Systèmes de radiocommunication avec extension du spectre des signaux utilisant la méthode d'accord pseudo-aléatoire de la fréquence de fonctionnement : principes généraux. Concepts et termes de base

Immunité au bruit des systèmes de communication radio avec expansion du spectre des signaux utilisant la méthode de réglage pseudo-aléatoire de la fréquence de fonctionnement. V.I. Borissov, V.M. Zinchuk, A.E. Limarev, N.P. Mukhin, V.I. Chestopalov. / 2000

CDU 621.391.372.019

Immunité au bruit des systèmes de communication radio avec expansion du spectre des signaux utilisant la méthode de réglage pseudo-aléatoire de la fréquence de fonctionnement. V.I. Borissov, V.M. Zinchuk, A.E. Limarev, N.P. Mukhin, V.I. Chestopalov. - M. : Radio et Communications, 2000. - 384 p. : ill. ISBN-5-256-01392-0

Les principes de base et les caractéristiques de la méthode d'expansion du spectre des signaux grâce au réglage pseudo-aléatoire de la fréquence de fonctionnement (PRFC) sont décrits. Une analyse des moyens possibles d'augmenter l'immunité au bruit des systèmes de communication radio standard (RCS) avec sauts de fréquence et modulation par déplacement de fréquence dans des conditions d'interférence organisée et de bruit propre du RCS est fournie. Les problèmes de synthèse et d'analyse de l'immunité au bruit des algorithmes adaptatifs de démodulation de signaux avec sauts de fréquence et diversité de fréquence des symboles d'information sont résolus dans des conditions d'incertitude a priori concernant la puissance des interférences concentrées le long du spectre. Des schémas fonctionnels et des algorithmes typiques pour le fonctionnement des principaux dispositifs du sous-système de synchronisation dans le SRS avec des convertisseurs de fréquence, des indicateurs et des méthodes d'évaluation de l'efficacité des procédures de recherche cycliques sont présentés. L'utilisation conjointe des signaux provenant de convertisseurs de fréquence et de réseaux d'antennes adaptatives (AAR) avec SRS est envisagée. Un algorithme d'adaptation qui fournit le rapport signal/bruit maximum est analysé. L'invention concerne des algorithmes et des caractéristiques de fonctionnement de détecteurs d'énergie qui permettent la détection de signaux provenant de convertisseurs de fréquence en vue de leur suppression électronique.

Destiné aux scientifiques, ingénieurs, étudiants diplômés et étudiants seniors spécialisés dans la recherche et le développement de systèmes de radiocommunication.

Il.211. Tableau 14. Bibliographie 112 titres

Réviseurs :
Docteur en ingénierie Sciences, professeur Yu.G. Bougrov
Docteur en ingénierie Sciences, professeur Yu.G. Sosuline
Docteur en ingénierie Sciences, Professeur N.I. Smirnov

Préface

Le moyen le plus important d'obtenir l'immunité au bruit requise des systèmes de communication radio (RCS) lorsqu'ils sont exposés à des interférences organisées (intentionnelles) est l'utilisation de signaux à sauts de fréquence pseudo-aléatoires (PRFC) et l'utilisation d'algorithmes optimaux et quasi-optimaux pour traiter de tels signaux.

Un grand nombre d'ouvrages d'auteurs nationaux et étrangers sont consacrés au problème de l'immunité au bruit du SRS avec l'expansion du spectre des signaux à l'aide de la méthode des sauts de fréquence. Il s'agit tout d'abord des monographies et ouvrages bien connus des écoles scientifiques de L.E. Varakina et G.I. Touzova ; des livres de D.J. qui n'ont pas encore été publiés en russe. Torrieri "Principes des systèmes de communication sécurisés", Dedham, MA : Artech House, Inc., 1985 ; M.K. Simon, J.K. Omura, R.A. Scholtz, BK (2003). Levitt « Communication à spectre étalé », vol. I-III, Rockville, MD : Computer Science Press, 1985. En 1998, Artech House, Inc., une maison d'édition spécialisée dans les domaines du radar, des communications radio, de la guerre électronique, etc., a publié des livres de D.C. Schleher "Principes avancés de guerre électronique", E. Waltz "Introduction à la guerre de l'information". Association des spécialistes américains dans le domaine de la théorie et de l'ingénierie de la communication, sous la direction du professeur J.S. Lee (Inc. 2001, Jefferson Davis Highway, Suite 601. Arlington, Virginia 22202) a publié plus de dix ouvrages, y compris des ouvrages commandés, sur divers aspects de l'immunité au bruit des SRS avec des convertisseurs de fréquence. En 1999, la maison d'édition « Radio et Communications » a publié une monographie de V.I. Borisova, V.M. Zinchuk "Immunité au bruit des systèmes de communication radio. Approche probabiliste."

