Корреляционная обработка широкополосных сигналов в автоматизированных комплексах радиомониторинга

Москва
Горячая линия - Телеком
2013

 
УДК 621.396.67 
ББК 32.95 
     Д99 
 
Р е ц е н з е н т :  доктор техн. наук, профессор  Д. Д. Габриэльян  

Дятлов А. П., Кульбикаян Б. Х. 

Д99        Корреляционная обработка широкополосных сигналов 

в автоматизированных комплексах радиомониторинга. – 
М: Горячая линия–Телеком, 2013. – 332 с: ил. 
ISBN 978-5-9912-0332-6. 

Рассмотрены корреляционные методы и алгоритмы обработки широкополосных сигналов в автоматизированных комплексах радиомониторинга. Исследованы особенности этапов 
радиомониторинга, связанных пространственно-частотным поиском излучений, обнаружением, автосопровождением, классификации, оценивания параметров и демодуляцией широкополосных сигналов. Приведены методика анализа основных 
характеристик комплексов радиомониторинга при различных      
уровнях априорной неопределенности. 
Для инженеров и научных работников, а также может быть 
полезна преподавателям и студентам радиотехнических специальностей вузов. 

ББК 32.95 

Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU 
 

Научное издание 
 

Дятлов Анатолий Павлович, Кульбикаян Баграт Хачересович 

Корреляционная обработка широкополосных сигналов 
в автоматизированных комплексах радиомониторинга

Редактор  Ю. Н. Чернышев 
Верстка  Ю. Н. Чернышева 

Обложка художника  В. Г. Ситникова 

Подписано  в  печать  19.05.13. Формат 60×90/16. Усл. печ. л. 20,75.  Тираж 500 экз.  Изд. №13332 

ISBN 978-5-9912-0332-6         © А. П. Дятлов, Б. Х. Кульбикаян , 2013 
© Издательство «Горячая линия–Телеком», 2013 

ПРЕДИСЛОВИЕ

Радиомониторинг (РМ) относится к категории технологий двойного назначения и находит все более широкое применение как для
решения гражданских, так и военных задач.
Анализ тенденций развития технических средств РМ свидетельствует об актуальности повышения их технико-эксплуатационных
и экономических показателей, расширения частотных диапазонов и
сфер применения.
Особую роль РМ играет в ходе информационной войны, решая
задачу информационного обеспечения участников конфликта сведениями, необходимыми для эффективного управления и применения
ресурсов различного вида.
Существенный вклад в теорию и практику РМ внесли такие ученые, как С.А. Вакин, С.Г. Радзиевский, Ю.М. Перунов, А.И. Куприянов, А.М. Рембовский и др.
Существующий теоретический базис обеспечивает построение и
реализацию нескольких поколений автоматизированных комплексов
радиомониторинга (АКР), предназначенных для решения различных
тактических задач при типовых исходных условиях. Однако в последнее время для уменьшения зоны энергетической доступности и достоверности РМ в системах радиолокации, радиосвязи и радионавигации используются режимы с низкоэнергетическими широкополосными сигналами.
Анализ современных отечественных и зарубежных автоматизированных комплексов радиомониторинга (АКР) [П.1] показывает, что
при их построении широко используются спектральные методы и алгоритмы.
Однако известные АКР обеспечивают оперативную и достоверную обработку узкополосных (простых) сигналов при условии, что
отношение сигнал/шум на их входе больше единицы.
При использовании в системах связи и управления шумоподобных сигналов (ШС) проведение РМ на основе спектральной обработки информации затрудняется, поскольку из-за снижения спектральной плотности сигналов, принимаемых АКР, входное отношение сигнал/шум может быть меньше единицы.
Для обеспечения требуемого уровня достоверности РМ в условиях энергетической скрытности принимаемых сигналов целесообразно,

