МНОГОКАНАЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО РАДИОМОНИТОРИНГА
MULTICHANNEL RADIO MONITORING DEVICE

Многоканальное устройство радиомониторинга относится к радиоэлектронике и может быть использовано в автоматизированных приемных центрах радиоконтроля и радиосвязи стационарного и мобильного типов.
Одной из существенных проблем, возникающих в задачах организации связи по односторонней радиолинии, и в особенности в задачах радиомониторинга, является необходимость обеспечения высокой помехоустойчивости приема и обработки сигнала в условиях отсутствия априорной информации, достаточной для оптимальной настройки приемного тракта на момент начала работы источника радиоизлучения (ИРИ). В качестве примеров такой информации следует указать рабочую частоту, время начала работы ИРИ, взаимное расположение источника полезного сигнала и источников помех.
Одним из основных путей повышения помехоустойчивости приема сигналов является применение методов оптимальной пространственно-временной обработки сигнала.
Однако в случае отсутствия априорной информации для оптимальной настройки приемного тракта такая обработка не может быть выполнена в реальном масштабе времени.
Таким образом, одним из существенных требований к современной многоканальной приемной системе является обеспечение возможности оптимальной пространственно-временной обработки сигналов в отложенном режиме в условиях отсутствия априорной информации о характеристиках ИРИ. При этом в некоторых случаях требуемый временной интервал между началом работы ИРИ и временем доступа пользователя к его излучению (задержка отложенного доступа) может достигать нескольких часов.
Еще одним существенным требованием является обеспечение одновременного функционирования значительного (до нескольких сотен) числа каналов приема.
Известны многоканальные коротковолновые (KB) приемные антенные системы радиосвязи типа «Гранат-К» [1] Р-303В и системы радиоразведки/радиопеленгации «Сосна-М», Р-303П [2], обеспечивающие в составе KB приемных радиоцентров одновременный прием радиосигналов на радиотрассах различных направлений и протяженностей при изменяющихся рабочих частотах. Существенными недостатками этих приемных многоканальных антенных систем являются:
- невозможность получения доступа к сигналам в отложенном режиме;
- ограниченное количество каналов приема;
- ограниченные возможности оперативного изменения положения сформированных диаграмм направленностей;
- недостаточная помехоустойчивость вследствие преимущественного использования методов аналоговой обработки сигнала.
Известна коротковолновая приемная многоканальная антенная система, содержащая N приемных многоканальных аналого-цифровых трактов, каждый из которых содержит антенный блок, аналоговый блок и цифровой блок, каждый из которых содержит соответственно M цифровых трактов, линию связи локальной сети, блок обработки сигналов, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), вход которого является входом цифрового тракта, а выход соединен с входом цифрового понижающего преобразователя частоты (DDC - Digital Down Converter), а также N блоков фильтров, каждый из которых содержит два и более аналоговых фильтров с фиксированной полосой пропускания, входы которых соединены с соответствующими выходами антенного блока (антенной решетки), а также передающую антенну, вход которой соединен с выходом генератора тестовых сигналов [3].
Недостатками коротковолновой приемной многоканальной антенной системы являются:
- невысокая надежность;
- невозможность получения доступа к сигналам в отложенном режиме;
- ограниченное количество каналов приема.
Указанные недостатки не позволяют вести оптимальный прием сигналов от ИРИ в условиях отсутствия априорной информации о частоте, времени начала работы, а также других характеристиках ИРИ, что резко снижает эффективность организации связи с использованием односторонних радиолиний и решения задач радиоконтроля.
Наиболее близким по технической сущности является многоканальное широкополосное устройство радиоконтроля, содержащее антенную решетку, состоящую из N антенн, N приемных блоков, N блоков выделения поддиапазонов, Р блоков спектрального анализа, К блоков обработки сигналов, контроллер и устройство регистрации результатов обработки сигнала. Выход каждой из N антенн подключен к входу аналогового приемного блока, выход которого подключен к АЦП блока выделения поддиапазонов, каждый из выходов АЦП подключен к DDC, выход которого через устройство буферизации данных и средства маршрутизации подключен к одному из Р блоков спектрального анализа, который через средства маршрутизации подключен к одному из K блоков обработки сигналов, выходы которых подключены к средствам регистрации результатов обработки сигнала [4].