Cependant, le problème de l'efficacité du SRS avec HFPR, la recherche et le développement de moyens prometteurs pour augmenter l'immunité au bruit du SRS, en particulier dans le contexte de l'amélioration constante des tactiques et de la technologie de suppression électronique (ERS), restent d'actualité et importants depuis à la fois d'un point de vue scientifique et pratique.

Les possibilités récemment apparues pour l'introduction généralisée de la technologie des microprocesseurs à grande vitesse et de la base d'éléments moderne dans le SRS permettent de mettre en œuvre de nouveaux principes pour la formation, la réception et le traitement des signaux provenant des convertisseurs de fréquence, y compris la diversité de fréquence des symboles à haute multiplicité. et de courte durée des éléments, et l'utilisation conjointe de la modulation par déplacement de fréquence M-aire ( FM) et du codage résistant au bruit, des signaux provenant des sauts de fréquence et des réseaux d'antennes adaptatives, etc. Tout cela permet d'assurer une immunité élevée au bruit du SRS lorsqu'ils sont exposés à divers types d'interférences organisées.

Les sujets abordés dans le livre, leur contenu et leur présentation reflètent, dans une certaine mesure, l'état actuel des principaux aspects du problème de l'immunité aux interférences du SRS, y compris, entre autres, les questions de synchronisation, l'utilisation conjointe dans le SRS des signaux de les réseaux d'antennes à sauts de fréquence et adaptatifs, ainsi que la détection des signaux des stations radio à sauts de fréquence, garantissant le fonctionnement efficace des systèmes de guerre électronique. Le contenu du livre est subordonné à un seul objectif - l'analyse de l'efficacité des moyens possibles d'augmenter l'immunité au bruit du SRS avec PDFC dans les conditions des équipements électroniques électroniques.

Le livre est écrit sur la base des propres travaux des auteurs et utilise largement les résultats des recherches menées par des spécialistes nationaux et étrangers. Dans le même temps, les auteurs, se tournant vers les travaux de spécialistes étrangers non publiés en russe sur certaines questions d'immunité au bruit du SRS avec PDFC, ont présenté un certain nombre de documents dans le livre sous la forme de revues analytiques.

Le livre utilise un appareil mathématique accessible aux ingénieurs, fournit des schémas fonctionnels de SRS typiques, des graphiques et des tableaux illustrant les capacités des méthodes d'immunité au bruit pour les SRS avec des convertisseurs de fréquence. Le désir de simplifier le matériel présenté a conduit au fait que le livre considère principalement le SRS binaire typique avec FM et les canaux de communication sans atténuation et avec interférence gaussienne.

La lecture de l'ouvrage suppose la connaissance des principes fondamentaux de la théorie de la communication statistique, exposés dans les monographies les plus célèbres, aujourd'hui classiques, de V.I. Tikhonov "Ingénierie radio statistique", - M. : Radio et communications, 1982, et B.R. Levin "Fondements théoriques de l'ingénierie radio statistique", - M. : Radio et Communications, 1989.

Pour leur grande aide lorsqu'ils travaillent sur la littérature étrangère, les auteurs remercient les traducteurs N.A. Zykov, S.A. Luneva, L.S. Titova.

Les auteurs remercient le personnel de l'Institut de recherche en communications de Voronej Yu.G. Belous, E.I. Gontcharova, T.V. Dorovskikh, E.V. Izhbakhtina, T.F. Kapaeva, N.A. Parfenova, E.V. Pogosova, O.I. Sorokina et N.N. Starukhina pour la saisie informatique de documents de livres, réalisation de nombreux calculs, développement et préparation de matériel graphique et illustratif.

