УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО ПОИСКА СИГНАЛОВ РАДИОСТАНЦИЙ, СМЕНЯЮЩИХ РАБОЧИЕ ЧАСТОТЫ Российский патент 2007 года по МПК H04B1/10 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиодиспетчерских пунктах мониторинга для анализа сигнальной обстановки и автоматического обнаружения сигналов радиостанций, постоянно сменяющих рабочие частоты.

Известно устройство для приема тональных частот (см. авторское свидетельство СССР 1720171, кл. МПК H04Q 1/46, 1989 г.), содержащее согласующий блок, формирователь импульсов, формирователь запускающих импульсов, генератор тактовых импульсов, два счетчика, два элемента И, два постоянных запоминающих блока, два счетчика, элемент ИЛИ, регистр, блок сравнения.

Известно устройство автоматического поиска каналов радиосвязи (см. авторское свидетельство СССР 1515373, кл. МПК Н04В 1/10, 1989 г.). Данное устройство содержит: блок опорных частот, приемник, преобразователь сигналов, регистр, формирователь управляющих сигналов, демультиплексор, К дополнительных регистров, мультиплексор, индикатор, распределитель, блок сравнения, блок начальной установки. Благодаря такой схеме устройство обеспечивает поиск каналов радиосвязи с минимальным уровнем помех. Кроме того, устройство может вести поиск работающих радиостанций путем измерения энергетики принимаемых сигналов.

Также известно устройство автоматического поиска сигналов по международной заявке WO/92/22147, кл. Н04В 1/40, содержащее приемник с автоматическим поиском частот радиосвязи, обнаружитель сигнала, генератор опорных частот, формирователь управляющего сигнала. Однако устройство также имеет недостаток. При ведении радиомониторинга сигнальной обстановки в условиях непостоянства уровня принимаемой смеси сигнал + шум устройство не обеспечивает требуемой вероятности обнаружения сигналов, особенно при частых сменах наблюдаемой радиостанцией рабочих частот.

Такие схемы аналогов обеспечивают обнаружение радиосигналов, однако, имеют низкую вероятность приема вследствие использования фиксированного энергетического порога принятия решения в пользу наличия сигнала в принимаемой смеси сигнал + шум в условиях непостоянства уровня принимаемого суммарного сигнала и отсутствия блока предсказания новой рабочей частоты в реальном масштабе времени с перестройкой тракта приема на новую частоту.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленному устройству (прототипом) является известное устройство автоматического поиска сигналов радиостанций (см. авторское свидетельство РФ 2202853, кл. МПК Н04В 1/10, 2003 г.), содержащее приемник с антенной, обнаружитель сигнала, формирователь управляющих сигналов, блок опорных частот. Однако устройство также имеет недостаток. При ведении радиомониторинга сигнальной обстановки устройство не обеспечивает предсказания новой рабочей частоты с последующей перестройкой тракта приема и, следовательно, требуемой вероятности приема сигнала.

Целью изобретения является разработка устройства автоматического поиска сигналов радиостанций, обеспечивающего более высокую вероятность приема сигналов в условиях непостоянства уровня принимаемой смеси сигнал + шум при сменах рабочих частот наблюдаемыми радиостанциями. Число и значения частот известны, порядок использования - нет.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство автоматического поиска сигналов радиостанций, содержащее: приемник с антенной, низкочастотный выход которого подключен к информационному входу обнаружителя сигналов, командный выход которого подключен к командному входу формирователя управляющих сигналов, выход формирователя управляющих сигналов подключен к входу дистанционного управления приемником и входу "начальная установка" обнаружителя сигнала, выход сигнала кода фиксированной частоты формирователя управляющих сигналов подключен к управляющему входу блока опорных частот, выход которого подключен к гетеродинному входу приемника, дополнительно введены связи и блоки. Выход формирователя управляющих сигналов подключен к командному входу блока предсказания новой рабочей частоты. Выход "код частоты" приемника подключен к информационному входу блока предсказания новой рабочей частоты. Выход временных отсчетов обнаружителя сигналов подключен к входу временных отсчетов блока предсказания новой рабочей частоты. Информационный выход блока предсказания новой рабочей частоты подключен к информационному входу блока опорных частот.