Возможность обработки сигнала в отложенном режиме достигается включением в блок обработки сигналов блока хранения данных с управляемой задержкой (FITO - First In, Тар Out), выходы которого подключены к блоку обработки сигнала в реальном масштабе времени, блоку обнаружения, а также одному или нескольким блокам распознавания сигнала.
Возможность увеличения числа одновременно действующих узкополосных каналов приема достигается за счет использования результатов работы блока спектрального анализа, сохраненных в блоке хранения данных с управляемой задержкой, в интересах выделения множества узкополосных сигналов. Выделение узкополосного сигнала осуществляется в блоке обработки сигналов путем цифровой фильтрации в частотной области с использованием метода перекрытия с накоплением [5]. При этом преобразование сигнала в частотную область, то есть расчет коэффициентов дискретного преобразования Фурье (ДПФ), осуществляется однократно, с сохранением результатов в блоке FITO, а при выделении узкополосного канала из блока FITO считывается лишь небольшая часть коэффициентов ДПФ, достаточная для восстановления полезного сигнала с требуемым качеством.
Заложенные в прототипе принципы и алгоритмы обработки сигнала обуславливают избыточность данных, поступающих на блок FITO. С целью обеспечения сравнительно низкого уровня избыточности (15%-50%) в блоке обработки сигналов прототипа первоначально выделяется канал с полосой, в десятки раз превышающей полосу полезного сигнала. Это, в свою очередь, обуславливает увеличение нагрузки на блок FITO, а также повышение вычислительной сложности выделения узкополосного сигнала.
Низкая эффективность использования вычислительных ресурсов, во-первых, ограничивает число одновременно функционирующих каналов приема, и, во-вторых, обуславливает увеличение энергопотребления, тепловыделения, массогабаритных характеристик, надежности, стоимости построения и эксплуатации устройства радиомониторинга.
Следует также указать, что реализация современных требований (несколько часов) к задержке отложенного доступа в настоящее время возможна при организации блока FITO на базе устройств долговременной памяти (массивы накопителей на жестких магнитных дисках, накопители на базе флэш-памяти). Однако ресурс надежности этих устройств резко снижается по мере увеличения числа циклов перезаписи данных. Как следствие, избыточность хранимых данных оказывает непосредственное влияние на надежность, стоимость построения и эксплуатации устройства радиомониторинга в целом.
Таким образом, основными недостатками прототипа является невозможность обеспечения требуемых технических параметров (в первую очередь - количества одновременно функционирующих каналов приема, длительности максимальной задержки отложенного доступа к сигналам) при существующих требованиях к надежности и низкой стоимости построения и эксплуатации устройства.
Целями изобретения являются: увеличение числа одновременно функционирующих каналов приема; увеличение длительности максимальной задержки отложенного доступа к сигналам, а также улучшение эксплуатационных характеристик устройства радиомониторинга.
Цели изобретения достигаются за счет того, что в известном устройстве, содержащем антенную решетку, состоящую из N антенн, выходы которых последовательно подключены к N аналоговым приемным блокам, N АЦП и N DDC, а также k блоков хранения данных с управляемой задержкой, образовано N каналов приема и расщепления сигнала, каждый из которых содержит последовательно соединенные аналоговый приемный блок, информационный вход АЦП, DDC и фильтрбанк анализа, каждый из k выходов которого подключен к интерфейсу с коммутатором потоков данных ЛВС системы, который соединен с коммутатором потоков данных ЛВС системы; выход блока управления соединен с управляющим входом блока синхронизации каналов приема, к синхронизирующему входу которого подключен канал общей синхронизации, а также с управляющим входом блока формирования тестовых и рандомизирующих сигналов, подключенного к информационному входу АЦП, к управляющему входу которого подключена шина тактовых сигналов, а к синхронизирующему входу подключен выход блока синхронизации каналов приема; k выходов коммутатора потоков данных ЛВС системы соответственно соединены с k интерфейсами с коммутатором потока данных ЛВС системы каналов первичной обработки и долговременного хранения данных, в каждом из которых N выходов интерфейса с коммутатором ЛВС системы соединены с блоком