Разработка и исследование методов и устройств обнаружения и распознавания шумоподобных сигналов и защиты от узкополосных и подобных помех

В современных системах передачи информации (СПИ) обозначилась тенденция интенсивного внедрения систем с расширением спектра сигналов, что обусловлено большими успехами в разработке и использовании цифровых технологий при реализации методов обработки сигналов и передачи информации .

В связи с постоянным ростом количества и типов радиоэлектронных средств в разрешенных диапазонах частот СПИ должны обеспечивать достоверный прием информации в условиях сложной помеховой обстановки. Поэтому все большее распространение получают широкополосные СПИ, использующие шумоподобные сигналы (ШПС), которые позволили за счет применения сложного кодирования информации существенно увеличить число обслуживаемых абонентов, повысить помехоустойчивость и скрытность передаваемой информации.

Бурное развитие микроэлектроники, телекоммуникационных и информационных технологий предполагает интенсивное развитие СПИ с ШПС в будущем, что стимулирует разработку новых методов передачи и обработки информации, а также защиту СПИ с ШПС от воздействия различного рода помех.

Принципиальная возможность использования ШПС в СПИ показана в фундаментальных работах В. А. Котельникова [1] и К. Шеннона [2]. В дальнейшем теория и техника связи, в частности СПИ с ШПС, получили развитие в трудах ряда отечественных и зарубежных ученых. Наиболее значительные результаты обобщены в монографиях и обзорах [3−43].

В реальных условиях СПИ с ШПС, как правило, работают в шумах и помехах, уровень которых часто превосходит уровень полезного сигнала, что существенно усложняет обнаружение и распознавание ШПС. Эффективность СПИ, использующих ШПС, в значительной степени определяется скоростью вхождения в синхронизм принимаемого ШПС с его копией в приемном устройстве (ПУ). Использование в таких системах ШПС, сформированных на псевдослучайных последовательностях (ПСП) большой длины, порождает дополнительную проблему, связанную с необходимостью быстрого и надежного установления кодовой синхронизации [14,20,22], которая является одной из причин, сдерживающих применение ШПС в СПИ.

Известным решением проблемы кодовой синхронизации при поиске ШПС с неизвестным временем появления является построение многоканального корреляционного приемника или приемника с набором согласованных фильтров [11,12]. При этом может быть достигнуто минимальное время поиска искомого ШПС. Однако такой подход сокращения времени поиска не всегда приемлем, так как требует для своей реализации больших технических ресурсов, особенно для ШПС на ПСП большой длины.

В связи с наблюдающейся тенденцией применения все более длинных ПСП для формирования ШПС, актуальность проблемы кодовой синхронизации в СПИ с ШПС возрастает. В настоящее время ведутся интенсивные исследования в области разработки методов и устройств кодовой синхронизации ШПС и их защиты от помех как у нас в стране [22,24,26,37−45], так и за рубежом [33−36,46−55]. Если ранее сдерживающим фактором для внедрения методов кодовой синхронизации являлось недостаточное развитие элементной базы, то на современном этапе имеются признаки «кризиса» алгоритмов [56]. Поэтому разработка новых и совершенствование известных алгоритмов и устройств быстрого поиска ШПС является актуальной задачей.

Для построения СПИ с ШПС, обладающих высокой скоростью и простотой формирования ШПС, целесообразно использовать линейные рекуррентные последовательности максимального периода (МЛРП) [6,10,12,20]. Из-за сложности обработки ШПС с основанием рекуррентной ПСП, большим двух, широкое распространение получили СПИ с ШПС, построенными на двоичных МЛРП [4,6,7,10,12,14,20], называемых часто последовательностями Хаффмена или М-последовательностями. Поэтому постоянно высокий интерес вызывают алгоритмы и устройства быстрого поиска ШПС, построенные на двоичных МЛРП, которые в дальнейшем для простоты будем называть ПСП. Среди таких алгоритмов следует отметить метод последовательной оценки символов [57] и его модификации. Однако низкая помехоустойчивость метода последовательной оценки символов ограничивает сферу его применения умеренно малыми отношениями сигнал-шум по мощности.

Повысить помехоустойчивость СПИ с ШПС, а следовательно, и сократить время вхождения в кодовый синхронизм можно, если использовать информационную избыточность ПСП, заложенную в них при кодировании. Оригинальный подход к решению данной задачи предложен в [А 10]. Представив двоичную рекуррентную ПСП сложной цепью Маркова с двумя равновероятными состояниями и используя теорию условных марковских процессов, в [А 15, A39] получены оптимальные уравнения нелинейной фильтрации ШПС, построенных на двоичных МЛРП. Синтезированные на их основе структуры ПУ позволяют осуществить быстрый поиск ШПС минимальными техническими и временными ресурсами. Результаты исследований [А28,А38,А39,А47,А52,А68-А70,А72-А74,А79-А81] помехоустойчивости синтезированных в [А15,А39] устройств поиска бинарных ШПС показали более высокую эффективность, чем устройства быстрого поиска ШПС, предложенные Р. Уордом [57].

Важным достоинством устройств фильтрации ШПС, разработанных в [А28,А39,А47,А79], является то, что в условиях априорной неопределенности о времени прихода ШПС и его структуре они хорошо приспособлены для построения простых в реализации адаптивных устройств поиска ШПС с более высокими характеристиками, чем без адаптации. В частности, что особенно важно при поиске ШПС, в адаптивных устройствах поиска по сравнению с неадаптивными при отсутствии ШПС удалось уменьшить время поиска ШПС за счет снижения количество ложных тревог.

Указанные выше методы обработки ШПС основывались на предположении, что все параметры сигнала, за исключением информационного, известны, и на входе ПУ действует только белый гауссовский шум. Такой подход к решению радиотехнических задач является обоснованным, так как позволяет получить результаты, близкие к потенциально возможным. В действительности на входе ПУ в СПИ могут воздействовать помехи, различные по мощности и характеру. Последние исследования СПИ с ШПС [36] показали, что разработать ПУ, обеспечивающее устойчивую синхронизацию с искомым ШПС, в условиях одновременного действия различного рода мощных помех, практически невозможно. Попытки синтезировать подобные ПУ приводят к нелинейным устройствам большой сложности [20,21]. Поэтому иногда целесообразнее добавить в ПУ, синтезированное при наличии только собственных шумов, устройства, обеспечивающие подавление конкретных помех. Установлено [14,20,21,36], что для СПИ с ШПС наиболее опасными являются мощные узкополосные (УП), в частности гармонические (ГП), и подобные полезному сигналу структурные помехи, часто называемые в литературе подобными помехами (Ш1).

