Адаптивная пространственно-временная компенсация помех в каналах радиосвязи тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, доктор физико-математических наук Метелев, Сергей Александрович

• Метелев, Сергей Александрович
• доктор физико-математических наук
• 2004

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Метелев, Сергей Александрович

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ.

1.1. Характеристики радиоканалов связи.

1.1.1. Основные особенности радиоканала СДВ диапазона

1.1.2. Распространения радиоволн в ДКМВ диапазоне.

1.1.3. Радиоканал связи МВ-ДМВ диапазона.

1.2. Характеристики помех в каналах радиосвязи.

1.2.1. Классификация помех.

1.2.2. Радиоэлектронная борьба и технические средства РЭП.

1.2.3. Методы защиты от радиопомех и пространственная компенсация помех.

1.3. Пространственно-временная обработка сигналов в каналах радиосвязи.

1.3.1. Основные принципы, критерии и алгоритмы ПВОС (краткий обзор)

1.3.2. Возможности пространственной обработки сигналов.

1.3.3. Анализ современного состояния дел с компенсаторами помех в каналах радиосвязи.

1.4. Формулировка проблемы пространственной обработки сигналов в каналах радиосвязи.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА С РАЗНЕСЕННЫМ ПРИЕМОМ СИГНАЛОВ В КАНАЛАХ РАДИОСВЯЗИ

2.1. Трехканальные приемники СДВ диапазона.

2.1.1. Трехканальное приемное устройство на базе РЭМ-11 (стенд I).

2.1.2. Макет СДВ приемного устройства с прямым преобразованием сигнала (стенд И).

2.2. Аппаратура для исследования ПВОС в ДКМВ диапазоне.

2.2.1. Трехканальное приемное устройство с поляризационным разнесением антенн на базе комплекта РБМ-Н (стенд III).

2.2.2. Трехканальное приемное устройство с поляризационным разнесением антенн на базе радиоприемников Р-399 (стенд IV).

2.2.3. Двухканальные приемные устройства с пространственным разнесением антенн.

2.3. Макет двухканального приемника МВ-ДМВ диапазона (стенд VIII).

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Адаптивная пространственно-временная компенсация помех в каналах радиосвязи»

Передача сигналов по радиоканалам с высокой надежностью является основной целью теории и техники радиосвязи, и предметом радиофизических исследований с момента возникновения радио до наших дней. Бурный рост числа средств радиосвязи в последние десятилетия, а также индустриализация экономики, привели к заполнению радиодиапазона случайными помехами техногенного происхождения. В таких условиях защита каналов приема радиосигналов от помех является необходимым условием информационного обмена с заданной надежностью. Актуальность повышения помехозащищенности средств радиосвязи многократно возрастает при учете возможности появления преднамеренных помех. Традиционные методы помехозащиты, основанные на использовании частотного или временного ресурса радиолиний [1]-[2], практически исчерпаны и в настоящее время уже не обеспечивают необходимого качества радиосвязи, особенно в условиях прицельных помех.

Мощным, но пока слабо использованным в системах радиосвязи, методом существенного повышения помехозащищенности является использование пространственного ресурса радиолиний, заключающегося в различиях волновых векторов или коэффициентов поляризации электромагнитных полей сигнальной и помеховых радиоволн. Пространственный ресурс является следствием разнесенности в пространстве радиопередатчиков полезного сигнала и помех, что выполняется практически во всех случаях.

Рис.1 Пространственный ресурс радиолиний.

На рис.1 в условном виде трехмерного изображения приведены физические ресурсы радиолинии, которые используются при передаче информации: полоса частот ^ и интервал времени Г, в течение которого идет прием/передача сигнала. Мощная преднамеренная помеха (а иногда и случайная помеха) способна накрыть своим излучением область двумерного пространства на плоскости частота-время, занятое полезным сигналом, и исключить, тем самым, возможность приема сообщения. Однако, тот факт, что пространственные параметры радиоволн помехи и сигнала различны (разница углов прихода или коэффициентов поляризации обусловлены как различием в географии источников, так и эффектами излучения и распространения радиоволн) обеспечивает появление пространственного ресурса А, использование которого позволяет исключить воздействие помехи на прием полезного сигнала.

Для реализации этого ресурса достаточно давно применяются методы передачи радиосигналов в заданном направлении и их приема при помощи узконаправленных антенн, однако эффективность подобных подходов значительно снижается при изменении положения пространство (азимут, угол места, поляризация] частота в пространстве элементов системы передачи информации, при изменении условий распространения связных радиоволн, при появлении случайных и преднамеренных помех с "незапланированных направлений" и т.п. Сохранение возможностей пространственного ресурса в таких условиях обеспечивают методы пространственно-временной обработки сигналов (ПВОС), принимаемых на разнесенные в пространстве или по поляризации элементы антенных систем. Обработка сигналов осуществляется по специальным алгоритмам, которые адаптируются к изменяющейся сигнально-помеховой обстановке (СПО), и поэтому устройства, реализующие такую обработку колебаний, принимаемых антенными системами, носят название адаптивных антенных систем (ААС), адаптивных антенных решеток (AAP), автоматических компенсаторов помех (АКП) и т.п.

Теория пространственно-временной обработки сигналов, включающая в себя теорию адаптивных антенных систем, предназначенных для пространственной режекции помех, разрабатывается в течении последних трех десятилетий, основные принципы, критерии и алгоритмы ПВОС изложены в ряде монографий [3], [4], [5], однако классические алгоритмы компенсации помех, приведенные в указанных монографиях, а также их модификации в большинстве последующих работ, предполагают стационарность сигнально-помеховых условий, когерентность электромагнитного поля помеховой и сигнальной радиоволн на апертуре антенной системы, некоррелированность антенных колебаний сигнала и помехи, наличие каких-либо априорных сведений о различиях сигнала и помех. Эти предположения в реальной радиосвязи практически никогда не выполняются. Реальные каналы распространения связных радиоволн далеки от идеализированных моделей, параметры помех априори не известны, и это ограничивает применимость классических методов обработки сигналов. Поэтому возникла парадоксальная ситуация: теория потенциальной помехоустойчивости алгоритмов компенсации помех давно построена, необходимость борьбы с помехами — несомненна, а практического ее воплощения добиться до настоящего времени не удавалось. Для компенсации помех в каналах радиосвязи требовались высокоскоростные алгоритмы пространственной адаптации, способные очень быстро реагировать на сильную нестационарность сигнально-помеховой обстановки.