вычисления параметров сигнального подпространства и блоком сжатия данных, S выходов которого соединены с информационными входами блока хранения данных с управляемой задержкой, информационные выходы которого последовательно соединены с блоком выборки данных и интерфейсом с коммутатором потока данных ЛВС пользователя, с которым блок выборки данных имеет обратную связь; управляющий выход блока выборки данных соединен с управляющим входом блока хранения данных с управляемой задержкой, выход блока вычисления параметров сигнального подпространства соединен с входом блока сжатия данных, с информационным входом блока хранения данных с управляемой задержкой и с входом блока обнаружения сигнала, выход которого соединен с информационным входом блока хранения данных с управляемой задержкой и интерфейсом с коммутатором потока данных ЛВС пользователя, выход которого подключен к коммутатору потока данных ЛВС пользователя, соединенного с L клиентами, каждый из которых включает интерфейс с коммутатором ЛВС пользователя, выходы которого подключены к блоку выборки и отображения информации о сигнально-помеховой обстановке, блоку выборки параметров сигнального подпространства и S×P входам блока выборки данных, S×P выходов которого соединены с S фильтрбанками синтеза сигнала, Р выходов которых соединены с блоком пространственно-временной обработки сигнала, соединенного с интерфейсом с клиентскими средствами обработки сигнала и блоком формирования запросов от клиента, подключенного к интерфейсу с коммутатором ЛВС пользователя, причем выход блока выборки параметров сигнального подпространства подключен к блоку пространственно-временной обработки сигнала, а выход блока выборки и отображения информации о сигнально-помеховой обстановке подключен к интерфейсу с клиентскими средствами обработки сигнала.
На фиг.1 представлена общая структура многоканального устройства радиомониторинга.
На фиг.2 приведена функциональная схема канала приема и расщепления сигнала.
На фиг.3 приведена функциональная схема канала первичной обработки и долговременного хранения сигнала.
На фиг.4 приведена функциональная схема клиента многоканального устройства радиомониторинга.
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>…</mo><msubsup><mi>m</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>N</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>…</mo><msubsup><mi>m</mi><mi>N</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>…</mo><msubsup><mi>m</mi><mi>N</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>…</mo><msubsup><mi>m</mi><mi>N</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>…</mo><msubsup><mi>m</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>k</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>…</mo><msubsup><mi>m</mi><mi>k</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>s</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
Устройство содержит антенную решетку 1, включающую 1.1…1.N антенн, каналы приема и расщепления сигнала 2.1…2.N, при этом выходы антенн 1.1…1.N через аналоговые приемные блоки 2.1.1…2.N.1 последовательно соединены с информационными входами АЦП 2.1.2…2.N.2, DDC 2.1.3…2.N.3, а также с фильтрбанками анализа 2.1.4…2.N.4,
, …,
, выходы которых подключены к интерфейсам с коммутатором потоков данных ЛВС системы 2.1.5…2.N.5, которые соответственно соединены с N входами коммутатора потоков данных ЛВС системы 3; выходы блоков управления 2.1.6…2.N.6 соединены с управляющими входами блоков синхронизации каналов приема 2.1.7…2.N.7, к синхронизирующим входам которых подключен канал общей синхронизации, а также с управляющими входами блоков формирования тестовых и рандоминизирующих сигналов 2.1.8…2.N.8, подключенными к информационным входам АЦП 2.1.2…2.N.2, к управляющим входам подключена шина тактовых сигналов (блок формирования тактовых сигналов не показан), а к синхронизирующим входам подключены выходы блоков синхронизации каналов приема 2.1.6…2.N.6; k сетевых выходов коммутатора потоков данных ЛВС системы 3 соответственно соединено с k интерфейсами с коммутатором ЛВС системы 4.1.1…4.k.1 каналов первичной обработки и долговременного хранения данных 4.1…4.k, при этом их выходы
, …,
соединены с N информационными входами k блоков вычисления параметров сигнального подпространства 4.1.2…4.k.2 и k блоков сжатия данных 4.1.3…4.k.3,
, …,
