АДАПТИВНЫЙ КЛАССИФИКАТОР СЛОЖНЫХ ШИРОКОПОЛОСНЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ Российский патент 2009 года по МПК H04L27/22 

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.

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 (ФHЧ₁ и ФНЧ₂), 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;

б) управитель, который на основе внешних целеуказаний о частоте f_s, ширине спектра Δf_s и длительности импульсов τ_и обеспечивает адаптацию по частоте гетеродинного напряжения; по частоте среза f_cp 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).

На чертеже приведена структурная схема адаптивного классификатора (АК), где 1, 2 - перемножители (П₁, П₂); 3, 4 - синтезаторы частоты (CЧ₁, СЧ₂); 5 - балансный модулятор с подавлением несущей и нижней боковой полосы (M₂); 6 - балансный модулятор с подавлением несущей и верхней боковой полосы (M₁); 7, 8, 19, 20, 29, 30, 31 - фильтры нижних частот (ФНЧ₁ - ФНЧ₇); 9, 10 - линии задержки (ЛЗ₁, ЛЗ₂); 11, 12, 13, 14 - перемножители (П₃-П₆); 15, 16, 23, 24, 25 - полосовые фильтры (ПФ₁-ПФ₅); 17, 18, 26, 27, 28 - детекторы огибающей (Д₁-Д₅); 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

при t₀+(i-1)Т_п≤t≤t₀+(i-1)T_п+τ_и;

N=T_c/T_п; S(t)=U_mscos[2πf_st+φ_s(t)],

где S(t) - СШИС; n(t) - гауссовая стационарная помеха; T_п - период повторения СШИС; N - количество импульсов; t₀, Т_с - начало и длительность сеанса РМ; φ_s(t) - закон изменения фазы в СШИС.

В АК осуществляется классификация следующих типов СШИС: ФМС, ЛЧМ, СЧМС.

База СШИС В=Δf_sτ_и>>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.

Законы изменения фазы СШИС φ_s(t) ширины их спектра Δf_s и база В описываются следующими соотношениями:

1) для ФМС φ_s(t)=ΔφП(t); Δφ∈[0, π];

Δf_s=1/T_э; B=τ_и/Т_э; j∈[1,В];

2) для ЛЧМС с нарастающим законом изменения частоты

при 0≤t≤τ_и;

B=Δf_дτ_и;

3) для ЛЧМС со спадающим законом изменения частоты

при 0≤t≤τ_и;

4) для СЧМС

где Δφ - величина скачка фазы; П(t) - манипулирующая функция; rect[x] - временное окно; Т_э - длительность элемента ФМС; Δf_д - девиация частоты; γ/2π - скорость изменения частоты.

Обработка СШИС в АК осуществляется в несколько этапов.

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 (ФНЧ₁, ФНЧ₂) по целеуказаниям о , подаваемым на их управляющие входы с третьего выхода Упр.

Напряжения на выходе ФНЧ₁ и ФНЧ₂ описываются следующими соотношениями:

где h(t) - импульсная реакция ФНЧ₁ и ФНЧ₂ с полосой пропускания Δf_ф0; U₁(t), S₁(t), n₁(t) - напряжения на выходе ФНЧ₁, соответствующие аддитивной смеси y(t), сигналу S(t) и помехи n(t); U₂(t), S₂(t), n₂(t) - напряжения на выходе ФНЧ₂, соответствующие аддитивной смеси y(t), сигналу S(t) и помехи n(t).

Гетеродинные напряжения U_г1(t) и U_г2(t) с частотами f_н и f_в формируются синтезаторами частоты CЧ₁ и СЧ₂, а также модуляторами с подавлением несущей частоты и боковой полосы M₁ и М₂. На CЧ₁ с первого выхода управителя (Упр) поступает целеуказание об оценке частоты

а на СЧ₂ со второго выхода Упр поступает целеуказание, соответствующее

В модуляторе M₁ осуществляется подавление верхней боковой полосы, а в М₂ - подавление нижней боковой полосы.

Напряжения S₂(t) и n₂(t) являются частотно-инвертированными, что приводит к изменению знака закона изменения фазы и обеспечивает некоррелированность напряжений S₁(t), S₂(t) и n₁(t), n₂(t).

