Демодуляція енергетично прихованих лінійно-частотно-модульованих сигналів

Statement of the problem in generalRecently, there has been a tendency to increase the number of telecommunications systems that use spread spectrum signals: binary phase-shift keying (BPSK) signals with linear frequency modulation, chirp signals and their combinations. Due to this, the anti-jamming of telecommunication systems is increased, the stealth mode of their functioning is provided.This tendency raises issues in the field of radio monitoring systems implementation. The use of spread-spectrum signals in telecommunication systems significantly reduces the spectral height of radio emission and their energy availability. Detection such radio emission, classifying the signals, measuring their parameters and demodulation in the absence of any information about the signals of telecommunication systems, is a complex scientific and technical task.Analysis of recent research and publicationsOne of the important scientific and technical task in the direction of research of telecommunication systems radiomonitoring problems that use signals with linear frequency modulation (chirp signals), is demodulation of such signals in the conditions of uncertainty.Previously, scientists solved the problem of detecting an energetically hidden chirp signal, determining its parameters using a discrete model of an autocorrelation receiver with quadrature processing and recognizing linear frequency modulation based on an autocorrelation receiver with double quadrature processing. Therefore, the problem of demodulation of energetically hidden signals with linear frequency modulation should be solved using the obtained scientific results as much as possible.The scientific literature does not sufficiently cover the issue of demodulation of energetically hidden chirp signals of telecommunication systems in conditions of a priori uncertainty about the type and parameters of the signal and energetic concealment.Thus, the relevance of the article is determined by its purpose, which is to develop a methodological apparatus for demodulation (recognition of the type of frequency) of energy-hidden chirp signals of telecommunications systems based on the autocorrelation method.Presenting the main materialThe article analyzes the uncertainty diagram of a rectangular chirp radio pulse. Characteristic features and cross-sectional features of the uncertainty diagram are revealed. An approach to demodulation of received energetically hidden chirp signals based on the use of the features of the uncertainty diagram of the elementary radio pulse is proposed. The possibility of their demodulation is substantiated. Simulation of the remodeling procedure was performed using Matlab R2016a and MathCAD 14 software packages. The simulation results confirm the ability of the proposed algorithm to demodulate chirp signals in the input combination at low signal-to-noise ratios.ConclusionTo solve the problem of demodulation of chirp signals of telecommunication systems, an approach based on the results of the analysis of the location of the elliptical uncertainty diagram is used.The sequence of steps for demodulation of chirp signals is determined.It is established that the proposed autocorrelation algorithm with double quadrature processing is able to demodulate a chirp signal in the input combination with a signal-to-noise ratio of less than one.The simulation results show that during the accumulation of 10-3 s it is possible to demodulate the binary symbols of the chirp signal with base 104 at a signal-to-noise ratio of minus 17 dB with a probability of error of 10-2.Prospects for further development of the studyIn the future, it is advisable to explore the possibility of recognizing other signals (BPSK), which can be used in the energy-hidden mode of telecommunications systems.В статье проведен анализ диаграммы неопределенности прямоугольного линейно-частотно-модулированного радиоимпульса. Выявлены характерные признаки и особенности сечения диаграммы неопределенности. Предложен подход к демодуляции принятых энергетически скрытых линейно-частотно-модулированных сигналов на основе использования свойств диаграммы неопределенности элементарного радиоимпульса. Обоснована возможность их демодуляции. Проведено имитационное моделирование процедуры демоделирования с помощью программных пакетов Matlab R2016a и MathCAD 14. Результаты моделирования подтверждают способность предложенного алгоритма демодулировать линейно-частотно-модулированные сигналы во входной смеси при малых отношениях сигнал/шум. Полученные результаты можно использовать в проектировании новых средств радиомониторинга.У статті проведено аналіз діаграми невизначеності прямокутного лінійно-частотно-модульованого радіоімпульсу. Виявлено характерні унікальні ознаки і особливості перерізу діаграми невизначеності. Запропоновано підхід до демодуляції прийнятого енергетично прихованого лінійно-частотно-модульованого сигналу на основі використання властивостей діаграми невизначеності елементарного радіоімпульсу. Обґрунтовано можливість його демодуляції. Для реалізації поставленої задачі запропоновано нове використання відомої схеми кореляційного приймача розрізнення двох сигналів з випадковими початковими фазами. Для чого визначено та розраховано параметри налаштування схеми кореляційного приймача (значень неузгодженості за часом та частотою), за яких можливо однозначно приймати рішення про прийнятий двійковий символ у процесі демодуляції лінійно-частотно-модульованого сигналу на основі отриманого значення вихідного сигналу корелятора. Проаналізовано залежності вихідного відношення сигнал/шум приймача від параметрів лінійно-частотно-модульованого сигналу. З урахуванням граничних значень параметрів цих сигналів при використанні їх системами зв’язку оцінено діапазони бітового інтервалу та девіації частоти, які потенційно можуть бути на вході приймального тракту. Проведено імітаційне моделювання процедури демоделювання за допомогою програмних пакетів Matlab R2016a та MathCAD 14. Результати моделювання підтверджують здатність запропонованого алгоритму демодулювати лінійно-частотно-модульований сигнал у вхідній суміші при малих відношеннях сигнал/шум. У ході аналізу кількісної міри завадостійкості запропонованого приймача зроблено висновок про добру узгодженість результатів моделювання з розрахунками. Спосіб демодуляції енергетично прихованого лінійно-частотно-модульованого сигналу, що пропонується, може бути впроваджений на вже існуючих засобах радіомоніторингу або використаний при розробленні нових засобів, що працюватимуть з широкосмуговими сигналами

