РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РАДИОМОНИТОРИНГА СИГНАЛОВ

Полезная модель относится к радиотехнике и может быть использована для радиомониторинга сигналов, в частности для автоматизированного радиомониторинга радиосигналов различных источников радиоизлучений (ИРИ) в широком диапазоне частот.
Радиомониторинг предусматривает:
- панорамный обзор и анализ в рабочем диапазоне частот;
- определение загрузки диапазона в координатах амплитуда-частота-время-пеленг;
- сравнение с «эталонной панорамой» и поиск новых частот;
- пеленгование каждого ИРИ;
- регистрацию радиосигналов на жесткий диск, измерение их параметров, технический анализ.
Радиомониторинг обеспечивается комплексом аппаратных средств: антенные и радиоприемные устройства, демодуляторы сигналов с различными видами модуляции, анализаторы спектра, средства регистрации и компьютерного анализа. Минимизация состава средств мониторинга позволяет снизить вероятность ошибок при решении поставленных задач, повысить точность измерений, гарантировать полноту анализа и сокращение времени сеанса. Основой состава является радиоприемное устройство.
Известно радиоприемное устройство для радиомониторинга сигналов (приемник для радиоразведки), описанное в заявке ФРГ № OS 3044701 [1].
Устройство содержит тюнер, состоящий из последовательно включенных избирательного усилителя высокой частоты, первого смесителя, избирательного усилителя первой промежуточной частоты (ПЧ), второго смесителя и избирательного усилителя второй ПЧ. Опорные сигналы для преобразователя частот генерируются первым и вторым гетеродинами. Для контроля сигналов используется анализатор спектра, имеется канал тонального прослушивания сигналов. Устройство обеспечивает контроль сигналов в заданном участке диапазона частот.
Недостатками известного устройства является ограниченный объем получаемых данных по ИРИ и низкая достоверность результатов мониторинга.
Это объясняется тем, что структура устройства предусматривает контроль сигналов только одного диапазона или участка диапазона частот. Тональный контроль сигналов не дает информации о виде аналоговой или цифровой модуляции, демодуляция устройством в ходе мониторинга не осуществляется. Анализатор спектра и тюнер имеют автономное управление, что существенно увеличивает время определения параметров ИРИ. Стабильность аналоговых гетеродинов приемника низкая.
Известно радиоприемное устройство для радиомониторинга сигналов (приемник пункта контроля), используемое в станции по патенту RU 2313911 [2]. Устройство содержит тюнер, состоящий из последовательно включенных избирательного усилителя высокой частоты, смесителя и усилителя ПЧ. Имеется синхронный детектор и узлы выделения сигналов комбинированной амплитудной модуляции и фазовой манипуляции (АМ-ФМн), блок регистрации и анализа. Дескремблеры реализуют криптографические методы защиты конфиденциальных аналоговых и цифровых сообщений систем связи собственной службы радиомониторинга.
Недостатками устройства являются ограниченный объем полученных данных по ИРИ и низкая достоверность результатов мониторинга.
Это объясняется тем, что структура устройства ориентирована на контроль сигналов только одного диапазона или участка диапазона частот. Однократное преобразование промежуточной частоты не позволяет реализовать высокую избирательность по входной зеркальной частоте.Устройство не осуществляет контроль видов манипуляции, весьма важный при мониторинге цифровых сигналов. Аналоговый гетеродин не позволяет реализовать высокую стабильность. В результате снижается точность измерений. Автономное управление тюнером и блоком регистрации и анализа увеличивает время определения параметров ИРИ и снижает их точность.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является радиоприемное устройство для автоматизированного радиомониторинга сигналов, описанное в источнике [3].
Устройство содержит два тюнера, каждый из которых состоит из последовательно включенных коммутируемого преселектора, первого смесителя, избирательного усилителя первой ПЧ, второго смесителя, избирательного усилителя второй ПЧ и аналого-цифрового преобразователя (АЦП), а также содержит синтезатор опорных частот, соответствующие выходы которого подключены к вторым входам первого и второго смесителей каждого тюнера, и персональную электронно-вычислительную машину (ПЭВМ). ПЭВМ используется для регистрации радиосигналов в векторной форме и последующего в отложенном режиме автоматизированного технического анализа и определения параметров модуляции и передач. Тюнеры и ПЭВМ имеют независимое автономное управление. Введение коммутируемого преселектора в каждый тюнер позволило значительно расширить область контролируемых частот и обеспечить мониторинг наиболее важных участков диапазона. Синтезатор опорных частот существенно повысил точность измерений и дал возможность анализа в отложенном режиме предельно узких по ширине спектра сигналов ИРИ. Использование двух тюнеров в устройстве создает возможность определения не только пеленга, но и координат ИРИ.
