адаптивный экспресс-анализатор параметров широкополосных частотно-модулированных сигналов

Формула изобретения

Адаптивный экспресс-анализатор параметров широкополосных частотно-модулированных сигналов, содержащий первый полосовой фильтр 2, линию задержки 7, фазовращатель 3, первый и второй перемножители 4 и 8, первый и второй интеграторы 5 и 9, первое устройство деления 17, входной тракт 1, вход которого является входом измерителя, а выход соединен со входом первого полосового фильтра 2, выход которого соединен со входом линии задержки 7, первым входом второго перемножителя 8 и входом первого фазовращателя 3, выход которого соединен с первым входом первого перемножителя 4, выход линии задержки 7 соединен со вторым входом второго перемножителя 8 и вторым входом первого перемножителя 4, выход которого соединен со входом первого интегратора 5, выход второго перемножителя 8 соединен со входом второго интегратора 9, выход первого перемножителя 4 соединен со входом второго полосового фильтра 10, выход которого соединен со входом первого квадратора 11, выход которого соединен с первым входом первого сумматора 12, выход второго перемножителя 8 соединен со входом третьего полосового фильтра 18, выход которого соединен со входом квадратора 19, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора 12, выход которого соединен со входом третьего интегратора 13, выход которого соединен со входом первого устройства извлечения квадратного корня 14, выход которого соединен со вторым входом третьего сумматора 20 и входом инвертора 15, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора 16, выход которого соединен с первым входом первого устройства деления 17, выход первого интегратора 5 соединен с первым входом устройства квадратурной обработки 6, а выход второго интегратора 9 соединен со вторым входом устройства квадратурной обработки 6, выход которого соединен с первым входом второго сумматора 16 и первым входом третьего сумматора 20, выход которого соединен со вторым входом первого устройства деления 17, выход которого соединен с первым устройством индикации 21, отличающийся тем, что введены четвертый полосовой фильтр 22 с регулируемой полосой пропускания, вход которого соединен с выходом первого перемножителя 4, а выход соединен со входом частотомера 23, выход которого соединен со входом первого управителя 24, второй делитель напряжения 25, входы которого соединены с выходами первого интегратора 5 и второго интегратора 9, а выход делителя напряжения 25 соединен со входом первого функционального преобразователя 26, выход первого функционального преобразователя 26 соединен с одним из входов решающего устройства 45, третий перемножитель 27, один из входов которого соединен с выходом первого полосового фильтра 2, а второй из входов перемножителя 27 соединен с выходом перестраиваемой линии задержки 30, а выход третьего перемножителя 27 соединен со входом четвертого интегратора 28, выход которого соединен со входом третьего квадратора 29, выход третьего квадратора 29 соединен с одним из входов четвертого сумматора 35, перестраиваемая линия задержки 30, вход которой соединен с выходом первого полосового фильтра 2, а выход соединен со входами третьего перемножителя 27 и четвертого перемножителя 32, второй фазовращатель 31, вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра 2, а выход соединен с одним из входов четвертого перемножителя 32, выход четвертого перемножителя 32 соединен со входом пятого интегратора 33, выход которого соединен со входом четвертого квадратора 34, выход четвертого квадратора 34 соединен со вторым входом четвертого сумматора 35, выход четвертого сумматора 35 соединен со входом второго устройства извлечения квадратного корня 36, выход второго устройства извлечения квадратного корня 36 соединен с первым входом третьего делителя напряжения 39, второй вход которого соединен с выходом шестого интегратора 38, вход шестого интегратора 38 соединен с выходом пятого квадратора 37, а вход пятого квадратора 37 соединен с выходом первого полосового фильтра 2, а выход третьего делителя напряжения 39 соединен со входом дифференцирующей цепи 40, выход которой соединен со входом второго управителя 41, выход второго управителя 41 соединен с первым входом пятого сумматора 42, второй вход пятого сумматора 42 соединен с выходом первого управителя 24, а выход пятого сумматора 42 соединен с управляющим входом перестраиваемой линии задержки 30 и с управляющим входом второго функционального преобразователя 44, первый вход четвертого делителя напряжения 43 соединен с выходом четвертого интегратора 28, второй вход четвертого делителя напряжения 43 соединен с выходом пятого интегратора 33, выход четвертого делителя напряжения 43 соединен со входом второго функционального преобразователя 44, выход которого соединен со вторым входом решающего устройства 45, выход решающего устройства 45 соединен с первым входом второго индикатора 46, второй вход второго индикатора 46 соединен со вторым выходом частотомера 23, а третий вход второго индикатора 46 соединен с выходом первого индикатора 21.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к радиоизмерительной технике и радиосвязи и может быть использовано для определения параметров радиосигналов.

