Патент на изобретение №2292643

(54) ОБНАРУЖИТЕЛЬ РАДИОПЕРЕДАЧ С ПСЕВДОСЛУЧАЙНОЙ ПЕРЕСТРОЙКОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТОТЫ (ВАРИАНТЫ)

(57) Реферат:

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться для обнаружения выхода в эфир радиостанций с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ), их пеленгования и определения сетки используемых частот. Техническим результатом является сокращение времени и автоматизация процесса обнаружения сигналов с ППРЧ и упрощение устройства. В обнаружителе радиопередачи автоматизирован процесс принятия решения о наличии в эфире сигналов с псевдослучайной перестройкой несущей частоты, наличие всего одной антенны с непрерывно вращающейся диаграммой направленности, анализа амплитудного спектра с секторным перекрытием во время ее вращения и отсутствие оператора обеспечивает оперативность выделения искомых сигналов, а дискретное вращение диаграммы направленности в совокупности со сравнением с ее эталоном позволяет использовать обнаружитель в подвижных вариантах средств радиомониторинга. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и может использоваться для обнаружения выхода в эфир радиостанций с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ), их пеленгования и определения сетки используемых частот.

Известно устройство для контроля работы радиостанций с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (патент РФ №2161863, опубл. 10.01.2001 г.), состоящее из двух антенн (всенаправленной и перестраиваемой по направлению с кардиоидной диаграммой направленности), первого и второго подключенных к ним узкополосных радиотрактов, на выходах которых включены амплитудные детекторы, выходы которых подключены к схеме деления и коммутатору (второй и третий входы). К выходу схемы деления последовательно подключены пороговый блок, формирователь импульса останова, генератор пилообразного напряжения, генератор, управляемый напряжением, выходной сигнал которого с линейно изменяющейся частотой подается на вторые (управляющие) входы радиотрактов. Ко второму выходу первого радиотракта также последовательно подключены частотомер и блок памяти, на вторые входы которых подается сигнал с выхода формирователя импульса останова. Этот же сигнал поступает также на четвертый вход коммутатора, на первый вход которого подается сигнал с выхода схемы деления. Выход коммутатора подключен ко второму входу индикатора, на первых вход которого подается сигнал с генератора пилообразного напряжения.

Узкополосные радиотракты под действием сигнала с генератора, управляемого напряжением, перестраиваются в заданном диапазоне частот.

В результате детектирования на индикаторе отображается частотная панорама. После этого путем вращения кардиоидной диаграммы направленности совмещают ее нулевой провал с направлением прихода сигнала, что приводит к увеличению сигнала на выходе схемы деления и превышению амплитудой этого сигнала заданного порога, в результате чего вырабатывается импульс останова, прекращающий перестройку генератора пилообразного напряжения и вызывающий включение частотомера и блока памяти. Таким образом, после обнаружения оператором сигнала выполняется измерение и запоминание частоты сигнал. Это устройство позволяет выделять слабые сигналы на фоне приходящих с других направлений маскирующих сигналов, а также измерять и записывать значения их частот.

К недостаткам рассматриваемого устройства можно отнести низкую оперативность работы, связанную с тем, что

– решение о наличии сигнала принимает оператор;

– ряд операций производится последовательно во времени, при этом каждая из них требует определенных временных затрат, таких как:

– последовательное сканирование узкополосных радиотрактов по частоте;

– перестройка по направлению антенны с кардиоидной диаграммой направленности;

– остановка процесса сканирования для измерения частоты сигнала частотомером. Кроме того, измерение частотомером частоты радиосигнала чревато большими погрешностями, особенно в случае его слабого уровня.

Этот последний недостаток устранен в более близком к предлагаемому изобретению и принятом за прототип устройстве для контроля работы радиостанций с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (патент РФ №2231926, опубл. 27.06.2004). В прототипе, благодаря дополнительному введению двух радиотрактов, амплитудных детекторов, фазовращателей на 90°, перемножителей, ключей, а также фазоинверторов, сумматоров и полосовых фильтров, обеспечивается повышение избирательности и помехоустойчивости панорамного приемника-пеленгатора и устранена неоднозначность сетки используемых частот. Однако основным недостатком прототипа, наряду с громоздкостью и высокой стоимостью, остается ограниченность пропускной способности и скорости обнаружения искомых сигналов.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое устройство, является повышение оперативности обнаружения радиопередач с ППРЧ и обеспечение возможности его работы в мобильных условиях.