В 1995 г автором диссертации совместно с Ю.В. Шишкиным был предложен адаптивный алгоритм компенсатора помех, основанный на новом принципе сепарации (разделения) смеси антенных колебаний от нескольких источников радиоизлучения на парциальные колебания и выделения их на нескольких выходах сепаратора [6]. Эта работа положила начало исследованию путей решения крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное и оборонное значение — создания пространственных компенсаторов помех для реальных каналов радиосвязи, и введения нового элемента помехозащиты в состав действующих систем связи и управления государственных объектов.

Исследованию возможностей адаптивной пространственной компенсации помех в реальных системах связи, разработке адаптивных алгоритмов пространственной сепарации сигнала и помех и принципов построения устройств, реализующих созданные алгоритмы, исследованию влияние характеристик линий радиосвязи на эффективность работы этих устройств и, в конечном счете, введению пространственного ресурса в арсенал высокоэффективных средств помехозащиты радиолиний посвящена диссертационная работа.

На защиту выносятся:

• Разработка системы экспериментальных комплексов для измерений параметров и характеристик помехозащищенных связных радиоканалов СДВ-ДМВ диапазонов как инструмента для изучения эффективности применения методов адаптивной пространственно-поляризационной режекции помех в реальных условиях радиосвязи.

• Результаты исследований потенциальных возможностей пространственно-временной обработки сигналов по компенсации случайных и преднамеренных помех в каналах радиосвязи на основе анализа экспериментальных данных и теоретических изысканий.

• Результаты исследований механизмов ограничения эффективности подавления помех в каналах радиосвязи методами пространственно-временной обработки сигналов.

• Алгоритмы работы пространственно-поляризационных сепараторов полезного сигнала и помех для линий радиосвязи и результаты теоретических исследований их основных характеристик для различной сигнально-помеховой обстановки.

• Результаты исследований эффективности использования компенсаторов помех в дискретных каналах связи СДВ, ДКМВ и МВ-ДМВ диапазонах в присутствии преднамеренных помех на системе экспериментально-технологических радиотрасс.

• Создание адаптивных пространственно-корреляционных сепараторов помех на разработанных новых принципах их построения и результаты их испытаний на стендах, в полигонных условиях, а также в действующей системе ДКМВ радиосвязи.

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Метелев, Сергей Александрович

Выводы.

1. КМ АКПП обеспечил повышение помехозащищенности приема в условиях преднамеренной помехи сигналоподобного типа по сравнению с опорным каналом (от 7% числа сеансов, в которых был возможен прием по опорному каналу с допустимым качеством, до 63% с применением компенсатора).

2. Величина энергетического выигрыша превышала 20 дБ и в ряде сеансов достигала 35-38 дБ.

3. КМ АКПП в отсутствии преднамеренной помехи ("чистый" канал) в ряде сеансов обеспечил уменьшение вероятности ошибки по сравнению с опорным каналом (сеансы 19.3820.11 на рис.6.4).

Полученные положительные результаты по эффективности АКПП, тем не менее, не дают окончательного ответа на вопрос о степени помехозащищенности в количественном выражении для линий радиосвязи, обладающих конкретной каналообразующей и оконечной аппаратурой. Ответ будет зависеть от вида этой аппаратуры (от вида помехозащищенного кода сигнала и от его исправляющих ошибки способностей, от числа перезапросов и т.д.). Вероятность ошибки на бит, при этом, не является адекватной оценкой качества приема. Единственным критерием, интересующим потребителя линий (систем) радиосвязи, является число доведенных сообщений от источника до получателя.

Для получения ответа на данные вопросы компенсатор помех был установлен на приемном комплексе узла связи действующей системы ДКМВ радиосвязи, и испытан в условиях воздействия на радиолинию преднамеренной помехи разного типа.

6.3.3. Повышение помехозащищенности действующей системы радиосвязи при использовании компенсатора помех.

Для проведения трассовых испытаний КМ АКПП ДКМВ диапазона на действующем узле связи, компенсатор помех на время экспериментов был введен в состав каналообразующей аппаратуры приемного комплекса [37]. Блок-схема экспериментальной установки приведена на рис.6.6.

ФАР В-З

1 г

Доу л

ФАР С-Ю к о м м у т

А Т

О р с-ю

Р-170П№1

ПЧ Р-170П№2 в-з пч

Макет

Р-160П > АКПП КБ

Б4-12

-160П

Б4-12

ГГУ301-2

Регистратор

Генератор

Модулятор

Помеха 1

ПРД Р -161 $

ИИ ПРД

Сигнал

Рис. б.б: Блок-схема аппаратуры, участвующей в трассовых испытаниях компенсатора помех ДКМВ диапазона в действующих радиолиниях системы связи. ДОУ - диаграммо-образующее устройство, ОА - оконечная аппаратура, ИИ - источник информации, ПРД - радиопередатчики.

Согласно схеме, приведенной на рис.б.б, прием радиосигналов осуществлялся на две ортогонально ориентированные фазированные антенные системы и два радиоприемника Р-170П, к которым по выходам промежуточной частоты был подключен компенсатор помех. Для сопряжения выходных сигналов Р-170П на промежуточной частоте по полосе частот и по уровням с АКПП были введены фильтры основной селекции и система автоматической регулировки усиления (АРУ), для чего были использованы 2 блока Б4-12 от радиоприемников Р-160П, вошедшие составной частью в макет компенсатора помех. Два буквопечатающих выхода Р-170П (опорные каналы) и два буквопечатающих выхода компенсатора помех (компенсационные каналы) через коммутационную и каналообразующую аппаратуру объекта подключались на 4 входа ОА. Осуществлялась одновременная регистрация приема сигнала по четырем каналам (1-ый, 3-ий каналы - компенсационные, 2- ой, 4-ый каналы - опорные), что обеспечило проведение сравнительных испытаний.

