автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Анализ точности оценок параметров некоторых дискретных сигналов радиотехнических систем связи

оц

Л!""»»

< /

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Пеклер Вячеслав Витальевич

АНАЛИЗ ТОЧНОСТИ ОЦЕНОК ПАРАМЕТРОВ НЕКОТОРЫХ ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ

РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ СВЯЗИ

Специальность 05.12.17 - Радиотехнические и телевизионные

системы и устройства

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор Ипатов В.П.

Санкт-Петербург - 1998

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ.................................8

ВВЕДЕНИЕ ........................................................9

1. ОСНОВНЫЕ ТИПЫ ДИСКРЕТНЫХ СИГНАЛОВ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЦИФРОВЫХ СООБЩЕНИЙ...................................................21

2. ВЫБОР ПРИЗНАКОВ ДЛЯ ИДЕНТИФИКАЦИИ И АНАЛИЗ ИХ ИНФОРМАТИВНОСТИ .............................................27

2.1. Идентификация дискретных сигналов и выбор признаков ....27

2.2. Оценка параметров дискретных сигналов .................. 32

2.3. Алгоритм определения дисперсий оценок параметров.......41

2.4. Выводы.................................................41

3. РАСЧЕТ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОЦЕНОК ПАРАМЕТРОВ

БИНАРНОГО ФМ - СИГНАЛА ...................................... 43

3.1. Определение элементов информационной матрицы Фишера .43

3.1.1. Неизвестна несущая частота Т0 ....................47

3.1.2. Неизвестна начальная фаза ф ......................53

3.1.3. Неизвестна длительность посылки Д ................54

3.1.4. Неизвестен временной сдвиг сигнала х .............59

3.1.5. Неизвестны несущая частота Г0 и начальная фаза <р .60

3.1.6. Неизвестны несущая частота и длительность посылки Д........................................61

3.1.7. Неизвестны несущая частота г0 и временной сдвиг сигнала х ........................................62

3.1.8. Неизвестны начальная фаза ф и длительность посылки А........................................62

3.1.9. Неизвестны начальная фаза ср и временной сдвиг сигнала х ........................................63

3.1.10. Неизвестны длительность посылки Д и временной сдвиг сигнала х .................................64

3.2. Дисперсии оценок параметров БФМ-сигнала...............64

3.2.1. Неизвестна несущая частота Г0 ....................65

3.2.2. Неизвестна начальная фаза ф ......................66

3.2.3. Неизвестна длительность посылки А................66

3.2.4. Неизвестен временной сдвиг сигнала х .............66

3.2.5. Неизвестны несущая частота Г0 и начальная фаза ф .66

3.2.6. Неизвестны несущая частота ^ и длительность посылки А........................................67

3.2.7. Неизвестны несущая частота Г0 и временной сдвиг сигнала т ........................................67

3.2.8. Неизвестны начальная фаза ф и длительность посылки А........................................68

3.2.9. Неизвестны начальная фаза ф и временной сдвиг сигнала х ........................................68

3.2.10. Неизвестны длительность посылки А и временной сдвиг сигнала х .................................69

3.2.11. Неизвестны параметры f0, ф, А...................69

3.2.12. Неизвестны параметры ф, т ...................70

3.2.13. Неизвестны параметры 1:0, А, х ...................71

3.2.14. Неизвестны параметры ф, А, х ....................71

3.2.15. Неизвестны параметры Г0, ф, Д, х ................72

3.3. Выводы.................................................74

4. РАСЧЕТ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОЦЕНОК ПАРАМЕТРОВ КФМ

И КФМС СИГНАЛОВ.............................................75

4.1. Определение элементов информационной матрицы Фишера для параметров КФМ сигнала ............................. 75

4.1.1. Неизвестна несущая частота Г0 ....................78

4.1.2. Неизвестна начальная фаза ф ......................79

4.1.3. Неизвестна длительность посылки Д ................79

4.1.4. Неизвестен временной сдвиг сигнала х .............80

4.1.5. Неизвестны несущая частота Г0 и начальная фаза ф .81

4.1.6. Неизвестны несущая частота Г0 и длительность посылки Д........................................81

4.1.7. Неизвестны несущая частота Г0 и временной сдвиг сигнала х ........................................ 82

4.1.8. Неизвестны начальная фаза ф и длительность посылки Д........................................82

4.1.9. Неизвестны начальная фаза ф и временной сдвиг сигнала х ........................................83