Одним из актуальных направлений в радиосвязи является повышение энергетической скрытности создаваемых средств связи. Для обеспечения скрытности создаваемых средств связи используются широкополосные сигналы с низким энергетическим потенциалом, в том числе частотно-модулированные сигналы.

При проведении радиомониторинга слабых частотно-модулированных сигналов возникает необходимость в их обнаружении и оценивании таких параметров, как девиация _d, модулирующая частота F и средняя частота _s. Для решения задачи определения параметров движения и координат носителей создаваемых средств связи с использованием частотно-модулированных сигналов при оценивании средней частоты _s необходимо обеспечивать выявление приращения доплеровской частоты _{d s}. Кроме того, при построении средств радиомониторинга необходимо обеспечивать оперативность обработки частотно-модулированных сигналов.

С учетом вышеперечисленного для проведения эффективного радиомониторинга широкополосных частотно-модулированных сигналов необходимо разработать принципы построения адаптивного экспресс-анализатора, функционирующего при отсутствии априорной информации о параметрах частотно-модулированных сигналов ( _d, F, _s) при отношении сигнал/помеха, меньшем единицы.

В теории потенциальной помехоустойчивости показано, что при решении подобных задач наиболее эффективными являются алгоритмы автокорреляционной обработки [1].

Известно устройство для измерения средней частоты частотно-модулированных сигналов (А.С. СССР №1237985, опубликовано в ОБИ №22, 1986), содержащее квадратурный фазовый коррелятор, на один из входов которого сигнал подается непосредственно, а на другой через линию задержки, на выходах перемножителей фазового коррелятора включены интеграторы, квадраторы, блоки вычитания, суммирования, деления, функциональный преобразователь и индикатор.

Признаками данного аналога, совпадающими с существенными признаками заявляемого устройства, является квадратурный фазовый коррелятор, на выходах которого включены интеграторы и квадраторы, функциональный преобразователь и индикатор. К недостаткам аналога следует отнести: 1) малую допустимую крутизну дискриминационной характеристики, 2) возможность обработки при уровне принимаемых сигналов, большем уровня помехи, 3) ограниченные функциональные возможности, поскольку измеряется только один параметр сигналов (средняя частота).

Известно также устройство для измерения средней частоты частотно-модулированных сигналов (А.С. СССР №1451616, опубликовано в ОБИ №2, 1989), содержащее квадратурный фазовый коррелятор, линии задержки, интеграторы, блоки вычитания, перемножители, детекторы, блоки вычитания и деления, функциональный преобразователь и индикатор.

Признаками данного аналога, совпадающего с существенными признаками заявляемого устройства, является квадратурный фазовый коррелятор, на выходах которого включены интеграторы и детекторы, блок деления, функциональный преобразователь и индикатор. К недостаткам аналога следует отнести: 1) малую допустимую крутизну дискриминационной характеристики, 2) возможность обработки при уровне принимаемых сигналов, большем уровня помехи, 3) ограниченные функциональные возможности, поскольку измеряется только один параметр сигналов (средняя частота).

