АДАПТИВНЫЙ КЛАССИФИКАТОР СЛОЖНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ
ADAPTIVE QUALIFIER OF COMPLICATED BROAD-BAND PULSE SIGNALS

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и радиомониторингу и может быть использовано при обнаружении и классификации сигналов.
Для повышения помехоустойчивости, помехозащищенности и скрытности радиоэлектронных средств различного назначения (радиолокационных, радионавигационных, связных) широкое применение получили сложные широкополосные импульсные сигналы (СШИС), такие как фазоманипулированные сигналы псевдослучайными последовательностями (ФМС), линейно частотно-модулированные сигналы (ЛЧМС), симметрично частотно-модулированные (СЧМС).
При радиомониторинге СШИС перед их детальным анализом необходимо выполнить классификацию для того, чтобы определить необходимые структуру и состав используемой аппаратуры.
В настоящее время для решения задач классификации СШИС широкое распространение получили спектральные, корреляционные и комбинированные методы.
Известно устройство для распознавания сложных импульсных сигналов [1], содержащее автокоррелятор, на один из входов которого сигнал подается через преобразователь частоты, а на другой - через линию задержки, на выходе перемножителя автокоррелятора установлены полосовой фильтр, линейный детектор, интегратор, устройство квадратурной обработки и пороговое устройство.
Признаками данного аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, является автокоррелятор, включающий линию задержки и перемножитель, полосовой фильтр, линейный детектор и интегратор. К причинам, препятствующим достижению технического результата, следует отнести: 1) ограниченные функциональные возможности, поскольку возможна только классификация импульсных сигналов на простые и сложные; 2) невозможность определения вида модуляции сложных импульсных сигналов; 3) низкую помехоустойчивость при большом уровне априорной неопределенности.
Известно также устройство для распознавания импульсных частотно-модулированных сигналов [2], содержащее усилитель высокой частоты, амплитудный и частотный детекторы, автокоррелятор, включающий в себя преобразователь частоты, линию задержки, перемножитель и усилитель промежуточной частоты, а также формирователи импульсов, накопитель, интегратор, блок стробирования, триггер и пороговое устройство.
Признаками данного аналога, совпадающего с существенными признаками заявляемого устройства, являются автокоррелятор, включающий в себя линию задержки, перемножитель и усилитель промежуточной частоты, как эквивалент полосового фильтра, а также амплитудный детектор, интегратор и пороговое устройство.
К причинам, препятствующим достижению технического результата, следует отнести: 1) ограниченные функциональные возможности, поскольку обеспечивается классификация только одного класса СШИС, а именно, ЛЧМ сигналов; 2) низкую помехоустойчивость при изменении базы ЛЧМ сигналов в широких пределах.
1
2
Из известных устройств, пригодных для классификации различных типов СШИС, наиболее близким по технической сущности является детектор огибающей сигнала [3], используемый при обработке фазоманипулированных сигналов, содержащий первый и второй перемножители (П), устройство извлечения квадратного корня, сумматор (С), первый и второй квадраторы (KB), при этом второй вход первого П связан с общим гетеродином непосредственно, а второй П - через фазовращатель, к выходам первого и второго П подключены соответственно первый и второй фильтры нижних частот (ФHЧи ФНЧ), между выходом второго ФНЧ и входом KB последовательно включены третий П, второй С и третий ФНЧ, между выходом первого ФНЧ и входом второго KB последовательно включены четвертый П, вычитатель (В) и четвертый ФНЧ, между выходом первого ФНЧ и вычитающим входом В последовательно включены первый элемент памяти (ЭП) и пятый П, второй ФНЧ соединен со вторым входом второго С через шестой П, между входами которого включен второй ЭП.
Признаками прототипа, совпадающего с существенными признаками заявляемого устройства, являются шесть перемножителей, два фильтра нижних частот, два элемента памяти, которые эквивалентны линиям задержки.
К недостаткам прототипа следует отнести: 1) ограниченные функциональные возможности, поскольку он предназначен для обработки только фазоманипулированных сигналов; 2) низкая помехоустойчивость при изменении ширины спектра СШИС в широких пределах и отсутствии необходимой априорной информации.
Задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение: а) расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения классификации не только фазоманипулированных сигналов (ФМС), но также ЛЧМС и СЧМС в условиях большой априорной неопределенности, б) повышение помехоустойчивости при классификации слабых СШИС, для которых входное отношение сигнал/помеха по мощности  не превышает единицы.