4.1.10. Неизвестны длительность посылки Д и временной сдвиг сигнала х .................................84

4.2. Определение элементов информационной матрицы Фишера

для параметров КФМС сигнала ............................ 84

4.3. Дисперсии оценок параметров КФМ (КФМС) сигнала .........85

4.3.1. Неизвестна несущая частота f0 ....................87

4.3.2. Неизвестна начальная фаза ф ......................87

4.3.3. Неизвестна длительность посылки Д................87

4.3.4. Неизвестен временной сдвиг сигнала х .............88

4.3.5. Неизвестна совокупность параметров ф, А, х ...88 4.4. Выводы.................................................89

5. РАСЧЕТ ТОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОЦЕНОК ПАРАМЕТРОВ

МЧМ СИГНАЛА.................................................90

5.1. Определение элементов информационной матрицы Фишера . 90

5.1.1. Неизвестна несущая частота 1:0 ....................92

5.1.2. Неизвестна начальная фаза ф......................94

»

5.1.3. Неизвестна длительность посылки ..................94

5.1.4. Неизвестен временной сдвиг сигнала х .............95

5.1.5. Неизвестны несущая частота Г0 и начальная фаза ф .95

5.1.6. Неизвестны несущая частота Г0 и длительность посылки..........................................96

5.1.7. Неизвестны несущая частота Г0 и временной сдвиг сигнала х ........................................97

5.1.8. Неизвестны начальная фаза ф и длительность посылки .......................................... 97

5.1.9. Неизвестны начальная фаза ф и временной сдвиг сигнала х ........................................98

5.1.10. Неизвестны длительность посылки и временной

сдвиг сигнала х .................................98

5.2. Определение дисперсий оценок параметров МЧМ сигнала ....99

5.2.1. Неизвестна несущая частота Г0 ....................99

5.2.2. Неизвестна начальная фаза ф......................99

5.2.3. Неизвестна длительность посылки .................100

5.2.4. Неизвестен временной сдвиг сигнала х ............100

5.2.5. Неизвестна совокупность всех параметров .........100

5.3. Выводы................................................101

6. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ................ 102

6.1. Сравнение дисперсий оценок параметров БФМ-сигнала и

МЧМ сигнала...........................................103

6.1.1. Неизвестна несущая частота Г0 ...................104

6.1.2. Неизвестна начальная фаза ф .....................105

6.1.3. Неизвестна длительность посылки.................106

6.1.4. Неизвестен временной сдвиг сигнала х ............107

6.1.5. Неизвестны несущая частота Г0 и начальная фаза ф.108

6.1.6. Неизвестны несущая частота Г0 и длительность посылки.........................................109

6.1.7. Неизвестны несущая частота Г0 и временной сдвиг сигнала х .... ................................... 110

6.1.8. Неизвестны начальная фаза ф и длительность посылки .........................................112

6.1.9. Неизвестны начальная фаза ф и временной сдвиг сигнала х .......................................113

6.1.10. Неизвестны длительность посылки и временной

сдвиг сигнала х .................................114

6.1.11. Неизвестны длительность посылки и Г0) ф, .......116

6.1.12. Неизвестны параметры Г0, ф, х ..................117

6.1.13. Неизвестны длительность посылки и Г0, х ........119

6.1.14. Неизвестны длительность посылки и ф, х ........121

6.1.15. Неизвестна совокупность всех параметров ........122

6.2. Выводы................................................125

7. РАСЧЕТ ВЕРОЯТНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ОЦЕНОК ПАРАМЕТРОВ

f0> Ф, а X ДИСКРЕТНОГО СИГНАЛА............................127

7.1. Нахождение соотношений, обеспечивающих заданную точность оценивания параметров МЧМ сигнала ............ 128

7.1.1. Измерение длительности посылки Д ................128

7.1.2. Измерение временного сдвига х ...................138

7.1.3. Совместное измерение параметров f0, а ...........140

7.2. Выводы................................................145

8. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ РЕЗУЛЬТАТОВ.......146

8.1. Постановка эксперимента ...............................146

8.1.1. Проверка эффективности границы Чернова...........150

8.1. 2. Моделирование сигнала s0 (t)......................152

8.1.3. Моделирование шума x(t) .........................155

8.1.4. Моделирование принимаемого колебания y(t) .......158

8.1.5. Моделирование процесса оценивания параметров дискретного сигнала.............................158

8.2. Выводы................................................163

9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................164

10. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК .................................. 168