Из известных устройств, пригодных для экспресс-анализа параметров частотно-модулированных сигналов, наиболее близким по технической сущности является измеритель девиации частоты сигналов с гармонической частотной модуляцией (патент РФ №2054680, опубликован в ОБ «Открытия, изобретения», №5, 1996), содержащий первый полосовой фильтр, линию задержки, фазовращатель, первый и второй перемножители, первый и второй интеграторы, первое устройство деления, входной тракт, вход которого является входом измерителя, а выход соединен со входом первого полосового фильтра, выход которого соединен со входом линии задержки, первым входом второго перемножителя и входом первого фазовращателя, выход которого соединен с первым входом первого перемножителя, выход линии задержки соединен со вторым входом второго перемножителя и вторым входом первого перемножителя, выход которого соединен со входом первого интегратора, выход второго перемножителя соединен со входом второго интегратора, выход первого перемножителя соединен со входом второго полосового фильтра, выход которого соединен со входом первого квадратора, выход которого соединен с первым входом первого сумматора, выход второго перемножителя соединен со входом третьего полосового фильтра, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора, выход которого соединен со входом третьего интегратора, выход которого соединен со входом устройства извлечения квадратного корня, выход которого соединен со вторым входом третьего сумматора и входом инвертора, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора, выход которого соединен с первым входом первого устройства деления, выход первого интегратора соединен с первым входом устройства квадратурной обработки, а выход второго интегратора соединен со вторым входом устройства квадратурной обработки, выход которого соединен с первым входом второго сумматора и первым входом третьего сумматора, выход которого соединен со вторым входом устройства деления, выход которого соединен с устройством индикации.

В данном измерителе (прототипе) осуществляется оценка только девиации _d частотно-модулированных сигналов.

Недостатком данного прототипа является отсутствие возможности точного оценивания, наряду с девиацией, таких параметров частотно-модулированных сигналов, как модулирующая частота и средняя частота в условиях малого входного отношения сигнал/помеха при наличии априорной неопределенности о параметрах частотно-модулированных сигналов.

Задачи, на решение которых направлено заявляемое изобретение, - расширение функциональных возможностей устройства за счет одновременного измерения девиации, модулирующей частоты и средней частоты широкополосных частотно-модулированных сигналов, а также снижение погрешности измерения средней частоты при уровне частотно-модулированных сигналов меньшем, чем уровень помехи.

Технический результат достигается тем, что в адаптивный экспресс-анализатор параметров широкополосных частотно-модулированных сигналов, выполненный на основе измерителя девиации частоты частотно-модулированных сигналов, содержащий первый полосовой фильтр 2, линию задержки 7, фазовращатель 3, первый и второй перемножители 4 и 8, первый и второй интеграторы 5 и 9, первое устройство деления 17, входной тракт 1, вход которого является входом измерителя, а выход соединен со входом первого полосового фильтра 2, выход которого соединен со входом линии задержки 7, первым входом второго перемножителя 8 и входом первого фазовращателя 3, выход которого соединен с первым входом первого перемножителя 4, выход линии задержки 7 соединен со вторым входом второго перемножителя 8 и вторым входом первого перемножителя 4, выход которого соединен со входом первого интегратора 5, выход второго перемножителя 8 соединен со входом второго интегратора 9, выход первого перемножителя 4 соединен со входом второго полосового фильтра 10, выход которого соединен со входом первого квадратора 11, выход которого соединен с первым входом первого сумматора 12, выход второго перемножителя 8 соединен со входом третьего полосового фильтра 18, выход которого соединен со входом квадратора 19, выход которого соединен со вторым входом первого сумматора 12, выход которого соединен со входом третьего интегратора 13, выход которого соединен со входом первого устройства извлечения квадратного корня 14, выход которого соединен со вторым входом третьего сумматора 20 и входом инвертора 15, выход которого соединен со вторым входом второго сумматора 16, выход которого соединен с первым входом первого устройства деления 17, выход первого интегратора 5 соединен с первым входом устройства квадратурной обработки 6, а выход второго интегратора 9 соединен со вторым входом устройства квадратурной обработки 6, выход которого соединен с первым входом второго сумматора 16 и первым входом третьего сумматора 20, выход которого соединен со вторым входом первого устройства деления 17, выход которого соединен с первым устройством индикации 21, дополнительно введены четвертый полосовой фильтр 22 с регулируемой полосой пропускания, вход которого соединен с выходом первого перемножителя 4, а выход соединен со входом частотомера 23, выход которого соединен со входом первого управителя 24; второй делитель напряжения 25, входы которого соединены с выходами первого интегратора 5 и второго интегратора 9, а выход делителя напряжения 25 соединен со входом первого функционального преобразователя 26, выход первого функционального преобразователя 26 соединен с одним из входов решающего устройства 45; третий перемножитель 27, один из входов которого соединен с выходом первого полосового фильтра 2, а второй из входов перемножителя 27 соединен с выходом перестраиваемой линии задержки 30, а выход третьего перемножителя 27 соединен со входом четвертого интегратора 28, выход которого соединен со входом третьего квадратора 29; выход третьего квадратора 29 соединен с одним из входов четвертого сумматора 35; перестраиваемая линия задержки 30, вход которой соединен с выходом первого полосового фильтра 2, а выход соединен со входами третьего перемножителя 27 и четвертого перемножителя 32; второй фазовращатель 31, вход которого соединен с выходом первого полосового фильтра 2, а выход соединен с одним из входов четвертого перемножителя 32; выход четвертого перемножителя 32 соединен со входом пятого интегратора 33, выход которого соединен со входом четвертого квадратора 34; выход четвертого квадратора 34 соединен со вторым входом четвертого сумматора 35, выход четвертого сумматора 35 соединен со входом второго устройства извлечения квадратного корня 36, выход второго устройства извлечения квадратного корня 36 соединен с первым входом третьего делителя напряжения 39, второй вход которого соединен с выходом шестого интегратора 38, вход шестого интегратора 38 соединен с выходом пятого квадратора 37, а вход пятого квадратора 37 соединен с выходом первого полосового фильтра 2, а выход третьего делителя напряжения 39 соединен со входом дифференцирующей цепи 40; выход которой соединен со входом второго управителя 41; выход второго управителя 41 соединен с первым входом пятого сумматора 42, второй вход пятого сумматора 42 соединен с выходом первого управителя 24, а выход пятого сумматора 42 соединен с управляющим входом перестраиваемой линии задержки 30 и с управляющим входом второго функционального преобразователя 44; первый вход четвертого делителя напряжения 43 соединен с выходом четвертого интегратора 28, второй вход четвертого делителя напряжения 43 соединен с выходом пятого интегратора 33, выход четвертого делителя напряжения 43 соединен со входом второго функционального преобразователя 44, выход которого соединен со вторым входом решающего устройства 45; выход решающего устройства 45 соединен с первым входом второго индикатора 46; второй вход второго индикатора 46 соединен со вторым выходом частотомера 23, а третий вход второго индикатора 46 соединен с выходом первого индикатора 21.