выходы которых соединены с S информационными входами блоков хранения данных с управляемой задержкой 4.1.4.…4.k.4, последовательно соединенных с блоками выборки данных 4.1.5…4.k.5 и интерфейсами с коммутатором потока данных ЛВС пользователя 4.1.6…4.k.6, с которыми блоки выборки данных 4.1.5…4.k.5 имеют обратную связь, управляющие выходы которых соединены с управляющими входами блоков хранения данных с управляемой задержкой 4.1.4…4.k.4, выходы блоков вычисления параметров сигнального подпространства 4.1.2…4.k.2 соответственно соединены с входами блоков сжатия данных 4.1.3…4.k.3, с входами блоков хранения данных с управляемой задержкой 4.1.4…4.k.4 и входами блоков обнаружения сигнала 4.1.7…4.k.7, выходы которых соединены с информационными входами блоков хранения данных с управляемой задержкой 4.1.4…4.k.4 и интерфейсами с коммутатором потока данных ЛВС пользователя 4.1.6…4.k.6, которые через коммутатор потоков данных ЛВС пользователя 5 коммутируются с клиентами 6.1…6.L, включающими интерфейсы с коммутатором ЛВС пользователя 6.1.1…6.L.1, выходы которых подключены к блокам выборки и отображения информации о сигнально-помеховой обстановке 6.1.2…6.L.2, блокам выборки параметров сигнального подпространства 6.1.3…6.L.3 и S×P входам блоков декомпрессии данных 6.1.4…6.L.4, S×P выходов каждого из которых соединены соответственно с фильтрбанками синтеза сигналов 6.1.5.1…6.L.5.S, Р выходов каждого из которых соединены с блоками пространственно-временной обработки сигнала 6.1.6…6.L.6, соединенными с интерфейсами с клиентскими средствами обработки сигналов 6.1.7…6.L.7, выходы которых соединены с блоками формирования запросов от клиентов 6.1.8…6.L.8, подключенных к интерфейсу с коммутатором ЛВС пользователя 6.1.1…6.L.1, причем выход блоков выборки параметров сигнального подпространства 6.1.3…6.L.3 подключен к блокам пространственно-временной обработки сигнала 6.1.6…6.L.6, а выход блоков выборки и отображения информации о сигнально-помеховой обстановке 6.1.2…6.L.2 подключен к интерфейсам с клиентскими средствами обработки сигнала 6.1.7…6.L.7.
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>…</mo><msubsup><mi>m</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>N</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>…</mo><msubsup><mi>m</mi><mi>N</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
Основой многоканального устройства радиомониторинга является использование принципа разбиения принятого сигнала в полосе приема антенной решетки 1 на
, …,
подканалов с шириной полосы, соизмеримой с полосой типичного контролируемого ИРИ, с помощью фильтрбанков анализа 2.1.4…2.N.4, обеспечивающих полное (либо почти полное) восстановление, долговременное хранение полученных подканалов в блоках хранения данных с управляемой задержкой 4.1.4…4.k.4 и восстановление сигнала требуемого ИРИ с помощью фильтрбанков синтеза 6.1.5.1…6.L.5.S с учетом только тех подканалов, которые обеспечивают существенный вклад в результирующий сигнал Р. Применение фильтрбанков анализа 2.1.4…2.N.4 позволяет достигнуть существенно лучшую, по сравнению с прототипом, частотную локализацию компонент сигнала, и, как следствие, в несколько раз снизить объем данных, считываемых из блоков хранения данных с управляемой задержкой 4.1.4…4.k.4 при восстановлении сигнала требуемого ИРИ. Предпочтительным вариантом реализации фильтрбанков анализа 2.1.4…2.N.4 является использование модифицированного ДПФ - фильтрбанка с критической субдискретизацией [6].
Многоканальное устройство радиомониторинга функционирует следующим образом.
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>i</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>…</mo><msubsup><mi>m</mi><mi>i</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
Антеннами 1.1…1.N регистрируется электромагнитное поле от ИРИ. Аналоговые сигналы от антенн 1.1…1.N соответственно поступают на входы аналоговых приемных блоков 2.1.1…2.N.1 каналов приема и расщепления сигналов 2.1…2.N, в каждом из которых аналоговый сигнал аналогового приемного блока 2.i.1 поступает на информационный вход АЦП 2.9i.2. Выходной цифровой сигнал АЦП 2.i.2, пройдя через DDC 2.i.3, преобразуется с целью понижения частоты сигнала и его децимации. Фильтрбанк анализа 2.i.4 разделяет цифровой сигнал на k узкополосных сигналов
, которые поступают на вход интерфейса с коммутатором ЛВС системы 2.i.5, выход которого подключен к коммутатору потоков данных ЛВС системы 3. К коммутатору потока данных ЛВС системы 3 подключается k каналов первичной обработки и долговременного хранения сигналов 4.1…4.k.