Предисловие

наряду со спектральными методами обработки, использовать корреляционные методы, поскольку они обеспечивают потенциальную помехоустойчивость.
Для устранения диспропорции между потребностями практики
и современным состоянием методологии проектирования средств РМ
требуется проведение соответствующих исследований, результатам
которых посвящена данная монография.
Особенностью выполненных исследований является то обстоятельство, что в монографии делается акцент на разработку теоретического базиса эскизного проектирования АКР при использовании для
обработки широкополосных сигналов только одного класса алгоритмов — корреляционных алгоритмов, поскольку они обеспечивают не
только высокую помехоустойчивость, но и возможность реализации
многофункциональных средств РМ с однородной структурой.
В настоящее время работы по использованию корреляционных
методов для обработки ШС в АКР носят фрагментарный характер,
что явно недостаточно для обеспечения эскизного проектирования.
Основное внимание в данной книге сосредоточено на широком
круге вопросов, связанных с методологией исследования РМ широкополосных сигналов на основе его функциональной декомпозиции
на этапы пространственного поиска, обнаружения, экспресс-анализа,
классификации, оценивания параметров и демодуляции.
Книга в значительной части содержит материалы оригинальных
исследований авторов, а также теоретические обобщения материалов,
опубликованных в открытой печати.
Структурная основа представленного в книге материала опирается на декомпозицию процесса РМ.
Книга состоит из предисловия, шести глав и заключения.
В предисловии освещаются тенденции развития РМ и обосновывается актуальность использования корреляционных методов для обработки широкополосных сигналов.
В первой главе описываются цели и задачи РМ и формулируются рабочие модели радиообстановки, характеризующие многообразие
исходных условий.
Во второй главе рассматриваются принципы построения беспоисковых приемников комплексов радиомониторинга, обеспечивающих
пространственно-временную обработку широкополосных сигналов.
В третьей главе приводятся результаты анализа и оптимизации
алгоритмов корреляционных обнаружителей.
В четвертой главе исследуются принципы построения экспрессанализаторов на начальных этапах РМ.

Предисловие
5

В пятой главе рассматриваются алгоритмы и структуры автокорреляционных частотных дискриминаторов и приводятся результаты
их сравнительного анализа.
В шестой главе исследуются особенности демодуляции фазоманипулированных сигналов при различных исходных условиях.
В заключении подводятся итоги выполненных исследований и
формулируются направления дальнейших исследований.
Книга предназначена для широкого круга специалистов, занимающихся проблемами радиомониторинга, радиосвязи, радионавигации, электромагнитной совместимости, радиоэлектронной борьбы,
спутниковой связи, а также для аспирантов и студентов вузов, обучающихся по радиотехническим и телекоммуникационным специальностям.
Авторы будут признательны читателям за предложения и замечания по улучшению содержания книги, которые следует направлять
по e-mail: dap@tsure.ru Дятлову Анатолию Павловичу.

Г л а в а
1

ЗАДАЧИ И ЦЕЛИ
РАДИОМОНИТОРИНГА
ШИРОКОПОЛОСНЫХ СИГНАЛОВ

Радиомониторинг (РМ) является одной из бурно развивающихся
отраслей радиоэлектроники, которая связана с наблюдением и исследованием радиоэлектронной обстановки (РО) как в научных, так и
практических интересах. Широкое распространение РМ обусловлено
достоверностью и оперативностью добываемой информации, большой
дальностью действия и скрытностью функционирования.
При проведении научных исследований в области радиоастрономии и радиофизики РМ используется для поиска и исследования
электромагнитных излучений, несущих информацию о физических
процессах и явлениях, а также для изучения среды их распространения. Второе направление РМ, связанное с поиском и выявлением
специально организованных и потенциальных радиоканалов утечки
информации, а также исследованием РО для обеспечения электромагнитной совместимости (ЭМС) связных средств, получило название
радиоконтроль (РК). И, наконец, третье направление РМ, связанное
со сбором, обработкой информации, передаваемой по радиоканалам
систем радиолокации и связи для решения военных задач, именуется
радиоэлектронной разведкой [1.1].
Исследование тенденций развития технических средств РМ показывает [1.1–1.11], что проблема повышения их эффективности приобрела в последние годы особо важное значение по следующим причинам:
1) бурное развитие научно-технического процесса, глобальный характер использования радиоэлектронных и телекоммуникационных
средств обусловливает существенное усложнение РО при проведении
РМ. Плотность потока источников радиоизлучений (ИРИ), подлежащих РМ, постоянно нарастает, что приводит к необходимости принятия специальных мер с целью повышения пропускной способности
и быстродействия автоматизированных комплексов радиомониторинга (АКР);