На чертеже приведена структурная схема адаптивного экспресс-анализатора, где 1 - входной тракт; 2, 10, 18, 22 - полосовые фильтры (ПФ₁, ПФ ₂, ПФ₃, ПФ₄ ); 3, 31 - фазовращатели на /2 (Фвр₁, Фвр₂ ); 4, 8, 27, 32 - перемножители (П₁, П ₂, П₃, П₄); 5, 9, 13, 28, 33, 38 - интеграторы (И₁, И₂, И₃, И ₄, И₅, И₆); 6 - устройство с квадратурной обработкой (УКО); 7 - линия задержки (ЛЗ₁); 11, 19, 29, 34, 37 - квадраторы (Кв₁, Кв₂, Кв ₃, Кв₄, Кв₅ ); 12, 16, 20, 35, 42 - сумматоры (Сум₁ , Сум₂, Сум₃, Сум ₄, Сум₅); 14, 36 - устройство извлечения квадратного корня (ИК₁, ИК ₂); 15 - инвертор (Инв); 17, 25, 39, 43 - делители напряжений (Дел₁, Дел₂, Дел ₃, Дел₄); 21, 46 - индикаторы (Инд ₁, Инд₂); 23 - счетчиковый частотомер (Чр); 24, 41 - управители (Упр₁, Упр ₂); 26, 44 - функциональные преобразователи (ФП ₁, ФП₂); 30 - перестраиваемая линия задержки (ПЛЗ); 40 - дифференцирующая цепь (ДЦ); 45 - решающее устройство (РУ); 47, 48 - автокорреляционные частотные дискриминаторы (АЧД₁, АЧД₂).

Возможность достижения технического результата подтверждается приведенным анализом работы устройства.