Однако недостатками известного устройства являются ограниченный объем получаемых данных по ИРИ и недостаточная достоверность результатов мониторинга.
Это объясняется тем, что для определения и измерения ряда параметров ИРИ приходится совместно с радиоприемным устройством использовать структурно автономные и независимые в управлении аппаратные средства: анализатор спектра, устройство определения сложных видов цифровой манипуляции, например, по патенту [4], демодуляторы цифровых сигналов, осциллографические индикаторы.
Независимое управление всеми этими устройствами приводит к трудностям в обеспечении синхронизации, снижает точность измерений. Появляются ошибки, особенно в классификации сигналов, которые снижают достоверность полученных данных, увеличивается длительность однократного цикла радиомониторинга.
Целью создания полезной модели является увеличение объема получаемых данных по ИРИ и повышение достоверности результатов мониторинга.
Поставленная цель достигается за счет того, что в известное радиоприемное устройство для автоматизированного радиомониторигна сигналов, содержащее два тюнера, каждый из которых состоит из последовательно включенных коммутируемого преселектора, первого смесителя, избирательного усилителя первой ПЧ, второго смесителя, избирательного усилителя второй ПЧ и АЦП, а также содержащее синтезатор опорных частот, соответствующие выходы которого подключены к вторым входам первого и второго смесителей каждого тюнера, и ПЭВМ, введены первый формирователь квадратурных компонент, первый блок цифровой фильтрации, первый ресемплер, регенератор спектра, энергетический анализатор, узел панорамного анализа, блок формирования выходных данных, второй формирователь квадратурных компонент, второй блок цифровой фильтрации, второй ресемплер, детектор, корректор несущей, корректор тактовой частоты, эквалайзер, блок программного обеспечения и полнодоступный коммутатор, сигнальные входы которого подключены к выходам АЦП каждого тюнера, первый выход через первый формирователь квадратурных компонент, первый блок цифровой фильтрации, первый ресемплер, регенератор спектра и энергетический анализатор подключен к первому входу блока формирования выходных данных, а второй выход через второй формирователь квадратурных компонент, второй блок цифровой фильтрации, второй ресемплер и детектор соединен с третьим входом блока формирования выходных данных, причем второй выход детектора через эквалайзер подключен к второму входу второго формирователя квадратурных компонент, третий выход детектора через корректор несущей соединен с управляющим входом второго блока цифровой фильтрации, четвертый выход детектора через корректор тактовой частоты подключен к управляющему входу второго ресемплера, блок программного обеспечения соединен с вторым входом ПЭВМ, а второй выход регенератора спектра через узел панорамного анализа подключен к второму входу блока формирования выходных данных, выход которого через ПЭВМ соединен с управляющими входами полнодоступного коммутатора и синтезатора опорных частот, при этом входы коммутируемых преселекторов тюнеров являются входами радиоприемного устройства для автоматизированного радиомониторинга сигналов.
Новые существенные признаки являются составными частями единого радиоприемного устройства, синхронизованы через ПЭВМ, которая выполняет не только функции регистрации и технического анализа сигналов в отложенном режиме, но и функции единого управляющего органа, а также технического анализа и демодуляции многопозиционных цифровых сигналов в режиме реального времени. Это дает возможность исключить потери информации и повысить достоверность результатов мониторинга, а также резко сократить время на осуществление полного цикла мониторинга заданных диапазонов частот.
Сочетание отличительных признаков и свойства предлагаемого радиоприемного устройства для автоматизированного радиомониторинга сигналов из литературы не известно, поэтому оно соответствует критерию новизны.
На фиг.1 приведена функциональная схема радиоприемного устройства для автоматизированного радиомониторинга сигналов.