Причем блок предсказания новой рабочей частоты состоит из блока расчета интенсивности перехода с частоты на частоту и блока расчета вероятности использования частоты в качестве рабочей. Первый вход блока расчета интенсивности перехода с частоты на частоту является командным входом блока предсказания новой рабочей частоты, второй вход блока расчета интенсивности перехода с частоты на частоту является входом временных отсчетов блока предсказания новой рабочей частоты, третий вход блока расчета интенсивности перехода с частоты на частоту является информационным входом блока предсказания новой рабочей частоты. Выход блока расчета интенсивности перехода с частоты на частоту подключен к первому входу блока расчета вероятности использования частоты в качестве рабочей, второй вход блока расчета вероятности использования частоты является входом временных отсчетов блока расчета вероятности использования частоты. Выход блока расчета вероятности использования частоты подключен к информационному входу блока опорных частот.

Введение блока предсказания новой рабочей частоты, новых связей и конкретное выполнение блока предсказания позволяют обнаруживать сигнал в условиях непостоянства уровня принимаемой смеси сигнал + шум при сменах рабочих частот наблюдаемыми радиостанциями. Поиск сигналов осуществляется на основе расчета вероятностей использования частот пула с применением марковской аппроксимации процесса изменения рабочей частоты радиолинии. Решение о наличии сигнала в принимаемой смеси сигнал + шум принимается на основе критерия значимости. Гипотеза принимается, если за первых три перебора частотных позиций сигнал обнаружен.

Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых:

- на фиг.1 показана общая структурная схема заявленного устройства;

- на фиг.2 - схема блока расчета интенсивности перехода с частоты на частоту;

- на фиг.3 - схема блока расчета вероятности использования частоты в качестве рабочей.

Заявленное устройство, структурная схема которого показана на фиг.1, состоит из:

- приемника с антенной 1;

- обнаружителя сигнала 2;

- формирователя управляющих сигналов (ФУС) 3;

- блок опорных частот (БОЧ) 4;

- блока предсказания новой рабочей частоты (БПНРЧ) 5.

Блок предсказания новой рабочей частоты 5 объединяет в себе блок расчета интенсивности перехода с частоты на частоту (БРИЛ) 6 и блок расчета вероятности использования частоты в качестве рабочей (БРВИЧ) 7.

Низкочастотный выход 1.3 приемника 1 соединен с входом 2.1 обнаружителя сигнала 2. Выход 2.2 обнаружителя сигнала 2 соединен с входом 3.1 формирователя управляющих сигналов 3. Выход временных отсчетов 2.4 обнаружителя сигнала 2 соединен с входом временных отсчетов 6.2 блока расчета интенсивности перехода с частоты на частоту 6 и с входом временных отсчетов 7.3 блока расчета вероятности использования частоты 7. Выход 3.2 формирователя управляющих сигналов 3 соединен с входом 2.3 обнаружителя сигнала 2 и входом 1.2 приемника 1. Выход 3.3 формирователя управляющих сигналов 3 соединен с входом 4.1 блока опорных частот 4. Выход 3.4 формирователя управляющих сигналов 3 соединен с командным входом 6.1 блока расчета интенсивностей перехода с частоты на частоту 6. Информационный вход 6.3 блока расчета интенсивностей перехода с частоты на частоту 6 соединен с информационным выходом "код частоты" 1.4 приемника 1. Выход 6.4 БРИП 6 соединен с входом 7.1 блока расчета вероятности использования частоты в качестве рабочей 7. Информационный выход 7.2 БРВИЧ 7 соединен с информационным входом 4.3 блока опорных частот 4, выход 4.2 которого соединен с гетеродинным входом 1.1 приемника 1.