Задачи и цели радиомониторинга широкополосных сигналов
7

2) большое многообразие процессов на входе АКР, их динамичность и большой уровень априорной неопределенности затрудняют
обеспечение высокого уровня достоверности обрабатываемой информации. С целью решения указанной проблемы необходима разработка мер по увеличению количества используемых при РМ информативных признаков процессов и повышению помехоустойчивости АКР.
Необходимо отметить, что уровень информативной неопределенности
при решении задач РМ оказывается значительно большим, чем при
решении задач в радиолокации, радионавигации и связи. Это обстоятельство приводит к дополнительным затруднениям при определении
принципов построения АКР.
Процесс переработки информации в АКР происходит в несколько
этапов, которые именуются первичной, вторичной и третичной обработкой информации. Сопоставление с информационными радиосистемами (РС) позволяет классифицировать их как радиосистемы извлечения информации (РСИИ) [1.2], поскольку они имеют сходные цели
и их также можно представить совокупностью радиосистем первичной (РСПОИ), вторичной (РСВОИ) и третичной (РСТОИ) обработки
информации.
Под первичной обработкой информации понимается совокупность функциональных преобразований входных процессов, на основе
которых формируются оценки информативных параметров сигналов.
Сюда относятся такие операции, как обнаружение, предварительная
селекция сигналов по различным параметрам, нормирование по уровню входного потока процессов, получение оценок энергетических и неэнергетических параметров сигналов, приведение выходного эффекта
к виду, удобному для отсчета.
Если при первичной обработке используются статистические отличия полезных сигналов от помех, то
при вторичной обработке используются статистические характеристики временного потока оценок информационных параметров сигналов,
на основе которых решаются такие задачи, как, например, идентификация типа источника радиоизлучения (цели) и определение траектории его движения. Вторичная обработка осуществляется на основе
информации, полученной в результате последовательной или параллельной первичной обработки, путем отождествления оценок, относящихся к одной и той же цели. При проведении РМ информация,
полученная в результате вторичной обработки в одном из комплексов,
может использоваться совместно с подобной информацией от других
пространственно разнесенных комплексов для решения таких сложных задач, как, например, определение местоположения, формирование команд на управление объектами или оружием, оптимальное
целераспределение, принятие мер по улучшению тактических и технических характеристик совокупности средств РМ. Последняя ситу

Г л а в а 1

ация соответствует третичной обработке, при которой используются
статистические характеристики пространственно-временного потока
оценок информативных параметров сигналов.
Наиболее важную роль в АКР играют РСПОИ, которые осуществляют непосредственный контакт с внешней средой. Полнота и достоверность полученной в РСПОИ информации оказывает определяющее влияние на эффективность АКР.
Анализ существующего положения в РМ показывает, что при построении АКР используется большое количество принципов, методов
алгоритмов и вариантов реализации. Это многообразие обусловлено
тем, что, с одной стороны, имеет место постоянное увеличение потока
входной информации за счет расширения областей применения РМ
и увеличения сложности и номенклатуры функциональных задач, а
с другой стороны, происходит постоянное совершенствование методологической и конструктивно-технологической базы [1.3].
В настоящее время при проектировании АКР находят применение методологии, основанные на использовании математико-эвристического подхода. Разработка универсальной методологии построения
АКР затруднена в связи с многомерностью процесса проектирования,
которая обусловлена многообразием используемых принципов, методов, алгоритмов и вариантов реализации; наличием большой априорной неопределенности; многофункциональностью; многообразием и
динамичностью входных процессов и других исходных условий, наличием большого числа режимов функционирования, необходимостью
адаптации к изменениям исходных условий, необходимостью обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик при допустимой
стоимости [1.2].
В последние годы российскими фирмами (КБ «Навигатор», «Иркос», «Радиосервис», «Нелк») и зарубежными компаниями NSL
(США), Rohde Shwarz (Германия), Textronix (США), Agilent Technology (США) [1.9–1.11] и т. д. разработана широкая номенклатура технических средств РМ включающих в себя антенны, приемные устройства, анализаторы и измерители параметров сигналов, программное обеспечение, ВТ, а также автоматизированные комплексы различного назначения.
Особенностями вышеупомянутых технических средств РМ являются возможность обнаружения, селекции и выделения сигналов с
различными видами модуляции в условиях сложной РО в широком
частотном и динамическом диапазонах, высокими разрешающей способностью по частоте и чувствительностью.
При этом АКР реализуются в аппаратно-программном виде с использованием супергетеродинных приёмников с узкополосными линейными трактами, обеспечивающих скорость перестройки по частоте

