автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Оптимальный приёмник-обнаружитель сигнала управляемого пассивного рассеивателя с фазовой модуляцией

На правах рукописи

СТЕПАНОВ ГЕННАДИЙ ВАСИЛЬЕВИЧ

ОПТИМАЛЬНЫМ ПРИЕМНИК-ОБНАРУЖИТЕЛЬ СИГНАЛА УПРАВЛЯЕМОГО ПАССИВНОГО РАССЕИВАТЕЛЯ С ФАЗОВОЙ

МОДУЛЯЦИЕЙ

Специальность: 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства

телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 ИАР 2015

005560486

Воронеж — 2015

005560486

Работа выполнена в Воронежском институте МВД России

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Лукин Александр Николаевич

Официальные оппоненты:

Радченко Юрий Степанович, доктор физико-математических наук, профессор, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный университет», профессор кафедры радиофизики

Куцов Руслан Владимирович, кандидат физико-математических наук, доцент, Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский институт Федеральной службы исполнения наказаний» заместитель начальника организационно-научного и редакционного отдела

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Воронежский государственный технический университет» (г. Воронеж)

Защита состоится «17 » апреля 2015 года в 11 часов в ауд. 215/1 корп. на заседании диссертационного совета Д 203.004.01 в Воронежском институте МВД России по адресу: 394065, г. Воронеж, пр-т Патриотов, 53.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского института МВД России и на сайте http://www.vimvd.ru/science/research/ad_thesis/

Автореферат разослан февраля 2015

Учёный секретарь диссертационного совета

Глушков Алексей Николаевич

/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Управляемый пассивный рассеиватель представляет собой устройство осуществляющее переизлучение падающего на его поверхность электромагнитного поля и параметрическую модуляцию переизлученного сигнала за счет изменения свойств своих электродинамических параметров. К управляемым пассивным рассеивателям относятся объекты совершающие механическое перемещение, например, вращающийся металлический диск, полупроводниковый диод с выводами-отражателями, через который проходит переменный ток от внешнего электрического источника, газоразрядный прибор, плазма которого используется как отражатель с переменными параметрами, неравновесная концентрация носителей заряда в полупроводниковых панелях и другие.

В настоящее время, управляемые пассивные рассеиватели входят в так называемые, радиоидентификационные технологии (ИРГО). ИРГО метки применяются для маркирования товаров в магазинах и на складах, в системах контроля доступа, для идентификации животных и автотранстпорта. В правоохранительных органах актуально применение ИРЮ меток для идентификации и сбора информации о различных объектах и о людях.

Управляемые пассивные рассеиватели могут быть использованы в качестве датчиков в приборах охранной сигнализации, обеспечивая беспроводную систему передачи сигналов о несанкционированном доступе на объект.

Система ИРГО технологий с радиотехнической точки зрения представляет собой совокупность устройств параметрической радиолокации. При ограничении на излучаемую мощность, увеличить дальность обнаружения сигнала переизлученного управляемым пассивным рассеивателем можно путем повышения чувствительности радиоприёмника.

Вопросы синтеза оптимальных приёмников-обнаружителей рассмотрены в работах Тихонова В.И., Левина Б.Р.ДЛирмана Я.С., Бакута П.А., Акимова П.С., Трифонова А.П., Парфенова В.И. и др.

Однако, условия приёма фазо-модулированных сигналов, переизлучаемых управляемыми пассивными рассеивателями, имеют особенности, в частности, приём сигнала осуществляется на фоне сигнала несущей частоты, который коррелирован с информационным сигналом. Кроме этого, параметры фонового сигнала могут быть известны и неизвестны, как и параметры модуляции информационного сигнала. Учёт вышеупомянутых особенностей обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя с фазовой модуляцией и интенсивное развитие ИРГО технологий приводят к актуальности задачи синтеза оптимального приёмника-обнаружителя как с научной, так и с технической точек зрения.

Работа выполнена в рамках научно-исследовательских работ закреплённых за Воронежским институтом МВД приказом МВД России №150 от 18.03.2013 г. по направлению повышение эффективности и надежности

информационно-телекоммуникационных и радиотехнических систем органов внутренних дел.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационного исследования является синтез оптимального приёмника для обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя с фазовой модуляцией на фоне отраженного сигнала несущей частоты и помех при различном объёме априорной информации.

Для достижения поставленной цели предполагается решение следующих основных задач:

1) синтезировать оптимальный алгоритм обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя с фазовой модуляцией с известными и неизвестными параметрами на фоне переотраженного сигнала и помех при когерентном и некогерентном приёме;

2) разработать блок-схему приёмного устройства для обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя с фазовой модуляцией с известными и неизвестными параметрами на фоне переотраженного сигнала и помех при когерентном и некогерентном приёме;

3) вычислить характеристики оптимальных алгоритмов обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя с фазовой модуляцией с известными и незвестными параметрами на фоне переотраженного сигнала и помех при когерентном и некогерентном приёме.