Номерам входов/выходов некоторых блоков соответствуют следующие названия:

- вход 1.1 приемника 1 - гетеродинный вход приемника;

- вход 1.2 приемника 1 - вход дистанционного управления приемником;

- выход 1.3 приемника 1 - низкочастотный выход приемника;

- выход 1.4 приемника 1 - информационный выход "код частоты" приемника;

- выход 2.4 обнаружителя сигнала 2 - выход временных отсчетов;

- вход 3.1 формирователя управляющих сигналов 3 - командный вход ФУС;

- выход 3.2 формирователя управляющих сигналов 3 - командный выход ФУС;

- выход 3.3 формирователя управляющих сигналов 3 - командный выход ФУС для БОЧ;

- вход 4.1 блок опорных частот 4 - управляющий вход БОЧ;

- вход 4.3 блока опорных частот 4 - информационный вход БОЧ;

- вход 6.1 блока расчета интенсивностей перехода с частоты на частоту 6 - командный вход БРИЛ;

- вход 6.2 блока расчета интенсивностей перехода с частоты на частоту 6 - вход временных отсчетов БРИЛ;

- вход 6.3 блока расчета интенсивностей перехода с частоты на частоту 6 - информационный вход БРИЛ;

- выход 7.2 блока расчета вероятности использования частоты в качестве рабочей 7 - информационный выход БРВИЧ;

- вход 7.3 блока расчета вероятности использования частоты в качестве рабочей 7 - вход временных отсчетов БРВИЧ.

В качестве блока опорных частот 4 и приемника 1 можно использовать серийно выпускаемое радиоприемное устройство Р-399А "Катран" или IC-R8500, где данные блоки технически реализованы.

Формирователь управляющих сигналов 3 может быть реализован по схеме, включающей генератор, логический элемент ИЛИ, дешифратор. Схемная реализация представлена в описании прототипа заявленного устройства.

Обнаружитель сигнала 2 может быть реализован по схеме, содержащей аналого-цифровой преобразователь, цифровой частотный детектор, блок вычисления дисперсии мгновенной частоты, банк эталонных дисперсий мгновенной частоты и блок сравнения дисперсий мгновенной частоты. Схемная реализация представлена в описании прототипа заявленного устройства.

Блок расчета интенсивностей перехода с частоты на частоту 6 может быть реализован по схеме, показанной на фиг.2. В частности схема включает: два дешифратора 8, 10, элемент задержки 9, счетчик 11, N канальный делитель 12 (N - число используемых частот), элемент памяти 13. Вход 6.3 дешифратора 8 является входом БРИЛ 6. Первый выход дешифратора 8 соединен с входом элемента задержки 9. Второй выход дешифратора 8 соединен со вторым входом дешифратора 10, первый вход которого соединен с выходом элемента задержки 9. N выходов дешифратора 10 соединены с N канальным входом N канального делителя 12. Первый вход N канального делителя 12 соединен с выходом счетчика 11, вход которого является входом временных отсчетов 6.2 БРИЛ. Второй вход N канального делителя 12 является командным входом 6.1 БРИЛ. Выход N канального делителя 12 соединен с входом элемента памяти 13, выход которого является выходом 6.4 БРИЛ.

В качестве элементов задержки могут быть использованы регистры памяти, реализованные на микросхемах К155, К531, К555, К561. Дешифратор может быть реализован на микросхемах серии К155, К555, К561, К564. Счетчик может быть реализован на микросхемах серии К155, К500, К531, К555, К561. Все остальные элементы могут быть выполнены на комбинационных сумматорах и реализованы на микросхемах серии К155, К500, К555, К561.