Задачи и цели радиомониторинга широкополосных сигналов
9

108 . . . 1010 Гц/с, обладающих небольшими весогабаритными характеристиками и потребляемой мощностью.
Однако необходимо учитывать, что использование российских стационарных, мобильных и
портативных АКР типа АРК-ЦТ1, АРК-ЦТ3, АРК-ПР5 обеспечивает
успешное решение различных задач РМ только при приеме квазинепрерывных узкополосных сигналов с постоянной частотно-временной
структурой [1.3].
Параллельно с развитием теории и практики РМ происходит развитие систем и средств связи с повышенной скрытностью, в которых широкое применение получили широкополосные сигналы, к которым относятся сложные сигналы с частотной и фазовой модуляциями
ЧМ, ФМ и ЛЧМ, а также сигналы с переменной частотно-временной
структурой типа СППРЧ, СДЧМ и СЧФМ [1.12–1.14]. Попытки применения существующих технических средств РМ при приеме сигналов с расширенным спектром и ограниченной длительностью из-за
недостаточной скорости анализа и узкополосности линейного тракта сопровождается пропусками и существенными искажениями, что
не позволяет обеспечивать необходимый уровень достоверности обработки информации.
В данной монографии формулируются задачи и цели РМ широкополосных связных и навигационных сигналов.
В процессе РМ возникает необходимость в осуществлении широкого круга статистических функциональных преобразований, например, таких, как обнаружение, селекция, классификация, оценивание
информативных параметров, демодуляция.
Всё многообразие перечисленных выше функциональных преобразований гармонично объединяется при формулировке задач РМ как
задач распознавания образов, соответствующих исследуемой РО.
Для решения задач РМ необходимо использовать набор рабочих
моделей РО, соответствующих различным уровням априорной информации, сложности и параметрам РО.
Важной составной частью исследований методов и средств РМ
является этап формализации РО путем разработки для ее описания
математических моделей.
При разработке математических моделей РО могут использоваться различные подходы, например волновой или феноменологический. При использовании феноменологического подхода для составления модели РО целесообразно использовать параметрические модели, что обеспечивает получение достаточно полного представления
об исследуемых процессах при допустимом уровне сложности и громоздкости исследований.
В общем случае описание РО применительно к условиям работы
средств РМ можно представить в виде многокомпонентного процес

Г л а в а 1

са, отображающего совокупность сигналов, естественных и искусственных помех, а также внутренних шумов. При этом многокомпонентный процесс представляет собой совокупность процессов, которые
имеют различные временной характер (импульсный или непрерывный), степень детерминированности (квазидетерминированные, случайные), характеристики случайности (гауссовые и негауссовые, стационарные и нестационарные), объем априорной неопределенности
(полное отсутствие, частичное наличие, параметрическая априорная
неопределенность).
Для наиболее сложной ситуации при проведении РМ, соответствующей полному отсутствию априорной информации, модель РО
может быть представлена в виде следующего многокомпонентного
процесса:

y0(t) =

n
∑

i=0
Si(t, li, ⃗α) +

k
∑

j=0
ξj(t, ⃗α1) +

m
∑

t=0
ηt(t, ⃗α′
1) + N(t),
(1.1)

где Si(t, li, ⃗α) — сигнал с информационным параметром li и сопутствующими параметрами ⃗α, характеризующими уровень априорной
неопределенности и влияние мультипликативной помехи; ξj(t, ⃗α1) —
j-я помеха, сосредоточенная по спектру; ηt(t, ⃗α′
1) — t-я помеха, сосредоточенная по времени; N(t) — флюктуационная помеха, представляющая аддитивную смесь естественных и искусственных помех,
а также внутреннего шума средств РМ; ⃗α = {α1, . . . , αm} — совокупность сопутствующих параметров; ξj(t) и ηt(t) — частные случаи
коррелированной помехи P(t, ⃗α1).
Широкополосные сигналы (ШС) подразделяются на сигналы с
расширением полосы и сигналы с расширением спектра [1.12–1.14].
Сигнал с расширением полосы образуется в результате модуляции
несущей непосредственно сообщением. К таким сигналам относятся
частотномодулированные процессы с большим индексом модуляции и
цифровые сигналы с помехоустойчивым кодированием.
Сигналы с расширением спектра (сложные сигналы) образуются
в результате модуляции несущей специальной манипулирующей функцией, расширяющей спектр и не зависящий от сообщения. Для расширения спектра можно модулировать амплитуду, фазу или частоту
информационного сигнала.
ШС делятся на некогерентные и когерентные.
В качестве примеров используемых некогерентных сигналов с
расширением спектра можно отметить: 1) некогерентную пачку радиоимпульсов, модулированную по амплитуде низкочастотным сообщением;
2)
сигналы
с
псевдослучайной
перестройкой
частоты
(СППРЧ).