Статистичні оцінки точності моноімпульсного пеленгування джерел радіовипромінювання двоканальними фазовими пристроями

Formulation of the problem in general. The practice of radio monitoring indicates that information should be obtained on a time-to-real scale, with maximum speed and minimum time loss; the accuracy of the estimation of the parameters of the radioemission sources and their bearings should be maximized; the probability of recognizing and classifying sources and objects is no less than a given one. This confirms the existence of a problematic situation, which is caused by the existing contradiction between modern requirements for ensuring high speed, accuracy and reliability in the process of obtaining information, data and information and technical capabilities of modern radio monitoring facilities. Analysis of recent researches and publications. Currently, mono-pulse routing techniques are mainly designed to monitor radar signals where most of the signal parameters are known (example, carrier frequency, duration, period or frequency of pulse repetition, signal spectrum width, frequency deviation, signal to noise ratio). But in the conditions of partial or complete uncertainty of parameters, mono-pulse radar methods lose their efficiency and become unsuitable. Presenting the main material. The statistical estimates of the accuracy of the mono-pulse two-channel phasometric direction finding method, which provides unbiased, efficient and optimal estimates with a given probability and minimal mathematical expectation and variance, are calculated. The gain in the accuracy of direction finding when using two-phase phase direction finders will be determined by the ratio of the mean squared errors of the coarse and precise direction channels and equal to the inverse of the magnitudes of the phasometric bases of both channels. Conclusion. The use of mono-impulse dual-channel phase-finding method and defining the parameters of radioemission sources ensure unbiased, efficient and optimal estimates with a given probability and minimal mathematical expectation and variance. The minimization of the mathematical expectation and variance of the statistical estimates of the parameters of radio sources when using the two-channel phasometric method can be assured by rational choice of the magnitude of the phasometric bases of coarse and accurate channels and depends on the signal-to-noise ratio at the input of the direction finder and the accuracy of the carrier frequency measurement. The perspectives of future researches. One of the directions of further researches can be considered the solution of the problem of development of the combined amplitude-phase method (method) of bearing with synthesis of structural circuits of devices conducting mono-impulse bearing of sources of radio emission of telecommunication networks, which provide optimal estimation of relative radiation analysis evaluation of their quality indicators.В статье приведены результаты расчета и анализа зависимости статистических оценок точности пеленгования источников радиоизлучения двухканальными фазовыми моноимпульсными пеленгаторами в среде телекоммуникационных сетей при ведении радиомониторинга. Использование моноимпульсного двухканального фазометричного метода пеленгования источников радиоизлучений обеспечивает получение несмещенных, эффективных и оптимальных оценок с заданной вероятностью и минимальными математическим ожиданием и дисперсией. Полученные оценки могут быть использованы для разработки новых и совершенствования существующих методов моноимпульсного пеленгования источников радиоизлучения с последующим синтезом схем и устройств их реализации.У статті наведено висвітлення результатів розрахунку та аналізу залежності статистичних оцінок точності пеленгування джерел радіовипромінювання двоканальними фазовими моноімпульсними пеленгаторами в середовищі телекомунікаційних мереж під час ведення радіомоніторингу. Використання моноімпульсного двоканального фазометричного методу пеленгування джерел радіовипромінювання забезпечує отримання незміщених, ефективних і оптимальних оцінок з заданою ймовірністю та мінімальними математичним очікуванням і дисперсією. Отримані оцінки можуть бути використані для розробки нових і удосконалення існуючих методів моноімпульсного пеленгування джерел радіовипромінювання з подальшим синтезом схем та пристроїв їх реалізації

Математичні моделі адаптивних за поляризацією антенних решіток на основі інтегральних рівнянь Фредгольма першого роду:

Formulation of the problem in general. During radio relay communication, electromagnetic waves propagate along the earth's surface, and due to refraction, the polarization of signals can change, which leads to loss of signal power. This problematic situation can be solved by polarization adaptation of antenna systems built on the basis of lattice structures that convert signals with any polarization into a circle. Such antenna arrays are polarization-holographic antennas.Analysis of recent researches and publications. In the theory of antenna synthesis, closed translucent surfaces, methods of synthesis of directional properties of reflective antenna arrays, which take into account the presence of mutual communication between irradiators of any type, as well as models of electrodynamic structures for arrays of different shapes are considered. This approach has a generalized nature and requires the adaptation of mathematical methods and models to antenna systems of a specific design. The polarization-holographic antenna can be considered as a non-homogeneous translucent structure, the problem of diffraction of electromagnetic waves in which it is expedient to solve the Fredholm integral equations of the first kind.Presenting the main material. The mathematical formalization of the electrodynamic model of a non-homogeneous translucent body, which in its properties corresponds to the polarization-adaptive antenna array, is considered as the formulation and solution of the inverse electrodynamic problem connecting the primary electromagnetic field, surface current, and surface impedance. This surface impedance is the holographic kernel of the integral equation, which makes it possible to synthesize the impedance surface for circularly polarized waves. Diffraction of electromagnetic waves on a multilayer impedance body is described by a system of Fredholm integral equations of the first kind for different resonant wavelengths.Conclusion. The method of Fredholm integral equations of the first kind makes it possible to determine the parameters of the antenna array through the transformation of the primary electromagnetic field into a secondary one based on the principles of holography. The result of solving the integral equation is its holographic core, which corresponds to the transparent (reflector) of the antenna. A system of integral equations was obtained, which mathematically formalizes the electrodynamic model of a planar antenna array with several layers, taking into account the mutual influence of these layers.The perspectives of future researches. Further studies should be considered the description of the propagation process of electromagnetic waves, taking into account their multiple reflections, in a planar impedance body and the improvement of the matrix method for determining the transmission and reflection coefficients in such bodies.В статье указано, что при распространении электромагнитных волн вдоль земной поверхности поляризация сигналов может изменяться, что приводит к потерям мощности сигналов. Этот эффект может быть устранен использованием адаптивных по поляризации антенных решеток, обладающих свойством преобразования сигналов с любой поляризацией в круговую. Математически формализована электродинамическая модель полупрозрачного тела, которое по своим свойствам соответствует адаптивной по поляризации антенной решетке на основе интегральных уравнений Фредгольма первого рода. Голографическим ядром этих уравнений является поверхностный импеданс, зависящий от соотношения амплитуд и фаз электромагнитных волн. Рассмотрена физическая модель неоднородного тела, имеющая несколько слоев, для которой разработана математическая (электродинамическая) модель на основе интегрального уравнения. Это уравнение описывает дифракцию электромагнитных волн на импедансном теле для двух резонансных длин волн.Зазначено про ефект змінюваності поляризації сигналів під час поширення електромагнітних хвиль уздовж земної поверхні, який призводить до втрат потужності сигналів внаслідок рефракції. Цей ефект може бути усунений адаптацією за поляризацією антенних систем, побудованих на основі решітчастих структур, що перетворюють сигнали з будь-якою поляризацією у колову. Такими антенними решітками є поляризаційно-голографічні антени, задачу дифракції електромагнітних хвиль у яких доцільно розв’язувати методами інтегральних рівнянь, що дають змогу визначати параметри антен через трансформацію первинного електромагнітного поля у вторинне на основі принципів голографії. Наведено фізичну модель неоднорідного напівпрозорого тіла, що за своїми властивостями відповідає адаптивній за поляризацією антенній решітці. Математично формалізовано електродинамічну модель напівпрозорого тіла на основі інтегрального рівняння Фредгольма першого роду, як постановка і розв’язання зворотної електродинамічної задачі, що зв’язує первинне електромагнітне поле, поверхневий струм та поверхневий імпеданс. Такий імпеданс є голографічним ядром інтегрального рівняння, яке дає змогу синтезувати імпедансну поверхню для хвиль колової поляризації. Розглянуто фізичну модель неоднорідного тіла, що має декілька шарів, для якої розроблено математичну (електродинамічну) модель багатошарового імпедансного тіла, дифракція електромагнітних хвиль на якому формалізується системою інтегральних рівнянь Фредгольма першого роду для різних резонансних довжин хвиль з урахуванням впливу інших шарів. Подальшими дослідженнями слід вважати опис процесу поширення електромагнітних хвиль, з урахуванням їх багатократного відбиття у планарному імпедансному тілі та удосконалення матричного методу визначення коефіцієнтів проходження та відбиття в таких тілах