Радиоприемное устройство для автоматизированного радиомониторигна сигналов содержит два тюнера 1, 2, каждый из которых состоит из последовательно включенных коммутируемого преселектора 3, первого смесителя 4, избирательного усилителя 5 первой ПЧ, второго смесителя 6, избирательного усилителя 7 второй ПЧ и АЦП 8, а также содержат синтезатор 9 опорных частот, соответствующие выходы которого подключены к вторым входам первого и второго смесителей 4, 6 каждого тюнера 1, 2, и ПЭВМ 10. В радиоприемное устройство введены первый формирователь 11 квадратурных компонент, первый блок 12 цифровой фильтрации, первый ресемплер 13, регенератор 14 спектра, энергетический анализатор 15, узел 16 панорамного анализа, блок 17 формирования выходных данных, второй формирователь 18 квадратурных компонент, второй блок 19 цифровой фильтрации, второй ресемплер 20, детектор 21, корректор 22 несущей, корректор 23 тактовой частоты, эквалайзер 24, блок 25 программного обеспечения и полнодоступный коммутатор 26, сигнальные входы которого соответственно подключены к выходам АЦП 8 каждого тюнера 1, 2, первый выход через первый формирователь 11 квадратурных компонент, первый блок 12 цифровой фильтрации, первый ресемплер 13, регенератор 14 спектра и энергетический анализатор 15 подключен к первому входу блока 17 формирования выходных данных, а второй выход через второй формирователь 18 квадратурных компонент, второй блок 19 цифровой фильтрации, второй ресемплер 20 и детектор 21 соединен с третьим входом блока 17 формирования выходных данных. Второй выход детектора 21 через эквалайзер 24 подключен к второму входу второго формирователя 18 квадратурных компонент. Третий выход детектора 21 через корректор 22 несущей соединен с управляющим входом второго блока 19 цифровой фильтрации, четвертый выход детектора 21 через корректор 23 тактовой частоты подключен к управляющему входу второго ресемплера 20. Блок 25 программного обеспечения соединен с вторым входом ПЭВМ 10. Второй выход регенератора 14 спектра через узел 16 панорамного анализа подключен к второму входу блока 17 формирования выходных данных, выход которого через ПЭВМ 10 соединен с управляющими входами полнодоступного коммутатора 26 и синтезатора 9 опорных частот. Входы коммутируемых преселекторов 3 тюнеров 1, 2 являются входами радиоприемного устройства для автоматизированного радиомониторинга сигналов.
Радиоприемное устройство (фиг.1) функционирует следующим образом.
Устройство обеспечивает следующие режимы работы:
- режим панорамного обзора заданных участков диапазонов частот, обеспечивающий определение загрузки данных участков в системе амплитуда-частота-время-пеленги и сравнение с «эталонной панорамой» канала блоков 11÷17, 10, 25, полученной при ранее проведенном контроле;
- режим поиска новых сигналов, обеспечивающий определение параметров ИРИ в системе амплитуда-частота-время-пеленги, определение вида модуляции, демодуляцию и регистрацию сигналов на жесткий магнитный диск для дальнейшего анализа в отложенном режиме, обеспечиваемый каналом блоков 18÷24, 10, 25, 17.
Возможны и другие, комбинированные режимы работы устройства, в том числе семантический контроль отдельных сигналов.
Тюнеры радиоприемного устройства могут быть ориентированы как на один ИРИ, например, при местоопределении, так и на различные ИРИ.
Контролируемые сигналы подаются на входы тюнеров 1, 2 и в каждом из них проходят предварительную фильтрацию в коммутируемом преселекторе 3 и поступают на первый смеситель 4, опорный сигнал на второй вход которого подается с первого выхода синтезатора 9 опорных частот. Далее контролируемые сигналы проходят избирательный усилитель 5 первой ПЧ, преобразуются к второй ПЧ во втором смесителе 6, опорный сигнал на который подается с второго выхода синтезатора 9 опорных частот, проходят избирательный усилитель 7 второй ПЧ и подаются на АЦП 8. Вся дальнейшая обработка сигналов осуществляется в цифровой форме. Тюнеры 1, 2 и синтезатор 9 опорных частот структурно могут быть аналогичны прототипу.
С выходов АЦП 8 каждого тюнера 1, 2 сигналы подаются на первый и второй входы полнодоступного коммутатора 26, работающего по принципу «каждый с каждым», то есть любой из входов коммутатора 26 может быть скоммутирован на любой по номеру выход.
m
С первого выхода коммутатора 26 сигнал подается на первый формирователь 11 квадратурных компонент канала спектральных измерений, обеспечивающий приведение к комплексному виду. Первый формирователь 11 квадратурных компонент может быть выполнен, например, на основе преобразователя Гильберта [5, с.320, 321], построенного на рекурсивном фильтре порядка 2N с антисимметричными коэффициентами В.·В общем виде комплексный сигнал
где jx[n] - сопряженный по Гильберту цифровой сигнал от сигнала x(n).