Исследования показали, что мощные ГП могут полностью нарушить нормальное функционирование разработанных устройств быстрого поиска ШПС. Важным достоинством синтезированных ПУ с НФ, предназначенных для поиска ШПС в белом гауссовском шуме, является способность обнаруживать стационарные мощные ГП за счет структурных различий ШПС и ГП. Данные особенности синтезированных ПУ позволили разработать эффективные и простые в реализации методы подавления ГП, применимые в условиях полной или частичной информации о параметрах ГП. Так, незначительное усложнение структуры ПУ с НФ позволяет наряду с поиском ШПС измерять амплитуду и частоту ГП, а полученные оценки параметров ГП используются для компенсации ГП.

В качестве альтернативного метода подавления ГП предлагается подавление ГП с помощью адаптивного цифрового фильтра на основе использования фильтра со скользящим усреднением. Метод применим и в случае, если ГП нестационарна, а эффективность подавления зависит только от точности определения частоты ГП. Для оценивания частоты ГП применяется метод, основанный на усреднении числа выборок за несколько периодов ГП.

Распространенным способом борьбы с УП является глубокая режекция, эффективность которой в значительной степени зависит от точности измерения основных параметров УП, имеющих в общем случае случайный характер. Поэтому задача оценивания параметров УП с высокой точностью является ключевым моментом повышения помехоустойчивости устройств быстрого поиска ШПС, работающих при наличии УП на входе ПУ. В [А11,А13] получены уравнения совместной фильтрации двух параметров УП: амплитуды и частоты в предположении, что их флуктуации являются случайными марковскими процессами, причем флуктуации амплитуды УП имеют рэлеев-ское распределение, а частоты — гауссовское. На основе полученных уравнений синтезированы устройства фильтрации, характерной особенностью которых является наличие перекрестных связей между каналами измерения частоты и амплитуды с весовой обработкой, способствующей повышению точности измерения указанных параметров УП по мере их фильтрации.

В работах, посвященных анализу воздействия ПП [58,59], отмечается, что в СПИ с ШПС, особенно с цифровой обработкой, практически отсутствуют эффективные методы борьбы с ПП. Отсюда следует, что задача отыскания алгоритмов и устройств быстрого поиска ШПС, защищенных от воздействия ПП, является актуальной, особенно в настоящее время, когда число СПИ с ШПС непрерывно растет.

В [А36,А43] для подавления ГШ предлагается использовать метод компенсации, основанный на выявлении структурных особенностей ПП и измерении ее параметров. Поставленная цель достигается введением дополнительных каналов оценивания параметров 1111, аналогичных каналу поиска полезного сигнала. Синтезированное ПУ с НФ для быстрого поиска искомого ШПС с параллельными каналами одновременного оценивания параметров нескольких ПП и блоком их компенсации уже при числе ПП более трех представляет собой сложное для реализации устройство. Упрощения ПУ с НФ можно достичь выбором тактики поочередного последовательного обнаружения и измерения параметров ПП, начиная с наиболее мощной ПП, и последующей ее компенсацией. Проведенные исследования показали высокую эффективность метода по сравнению с известными.

Дальнейшего повышения эффективности предложенного метода можно достичь путем точного измерения требуемых параметров ПП. В тех случаях, когда параметры 1111 являются случайными марковскими процессами, в [А56,А81] получены уравнения совместной нелинейной фильтрации дискретного и непрерывных параметров ПП. Синтезированные на основе полученных уравнений устройства совместной фильтрации имеют ясный физический смысл, просты в реализации и позволяют повысить точность оценивания параметров ПП.

В задачах, когда необходимо осуществлять одновременный быстрый поиск нескольких ШПС, построенных на рекуррентных ПСП максимального периода с основанием два и более, получаемых посимвольным сдвигом исходной (базовой) ПСП, необходимо иметь многоканальное ПУ.

Снизить сложность ПУ для одновременного поиска нескольких ШПС, принадлежащих одному классу, можно, если учесть рекуррентные свойства ПСП искомых ШПС, которые приводят к представлению рекуррентных ПСП максимального периода /и-значными цепями Маркова (т — степень порождающего полинома). Такое представление ПСП основано на том, что в двоичных ГТСГТ, являющихся МЛРП, каждый последующий символ зависит только от т-значной комбинации предыдущих символов, и символы внутри m-значной комбинации независимы. Это свойство сложных цепей Маркова [60−62] позволяет считать рекуррентную ПСП т-ичной цепью Маркова с несколькими равновероятными состояниями и использовать для получения алгоритмов фильтрации ШПС, построенных на рекуррентных ПСП, теорию условных марковских процессов [10,63−64].

В рамках сделанных предположений относительно ПСП в [А31,А54,А55] разработаны методы, на основе которых получены алгоритмы и синтезированы ПУ для одновременного поиска нескольких двоичных ШПС, принадлежащих одному классу и имеющих одинаковую длительность, равную или кратную периоду двоичной рекуррентной ПСП. Характерной особенностью синтезированных в [А31,А54,А55] устройств является сочетание свойств коррелятора — неограниченно накапливать ШПС и согласованного фильтра — сжимать ШПС в узкий импульс длительностью, не превышающей длительность элементарного импульса ШПС. Проведенные в [А31,А46,А51] исследования синтезированных ПУ для быстрого поиска двоичных ШПС показали в присутствии белого гауссовского шума, ГП и 1111 их высокую помехоустойчивость, не уступающую многоканальному корреляционному приему. Существенной особенностью синтезированных в [А31,А54,А55] ПУ, упрощающих их реализацию, является отсутствие генераторов опорных ШПС.