Полагаем, что в результате использования пространственной и частотной селекции во входном тракте модель радиообстановки y₂ (t) на выходе ПФ₁ является двухкомпонентной:

где s(t,l, ) - квазидетерминированный частотно-модулированный сигнал;

U_ms, _s, , - амплитуда, средняя частота, модулирующая частота, индекс модуляции частотно-модулированных сигналов; _d - девиация частоты;

R _n( ) - автокорреляционная функция гауссовой стационарной помехи на входе адаптивного экспресс-анализатора; _n ², _n, _n - дисперсия, средняя частота, ширина спектра помехи n(t), t₁, T _a1 - момент начала и длительность сеанса анализа параметров частотно-модулированных сигналов.

Радиомониторинг в адаптивном экспресс-анализаторе осуществляется в несколько этапов:

1) оценивание девиации частоты частотно-модулированного сигнала;

2) грубое оценивание средней частоты частотно-модулированного сигнала

3) оценивание модулирующей частоты частотно-модулированного сигнала ;

4) точное оценивание средней частоты частотно-модулированного сигнала

Принцип действия адаптивного экспресс-анализатора поясним следующим образом. Частотно-модулированный сигнал поступает на вход автокорреляционного частотного дискриминатора АЧД ₁.

На выходе перемножителей П₁ и П₂ квадратурных каналов автокорреляционного частотного дискриминатора АЧД₁ имеем

где К_П - коэффициент передачи размерностью 1/В; ₁ - временной сдвиг, вносимый линией задержки ЛЗ₁, _Э - эквивалентный индекс модуляции, соответствующий эффектам на выходе квадратурных каналов; - фазовый сдвиг модулирующей частоты.

С учетом спектрального разложения частотно-модулированных сигналов [1] напряжения U₄(t) и U₈ (t) могут быть преобразованы к следующему виду:

где J₀(x), J _(2n-1)(x), J_2n(x) - функции Бесселя нулевого, нечетного и четного порядков.

Напряжения на выходах интеграторов И₁ и И₂ и устройства с квадратурной обработкой УКО определяется следующими соотношениями [2]:

где r_s( ₁) - огибающая коэффициента автокорреляции частотно-модулированных сигналов при = ₁; s (t) - сигнал ортогональный s(t); Т - постоянная интегрирования И₁ и И₂.

Напряжения на выходах Kв₁ (11) - U ₁₁(T), KB₂(19) - U ₁₉(t) и ИК₁ (14) - U ₁₄(T) определяется из следующих соотношений [2]:

где h_ф1(t) - импульсная реакция полосовых фильтров ПФ₂ и ПФ ₃; _ф, _ф - средняя частота и полоса пропускания ПФ₂ и ПФ₃; F _в, F_н - верхняя и нижняя границы модулирующей частоты F частотно-модулированных сигналов. В индикаторе Инд₁ осуществляется оценивание девиации частотно-модулированных сигналов в соответствии со следующими соотношениями:

где U₆(T) - напряжение на выходе УКО; U₁₆(T) - напряжение на выходе Сум₂ (16); U₂₀(T) - напряжение на выходе Сум₃ (20).

С учетом имеем при

Параллельно с оцениванием девиации частотно-модулированных сигналов осуществляется грубое оценивание средней частоты частотно-модулированных сигналов в соответствии со следующими соотношениями [1]:

где U₂₅(Т) - напряжение на выходе Дел₂(25); U₂₆ (T) - напряжение на выходе ФП₁(26).

Для обеспечения точного оценивания средней частоты (приращения доплеровской частоты) в состав экспресс-анализатора введены дополнительный автокорреляционный частотный дискриминатор АЧД ₂, в котором на основе целеуказаний о модулирующей частоте частотно-модулированных сигналов F осуществляется подстройка перестраиваемой линии задержки.

Для формирования целеуказания о модулирующей частоте частотно-модулированных сигналов используется следующий алгоритм:

где U₂₃(Т) - эффект на выходе частотомера; U₄(T) - напряжение на выходе перемножителя П₁; h _ф2(t) - импульсная реакция полосового фильтра ПФ ₄ с регулируемой верхней граничной частотой; Ф[z] - оператор, соответствующий преобразованиям сигнала в счетчиковом частотомере.

Оператор Ф[z] в соответствии с работой [5] может быть представлен соотношением следующего вида:

где m - количество периодов модулирующей частоты F за время счета T_F; ent[z] - целая часть z.