Сигналы x(n) и jx[n] являются парой квадратурных компонент цифрового сигнала, так как умножение на мнимую единицу j эквивалентно фазовому сдвигу всех спектральных компонент сигнала x(n) на π/2.
Идеальный преобразователь Гильберта должен иметь комплексный коэффициент передачи
Системная функция нерекурсивного фильтра порядка 2N описывается выражением
-1
Для выражения K(j) заменяется z=, в результате чего будет
С учетом формулы Эйлера:
0
Для обеспечения  необходимо принимать В=0, поэтому
2
Поскольку идеальный преобразователь Гильберта требует бесконечно большого числа элементов задержки, то необходимо это число ограничить и для реализации принять, например, 2N=6. Тогда при В=0
1
3
Близкая к плоской АЧХ в окрестности  обеспечивается при коэффициентах В=0,6, В=0,1.
3
Квадратурные компоненты с выхода первого формирователя 11 подаются на первый блок 12 цифровой фильтрации, который может быть выполнен, например, аналогично [6, с.1061]. Число звеньев N фильтрации определяется степенью децимации  Отфильтрованные составляющие сигнала с выхода блока 12 подаются на первый ресемплер 13.
Ресемплер 13 обеспечивает передискретизацию оцифрованных сигналов, необходимую для синхронной работы в реальном масштабе времени блоков анализа и демодуляции радиоприемного устройства, а также исключения или минимизации ошибок при регистрации для последующего анализа в отложенном режиме. Ресемплер 13 может быть выполнен в соответствии с рекомендациями [7, с.381-409]. Объединение прореживания и интерполяции в ресемплере позволяет реализовать преобразование частоты дискретизации с любым рациональным коэффициентом M/D путем последовательного выполнения интерполяции М раз и прореживания в D раз. Поскольку отношение M/D можно получить с любой желаемой точностью при правильном выборе целых М и D, то это дает возможность практически реализовать любое значение коэффициента преобразования.
Выходные сигналы ресемплера 13 поступают на регенератор 14 спектра, использующий дискретное преобразование Фурье (ДПФ) [7, с.63-132].
k
jkt
Комплексные коэффициенты Фурье С периодической функции f(t) с периодом 2π можно выразить как скалярное произведение f{t) и e:
jkt
k
В данном случае коэффициенты Фурье определяются как коэффициенты N-мерного вектора  представленного рядом из N значений сигнала приближающего функцию f{t). Если соответствующий функции eN-мерный вектор, компоненты которого комплексные числа, обозначить как е, то коэффициенты Фурье для вектора f можно определить как неполярное произведение:
то есть ДПФ:
Обратное ДПФ определяется как
Для ДПФ справедлива теорема Парсеваля:
то есть энергия в частотной и временной областях одинаковы.
Спектральные составляющие комплексных сигналов с второго выхода ресемплера 14 спектра подаются на узел 16 панорамного анализа, обеспечивающего накопление спектра и энергетический анализ путем суммирования частотных отсчетов во времени. Усреднение позволяет адаптировать отображение спектра для разных скоростей обновления и анализа. Составление спектра больших частотных интервалов производится путем последовательного повторения следующих операций:
- перестройка тюнера на очередной интересующий участок;
- подстройка по несущей частоте;
- подстройка по тактовой частоте, обеспечивающая нужное разрешение спектра.
Результаты панорамного анализа подаются на второй вход блока 17 формирования выходных данных, представляющего собой интерфейсное устройство для согласования с ПЭВМ 10.
С первого выхода регенератора 14 спектра сигнал поступает на энергетический анализатор 15, позволяющий дать оценку гармоническим составляющим спектра и за счет этого определить основные виды цифровой модуляции. Результаты оценки поступают на первый вход блока 17 формирования выходных данных.
С второго выхода полнодоступного коммутатора 26 сигнал подается на первый вход второго формирователя 18 квадратурных компонент канала демодуляции. Второй формирователь 18 может быть выполнен, например, на базе цифрового преобразователя частоты [5, с.322, 323, рис 7.14]. Приведение к комплексному виду в этом случае заключается в умножении входных отсчетов на отсчеты опорного генератора, при этом для реальной части (квадратура I) используется синусная составляющая, а для мнимой (квадратуры Q) - косинусная. Количество отсчетов на один период генератора определяет сдвиг спектра сигнала по частоте, изменяя этот параметр воздействием управляющего сигнала по второму входу формирователя 18.