Быстрое совершенствование элементной базы, автоматизированных средств проектирования и отладки электронной аппаратуры, методов цифровой обработки сигналов, телекоммуникационных и информационных технологий позволяет сократить разрыв между теорией и практикой. Цифровая обработка ШПС предъявляет высокие требования к скоростным характеристикам ПУ, а следовательно, и к вычислительной сложности разработанных алгоритмов. Аппаратно-программная реализация синтезированных в данной работе устройств требует обоснованного выбора элементной базы, применения современных принципов автоматизированного проектирования радиоэлектронной аппаратуры на основе прогрессивных методов цифровой обработки сигналов и передовых достижений телекоммуникационных и информационных технологий. С учетом этих требований разработаны принципы программно-аппаратурной реализации, на основе которых получены обеспечивающие минимум технических и временных ресурсов варианты реализации основных блоков синтезированных устройств.

Защита устройств быстрого поиска двоичных ШПС от УП и ПП более эффективна, если установлен факт наличия помех и определен их тип. Этим целям может служить периодический кратковременный экспресс-анализ по-меховой обстановки, который позволяет выявлять и идентифицировать помехи. Полученная информация о помехах способствует целенаправленному подавлению конкретных помех. Для решения данной задачи широко используются спектроанализаторы, построенные на основе дискретного преобразования Фурье (ДПФ). Однако ДПФ имеет существенные недостатки: явление Гиббса, низкую разрешающую способность, отсутствие информации о временном распределении энергии, низкую эффективность при анализе нестационарных сигналов. Поэтому в целях ослабления влияния перечисленных недостатков на качество экспресс-анализа помеховой обстановки в ряде случаев целесообразнее в качестве альтернативы ДПФ использовать время-частотные распределения (ВЧР).

Целью диссертационной работы является решение научно-технической проблемы сокращения времени кодовой синхронизации в устройствах быстрого обнаружения и распознавания (поиска) ШПС, построенных на рекуррентных ПСП, заключающееся в разработке методов синтеза алгоритмов и устройств для быстрого поиска ШПС, использующих статистическую избыточность ПСП для повышения помехоустойчивости приема ШПС при наличии белого гауссовского шума, ГП и ПП, и методов подавления помех, основанных на синтезе алгоритмов и устройств обнаружения, распознавания и измерения параметров помех для их режекции и компенсации. Получить результаты в аналитической и графической формах в рамках поставленной цели удается при условии, что дискретный параметр ШПС, построенных на рекуррентных ПСП, представляется дискретнозначным марковским процессом, принимающим конечное число состояний, а непрерывные параметры помех — гауссовскими или рэлеевскими марковскими процессами с непрерывным пространством изменений и дискретным временем.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

1. Разработка, развитие и совершенствование методов синтеза алгоритмов и устройств нелинейной фильтрации дискретного параметра ШПС на рекуррентных ПСП, базирующихся на представлении рекуррентных ПСП дискретнозначным марковским процессом с конечным числом состояний (цепью Маркова), и синтеза на основе разработанных методов алгоритмов и структур ПУ для ускоренного поиска ШПС при действии белого гауссовско-го шума, позволяющих за счет использования рекуррентных свойств ПСП сократить время поиска ШПС минимальными временными и техническими ресурсами.

2. Разработка методов адаптивной фильтрации дискретного параметра ШПС, построенных на двоичных рекуррентных ПСП, и синтеза на их основе алгоритмов и структур ПУ для быстрого поиска ШПС в условиях априорной неопределенности о времени появления и структуре ШПС, позволяющих сократить время поиска ШПС за счет снижения уровня ложных тревог.

3. Разработка методов подавления ГП и 1111 на основе использования особенностей структуры синтезированных устройств поиска ШПС для обнаружения и измерения параметров ГП и 1111.

4. Разработка методов борьбы с УП, основанных на их подавлении с помощью глубокой режекции, путем синтеза алгоритмов и устройств совместной фильтрации параметров УП при марковских рэлеевских флуктуациях амплитуды и гауссовских флуктуациях частоты.

5. Разработка методов защиты от 1111, основанных на компенсации 1111, путем синтеза алгоритмов и устройств совместной нелинейной фильтрации дискретных и непрерывных параметров ПП.

6. Разработка метода фильтрации дискретного параметра ШПС, позволяющего синтезировать алгоритмы и структуры ПУ для одновременного поиска нескольких ШПС, принадлежащих одному классу, имеющих одинаковую энергию и длительность и требующих для своей реализации минимума технических ресурсов.

7. Анализ помехоустойчивости синтезированных ПУ для быстрого поиска одного и нескольких ШПС в условиях действия белого гауссовского шума, ГП и 1111 при отсутствии и наличии мер защиты от помех.

8. Разработка принципов практической реализации программно-аппаратными средствами основных блоков и устройств синтезированных ПУ на основе современной цифровой элементной базы и прогрессивных методов ЦОС. Разработка рекомендаций по применению ВЧР для экспресс-анализа помеховой обстановки для повышения эффективности раздельного применения устройств защиты от помех.

При теоретических исследованиях используются методы статистической теории связи, теории оптимальной нелинейной фильтрации, теории условных марковских процессов, математической статистики, статистической теории выбора и принятия решений, линейной и булевой алгебры, рядов, теории дифференциальных уравнений, специальных функций.

На защиту выносятся следующие основные научные результаты:

1. Разработан метод качественного и количественного исследований оптимальной нелинейной фильтрации ШПС, построенных на двоичных МЛРП, отличающийся применением функционально-структурного подхода к синтезу алгоритмов и структур ПУ на минимум технических и временных ресурсов в задачах поиска ШПС, реализующих структурные свойства рекуррентных ПСП для повышения помехоустойчивости ПУ в условиях действия белого гауссовского шума, позволяющий определить общие свойства и прогнозировать особенности фильтрации ШПС в условиях действия ГП и ПП.

2. Синтезированы структуры для адаптивной нелинейной фильтрации дискретного параметра ШПС, формируемых на основе двоичных МЛРП, при априорной неопределенности времени прихода и структуры искомого ШПС. Это позволило уменьшить время кодовой синхронизации в построенных на основе этих структур устройствах быстрого поиска ШПС за счет снижения уровня ложных обнаружений при отсутствии ШПС.

