ПЕЛЕНГАТОРЫ БОЛЬШЕ НЕ НУЖНЫ

DIRECTION FINDERS ARE NO LONGER NEEDED

Pavel Popik

joint-stock company “Research Institute “Vektor””,

Russia, Saint-Petesburg

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены две наиболее распространенные схемы обнаружения и выделения полезного сигнала. Показано, что в схеме с пеленгатором в сравнении с использованием пространственной антенной решётки на один два порядка ниже уровень сигнал-шум, который поступает на демодуляцию. Логично обоснован вывод о не эффективности применения в современных условиях пеленгаторов.

ABSTRACT

The article deals with the two most common circuits of detection and extraction of the desired signal. It is shown that in the circuit with a direction finder the signal-to-noise level which is supplied to demodulation, is one-two degrees lower in comparison with multilinear array detector. It was logically concluded and explained why it is inefficient to use direction finders in modern conditions.

Ключевые слова: пеленгаторы, частотный селектор, пространственная селекция, уровень сигнал-шум, алгоритм пространственной селекции.

Keywords: direction finders, frequency selector, spatial discrimination, signal-to-noise level, spatial discrimination algorithm

Если внимательно проанализировать широко растиражированную формулу для смеси сигнала и аддитивной помехи, то обнаруживается простой факт. Аддитивная помеха является случайной величиной, и сигнал также является случайной величиной, поскольку передача полностью известного сигнала является бессмысленной.

Sx = A + Sp.                                                        (1)

где: Sx – смесь сигнала и помехи;

А – аддитивная помеха;

Sp – полезный сигнал.

Из математики известно, что уравнение с двумя неизвестными имеет бесчисленное количество решений. То есть, сигнал в общем случае определить невозможно. Аналогичная картина для смеси сигнала и мультипликативной помехи. Каким бы не был полезный сигнал, его произведение с мультипликативной помехой всегда будет случайной величиной.

На практике проблема выделения сигнала из смеси с помехой решается путём введения одного или нескольких критериев по некоторым заранее известным параметрам источника излучения сигнала. К известным параметрам чаще всего относят частоту источника, амплитуду, вид модуляции и координаты источника (или направление на него из точки приёма). Опираясь на известные сегодня критерии, организуются различные схемы выделения полезного сигнала из смеси сигнала с помехой. Так схема с одним критерием была использована А.С. Поповым при демонстрации своего изобретения, давшего дорогу использованию радиоволн для передачи информации, где сигналы передавались и выделялись на приёмной стороне по изменению уровня естественных и преднамеренных, созданных в передатчике, помех.

Для определения эффективности и целесообразности применения в современных условиях пеленгаторов рассмотрим две схемы (последовательности) обнаружения и выделения полезного сигнала. Обе эти схемы являются сегодня наиболее распространенными и содержат в последнем звене демодулятор. Исторически первой является схема с использованием частотного селектора (ЧС). Хотя с точки зрения только приёма информации (оптической), схема с пространственным селектором (ПС) использовалась значительно раньше в оптических приборах.

В схеме с частотной селекцией неизвестного источника первым звеном является частотный селектор (ЧС), работа которого базируется на использовании явления резонанса. Так как современные средства генерации сигналов обладают конечной полосой, необходимой для передачи полезного сигнала, то для повышения уровня сигнал-шум на входе демодулятора помехи, расположенные вне полосы передаваемого сигнала, подавляют с помощью ЧС. Антенна, расположенная на входе описанной цепочки, до частотного селектора, также обладает частотно селективными свойствами, но её основное назначение заключается в преобразовании электромагнитного поля в электрический сигнал.

Выделение полезного сигнала в демодуляторе производится по второму критерию, или по нескольким критериям при сложных видах модуляции. Примерами использования простейших критериев в демодуляторе являются разные виды пороговых видов модуляции: АДМ, ЧДМ. Аналоговые виды модуляции не являются помехоустойчивыми, так как допускают искажения передаваемой информации на выходе приёмника. В качестве примеров нескольких критериев для повышения отношения сигнал-шум в демодуляторе можно привести двойные виды модуляции: ЧМ-ЧМ, ДЧМ-ДАМ и сочетания дискретных видов модуляции с применением кодов, корректирующих ошибки. Системы с шумоподобными сигналами (ШПС) относят к особой группе, так как они позволяют выделять сигналы из смеси с помехой, когда уровень последней существенно превосходит уровень сигнала. Критерием в пороговых схемах является превышение сигналом порогового уровня, в системах с ШПС порог значения корреляционной функции, в корректирующих ошибки схемах – не превышение заданного числа ошибок.