Технический результат достигается тем, что в известное устройство (детектор огибающей сигнала) введены:
а) двухчастотное гетеродинное устройство, состоящее из двух синтезаторов частот, балансного модулятора с подавлением несущей и верхней боковой полосы и обеспечивающее частотно инвертированное преобразование;
s
s
и
cp
б) управитель, который на основе внешних целеуказаний о частоте f, ширине спектра Δf и длительности импульсов τ обеспечивает адаптацию по частоте гетеродинного напряжения; по частоте среза f фильтров нижних частот; по величине временного сдвига, вносимого линиями задержки; по средней частоте и полосе пропускания пяти полосовых фильтров;
в) пять каналов типовых радиозвеньев, каждый из которых состоит из полосовго фильтра, детектора огибающей, фильтра нижних частот и порогового устройства и предназначен для фиксации одного из пяти информативных признаков, соответствующих классифицируемым СШИС, а также решающее устройство, обеспечивающее классификацию конкретного СШИС.
Для достижения технического результата в детектор огибающей сигнала, содержащий перемножители (1, 2, 11, 12, 13, 14), фильтры нижних частот (7, 8), линии задержки (9, 10), при этом первые входы перемножителей (1, 2) являются входом детектора огибающей сигнала, выходы перемножителей (1, 2) соединены с входами фильтров нижних частот (7, 8), выход фильтра нижних частот (7) соединен с первыми входами перемножителей (11, 12) и входом линии задержки (9), выход которой соединен со вторыми входами перемножителей (11, 13), выход фильтра нижних частот (8) соединен с первыми входами перемножителей (13, 14) и входом линии задержки (10), выход которой соединен со вторым входом перемножителя (12), дополнительно введены синтезатор частоты (3), выход которого соединен с первыми входами модуляторов (5, 6), синтезатор частоты (4), выход которого соединен со вторыми входами модуляторов (5, 6), выход модулятора (6) соединен с гетеродинным входом перемножителя (1), выход модулятора (5) соединен с гетеродинным входом перемножителя (2), выход фильтра нижних частот (7) соединен со вторым входом перемножителя (14), выход перемножителя (14) соединен со входом полосового фильтра (25), выход которого через детектор огибающей (28) и фильтр нижних частот (31) соединен со входом порогового устройства (34), выход перемножителя (12) соединен со входом полосового фильтра (24), выход которого через детектор огибающей (27) и фильтр нижних частот (30) соединен со входом порогового устройства (33), выход перемножителя (13) соединен со входом полосового фильтра (23), выход которого через детектор огибающей (26) и фильтр нижних частот (29) соединен со входом порогового устройства (32), выход перемножителя (11) соединен со входами полосовых фильтров (15, 16), выход полосового фильтра (15) через детектор огибающей (17) и фильтр нижних частот (19) соединен со входом порогового устройства (21), выход полосового фильтра (16) через детектор огибающей (18) и фильтр нижних частот (20) соединен со входом порогового устройства (22), управитель (35), на вход которого поступают внешние целеуказания о частоте , ширине спектра  и длительности импульсов , соединен с управляющими входами первого и второго синтезаторов частоты (3, 4), с управляющими входами фильтров нижних частот (7, 8), с управляющими входами линии задержки (9, 10), с управляющими входами полосовых фильтров (15, 16, 23, 24, 25), выходы пороговых устройств (21, 22, 32, 33, 34) соединены со входом решающего устройства (36).
1
2
1
2
2
1
1
7
1
2
3
6
1
5
1
5
На чертеже приведена структурная схема адаптивного классификатора (АК), где 1, 2 - перемножители (П, П); 3, 4 - синтезаторы частоты (CЧ, СЧ); 5 - балансный модулятор с подавлением несущей и нижней боковой полосы (M); 6 - балансный модулятор с подавлением несущей и верхней боковой полосы (M); 7, 8, 19, 20, 29, 30, 31 - фильтры нижних частот (ФНЧ - ФНЧ); 9, 10 - линии задержки (ЛЗ, ЛЗ); 11, 12, 13, 14 - перемножители (П-П); 15, 16, 23, 24, 25 - полосовые фильтры (ПФ-ПФ); 17, 18, 26, 27, 28 - детекторы огибающей (Д-Д); 35 - управитель (Упр); 36 - решающее устройство (РУ).