Методы исследования. Решение поставленных задач основывается на методах статистической радиотехники, математической статистики, теории вероятностей, математического анализа, высшей алгебры и теории матриц. В работе использованы методы теории радиотехнических цепей и устройств, теории радиоприёмных устройств. Новые научные результаты, выносимые на защиту: 1 .Алгоритмы обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя с фазовой модуляцией при его приёме на фоне переотраженного сигнала на частоте несущего колебания и помех, которые при когерентном приёме представляют разность квадратичных форм, а при некогерентном приёме разность квадратичных форм различной размерности; [1,3,6,9].

2. Блок-схемы оптимальных приёмных устройств сигнала управляемого пассивного рассеивателя с фазовой модуляцией, при различном объёме априорных сведений о сигнале и при его приёме на фоне переотраженного сигнала на частоте несущего колебания и помех[1,3].

3. Способ оценки числа каналов при синтезе многоканального приёмника сигнала с неизвестными параметрами, основанный на тереме отсчётов для случайного процесса[6].

^Характеристики оптимальных приёмных устройств сигнала управляемого пассивного рассеивателя с фазовой модуляцией, при когерентном приёме на фоне сигнала несущего колебания и помех, с помощью полученной формулы

для плотности вероятности значений квадратичной формы составленной из гауссовских случайных величин с произвольными параметрами[8].

5. Характеристики оптимальных приёмных устройств сигнала управляемого пассивного рассеивателя с фазовой модуляцией, при некогерентном приёме на фоне сигнала несущего колебания и помех, в том числе и полученные по соотношениям для выбросов сигналов за высокий уровень[2,4].

6.Способ оценки характеристик обнаружения приёмника при изменении количества его каналов[6].

Практическая значимость работы. Синтезированные радиоприёмные устройства могут быть использованы для повышения энергетического потенциала в информационных системах параметрической радиолокации. Аналитические соотношения, полученные в работе при описании статистики выходного напряжения приёмника сигнала управляемого пассивного рассеивателя, могут быть использованы для расчёта вероятностных характеристик аналогичных приёмных устройств. Предложенный способ расчёта интервала между каналами радиоприёмника, позволит производить расчёт многоканальных приёмников с сохранением их предельных выходных характеристик и с возможность оценки их ухудшения при сокращении числа каналов.

Реализация и внедрение результатов работы. Основные теоретические и практические результаты диссертационного исследования использованы в научных исследованиях Воронежского института МВД, внедрены НИР ОАО «ВНИИ «Вега»», в учебный процесс Воронежского института МВД. Соответствие паспорту специальности. Содержание диссертации соответствует п.4«Разработка и исследование методов и алгоритмов обработки радиосигналов в радиосистемах телевидения и связи при наличии помех. Разработка методов разрушения и защиты информации», п.8 «Создание теории синтеза и анализа, а также методов моделирования радиоэлектронных устройств», паспорта специальности 05.12.04 -радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения. Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» ( Воронеж,2006,2014), на Международной научно-практической конференции «Техника и безопасность объектов УИС» (Воронеж,2011), на Международной научно-практической конференции «Охрана, безопасность, связь- 2014» (Воронеж, 2014), на Всероссийской научно-практической конференции «Преступность в России. Состояние и проблемы предупреждения и раскрытия преступлений» (Воронеж,2008), на Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы деятельности подразделений УИС» (Воронеж,2012). Публикации по материалам диссертации. По теме диссертации опубликовано 25 работ(15 статей,10 материалов научных конференций). Работы [1—9] опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Личный вклад автора. Основные научные результаты получены автором лично.

В приведённом списке научных работ из опубликованных в соавторстве лично соискателем выполнено следующее:в [1,3,6,9,11,17,19,24] - выполнен синтез алгоритма обнаружения сигнала и составлены блок-схемы приёмников, реализующих синтезированный алгоритм; в [4,7,12,20,21,25] -выполнены вычисления характеристик обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя; в [2] - предложен анализ отношения сигнал-шум путем сопоставления накопления энергии сигнала и её потерь с ростом емкости; [5,22] — выполнены вычисления вероятностных характеристик обнаружения для конкретных параметров амплитудной и фазовой модуляций сигнала и проведено их сравнение; [10,13,15,16,18] — выполнены экспериментальные исследования модуляционных свойств управляемых пассивных рассеивателей и определены параметры модуляции сигналов;[23]-выполнены исследования зависимости отношения сигнал-шум от параметров модуляции сигнала;[8]— получена формула для плотности вероятности выходного напряжения приёмника; [14] - вычислен предельный случай импульсной характеристики параметрического усилителя при увеличении добротности колебательного контура.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения, списка литературы из 115 наименований. Работа изложена на 195 страницах машинописного текста, содержит 112 рисунков и 8 таблиц .

