УДК 621.39:62-50
НЕЛИНЕЙНЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБНАРУЖИТЕЛЬ СЛОЖНЫХ СИГНАЛОВ
Смирнов А. В., к.т.н., с.н.с.
Данилич И. В.
Введение. Обнаружение сигналов происходит при полном или частичном отсутствии сведений о них. В этой ситуации оптимальные алгоритмы обнаружения принципиально не могут быть реализованы. Это приводит к необходимости использовать неоптимальный алгоритм энергетического обнаружения (ЭО). Практическая реализация этого алгоритма – последовательное соединение полосового фильтра, квадратичного детектора, фильтра нижних частот и порогового устройства для принятия решений о наличии или отсутствии радиосигналов. ЭО обладает посредственными рабочими характеристиками даже при обнаружении радиосигналов в условиях воздействия аддитивной гауссовой помехи в виде «белого шума». Его рабочие характеристики существенно ухудшаются в сложной и постоянно меняющейся радиоэлектронной обстановке (РЭО) при наличии негауссовых аддитивных помех. Последовательное соединение нелинейного безынерционного четырехполюсника (НБЧ), вольтамперная характеристика которого определена типом негауссовой аддитивной помехи, и классического ЭО, позволяет осуществить амплитудное подавление этой помехи, и тем самым, существенно улучшить в этой помеховой ситуации рабочие характеристики обнаружителя [1, 2]. Использование в современных радиоэлектронных системах (РЭС) сложных шумоподобных сигналов (ШПС) позволяет существенно снизить необходимое отношение сигнал/шум на входе РПрУ для эффективной его работы и одновременного улучшения энергетической скрытности [3]. В этом случае амплитудное подавление негауссовых помех НБЧ наиболее эффективно.
Основной проблемой реализации такого нелинейного обнаружителя является строгая классификация присутствия в данный момент времени конкретной негауссовой помехи и включение соответствующего ей НБЧ. Решение этой задачи «в лоб», т.е. нахождение плотности вероятностей мгновенных значений негауссовой помехи и дальнейшее её преобразование в вольтамперную характеристику НБЧ фактически невозможно, поскольку время на эти операции уходит много больше, чем среднее время существования конкретной РЭО. Реальный путь решения этой задачи – это разработка классификатора помеховой ситуации (КПС) т.е. устройства распознания классов помех. После распознавания типа помехи, КПС включает соответствующий ей НБЧ.
Цель работы. Целью данной работы является исследование рабочих характеристик нелинейного ЭО с учетом реальных характеристик предложенного ранее алгоритма КПС, основанного на различии оценок коэффициентов эксцессов аддитивных помех, соответствующих РЭО [4]. Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
· произвести выбор набора моделей аддитивных помех, адекватных реальной РЭО;
· определить вольтамперные характеристики НБЧ соответствующих этим помехам;
· определить значения коэффициентов амплитудного подавления негауссовых помех НБЧ;
· определить рабочие характеристики нелинейного ЭО с выбранным КПС.
Модели аддитивных помех. Распознавание большого количества различных классов аддитивных помех в КПС затруднительно по следующим причинам: существенно уменьшаются межклассовые и внутриклассовые расстояния пространств помех. Поэтому ограничимся тремя классами, которые наиболее выпукло характеризуют все возможные варианты реальных РЭО:
|
)
нормальная помеха |
|
(1) |
|
)
сосредоточенная по
спектру (станционная) помеха |
|
(2) |
|
)
сосредоточенная по
времени (импульсная помеха) |
|
(3) |
;
.В (1), в (2) – закон арксинуса и
в (3) – закон Лапласа положено: 
. Это
необходимо для однозначной классификации КПС. Последнее легко обеспечивается
системами АРУ РПрУ, которые выполняют эту операцию почти идеально.
Характеристика НБЧ. Амплитудные характеристики НБЧ определяются выражением [5]:
|
|
(4) |
где 
– одномерная плотность вероятностей
конкретной аддитивной помехи. Амплитудные характеристики НБЧ для нормальной и
сосредоточенной по времени помех получены в [5]:
|
|
(5) |
|
|
(6) |
где: 
Амплитудная характеристика НБЧ
для 
получена в данной работе по (4) с учетом (2)
|
|
(7) |
Коэффициенты подавления. Коэффициенты амплитудного подавления НБЧ негауссовых помех можно определить как [5].
|
|
(8) |
.Коэффициенты 
, 
[4], а 
при условии, если 
ограничена максимальным значением 
.