Сигнал излучался радиопередатчиком узла связи, расположенного на расстоянии 1500 км от приемного пункта и излучающим в направлении на объект радиосигнал на выделенных частотах. Режим работы передатчика И-200, 50 бод. Преднамеренная помеха на частоте сигнала излучалась с расстояния около 1.5 км от приемного пункта радиостанцией Р-161-5Р, нагруженной на АФУ "ромб наклонный". Уровень мощности передатчика (изменение отношения помеха/сигнал) регулировался двумя способами:

- непосредственно в передающей аппаратной Р-161-5Р органами управления выходной мощностью по командам, поступающим по служебному каналу связи с приемного комплекса; манипуляция осуществлялась от штатного прибора ЭТИ-69М в виде "точек", либо от прибора АКС-1 в виде 127-ми элементной псевдослучайной последовательности; режим работы передатчика F1B (ЧТ-200, 50 бод), рабочая частота Р-161-5Р соответствовала несущей частоте полезного сигнала;

- уровнем модулирующего колебания, поступающего по ТЧ каналу (проводной линии тональной частоты) с приемного комплекса на возбудитель передатчика Р-161-5Р. В этом случае модулирующее колебание формировалось либо в виде телеграфного сигнала в режиме F1-200 на поднесущей частоте 1 кГц с манипуляцией 7-ми элементной последовательностью кода Баркера (при этом "нажатию" соответствовала частота 900 Гц, "отжатию" - 1100 Гц), либо в виде шума с полосой 300 Гц на частоте 1000 Гц (шумоподобная помеха). Режим работы передатчика Р-161-5Р - A3J-B1, рабочая частота - на 1 кГц выше несущей частоты полезного сигнала. Тем самым, полоса помехового колебания полностью совпадала с полосой полезного сигнала, т.е. передатчик Р-161-5Р излучал прицельную по частоте помеху. Второй вариант модуляции постановщика помехи применялся по двум причинам. Во-первых, только в режиме работы передатчика A3 J можно было сформировать шумоподобную помеху. Во-вторых, для помехи обоих типов уровень помехи от Р-161-5Р (с максимально сниженной мощностью) в точке приема в большинстве сеансов значительно превышал возможности компенсатора помех (отношение помеха/сигнал превышало 35-40 дБ). Единственной оставшейся возможностью снижения уровня помехи (и оперативного регулирования выходной мощности радиопередатчика) явилось управление уровнем модулирующего колебания, подаваемого на телефонный вход возбудителя Р-161-5Р при работе в режиме ОБП (A3J).

Измерение уровней сигнала и помехи производилось на приемном комплексе при помощи селективного микровольтметра STV301-2, к которому подключалась одна из подреше-ток ФАР, использующихся для разнесенного приема. Измерения шума осуществлялось, как правило, в конце часа (при переходе с одной рабочей частоты на другую).

Испытания проводились в дневное и ночное время на частотах, выделенных с учетом расчетного частотного суточного хода 10-17.09.02 (в диапазоне 4-9 МГц) . помеха 1 сигнал I | сигнал 1 |

1 1 1 1 1

00 01 02 03 04 05 Об 07 08 09 10, мин

Рис. 6.7: Графическое представления расписания работы передатчиков сигнала и помехи на интервале каждого 10-ти минутного интервала.

Циклограмма работы передающих и приемных средств в каждые 10 минут часа приведена в графическом виде на рис.6.7. Длительность сообщения составляла 1 минуту. Сеансы передачи и приема сообщений без преднамеренной помехи ("в чистом канале") должны были происходить в 00 , 10, 20, 30, 40, 50 минуты каждого часа, в каждую 5-ю минуту прием сигнала должен был осуществляться в присутствии преднамеренной помехи (05, 15, 25, 35, 45, 55 минуты).

В каждом сеансе измерений с преднамеренной помехой устанавливался контролируемый уровень помехи, величина сигнала и помехи измерялась в каждом сеансе при помощи селективного микровольтметра БТУ301-2. Качество приема по 4-м каналам (2 канала - опорные, 2 канала компенсационные) оценивалось ОА. Оценка качества приема в ОА 2-х балльная - "ПРИЕМ", "НЕТ ПРИЕМА". Таким образом, осуществлялись сравнительные испытания приема сигналов в штатных каналах приема (опорные каналы) и в компенсационных каналах.

Схема испытаний, реализованная в эксперименте, допускала оперативное управление условиями испытаний, что было использовано для увеличения объема статистического набора данных и повышения их достоверности в условиях нестационарного канала (что очень важно) распространения радиоволн ДКМВ сигнала, а именно:

1. При необходимости интервал времени между передачей команд управления составлял 1 минуту (вместо 5 минут).

2. Число сеансов передачи команд "в чистом канале" было сокращено до необходимого (и достаточного) объема.

3. Применение второго варианта модуляции постановщика помехи (см. выше) в большинстве сеансов измерений обеспечило возможность набора данных со статистически достаточными и равномерными условиями сигнально-помеховой обстановки по шкале отношений [сигнал] / [помеха].

В ходе испытаний было проведено около 600 сеансов измерений качества приема сообщений. Из них кондиционными признано 571 сеанс (под критерием кондиционности подразумевается исправность всех задействованных средств и выполнение их функций по заданной программе). Из общего числа кондиционных измерений 445 сеансов измерений проведены в дневное время (08.00-15.00 МСК), 126 сеансов проведены в переходное и ночное время суток (15.00-02.00 МСК). В большинстве сеансов в качестве помехопостановщика применялся радиопередатчик из состава радиостанции Р-161-5Р с управлением из приемного комплекса "по второму варианту", 29 сеансов являлись контрольными - манипуляция Р-161-5Р осуществлялась от АКС-1 в режиме F1B.