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>…</mo><msubsup><mi>m</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>N</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>…</mo><msubsup><mi>m</mi><mi>N</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>k</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
Выходные сигналы фильтрбанков анализа 2.1.4…2.N.4
, …,
поступают на интерфейсы с коммутатором ЛВС системы 2.1.5…2.N.5, перераспределяются в коммутаторе потоков данных ЛВС системы 3 между каналами первичной обработки и долговременного хранения сигналов 4.1…4.k, и через интерфейсы с коммутатором ЛВС системы 4.1.1…4.N.1 поступают в N блоков вычисления параметров сигнального подпространства 4.j.2 и N блоков сжатия данных 4.j.3.
<mrow><msubsup><mi>m</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>j</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo>…</mo><msubsup><mi>m</mi><mi>N</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>j</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup></mrow>
В блоке вычисления параметров сигнального подпространства 4.j.3 производится совместная обработка сигналов
с целью сокращения избыточности сигналов, принятых с выходов антенн 1.1…1.N, перед передачей ее в блок хранения данных с управляемой задержкой 4.j.4.
Для этого данные разбиваются на фрагменты длительностью Mss последовательных отсчетов сигнала с выходов интерфейсов с коммутатором потоков данных ЛВС системы 4.1.1…4.N.1:
<mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>m</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>j</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo stretchy="false">[</mo><mi>B</mi><msub><mi>M</mi><mrow><mi>s</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>⋮</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>N</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>j</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo stretchy="false">[</mo><mi>B</mi><msub><mi>M</mi><mrow><mi>s</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mn>1</mn><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>…</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>m</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>j</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo stretchy="false">[</mo><mi>B</mi><msub><mi>M</mi><mrow><mi>s</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>M</mi><mrow><mi>s</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>⋮</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>N</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>j</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo stretchy="false">[</mo><mi>B</mi><msub><mi>M</mi><mrow><mi>s</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>M</mi><mrow><mi>s</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
где B - последовательный номер фрагмента, a Mss - фиксированный параметр, определяемый условиями эксплуатации системы радиомониторинга, после чего выполняется линейное преобразование выборки (1) в подпространство меньшей размерности, сохраняющее основную информацию о сигнале (сигнальное подпространство).
Для вычисления базиса сигнального подпространства могут использоваться как рекуррентные [7, 8], так и прямые методы.
В последнем случае по выборке (1) вычисляется оценка ковариационной матрицы:
<mrow><msub><mi>R</mi><mi>B</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mn>1</mn><mrow><msub><mi>M</mi><mrow><mi>s</mi><mi>s</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mi>B</mi><msub><mi>M</mi><mrow><mi>s</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo>+</mo><mn>1</mn></mrow><mrow><mi>B</mi><msub><mi>M</mi><mrow><mi>s</mi><mi>s</mi></mrow></msub><mo>+</mo><msub><mi>M</mi><mrow><mi>s</mi><mi>s</mi></mrow></msub></mrow></munderover><mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>m</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>j</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo stretchy="false">[</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>⋮</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>N</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>j</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo stretchy="false">[</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow></mstyle><mrow><mo>[</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>m</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>j</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo stretchy="false">[</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>⋮</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>N</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>j</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo stretchy="false">[</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
B
после чего в качестве образующих базиса выделяются S собственных векторов эрмитовой положительно определенной матрицы R, соответствующих ее наибольшим собственным значениям.
<mrow><msub><mi>V</mi><mi>B</mi></msub><mo>=</mo><mrow><mo>[</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msup><mi>v</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>R</mi><mi>B</mi></msub><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>⋮</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msup><mi>v</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>S</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>R</mi><mi>B</mi></msub><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
,
<mrow><msup><mi>v</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msup><mo stretchy="false">[</mo><mi>R</mi><mo stretchy="false">]</mo></mrow>
где
- собственный вектор, отвечающий i-му по величине собственному значению матрицы R.