На втором этапе обработки СШИС в АК осуществляется многоканальная корреляционно-фильтровая обработка напряжений U₁(t) и U₂(t), отличительной особенностью которой является вычисление аппаратных функций в области промежуточных частот. Для повышения помехоустойчивости АК по целеуказаниям о и осуществляется подстройка временного

сдвига τ_лз, вносимого линиями задержки (ЛЗ₁, ЛЗ₂) и средних частот f_фi и полос пропускания Δf_фi, в полосовых фильтрах (ПФ₁-ПФ₅), обеспечивающих выделение полезных продуктов аппаратных функций.

Напряжения на выходах полосовых фильтров ПФ₁-ПФ₅ имеют следующий вид:

где h₁(t), h₂(t), h₃(t), h₄(t), h₅(t) - импульсные реакции полосовых фильтров ПФ₁-ПФ₅; f₁-f₅ - средние частоты полосовых фильтров ПФ₁-ПФ₅; Δf_ф - полоса пропускания полосовых фильтров ПФ₁-ПФ₅; U_ss1(t), U_ss2(t), U_ss3(t), U_ss4(t), U_ss5(t) - компоненты, обусловленные взаимодействием типа «сигнал-сигнал»; U_sn1(t), U_sn2(t), U_sn3(t), U_sn4(t), U_sn5(t) - компоненты, обусловленные взаимодействием типа «сигнал-помеха»; U_nn1(t), U_nn2(t), U_nn3(t), U_nn4(t), U_nn5(t) - компоненты, обусловленные взаимодействием типа «помеха-помеха».

Временной сдвиг τ_лз устанавливается путем подачи команды с четвертого выхода Упр на управляющие входы ЛЗ₁ и ЛЗ₂. При временном сдвиге, вносимом ЛЗ₁ и ЛЗ₂, равном выражения для компонентов, обусловленных взаимодействием типа «сигнал-сигнал», описываются следующими выражениями:

где δφ₁, δφ₂, δφ₃ - начальные фазы.

Полоса пропускания ПФ₁-ПФ₅ одинакова, равна Δf_ф=2/τ_и и устанавливается по команде, снимаемой с четвертого выхода Упр и подаваемой на первые управляющие входы ПФ₁-ПФ₅. 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_ss1(t)-U_ss5(t), которые соответствуют последовательности простых импульсных сигналов с длительностью τ_и/2 и периодом повторения T_п при наличии свертки спектра и последовательности импульсных сигналов с длительностью τ_и/2 при расширенном за счет декорреляции СШИС спектром и периодом повторения T_п.

Последовательности простых импульсных сигналов с длительностью τ_и/2 и периодом повторения T_п имеют место:

1) при приеме ЛЧМС с нарастающим законом изменения частоты на выходе ПФ₁ и ПФ₃ при условии, что и

2) при приеме ЛЧМС со спадающим законом изменения частоты на выходе ПФ₁ и ПФ₄ при условии, что и

3) при приеме СЧМС на выходе ПФ₂ при условии, что и

Последовательности импульсных сигналов с длительностью и расширенным спектром имеют место:

1) при приеме ФМС на выходах ПФ₁-ПФ₄;

2) при приеме ЛЧМС с нарастающим законом изменения частоты на выходах ПФ₂ И ПФ₄;

3) при приеме ЛЧМС со спадающим законом изменения частоты на выходах ПФ₂ и ПФ₃;

4) при приеме СЧМС на выходах ПФ₁ и ПФ₃.

В пятом канале АК осуществляется корреляционная обработка частотно-инвертированных СШИС при τ_лз=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 и периодом повторения T_п.

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

2) для компонентов «сигнал-помеха» для всех типов ШС на выходе всех ПФ (ПФ₁-ПФ₅)

3) для компонентов «помеха-помеха» для всех типов ШС на выходе всех ПФ (ПФ₁-ПФ₅)

где P_s1, P_s2, P_s3, P_s4, P_s5 - мощность компонентов «сигнал-сигнал» на выходе ПФ₁, ПФ₂, ПФ₃, ПФ₄, ПФ₅ соответственно; , - дисперсия компонентов «сигнал-помеха» и «помеха-помеха»; - дисперсия помехи n(t) на входе АК.