Общие характеристики статистического набора данных выглядят следующим образом. Число сеансов с сигналоподобной помехой (СПП) разного уровня составило 218. Опорные каналы не приняли сообщение в 177 сеансах, прием был в 41 сеансе (слабая помеха). По компенсационным каналам прием был в 188 сеансах; сообщение не было принято в 30 сеансах (отношение помеха/сигнал было больше 35-40 дБ и превышало возможности компенсатора по подавлению помехи).

Число сеансов с шумоподобной помехой (ШПП) разного уровня составило 195. Опорные каналы не приняли сообщение в 164 сеансах, прием был в 31 сеансе (слабая помеха). По компенсационным каналам прием был в 164 сеансах; сообщение не было принято в 31 сеансе (отношение помеха/сигнал было больше 35-40 дБ и превышало возможности компенсатора по подавлению помехи).

Число сеансов без помехи ("чистый канал") составило 150 (из 571 сеанса). Общее число сеансов составили 445 дневных измерений и 126 измерений в переходное и ночное время суток.

Из данных измерений уровня полезного сигнала в точке приема следует, что сигнал испытывал значительные флуктуации, которые иногда превышали 20 дБ, около среднего значения сигнала, превышающего шумы на 30 дБ. Следствием высокого отношения с/ш явилось то, что в период испытаний в "чистом канале" надежность приема (вероятность доведения сообщения) составила 100%.

Полученный набор данных далее подвергался следующей обработке при помощи средств пакета Excel. Все данные были отсортированы по отношениям [помеха+шум]/[сигнал+шум] с шагом 5 дБ, т.е. в начале было подсчитано число сеансов, в которых это отношение находилось в интервалах: п/с < —ЮдБ, —ЮдБ < п/с < 1.5дБ, 1.5дБ < п/с < 5дБ, 5дБ < п/с < ЮдБ, .40дБ < п/с < 45дБ. Число сеансов, попавших в выбранные интервалы, было достаточно для дальнейшей оценки надежности приема, которую определяли как процент числа принятых сообщений от числа переданных сообщений при данном отношении [поме-ха+шум]/[сигнал+шум]. Сообщение считалось принятым компенсатором, если оно пришло хотя бы по одному из компенсационных каналов, соответственно, сообщение считалось принятым по опорному каналу, если оно пришло хотя бы по одному из 2-х опорных каналов.

Результаты такой обработки для опорного и компенсационного каналов приведены на графике рис. 6.8в. Аналогичные процедуры были сделаны отдельно для сеансов с сигналопо-добной помехой и с шумоподобной помехой (рис. 6.8а, 6.86, соответственно).

Зависимость надежности приема в присутствии снгналоподобиой преднамеренной

-10 О 10 20 30 40 отношение (п+ш)/(с+ш), дБ Зависимость надежности приема в присутствии шумоподобной преднамеренной помехи от отношения уровня помехи к уровню сигнала

-10 О 10 20 30 40 отношение (п+шУс+шХ дБ

Сводный график зависимости надежности приема по всем дням испытаний

•10 О 10 20 30 40 отношение (п+шУ(с+ш), дБ

Рис. 6.8: Надежность приема сообщений по опорному и компенсационному каналам в присутствии: а) сигналоподобной помехи; б) шумоподобной помехи; в) помехи обоих типов (всё вместе) - данные по всем дням испытаний

Из полученных данных можно сделать следующие выводы:

1. В условиях отсутствии преднамеренной помехи надежность приема сообщений составила 100%.

2. В условиях воздействия помехи (сигналоподобной или шумоподобной) надежность приема по опорным каналам падала от 100% до 0% при превышении помех обоих типов над сигналом от 0 дБ до 15 -т-17 дБ, при этом надежность приема по компенсационным каналам оставалась близкой к 100% до уровня превышения помехи над сигналом 20 -г 23 дБ.

3. Прием сообщений по компенсационному каналу становится невозможным при превышении помехи над сигналом более 35 -т- 40 дБ.

В нескольких сеансах передача и прием команд осуществлялась в присутствии преднамеренной помехи от р/с Р-161-5Р, работающей в режиме F1B с модуляцией от АКС-1. Уровень помехи в этих сеансах был близок к предельному (п/с > 33 -f- ЗбдБ) и уменьшить его было нельзя, но компенсатор помех выполнял свои функции и обеспечивал прием команды. Эти эксперименты подтвердили полную эквивалентность двух вариантов формирования помехового колебания - либо в режиме A3J-B1 на сдвинутой вверх на 1 кГц рабочей частоте сигнала, либо в режиме F1B на частоте сигнала.

Таким образом, проведенные испытания компенсатора помех в фрагменте действующей системы связи с реальной оконечной аппаратурой подтвердили ранее полученные результаты трассовых экспериментов с лабораторными и конструктивными макетами компенсаторов о значительном повышении помехозащищенности линий радиосвязи, оснащенных устройствами пространственной режекции помех. Созданные устройства обеспечивают защиту как от шумоподобных, так и от сигналоподобных прицельных (и заградительных) помех с эффективностью не менее 20 дБ. Альтернативный способ доставки сообщений по каналу радиосвязи в таких условиях требует увеличения мощности радиопередатчика полезного сигнала в 200 раз (!).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации исследованы пути решения крупной научной проблемы, имеющей важное хозяйственное и оборонное значение — создания адаптивного пространственно-корреляционного компенсатора помех для реальных каналов радиосвязи, и введения нового элемента эффективной помехозащиты в состав действующих систем связи и управления. В результате исследований показано, что разработанные устройства — сепараторы сигнала и помех -повышают помехозащищенность радиолиний более, чем на 20 дБ, и являются единственным средством обеспечения надежной радиосвязи в условиях прицельных и заградительных помех.

Перечислим основные результаты работы.