3. Проведен количественный и качественный анализ помехоустойчивости синтезированных оптимальных и адаптивных ПУ для быстрого поиска ШПС в условиях действия белого гауссовского шума, ГП и ПП, показавший возможность реализации с меньшими потребностями в ресурсах информационной избыточности ПСП искомого ШПС для повышения помехоустойчивости и сокращения времени кодовой синхронизации ШПС.

4. Для одновременного поиска нескольких ШПС, принадлежащих одному классу и имеющих одинаковую энергию и длительность, разработан метод синтеза алгоритмов и устройств на основе представления ПСП искомого ШПС тичными цепями Маркова с конечным числом состояний и анализ помехоустойчивости синтезированных ПУ в условиях действия белого гауссовского шума, ГП и ПП.

5. Разработаны и исследованы методы обнаружения, распознавания и измерения параметров мощных ГП и ПП на основе структуры, аналогичной НФ синтезированных ПУ для быстрого поиска ШПС, позволившие повысить эффективность мер борьбы с ГП и ПП.

6. Для повышения эффективности подавления УП за счет увеличения точности измерения параметров УП разработан на основе синтеза алгоритмов и структур метод совместной нелинейной фильтрации параметров УП, базирующйся на представлении флуктуаций УП марковскими случайными процессами с разными вероятностными распределениями.

7. Для увеличения степени подавления 1111 за счет повышения точности измерения параметров 1111 синтезированы алгоритмы и устройства совместной фильтрации параметров ПП, характеризующиеся комплексным применением аппроксимации параметров помех дискретными по времени, дискретными и непрерывными по состояниям марковскими процессами, апостериорной независимостью параметров и выбором критериев оптимальности, минимизирующих ошибки фильтрации.

8. Разработаны рекомендации по аппаратно-программному построению вариантов цифровой реализации блоков и устройств синтезированных ПУ для поиска ШПС и устройств защиты от ГП и 1111. Даны рекомендации по применению ВЧР для проведения экспресс-анализа помеховой обстановки.

Новизна научных результатов состоит в следующем:

1. Распространена теория нелинейной фильтрации параметров импульсных коррелированных сигналов на фильтрацию дискретного параметра ШПС и ПП, построенных на основе двоичных рекуррентных ПСП, при их представлении в виде дискретнозначного марковского процесса с двумя состояниямицепи Маркова, что позволило расширить рамки применимости теории условных марковских процессов в задачах синтеза алгоритмов и устройств быстрого поиска ШПС и выразилось в расширении класса фильтруемых процессов.

2. Разработан метод качественного и количественного исследований оптимальной нелинейной фильтрации ШПС, построенных на двоичных МЛРП, отличающийся применением функционально-структурного подхода к синтезу алгоритмов и структур ПУ, позволяющему снизить требования к ресурсам в задачах поиска ШПС, реализующих рекуррентные свойства ПСП для сокращения времени поиска ШПС в условиях действия белого гауссовского шума, позволяющий с учетом общих свойств прогнозировать особенности фильтрации ШПС в условиях действия ГП и 1111.

3. Синтезированы структуры адаптивных ПУ для быстрого поиска ШПС при отсутствии априорной информации о времени прихода и структуре искомого ШПС, позволяющие снизить время кодовой синхронизации искомого ШПС за счет повышения устойчивости режима фильтрации ШПС и низкого уровня ложного обнаружения при отсутствии ШПС.

4. Разработаны методы раздельного подавления ГП и 1111, требующие незначительного усложнения структуры синтезированных ПУ для измерения параметров ГП и ПП. Повышение эффективности раздельного подавления УП и ПП достигается за счет увеличения точности измерения параметров УП и ПП на основе синтеза алгоритмов и структур совместной нелинейной фильтрации параметров помех, базирующейся: а) на представлении флук-туаций ГП марковскими случайными процессами с разными вероятностными распределениямиб) на комплексном применении аппроксимации параметров ПП дискретными по времени, дискретными и непрерывными по состояниям марковскими процессами и апостериорной независимостью параметров.

5. Разработан метод синтеза алгоритмов и структур ПУ для одновременного поиска нескольких ШПС с одинаковой энергией и длительностью на основе представления ПСП искомого ШПС /w-ичными цепями Маркова с конечным числом состояний, позволяющий сократить затраты технических ресурсов на реализацию по сравнению с многоканальными корреляционными и фильтровыми устройствами.

Практические результаты диссертационной работы связаны с применением разработанных алгоритмов и синтеза на их основе структур ПУ для быстрого поиска ШПС в условиях сложной помеховой обстановки.

Разработанные методы построения алгоритмов и структур ПУ для быстрого поиска ШПС, обнаружения и измерения параметров УП и ПП, базирующихся на теории оптимальной нелинейной фильтрации, являются эффективным инструментом систематического и обоснованного упрощения известных точных алгоритмов фильтрации и позволяют сократить разрыв между принципиально сложными по построению, громоздкими и трудно поддающимися практической реализации теоретическими разработками и назревшими потребностями в создании современного технического арсенала простых в реализации, надежных и эффективных средств нелинейной фильтрации ШПС, отвечающих все более возрастающим требованиям повышения точности и быстродействия в цифровых СПИ с ШПС, работающих в сложной помеховой обстановке.

Конкретная практическая ценность работы заключается в том, что:

1. Разработанные алгоритмы и структуры ПУ, в том числе и адаптивные, для быстрого поиска ШПС, формируемых на двоичных рекуррентных ПСП, базирующиеся на нелинейной фильтрации дискретного параметра ШПС, ориентированы на практическую реализацию минимальными техническими и временными ресурсами и позволяют сократить время кодовой синхронизации ШПС в задачах поиска ШПС при наличии белого гауссовского шума, УП и 1111.

2. Алгоритмы и структуры синтезированных устройств поиска ШПС, позволяющие обнаруживать, распознавать и измерять параметры мощных ГП и ПП, обеспечивают подавление помех в устройстве поиска ШПС без значительного усложнения структуры.

3. Алгоритмы и структуры устройств совместной фильтрации: а) параметров УП — обеспечивают высокую точность измерения параметров УП для их эффективного подавления путем глубокой режекцииб) дискретных и непрерывных параметров ПП — обеспечивают условия для эффективной компенсации 1111.