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы работы, сформулированы цель и задачи исследований, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов, выносимых на защиту.

В первой главе работы рассматриваются различные виды управляемых пассивных рассеивателей, с помощью которых осуществляются амплитудная и угловая модуляции сигнала. Обзор выполнен по материалам печати зарубежных и отечественных авторов. Наибольшее внимание уделено управляемым пассивным рассеивателям осуществляющим фазовую модуляцию сигнала. В частности подробно рассмотрены экспериментальные результаты по фазовой модуляция сигнала управляемым пассивным рассеивателем в виде газоразрядного прибора. Выполнены эксперименты по анализу модели полуволнового вибратора с нагрузкой в виде полупроводникового диода для оценки его модулирующих свойств. Исследования проведены на оригинальной экспериментальной установке, в которой использован в качестве образцового модулятора полуволновый диполь коммутируемый герконом. Для обеспечения коммутации плеч полуволновых вибраторов с помощью полупроводниковых диодов с близкими к идеальным свойствам коммутатора, необходимо использовать режим работы на прямой и обратной ветвях вольт-амперной характеристики. Причем, при работе на обратной ветви, диоды должны иметь ярко

выраженную зависимость барьерной емкости от приложенного напряжения, при этом величина емкости должна быть меньше 1пФ, при работе на частоте до 1ГТц.

Проанализированы модулирующие свойства рч-п структуры, расположенной в резонансной диафрагме в волноводе с короткозамкнутой нагрузкой и осуществляющей фазовую манипуляцию сигнала. Показано, что эта структура может быть использована как управляемый пассивный рассеиватель, осуществляющий фазовую модуляцию сигнала. Рассмотрены общие методы синтеза оптимальных радиоприёмных устройств для обнаружения сигналов на фоне помех. Особое внимание уделено способам синтеза приёмников-обнаружителей сигналов с неизвестными параметрами. Отмечено, что наиболее близкими по структуре приёмными устройствами являются приёмки в радиолокационных системах движущихся целей. Однако, они обрабатывают сигнал с другим законом фазовой модуляции и, как следствие, он ортогонален фоновому сигналу, что в значительной степени упрощает решение задачи синтеза оптимального приёмника обнаружителя. Кроме этого, фоновый сигнал рассматривается как случайная помеха, что нехарактерно для случая приёма сигнала управляемого пассивного рассеивателя, где имеет место, в основном, параметрическая неопределенность фонового сигнала. Не ортогональность фонового сигнала и его параметрическая неопределенность отличают задачу синтеза оптимального приёмника-обнаружителя сигнала управляемого пассивного рассеивателя с фазовой модуляцией от аналогичной задачи в системах селекции движущихся целей.

Во второй главе работы выполнен синтез алгоритма обработки сигнала управляемого пассивного рассеивателя для случая, когда имеется информация о соотношении амплитуд и фаз между сигналом управляемого пассивного рассеивателя и переотраженным сигналом на частоте несущего колебания. Алгоритм обнаружения сигнала строится, как процедура различения гипотез Н2 наличия в реализации {(£) сигнала и фонового колебания против гипотезы Н1 наличия в реализации (только фонового сигнала. Математическая модель реализации имеет вид

т=е&аъ со со5(о)0г - ш) -<р)+псо,

где А и ф неизвестные амплитуда и фаза, и ¡/>¡(0 — законы амплитудной и фазовой модуляции, п(£:)- гауссовский белый шум; р^ - число слагаемых соответствующих гипотезе Н] или гипотезе Н2.

Процедура различения гипотез сведена к обобщенному методу максимального правдоподобия для случая, когда неизвестны два параметра -абсолютные значения амплитуд и фаз сигналов. Сигнал записан так, что неизвестные параметры входят в него линейно и их оценка выполняется путем максимизации функционала правдоподобия по неизвестным параметрам. Для удобства проведения математических операций, функционал правдоподобия записан в матричном виде. Получен алгоритма обработки сигнала, который представляет собой разность квадратичных

форм составленных из квадратурных компонент корреляционных интегралов.

I = С^СЙГ1

Р2

Л=1

^ 2/1

Р2

Х*Н5>

I (=1

■ (г20аУ

V /V

(1)

где ¿2 = Т/Ы0— отношение сигнал-шум для сигнала с единичной амплитудой, Г— время наблюдения, N0 - спектральная плотность помехи;

1

квадратурные

компоненты

корреляционного

интеграла;

Р/1 т

1.1=1 о

По математическим операциям (1) с помощью типовых блоков радиотехнических устройств составлены блок-схема и принципиальная схема приёмника-обнаружителя (рис.1).