При функционировании Чр (23) в режиме периодомера получаем грубую оценку временного сдвига

Для перестройки перестраиваемой линии задержки используется два управителя, один из которых (Vпр₁) обеспечивает грубую подстройку, а второй (Упр ₂) - точную подстройку на основе следующих соотношений:

U_упр2(t)=U ₄₁(t); U_упр(t)=U₄₂ (t),

где S - крутизна управителя размерностью В/с; - оценка временного сдвига перестраиваемой линии задержки при точном оценивании модулирующей частоты F; - уточнение временного сдвига в пределах К-го лепестка автокорреляционной функции частотно-модулированного сигнала с центром тяжести на K/F; U_упр(t), U _упр1(t), U_упр2(t) - напряжение на выходах сумматора Сум₅(42) и управителей Упр₁(24), Упр₂(41).

В данном случае «управитель» - это устройство, обеспечивающее подстройку времени запаздывания сигнала в перестраиваемой линии задержки ПЛЗ (30) за счет низкочастотных управляющих воздействий, которые могут быть аналоговыми или дискретными. В настоящее время большое распространение получили дискретные управляющие воздействия.

В заявке на изобретение находят применение два управителя Упр₁ (24) и Упр₂(41). При функционировании частотомера Чр(23) в режиме измерения периода выходное напряжение U₂₃(T) представляет собой двоичную кодовую последовательность и при этом Упр ₁(24) является согласующим устройством.

Упр ₂ (41) представляет собой аналого-цифровой преобразователь (АЦП), преобразующий напряжение рассогласования U ₄₀(T) в двоичную кодовую последовательность. В Сум ₅(42) осуществляется сложение кодов, соответствующих напряжениям U₂₃(T) и U₄₀(T) и дешифрация адреса, устанавливающее значение _T дискретно-перестраиваемой линии задержки ПЛЗ (30).

Примеры реализации Упр ₁(24), Упр₂(41), Сум ₅(42) и ПЛЗ (30) освещены в литературе [6-9].

При воздействии частотно-модулированного сигнала на вход второго автокорреляционного частотного дискриминатора АЧД ₂ в нем осуществляется следующие преобразования [3]:

где U₂₈(T), U ₃₃(T) - квадратурные составляющие на выходе второго автокорреляционного частотного дискриминатора (АЧД₂); U ₃₈(Т) - напряжение на выходе И₆(38); U₄₀(T) - напряжение на выходе ДЦ (40); U₄₄(T) - напряжение на выходе ФП ₂(44), представляющее точную оценку средней частоты ; U₄₃(Т) - напряжение на выходе Дел ₄(43).

В решающем устройстве на основе использования грубой и точной оценок частоты и устраняется многозначность отсчета частоты

где - оценка количества циклов по 2 в дискриминационной характеристике второго автокорреляционного частотного дискриминатора (АЧД₂);

- величина фазового сдвига, используемого при формировании оценки частоты .

Индикатор Инд₂ используется для отображения параметров , и исследуемых частотно-модулированных сигналов.

Для подтверждения эффективности радиомониторинга, выполняемого предложенным экспресс-анализатором, проведем методику анализа его основных характеристик.

Экспресс-анализатор представляет собой многофункциональное устройство радиомониторинга, обеспечивающее оценивание девиации _d, модулирующей частоты F и средней частоты _s слабых широкополосных частотно-модулированных сигналов. К числу основных характеристик экспресс-анализатора относятся: 1) ширина рабочего частотного диапазона _n; 2) реальная чувствительность Р _р; 3) крутизна дискриминационной характеристики S; 4) среднеквадратичная погрешность оценивания девиации частоты _d, модулирующей частоты F и средней частоты _s частотно-модулированных сигналов.

При проведении радиомониторинга частотно-модулированных сигналов ширина рабочего частотного диапазона адаптивного экспресс-анализатора _n должна быть не менее, чем ширина спектра _s ожидаемых сигналов

_s [ _SH, _{S B}]; _{n S B}; _d=2F ,

где _{S Н}, _{S В} - нижняя и верхняя границы ширины спектра ожидаемых частотно-модулированных сигналов; _d - девиация частоты.

