Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Радиопомехи и помехоустойчивый прием. Методы повышения помехозащищенности. Учебное пособие
.pdf
f
4. МНОГОЧАСТОТНАЯ РАБОТА
И ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЕ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕ
РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ
Данные меры позволяют повысить помехозащищенность в силу
следующих причин: во-первых, использование одновременно или последовательно нескольких рабочих частот повышает скрытность работы подавляемого устройства; во-вторых, одновременное использование нескольких частот или их быстрая смена дают возможность:
снизить влияние многолучевости канала распространения в ра-
диосвязи на уровень принимаемого сигнала (уменьшить глубину релееских замираний);
увеличить дальность действия (или повысить вероятность пра-
вильного обнаружения) и точность оценки координат радиолокационных целей за счет сглаживания диаграммы их обратного рассеяния.
Объясняется снижение влияния многолучевости достаточно просто. Как известно, при многолучевом распространении в точку приема
сигнал приходит несколькими путями:
N
() ( )exp( ( ))
ut cu t j t
вх пер
ii iDi
1
i
, (4.1)
где
передатчика; N – количество лучей;
вх
(),ut
()ut – входной сигнал приемника и выходной сигнал
пер
,, ,
c
ii i Di
– вес, задержка,
начальная фаза и доплеровское смещение частоты сигнала, приходящего по i-му лучу.
В свою очередь,
rc
с
,
2/
ii
31
где
f
– частота сигнала;
c
rc
ii
– длина i-го луча (в общем случае
случайная величина); c – скорость света; ~ – символ пропорциональности.
Вполне очевидны две вещи. Во-первых, сумма (4.1) может рассматриваться как сумма N векторов, имеющих случайные начальные
. Соответственно их сумма, определяющая амплитуду прини-
фазы
i
маемого сигнала, будет случайной. Более того, эта сумма из-за различий доплеровских частот и изменений
будет менять амплитуду –
i
флуктуировать. Напомним (см. [1]), что подобные флуктуации называются
релеевскими замираниями. Они могут приводить к потери
связи.
Если же работа ведется сразу на нескольких частотах, то на входе
многочастотного приемного устройства будем иметь несколько сигналов, принимаемых на разных частотах. Если разнос частот достаточно
велик, то замирания сигналов на разных частотах будут статистически
независимы – какие-то будут иметь большую амплитуду,
какие-то
меньшую. Выбирая сигнал (точнее, рабочую частоту), для которого
амплитуда максимальна, можно снизить влияние замираний, порождаемых многолучевостью.
Аналогичная ситуация имеет место и в радиолокации.
Большинство реальных целей можно представить в виде совокупности элементарных отражателей. Соответственно эхосигнал от неё
представим в виде суммы, аналогичной (4.1), со всеми вытекающими
последствиями, в
том числе зависимостью мощности эхосигнала от
частоты. Снизить это влияние можно путем использования нескольких
рабочих частот, выбирая ту из них, для которой в данный момент
мощность эхосигнала (эффективная поверхность отражения цели) максимальна.
Это позволит повысить дальность действия РЛС или при той же
дальности увеличить вероятность правильного обнаружения и точность оценки координат цели.
Еще одна причина повышения помехозащищенности обусловлена
возможностью объединения сигналов, принимаемых на нескольких
частотах. Рассмотрим эту возможность подробнее.
Пусть решается задача обнаружения. Работа ведется одновременно
на трех частотах.
32
Возможны три варианта.
Р
Р
Обнаружение сигнала по факту превышения порога хотя бы
1.
в одном из частотных каналов. Это, безусловно, приведет к повышению вероятности правильного обнаружения при незначительном росте
вероятности ложных тревог [6]:
1(1 ),
P Р
по по
1(1 ) 3 ,
P Р P
лт лт лт
3
i
3
ii
(4.2)
где
по лт
и ложных тревог;
– результирующие вероятность правильного обнаружения
,P
– вероятность правильного обнаружения
,
P
по лт
ii
и ложных тревог при работе только одного канала (на одной частоте).
2.
Обнаружение сигнала при превышении порога хотя бы в двух из
трех каналов:
1(1 ),
P Р
3.
Обнаружение сигнала при превышении порога во всех трех
по по
1(1 ) 3 .