Характеристикой алгоритма обнаружения (1), в соответствии с критерием Неймана —Пирсона, является вероятность правильного обнаружения сигнала при заданной вероятности ложной тревоги. Поскольку алгоритм, определяющий выходное напряжение приёмника, представляет разность двух квадратичных форм, то для определения статистики выходного напряжения была получена формула плотности вероятности значений квадратичной формы в общем случае, составленной из коррелированных гауссовских случайных величин.

Щ1) =

_ ехр(— МК~ХМт/2) | ехр(ДЛ~'£>72)

2л-

-ехр(-/7у)сЛ>

(2)

где М = (тп1,т2, ...тпр)- матрица 1 х 2р, с элементами т; среднего значения случайной величины К-корреляционная матрица 2рх2р

случайных величин ХЬУ1 ; О - матрица 1х2р с элементами <2к = ЬцЩ ?кь где; Ьу- элементы матрицы В обратной корреляционной матрице К; тк,— элементы главной матрицы пучка квадратичных форм, образованного из корреляционной матрицы В и матрицы коэффициентов алгоритма (1), А- диагональная матрица 2рх2р с элементами 1 — 2плАк, Лк — собственные числа пучка квадратичных форм.

Формула (2) была протестирована на известных распределениях для суммы квадратов независимых гауссовских случайных величин с нулевыми и ненулевыми средними значениями, для которых были получены хи-квадрат и нецентральное хи-квадрат распределения, соответственно. С использованием формулы (2) были проведены исследования по влиянию значений параметров модуляции и соотношений между фоновым сигналом и сигналом управляемого пасссивного рассеивателя на характеристики обнаружения. Было установлено, что характеристики обнаружения ухудшаются с уменьшением индекса модуляции. Достаточно хорошие характеристики обнаружения можно получить при индексе модуляции равном единице и более. Разность фаз между фоновым сигналом и сигналом управляемого пассивного рассеивателя оказывает различное влияние на характеристики обнаружения в зависимости от значения индекса модуляции как аргумента функции Бесселя нулевого порядка. При малых индексах модуляции характеристики обнаружения становятся плохими при любом соотношении фаз. Характеристики обнаружения ухудшаются с уменьшением величины амплитуды сигнала управляемого пассивного рассеивателя по сравнению с амплитудой фонового сигнала, а при отношении амплитуд меньше единицы ухудшаются весьма значительно.

Для обеспечения большого отношения амплитуд сигнала управляемого пассивного рассеивателя и фонового сигнала на практике необходимо принятие специальных мер, например, введение дополнительного, до детекторного канала компенсации фонового сигнала. Характеристики обнаружения, при отношении амплитуд сигналов, управляемого пассивного рассеивателя и фонового, большего единицы, улучшаются, при увеличении отношения сигнал-шум для фонового сигнала. При отношении меньшем единицы отношение сигнал-шум фонового сигнала практически не влияет на характеристики обнаружения.

Синтез приёмника-обнаружителя сигнала управляемого пассивного рассеивателя с неизвестными параметрами модуляции, индекс модуляции ш и начальная фаза Ф модулирующего сигнала, выполнен по многоканальной схеме. Основным вопросом здесь является оценка числа каналов приёмника и интервал между каналами. По впервые предложенной методике, основанной на теореме отсчётов для случайного процесса, выполнен расчёт числа каналов приёмника-обнаружителя и определены интервалы между каналами по индексу модуляции и начальной фазе модулирующего сигнала. По корреляционной функции напряжения между каналами приёмника найден спектр мощности выходного сигнала по каждому неизвестному параметру модулирующего сигнала. Интервал между каналами определён как величина обратная удвоенному значению верхней частоты спектра мощности по соответствующему параметру. Интервал между каналами приёмника по параметру индекс модуляции тс/2, а по параметру начальная фаза модулирующего сигнала л/2 деленное на индекс модуляции сигнала.

Рис.1 Блок-схема приёмника-обнаружителя сигнала управляемого пассивного рассеивателя с фазовой модуляцией при когерентномприёме.П1-П4-перемножители, ИНТ1-ИНТ4 — интеграторы,С1—С5— сумматоры, Г1,Г2 — генераторы сигналов, Ф1—ФЗ — фазовращатели, НУ1-НУ4-нормирующие усилители, КВ1-КВ4-квадраторы,М-модулятор,ПУ- пороговое устройство.

Характеристики приёмника вычислены для двух случаев: малых и больших отношений амплитуд сигнала управляемого пассивного рассеивателя и фонового сигнала. При малых отношениях амплитуд вероятность ложной тревоги увеличивается на число каналов приёмника относительно вероятности ложной тревоги одноканального приёмника с известными параметрами модулирующего сигнала. Вероятность правильного обнаружения совпадает с вероятностью правильного обнаружения одноканального приёмника. При больших отношениях амплитуд, вследствие сильной коррелированности напряжений по каналам приёмника, характеристики многоканального и одноканального приёмника совпадают между собой.