Поставленная задача решается за счет достижения технического результата при осуществлении изобретения, который заключается в сокращении времени и автоматизации процесса обнаружения сигналов с ППРЧ, а также в упрощении устройства.

Данный технический результат достигается тем, что в обнаружителе радиопередач с ППРЧ, состоящем из блока управления и последовательно соединенных круговой антенной решетки (КАР) с возможностью вращения ее диаграммы направленности (ДН), радиоприемного устройства (РПУ), а также системы определения пеленгов и частот сигналов, последняя выполнена в виде последовательно соединенных аналого-цифрового (АЦП) и цифрового понижающего преобразователей (ЦПП), блока накопления отсчетов сигнала, сдвигающего регистра, блока вычисления амплитудного спектра, блока построения частотно-пеленгового распределения (ЧПР), пикового детектора, блока построения и накопления точечного ЧПР, блока подсчета частот для каждого пеленга, схемы сравнения с пороговым значением количества частот и решающей схемы. Кроме того, выход блока вычисления амплитудного спектра подключен также к входу схемы определения порога амплитудного спектра, выход которой соединен со вторым входом пикового детектора, а второй выход блока построения и накопления точечного ЧПР подключен ко второму входу решающей схемы. Управляющий вход КАР соединен с блоком управления, который выполнен с функцией непрерывного кругового вращения ДН.

Указанный технический результат достигается также в другом варианте обнаружителя радиопередач с ППРЧ, состоящем из блока управления и последовательно соединенных КАР с возможностью вращения ДН, РПУ и системы определения пеленгов и частот сигналов, в котором блок управления выполнен с функцией дискретного кругового вращения ДН антенны, а система определения пеленгов и частот сигналов состоит из последовательно соединенных АЦП, ЦПП, блока накопления отсчетов сигнала, блока вычисления амплитудного спектра, блока построения ЧПР, пикового детектора, схемы вычисления среднеквадратичного отклонения (СКО), схемы точного определения положения максимума, блока построения и накопления точечного ЧПР, блока подсчета количества частот, схемы сравнения с пороговым значением количества частот и решающей схемы. Выход блока вычисления амплитудного спектра подключен также к второму входу пикового детектора через схему определения порога амплитудного спектра, второй выход блока построения и накопления точечного ЧПР соединен со вторым входом решающей схемы, а ко второму входу схемы вычисления СКО подключен узел хранения эталона ДН.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого обнаружителя с непрерывно вращающейся ДН антенны и наличием сдвигающего регистра, обеспечивающего обработку данных с “секторным перекрытием”, что отражено на фиг.2. Фиг.3 иллюстрирует схему предлагаемого обнаружителя с дискретно вращающейся диаграммой направленности антенной решетки.

Обнаружитель радиопередач с ППРЧ с возможностью непрерывного вращения диаграммы направленности антенны (фиг.1) состоит из последовательно включенных круговой КАР 1, РПУ 2, АЦП 3, ЦПП 4, блока накопления отсчетов сигнала 5, сдвигающего регистра 6, блока вычисления амплитудного спектра 7, блока построения ЧПР 8, пикового детектора 9, блока построения и накопления точечного ЧПР 10, блока подсчета частот 11, схемы сравнения 12 с пороговым значением количества частот в узле его хранения 13 и решающей схемы 14. При этом выход блока вычисления амплитудного спектра через схему определения порога 15 соединен также со вторым входом пикового детектора 9, второй выход блока построения и накопления точечного ЧПР 10 соединен со вторым входом решающей схемы 14, а блок управления 16 с функцией непрерывного вращения диаграммой направленности КАР 1 подключен к ее управляющему входу.

Обнаружитель работает следующим образом. Радиоизлучения из эфира поступают на круговую антенную решетку 1, формирующую сравнительно узкую диаграмму направленности, непрерывно вращающуюся под управлением блока управления 16. Радиоприемник 2 настроен на определенную частоту и выделяет полосу частот с шириной, достаточной для пропускания всех сигналов с ППРЧ, соответствующих одному сеансу связи. Ширина полосы частот, занимаемая передачами с ППРЧ, значительно больше ширины спектра одиночных сигналов передач на фиксированных частотах, а также фрагментов сигналов, входящих в передачу с ППРЧ. С выхода промежуточной частоты РПУ 2 сигналы поступают на АЦП 3, где преобразуются в цифровую форму.