1. Разработаны принципы построения и созданы автоматизированные стенды СДВ-ДМВ диапазонов для проведения исследований пространственно-временной структуры электромагнитного поля радиоволн в диапазоне рабочих частот от 3 кГц до 400 МГц. Разработана методика измерений основных параметров связных радиоволн и экспериментально изучены свойства реальных каналов связи с точки зрения пространственно-временной обработки радиосигналов. Создана экспериментальная база для испытаний, отладки и доводки разрабатываемых алгоритмов ПВОС в реальных каналах связи. Создана электронная база экспериментальных данных с типичными примерами сигнально-помеховой обстановки, представляющая из себя записи комплексных колебаний с разнесенных антенных элементов. Наличие образцовых записей радиосигналов, прошедших реальные каналы связи с помехами разного типа, обеспечивает возможность лабораторного тестирования и отладки новых методов и алгоритмов приема радиосигналов.

2. Выявлены и исследованы основные дестабилизирующие факторы, воздействующие на прием сигналов в каналах радиосвязи: импульсные помехи естественного и индустриального происхождения, нестационарность СПО, селективные замирания по частоте, межсимвольная интерференция, явление "створов" — эффект потери пространственных различий между сигналом и помехой. Установлена степень их влияние на ПВОС в разных радиодиапазонах.

3. Разработаны эффективные алгоритмы адаптивной пространственно-временной обработки сигналов, способные обеспечивать повышенную помехозащищенность реальных радиолиний в условиях априорной неопределенности о параметрах помех, которые могут иметь произвольную, в том числе и равную сигналу, мощность и другие параметры, совпадающие с соответствующими параметрами сигнала (несущую частоту, спектр, модуляцию и т.д.).

3.1. Разработаны оптимальные алгоритмы разделения сигналов с угловой манипуляцией (ЧМ, ФМ) и помех для квазистационарных каналов связи и проведены их исследования методом численного моделирования для условий реальных сигналов и помех, и аппаратных ограничений. Установлены основные характеристики алгоритмов: энергетические, динамические и угловые зависимости отношения мощности сигнала к мощности помех на выходе компенсатора с разным числом ветвей разнесения.

3.2. Разработан и исследован алгоритм сепаратора сигнала с модуляцией типа амплитудный телеграф и помехи произвольного типа.

3.3. Впервые показано, что наличие предпроцессора ортонормировки перед оптимальным алгоритмом минимизации среднего квадратичного отклонения, кроме стабилизации времени настройки, обеспечивает возможность формирования второго, субоптимального, выхода двухканального сепаратора по весовым коэффициентам первого канала.

3.4. Для борьбы с прерывистыми помехами создан новый алгоритм, путем имитационного моделирования исследована его высокая эффективность по защите от прерывистых помех, установлено его свойство сохранения сигнала на прежнем выходном канале в присутствии непрерывной помехи и включении второй, прерывистой помехи. Показано, что данный алгоритм обеспечивает защиту канала связи от воздействия внезапно включающихся помех с произвольной скважностью.

3.5. На основе разработанных алгоритмов для сигналов с частотной, фазовой и амплитудной манипуляцией, предложен новый алгоритм ПВОС, обеспечивающий компенсацию помех, испытывающих глубокие селективные замирания, при которых все другие алгоритмы неработоспособны.

4. Для проверки возможностей ПВОС в реальных каналах связи разработаны лабораторные макеты компенсаторов помех СДВ, ДКМВ и МВ-ДМВ диапазонов. Развернуты экспериментальные радиотрассы и проведены натурные эксперименты. Полученные результаты свидетельствуют о том, что в присутствии преднамеренной помехи качество канала связи снижается до неприемлемой величины. Включение компенсаторов обеспечивает снижение вероятности ошибки до величин, соответствующих безпомеховой ситуации (каналу связи без преднамеренной помехи).

В результате проведенных натурных испытаний в ДКМВ диапазоне показано, что компенсатор обеспечил повышение помехозащищенности приема в условиях преднамеренной помехи сигналоподобного типа по сравнению с опорным каналом (от 7% числа сеансов, в которых был возможен прием по опорному каналу с допустимым качеством, до 63% с применением компенсатора). Величина энергетического выигрыша превышала 20 дБ и в ряде сеансов достигала 35-38 дБ. В отсутствии преднамеренной помехи ("чистый" канал) в ряде сеансов компенсатор обеспечил уменьшение вероятности ошибки по сравнению с опорным каналом.

При натурных испытаниях макета компенсатора помех МВ-ДМВ диапазона в различных условиях установлено, что в условиях развернутых радиотрасс достигается энергетический выигрыш компенсационного канала по сравнению с опорным каналом около 26 дБ. Это приводит к тому, что значительно повышается пропускная способность МВ-ДМВ радиосвязи (от 0.003 до 0.917), снижается вероятность ошибки на бит (от 0.495 до 0.0059), дальность связи с ЛА увеличивается в 2-3 раза. Экспериментально измерены зависимости качества связи в компенсационном канале от азимутального разноса источников помех и сигнала, которые оказались близки к ожидаемым из теоретических прогнозов.

5. В результате выполнения диссертационной работы разработаны и исследованы принципы построения компенсаторов помех и созданы устройства, сопрягаемые с каналообразу-ющей аппаратурой комплексов связи. Проведенные испытания компенсатора помех в фрагменте действующей системы связи с реальной оконечной аппаратурой подтвердили ранее полученные результаты трассовых экспериментов с лабораторными и конструктивными макетами компенсаторов о значительном повышении помехозащищенности линий радиосвязи, оснащенных устройствами пространственной режекции помех. Созданные устройства обеспечили защиту как от шумоподобных, так и от сигналоподобных прицельных (и заградительных) помех с эффективностью не менее 20 дБ.

Таким образом, показаны и изучены возможности пространственного ресурса в арсенале средств борьбы с помехами реальных систем радиосвязи различных диапазонов длин волн. Установлено, что компенсаторы помех, реализующие этот дополнительный ресурс радиолиний, являются эффективным, а в ряде случаев безальтернативным, средством обеспечения необходимой помехозащищенности систем радиосвязи.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Метелев, Сергей Александрович, 2004 год

1. Финк JI.M. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Советское радио, 1970. 728 с.