В третьей главе работы выполнен синтез приёмного устройства для обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя с известными параметрами модуляции на фоне переотраженного сигнала на частоте

несущего колебания при некогерентном, приёме в общем случае, когда имеется р2 сигналов по гипотезе Н2 и pi сигналов по гипотезе Н,. Сигналы управляемого пассивного рассеивателя и фоновый записаны так f (0 = Z?=i*|Ff(t)cos[<u0C - + ytFi(t)sin[ftj0t - iMO] + n(t)

где xt = AiCOS(Pi,yi = Alsinq>i. Неизвестные параметры амплитуды Л, и фазы <Pi входят в функционал правдоподобия L(x,y) линейно. Это дает возможность выполнить оценку неизвестных параметров сигналов путем максимизации функционала правдоподобия по х,у и получить алгоритм обработки реализации f (t). Алгоритм обработки представляет разность двух квадратичных форм различной размерности, составленных из квадратурных компонент корреляционных интегралов

Н2

I = lnL(x,y) = 772^2^2 - ViQi^l $ ln2h (3)

Иг

где т}2 = ,Х2 ... ХР2, У1( У2 ... УР2}- матрица, т]г = ,Х2 ...Х?1, Ух, У2 ... Ур1}-— матрица 1х2р,

Q„ = z2Qp = z2 ¡Hi- блочная матрица, с блоками Qpc =

II Vps Vpcll

||0су||.0к = \\Qstill с элементами

Алгоритм (3) конкретизирован для частного случая р2=2 и pi=l и законов модуляцииР2(е) = FiCt) = l,i/»1(t) = 0,i/)2(t) = msin(£lt - Ф)

1 = -2/4 1,гг [Х? + - УоЫКЛ + У,2 + У22 - гУоОпЗУ^] -

Н2

-{XI + Y?)/z2 $ ln2h (4)

где J0(m)— функция Бесселя нулевого порядка.

По алгоритму обработки (4), из типовых радиотехнических устройств, составлена блок-схема приёмника, для обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя (рис.2), в которой опорный фазомодулированный сигнал формируется с помощью модулятора Армстронга. Найдена характеристика приёмника — вероятность правильного обнаружения при заданной вероятности ложной тревоги. Эти характеристики найдены по статистике выходного напряжения (4), которая путем линейной замены переменной приведена к статистике нецентрального хи-квадрат распределения с двумя степенями свободы.

Вероятность правильно обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя с фазовой модуляцией зависит от отношения сигнал-шум и от значения индекса модуляции. При индексе модуляции больше 2,3

вероятность правильного обнаружения зависит в основном только от отношения сигнал-шум. Выполнено сравнение характеристик приёмников-обнаружителей сигналов управляемых пассивных рассеивателей с фазовой и амплитудной модуляциями. Для практически применяемых в настоящее время модулирующих устройств вычислены характеристики обнаружения приёмников сигналов и показано, что характеристики обнаружения сигналов с фазовой модуляцией лучше, чем сигналов с амплитудной модуляцей. Выполнен синтез приёмника сигнала управляемого пассивного рассеивателя с неизвестными параметрами фазовой модуляции путем последовательного применения обобщенного метода максимального правдоподобия. Последовательное применение обобщенного метода максимального правдоподобия состоит в применении численно-аппаратного способа максимизации по неизвестным параметрам в случае невозможности аналитической процедуры.

Каналы многоканального приёмника синтезируются так, чтобы их выходные напряжения были бы отсчётами напряжения приёмника в области неизвестных параметров сигналов допускающие однозначное полное восстановление сигнала многоканального приёмника по этим отсчётам. Интервал между каналами равен величине обратной удвоенному значению верхней частоты спектра мощности сигнала по соответствующему параметру.

Найдена корреляционная функция сигнала приёмника (3) в поле неизвестных параметров сигнала. Для выполнения усреднения произведения квадратичных форм разной размерности, входящих в (3), доказаны две теоремы.

На основе этих теорем найдены корреляционные функции в поле неизвестных параметров сигнала — индекс модуляции и начальная фаза, при выполнении гипотез об отсутствии и наличии сигнала управляемого пассивного рассеиавателя в принимаемой реализации. При больших значениях индекса модуляции корреляционные функции по первой Кли(7П1«7П2)К»1(Ф1.Ф2)« и второй Кт(.т1,т2),Кц2(Ф^Фг) гипотезам зависят лишь от разности аргументов, как по индексу модуляции ш, так и по начальной фазе Ф КЫ1(т1,т2) -¡оОп2 - тО + 1

Фа) =7о2(2т15т((Ф2 - Ф,)/2) + 1 КЫ2(т1,т2) = (2% + 1);02(тп2 - тО + 1 *1га(Ф1. Фг) = + 1);02(2т15т((Ф2 - Фг)/2) + 1

где г2 - отношение сигнал-шум сигнала управляемого пассивного рассеивателя.