4. Структуры ПУ с рекуррентным согласованным фильтром для одновременного обнаружения и распознавания нескольких ШПС, построенных на основе двоичных рекуррентных ПСП, позволяющих существенно снизить по сравнению с известными корреляционными ПУ потребности в аппаратурных ресурсах при их реализации.

5. Варианты цифровой реализации компонент структур ПУ для быстрого поиска ШПС и устройств защиты от ГП и 1111 на основе применения ЦОС с использованием передовых методов проектирования аппаратуры и современной элементной базы.

6. Прикладное программное обеспечение: а) для исследований помехоустойчивости устройств поиска на базе ПУ с НФ с постоянными и переменными параметрами в условиях раздельного и совместного воздействия любых сочетаний ШПС, шума, УП и ППб) для вычислений и исследований наиболее известных ВЧР.

Разработанные алгоритмы и структуры ПУ внедрены в разработках для передачи телеметрической информации в Государственном ракетном центре имени Макеева, в устройствах защиты ПУ ШПС от ГП и 1111 в в/ч 72 064 и проектировании цифровых систем приема ШПС в НИИ СВТ. Полученные теоретические результаты легли в основу двух учебных пособий, которые совместно с разработанным прикладным программным обеспечением используются в ВятГТУ на кафедре радиоэлектронных средств в учебном процессе по дисциплинам «Основы статистической радиотехники», «Современные системы связи» и «Цифровая обработка сигналов» и предлагаются к свободному распространению в других вузах.

Новизна и практическая ценность предлагаемых технических решений подтверждается авторскими свидетельствами.

Практическое применение разработанных методов, алгоритмов и структур для быстрого поиска ШПС может быть найдено в цифровых СПИ различного назначения: цифровых системах и устройствах связи, телекоммуникационных системах, навигационных и локационных системах, телеметрии. Для проведения моделирования на ЭВМ были разработаны модели исследуемых устройств, разработаны методики проведения экспериментов, создана среда исследований, проверена устойчивость полученных алгоритмов к изменению статистических характеристик параметров сигналов.

Работа состоит из семи глав.

В первой главе проводится анализ предметной области исследований. С этой целью рассматриваются свойства ШПС, построенных на двоичных рекуррентных ПСП максимального периода, методы их обработки при решении задачи одновременного обнаружения и распознавания ШПС. Особое внимание уделено методам быстрого поиска ШПС, влиянию УП и ПП на устройства быстрого поиска ШПС и методам защиты от УП и 1111. Обосновывается необходимость экспресс-анализа помеховой обстановки с целью повышения эффективности подавления УП и ПП. По результатам анализа предметной области исследований очерчен круг решаемых в работе задач, определяющих актуальность поставленной проблемы: сокращения времени установления кодовой синхронизации в устройствах быстрого поиска ШПС в условиях воздействия белого гауссовского шума, УП и ПП .

Во второй главе на основе аппроксимации двоичной рекуррентной ПСП сложной цепью Маркова с двумя состояниями получены оптимальные нелинейные уравнения для фильтрации дискретного параметра ШПС [А11,А28,А39]. На базе разработанного алгоритма синтезированы ПУ с нелинейным фильтром (НФ) для ускоренного поиска ШПС, построенных на двоичных ПСП [А19,А20,А23,А28,А39,А47,А93]. Проведено исследование помехоустойчивости [А43,А52,А68-А70,А72-А75,А79] ПУ с НФ для быстрого поиска ШПС с постоянными и переключаемыми фиксированными параметрами НФ с целью повышения качества фильтрации на начальном этапе поиска искомого ШПС. Выполнена качественная оценка времени поиска ШПС по сравнению с известным методом Р. Уорда.

В целях повышения качественных характеристик ПУ с НФ для быстрого поиска ШПС, в частности существенного уменьшения ложных тревог при отсутствии искомого ШПС, в третьей главе разработано адаптивное ПУ с НФ [А15,А19,А28,А94]. Исследована помехоустойчивость [А21,А28,А38, А72, А74,А79] адаптивного ПУ с НФ в присутствии белого гауссовского шума при различных режимах адаптации. Найдены режимы адаптации, обеспечивающие наибольшую эффективность адаптивного ПУ с НФ при поиске ШПС, сформированных на рекуррентных ПСП с различными периодами.

В четвертой главе проведен анализ воздействия ГП на ПУ с НФ для быстрого поиска ШПС [А5,А26,А40,А53], предложены методы борьбы с ГП на основе компенсации по результатам оценивания ее параметров [А57,А60,А63,А83] и подавления с помощью адаптивного усредняющего цифрового фильтра [А61]. В общем случае для борьбы с УП разработан метод поочередной режекции наиболее мощных УП [А25,А28,А40,А53]. Для измерения случайных параметров УП (амплитуды и частоты) синтезированы устройства их совместной фильтрации [А11,А13,А28,А40].

В пятой главе отмечается, что не менее опасной помехой, чем УП, для разработанных устройств быстрого поиска ШПС является ПП [А45], а наиболее действенным методом борьбы с ПП — метод компенсации, эффективность которой целиком зависит от точности оценки параметров и структуры ПП. С этой целью в данной главе проведен синтез устройства совместной фильтрации дискретного и непрерывных параметров ПП с одновременным распознаванием структуры ПП в канале, аналогичном по структуре каналу поиска ШПС в адаптивном ПУ с НФ [А47,А56,А81]. Разработаны устройства для подавления ПП [А36,А41,А49,А58,А59] и проведено исследование эффективности мер защиты ПУ с НФ от ПП [А48,А49,А62,А64].

В шестой главе получены уравнения фильтрации дискретного параметра ШПС, на основе которых синтезировано ПУ с рекуррентным согласованным фильтром (РСФ) для одновременного обнаружения и распознавания нескольких ШПС, принадлежащих одному классу и имеющих одинаковую энергию и длительность [А31,А46,А51,А55]. Проведены исследования его помехоустойчивости в случае воздействия белого гауссовского шума, ГП и ПП. Показано, что помехоустойчивость синтезированных ПУ с РСФ не уступает помехоустойчивости многоканального ПУ на корреляторах.