2. Теория передачи сигналов: Учебник для вузов / Зюко А.Г., Кловский Д.Д., Назаров М.В., Финк JI.M. -М-: Радио и связь, 1986.-304 с.

3. Монзинго P.A., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1986. - 448с.

4. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1989. - 440с.

5. Compton R.T. The Power-Inversion Adaptive Array. IEEE Trans., 1979, v. AES-15, N 6, pp. 803-814.

6. Метелев C.A., Шишкин Ю.В. Устройство пространственного разделения сигнала и ■^помех, Тезисы конференции ВВИА им. Н.Е. Жуковского, Москва, 1995 г.

7. Горев П.П., Лисов С.А., Метелев С.А., Исследование эффективности адаптивной обработки радиосигналов KB диапазона при использовании трехэлементных поляризованных приемных антенн, Изв. Высш. уч.зав.,Радиофизика, N11, т.36,1993 г., с.1032-1041.

8. Метелев С.А., Шишкин Ю.В., Лисов A.A. О предельной эффективности компенсации радиопомех KB диапазона при пространственной обработке сигналов, Изв. Высш. уч.зав.,Радиофизика, N3, т.41, 1998 г., с.403-419.

9. Метелев С.А. Влияние многолучевости на эффективность компенсации помех в адаптивных антенных системах KB диапазона, Изв. Высш. уч.зав.,Радиофизика, N 1, т.43, 2000 г., с.45-58.

10. Метелев С.А., Шишкин Ю.В. Устройство пространственного разделения сигнала и помех, Тезисы научно-технической конференции "Направления развития систем и средств радиосвязи", 23-25 апреля 1996 г., Воронеж, с.1131-1140.

11. Метелев С.А., Шишкин Ю.В. Оптимальный пространственный разделитель сигналов и помех в каналах радиосвязи. 1. Численное моделирование. Изв. высш. уч. зав. Радиофизика, N3, т.40, 1997 г, с.378.

12. Метелев С.А., Об эффективности работы пространственных сепараторов сигнала и помех, построенных по критерию средней квадратичной ошибки. Изв. высш. уч. зав. Радиофизика, N3, т.43, 2000 г, с. 250-263.

13. Метелев С.А., Шишкин Ю.В., Принцип построения двухканального пространственного сепаратора сигнала и помехи с предварительным ортонормированием входных процессов. Изв. высш. уч. зав. Радиофизика, N2, т.43, 2000 г, с. 130-143.

14. Метелев С.А., Лисов A.A. Оптимальный пространственный разделитель сигналов и помех в каналах радиосвязи. 2.Экпериментальные исследования. Изв. высш. уч. зав. Радиофизика, N4, т.40, 1997 г., с.517-529.

15. Метелев С.А. Алгоритмы МСКО для адаптивных сепараторов сигналов и помех, Сборник трудов X научно-технической конференции "Проблемы радиосвязи", Н.Новгород, 1999, с.117-119.

16. Метелев С.А., Волкова E.H. Эффективность работы пространственно-корреляционного компенсатора помех в присутствии преднамеренных имитационных помех. Сборник трудов X научно-технической конференции "Проблемы радиосвязи", Н.Новгород, 1999, с.113-116.

17. Артамонов М.В., Метелев С.А., Шишкин Ю.В. Исследование эффективности адаптивных компенсаторов прерывистых помех в каналах радиосвязи. Сборник трудов X научно-технической конференции "Проблемы радиосвязи", Н.Новгород, 1999, с.92-94.

18. Брянцев В.Ф., Валов В.А., Метелев С.А. Натурная модель системы связи ДКМВ диапазона. Сборник трудов X научно-технической конференции "Проблемы радиосвязи", Н.Новгород, 1999, с.100-103.

19. Метелев С.А., Валов В.А., Кабаев Д.В., Карачаров Э.А., Кочеганов В.Е., Шишкин Ю.В. Экспериментальное исследование эффективности пространственно-корреляционного компенсатора помех в ДКМВ канале радиосвязи, Телекоммуникации, №1, 2004 г., с.23-30.

20. Кабаев Д.В., Карачаров Э.А., Кочеганов В.Е., Метелев С.А., Разуваева О.С. Имитатор каналов радиосвязи для определения основных параметров пространственного компенсатора помех, Телекоммуникации, №12, 2003 г., с.24-30.

21. А.В.Орлов, Г.В.Азарнин. Основные закономерности распространения сигналов СДВ диапазона в волновом канале земля ионосфера. Сб. "Проблемы дифракции и распространения волн", вып.Х, изд.ЛГУ, 1970 г.

22. П.Е.Краснушкин, Н.А.Яблочкин. Теория распространения сверхдлинных волн. Изд.ВЦ АН СССР, Москва, 1963г.

23. Tolstoy, Rosenberg, Inan, Carpenter, JGR, v.91, A12, pp.13473-13482, 1986.

24. Никольский B.B., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Наука, 1989.- 544с.

25. Кукес И.Л., Старик М.Е. Основы радиопеленгации. М.: Сов. радио, 1964 640 с.

26. Гинзбург В. Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука, 1967.

27. Альперт Я.Л. Распространение радиоволн и ионосфера. М., "Академия наук СССР", 1960, 480 с.

28. Долуханов М.П. Распространение радиоволн.-М.: Сов.радио, 1972.

29. Беликович В.В., Бенедиктов Е.А., Ерухимов Л.М., Метелев С.А., Митяков Н.А., Фролов В.Л., Шавин П.Б. Аномальное ослабление мощных радиоволн в F-слое ионосферы. XII Всес.конф.по распростр.радиоволн.Томск, 1978 ч.1. Тез.докл., М., 1978.

30. Ерухимов Л.М., Метелев С.А., Митяков Н.А., Фролов В.Л. Явление гистерезиса при искусственном возбуждении неоднородностей в ионосферной плазме. Изв.высш.уч.зав. Радиофизика,1978, т.21, 12, с.1738-1741.