P Р P
лт лт лт
23
i
23 2
ii
(4.3)
каналах:
P Р ,
3
по поi
PP . (4.4)
3
лт лтi
При этом принято считать, что наибольшую помехозащищенность
обеспечивает третий вариант, поскольку в этом случае противнику
необходимо одновременно подавить сразу три разнесенных по частоте
канала.
Отдельно стоят меры, заключающиеся в быстрой смене рабочей
частоты и псевдослучайном переключении рабочих частот. В этом
случае в каждый момент работа ведется только на одной из
возможных
рабочих частот.
При быстрой смене рабочей частоты постоянно ведется оценка
наличия на данной частоте радиопомех. Если радиопомехи присутствуют, то значение частоты меняется – осуществляется переход на
частотный канал, не занятый помехой. При этом в современных системах осуществляется постоянный мониторинг помех на возможных частотных каналах. Оценивается уровень помех на
каждом из них, для
33
того чтобы при переключении частоты попасть на свободный от помех
f
канал.
Что касается псевдослучайного переключения рабочей частоты (см.
рисунок), то ее эффективность определяется следующими факторами.
0
Псевдослучайная перестройка рабочей частоты
Она резко повышает скрытность работы за счет многократного сокращения времени работы на одной частоте. Например, в современных
системах связи переключение частотных каналов ведется с темпом порядка единиц миллисекунд. За это время определить частоту сигнала и
поставить прицельную помеху просто не удается. При этом переключение каналов ведется по псевдослучайному
му корреспонденту и неизвестному противнику. Это вынуждает его
применять широкополосные маскирующие (заградительные по частоте) помехи, энергетическая эффективность которых крайне низкая.
Что касается радиолокационных систем, то переключение рабочей
частоты может осуществляться за период повторения зондирующего
сигнала, точнее, меняться с каждым периодом.
Помимо повышения скрытности данная мера позволяет
роться с отрицательными проявлениями многолучевости (в связных
задачах) и флуктуаций эхосигналов от цели (в радиолокационных задачах). По сути, псевдослучайное быстрое переключение частот в некотором смысле подобно многочастотной работе, с той лишь разницей,
что излучение и прием на нескольких частотах ведется не одновременно, а последовательно во времени
этом можно получить выгоды, свойственные одновременной многочастотной работе.
. Логично предположить, что при
закону, известному свое-
t
также бо-
34
Следует отметить еще один аспект, связанный с изменением частоты. До этого момента мы рассматривали только изменения рабочей
частоты. Вместе с тем довольно большая часть радиотехнических
устройств и систем используют в своей работе еще целый набор частот: тактовых, синхронизирующих, частот сканирования, переключения режимов работы и другие. Например, в телевизионных
приемниках передача видеосигнала строго синхронизируется и привязана к
частотам строчной и кадровой развертки, не говоря уже о цифровых
устройствах и системах, требующих обеспечения достаточно жесткой
синхронизации.
Знание этих частот существенным образом упрощает формирование имитирующих помех, а также повышает их эффективность. Борьба
с ними может вестись, в частности, путем
изменения тех же тактовых
частот системы, особенно, если изменения будут иметь псевдослучайный закон. При этом эффективность постановки имитирующих
помех может резко снизиться или даже их постановка может стать
невозможной.
35
5. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАЗНЕСЕНИЕ
Как отмечалось ранее (см. раздел 4), одну из основных проблем
в каналах связи представляет собой многолучевое распространение,
вызывающее замирания полезного сигнала. Ниже рассматривается одна из основных мер борьбы с этим явлением. Суть его заключается
в использовании для приема сигнала и/или его передачи нескольких
разнесенных антенн, что позволяет сформировать несколько каналов
распространения сигнала от передатчика к приемнику. Для каждого из
каналов можно записать выражение, аналогичное (4.1). Причем при
разносе антенн на расстояние порядка нескольких длин волн входящие
в (4.1) переменные
,, ,
c
ii i Di
каждого из них. Соответственно выходные сигналы каналов будут
испытывать независимые амплитудные флуктуации (см., например,
рис. 5.1, на котором изображены флуктуирующие амплитуды сигналов
двух каналов
ла
()U , сформированного по принципу максимума).
cp
(U
и
c1
, а также амплитуда результирующего сигна-
)U
c2
могут существенно отличаться для
Рис. 5.1. Пример формирования результирующего
сигнала [7]
36
Объединяя выходные сигналы каналов, можно снижать глубину
M
замираний. При этом можно утверждать, что в использовании этой независимости и объединении сигналов, пришедших разными путями от
передатчика к приемнику, и заключается суть пространственного разнесения как меры борьбы с замираниями сигналов. Рассмотрим несколько основных путей объединения сигналов.
