума осуществляют согласованную фильтрацию радиосигнала, а затем линейное детектирование его огибающей с последующим пороговым принятием решения о его наличии или отсутствии по выбранному критерию. Причем, согласованный фильтр локально согласован с половиной длительности входного сигнала, не превышающей времени корреляции замираний. По огибающей выходной сигнально-помеховой реализации согласованного фильтра в моменты ожидаемого максимального значения сигнала берут два некоррелированных отсчета напряжения через интервал времени, равный половине длительности входного сигнала. Каждый отсчет
напряжения сравнивают с величиной порогового напряжения в соответствующих пороговых устройствах, определяемого заданной вероятностью ложной тревоги. При этом итоговое решение о наличии или отсутствии сигнала принимают на основе соответствующих частных решений по правилу: сигнал обнаруживается, если хотя бы на выходе одного из пороговых устройств он регистрируется.
Таким образом, данный способ обнаружения радиосигналов в отличие от существующих аналогов не требует организации пространственно-разнесенного приема, а также не требует расширения полосы частот радиоканала и увеличения мощности сигнала, а позволяет при неизменных энергетических и частотно-временных ресурсах канала связи повысить помехоустойчивость, а следовательно и достоверность обнаружения сигнала.
Представим доказательство наличия указанного технического результата в предлагаемом способе обнаружения радиосигнала.
Пусть обнаруживаемый входной замирающий радиосигнал имеет вид
0
0
0
где U, co, T - неслучайные параметры, соответственно, исходная амплитуда радиосигнала, несущая (средняя частота) и его длительность; (p,ju(t) - случайные параметры, соответственно, начальная фаза, равновероятно распределенная в интервале [-я,7 г] и случайный амплитудный
множитель, характеризующий замирания радиосигнала, который для большинства реальных каналов связи имеет Релеевское распределение вероятности.
0
Для такой модели радиосигнала при условии, что<р и //(t) между собой независимы, вероятность его правильного обнаружения определяется следующим выражением (Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь, 1983, с. 94):
F
где P,E,N- соответственно, заданная вероятность ложной тревоги,
средняя энергия замирающего радиосигнала на входе обнаружителя, спектральная плотность мощности белого шума.
Выражение (2) определяет вероятность правильного обнаружения импульсного радиосигнала классическим способом при его обработке в целом, когда согласованный фильтр обнаружителя полностью согласован с исходным сигналом и решение принимается только по одному отсчету огибающей сигнально-помеховой реализации, соответствующему максимальному ожидаемому значению сигнала на входе согласованного фильтра, вне зависимости от характера, в частности, скорости замираний радиосигнала. Данное обстоятельство, как отмечалось ранее, является основным недостатком способа-прототипа, который проявляется в требовании существенного увеличения мощности радиопередатчика для получения приемлемых значений вероятности правильного обнаружения сигнала.
к
Рассмотрим частный случай быстрых замираний, когда время корреляции замираний *т не превышает половины длительности исходного
к
сигнала Т (т<Т/2).Очевидно, что в этом случае возможно получить
к
два независимых решения в двух отсчетах огибающей сигнально-помеховой реализации на выходе локально-согласованного фильтра, разделенных по времени интервалом корреляции замираний т. При
этом локально-согласованный фильтр обнаружителя согласован только с половиной длительности исходного входного сигнала, а отсчеты берутся по максимальным ожидаемым значениям огибающей выходного сигнала фильтра в моменты времени, разделенные интервалом корреляции замираний.
Поскольку в предлагаемом способе правило принятия итогового решения такое, что сигнал обнаруживается, если хотя бы в одном из частных отсчетов он регистрируется, то и результирующая ложная тревога (ложное обнаружение) будет иметь место, если при отсутствии сигнала «выброс» помехи выше соответствующего порога будет иметь место, хотя бы в одном из отсчетов. Кроме того, поскольку фильтр согласован только с половиной длительности входного сигнала, то следовательно «рабочая» энергия сигнала в каждом отсчете будет в два раза меньше по сравнению с энергией исходного сигнала, которая фигурирует в выражении (2).