Собственные значения отсортированы в порядке убывания:
(1)
(2)
(S)
(N)
B
B
B
B
λ[R]≥λ[R]≥…≥λ[R]≥…≥λ[R].
Алгоритмы вычисления S наибольших собственных значений и соответствующих им собственных векторов описаны, в частности, в [9].
Выходной сигнал блока вычисления параметров сигнального подпространства 4.j.2 - собственные значения и собственные векторы выборочной ковариационной матрицы поступают: в блок сжатия данных 4.j.3; в блок хранения данных с управляемой задержкой 4.j.4, а также в блок обнаружения сигнала 4.j.7, где производится анализ собственных значений и собственных векторов выборочной ковариационной матрицы и принимается решение о наличии сигнала ИРИ в j-м канале. Некоторые алгоритмы, решения этой задачи описаны в [10]. В простейшем случае производится выборочная оценка соотношения сигнал-шум (ОСШ) на интервале анализа длительностью Mss отсчетов по сигнальному подпространству:
<mrow><mi>S</mi><mi>N</mi><msub><mi>R</mi><mi>B</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>S</mi></munderover><mrow><msup><mi>λ</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow></mstyle><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>R</mi><mi>B</mi></msub><mo stretchy="false">]</mo></mrow><mrow><mi>t</mi><mi>r</mi><msub><mi>R</mi><mi>B</mi></msub><mo>−</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>i</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>S</mi></munderover><mrow><msup><mi>λ</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msup></mrow></mstyle><mo stretchy="false">[</mo><msub><mi>R</mi><mi>B</mi></msub><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mfrac></mrow>
,
(i)
где λ[R] - i-e по величине собственное значение матрицы R.
При превышении выборочным отношением сигнал-шум заданного порога принимается решение о наличие сигнала ИРИ в j канале. В этом случае на выходе блока обнаружения сигнала 4.j.7 формируется сигнал тревоги обнаружителя.
Текущее решение на выходе блока обнаружения сигнала 4.j.7, а также выборочная оценка ОСШ образуют информацию о сигнально-помеховой обстановке и сохраняются в блоке хранения данных с управляемой задержкой 4.j.4. Одновременно указанные сигналы поступают на вход интерфейса с коммутатором ЛВС пользователя 4.j.6 и преобразуются в сигналы коммутатора потока данных ЛВС пользователя 5.
Также на вход интерфейса с коммутатором ЛВС пользователя 4.j.6 поступают сигналы с блока выборки данных 4.j.5.
В блоке сжатия данных 4.j.3 производится сжатие информации о сигнале за счет проекции входного вектора данных размерности N на вычисленное в блоке вычисления параметров сигнального подпространства 4.j.2 сигнальное подпространство размерности S:
<mrow><mrow><mo>[</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>q</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>j</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo stretchy="false">[</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>⋮</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>q</mi><mi>S</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>j</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo stretchy="false">[</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>]</mo></mrow><mo>=</mo><msub><mi>V</mi><mi>B</mi></msub><mrow><mo>[</mo><mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>m</mi><mn>1</mn><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>j</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo stretchy="false">[</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>⋮</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mrow><msubsup><mi>m</mi><mi>N</mi><mrow><mrow><mo>(</mo><mi>j</mi><mo>)</mo></mrow></mrow></msubsup><mo stretchy="false">[</mo><mi>i</mi><mo stretchy="false">]</mo></mrow></mtd></mtr></mtable></mrow><mo>]</mo></mrow></mrow>
ss
ss
, i=BM+1…t+M.
B
Преобразованный сигнал наряду с информацией о параметрах сигнального подпространства V сохраняется в блоке хранения данных с управляемой задержкой 4.j.4.
Сетевые сигналы коммутатора потока данных ЛВС пользователя 5 распределяются между L клиентами, в каждом из которых в интерфейсе с коммутатором ЛВС пользователя 6.d.1 восстанавливается их первоначальный вид.