Цифровые сигналы с выхода АЦП 3 подаются на понижающий преобразователь 4, в котором окончательно формируется полоса обрабатываемых сигналов, а выходные сигналы, представленные в комплексном виде, поступают на блок накопления отсчетов сигнала 5. Сигналы накапливаются в виде массива размерности N_об за один полный оборот диаграммы направленности антенны 1 (фиг.2). Из этого массива данные считываются порциями по N_БПФ отсчетов, причем порции с помощью сдвигающего регистра 6 считываются с перекрытием (со сдвигом на N отсчетов). Над каждым массивом N_БПФ в блоке 7 выполняется быстрое преобразование Фурье (БПФ) для вычисления амплитудного спектра. Полному обороту ДН антенны 1 на 360° соответствуют N_об отсчетов сигнала, а центр каждого массива N_БПФ соответствует определенному пеленгу 9 градусов. Сдвиг на N отсчетов соответствует угловому сдвигу на Д9 градусов (=N·360°/N_об).

В блоке 8 из одномерных массивов спектров размерности N_БПФ строится двумерный массив размерности N_БПФ·360, представляющий собой частотно-пеленговое распределение амплитуд спектров. Полученное распределение обрабатывается пиковым детектором 9, в котором определяются координаты (частота-пеленг) максимумов ЧПР.

Для пикового детектора 9 задаются два параметра: размерность “окна”, в котором ищется локальный максимум, и порог, выше которого производится поиск. Размерность “окна” задается в отсчетах (3×3; 5×5 или 7×7), порог амплитудного спектра формируется автоматически в схеме определения порога 15. Для этого находится медианное значение всех амплитуд спектров, полученных в блоке 7, которое умножается на некоторый фиксированный коэффициент – от семи до двенадцати.

В блоке 10 изначально записан двумерный массив размерности N_БПФ·360 с нулевыми элементами. При первом обороте антенны 1 в него записываются единицы с координатами частота-пеленг, полученными в пиковом детекторе 9. При последующих оборотах антенны данные из пикового детектора 9 в блок построения и накопления 10 заносятся по правилу ИЛИ: вновь записываемая единица записывается в соответствующую ячейку массива независимо от того, что в ней было записано ранее. Количество оборотов и, соответственно, циклов обработки выбирается таким, чтобы было принято несколько (порядка десяти) излучений сигналов с ППРЧ. В результате в массиве блока 10 каждый сигнал, приходящий с определенного направления, будет отображен только одной точкой, независимо от его длительности и амплитуды. Сигналы с ППРЧ отобразятся точками, соответствующими различным частотам его излучения, но лежащими на одной и той же координате (строке) пеленга.

В блоке подсчета частот 11 последовательно суммируются все элементы массива одного пеленга, а затем в схеме сравнения 12 сравниваются с заданным порогом из схемы хранения 13. Результат сравнения поступает на решающую схему 14, в которой принимается решение о наличии сигналов с ППРЧ, приходящих с одного направления, и выполняется считывание номиналов частот, соответствующих пеленгу обнаруженного сигнала, из блока 10.

Таким образом, осуществляется автоматическое обнаружение и пеленгование сигналов с ППРЧ, а также определение частот излучения этих сигналов.

Разрешение по частоте определяется размерностью N_БПФ выборок сигнала для вычисления амплитудного спектра, а разрешение по пеленгу – величиной сдвига N при считывании через сдвигающий регистр 6 выборок сигнала из блока накопления отсчетов 5.

Наряду с непрерывно вращающейся диаграммой направленности может использоваться дискретно вращающаяся ДН (фиг.3). Это выполняется при ограниченном числе элементов (N_эл=20÷40) КАР 1 для подвижных средств радиомониторинга. В этом случае диаграмма направленности скачком смещается на фиксированный угол =360/N_эл и останавливается на время, необходимое для считывания и запоминания N_БПФ отсчетов сигнала в блоке накопления 5. Отсчеты передаются в блок вычисления амплитудного спектра 7, использующего операцию БПФ, а диаграмма направленности снова смещается на угол . Вычисленный амплитудный спектр поступает в блок построения ЧПР 8. В полученном за один оборот ЧПР сетка пеленгов получается относительно грубой, поэтому определение положения максимумов, а следовательно, пеленгование производится с большой погрешностью. Для получения необходимой точности пеленгования выполняется интерполяция между полученными отсчетами пеленгов. Это реализуется путем сравнения отсчетов ЧПР вблизи найденных максимумов с эталоном ДН. В схеме вычисления среднеквадратического отклонения (СКО) 17 вычисляется СКО сигналов вблизи найденного на предыдущем этапе максимума от хранящегося в блоке 18 эталона ДН. Эталон записан в блок хранения эталона 18 с шагом более частым, чем шаг перестройки ДН. Эталон смещается по оси пеленгов на несколько (от трех до пяти) шагов ЧПР вблизи найденного максимума, и на каждом шаге в схеме 17 вычисляется СКО отсчетов сигнала от эталона. В схеме точного определения положения максимума 19 определяется минимум СКО отсчетов сигнала от эталона. Положение минимума фиксируется, а положение максимума эталона принимается за уточненное значение пеленга сигнала. Его координаты заносятся блок построения и накопления точечного ЧПР 10. В данном варианте точность определения пеленга будет зависеть от шага записи эталона.