31. Ерухимов Л.М., Метелев С.А., Митякова Э.Е., Мясников Е.Н., Рахлин А.В., Урядов В.П., Фролов В.Л. Экспериментальные исследования искусственной ионосферной турбулентности. В сб.:Тепловые нелинейные явления в плазме.-ИПФ АН СССР, Горький, 1979, с. 7-45.

32. Метелев С.А., Релаксация аномального поглощения пробной волны. Изв.высш.уч.зав. Радиофизика,1980, т.23, № б, с.671-676.

33. Ерухимов Л.М., Метелев С.А., Митяков H.A., Митякова Э.Е., Фролов В.Л. О неоднородной структуре возмущенной области ионосферы. Тезисы докл. на XIII Всес.конф. по распростр.радиоволн.ч.1 М: Наука, 1981, с.130-132.

34. Метелев С.А., О возможности колебательного режима на линейной стадии тепловой параметрической неустойчивости. Изв.высш.уч.зав. Радиофизика, 1981, т.24, № 1, с.123-126.

35. Ерухимов Л.М., Метелев С.А., Митяков H.A., Фролов В.Л. Экспериментальные исследования стрикционной параметрической неустойчивости в ионосфере. Изв.высш.уч.зав. Радиофизика, 1982, т.25, JV» 5, с.490-494.

36. Ерухимов Л.М., Зюзин В.А., Комраков Г.П., Метелев С.А., Митяков H.A., Фролов В.Л. Нагрев ионосферной плазмы мощным радиоизлучением. Изв.высш.уч.зав. Радиофизика,1982, т.25, № 7, с.843-844.

37. Ерухимов Л.М., Метелев С.А., Митяков H.A., Фролов В.Л. О начальной стадии взаимодействия мощного радиоизлучения с плазмой верхней ионосферы. Геомагнетизм и аэрономия, 1983, т.23, № 3, с.433-439.

38. Бойко Г.Н., Зюзин В.А., Метелев С.А. Аномальное ослабление пробных радиоволн в спорадическом слое Е ионосферы В кн.: Модификация ионосферы мощным радиоизлучением^ Материалы Международного симпозиума, Суздаль, сент. 1986).М.-ИЗМИРАН, 1986, с.117.

39. Бойко Г.Н., Зюзин В.А., Метелев С.А. Аномальное поглощение пробной радиоволны в спорадическом слое ионосферы. Изв.высш.уч.зав. Радиофизика, 1987, т.ЗО, № 5 с.671-673.

40. Ерухимов Л.М., Метелев С.А., Митяков Н.А., Мясников Е.Н., Фролов В.Л. Искусственная ионосферная турбулентность (Обзор) Изв.высш.уч.зав. Радиофизика, 1987, т.ЗО, № 2, с.208-225.

41. Ерухимов Л.М., Метелев С.А., Разумов Д.В. Диагностика ионосферных неоднород-ностей при помощи искусственного радиоизлучения. Изв.высш.уч.зав. Радиофизика, 1988, т.31, № 11, с.1301-1308.

42. Авдеев В.Б., Ерухимов Л.М., Метелев С.А., Рахлин А.В., Ярыгин А.П. Способ формирования искусственного ионизированного ретранслятора сигналов радиосвязи. Авторское свидетельство. Заявка № 4626777 от 26.12.1988.

43. Авдеев В.Б., Ерухимов Л.М., Метелев С.А., Рахлин А.В., Ярыгин А.П. Радиолокационное зондирование мелкомасштабной искусственной ионосферной турбулентности Изв.высш.уч.зав. Радиофизика, 1989, т.32, № 2.

44. Ерухимов Л.М., Метелев С.А. Использование искусственного радиоизлучения возмущенной ионосферы для диагностики ее параметров. Тезисы докл. XXII Генеральной Ассамблеи УРСИ. т.1, Прага, 1990, с.174.

45. Frolov V.L., Boiko G.N., Metelev S.A., Sergeev E.N., On the study of artificial ionospheric turbulence by means of stimulated electromagnetic emission. Radiophysics and Quantum Electronics, 1994, Vol.37, pp.593-603.

46. Радиотехнические системы передачи информации, Учеб.пособие для вузов./под ред. В.В. Калмыкова.-М.:Радио и связь,1990.

47. Джейке У.К. Связь с подвижными объектами в диапазоне СВЧ.-М.:Связь, 1979.

48. Papadias С.В. and Paulraj A., Space-time signal processing for wireless communications : a survey, First Signal Processing Workshop on Signal Processing Advances in Wireless Communications (SPAWC'97), pp. 285-288, Paris, France, April 16-18, 1997.

49. Ред Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике./Перевод с нем.-М.: Мир, 1990.

50. Ремизов Л.Т. Естественные радиопомехи. М.: Наука, 1985 200с.

51. Документы 10-й пленарной ассамблеи МККР. Отчет N 322. Распределение по земному шару атмосферных помех и их характеристики. М., Связь,1965.

52. Методы обработки сигналов при наличии помех в линиях связи / под ред. Камнева Е.Ф./- М.: Радио и связь, 1985г.-224с.

53. Грач С.М., Метелев С.А., Шварц М.М. Об интерпретации результатов измерений искусственного радиоизлучения ионосферы. В кн.: Модификация ионосферы мощным радиоизлучением.( Материалы Международного симпозиума, Суздаль, сент. 1986).М.-ИЗМИРАН, 1986, с.86.

54. Беленов А.Ф., Ерухимов Л.М., Ковалев В.Я., Метелев С.А., Рубцов Л.Н. Результаты исследований искусственного радиоизлучения низкоширотной ионосферы, возмущенной волной накачки с изменяющейся частотой Доклады АН Тадж.ССР, 1986.

55. Бойко Г.Н., Ерухимов Л.М., Метелев С.А. Динамика нетепловой компоненты радиоизлучения ионосферы. Труды III Суздальского симпозиума УРСИ по модификации ионосферы мощными радиоволнами (ISIM-3) (Суздаль, сент. 1991) М.-ИЗМИРАН, 1991, с.144-145.