Заметим, что по начальной фазе Ф корреляционные функции являются периодическими с периодом 2л.

Рис.2 Блок-схема приёмника-обнаружителя сигнала управляемого пассивного рассеивателя с фазовой модуляцией при некогерентном приёме. AMI—AM 4 — амплитудные модуляторы, ГН,ГВ — генераторы низкой и высокой частот, ДУ- пороговое устройство .дифференциальный усилитель, ФВ- фазовращатель.

Верхняя частота спектра мощности по координате индекс модуляции равна I/71, а по координате начальная фаза m/л. Интервал между каналами по индексу модуляции л/2, а по начальной фазе лУ2т. Число каналов приёмника определяется соотношением

ДФ, Г 2/

/V =-(т, + ть) 1н—I т,—т1

71 L Я

где ДФ- априорный интервал изменения фазы,тг,ть- верхнее и нижнее значения априорного интервала индекса модуляции.

С использованием соотношений для выбросов сигнала за высокий уровень найдена вероятность ложной тревоги и правильного обнаружения при наличии в сигнале двух неизвестных неэнергетических параметров модуляции, индекса модуляции и начальной фазы модулирующего сигнала для случая непрерывного изменения этих параметров в приёмнике. Истинные значения параметров, кроме отношения сигнал-шум, не влияют на вероятность правильного обнаружения.

Исследовано влияние дискретизации неизвестных параметров модуляции на характеристики приёмника. Так вероятность ложной тревоги зависит от числа каналов приёмника. При определении числа каналов по максимальной

частоте спектра мощности сигнала по соответствующему неизвестному параметру, отношение сигнал-шум не уменьшается по сравнению с максимально возможным. Увеличение интервала между каналами в т раз приводит к снижению отношения сигнал-шум. Получены соотношения для расчёта отношения сигнал-шум г2при увеличении интервала между каналами, основанные на усечении спектра мощности случайного процессам^ (&>) по индексу модуляции т раз

™ о

Аналогичные соотношения получены и при увеличении интервала между каналами по начальной фазе в 0 раз

-2 2т!в ' п=1

где Ап — коэффициенты разложения в ряд Фурье периодической корреляционной функции Кт(Ф1,Ф2).

На рис.3 представлен график вероятности правильного обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя в зависимости от увеличения интервала между каналами приёмника.

Р

0.8

0.« 0.4 0.2 О

Рис.3 Зависимость вероятности правильного обнаружения от кратности уменьшения числа каналов т по индексу модуляции. Штриховая линия г| = 30,сплошная линия

= 50 . Вероятность ложной тревоги а = Ю-4 Вероятность правильного обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя уменьшается на 60% при уменьшении числа каналов по индексу модуляции, в два раза, против значения определяемого верхней частотой спектра мощности сигнала. Это уменьшение можно компенсировать увеличением отношения сигнал-шум за счёт энергии сигнала управляемого пассивного рассеивателя т.е. энергией в каждом канале. Проведено сравнение характеристик многоканального приёмника рассчитанных по соотношениям для независимых каналов, при числе каналов определённых по максимальному значению частоты спектра мощности

сигнала по соответствующим неизвестным параметрам модуляции. Расчёт по формулам для независимых каналов даёт завышенное значение вероятности правильного обнаружения.

При разносе каналов на интервал корреляции и более отношение сигнал-шум на выходе приёмника не достигает своего максимального значения и с помощью такого приёмника невозможно получить предельно возможные характеристик обнаружения ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Методом максимального правдоподобия синтезированы, алгоритмы обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя с фазовой модуляцией при его приёме на фоне переотраженного сигнала на частоте несущего колебания и помех, которые при когерентном приёме представляют разность квадратичных форм, а при некогерентном приёме разность квадратичных форм различной размерности;

2. По алгоритмам обнаружения составлена блок-схемы приёмников из стандартных радиотехнических блок и узлов, подтверждающая их реализуемость.

3. Найдены характеристики приёмника-обнаружителя при когерентном приёме, для случая известных и неизвестных параметров фазовой модуляции сигнала управляемого пассивного рассеивателя. Для вычисления характеристик получена формула плотности вероятности для квадратичной формы, составленной из совокупности гауссовских случайных величин, имеющих произвольные параметры.

4. Численно выполнены исследования влияния на характеристики обнаружения приёмника параметров фазовой модуляции сигнала управляемого пассивного рассеивателя и параметров фонового сигнала. Достаточно хорошие характеристики обнаружения можно получить при индексе модуляции и отношении амплитуд сигнала управляемого пассивного рассеивателя и фона больше единицы.

5. Предложен метод синтеза многоканального приёмника, основанный на теореме отсчётов для случайного процесса. Интервал между каналами приёмника по параметру индекс модуляции л/2, а по параметру начальная фаза модулирующего сигнала тс/2 деленное на индекс модуляции сигнала.