Цифровой понижающий преобразователь, известный из зарубежной литературы, как Digital Down Converter (DDC), называемый также цифровым приемником или квадратурным преобразователем, широко описан как в отечественной, так иностранной технической литературе (см., например, Цифровые радиоприемные системы. Справочник. М.: Радио и связь, 1990, стр.22, рис.1.10), а также выпускается в виде БИС, например, AD6620 фирмы Analog Devices или HSP50016 фирмы Harris Semiconductors.

Блок вычисления амплитудного спектра реализуется на сигнальном процессоре (например, типа ADSP21160 или ADSP-TS201 фирмы Analog Devices) в виде стандартной процедуры БПФ.

Блоки построения частотно-пеленгового распределения и построения и накопления точечного частотно-пеленгового распределения могут быть реализованы на блоках памяти указанных выше сигнальных процессоров.

Схема вычисления порога может быть реализована на одном из указанных выше сигнальных процессоров в виде стандартной процедуры вычисления медианы числового ряда с последующим умножением ее на заданный коэффициент.

Пиковый детектор является широко распространенной схемой (Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. T.1. Изд-е 3. М.: Мир, 1986, стр.202-205), которая в данном случае реализуется в цифровом исполнении.

АЦП описаны в работе: Бахтиаров Г.Д., Малинин В.В., Школин В.П. Аналого-цифровые преобразователи. М.: Советское радио, 1980, и выпускаются в виде БИС AD6640 фирмы Analog Devices.

Формула изобретения

1. Обнаружитель радиопередач с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, содержащий антенну, блок управления с функцией вращения диаграммы направленности антенны, радиоприемное устройство, к выходу которого подключена система определения пеленгов и частот сигналов, отличающийся тем, что блок управления диаграммой направленности выполнен с функцией ее непрерывного кругового вращения, а система определения пеленгов и частот сигналов выполнена в виде последовательно соединенных аналого-цифрового и цифрового понижающего преобразователей, блока накопления отсчетов сигнала, сдвигающего регистра, блока вычисления амплитудного спектра, блока построения частотно-пеленгового распределения, пикового детектора, блока построения и накопления точечного частотно-пеленгового распределения, блока подсчета количества частот, схемы сравнения с пороговым значением количества частот и решающей схемы, причем выход блока вычисления амплитудного спектра дополнительно подключен ко второму входу пикового детектора через схему определения порога амплитудного спектра, а второй выход блока построения и накопления точечного частотно-пеленгового распределения соединен со вторым входом решающей схемы.

2. Обнаружитель радиопередач с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты, содержащий антенну, блок управления с функцией вращения диаграммы направленности антенны, радиоприемное устройство, к выходу которого подключена система определения пеленгов и частот сигналов, отличающийся тем, что блок управления диаграммой направленности выполнен с функцией ее дискретного кругового вращения, а система определения пеленгов и частот сигналов выполнена в виде последовательно соединенных аналого-цифрового и цифрового понижающего преобразователей, блока накопления отсчетов сигнала, блока вычисления амплитудного спектра, блока построения частотно-пеленгового распределения, пикового детектора, схемы вычисления среднеквадратичного отклонения, схемы точного определения положения максимума, блока построения и накопления точечного частотно-пеленгового распределения, блока подсчета количества частот, схемы сравнения с пороговым значением количества частот и решающей схемы, причем выход блока вычисления амплитудного спектра дополнительно подключен ко второму входу пикового детектора через схему определения порога амплитудного спектра, второй выход блока построения и накопления точечного частотно-пеленгового распределения соединен со вторым входом решающей схемы, а ко второму входу схемы вычисления среднеквадратичного отклонения подключен узел хранения эталона диаграммы направленности.

РИСУНКИ