Реальная чувствительность адаптивного экспресс-анализатора Р _р определяется с помощью соотношения Найквиста, следующим образом:

P_p=kT₀ N_{ш n}g_вх ²; _n ²=kT ₀N_{Ш n}; kT₀=4·10 ^-21 Вт/Гц,

где N_ш - коэффициент шума адаптивного экспресс-анализатора; _n ² - дисперсия помехи n(t) на входе адаптивного экспресс-анализатора; g _вх ² - отношение сигнал/помеха по мощности.

Как было отмечено выше, при радиомониторинге излучений скрытных систем связи адаптивный экспресс-анализатор должен обеспечивать нормальное функционирование при приеме слабых частотно-модулированных сигналов, то есть, когда g _вх ²<<1.

Для оценивания девиации частоты и грубого оценивания средней частоты частотно-модулированных сигналов в адаптивном экспресс-анализаторе используется автокорреляционный частотный дискриминатор (АЧД ₁), крутизна дискриминационной характеристики S ₁ которого определяется следующими соотношениями [1]:

S₁=2 ₁; ₁ 1/ _n; _од1=1/ ₁; r_s( ₁)=J₀(2 sin[ F ₁]) r_пор,

где ₁ - временной сдвиг, вносимый линией задержки ЛЗ₁; _од1 - диапазон однозначного отсчета частоты в первом автокорреляционном частотном дискриминаторе (АЧД₁); r_пор - пороговое значение r_s( ₁), например, r_s ( ₁)>0,3.

Для снижения погрешности оценивания частоты _S в состав адаптивного

экспресс-анализатора вводится второй автокорреляционный частотный дискриминатор (АЧД ₂). В «точной» шкале второго автокорреляционного частотного дискриминатора (АЧД₂) выбор параметров линии задержки должен удовлетворять двум условиям: 1) максимально возможному значению крутизны дискриминационной характеристики (S₂= 2 _Т); 2) отсутствию декорреляции частотно-модулированных сигналов при его преобразовании во втором автокорреляционном частотном дискриминаторе АЧД₂ (r _S( _Т) 1, где r_S( _Т) - огибающая коэффициента автокорреляции частотно-модулированного сигнала при временном сдвиге _Т).

С учетом периодичности автокорреляционной функции частотно-модулированных сигналов r _S( )=J₀(2 sin [ F ]), вышеназванные условия выполняются при _Т=K/F, К=1, 2, 3,....

Таким образом, крутизна дискриминационной характеристики S ₂ второго автокорреляционного частотного дискриминатора АЧД₂ существенно превышает аналогичную характеристику S₁ в первом автокорреляционном частотном дискриминаторе АЧД₁ , что позволяет снизить погрешность оценивания частоты _s.

Как показано в работах [1, 4], среднеквадратичные погрешности оценивания девиации _d и частоты _{s г} в первом автокорреляционном частотном дискриминаторе АЧД₁ определяются следующим образом:

где g_д - отношение сигнал/помеха по напряжению на выходе первого делителя Дел₁ ; g ₁ - отношение сигнал/помеха по напряжению на выходе первого функционального преобразователя ФП₁ .

Для обеспечения нормального функционирования адаптивного экспресс-анализатора и устранения многозначности оценивания частоты во втором автокорреляционном частотном дискриминаторе АЧД ₂ необходимо, чтобы среднеквадратичная погрешность _SГ удовлетворяла условию при котором обеспечивается подстройка перестраиваемой линии задержки ПЛЗ во втором управителе Упр₂ в зону максимального значения при

Поскольку при радиомониторинге частотно-модулированных сигналов значение модулирующей частоты F априорно неизвестно, то для подстройки перестраиваемой линии задержки ПЛЗ требуется в адаптивном экспресс-анализаторе сначала оценивать модулирующую частоту F, а затем формировать целеуказания для подстройки перестраиваемой линии задержки ПЛЗ. Для обеспечения нормального функционирования «точной» шкалы второго автокорреляционного частотного дискриминатора АЧД₂ необходимо, чтобы целеуказания находились в интервале , где _KS - интервал корреляции частотно-модулированных сигналов. Как показано в работе [3], имеем _KS=0,3/ _d.