С учетом данных замечаний и сформулированного алгоритма принятия решения на основе выражения (2) можно показать, что результирующая вероятность правильного обнаружения сигнала в предлагаемом способе будет определяться следующим выражением:
F
F
где P - результирующая вероятность ложной тревоги, которая принимает такие же значения, что и вероятность ложной тревоги в прототипе Р, фигурирующая в выражении (2).
При этом частная вероятность ложной тревоги в каждом отсчете принимается одинаковой и будет определяться следующим выражением:
На основании известного выражения, связывающего вероятность ложной тревоги и пороговое напряжение для принятия соответствующего решения при обнаружении федингующих (замирающих) радиосигналов (Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь, 1983, с. 93), можно показать, что в предлагаемом способе с учетом обеспечения его энергетической эквивалентности с прототипом величина порогового напряжения будет равна
где ln(*-) - символ натурального логарифма.
Д
Д рез
F
F рез
Далее получим выражение для энергетического выигрыша (выигрыша по мощности радиопередатчика) в предлагаемом способе по сравнению с прототипом при одинаковых вероятностях правильного обнаружения сигнала (Р=Р) и одинаковых вероятностях ложной тревоги (P=Р). Для чего необходимо приравнять правые части выражений (2) и (3), в результате получим:
где *т] - коэффициент энергетического выигрыша, показывающий во сколько раз необходимо увеличить энергию сигнала (мощность радиопередатчика) в способе прототипе, чтобы получить такие же характеристики обнаружения, как и в предлагаемом способе.
Если решить уравнение (6) относительно *7], то получим:
где lg(-) - символ десятичного логарифма.
д
По выражениям (2), (3), (7) рассчитаны и сведены в таблицу значения вероятностей правильного обнаружения сигнала в прототипе Р, в
Д рез
предлагаемом способе Р и коэффициента энергетического выигрыша
F
F peз
-4
*tj в зависимости от отношения сигнал-помеха по мощности 2Е/N на выходе фильтра, согласованного с исходным сигналом при одинаковых вероятностях ложной тревоги в прототипе и предлагаемом способе и равных P=P=10.
Д
Из таблицы следует, что при малых значениях отношений сигнал-помеха, при которых характеристика обнаружения имеет достаточно большую крутизну, наблюдается проигрыш (хотя и незначительный) предлагаемого способа по сравнению с прототипом, как по вероятности правильного обнаружения, так и по коэффициенту энергетического выигрыша. Так, например, если 2Е/N=25, то вероятность правильного обнаружения в прототипе составляет Р=0,5, а в предлагаемом способе
Д рез
Д
Д рез
Р=0,445, при этом коэффициент энергетического выигрыша оказался меньше единицы и равным *rj=0,843. Аналогичная закономерность соотношений между данными параметрами имеет место и при 2E/N=36. Однако для больших значений отношений сигнал-помеха, при которых характеристика обнаружения имеет малую крутизну, тенденция в соотношении данных величин меняется на противоположную. Так, например, при 2E/N=64 вероятность правильного обнаружения в прототипе Р=0,756, а в предлагаемом способе Р=0,805, при этом
Д
коэффициент энергетического выигрыша становится больше единицы и составляет *77=1,296. А при 2Е/N=196 вероятность правильного обнаружения в прототипе составляет Р=0,911, а в предлагаемом способе
Д рез
Р=0,968, при которых коэффициент энергетического выигрыша составляет *rj=2,875. Данный результат свидетельствует о том, что в условиях быстрых замираний для получения реальных рабочих значений вероятности правильного обнаружения сигнала на фоне белого, шума при реальных значениях вероятности ложной тревоги энергетический выигрыш (или выигрыш по мощности радиопередатчика) в предлагаемом способе почти в три раза превышает соответствующий показатель прототипа.