6. Вычислены характеристики приёмника-обнаружителя сигнала управляемого пассивного рассеивателя на фоне коррелирующих переотражений при некогерентном приёме путем сведения статистики выходного напряжения линейной заменой переменных к статистике нецентрального хи-квадрат распределения. Вероятность правильного обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя зависит от отношения сигнал-шум и от значения индекса модуляции. При индексе модуляции больше 2,3 вероятность правильного обнаружения зависит в основном от отношения сигнал-шум.

7. С использованием теории выбросов сигналов за высокий уровень найдена вероятность ложной тревоги и правильного обнаружения сигнала

управляемого пассивного рассеивателя на фоне помехи с двумя неизвестными параметрами модуляции: индекса модуляции и начальной фаза.

8. Исследовано влияние изменения числа каналов приёмника на его характеристики. При определении числа каналов по максимальной частоте спектра мощности сигнала по соответствующему неизвестному параметру, отношение сигнал-шум не уменьшается по сравнению с максимально возможным. Уменьшение числа каналов приводит к снижению отношения сигнал-шум на выходе многоканального приёмника.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

В изданиях рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ:

1.Степанов Г.В. Синтез оптимального приёмника-обнаружителя сигнала управляемого пассивного рассеивателя с известными параметрами фазовой модуляции / А.Н. Лукин, Г.В.Степанов // Вестник Воронежского института МВД России,- 2011.- №4.- С. 16-21.

2.Степанов Г.В. Отношение сигнал-шум на выходе интегрирующей цепи для сигнала бесконечной длительности/ А.Н. Лукин, Г.В. Степанов, A.B. Мальцев // Вестник Воронежского института МВД России.- 2011—№2 — С.14-18.

3.Степанов Г.В. Квазиоптимальный приёмник-обнаружитель сигнала управляемого пассивного рассеивателя с частично известными параметрами / А.НЛукин, A.B. Мальцев, Г.В. Степанов // Вестник Воронежского государственного технического университета- 2012 - т.8 - №1- С.113-116.

4.Степанов Г.В. Характеристики приёмника обнаружителя сигнала управляемого пассивного рассеивателя на фоне некогерентной пассивной помехи / Лукин А.Н., Степанов Г.В., А.В.Мальцев // Вестник Воронежского института МВД России - 2012 - №1,- С.128-134.

5.Степанов Г.В. Соотношение характеристик обнаружения сигналов пассивных радиометок с амплитудной и фазовой модуляцией / А.Н. Лукин, Г.В. Степанов, Р.В. Кузьменко // Вестник Воронежского института МВД России,- 2012,- №3,- С.162-166.

6.Степанов Г.В. Оценка числа каналов приёмника-обнаружителя сигнала управляемого пассивного рассеивателя с неизвестными параметрами фазовой модуляции / А.Н. Лукин, Г.В.Степанов // Вестник Воронежского института МВД России,-2013.-№1.-С. 155-163.

7.Степанов Г.В. Характеристики обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя с неизвестными параметрами фазовой модуляции / А.Н. Лукин, Степанов Г.В. // Вестник Воронежского института МВД России,- 2014,- №1.- С.25-35.

8.Степанов Г.В. Плотность вероятности квадратичной формы гауссовских случайных величин в обшем случае / А.Н.Лукин, Г.В. Степанов // Вестник Воронежского института МВД России, 2014, №3, С.195-202.

9.Степанов Г.В. Синтез приёмника-обнаружителя сигнала радиометки с неизвестными параметрами фазовой модуляции при когерентном приёме / А.Н. Лукин, Г.В. Степанов // Вестник Воронежского института МВД России,- 2014,- №4,- С.134-146. В иных изданиях:

Ю.Степанов Г.В. Анализ модуляционных свойств коммутируемого полуволнового вибратора / И.Ф.Струков, Г.В. Степанов, В.В.Селютин// Радиолокация, навигация, связь гсборник материалов XII Международной научно-технической конференции. — Воронеж, 2006 .— Т. 2. — С. 1336— 1339.

П.Степанов Г.В. Синтез приёмника для обнаружения сигнала управляемого диода- диполя / А.В.Мальцев, Г.В.Степанов // Актуальные проблемы деятельности подразделений УИСхборник материалов Открытой конференции преподавателей и сотрудников Воронежского института ФСИН России -Воронеж, 2008. - С. 17 - 19.

12.Степанов Г.В. Характеристики обнаружения сигнала с амплитудной модуляцией на фоне несущей частоты / A.B. Мальцев, Г.В. Степанов// Преступность в России. Состояние и проблемы предупреждения и раскрытия преступлений: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции - Воронеж: Воронежский институт МВД России - ч.2 - 2008 -С.119- 121.