При использовании пространственной селекции происходит дополнительное повышение отношения сигнал-шум. Последовательность обработки входного сигнала наиболее наглядно видна на примере с использованием параболической антенны, в которой пространственная селекция реализуется геометрическими методами. В ней предварительная синхронизация сигнала перед суммированием, как и в случае использования пространственной решётки, достигается за счёт того, что условные лучи от апертуры до фокуса параболы проходят одинаковый путь. Очевидным становится факт того, что при такой схеме достигается существенно большее повышение уровня сигнал-шум (УСШ) по сравнению с первой схемой с частотной селекцией.

Изменяется в схеме с пространственной селекцией и последовательность определения параметров неизвестного сигнала. Здесь сначала выбирается направление приёма, затем после выполнения пространственной селекции производится поиск сигнала по изменению энергетического уровня, после обнаружения поиск останавливается и начинается приём с последующим анализом принадлежности к конкретным частотным параметрам. В схеме с частотной селекцией неизвестного сигнала сначала выбирается несущая частота при известной полосе сигнала, затем при обнаружении по энергетике некоего сигнала производится с помощью пеленгатора определение направления, с которого приходит сигнал. Более наглядно алгоритмы видны из рисунка 1, где двойной рамкой обозначены этапы, на которых происходит фильтрация внеполосных помех. Двухэтапная фильтрация помех по различным критериям, по направлению на источник и по полосе частот, является залогом того, что при одинаковых условиях качество приема при ПС будет существенно выше.

Помехи, принимаемые антенной, при ЧС, попадая на вход приёмника, снижают вероятность приёма слабого источника радиоизлучения (ИРИ). Когда перед ЧС устанавливают ПС значительная часть помех, приходящих с направлений, не совпадающих с выбранным для приёма, подавляется и на входе ЧС оказывается более выгодный УСШ. В свою очередь, установка ПС после ЧС лишена смысла, так как в электрическом сигнале, полученном на выходе ЧС, отсутствует информация о направлении приема. Эту узкую задачу как раз и решает пеленгатор, который, являясь отдельным устройством, нисколько не повышает УСШ на входе ЧС. Кроме того, ПС является в частотном плане фильтром нижних частот, и ставить ПС, как широкополосный ФНЧ, после ЧС также лишено смысла.

Как показана выше, формула (1) не даёт решения в общем случае задачи извлечения сигнала из смеси с помехой. Она является лишь моделью, описывающей процесс. И применение неких критериев, позволяющих извлекать по заранее известным параметрам сигнал, полученный на входе, требует соответствующих инструментов. Для ЧС, как отмечено выше, им является резонансное явление, возникающее в колебательном контуре.

Рисунок 1. Сравнение алгоритмов селекции сигнала

Для ПС существует два прибора, параболическая антенна и пространственная антенная решетка, в которых при выделении сигнала происходит одно и то же явление. Во избежание путаницы в отношении антенной решетки, здесь имеется в виду именно пространственная антенная решетка (ПАР). От фазированной решетки (ФАР), где элементы решетки представляют собой регулярную структуру с целью упрощения синхронизации сигналов полученных с её элементов именно по фазе, её отличает синхронизация по фронту волны за счет введения задержек по времени для полученных сигналов.

На элементы фазированной решетки накладывается ограничение на минимальное расстояние между элементами, а для ПАР оно теоретически не имеет значения, но существенным являются ее максимальные размеры относительно максимальной длины волны принимаемых сигналов. Структура ПАР должна быть как можно более нерегулярной для получения более равномерной (гладкой) характеристики избирательности. Число и взаимное расположение элементов ПАР практически не влияет на её характеристики. Также в отличие от ФАР, где оптимальное расположение антенного поля должно быть под прямым либо острым углом к направлению приема, ПАР для получения максимальной избирательности должна располагаться в плоскости, примерно перпендикулярной фронту волны.

Суть явления, происходящего в ПС, базируется на теореме, которую в начале прошлого века, в 1901 г., доказал русский математик А.М. Ляпунов. Широко известно его утверждение из области теории вероятностей, что дисперсия суммы случайных независимых величин равна сумме дисперсий этих случайных величин. Ключевым в приведённом утверждении является словосочетание «случайных независимых». В противоположность помехе синхронизированные слагаемые полезного сигнала достаточно строго коррелированны и не являются случайными. Их сумма растёт линейно пропорционально числу слагаемых. Таким образом, при сложении смеси сигнала и помехи после нормирования суммы по числу слагаемых N (выполняется усреднение по N) становится очевидно, что помеха затухает относительно полезного сигнала. С другой стороны, для слагаемых помехи необходимо добиваться как можно большей их «независимости» по вероятности, что обеспечивается, как отмечено в предыдущем абзаце, относительными размерами ПАР, которые должны быть много больше максимальной длины волны принимаемых сигналов.