При доверительной вероятности Р_дов=0,95 требования к погрешности оценивания модулирующей частоты F определяются следующим образом:

Для оценивания модулирующей частоты F можно использовать напряжение U₄(t) с последующей обработкой в полосовом фильтре (ПФ₄) и счетчиковом частотомере (Чр). При этом среднеквадратичная погрешность оценивания модулирующей частоты F определяется из следующего соотношения [5]:

где m - количество периодов модулирующей частоты F, используемой в счетчиковом частотомере (Чр) за время счета T_F; g_F - отношение сигнал/помеха по напряжению на выходе четвертого полосового фильтра (ПФ₄).

Оценивание временного сдвига , как показано в работе [4], осуществляется со среднеквадратичной погрешностью

= _{K S}/g при

где g - отношение сигнал/помеха на выходе второго управителя (Упр₂).

Для устранения многозначности отсчета частоты в пределах K-го лепестка допустимая величина среднеквадратичной погрешности оценивания временного сдвига не должна превышать =1/12 _S.

После подстройки перестраиваемой линии задержки (ПЛЗ) во втором автокорреляционном частотном дискриминаторе (АЧД₂) с использованием первого и второго управителей (Упр₁ и Упр ₂) среднеквадратичная погрешность оценивания частоты в точной шкале равна где g_f2 определяется следующим выражением:

где g_f2 - отношение сигнал/помеха по напряжению на выходе второго функционального преобразователя (ФП₂).

Для иллюстрации полученных соотношений рассмотрим пример радиомониторинга скрытой системы связи, использующей частотно-модулированные сигналы при g _вх ² 0,1 с _{S B}=2-·10⁷ Гц и имеющей приращение доплеровской частоты _{d s} за счет перемещения носителя создаваемых средств связи до 10⁴ Гц.

Полагаем, что адаптивный экспресс-анализатор должен обеспечивать среднеквадратичную погрешность оценивания частоты не более одного процента от _d, то есть _s 10^-2 _d 100 Гц.

При диапазоне изменения модулирующей частоты ожидаемых частотно-модулированных сигналов F [F_H, F_B] [10⁴; 10⁵] Гц проведем вычисления для среднегеометрического значения F=3,1·10 ⁴ Гц.

Результаты расчетов с учетом вышеприведенных соотношений показывают, что нормальное функционирование адаптивного экспресс-анализатора обеспечивается при следующих параметрах:

₁=5·10^-8 c; _T=3,2·10^-5 c при К=1; P_p=2·10 ^-14 Вт при N_ш=2,5;

S ₁=3,14·10^-7 В/с; S ₂=2·10^-4 В/с; _d/ _d=10^-2; _{S T}=10² Гц;

_{S Г}=10⁵ Гц; F/F=4,6·10^-4; =8·10^-10 c при _s/ _d=10; T 0,1 с.

Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает оперативный радиомониторинг основных параметров слабых широкополосных частотно-модулированных сигналов и возможность оценивания приращения доплеровской частоты «скрытных» систем связи, использующих широкополосные частотно-модулированные сигналы.

Реализация устройства не вызывает затруднений. Все его функциональные узлы являются типовыми и могут быть выполнены на основе современной элементной базы.

Источники информации

1. Дятлов А.П. Корреляционные устройства в радионавигации. Часть II, Таганрог, ТРТИ, 1988.

2. Патент РФ №2054680.

3. Винницкий А.С. Модулированные фильтры и следящий прием. -М.: Сов. Радио, 1968.

4. Белавин О.В. Основы радионавигации. -М.: Сов. Радио, 1967.

5. Аппаратура для частотных и временных измерений. Под ред. А.П.Горшкова. -М.: Сов. Радио, 1971.

6. Березин С.Я., Кратаев О.Г. Корреляционные измерительные устройства в автоматике. -Л.: Энергия, 1976 (см. с.65-69).

7. Мирский Г.Я. Микропроцессоры в измерительных приборах. - М.: Радио и связь, 1984 (см. с.73-77, 87-91, 94-96).

8. Петров Г.М., Лосов А.П. и др. Преобразование информации в аналого-цифровых вычислительных устройствах и системах. - М.: Машиностроение, 1973 (см. с.218-225).

9. Ицхоки Я.С., Овчинников Н.И. Импульсные и цифровые устройства. -М.: Сов. Радио, 1973 (см. с.536-542).