В седьмой главе основное внимание уделено разработке принципов аппаратурной реализации основных узлов СПИ с использованием методов ЦОС, ориентированных на выполнение их в виде БИС [А27,А34,А35]. Рассмотрены возможности аппаратурной и программной реализации основных узлов, в том числе цифровых фильтров (ЦФ) [А1-А5,А7,А8,А12,А14-A18,A22,A29,A32,A33,A68-A81,A85-A98] на цифровых сигнальных процессорах (ЦСП) [А17,А27]. Обсуждаются вопросы экспресс-анализа помеховой обстановки, результаты которого служат основанием подключения соответствующих блоков защиты от помех. Проведены исследования пригодности использования для экспресс-анализа помеховой обстановки наиболее распространенных видов ВЧР [А44,А50,А65,А66,А84].

Многие аспекты аспекты задач были сформулированы и решены в ходе выполнения договоров о научно-техническом содружестве, госбюджетных (по заказу Минобразования РФ) и хоздоговорных НИР по исследованию и разработке устройств обработки сигналов в радиотехнических задачах с Всесоюзным научно-исследовательским институтом «Альтаир», научно-исследовательским институтом микроприборов, государственным научно-исследовательским институтом авиационных систем, научно-исследовательским институтом радиофизики имени академика Расплетина, государственным ракетно-космическим центром имени Макеева, научно-производственным объединением «Вектор», специальным научно-производственным объединением «Элерон», научно-исследовательским институтом медицинской техники имени Мануильского, в выполнении которых автор участвовал в качестве ответственного исполнителя.

Основные результаты докладывались и обсуждались на 23-й Всесоюзной научной сессии НТО РЭС им. А. С. Попова (Москва, 1978), научно-технической школе-семинаре «Прием и обработка сигналов» (Москва, 1978), Всесоюзной НТК «Методы и средства преобразования сигналов» (Рига, 1978), II и III Всесоюзных школах-семинарах молодых ученых и специалистов «Совершенствование устройств и методы передачи и обработки информации» (Ростов, 1980, 1982), юбилейной НТК МЭИ (1980), Всесоюзной НТК «Теория и практика конструирования и обеспечения надежности и качества электронных устройств и приборов» (Воронеж, 1984), юбилейной НТК ВНИИ «Альтаир» (Москва, 1985), Всесоюзной НТК «Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов SIAP-89» (Рига, 1989), III Всероссийской НТК с международным участием «Теория цепей и сигналов ТЦ и С'96» (Таганрог, 1996), на трех региональных НТК «Наука-производство-технология-экология ГТРОТЭК» (Киров, 1998;2001), Всероссийской НТК «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» (Ульяновск, 1999), III, VI и VII международной НТК «Радиолокация, радионавигация, связь» (Воронеж, 1997, 2000 и 2001), 12-й Межвузовской НТК «Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы, подготовка специалистов» (Санкт-Петербург, 2001).

Основные результаты диссертации опубликованы в 98 печатных и рукописных работах, в том числе 65 статьях и тезисах в научно-технических журналах и сборниках трудов, двух учебных пособиях, 14 авторских свидетельствах на изобретения и 17 отчетах по госбюджетным и хоздоговорным НИР.

Результаты работы теоретически обобщают методы синтеза алгоритмов и устройств нелинейной фильтрации дискретного параметра ШПС, построенных на рекуррентных ПСП, в задачах сокращения времени кодовой синхронизации в устройствах быстрого поиска ШПС, алгоритмов и устройств совместной нелинейной фильтрации параметров ГП и ПП в задачах защиты устройств быстрого поиска ШПС от ГП и ПП и решают научно-техническую проблему разработки, анализа и реализации минимальными ресурсами новых алгоритмов и структур для быстрого поиска ШПС и защиты от ГП и ПП, имеющую важное народнохозяйственное значение для исследования и проектирования современных цифровых СПИ с ШПС, построенных на рекуррентных ПСП.

Основные научные результаты.

1. Разработан метод качественного и количественного исследований оптимальной нелинейной фильтрации ШПС, построенных на двоичных МЛРП, отличающийся применением функционально-структурного подхода к синтезу алгоритмов и структур ПУ на минимум технических и временных ресурсов в задачах поиска ШПС, реализующих структурные свойства рекуррентных ПСП для повышения помехоустойчивости ПУ в условиях действия белого гауссовского шума, позволяющий определить общие свойства и прогнозировать особенности фильтрации ШПС в условиях действия ГП и ПП.

2. Синтезированы структуры для адаптивной нелинейной фильтрации дискретного параметра ШПС, формируемых на основе двоичных МЛРП, при априорной неопределенности времени прихода и структуры искомого ШПС. Это позволило уменьшить время кодовой синхронизации в построенных на основе этих структур устройствах быстрого поиска ШПС за счет снижения уровня ложных обнаружений при отсутствии ШПС.

3. Проведен количественный и качественный анализ помехоустойчивости синтезированных оптимальных и адаптивных ПУ для быстрого поиска ШПС в условиях действия белого гауссовского шума, ГП и ПП, показавший возможность реализации с меньшими потребностями в ресурсах информационной избыточности ПСП искомого ШПС для повышения помехоустойчивости и сокращения времени кодовой синхронизации ШПС.

4. Для одновременного поиска нескольких ШПС, принадлежащих одному классу и имеющих одинаковую энергию и длительность, разработан метод синтеза алгоритмов и устройств на основе представления ПСП искомого ШПС да-ичными цепями Маркова с конечным числом состояний и анализ помехоустойчивости синтезированных ПУ в условиях действия белого гауссовского шума, ГП и ПП.

5. Разработаны и исследованы методы обнаружения, распознавания и измерения параметров мощных ГП и ПП на основе структуры, аналогичной НФ синтезированных ПУ для быстрого поиска ШПС, позволившие повысить эффективность мер борьбы с ГП и ПП.

6. Для повышения эффективности подавления УП за счет увеличения точности измерения параметров УП разработан на основе синтеза алгоритмов и структур метод совместной нелинейной фильтрации параметров УП, бази-рующйся на представлении флуктуаций УП марковскими случайными процессами с разными вероятностными распределениями.

7. Для увеличения степени подавления ПП за счет повышения точности измерения параметров ПП синтезированы алгоритмы и устройства совместной фильтрации параметров ПП, характеризующиеся комплексным применением аппроксимации параметров помех дискретными по времени, дискретными и непрерывными по состояниям марковскими процессами, апостериорной независимостью параметров и выбором критериев оптимальности, минимизирующих ошибки фильтрации.