Возможность достижения поставленной задачи изобретения подтверждается приведенным ниже анализом работы АК.
Для обеспечения высокой помехоустойчивости радиомониторинг (РМ) сложных широкополосных импульсных сигналов (СШИС) с низким энергетическим потенциалом осуществляется в несколько этапов.
На первом этапе осуществляется обнаружение и предварительное оценивание таких параметров сигнала, как средняя частота , ширина спектра  и длительности импульсов .
Второй этап РМ предназначен для классификации СШИС, что позволяет затем приступить к третьему этапу РМ, посвященного детальному анализу СШИС.
В данном случае в рамках второго этапа РМ рассмотрим принципы построения адаптивного классификатора (АК) СШИС.
На вход АК поступает аддитивная смесь
0
п
0
п
и
при t+(i-1)Т≤t≤t+(i-1)T+τ;
c
п
ms
s
s
N=T/T; S(t)=Ucos[2πft+φ(t)],
п
0
с
s
где S(t) - СШИС; n(t) - гауссовая стационарная помеха; T - период повторения СШИС; N - количество импульсов; t, Т - начало и длительность сеанса РМ; φ(t) - закон изменения фазы в СШИС.
В АК осуществляется классификация следующих типов СШИС: ФМС, ЛЧМ, СЧМС.
s
и
База СШИС В=Δfτ>>1, сигналы S(t) относятся к классу процессов с неизвестной формой, при обработке которых используются целеуказания об оценках , , получаемых в ходе проведения первого этапа РМ.
s
s
Законы изменения фазы СШИС φ(t) ширины их спектра Δf и база В описываются следующими соотношениями:
s
1) для ФМС φ(t)=ΔφП(t); Δφ∈[0, π];
s
э
и
э
Δf=1/T; B=τ/Т; j∈[1,В];
2) для ЛЧМС с нарастающим законом изменения частоты
и
при 0≤t≤τ;
д
и
B=Δfτ;
3) для ЛЧМС со спадающим законом изменения частоты
и
при 0≤t≤τ;
4) для СЧМС
э
д
где Δφ - величина скачка фазы; П(t) - манипулирующая функция; rect[x] - временное окно; Т - длительность элемента ФМС; Δf - девиация частоты; γ/2π - скорость изменения частоты.
Обработка СШИС в АК осуществляется в несколько этапов.
1
2
На первом этапе по целеуказаниям о  и  осуществляется формирование двухчастотного гетеродинного напряжения, обеспечивающего основное и зеркальное преобразование частоты СШИС в диапазон видеочастот, а также квазисогласованную фильтрацию, благодаря подстройке частоты среза фильтров нижних частот (ФНЧ, ФНЧ) по целеуказаниям о , подаваемым на их управляющие входы с третьего выхода Упр.
1
2
Напряжения на выходе ФНЧ и ФНЧ описываются следующими соотношениями:
1
2
ф0
1
1
1
1
2
2
2
2
где h(t) - импульсная реакция ФНЧ и ФНЧ с полосой пропускания Δf; U(t), S(t), n(t) - напряжения на выходе ФНЧ, соответствующие аддитивной смеси y(t), сигналу S(t) и помехи n(t); U(t), S(t), n(t) - напряжения на выходе ФНЧ, соответствующие аддитивной смеси y(t), сигналу S(t) и помехи n(t).
г1
г2
н
в
1
2
1
2
1
Гетеродинные напряжения U(t) и U(t) с частотами f и f формируются синтезаторами частоты CЧ и СЧ, а также модуляторами с подавлением несущей частоты и боковой полосы M и М. На CЧ с первого выхода управителя (Упр) поступает целеуказание об оценке частоты
2
а на СЧ со второго выхода Упр поступает целеуказание, соответствующее
1
2
В модуляторе M осуществляется подавление верхней боковой полосы, а в М - подавление нижней боковой полосы.
2
2
1
2
1
2
Напряжения S(t) и n(t) являются частотно-инвертированными, что приводит к изменению знака закона изменения фазы и обеспечивает некоррелированность напряжений S(t), S(t) и n(t), n(t).
1
2
На втором этапе обработки СШИС в АК осуществляется многоканальная корреляционно-фильтровая обработка напряжений U(t) и U(t), отличительной особенностью которой является вычисление аппаратных функций в области промежуточных частот. Для повышения помехоустойчивости АК по целеуказаниям о  и  осуществляется подстройка временного
лз
1
2
фi
фi
1
5
сдвига τ, вносимого линиями задержки (ЛЗ, ЛЗ) и средних частот f и полос пропускания Δf, в полосовых фильтрах (ПФ-ПФ), обеспечивающих выделение полезных продуктов аппаратных функций.