Блок расчета вероятности использования частоты в качестве рабочей 7 может быть реализован по схеме, показанной на фиг.3. В частности, схема включает: схему сравнения 20, дешифратор 21 и N каналов, каждый из которых содержит: N канальный перемножитель 14, два N канальных сумматора 15, 16, два перемножителя 17, 19, сумматор 18. Вход 7.1 N канального перемножителя 14 и N канального сумматора 15 является входом БРВИЧ 7. Вторые входы N канального перемножителя 14 являются вводами начальной установки БРВИЧ 7. Выходы N канального перемножителя 14 соединены с входами N канального сумматора 16. Выход N канального сумматора 15 соединен с первым входом перемножителя 17, второй вход которого является вводом начальной установки БРВИЧ 7. Выход N канального сумматора 16 соединен с первым входом сумматора 18. Выход перемножителя 17 соединен со вторым входом сумматора 18. Выход сумматора 18 соединен с первым входом перемножителя 19, второй вход которого является входом временных отсчетов 7.3 БРВИЧ 7. Выход перемножителя 19 соединен с входом схемы сравнения 20. Выход схемы сравнения 20 соединен с входом дешифратора 21. Выход дешифратора 21 является информационным выходом 7.2 БРВИЧ 7.

В качестве элементов задержки могут быть использованы регистры памяти, реализованные на микросхемах К155, К531, К555, К561. Дешифратор может быть реализован на микросхемах серии К155, К555, К561, К564. Счетчик может быть реализован на микросхемах серии К155, К500, К531, К555, К561. Схема сравнения может быть реализована на микросхемах серии К572, К594, МР7628, МР7633, К521, К554. Все остальные элементы могут быть выполнены на комбинационных сумматорах и реализованы на микросхемах серии К155, К500, К555, К561.

В целом блок предсказания новой рабочей частоты может быть реализован на аппаратной платформе АСЕХ 1К EVB-13.

Заявленное устройство автоматического поиска сигналов радиостанций, сменяющих рабочие частоты, работает следующим образом. Радиоприемное устройство (РПУ) последовательно сканирует контролируемые частоты. Обнаружитель сигнала принимает решение о наличии или отсутствии сигнала радиостанции на контролируемой частоте. В случае обнаружения сигнала ФУС формирует управляющий сигнал на БОЧ об остановке процесса сканирования по частотам. Обнаружитель сигнала постоянно контролирует наличие сигнала на частоте. В случае пропадания сигнала переключение РПУ по частотам возобновляется с учетом функционирования блока предсказания новой рабочей частоты, где определяется наиболее применимая частота, информация о которой поступает на БОЧ. В условиях априорной неопределенности использования частот радиолинией предложен поиск новой рабочей частоты на основе марковской аппроксимации процесса изменения рабочей частоты. Определение частоты осуществляется по вероятностному методу. Рассчитываются вероятности использования частот посредством решения системы дифференциальных уравнений первого порядка. Выбор новой частоты определяется по критерию максимума значения среди рассчитанных вероятностей.

Работа устройства автоматического поиска сигналов радиостанций, сменяющих рабочие частоты, по структурной схеме. Приемник 1 обеспечивает прием сигналов на фиксированных частотах. С низкочастотного выхода приемника 1 принимаемый сигнал поступает на вход 2.1 обнаружителя сигнала 2, обеспечивающего контроль наличия сигнала на контролируемой частоте. Если сигнал обнаружен, то на выходе 2.2 обнаружителя 2 формируется логическая единица, в противном случае - логический ноль. При наличии на вновь настроенной частоте полезного сигнала на выходе 3.3 ФУС 3 формируется логическая единица, которая запрещает дальнейшую перестройку приемника 1 по частотам. При этом с информационного выхода "код частоты" 1.4 приемника 1 считывается значение рабочей частоты для блока предсказания новой частоты 5 на информационный вход 6.3 БРИЛ 6. С выхода временные отсчеты 2.4 обнаружителя 2 временные метки поступают на вход временные метки 6.2 БРИЛ 6. Значения частоты и времени используются для расчета интенсивности переходов с частоты на частоту, которые в дальнейшем применяются для расчета значений вероятности использования частот. В случае отсутствия сигнала или его пропадания на рабочей частоте на выходе 3.3 ФУС 3 формируется логический ноль, разрешающий дальнейшую перестройку по частотам приемнику 1 в последовательности, определенной в блоке предсказания новой рабочей частоты 5. Значение частоты поступает на информационный вход 4.3 блока опорных частот 4. БОЧ 4 обеспечивает формирование высокостабильных колебаний для приема сигналов на фиксированных частотах. Вход БОЧ 4 - цифровой. Высокостабильные колебания, соответствующие n-ой фиксированной частоте, с выхода 4.2 БОЧ 4 подаются на гетеродинный вход 1.1 приемника 1.