Последующая обработка комплексного сигнала в канале демодуляции радиоприемного устройства осуществляется аналогично каналу спектральных измерений: сигнал фильтруется вторым блоком 19 цифровой фильтрации, проходит второй ресемплер 20 и подается на детектор 21. Блок 19 и ресемплер 20 структурно аналогичны соответствующим блокам 12, 13 канала панорамных измерений, но имеют дополнительные входы для подачи управляющих сигналов, обеспечивающих адаптацию параметров блоков к параметрам контролируемых сигналов. С выходов ресемплера 20 сигналы подаются на детектор 21, выделяющий псевдослучайные цифровые потоки, зависящие от вида модуляции и скорости передачи информации. Сигнал необходимой для демодуляции подстройки несущей частоты вырабатывается корректором 22 несущей, подключенным к третьему выходу детектора 21 и подается на управляющий вход блока 19 цифровой фильтрации. Сигнал необходимой для демодуляции подстройки тактовой частоты вырабатывается корректором тактовой частоты, подключенным к четвертому выходу детектора 21 и подается на управляющий вход второго ресемплера 20.
В условиях априорно неизвестных искажений в канале радиоприема и наличия гауссовых шумов появляются межсимвольные искажения (МСИ), вызывающие ошибки радиоконтроля [8, с.502].
Контролируемый сигнал (эквивалентный низкочастотный) выражается как
n
где I - информационная импульсная последовательность;
h(t) - отклик эквивалентного низкочастотного канала на входной сигнальный импульс g(t), a z(t) представляет белый гаусовый шум.
Последовательность на выходе детектора 21
k
где ν означает последовательность отсчетов аддитивного шума на выходе, то есть
Выходные отсчеты искажены МСИ. Но МСИ влияют на ограниченное число символов, следовательно, МСИ на выходе детектора 21 можно рассматривать как функцию с конечным числом состояний. Это позволяет осуществить выравнивание путем использования эквалайзера 24, вход которого подключен к второму выходу детектора 21, а выход соединен с вторым входом второго формирователя 18 квадратурных компонент.
В качестве эквалайзера 24 может быть использовано, например, устройство на основе эквалайзера с обратной связью по решению [8, с.532], состоящего из двух фильтров: фильтра прямой и обратной связи.
При реализации детектора 21 могут быть учтены, например, рекомендации [5, гл.7.5, с.341].
С первого выхода детектора 21 сигнал подается на третий вход блока 17 формирования выходных данных.
Дальнейшие операции по демодуляции каждого сигнала (декодирование, дескремблирование, демультиплексирование и выделение информационного потока) выполняется программными средствами с помощью ПЭВМ 10. Суммарный сигнальный поток блока 17 формирования выходных данных подается на первый вход ПЭВМ 10. ПЭВМ 10 в целом обеспечивает функции управления радиоприемным устройством, демодуляции сигналов, контроля и регистрации полученных данных. Программы работы задаются блоком 25 программного обеспечения.
Блоки 26, 11-13, 18-20 могут быть выполнены, например, на базе микросхемы GC4016, а блоки 14-17, 21-24 - на базе процессора TMS 320С6416.
Конструктивно радиоприемное устройство может быть реализовано в виде плат, территориально размещенных в корпусе ПЭВМ, или в виде автономного корпуса тюнеров с блоками панорамного канала и демодуляции, а также внешней ПЭВМ. Средства осуществления полезной модели позволяют обеспечить ее промышленную применяемость.
Использованные источники.
1 Приемник для радиоразведки. Заявка ФРГ № OS 3044701, МКИ Н03J 7/18, Публикация 08.07.1982, №27.
2 Станция радиотехнической разведки. Патент RU 2313911, МПК Н04К 1/10, опубликовано 27.12.2007 г.
3 Рембовский A.M., Ашихмин А.В., Сергиенко А.Р. Носимые средства автоматизированного радиомониторинга. Специальная техника №4, 2004 (Специальный выпуск, с.39-47).
4 Патент на полезную модель №77051. МПК G01R 23/46. Зарегистрировано 10.10.2008 г. Устройство для распознавания видов манипуляции цифровых сигналов.
5 Фомин Н.Н. и др. Радиоприемные устройства. - М.: Горячая линия - Телеком. 2007.
6 Скляр Бернард. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Издательский дом «Вильяме», 2003.
7 Ричард Лайонс. Цифровая обработка сигналов. -М.: ООО «Бином-Пресс», 2006.
8 Прокис Дж. Цифровая связь. - М.: Радио и связь, 2000.