РЕЗУЛЬТАТИ МОДЕЛЮВАННЯСХЕМИ ВИЗНАЧЕННЯ СЕРЕДНЬОЇ ЧАСТОТИЛІНІЙНО-ЧАСТОТНО-МОДУЛЬОВАНОГО СИГНАЛУЗ НИЗЬКОЮ СПЕКТРАЛЬНОЮ ЩІЛЬНІСТЮ ПОТУЖНОСТІ

During last time noticed a trend to the implementation radio electronic systems (RES) for various purposes with a spread spectrum signals. For contraction RES with aggregated signals, wideband and noise-like signals very often utilized radio emission with chirp signals. The research some issues of determining the parameters of such signals are not solved yet for the present time. The author suggested a decisive rule of the algorithm measurement average frequency for a discrete model of an autocorrelation receiver with quadrature processing. In the article also considers options for reducing the error in its determination, which is confirmed by the results of the experiment.В последнее время наметилась тенденция внедрения радиоэлектронных систем (РЭС) разного назначения с расширенным спектром (spread spectrum) излучений. Для построения РЭС с такими сигналами (сложными, широкополосными, шумоподобными) достаточно широко применяются радиоизлучения с линейной частотной модуляцией. Исследования проблемных вопросов з определения параметров таких сигналов на сегодня есть не решеными. Автором предложено решающее правило алгоритма измерения средней частоты для дискретной модели автокорреляционного приёмника с квадратурной обработкой и рассмотрены варианты снижения ошибки её определения, что подтверждено результатами моделирования.Останнім часом намітилась тенденція впровадження радіоелектронних систем (РЕС) різного призначення з розширеним спектром (spread spectrum) випромінювань. Для побудови РЕС із такими сигналами (складними, широкосмуговими, шумоподібними) досить широко застосовуються радіовипромінювання з лінійною частотною модуляцією (ЛЧМ). Дослідження проблемних питань з визначення параметрів таких сигналів на сьогодні є не вирішеним. Автором запропоновано розв’язувальне правило алгоритму вимірювання середньої частоти для дискретної моделі автокореляційного приймача з квадратурною обробкою (АПКО) та  розглянуто варіанти зниження похибки її визначення, що підтверджено результатами моделювання

РЕЗУЛЬТАТИ АНАЛІЗУ ПАРАМЕТРІВ ПРИЙМАЧА СИГНАЛІВ З ЛІНІЙНОЮ ЧАСТОТНОЮ МОДУЛЯЦІЄЮ ПРИ ЕНЕРГЕТИЧНО ПРИХОВАНОМУ РЕЖИМІ РОБОТИ

The article considers processing methods and ground of optimal algorithms of signals receive with linear frequency modulation under the power hidden operating conditions. In the article calculating results of noise decorrelation parameter in the optimal treatment algorithms of power hidden signals are described. Certain separate principles of signals receiver construction with linear frequency modulation under the power hidden operating conditions.Проведён анализ методов обработки и обоснование оптимальных алгоритмов приёма сигналов с линейной частотной модуляцией при энергетически скрытом режиме работы. Приведены результаты расчётов параметров декорреляции шумов в оптимальных алгоритмах обработки энергетически скрытых сигналов. Определены отдельные принципы построения приёмных устройств сигналов с линейной частотной модуляцией при энергетически скрытом режиме работы.Проведено аналіз методів оброблення та обґрунтування оптимальних алгоритмів прийому сигналів з лінійною частотною модуляцією при енергетично прихованому режимі роботи. Наведено результати розрахунків параметрів декореляції шумів в оптимальних алгоритмах оброблення енергетично прихованих сигналів. Визначено окремі принципи побудови приймаючих пристроїв сигналів з лінійною частотною модуляцією при енергетично прихованому режимі роботи

Identification of energy-hidden chirp signals of telecommunication systems in conditions of parametric uncertainty

The ambiguity diagram of rectangular chirp RF pulse has been analyzed. The characteristic point of ambiguity diagram was identified. It was proposed to identify the signal on the basis of correlation level at the characteristic point of ellipsoidal ambiguity diagram built in a special coordinate system. The quasi-optimal autocorrelation algorithm with quadrature processing is proposed. This algorithm is resistant to a priori uncertainty of parameters of input energy-hidden signals with unknown waveform and unknown initial phase against the background of Gaussian stationary noise. The tuning parameters of identification scheme and the decision-making rule regarding the availability of chirp signal in the input mixture were determined. The simulation modeling of identification procedure was conducted using the software package Matlab R2016a. The simulation results confirmed the ability of the proposed algorithm to identify the chirp signal in the input mixture at small values of the signal-to-noise ratio