Применение сигналов с перестройкой рабочей частоты

Один из способов уменьшения чувствительности радиоприемной или радиолокационной системы к помехам состоит в применении широкополосных сигналов, которые рассмотрены в гл. 9. Здесь нельзя полностью осветить этот вопрос. Однако ранее было показано, что при расширяющем спектр кодировании передаваемых информационных сигналов их полоса значительно увеличивается. Тем самым уменьшается вероятность того, что на приемной стороне при декодировании переданная информация будет искажена помехой.

Поскольку адаптивное формирование лучей осуществляется как для широкополосных, так и для узкополосных сигналов, в общем случае оно совместимо с методами расширения спектра. Адаптивное формирование лучей используется для уменьшения влияния направленных помех. При этом, как показано выше, чем мощнее помеха, тем выше уровень режекции. Однако на выходе адаптивного устройства формирования лучей остаются составляющие помех, и в таких случаях надежной передачи информации можно достичь за счет кодирования информации с расширением спектра на передающей стороне и соответствующего декодирования сигнала на выходе адаптивного устройства.

Одним из основных способов расширения спектра является перестройка рабочей частоты. Этот способ состоит в следующем. Для передачи каждого бита цифровой информации отводится некоторый заданный интервал времени, который назовем информационным интервалом. В пределах этого интервала на заданной несущей частоте формируется синусоидальный сигнал, некоторая фаза которого соответствует нулю информации, а сдвинутая на 180° — единице, что представляет собой фазовую манипуляцию. При перестройке рабочей частоты на каждом информационном интервале частота синусоидальной несущей изменяется по случайному закону в соответствии со случайным кодом, который известен как на передающей, так и на приемной сторонах. Длительность информационного интервала такова, что формируется много периодов несущей, причем на более высоких частотах формируется большее число периодов.

На приемной стороне для определения фазы принятого синусоидального сигнала на каждом информационном интервале осуществляется его корреляционная обработка. При больших длительностях информационного интервала (т. е. для низких скоростей передачи двоичной информации) можно надежно определять фазу при действии мощной помехи и таким образом восстанавливать переданную двоичную информацию. Обычно сигналы имеют несущие частоты около 1 ГГц с расширением спектра за счет перестройки частоты в пределах ±5% со скоростью от 100 до 1000 переключений в секунду.

Метод расширения спектра путем перестройки рабочей частоты представляет особый интерес потому, что его использование позволяет разработать адаптивные алгоритмы, существенно уменьшающие или полностью исключающие рассмотренный выше эффект подавления сигнала.

В основном эти алгоритмы предназначены для исключения из адаптивного процесса всех составляющих полезного сигнала при сохранении его формы на выходе решетки.

На рис. 14.25 приведена схема адаптивного устройства с алгоритмом Фроста, обрабатывающего сигналы с перестройкой рабочей частоты. Для системы такого вида, имеющей четырехэлементную линейную решетку, проведено моделирование на ЭВМ. Сигналы антенны подаются на входы одинаковых режекторных фильтров с плоской АЧХ и линейной ФЧХ на всех частотах, за исключением некоторой любой заданной одной частоты режекции. Частота режекции изменяется с помощью электронного переключения и в любой момент времени выбирается такой, чтобы она соответствовала частоте принимаемого полезного сигнала. На каждом информационном интервале частота полезного сигнала изменяется в соответствии с известной случайной последовательностью. В приемнике синхронизированный генератор кода частоты воспроизводит эту последовательность и частоту сигнала и устанавливает частоту режекторных фильтров и местного генератора синусоидального сигнала. Для простоты изложения в схеме на рис. 14.25 опущены многие необходимые компоненты. Описываемый способ можно применить в решетках с произвольной геометрией.

Рис. 14.25. Система для приема сигналов с перестройкой рабочей частоты при наличии помехи

Режекторные фильтры введены для исключения из адаптивного процесса составляющих сигнала. На входе устройства обработки, реализующего алгоритм Фроста, может быть только помеха. Его входной сигнал не содержит полезного сигнала. В адаптивном устройстве обработки .и вспомогательном устройстве обработки, которое имеет ту же структуру, но само по себе не является адаптивным, устанавливаются одинаковые весовые коэффициенты. На входы вспомогательного устройства сигналы поступают непосредственно с элементов антенны и не проходят через режекторные фильтры, поэтому на его выходе воспроизводится любой полезный сигнал, приходящий по направлению приема. При моделировании на ЭВМ полезный сигнал в направлении приема в соответствии с ограничениями, введенными в алгоритм Фроста, проходит через систему с единичным коэффициентом передачи и линейно изменяющимся фазовым сдвигом. При моделировании узкополосной помехи с углом прихода 45° относительно направления приема наблюдалось ее глубокое подавление.

В системе на рис. 14.25 с соответствующей регулировкой фазы определяется корреляционная функция выходных сигналов вспомогательного устройства обработки и местного генератора синусоидальных сигналов. Частота синусоидального сигнала, как показано на рисунке, устанавливается генератором кода частоты, а корреляционная функция вычисляется с помощью умножителя и интегратора на информационном интервале. В зависимости от фазы принимаемого сигнала, которая, в свою очередь, зависит от того, соответствует принимаемый сигнал нулю или единице, интеграл от произведения представляет собой отрицательную или положительную величину. В конце информационного интервала интегратор сбрасывается на нуль и готов для интегрирования в течение следующего информационного интервала.

На рис. 14.26 приведены результаты моделирования на ЭВМ работы интегратора. На рис. 14.26, а показан выходной сигнал интегратора для системы с вспомогательным устройством формирования лучей, аналогичной системе на рис. 14.25. Как видно из рисунка, переданная последовательность равна 0, 1, 0, 0, 1, 1, далее информация не передавалась. В течение периодов интегрирования корреляционные функции возрастают почти линейно, а при отсутствии принимаемого полезного сигнала их значения практически равны нулю. На рис. 14.26, б для такого же входного сигнала с перестройкой рабочей частоты показан выходной сигнал обычного адаптивного устройства формирования лучей, реализующего алгоритм Фроста (без режекторных фильтров и вспомогательного устройства). Здесь явно наблюдается эффект подавления сигнала, а в некоторых случаях его искажения настолько существенны, что декодирование информации осуществляется в области порога. Анализ рассмотренного примера приведен в [19].

Таким образом, становится очевидным, что схема на рис. 14.25 является эффективной.

Рис. 14.26. Форма сигнала на выходе интегратора: а — при адаптации с перестройкой рабочей частоты по схеме на рис. 14.25; б — для обычного устройства формирования лучей по алгоритму Фроста

В результате применения режекторных фильтров, исключающих попадание составляющих полезного сигнала в адаптивное устройство обработки и их влияние на значения весовых коэффициентов, предотвращается подавление сигнала. Весовые коэффициенты формируются независимо от полезного сигнала, и при их установлении во вспомогательном устройстве на его выходе воспроизводится полезный сигнал. Аналогичный подход применим ко всем видам адаптивных приемных решеток.