Выходные узкополосные S×P сигналы блока декомпрессии данных 6.d.4, где P - количество полезных сигналов, пройдя S фильтрбанков синтеза сигналов 6.d.5.1…6.d.5.S, трансформируются в Р узкополосных сигналов, характеризующих ИРИ.
Преобразования сигналов в блоке сжатия данных 4.j.3 и блоке декомпрессии данных 6.d.4 осуществляются в интересах уменьшения количества циклов перезаписи данных в блоке хранения данных с управляемой задержкой 4.j.4, а также снижения нагрузки на каналы связи коммутаторов потоков данных ЛВС системы 3 и ЛВС пользователя 5. Некоторые практические алгоритмы сжатия данных описаны в [11].
В блоке пространственно-временной обработки сигнала 6.d.6 производится пространственно-временная обработка сигналов с целью пространственной селекции полезного и подавления нежелательных ИРИ с помощью известных либо перспективных методов.
Сигнал с выхода блока пространственно-временной обработки сигнала 6.d.6, пройдя интерфейс с клиентскими средствами обработки сигнала 6.d.7, передается на клиентские средства регистрации, демодуляции, экспресс-анализа и других видов оконечной обработки.
Запрос пользователя на представление данных о зарегистрированных сигналах по j-му каналу регистрации, пройдя интерфейс с клиентскими средствами обработки сигнала 6.d.7, блок формирования запросов от клиента 6.d.8, интерфейс с коммутатором ЛВС пользователя 6.d.1 и коммутатор потока данных ЛВС пользователя 5, поступает на интерфейс с коммутатором ЛВС пользователя 4.j.6 запрошенного j канала первичной обработки и долговременного хранения сигналов 4.j, после чего запросы обрабатываются в блоке выборки данных 4.j.5 и запрашиваемые данные из блока хранения данных с управляемой задержкой 4.j.4 через блок выборки данных 4.j.5 и интерфейс с коммутатором потока данных ЛВС пользователя 4.j.6 отправляются в блоки клиента пользователя 6.d: блок 6.d.2 - информация о сигнально-помеховой обстановке; блок 6.d.3 - параметры сигнального подпространства; блок 6.d.4 - сжатые отсчеты сигналов.
Блок формирования тестовых и рандомизирующих сигналов 2.i.8 генерирует, во-первых, сигналы, необходимые для контроля функционирования и характеристик комплекса, и, во-вторых, сигналы внеполосной рандомизации, обеспечивающие функционирование АЦП 2.i.2 с низким уровнем нелинейных искажений [12]. Сформированные сигналы наряду с выходным сигналом аналого-приемного блока 2.1.1 поступают на информационный вход АЦП 2.i.2.
Техническую реализацию цифровой части каналов приема и расщепления сигнала 2.1…2.N, а также каналов первичной обработки и долговременного хранения сигнала 4.1…4.k предлагается осуществить на базе промышленных ЭВМ, оснащенных вычислительными ускорителями, например на базе технологии NVIDIA США [13]. Аналого-цифровое преобразование в АЦП 2.1.2…2.N.2, перенос частоты и передискретизация сигналов в DDC 2.1.3…2.N.3 предлагается осуществлять с использованием специализированных устройств сбора данных, включенных в состав промышленной ЭВМ. Долговременное хранение сигналов в блоках хранения данных с управляемой задержкой 4.1.4…4.k.4 предлагается реализовать на основе накопителей на жестких магнитных дисках, объединенных в RAID-массив. Коммутатор потоков данных ЛВС системы 3 может быть реализован на базе технологии InfiniBand, а коммутатор потоков данных ЛВС пользователя 5 - на базе технологии GigabitEthernet. Технические средства клиентской части 6.1…6.L комплекса предлагается реализовать на базе бытовой (офисной) персональной ЭВМ, оснащенной вычислительным ускорителем, поддерживающим технологию CUDA.
Заявителем экспериментально подтверждено, что в указанном случае одна современная (по состоянию на 2010 г.) ЭВМ в составе канала приема и расщепления 2.i способна обеспечивать одновременную обработку сигнала четырех аналоговых сигналов от антенн 1.1…1.4, а одна ЭВМ первичной обработки и долговременного хранения 4.j - от единиц тысяч до нескольких десятков тысяч узкополосных каналов (в зависимости от общего числа антенн в антенной решетке 1).