Рабочие характеристики нелинейного обнаружителя. Нелинейный ЭО состоит
из РПрУ, УПЧ которого охвачена действием эффективной системы АРУ,
обеспечивающей постоянство дисперсий 
. На
выход УПЧ подключен линейный традиционный ЭО и КПС. КПС обеспечивает
вероятность ошибок классификации перечисленных выше аддитивных помех 
при 
, где
– число независимых отсчетов [4]. КПС с
помощью решающего устройства включает нужный тип НБЧ. На время 
линейная часть ЭО заперта и находится в
ожидании команды на включение НБЧ. За время 
вырабатывается решение об отсутствии или
наличии ШПС на входе РПрУ естественно, что должно выполняться условие [4]:
|
|
(9) |
где 
– средняя длительность помеховой ситуации.
Рабочие характеристики
нелинейного ЭО определялись по методике, применимой для традиционных ЭО, путем
замены в выражениях отношений сигнал/шум на входе ЭО 
на 
.
Положим:
|
|
(10) |
;
,где 
– отношение сигнал/шум на входе ЭО; 
– соответственно мощности сигнала и шума.
Выражения для 
и 
получены
при условии 
и 
(действие идеальной системы АРУ по
дисперсии). Тогда вероятности ложных тревог и пропуска ШПС определены как [3].
При малом отношении сигнал/шум, когда 
и 
, и
имеем:
|
|
(11) |
|
|
(12) |
где 
– соответственно гамма функция и неполная
гамма функция,
ЭО формирует величину 
и сравнивает ее с константой 
:
|
|
(13) |
где 
– порог определяемый критерием приема ШПС.
|
251658240 |
|
Рис 1. Рабочие характеристики нелинейного ЭО |
На рис. 1. приведены семейства
вероятностей правильного обнаружения 
для трех помеховых ситуаций и значений 
,
равных 0.1 и 0.01.
Расчет рабочих характеристик по
(10 – 13) проводился в следующей последовательности: задавались значения 
при 
и определялись 
.
Затем находился порог принятия решений 
по критерию Неймана-Пирсона. Далее
определялись вероятности правильного обнаружения радиоизлучений как 
, где
.
Выводы. Нелинейный ЭО обеспечивает существенное улучшение рабочих
характеристик за счет амплитудного подавления негауссовых аддитивных помех.
Естественно, что такое подавление будет только при полном соответствии 
используемой 
НБЧ, правильной классификации КПС аддитивной
помехи и достаточно медленной смене помеховых ситуаций, т.е. при выполнении
условия (9).
Как показали дальнейшие
исследования, при неадекватности модели (1-3) реальной РЭО (например, вместо
одной станционной помехи в УПЧ РПрУ попадают несколько таких помех), возникает
ухудшение рабочих характеристик двух родов: ухудшается распознавание типа
помехи в КПС и его 
увеличивается; уменьшается величина 
из-за несоответствия 
амплитудной характеристике НБЧ.
Поэтому, приведенные в данной
работе рабочие характеристики нелинейного НБЧ, нужно рассматривать, как
потенциально возможные. Дальнейшие пути продолжения рассмотренных исследований
должны быть направлены на поиск более эффективных алгоритмов КПС,
обеспечивающих меньшие величины 
при уменьшении величины 
,
разработки алгоритмов устройств, сводящих реальные РЭО к принятым моделям
аддитивных помех (защитные устройства).
Литература
1. Антонов О. Е. Оптимальное обнаружение сигналов в негауссовских помехах. – Радиотехника и электроника, 1967, т.12, №4, с. 579 – 587.
2. Валеев В. Г., Гонопольский В. Б. Метод амплитудного подавления негауссовских помех. – Радиотехника и электроника, 1981, т.26, №11, с.2301.
3. Варакин Л. Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. – М.: Радио и связь, 1985. – 384 с.
4. Смирнов А. В., Данилич И. В. Классификатор помеховых ситуаций. – Materiały IX Międzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Nauka i inowacja - 2013» Volume 18. Techniczne nauki.: Przemyśl. Nauka i studia – с. 82 – 86.
5. Фомин А. Ф., Ваванов Ю. В. Помехоустойчивость систем железнодорожной радиосвязи. – М.: Транспорт, 1987. – 295 с.