Блок расчета интенсивностей перехода с частоты на частоту 6 работает следующим образом. Значение рабочей частоты, поступившее с информационного выхода "код частоты" 1.4 приемника 1, дешифруется в последовательный код на дешифраторе 8 и поступает на элемент задержки 9 и дешифратор 10. В результате на дешифраторе 10 формируется кодовая последовательность в случае различия значений, поступающих кодов с элемента задержки 9 и дешифратора 8, то есть фиксируется переход с частоты на частоту. На одном из выходов дешифратора 10 в зависимости от значения частоты, с которой и на которую осуществлен переход, формируется логическая единица, поступающая на делитель 12. Счетчик 11 считает длительность временного интервала между переключениями с частоты на частоту и передает данное значение на делитель 12. В случае разрешения перестройки на новую частоту - логическая единица на командном входе 6.1 делителя 12, поступившая с ФУС 3, - осуществляется деление значения перехода между частотами на время, то есть определяется интенсивность перехода с частоты на частоту. Результат деления поступает на элемент памяти 13, с которого через выход 6.4 БРИП - на вход 7.1 БРВИЧ 7.

Работа блока расчета вероятности использования частоты в качестве рабочей 7. Значения интенсивностей перехода с частоты на частоту поступают на вход 7.1 БРВИЧ, а именно параллельно на N каналов обработки. В каждом канале в зависимости от значений интенсивностей перехода с частоты на частоту рассчитывается вероятность использования частотной позиции по следующей схеме. Значения интенсивностей перехода с частоты на частоту суммируются на сумматоре 15. Результат суммирования перемножается с начальной вероятностью состояния нахождения радиолинии на частоте в перемножителе 17. Одновременно значения интенсивностей перемножаются на перемножителе 14 со значениями начальной вероятности состояний нахождения радиолинии на частоте. Результат перемножения суммируется на сумматоре 16. Сумматор 18 суммирует результаты сумматора 16 и перемножителя 17. На перемножителе 19 результат суммирования на сумматоре 18 перемножается со значениями времени наблюдения, вход временные отсчеты 7.3. В результате на выходе канала формируется значение вероятности использования частоты, которое в совокупности с другими значениями является решением системы дифференциальных уравнений первого порядка, описывающей марковский процесс изменения рабочей частоты радиолинией. В схеме сравнения 20 определяется частота, которая имеет наибольшую вероятность использования. Данное значение частоты дешифруется в параллельный код и передается на информационный вход 4.3 БОЧ 4.

Обоснование положительного эффекта предлагаемого устройства осуществлено следующим образом.

Показателем эффективности систем автоматического поиска сигналов радиостанций в условиях непостоянства уровня принимаемой смеси сигнал + шум и при сменах наблюдаемой радиостанцией рабочих частот является вероятность приема сигнала

где Р(А) - вероятность обнаружения сигнала (событие А);

Р(В/А) - вероятность определения рабочей частоты (событие В) в течение сеанса связи при условии, что сигнал на частоте обнаружен.