Напряжение с выходов полосовых фильтров U_ф1(t)-U_ф5(t) после детекторов Д₁-Д₅ и фильтров нижних частот ФНЧ₁-ФНЧ₅ поступают на пороговые устройства ПУ₁-ПУ₅, в которых принимается решение о наличии или отсутствии сигнала в канале АК:

i∈[1,5]T=τ_ин,

где U_yi(t) - напряжение на выходе i-го ФНЧ; U_фi(t) - напряжение на выходе i-го ПФ; U_пор - пороговое напряжение; Т - постоянная интегрирования ФНЧ; τ_ин - нижняя граница диапазона длительностей исследуемых СШИС; Н_0i, - 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

Н_об≡Н₀₅ и классификация СШИС в соответствии со следующими алгоритмами:

- при приеме ФМС

- при приеме ЛЧМС с нарастающим законом изменения частоты (Н_лчм1)

- при приеме ЛЧМС со спадающим законом изменения частоты (Н_лчм2)

- при приеме СЧМС со спадающим законом изменения частоты

где Н_об - гипотеза об обнаружении ФМС; Н_фм - гипотеза о приеме ФМС; Н_лчм1,

Н_лчм2 - гипотезы о приеме ЛЧМ₁ и ЛЧМ₂ соответственно; Н_счм - гипотеза о приеме СЧМС.

Помехоустойчивость АК характеризуется вероятностью правильного обнаружения Д₅, ложной тревоги α₅ при обнаружении и вероятностью ошибочных решений при классификации

Д_i=1-β_i,

где α_i, β_i - вероятности ложной тревоги и пропуска сигнала в i-м канале АК.

Учитывая, что при Δf_фT≈1 распределение напряжения на выходе ФНЧ соответствует закону Релея-Райса расчет вероятностей α_i и β_i можно осуществить на основе следующих соотношений [4]:

β_i=1-Д_i; Д_i=Q(g,g_п);

где Д_i - вероятность правильного обнаружения в i-м канале АК; Q(g, g_п) - функция Маркума; g_п - нормированный порог; g_ф, 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:

при α_i=β_i=2·10^-3; В∈[10³; 10⁴] имеем Д₅=0,998; α₅=2·10^-3; Р_ош=10^-2 и тогда для В=10³ получаем Δf_s=2·10⁷ Гц, τ_и=5·10^-5 с и =0,15 (-8 дБ); а для В=10⁴ получаем Δf_s=2·10⁸ Гц, τ_и=5·10^-4 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.

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и может быть использовано для обнаружения и классификации сложных широкополосных импульсных сигналов. Достигаемый технический результат - повышение помехоустойчивости при обработке сложных широкополосных импульсных сигналов. Устройство содержит шесть перемножителей, семь фильтров нижних частот, две линии задержки, два синтезатора частоты, два модулятора, пять полосовых фильтров, пять детекторов огибающей, пять пороговых устройств, решающее устройство, управитель. 1 ил.

Адаптивный классификатор сложных широкополосных импульсных сигналов, содержащий перемножители (1, 2, 11, 12, 13, 14), фильтры нижних частот (7, 8), линии задержки (9, 10), 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), отличающийся тем, что в него 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), на вход управителя (35) поступают внешние целеуказания о средней частоте, ширине спектра и длительности импульсов классифицируемых сигналов, первый выход управителя (35) соединен с управляющим входом первого синтезатора частоты (3), а второй выход управителя (35) соединен с управляющими входами второго синтезатора частоты (4) и полосовых фильтров (16, 23, 24), третий выход управителя (35) соединен с управляющими входами фильтров нижних частот (7, 8) и полосовых фильтров (15, 25), четвертый выход управителя (35) соединен с управляющими входами линии задержки (9, 10) и вторыми управляющими входами полосовых фильтров (15, 16, 23, 24, 25), выходы пороговых устройств (21, 22, 32, 33, 34) соединены со входом решающего устройства (36).