1
5
Напряжения на выходах полосовых фильтров ПФ-ПФ имеют следующий вид:
1
2
3
4
5
1
5
1
5
1
5
ф
1
5
ss1
ss2
ss3
ss4
ss5
sn1
sn2
sn3
sn4
sn5
nn1
nn2
nn3
nn4
nn5
где h(t), h(t), h(t), h(t), h(t) - импульсные реакции полосовых фильтров ПФ-ПФ; f-f - средние частоты полосовых фильтров ПФ-ПФ; Δf - полоса пропускания полосовых фильтров ПФ-ПФ; U(t), U(t), U(t), U(t), U(t) - компоненты, обусловленные взаимодействием типа «сигнал-сигнал»; U(t), U(t), U(t), U(t), U(t) - компоненты, обусловленные взаимодействием типа «сигнал-помеха»; U(t), U(t), U(t), U(t), U(t) - компоненты, обусловленные взаимодействием типа «помеха-помеха».
лз
1
2
1
2
Временной сдвиг τ устанавливается путем подачи команды с четвертого выхода Упр на управляющие входы ЛЗ и ЛЗ. При временном сдвиге, вносимом ЛЗ и ЛЗ, равном  выражения для компонентов, обусловленных взаимодействием типа «сигнал-сигнал», описываются следующими выражениями:
1
2
3
где δφ, δφ, δφ - начальные фазы.
1
5
ф
и
1
5
ss1
ss5
и
п
и
п
Полоса пропускания ПФ-ПФ одинакова, равна Δf=2/τ и устанавливается по команде, снимаемой с четвертого выхода Упр и подаваемой на первые управляющие входы ПФ-ПФ. В первых четырех каналах АК осуществляется корреляционная обработка частотно инвертированных СШИС, временной сдвиг между которыми составляет  При этом на выходе ПФ формируются аппаратные функции, соответствующие компонентам «сигнал-сигнал» U(t)-U(t), которые соответствуют последовательности простых импульсных сигналов с длительностью τ/2 и периодом повторения T при наличии свертки спектра и последовательности импульсных сигналов с длительностью τ/2 при расширенном за счет декорреляции СШИС спектром и периодом повторения T.
и
п
Последовательности простых импульсных сигналов с длительностью τ/2 и периодом повторения T имеют место:
1
3
1) при приеме ЛЧМС с нарастающим законом изменения частоты на выходе ПФ и ПФ при условии, что  и
1
4
2) при приеме ЛЧМС со спадающим законом изменения частоты на выходе ПФ и ПФ при условии, что  и
2
3) при приеме СЧМС на выходе ПФ при условии, что  и
Последовательности импульсных сигналов с длительностью  и расширенным спектром имеют место:
1
4
1) при приеме ФМС на выходах ПФ-ПФ;
2
4
2) при приеме ЛЧМС с нарастающим законом изменения частоты на выходах ПФ И ПФ;
2
3
3) при приеме ЛЧМС со спадающим законом изменения частоты на выходах ПФ и ПФ;
1
3
4) при приеме СЧМС на выходах ПФ и ПФ.
лз
и
п
В пятом канале АК осуществляется корреляционная обработка частотно-инвертированных СШИС при τ=0. В данном случае условие свертки спектра для всех исследуемых типов СШИС выполняется при выделении аппаратной функции на частоте  которая представляет собой последовательность простых импульсных сигналов с длительностью τ и периодом повторения T.
Для расчета помехоустойчивости АК, воспользовавшись методикой определения мощности компонентов «сигнал-сигнал» и дисперсии «сигнал-помеха» и «помеха-помеха» на выходе корреляторов [4], получаем следующие соотношения:
1) для компонентов «сигнал-сигнал»
- при приеме ФМС
- при приеме ЛЧМС с нарастающим законом изменения частоты
- при приеме ЛЧМС со спадающим законом изменения частоты
- при приеме СЧМС со спадающим законом изменения частоты
1
5
2) для компонентов «сигнал-помеха» для всех типов ШС на выходе всех ПФ (ПФ-ПФ)
1
5
3) для компонентов «помеха-помеха» для всех типов ШС на выходе всех ПФ (ПФ-ПФ)
s1
s2
s3
s4
s5
1
2
3
4
5
где P, P, P, P, P - мощность компонентов «сигнал-сигнал» на выходе ПФ, ПФ, ПФ, ПФ, ПФ соответственно; ,  - дисперсия компонентов «сигнал-помеха» и «помеха-помеха»;  - дисперсия помехи n(t) на входе АК.