Пусть мы имеем М
каналов. Тогда результат их объединения –
суммарный выходной сигнал – можно записать в виде
M
() ()
ut ku t
m
1
mm
, (5.1)
c
где
uu k
,,
c
– суммарный сигнал, сигналы m-х каналов и веса, с
mm
которыми они суммируются.
По сути, методы объединения различаются лишь способом задания
коэффициентов
.
k
m
5.1. Система объединения
с переключением приемников
В этом случае из М каналов выбирается тот, в котором амплитуда
сигнала в данный момент максимальна (рис. 5.1). Соответственно
имеем:
1, ,
mm
k
m
где
– номер канала, амплитуда сигнала в котором максимальна.
m
max
Пример такого устройства для
Эффективность разнесения для данного устройства можно оценить,
используя зависимость вероятности ошибочного приема. Графики
зависимости этой вероятности от отношения сигнал/шум (h) для
нескольких значений М изображены на рис. 5.3.
Нетрудно заметить, что разнесение приемных каналов весьма эффективно борется с замираниями.
max
0, ,
mm
max
2
показан на рис. 5.2.
37
E
1
Устройство
упра вления 1
Устройство
управления 2
Вы ходное
устройство
U
вы х
E
2
Приемник 1
Ус т ройст во
сравнения
сигналов
Приемник 2
Рис. 5.2. Структура устройства с разнесенным двухканальным приемом
и автовыбором [7]
()t
Рис. 5.3. Графики зависимости вероятности ошибки в системе автовыбора от
отношения сигнал/шум (h) при различном числе каналов разнесения (M) [7]
5.2. Система линейного
когерентного сложения сигналов
Более сложными и соответственно более эффективными являются
системы с линейным сложением сигналов приемных каналов. Вариант
структуры такого приемника для
В нем реализуется сложение сигналов с близкими средними уровнями
2M представлен на рис. 5.4 [7].
38
сигналов каналов. Использованы следующие обозначения: УПЧ – усилители промежуточной частоты; ФАПЧ – устройство сравнения
и автоматической подстройки фазы.
E
1
Блок ВЧ 1
Смеситель 1
УПЧ 1
Гетеродин 1
АРУ
Гетеродин 2
E
2
Блок ВЧ 2
Смеситель 2 УПЧ 2
ФАПЧ
Устройство
объединения
ветвей
Устройство
анализа и
решения
Рис. 5.4. Упрощенная структурная схема приемного устройства
с системой линейного сложения сигналов на промежуточной частоте
Еще бо´ льшую эффективность обеспечивают системы, в которых
сложение сигналов осуществляется с весами, пропорциональными амплитудам полезных сигналов в них. Такие системы называются
мальными
.
опти-
Использование пространственного разнесения в современных
системах связи весьма разнообразно. Начнем с того, что основная
обработка сигналов в них практически безусловно осуществляется
в цифровом виде. Это позволяет применять весьма изощренные алгоритмы объединения каналов, а также повысить их точность. Помимо
уже рассмотренного разнесенного приема используется разнесение
антенн со стороны передатчика (рис. 5.5),
а также более сложные решения, использующие по нескольку передающих и приемных антенн
(рис. 5.6).
Примером является технология MIMO (от англ. Multiple Input
Multiple Output – множественный вход и множественный выход) [16,
17]. В первую очередь она используется для повышения пропускной
способности канала, но параллельно решает задачи повышения помехоустойчивости. В MIMO-системах, очевидно, и на стороне передатчика,
на стороне приемника используются многоэлементные антенны или
и
антенные решетки. Применение антенных решеток позволяет сосредоточить энергию в направлении определенного абонента и сформировать
39
1
1
Передатчик
2
Приемник
Рис. 5.5. Реализация пространственного разнесения
со стороны передатчика
Передатчик
1
2
NM
1
2
Приемник
Рис. 5.6. Реализация пространственного разнесения
со стороны передатчика и приемника
соответствующую диаграмму направленности (режим адаптивного
формирования луча диаграммы направленности – beamforming) и/или
формировать несколько параллельных потоков данных (режим пространственного мультиплексирования – spatial multiplexing).
40
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]