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Дисперсии оценок параметров БФМ-сигнала..........184

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Дисперсии оценок параметров КФМ (КФМС) сигнала...191 ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Дисперсии оценок параметров МЧМ сигнала..........200

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

АФАР — антенна с фазированной антенной решеткой;

БФМ — бинарная фазовая манипуляция;

ВЧ — высокочастотный;

К — коррелятор;

кпд — коэффициент полезного действия;

КФМ — квадратурная фазовая манипуляция;

КФМС — квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом;

МЧМ — минимальная частотная манипуляция;

ОЗУ — оперативное запоминающее устройство;

омп — оценка по методу максимального правдоподобия;

РТР — радиотехническая разведка;

РТС — радиотехнические системы;

РУ — решающее устройство;

РЭБ — радиоэлектронная борьба;

РЭП — радиоэлектронное подавление;

УВЧ — ультравысокая частота;

ФМ — фазоманипулированный;

ФН — функция неопределенности;

ФОС — формирователь опорного сигнала;

ФП — функция (функционал) правдоподобия;

чм — частотно-модулированный;

Р =

1 1

+

4(:Г0Д)2 (Г0Д)

- коэффициент, использованный в выражениях, приведенных в шестом разделе работы.

ВВЕДЕНИЕ

Дискретные сигналы относятся к классу широкополосных (spread-spectrum) сигналов [1, 2, 5, 6,11-13,17,18, 20, 35, 42, 55, 65, 69, 79, 81, 82, 87, 93, 98,101,105,114,121,122,125]. Современное состояние радиотехнических систем (РТС) различного назначения, использующих сигналы этого класса, характеризуется активным развитием и тотальным продвижением на потребительский рынок. Объяснение этому дает перечень основных преимуществ, сопутствующих применению таких сигналов [1, 5. 6.11-13,17,18, 20, 55, 79, 125,141]:

- помехоустойчивость в отношении сосредоточенных по спектру или по времени помех;

- возможность кодового разделения большого числа абонентов при их работе в общей полосе частот;

- совместимость приема информации с высокой достоверностью и измерения параметров движения объекта с высокими точностями и разрешающими способностями;

- реализуемость высоких показателей при "гладком" излучении (при близком к единице пик-факторе);

- электромагнитная совместимость с существующими радиотехническими средствами, скрытность и криптозащищенность.

Указанные достоинства дискретных сигналов объясняют и их применение в РТС связи. Это вызвано необходимостью решения задачи качественной высокоскоростной передачи информации в современных условиях перенасыщенности радиоэфира [27,29,45-47,65,75,76,96,103, 155,157].

Приведенные характеристики дискретных сигналов определили и направление развития радиоэлектронных средств обработки и передачи информации военного назначения [126,145,154,158], задачей которого является повышение их живучести посредством защиты от преднамеренных радиопомех [63] в условиях расширения и ужесточения радиоэлектронной борьбы (РЭБ). Анализ сценариев боевых действий [140], показывает, что перспективные системы связи для снижения вероятности перехвата сообщений включают в состав воздушные командные пункты и спутниковые системы, работающие на сантиметровых и миллиметровых волнах, и используют различные типы сложных сигналов. Это справедливо и для РТС иного назначения, также использующих режимы и сигналы, существенно затрудняющие применение средств РЭБ [63]. Поэтому складывающаяся электромагнитная обстановка, в которой будут работать системы РЭБ XXI века, станет более насыщенной, сложной и постоянно меняющейся [153], чем еще более акцентируется будущая приоритетная роль сложных дискретных сигналов.

Постоянное развитие РТС, реализующих низкую вероятность радиоперехвата и снижающих эффективность систем РЭБ, стимулирует совершенствование и дальнейшее развитие последних.

Это подтверждает и тот факт, что в деловых кругах стран НАТО практически ежемесячно заключаются контракты на производство узлов, блоков, приборов для систем РЭБ [146,147]. Так, согласно [126,154], в период с 1980 г. по 1986 г. общий рынок сбыта средств РЭБ увеличился на 123 %. Суммарные расходы в США на системы РЭБ в эти годы возросли более чем в 2,1 раза и составили для 1986 г. $3628,2 млн. [126,142,143,150,156]. Не вызывает сомнений сохранение этой тенденции и сегодня.