13.Степанов Г.В. Экспериментальные исследования свойств управляемого пассивного рассеивателя/ А.Н.Лукин, Г.В.Степанов, В.Б Проскуряков // Вестник Воронежского института ФСИН России, 2011 .-№1- ИПЦ «Научная книга».- 2011-С.5-12.

14.Степанов Г.В. Импульсная характеристика одноконтурного параметрического усилителя / А.Н.Лукин, A.B. Мальцев, Г.В. Степанов //Вестник Воронежского института ФСИН России, 2011.—№1.— С. 13-15.

15.Степанов Г.В. Управляемые пассивные рассеиватели с фазовой модуляцией на p-i-n структурах / А.Н. Лукин, Г.В. Степанов//Вестник Воронежского института ФСИН России,2011. №2,- ИПЦ «Научная книга».— 2011.-С.6-12.

16.Степанов Г.В. Экспериментальные оценки параметров управляемых пассивных рассеивателей / Лукин А.Н., Проскуряков В.Б., Степанов Г.В.// Техника и безопасность объектов уголовно-исполнительной системы -2011: сборник материалов Международной научно-практической конференции: в 2 т. / ФКОУ ВПО Воронежский институт ФСИН России - Т.1.- Воронеж: ИПЦ "Научная книга".2011,- С.471-482.

17.Степанов Г.В. Синтез приёмника-обнаружителя сигнала управляемого пассивного рассеивателя с фазовой модуляцией на фоне переотражений и помех / А.Н. Лукин, Г.В. Степанов// Техника и безопасность объектов уголовно-исполнительной системы — 2011: сборник материалов Международной научно-практической конференции: 2 т./ ФКОУ ВПО

Воронежский институт ФСИН России- Т.1 - Воронеж: ИПЦ «Научная книга»,2011.- С.483-489.

18.Степанов Г.В. Характеристики сигнала фазового модулятора на р-ьп структурах / А.Н. Лукин, Г.В. Степанов// Техника и безопасность объектов уголовно-исполнительной системы - 2011: сборник материалов Международной науно-практической конференции: 2 т./ ФКОУ ВПО Воронежский институт ФСИН России- Т.1 - Воронеж: ИПЦ «Научная книга»,2011.- С.490-497.

19.Степанов Г.В. Синтез приёмника-обнаружителя сигнала управляемого пассивного рассеивателя с известными параметрами фазовой модуляции на фоне некогерентной помехи/ АЛ.Лукин, Г.В.Степанов //Вестник Воронежского института ФСИН России, 2012.-№1- Воронеж: ИПЦ «Научная книга»,2012.— С.5-9.

20.Степанов Г.В. Вероятностные характеристики обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя с фазовой модуляцией / А.Н.Лукин, Г.В.Степанов // Вестник Воронежского института ФСИН России, 2012.—№1 — Воронеж: ИПЦ «Научная книга»,2012 - С.10-13.

21.Степанов Г.В. Характеристики обнаружения сигнала управляемого пассивного рассеивателя с известными параметрами фазовой модуляции на фоне некогерентной помехи/ А.Н. Лукин, Г.В. Степанов // Актуальные проблемы деятельности подразделений УИС: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции/ ФКУ ВПО Воронежский институт ФСИН,- Воронеж: ИПЦ «Научная книга», 2012 - С.201-205.

22.Степанов Г.В. Сравнительный анализ характеристик обнаружения сигнала управляемого пассивного с амплитудной и фазовой модуляцией / А.Н. Лукин, Г.В. Степанов// Актуальные проблемы деятельности подразделений УИС: сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции/ ФКУ ВПО Воронежский институт ФСИН.- Воронеж: ИПЦ «Научная книга», 2012-С.196-200.

23.Степанов Г.В. Свойства выходного сигнала приёмника-обнаружителя максимального правдоподобия пассивных радиометок / А.Н. Лукин, Г.В. Степанов // Вестник Воронежского института ФСИН России, 2012.-№2.-Воронеж: ИПЦ «Научная книга»,2012,- С.5-12.

24.Степанов Г.В. Синтез приёмника-обнаружителя сигнала управляемого пассивного рассеивателя с неизвестными параметрами фазовой модуляции/ А.Н. Лукин, В.И. Парфёнов, Г.В. Степанов // Радиолокация, навигация, связь хборник материалов XX Международной научно-технической конференции. — Воронеж, 2014 .— Т. 2. — С.812—822.

25.Степанов Г.В. Характеристики обнаружения многоканального приёмника сигнала управляемого пассивного рассеивателя с неизвестными параметрами фазовой модуляции / А.Н. Лукин, В.И. Парфёнов, Г.В Степанов // Радиолокация, навигация, связь .-сборник материалов XX Международной научно-технической конференции. — Воронеж, 2014 .— Т. 2. — С.823—831.

Подписано в печать 13.02.2015 г. Формат 60x84 1/16 Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд.л.1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 32

Типография Воронежского института МВД России 394065, Воронеж, просп. Патриотов, 53