Полезным техническими эффектами использования многоканального комплекса контроля KB сигналов являются:
- возможность доступа в отложенном режиме к сигналам, зарегистрированным антенной решеткой 1, с временной задержкой, достигающим нескольких часов;
- повышение числа одновременно функционирующих каналов приема по сравнению с существующими устройствами радиомониторинга;
- возможность повышения эксплуатационных характеристик (геометрия и количество антенн антенной решетки, количество клиентов и т.п.) путем наращивания числа однотипных функциональных блоков, без внесения существенных изменений в структуру устройства.
Полезные технические эффекты комплекса достигаются за счет совершенствования алгоритмов обработки сигнала и в частности путем снижения избыточности данных, циркулирующих в многоканальном устройстве радиомониторинга.
Совокупность полезных технических эффектов позволяет вести оптимальный прием радиосигналов в условиях отсутствия априорной информации о частоте, времени начала работы, пространственном положении и других характеристиках ИРИ, что позволяет существенно повысить эффективность контроля линий связи, а также эффективность использования односторонних радиолиний.
Полезным экономическим эффектом использования многоканального комплекса контроля KB линий связи является снижение стоимости его построения и эксплуатации по сравнению с прототипами вследствие следующих факторов:
- снижение издержек для обеспечения заданной полноты радиоконтроля (эффективности использования односторонней линии связи) за счет использования методов оптимальной пространственно-временной обработки сигнала;
- снижение требований к квалификации операторов за счет обеспечения возможности доступа к сигналам ИРИ в отложенном режиме без потери качества приема сигнала;
- упрощение процедур технического обслуживания и ремонта за счет широкого использования при реализации устройства, преимущественно, широко представленных на рынке коммерческих разработок;
- повышение надежности устройства за счет снижения нагрузки на подсистему хранения данных и более эффективного использования вычислительных ресурсов.
Источники информации
1. Радиоприемные фазированные антенные решетки и антенно-коммутационные системы декаметрового диапазона волн для радиоразведки и радиосвязи. - Калуга: Изд. ОАО «СКТБР». - 2008. - 53 л. (аналог).
2. Основные направления ОАО «СКТБР» в части разработки приемо-пеленгационных антенно-коммутационных комплексов и фазированных антенных решеток (ФАР). - Калуга: Изд. ОАО «СКТБР». - 2006. - 12 л. (аналог).
3. Патент РФ №2426204, Коротковолновая приемная многоканальная антенная система, 2011 г. (аналог).
4. Патент US №6898235 B1, Wideband communication intercept and direction finding device using hyperchannelization, 2005 г. (прототип).
5. Блейхут P. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 448 с., ил.
6. Т.Karp, N.J.Fliege "Modified DFT Filter Banks with Perfect Reconstruction", IEEE Transactions on Circuits and Systems - II: Analog and Digital Signal Processing, Vol.46, No.11, November 1999, pp.1404 - 1413.
7. D.J.Rabideau, "Fast, rank adaptive subspace tracking and applications", IEEE Trans. Acoust, Speech, Signal Processing, vol. 44, September 1996, pp.2229-2244.
8. С.E.Davila, "Efficient, High Performance, Subspace Tracking for Time-Domain Data", Electrical Engineering Department, Southern Methodist University, May 2000.
9. Парлетт Б. Симметричная проблема собственных значений. Численные методы: Пер. с англ. - М.: Мир, 1983. 384 с.
10. Родюшкин К.В. Обнаружение, разрешение и оценивание числа источников сигналов антенной решеткой в случае коротких выборок и неизвестных волновых фронтов: Дисс. к.ф.-м.н. - Н.Новгород, 2002.
11. Ватолин Д., Ратушняк А., Смирнов М., Юкин В. Методы сжатия данных. Устройство архиваторов, сжатие изображений и видео. - М.: ДИАЛОГ-МИФИ, 2003. - 384 с.
12. Holub, J. "Methods of Linearization of Transfer Characteristics by means of Additional Signal", Dissertation Work, FEE CTU Prague, 1999.
13. Боресков A.B., Харламов А.А. Основы работы с технологией CUDA. - М.: ДМК Пресс, 2010. - 232 с.: ил.