В рамках этого процесса на протяжении последнего десятилетия

в мире во все возрастающем масштабе ведутся работы по созданию средств РЭБ и радиотехнической разведки (РТР), основанных на новейших принципах и технологиях [71]. Основным направлением совершенствования систем РЭБ является [54] применение передовых технологий. Для увеличения мощности сигнала радиоэлектронного подавления (РЭП) ведутся разработки твердотельных многоэлементных АФАР, имеющих существенно более высокий КПД по сравнению с обычной антенной. Применение акустооптических приемников резко сокращает время анализа сигналов в широком диапазоне частот, а использование СВЧ оперативных запоминающих устройств (ОЗУ) позволяет получить задержанную на любое время копию с включением необходимых элементов, увеличивающих вероятность подавления работы радиосистемы противника.

Системы РЭБ выполняют две свои основные функции (обнаружение цели и принятие контрмер) с помощью средств РТР и РЭП [51,54], в соответствии с которыми комплектуются разнообразными средствами [126]: приемными устройствами РЭБ, передатчиками активных помех, средствами постановки пассивных помех, антенными устройствами. Однако ни одна из систем РЭБ не обходится без приемного устройства, принцип построения и основные характеристики которого определяются вариантом исполнения системы (стационарная, транспортируемая, мобильная или переносная), условиями применения и другими характеристиками системы РЭБ. Приемники РЭБ по своему функциональному назначению могут быть разделены на две группы: приемники для РТР и приемники для предупреждения об излучении противника. Представляющие для нас интерес приемники РТР служат для сбора данных о параметрах радиоэлектронных систем, оснащенных излучающими средствами с целью не только непосредственного противодействия, но также пра-

вильного конструирования новых и доработки существующих средств РЭП. Радиоприемники РТР [50] устанавливаются на наземных станциях, кораблях, самолетах и радиоразведывательных спутниках, мобильных наземных средствах особой ценности. С их помощью осуществляется перехват сигналов и измерение рабочей частоты, длительности и частоты повторения импульсов, а также устанавливаются методы модуляции и даются оценки тактике применяемых излучающих средств [126]. По принципу действия радиоприемники РЭБ делятся на несколько видов: кристаллические с усилением по видеочастоте (прямого усиления), акустооптические (на ячейках Брэгга), со сжатием входного сигнала (с прямоугольным сканированием), с мгновенным изменением частоты, с разделением частот (многоканальные). В основном они различаются способом измерения частоты и вероятностью перехвата сложных сигналов. Во всех приемниках используются устройства для автоматической или полуавтоматической обработки информации.

Системы РТР, являясь разновидностью РТС извлечения информации [81], входят в состав комплекса разведывательных средств и реализуют один из способов получения сведений о противнике. Глубина извлекаемой радиотехнической информации может быть различной и определяется конкретными задачами. Однако, как правило, первоочередной интерес представляют технические характеристики РТС противника (мощность и направление излучения, рабочий диапазон частот, разновидности применяемых радиосигналов, виды используемой модуляции, манипуляции, другие параметры радиосигналов). Эти характеристики отражают назначение РТС, позволяют сформировать радиотехнический паспорт системы противника, используемый при идентификации радиотехнических средств, а в более широком масштабе и военных сил противника. При этом получаемая системами РТР информация по техничес-

ким силам противника может быть зачастую единственной. Это объясняется, например, большим радиусом действия радиоизлучения радиоэлектронных средств (в зависимости от назначения РТС связи - десятки тыс. км), отсутствием зрительного контакта с ними и т.п. Кроме технических характеристик радиосредств противника, интерес представляет и информация, передаваемая его РТС связи. Успех решения этих задач зависит от точности оценки информационных параметров радиосигнала, поскольку дискретные сигналы, как и радиосигналы в целом, характеризуются значениями параметров и законами их изменения. Законы изменения характеристических параметров определяют классы, подклассы сигналов, в то время как количественные вариации таких параметров управляют перемещением между объектами не выходя за классовые границы. Поэтому при идентификации радиосигналов важен отбор характеристических признаков - информационных параметров, позволяющих с высокой степенью достоверности распознавать объект исследования.

Постепенно реализуется процесс функциональной интеграции в технике РЭБ, при котором средства РЭП становятся все более "интеллектуальными" - они аналогично разведывательному приемнику выполняют функции обработки сигнала, т.е. обнаруживают, идентифицируют сигнал, оценивают его параметры. В будущем они охватят функции предупреждения об угрозе и активного подавления радиосредств противника [54].

В настоящее время для подавления РТС против