PRÉFACE 8
INTRODUCTION 10
Chapitre 1. SYSTÈMES DE RADIOCOMMUNICATION AVEC ÉLARGISSEMENT DU SPECTRE DES SIGNAUX PAR LA PROCÉDÉ DE TOURNAGE À FRÉQUENCE DE FONCTIONNEMENT PSEUDO-ALÉATOIRE : PRINCIPES GÉNÉRAUX 13 1.1. Brève description de l'extension du spectre des signaux par la méthode des sauts de fréquence 13 1.1.1. Principes de base et méthodes d'élargissement du signal 13 1.1.2. Méthode d'ajustement pseudo-aléatoire de la fréquence de fonctionnement 19 1.1.3. Schémas fonctionnels typiques des systèmes de communication radio avec convertisseurs de fréquence 24
1.2. Facteur d'étalement du signal et marge d'immunité au bruit d'un système de radiocommunication à sauts de fréquence 36 1.3. Caractéristiques générales de l'immunité au bruit des systèmes de radiocommunication à sauts de fréquence 42 1.3.1. Immunité au bruit des systèmes de communication radio avec convertisseurs de fréquence 42 1.3.2. Secret des signaux des systèmes de communication radio avec contrôle de fréquence 44 1.3.3. Conflit radio-électronique : « système de communication radio - système de transmission radio électronique » 53 1.4. Modèles et brèves descriptions des principaux types d’interférences 56
Chapitre 2. IMMUNITÉ AUX INTERFÉRENCES DES SYSTÈMES DE COMMUNICATION RADIO TYPIQUES AVEC PRFC ET MANIPULATION DE FRÉQUENCE 64 2.1. Probabilité d'erreur conditionnelle par bit d'information en FM binaire 64 2.2. Évaluation de l'impact des interférences sonores dans une partie de la bande sur les systèmes de radiocommunication à sauts de fréquence et FM non aléatoire 73 2.3. Évaluation de l'impact des interférences sonores dans une partie de la bande sur les systèmes de radiocommunication à sauts de fréquence et FM binaire aléatoire 80 2.4. Évaluation de l'impact des contre-interférences sur les systèmes de radiocommunication FM et FM 86 2.4.1. Estimation des capacités temporelles de la station anti-brouilleur 86 2.4.2. Évaluation de l'impact des interférences de bruit de retour sur les systèmes de radiocommunication avec sauts de fréquence et FM 96
2.4.3. Évaluation de l'impact des interférences harmoniques réciproques sur les systèmes de radiocommunication à sauts de fréquence et FM 102 2.5. Immunité au bruit des systèmes de communication radio avec sauts de fréquence, FM binaire et codage par blocs 111
Chapitre 3. SYNTHÈSE ET ANALYSE DE L'EFFICACITÉ D'ALGORITHMES ADAPTATIFS POUR LA DISTINCTION DE SIGNAUX AVEC FRFC, LA MANIPULATION DE FRÉQUENCE ET LA DIVERSITÉ DE SYMBOLES PAR FRÉQUENCE 124 3.1. Synthèse d'un algorithme adaptatif optimal pour distinguer les signaux avec sauts de fréquence intra-symbole et FM 124 3.2. Algorithme adaptatif quasi optimal pour distinguer les signaux avec fréquence intra-symbole et FM binaire 132 3.3. Évaluation de l'immunité au bruit d'un algorithme adaptatif synthétisé pour distinguer les signaux à fréquence intra-symbole et FM binaire 141 3.3.1. Le cas des signaux « faibles » 142 3.3.2. Le cas des signaux « forts » 148
Chapitre 4. IMMUNITÉ AU BRUIT DES ALGORITHMES ADAPTATIFS DE DÉMODULATION DE SIGNAUX AVEC PFC INTRA-BIT ET MANIPULATION DE FRÉQUENCE BINAIRE 152 4.1. Schémas fonctionnels des démodulateurs 152 4.2. Immunité au bruit d'un démodulateur avec addition linéaire d'échantillons 157 4.3. Immunité au bruit d'un démodulateur avec addition non linéaire d'échantillons 164 4.4. Immunité au bruit d'un démodulateur avec un limiteur logiciel 170 4.5. Immunité au bruit d'un démodulateur auto-normalisant 173 4.6. L'influence du contrôle adaptatif du gain sur l'immunité au bruit du SRS 182 4.7. Analyse comparative de l'immunité au bruit des démodulateurs de signaux avec fréquence intra-bit et FM binaire 189
Chapitre 5. IMMUNITÉ AUX INTERFÉRENCES DES SYSTÈMES DE COMMUNICATION RADIO AVEC FRCH AVEC L'APPLICATION CONJOINTE DE LA MANIPULATION DE FRÉQUENCE, DE LA DIVERSITÉ DES SYMBOLES ET DU CODAGE PAR BLOCS 194 5.1. Immunité au bruit des systèmes de communication radio avec sauts de fréquence à M-ary FM et espacement des symboles en L en fréquence 194 5.1.1. Probabilité d'erreur conditionnelle par bit d'information 197 5.1.2. 199 5.2. Immunité au bruit des systèmes de communication radio avec sauts de fréquence, M-ary FM, codage par blocs et mots de code à diversité de fréquence L-fold 203 5.2.1. Schéma fonctionnel d'un système de communication radio. 203 5.2.2. Probabilité moyenne d'erreur par bit d'information. 206 5.2.3. Analyse de la probabilité d'erreur moyenne par bit d'information 209