Для удобства сравнения рассчитана вероятность приема устройством поиска без блока предсказания новой рабочей частоты (устройство автоматического поиска сигналов радиостанций, авторское свидетельство РФ 2202853, кл. МПК Н04В 1/10, 2003 г.) и с данным блоком (предлагаемое устройство поиска сигналов). Анализируя значения рассчитанных вероятностей, можно сделать вывод, что вероятность приема устройства поиска с блоком предсказания новой рабочей частоты имеет большую вероятность приема сигнала, а именно вероятность поиска увеличивается на 0,26 при типовых условиях функционирования. Это подтверждает положительный эффект от внедрения нового устройства. Следовательно, заявляемое устройство может обеспечить поиск сигналов радиостанций, часто сменяющих рабочие частоты, в условиях непостоянства уровня принимаемой смеси сигнал + шум, с большей вероятностью, чем устройство прототип.

Источники информации

1. Вентцель Е.С. Исследование операций. - М.: Советское радио, 1972. - 551 с.

2. Статистическая теория и методология в науке и технике. К.А.Браунли. Перевод с английского М.С.Никулина, под редакцией Л.Н.Большова. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва "Наука", М., 1977.

3. Справочник по цифровой схемотехнике / В.И.Зубчук, В.П.Сигорский, А.Н.Шкурко. - К.: Техника, 1990. - 448 с.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиодиспетчерских пунктах мониторинга для анализа сигнальной обстановки и автоматического поиска сигналов радиостанций, постоянно сменяющих рабочие частоты. Техническим результатом является повышение вероятности приема сигналов в условиях непостоянства уровня принимаемой смеси сигнал + шум и частых сменах рабочих частот наблюдаемыми радиостанциями. Устройство автоматического поиска сигналов радиостанций, сменяющих рабочие частоты, включает приемник с антенной (1), обнаружитель сигнала (2), формирователь управляющих сигналов (3), блок опорных частот (4), блок предсказания новой рабочей частоты (5). Блок предсказания новой рабочей частоты (5) объединяет блок расчета интенсивности перехода с частоты на частоту (6) и блок расчета вероятности использования частоты в качестве рабочей (7). 3 ил.

Устройство автоматического поиска сигналов радиостанций, сменяющих рабочие частоты, содержащее приемник с антенной, низкочастотный выход которого соединен с информационным входом обнаружителя сигналов, командный выход которого подключен к командному входу формирователя управляющих сигналов, командный выход которого соединен с входом дистанционного управления приемником и с входом «начальная установка» обнаружителя сигналов, выход сигнала кода фиксированной частоты формирователя управляющих сигналов подключен к управляющему входу блока опорных частот, выход которого подключен к гетеродинному входу приемника, отличающееся тем, что выход формирователя управляющих сигналов подключен к командному входу блока предсказания новой рабочей частоты, выход "код частоты" приемника подключен к информационному входу блока предсказания новой рабочей частоты, выход временных отсчетов обнаружителя сигналов подключен к первому и второму входам временных отсчетов блока предсказания новой рабочей частоты, информационный выход блока предсказания новой рабочей частоты подключен к информационному входу блока опорных частот, причем блок предсказания новой рабочей частоты состоит из блока расчета интенсивности перехода с частоты на частоту и блока расчета вероятности использования частоты в качестве рабочей, при этом первый вход блока расчета интенсивности перехода с частоты на частоту является командным входом блока предсказания новой рабочей частоты, второй вход блока расчета интенсивности перехода с частоты на частоту является является первым входом временных отсчетов блока предсказания новой рабочей частоты, третий вход блока расчета интенсивности перехода с частоты на частоту является информационным входом блока предсказания новой рабочей частоты, выход блока расчета интенсивности перехода с частоты на частоту подключен к первому входу блока расчета вероятности использования частоты в качестве рабочей, второй вход блока расчета вероятности использования частоты является вторым входом временных отсчетов блока предсказания новой рабочей частоты, информационный выход блока расчета вероятности использования частоты является информационным выходом блока предсказания новой рабочей частоты.