 Характеристики избирательности ЧС и ПС, которые можно найти во множестве публикаций, а для ПС в [2, фиг. 2; 3, фиг. 1 а, б], визуально выглядят совершенно одинаково. По оси ординат в них отложено значение амплитуды сигнала. По оси абсцисс для ЧС меняется частота принимаемого тестового сигнала и на резонансной частоте амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) приобретает полезный для селекции сигнала изгиб. По оси абсцисс для ПС откладывают угол между выбранным направлением приёма и направлением на тестовый сигнал, используемый при снятии характеристики избирательности ПС. Когда направление на источник сигнала совпадает с выбранным направлением для приёма, на амплитудно-пространственной характеристике (АПХ) также появляется полезный для селекции сигнала по направлению изгиб. Как для ЧС крутизна АЧХ зависит от добротности резонансной цепи, так и для ПС крутизна АПХ зависит от линейных относительных размеров и числа приёмных антенн решётки.

Применение выше описанного явления, основанного на теореме Ляпунова, изложено в патенте 2491717 [3, с. 7] как способ повышения УСШ, в котором доказательно изложены результаты численного моделирования информационных процессов, происходящих в процессе приёма, обработки и демодуляции полученных сигналов с применением ПАР. Как пример реального технического применения способа [3], вниманию специалистов полезно будет ознакомиться с конкретным устройством, описанным в патенте 2517423 [2], аналогом которому послужил орган зрения человека.

Макетная реализация ПАР, представленная и названная в работе [5, с. 3] как ЦАР (цифровая АР), состоящая из 12 элементов и работающая по более сложному нелинейному алгоритму, показала, что, кроме повышения УСШ, ЦАР имеет и ряд других преимуществ перед параболической антенной. Алгоритмически либо программно она позволяет подавлять путем компенсации ИРИ, лежащие в полосе приема, но поступающие с другого направления, а также одновременно вести прием с нескольких направлений.

Алгоритм пространственной селекции (АПС), словесно представленный выше и в [2; 3] описан в одноименной публикации [1]. Две простых операции, синхронизации и суммирования, реализуются в АПС за четыре шага. Собственно суммирование после синхронизации по АПС не включено в статье в предложенный алгоритм, что может быть оспорено. На основе АПС в [2] представлена полезная модификация – алгоритм секторного обнаружения, при помощи которого сектор обзора ПАР управляемо расширяется до нужного угла, что является еще одним из неоспоримых преимуществ ПАР над параболоидом.

Другое подтверждение зависимости избирательности ПС от его линейных размеров можно найти в [4, с. 31], где приведены АЧХ 24 элементной решётки, используемой в реально существующем изделии. Из представленных в статье рисунков видно, что с ростом частоты принимаемого сигнала крутизна АЧХ увеличивается и на краю КВ диапазона, где линейные размеры ПАР сопоставимы с длиной волны, рост избирательности существенно замедляется.

Вместо вывода об экономической нецелесообразности применения пеленгаторов необходимо сказать, что, с учетом вышеописанных преимуществ схемы с ПС перед ЧС, такая постановка вопроса представляется не корректной. Более правильной будет оценка выигрыша в повышении УСШ при замене звена пеленгатора на ПАР в радиотехнической системе. Допуская взятые из публикаций в интернете примерные оценки стоимости Супер ЭВМ и цифровых приемников (ПРМ), которые необходимы для реализации АПС на основе ПАР, получаем указанные ниже в таблице дополнительные уровни подавления помех на входе демодулятора.

Таблица 1.

Оценка выигрыша в подавлении помех при пространственной селекции

*Где F(N) рассчитано по формуле (10), взятой из патента 2491717

Список литературы:

1. Материалы XVIII Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» 2012 г. 17–19 апреля 2012 года, г. Воронеж. Попик П.И. Алгоритм пространственной селекции (С. 478).
2. Попик П.И. Многостанционная радиотехническая система пассивной локации (промышленного видения). Патент RU 2517234. Опубликован 27.05.2014, бюл. № 15.
3. Попик П.И. Способ повышения уровня (отношения) сигнал-шум при применении «принципа затухания помехи». Патент RU 2491717. Опубликован 27.08.2013, бюл. № 24.
4. Труды научно-технической конференции «Научно-технические проблемы в промышленности: научные, инженерные и производственные проблемы создания технических средств мониторинга электромагнитного поля с использованием инновационных технологий», к 100-летию ФГУП «НИИ «Вектор» 12–14 ноября 2008 года. Санкт-Петербург. Добрянский В.В., Казаков А.Ю. Антенная система радиоволн вертикальной поляризации для приёмных центров радиомониторинга (С. 31).
5. Чиркунова Ж.В. Пространственная обработка сигналов в цифровых антенных решетках: Автореф. дис. канд. техн. наук. Москва 2009 г. – 23 с.