Chapitre 6. SYNCHRONISATION DANS LES SYSTÈMES DE RADIOCOMMUNICATION À FRÉQUENCE DE FONCTIONNEMENT PSEUDO-ALÉATOIRE 214 6.1. Objectif du sous-système de synchronisation. 214 6.2. Modèle descriptif du sous-système de synchronisation. 219 6.2.1. Schéma fonctionnel typique d'un sous-système de synchronisation 219 6.2.2. Schémas fonctionnels et algorithmes typiques pour le fonctionnement des principaux dispositifs du sous-système de synchronisation 221 6.3. Indicateurs et évaluation de l'efficacité des procédures de recherche cycliques. 230 Annexe P.6.1. Limite supérieure du temps de recherche normalisé moyen 242 Annexe P.6.2. Limite supérieure de la probabilité de détection correcte 243
Chapitre 7. RÉSEAUX D'ANTENNES ADAPTATIVES DANS LES SYSTÈMES DE RADIOCOMMUNICATION AVEC TOURNEMENT DE FRÉQUENCE DE FONCTIONNEMENT PSEUDO-ALÉATOIRE 244 7.1. Influence des signaux des convertisseurs de fréquence sur les caractéristiques d'un réseau d'antennes adaptatives 244 7.2. Algorithme de traitement maximal du signal et du bruit 256 7.3. Implémentation et capacités de l'algorithme maximin 259 7.4. Modernisation de l'algorithme maximin 271 7.4.1. Traitement paramétrique. 272 7.4.2. Traitement spectral 274 7.4.3. Traitement anticipé. 277
Chapitre 8. DÉTECTION DE SIGNAUX À VARIATION PSEUDO-ALÉATOIRE DE LA FRÉQUENCE DE FONCTIONNEMENT 281 8.1. Détection de signaux de structure inconnue. 281 8.2. Détecteur d'énergie à large bande 286 8.3. Détecteurs d'énergie multicanaux 292 8.3.1. Détecteur multicanal quasi optimal 293 8.3.2. Détecteur de type additionneur multicanal avec bloc filtre 295 8.3.3. Modèle de détecteur de type additionneur avec bloc de filtre lors de l'interception de signaux à sauts de fréquence lents 297 8.3.4. Détecteur de type additionneur multicanal avec un bloc filtre dans la partie bande. 305 8.3.5. Écart de temps et de fréquence entre les caractéristiques du signal du convertisseur de fréquence et les paramètres du détecteur. 309 8.3.5.1. Désalignement temporel 310 8.3.5.2. Inadéquation de fréquence 311 8.4. Détecteur d'énergie adaptatif multicanal sous l'influence de signaux interférents 313 8.4.1. Schéma fonctionnel d'un détecteur d'énergie adaptatif multicanal avec réglage du niveau de seuil 313 8.4.2. Probabilité de fausse alarme et ajustement adaptatif du niveau de seuil 316 8.4.3. Probabilité de détection. 320 8.4.4. Effet du décalage temporel sur la détection du signal. 323 8.5. Autres types possibles de détecteurs de signaux de fréquence 331 8.5.1. Radiomètre de corrélation. 331 8.5.2. Analyseur de spectre numérique. 332 8.5.3. Procédé d'ouverture de la matrice temps-fréquence d'un signal avec sauts de fréquence 334 Annexe P.8.1. Algorithmes de calcul de la fonction Q de Marcum généralisée. 335 Article 8.1.1. Énoncé du problème 335 Article 8.1.2. Représentation par séries entières. 339 Article 8.1.3. Représentation sous forme de séries de Neumann. 341 Article 8.1.4. Intégration numérique 345 P.8.1.5. approximation gaussienne 349 P.8.1.6. Résultats numériques 350 Annexe P.8.2. Analyse des caractéristiques temporelles probabilistes des algorithmes de détection de signaux 353 Article 8.2.1. Caractéristiques probabilistes en temps des principaux types de détecteurs 353 Article 8.2.2. Algorithmes de calcul des caractéristiques probabilistes temporelles des principaux types de détecteurs 356 Article 8.2.2.1. Détecteur de signal déterministe 356 Article 8.2.2.2. Détecteur de signaux quasi-déterministes à phase aléatoire 359 P.8.2.2.3 Détecteur de signaux de structure inconnue. 360 Article 8.2.2.4. Détecteurs avec un taux de fausses alarmes constant 363 A.8.2.3 Résultats numériques 367 LISTE DES ABRÉVIATIONS DE BASE 372 CONVENTIONS DE BASE 374 RÉFÉRENCES 377 Immunité au bruit du ShPSS