56. Robert Wall, EC-130Hs Blanket Serb Communications. Aviation Week & Space Technology, n.18 v.150, 1999, p.30.

57. В.Дегтярь, Новое поколение американских радиостанций УКВ диапазона. Зарубежное военное обозрение, 1991, N 6.

58. Клименко Н.Н. Радиостанции УКВ диапазона: состояние, перспективы развития, особенности применения режима скачкообразного изменения частоты.Зарубежная радиоэлектроника, 1990, N 7, с.3-32.

59. Защита от радиопомех, под.ред.М.В.Максимова, М.: Советское радио, 1976.

60. Сикарев A.A., Фалько А.И. Оптимальный прием дискретных сообщений.- -М.: Связь, 1978.

61. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов.- М.: Радио и связь, 1983г.-320с.

62. Варакин JI.E. Системы связи с шумоподобными сигналами.- М.: Радио и связь, 1985.384 с.

63. Адаптивная компенсация помех в каналах связи. Под редакцией Ю.И. Лосева, М.: Радио и связь, 1988 208 с.

64. Д.Бринтон, Программа ВВС по повышению помехозащищенности средств связи, Электроника, 1979, №11, с.100-102.

65. Sielman P. The application of adaptive spatial nulling, spectral cancellation and cross polarization to terrestrial networks at VLF, LF and HF. IEE EASCON 84. Proc. 17 Annu. Electron, and Aerospace Conf. N.Y. - 1984. - P.63-68.

66. Modified Miniature Receive Terminal (MMRT), Каталог радиосвязного оборудования фирмы Rockwell Collins, 2000, pp.1.24.1-1.24.3.106. http://www.dreo.dnd.ca/pages/comms/dc004.htm, HF Adaptive-Antenna Algorithms.

67. Papadias C.B. Methods for blind equalization and identification of linear channels. PhD Thesis, 1995, 259 p.108. http://www-isl.stanford.edu/people/papadias.

68. Cardozo J.F. Blind signal separation: statistical principles. Proceedings of the IEEE, vol.9, No 10, pp.2009-2025, Oct. 1998.

69. Хмельницкий E.A. Оценка реальной помехозащищенности приема сигналов в KB диапазоне. М.: Связь, 1975. 232 с.

70. Hacket С.М. Adaptive Arrays Can Be Used to Separate Communication Signals. IEEE Trans.- 1981.- Vol.AES-17, N 2, pp. 234 246.

71. Ефименко B.C., Харисов В.Н. Оптимальные алгоритмы разделения пространственно -разнесенных источников излучения , Радиотехника, №7, 1996, с.87-95.

72. Ефименко B.C., Харисов В.Н. Следящие алгоритмы пространственного разделения сигналов от различных источников, принятых многоэлементной антенной, Радиотехника, №7, 1996, с.96-100.

73. Ефименко B.C., Харисов В.Н., Петухов В.Н. Алгоритмы разделения негауссовских сигналов, Радиотехника, №10, 1999 г, с.85-93.

74. Ефименко B.C., Петухов В.Н. Алгоритмы разделения источников излучения, использующих временную структуру сигналов, Радиотехника, №7, 1999 г, (журнал в журнале).

75. Марчук Л.А., Ефимов А.В., Рожков А.Г. Непараметрический алгоритм адаптивного пространственного разделения сигналов, Радиотехника, №9, 1999, с.32-37.

76. Kwak J. and I-Tai Lu, Blind Adaptive Space-Time Receiving and Transmitting Diversities for Multiuser DS-CDMA Systems, IEEE Military Communications Conference Proceedings, 31 Oct-3 Nov, Atlantic City, New Jersey, v.II, pp.924-928.

77. Torrieri Don, Adaptive and Diversity Arrays for Frequency-Hopping Systems, IEEE Military Communications Conference Proceedings, 31 Oct-3 Nov, Atlantic City, New Jersey, v.II, pp.929-933.

78. Jouny I., Signal Separation Using Circular Arrays, IEEE Military Communications Conference Proceedings, 31 Oct-3 Nov, Atlantic City, New Jersey, v.I, pp.666-670.

79. Myric W.L., Zoltowski M.D., Goldstein J.S., Anti-Jam Space-Time Preprocessor for GPS Based on Multistage Nested Wiener Filter, IEEE Military Communications Conference Proceedings, 31 Oct-3 Nov, Atlantic City, New Jersey, v.I, pp.675-681.

80. А.Форский, Средства электронной войны ВМС США, Зарубежное военное обозрение, №, 2000, с.45-49.

81. Testing of HF Modems with Bandwith of up to about 12 kHz Using Ionospheric Channel Simulations (Question ITU-R 213|9), Recommendation ITU-R F.1487, 2000, pp.1-11.

82. Widrow B. and Hoff M.E. Jr., Adaptive Switching Circuits, IRE WESCON Conv. Rec., 1960, pt.4. pp. 96-104.

83. A.M.Vural, Effects of perturbations on the performance of optimum/adaptive arrays, IEEE Trans, on Aerospace and Elect. Syst., Vol.AES-15, No.l, pp.76-78, 1979.

84. H.Cox, Line array performance when the signal coherence is spatially dependent, J. of the Acoust. Soc. of America, Vol.54, pp. 1743-1746, 1973.

85. D.R. Morgan, T.M. Smith, Coherence effects on the detection performance of quadratic array processors, with applications to large-array matched-field beamforming, J. of the Acoust. Soc. of America, Vol.87, No.2, pp. 737-747, 1990.

86. Степанец В.А., Кузьмин Б.И., Хохлов Ю.В., Оценка помехоустойчивости линий авиационной радиосвязи в условиях комплексного воздействия случайных и преднамеренных помех., Электросвязь, №3, 1999, с.22-25.

87. Чурмасов C.B., Тарасов Г.А., Оценка эффективности адаптивной антенной решетки при воздействии коррелированной с сигналом помехи, Электросвязь, №5, 2002, с.32-34.