Д
Следует отметить, что отсутствие выигрыша в предлагаемом способе при малых отношениях сигнал-помеха не является сколь-либо значимым недостатком, поскольку полученные при этом вероятности правильного обнаружения сигнала имеют весьма малые значения и не используются в качестве рабочих значений для ряда РТС. В качестве рабочих значений вероятностей правильного обнаружения сигналов используются, как правило, величины Р>0,9, при которых, как следует из
таблицы, предлагаемый способ обладает существенным выигрышем по сравнению с прототипом.
Таким образом, выигрыш в помехоустойчивости обнаружения импульсных радиосигналов в условиях быстрых замираний на фоне белого шума при неизменных энергетических и частотно-временных ресурсах канала связи свидетельствует о наличии причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом.
На чертеже представлена структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ обнаружения импульсного радиосигнала в условиях быстрых замираний на фоне белого шума.
Устройство содержит локально-согласованный фильтр 1, линейный детектор 2 огибающей, устройства 3 и 4 взятия отсчетов огибающей
сигнально-помеховой реализации, генератор 5 тактовых (отсчетных) импульсов, элементы временной задержки 6 и 7 на время T/2, пороговые устройства 8 и 9 и решающее устройство 10. Устройство работает следующим образом.
1
0
2
0
0
1
2
1
Импульсный быстрозамирающий по амплитуде радиосигнал в смеси с белым шумом (при наличии сигнала) или один шум (при отсутствии сигнала) в ожидаемый момент времени поступает на вход локально согласованного фильтра 1, который согласован только с половиной длительности входного сигнала. При этом максимальные ожидаемые значения выходного сигнала локально-согласованного фильтра будут в моменты времени t=t+Т/2 и t=t+Т, где t - момент времени поступления сигнала на вход обнаружителя. С выхода локально-согласованного фильтра 1 сигнал поступает на вход линейного детектора 2 огибающей, с выхода которого он одновременно поступает на устройства 3 и 4 взятия отсчетов огибающей сигнально-помеховой реализации в моменты времени t и t. При этом генератор 5 тактовых (отсчетных) импульсов формирует первый отсчетный импульс в момент t,
3
который непосредственно поступает на первое устройство 3 взятия отсчета, а на второе устройство 4 взятия отсчета он поступает через элемент задержки 6 на время задержки, равной половине длительности входного сигнала t=T/2. Для того, чтобы совместить по времени от-
счетные значения огибающей сигнала, необходимо первое отсчетное значение задержать на время Т/2, которое реализуется в элементе задержки 7, на вход которого поступает первое отсчетное значение огибающей сигнала с выхода первого устройства 3 взятия отсчета. Совмещенные по времени отсчетные значения огибающей далее одновременно поступают с выхода элемента задержки 7 и с выхода устройства 4 взятия отсчета на входы соответствующих пороговых устройств 8 и 9, величи-
ны пороговых напряжений которых определяются выражением (5). С выходов пороговых устройств 8 и 9 сигналы, соответствующие частным решениям поступают на информационные входы объединяющего решающего устройства 10, на управляющий вход которого с выхода элемента задержки 6 поступает разрешающий импульс для формирования итогового решения о наличии или отсутствии сигнала на входе обнаружителя. При этом объединяющее решающее устройство 10 работает по правилу: сигнал обнаруживается, если хотя бы на выходе одного из пороговых устройств 8 и 9 он регистрируется.
Из описания следует, что в состав устройства реализации данного способа обнаружения сигнала входят следующие блоки: локально-согласованный фильтр 1, линейный детектор 2 огибающей, устройства 3 и 4 взятия отсчетов огибающей сигнала, генератор 5 тактовых (отсчет-ных) импульсов, элементы 6 и 7 задержки сигнала на фиксированное время задержки, пороговые устройства 8 и 9, а также решающее устройство 10, которые подробно описаны с конструктивными признаками их технической реализации в книге под редакцией Пестрякова В.Б. Шумо-подобные сигналы в системах передачи информации. М.: Сов.радио, 1973.
Таким образом, предложенный способ обнаружения импульсных радиосигналов в условиях быстрых замираний на фоне белого шума не имеет принципиальных ограничений при его практическом исполнении и может быть реализован с применением известных функциональных устройств.