Comprendre les signaux haut débit

1.1 Définition du ShPS. Application de ShPS dans les systèmes de communication

Les signaux à large bande (complexes, semblables à du bruit) (WPS) sont les signaux pour lesquels le produit de la largeur du spectre actif F et de la durée T est bien supérieur à l'unité. Ce produit est appelé la base de signal B. Pour le ShPS

B = FT>>1 (1)

Les signaux à large bande sont parfois appelés signaux complexes par opposition aux signaux simples (par exemple rectangulaires, triangulaires, etc.) avec B = 1. Étant donné que les signaux à durée limitée ont un spectre illimité, diverses méthodes et techniques sont utilisées pour déterminer la largeur de le spectre.

L'augmentation de la base de ShPS est obtenue par une modulation (ou manipulation) supplémentaire en fréquence ou en phase pendant la durée du signal. De ce fait, le spectre du signal F (tout en conservant sa durée T) est considérablement élargi. Une modulation d’amplitude intra-signal supplémentaire est rarement utilisée.

Dans les systèmes de communication dotés de réseaux à large bande, la largeur spectrale du signal émis F est toujours bien supérieure à la largeur spectrale du message d'information.

Les ShPS sont utilisés dans les systèmes de communication à large bande (BCS) car :

· vous permettent de profiter pleinement des avantages des méthodes optimales de traitement du signal ;

· fournir une immunité élevée au bruit de communication ;

· vous permettent de lutter avec succès contre la propagation par trajets multiples des ondes radio en divisant les faisceaux ;

· permettre le fonctionnement simultané de plusieurs abonnés sur une bande de fréquence commune ;

· vous permettent de créer des systèmes de communication avec un secret accru ;

· assurer la compatibilité électromagnétique (CEM) du ShPSS avec les systèmes de communication radio et de radiodiffusion à bande étroite, les systèmes de radiodiffusion télévisuelle ;

· permettre une meilleure utilisation du spectre de fréquences dans une zone limitée par rapport aux systèmes de communication à bande étroite.

Immunité au bruit du ShPSS

Il est déterminé par la relation bien connue reliant le rapport signal sur bruit à la sortie du récepteur q 2 avec le rapport signal sur bruit à l'entrée du récepteur ρ 2 :

q 2 = 2Вρ 2 (2)

où ρ 2 = R s / R p (R s, R p - puissance et interférence ShPS) ;

q2 = 2E/ N p, E - énergie du ShPS, N p - densité spectrale de puissance de l'interférence dans la bande du ShPS. Par conséquent, E = P avec T , une N p = P p / F ;

B - Base ShPS.

Le rapport signal sur bruit à la sortie q 2 détermine les caractéristiques de fonctionnement de la réception NPS, et le rapport signal sur bruit à l'entrée ρ 2 détermine l'énergie du signal et du bruit. La valeur de q 2 peut être obtenue selon les exigences du système (10...30 dB) même si ρ 2