8. Разработаны рекомендации по аппаратно-программному построению вариантов цифровой реализации блоков и устройств синтезированных ПУ для поиска ШПС и устройств защиты от ГП и ПП. Даны рекомендации по применению ВЧР для проведения экспресс-анализа помеховой обстановки.

Практические результаты работы.

1. Разработанные алгоритмы и структуры ПУ, в том числе и адаптивные, для быстрого поиска ШПС, формируемых на двоичных рекуррентных ПСП, базирующиеся на нелинейной фильтрации дискретного параметра ШПС, ориентированы на практическую реализацию минимальными техническими и временными ресурсами и позволяют сократить время кодовой синхронизации ШПС в задачах поиска ШПС при наличии белого гауссовского шума, УП и ПП.

2. Алгоритмы и структуры синтезированных устройств поиска ШПС, позволяющие обнаруживать, распознавать и измерять параметры мощных ГП и ПП, обеспечивают подавление помех в устройстве поиска ШПС без значительного усложнения структуры.

3. Алгоритмы и структуры устройств совместной фильтрации: а) параметров УП — обеспечивают высокую точность измерения параметров УП для их эффективного подавления путем глубокой режекцииб) дискретных и непрерывных параметров ПП — обеспечивают условия для эффективной компенсации ПП.

4. Структуры ПУ с рекуррентным согласованным фильтром для одновременного обнаружения и распознавания нескольких ШПС, построенных на основе двоичных рекуррентных ПСП, позволяющих существенно снизить по сравнению с известными корреляционными ПУ потребности в аппаратурных ресурсах при их реализации.

5. Варианты цифровой реализации компонент структур ПУ для быстрого поиска ШПС и устройств защиты от ГП и ПП на основе применения ЦОС с использованием передовых методов проектирования аппаратуры и современной элементной базы.

6. Прикладное программное обеспечение: а) для исследований помехоустойчивости устройств поиска на базе ПУ с НФ с постоянными и переменными параметрами в условиях раздельного и совместного воздействия любых сочетаний ШПС, шума, УП и ППб) для вычислений и исследований наиболее известных ВЧР.

Практическая значимость полученных результатов определяются тем, что на основе использования нелинейной фильтрации дискретного параметра ШПС, построенных на основе двоичных рекуррентных ПСП максимального периода, и критериев оптимальности разработана инженерная методика проектирования ПУ для быстрого поиска ШПС. Практические разработки ПУ, использующих оптимальную нелинейную фильтрацию ШПС в устройствах быстрого поиска ШПС, а также нелинейную фильтрацию параметров ГП и ПП в устройствах защиты от помех в цифровых СПИ, системах связи, локации, навигации и телеметрии актуальны, важны и представляют как самостоятельный интерес, так и обладают элементами универсальности для использования в известных ПУ для быстрого поиска ШПС из класса устройств, использующих алгебраические особенности ПСП. Новизна и практическая ценность технических решений подтверждается авторскими свидетельствами об изобретениях.

Реализация результатов работы.

Достоверность теоретических положений диссертации, способов синтеза оптимальных и адаптивных ПУ для быстрого поиска ШПС на основе нелинейной фильтрации, эффективность и работоспособность разработанных.

ПУ подтверждена результатами их практического использования в НИИ, КБ, на предприятиях и в учебном процессе.

Ряд задач был сформулирован в ходе выполнения НИР и ОКР по заказам НИИ, КБ и предприятий по темам:

— Теоретическое и экспериментальное исследование отдельных устройств цифровой обработки сигналов — НИР, заказчикНИИ микроприборов (Москва), исполнитель — Кировский политехнический институт (КирПИ), руководитель — Е. П. Петров, ответственный исполнительА.В. Частиков, шифр -" Пепел", период выполнения — 1978;1980;

— Разработка методов применения цифровой фильтрации и методов ускоренного обнаружения при обработке фазоманипулированных сигналовНИР, заказчикНИИ микроприборов (Москва), исполнитель — КирПИ, руководитель — Е. П. Петров, ответственный исполнительА.В. Частиков, шифр «Зодиак», период выполнения — 1981;1982;

— Миниатюризация узлов помехозащиты устройств ускоренного обнаружения — НИР, заказчикНИИ микроприборов (Москва), исполнительКирПИ, руководитель — Е. П. Петров, ответственный исполнительА.В. Частиков, шифр «Агат», период выполнения — 1983;1984;

— Разработка цифрового фазового детектораНИР, заказчик — НИИ радиоприборов (Москва), исполнитель — КирПИ, руководитель — Е. П. Петров, ответственный исполнительА.В. Частиков, шифр «Сапфир», период выполнения — 1980;81;

— Разработка анализатора параметров антенно-фидерных устройств с комплексом сопровождения на ЭВМ — ОКР, заказчик — КБ машиностроения им. Макеева (Миасс Челябинской обл)., исполнитель — КирПИ, руководитель — Е. П. Петров, ответственный исполнительА.В. Частиков, шифр «Искра», период выполнения — 1981;1987;

— Разработка многополосного цифрового фильтраНИР и ОКР, заказчик — НИИ Мануильского (Киев), исполнитель — КирПИ, руководительЕ.П. Петров, ответственный исполнительА.В. Частиков, шифр «Гребенка», период выполнения — 1985;1988;

— Исследование возможности создания микропроцессорного устройства обработки сигналов — НИР, заказчикНПО Элерон Москва, исполнительКирПИ, руководитель — Е. П. Петров, ответственный исполнительА.В. Частиков, шифр «Рубеж», период выполнения — 1989;1991.