ф1
ф5
1
5
1
5
1
5
Напряжение с выходов полосовых фильтров U(t)-U(t) после детекторов Д-Д и фильтров нижних частот ФНЧ-ФНЧ поступают на пороговые устройства ПУ-ПУ, в которых принимается решение о наличии или отсутствии сигнала в канале АК:
ин
i∈[1,5]T=τ,
yi
фi
пор
ин
0i
где U(t) - напряжение на выходе i-го ФНЧ; U(t) - напряжение на выходе i-го ПФ; U - пороговое напряжение; Т - постоянная интегрирования ФНЧ; τ - нижняя граница диапазона длительностей исследуемых СШИС; Н,  - гипотезы о наличии и отсутствии сигнала в i-м канале соответственно.
В решающем устройстве (РУ) на основе обработки результатов, снимаемых с каналов АК, осуществляется обнаружение СШИС в соответствии с алгоритмом
об
05
Н≡Н и классификация СШИС в соответствии со следующими алгоритмами:
- при приеме ФМС
лчм1
- при приеме ЛЧМС с нарастающим законом изменения частоты (Н)
лчм2
- при приеме ЛЧМС со спадающим законом изменения частоты (Н)
- при приеме СЧМС со спадающим законом изменения частоты
об
фм
лчм1
где Н - гипотеза об обнаружении ФМС; Н - гипотеза о приеме ФМС; Н,
лчм2
1
2
счм
Н - гипотезы о приеме ЛЧМ и ЛЧМ соответственно; Н - гипотеза о приеме СЧМС.
5
5
Помехоустойчивость АК характеризуется вероятностью правильного обнаружения Д, ложной тревоги α при обнаружении и вероятностью ошибочных решений при классификации
i
i
Д=1-β,
i
i
где α, β - вероятности ложной тревоги и пропуска сигнала в i-м канале АК.
ф
i
i
Учитывая, что при ΔfT≈1 распределение напряжения на выходе ФНЧ соответствует закону Релея-Райса расчет вероятностей α и β можно осуществить на основе следующих соотношений [4]:
i
i
i
п
β=1-Д; Д=Q(g,g);
i
п
п
ф
где Д - вероятность правильного обнаружения в i-м канале АК; Q(g, g) - функция Маркума; g - нормированный порог; g, g - отношение сигнал/помеха по напряжению на выходе ПФ и ФНЧ соответственно;  - входное отношение сигнал/помеха по мощности.
Для иллюстрации приведенных выше соотношений определим основные характеристики АК для следующего примера:
i
i
5
5
ош
s
и
s
и
-3
3
4
-3
-2
3
7
-5
4
8
-4
при α=β=2·10; В∈[10; 10] имеем Д=0,998; α=2·10; Р=10и тогда для В=10 получаем Δf=2·10 Гц, τ=5·10 с и =0,15 (-8 дБ); а для В=10 получаем Δf=2·10 Гц, τ=5·10 с и  (-13,5 дБ).
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает оперативный РМ, в ходе которого осуществляется расширение типов классифицируемых СШИС, принимаемых с уровнем ниже уровня собственных шумов, что свидетельствует о расширении функциональных возможностей АК и повышении его помехоустойчивости.
Реализация устройства не вызывает затруднения. Все его функциональные узлы являются типовыми и могут быть выполнены на основе современной элементной базы.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №1467756. БИ №11, 1989. Дятлов А.П., Андреенко С.А. и др. Устройство для распознавания импульсных радиосигналов.
2. Авторское свидетельство СССР №1113760. БИ №34, 1984. Дятлов А.П., Коваленко Е.И. Устройство для распознавания частотно-модулированных сигналов.
3. Патент РФ №2234813, 2004 г. Пархоменко Н.Г. и др. Детектор огибающей сигнала.
4. Дятлов А.П., Дятлов П.А. Анализ и моделирование обнаружителей и демодуляторов связных сигналов. Учебное пособие: - Таганрог, ТРТУ, 2005. -175.