Ряд теоретических результатов получен при выполнении госбюджетных НИР, проводимых по темам:

— Исследование возможности применения цифровой фильтрации для обработки сигналов — НИР, ГР № 2 860 011 210, заказчик — Министерство высшего и среднего специального образования СССР (программа высшей школы «Разработка и исследование специальных вычислительных комплексов обработки сигналов с применением САПР»), исполнитель — КирПИ, руководитель — Е. П. Петров, ответственный исполнительА.В. Частиков, шифр «Фильтр», период выполнения — 1983;1986;

— Разработка и исследование алгоритмов и устройств цифровой обработки дискретных коррелированных сигналовНИР, № ГР 1 950 001 804, заказчикГосударственный комитет в области науки и высшего образования, (по программе базовых исследований Госкома), исполнитель — КирПИ, руководитель — Е. П. Петров, ответственный исполнительА.В. Частиков, шифр «Корреляция», период выполнения — 1994;

— Разработка и исследование алгоритмов и устройств цифровой обработки дискретных коррелированных сигналов — НИР, № ГР 1 950 002 221, заказчик — Министерство высшего профессионального образования Российской Федерации (базовая программа Министерства), исполнитель — Вятский государственный технический университет (ВятГТУ), руководитель — Е.П.

Петров, отв. исполнитель — А. В. Частиков, шифр «Цифра», период выполнения — 1995;1999;

— Разработка и исследование алгоритмов и устройств быстрого поиска псевдослучайных сигналовНИР, ГР № 1 200 001 993, заказчик — ВяГТУ, руководитель А. В. Частиков, шифр «Поиск», период выполнения — 2000;2004;

— Исследование время-частотных распределений и возможностей их применения в радиотехнических приложениях — НИР, ГР № 1 200 002 901, заказчик — ВяГТУ, руководитель А. В. Частиков, шифр «Всплеск», период выполнения — 2000;2004;

— Разработка и исследование алгоритмов и устройств для борьбы с узкополосными и подобными помехами в системах передачи информации с псевдослучайными сигналами, инициативная — НИР, ГР № 1 200 002 902, заказчик — ВяГТУ, руководитель А. В. Частиков, шифр «Компенсация», период выполнения — 2000;2004.

Результаты диссертационной работы внедрены в научно-исследовательских и конструкторских разработках при проектировании устройств и систем синхронизации телекоммуникационных систем и их защиты от помех на основе цифровой обработки сигналов различного назначения.

Ряд научных и практических результатов работы внедрен в учебном процессе в методическом обеспечении проведения практических занятий, выполнения курсового и дипломного проектирования и в техническом обеспечении лабораторных занятий.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на трех Всероссийских конференциях с международным участием, на шести Всесоюзных конференциях, семи Республиканских, три из которых с международным участием и других конференциях:

— XXXIII Всесоюзной научной сессии НТО РЭС им. А. С. Попова, посвященной дню Радио, Москва, 1978;

— научно-технической школе-семинаре «Прием и обработка радиосигналов», Москва, 1978;

— I Всесоюзной конференции «Методы и средства преобразования сигналов», г. Рига, 1978;

— юбилейной научной конференции, радиотехническая секция, МЭИ, Москва, 1980;

— II Всесоюзной школе-семинаре молодых специалистов «Совершенствование устройств и методов передачи и обработки информации», Ростов-Ярославский, 1980;

— III Всесоюзной школе-семинаре молодых специалистов «Совершенствование устройств и методов передачи и обработки информации», Ростов-Ярославский, 1982;

— Всесоюзной НТК «Теория и практика конструирования и обеспечения надежности и качества электронных устройств и приборов», Воронеж, 1984;

— юбилейной НТК, ВНИИ «Альтаир», Москва, 1985;

— Всесоюзной НТК «Методы и микроэлектронные средства цифрового преобразования и обработки сигналов SIAP-89», Рига, 1989;

— III Всероссийской НТК с международным участием «Теория цепей и сигналов ТЦ и С'96,Таганрог, 1996;

— Всероссийской НТК «Радио и волоконно-оптическая связь, локация и навигация», Воронеж, 1997;

— IV международной НТК «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 1998;

— Всероссийской НТК «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем», Ульяновск, 1999;

— VI международной НТК «Радиолокация, навигация, связь RLNC-2000», Воронеж, 2000;

— региональных научно-технических конференциях «Наука-производство-технология-экология» (Наука-ПРОТЭК-1998,1999,2000), Киров, 1998,1999,2000;

— 12-й Межвузовской научно-технической конференции «Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы, подготовка специалистов», Санкт-Петербург, 2001;

— VII международной НТК «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2001;

— республиканской научно-технической конференции (2001), Киров.

Часть результатов диссертации отражены в двух учебных пособиях:

— Петров Е. П., Усков А. А., Частиков А. В. Прием дискретных коррелированных сигналов / Учеб. пособие. — Киров: Изд-во ВятГТУ, 1998, — 134 е.;

— Петров Е. П., Частиков А. В., Прозоров Д. Е. Практикум по основам статистической радиотехники / Учеб. пособие. — Киров: Изд-во ВятГТУ, 2000,108 с.

По теме диссертации опубликованы 65 статей и тезисов в научно-технических журналах и сборниках трудов, результаты исследований отражены в 17 отчетах по госбюджетным и хоздоговорным НИР. Новизна и практическая ценность технических решений подтверждена 14 авторскими свидетельствами на изобретения.

Направления дальнейших исследований и разработок.

Необходимо продолжить работы по синтезу алгоритмов и устройств для поиска ШПС на основе нелинейной фильтрации параметров ШПС при действии различных сочетаний белого гауссовского шума, ГП и ПП, комплекса помех, использовании различных критериев для адаптации, повышения точности оценивания параметров УП и ПП, разработки достоверных методов экспресс-анализа с помощью ВЧР для оценивания помеховой обстановки, разработки и исследования новых алгоритмов обнаружения и распознавания ШПС и различных помех на базе ВЧР и wavelet.

Для достижения новых практических результатов необходимо создание средств автоматизации проектирования устройств быстрого поиска с использованием оптимальной и адаптивной нелинейной фильтрации параметров ШПСсинтеза и анализа структур устройств защиты от помех, расширения алгоритмов, баз сигналов и помех при совершенствовании программного обеспечения для исследования синтезированных ПУ, устройств защиты от помех, методов экспресс-анализа с применением ВЧР для оценивания помеховой обстановки.

Автор считает своим долгом выразить искреннюю благодарность научному консультанту заведующему кафедрой радиоэлектронных средств Вят-ГТУ, доктору технических наук, профессору Е. П. Петрову, коллективу лаборатории ЦОС ВятГТУ за всестороннюю поддержку и обсуждение полученных результатов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.