CC BY
45Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies, 2019, 12(6), 673-682
yflK 621.396.96
Jamming Resistance of the Inbound Channel of an Identification System with Broadband Signals and Error Control Codes in the Conditions of Pulse Noise and Intra-System Jamming
Sergey B. Zhironkin, Alexander A. Bliznyuk and Alexander A. Kuchin*
Military Academy of Aero-Space Defense named after the Marshal of Soviet Union G.K. Zhukov 50 Zhigareva Str., Tver, 170100, Russia
Received 25.02.2019, received in revised form 01.04.2019, accepted 23.04.2019
Results of an assessment of a noise stability of the request channel of a radar-tracking identification with broadband signals in the conditions of pulse noise and intersystem hindrances are given. Optimum alarm and code designs of orthogonal broadband signals decide on Read-Solomon's correcting codes for various characteristics of influencing hindrances.
Keywords: jamming resistance, the worst jamming, broadband signals, signal-code construction.
Citation: Zhironkin S.B., Bliznyuk A.A., Kuchin A.A. Jamming resistance of the inbound channel of an identification system with broadband signals and error control codes in the conditions of pulse noise and intra-system jamming, J. Sib. Fed. Univ. Eng. technol., 2019, 12(6), 673-682. DOI: 10.17516/1999-494X-0166.
Помехоустойчивость запросного канала опознавания с широкополосными сигналами и корректирующими кодами в условиях импульсных шумовых и внутрисистемных помех
С.Б. Жиронкин, А.А. Близнюк, А.А. Кучин
Военная академия воздушно-космической обороны им. Маршала Советского Союза Г. К. Жукова Россия, 170100, Тверь, ул. Жигарева, 50
Приводятся результаты оценки помехоустойчивости запросного канала радиолокационного опознавания с широкополосными сигналами в условиях импульсных шумовых и внутрисистемных
© Siberian Federal University. All rights reserved
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License (CC BY-NC 4.0). Corresponding author E-mail address: [email protected], [email protected]
*
помех. Определяются оптимальные сигнально-кодовые конструкции ортогональных широкополосных сигналов с корректирующими кодами Рида-Соломона для различных характеристик воздействующих помех.
Ключевые слова: помехоустойчивость, наихудшая помеха, широкополосные сигналы, сигнально-кодовая конструкция.
Введение
Применение широкополосных сигналов в средствах системы радиолокационного опознавания способно улучшить их информационные характеристики в наиболее сложных условиях радиоэлектронного конфликта: воздействие помех, разведка и имитация сигналов и пр. [1, 2]. Современные методы радиоэлектронного противодействия позволяют создавать помехи, оптимизированные к характеристикам подавляемых средств, например импульсные шумовые помехи, сигналоподобные помехи и пр. [3 -5], что следует учитывать при обосновании параметров широкополосных сигналов опознавания. Кроме того, при работе средств опознавания в общих зонах создаются большие потоки внутрисистемных помех (ВСП), которые необходимо рассматривать в комплексе с преднамеренными и с учетом специфики каналов опознавания.
Цель работы - оценка помехоустойчивости запросного канала системы радиолокационного опознавания с широкополосными ортогональными сигналами (ШПС) в условиях воздействия импульсных шумовых и внутрисистемных помех и оптимальных для этих условий параметров корректирующих кодов Рида-Соломона (РС).
Постановка задачи
Для достижения поставленной цели введем следующие ограничения и допущения.
1. Рассматриваются запросные сигналы опознавания, информационная часть которых содержит I недвоичных импульсов для передачи т бит информации с учетом требований к защите ответчиков от имитации сигналов методом «наугад», предъявляемых к средствам современной системы [1].
2. Сигнально-кодовые конструкции запросного сигнала формируются на основе комбинаций ансамбля из М<2т ортогональных сигналов с кодами Рида-Соломона, корректирующими ошибки.
3. Внутрисистемные помехи создаются большим количеством (N, >> 1) взаимодействующих в общей зоне запросчиков с одинаковыми характеристики. Несинхронный поток широкополосных сигналов-помех является простейшим.
4. Показателем помехоустойчивости запросного канала служит вероятность Р правильного приема информационной части запросного сигнала, состоящей из т бит:
Р = (1 - Ре)1, (1)
где Ре - вероятность ошибки при различении М детерминированных ортогональных сигналов; I - число недвоичных импульсов в запросном сигнале, необходимых для передачи т бит, при заданном отношении сигнал/помеха.
Для сравнительной оценки последовательно рассмотрим вклад различных составляющих воздействующих на запросный канал (на вход ответчика) помех в ошибки опознавания.
Основнаячасть
Вероятно стьошибкиприра зхиченииМдетермясиряыссшых орсогосалпсых сооиясоопри действии белого гауссова шума (БГШ) с односторонней спектральной плотностью мощности Щопределяетсявыражением[6]
Pe =1 -
ы
л/2П
exp
(
x-
¡2mEf IN,
л2'
Фм-1 (x )dx,
где Eb - энергия сигнала, приходящаяся на один бит передаваемой информации,
1 х
Ф(=> = -г= i exp V2nt а
Г Д^
dt - интеграл вероятноати.
Для какасио обмона данными с ШПС с внутрсимпульсноП мынипусосией осо(5ую оеас-ностс,какив 33](представляес ярянывизтья(ампульснаи) шумовая помеха с отстоянным зна-чениемпреднейповремениспектсальнояплотности мощности, виляющая собой случайный ноток имшнлхоов ЛГШ [Н, 5]. Такую помеху а оптиоаньным для нодовлоьио значением средней скввжности ньзывааот наихудшкя [7, 0]. ГЬдн изянненна имнульсгок шд'моаой пкмевк еа окаа-еоожнсяняя спекгралтнаа ]каотносяьмощностиртвно7П с (п, где Ля — срюдаяп по времени спек-ярвровoп онетхост ь мощности, р - величина, обратная средней скважности помехи.
С учетам введенной ххоыотьеыовлки помехи кедоянноснв ошибкипри ыо действииможет быльзаписанк окоде
Pe (Р)= Р
1 -
1 1
ötJ exp
и2и
2mEbp IN е
Л 2
Фм(x )dx
(2)
Помеда с параметром р = р*, максимизирующим вероятность ошибки,наимдшая. Зниче-ние р С ь соитвстствующер смо вначение максимальной ьвроятеости ошибки Ре max при действии наннудшие имп^еснеш виумовек атмех определяюттячтсленно и мог°т оыть рассчитаны с использовтнием уценотныи кооффнуиентов См и DM [9]:
*
Р =
Pe
1, EIN]<CM,
C
n
EIN
, EI Nj> Cm .
Pe (1), E/N}<Cm ,
D
m
E/N
, E / Nj > Cm
(3)
(4)
j
где E = -
mEb
I
- -энергияимпульса.
В таблице в качестве примера для М = 2 - 1024 приведены значения таких коэффициентов [7,10].
Результаты расчетов помехоустойчивости запросного канала широкополосной системы опознавания в условиях наихудшей шумовой помехи при m = 44 бит, М = 256 представлены на
Таблица. Значение коэффициентов CM, Dm для различных М Table. The value of the coefficients CM, DM for different M
M См Dm
2 1,4176 0,1657
4 1,7010 0,3589
8 2,0116 0,5780
16 2,371 1 7,8212
32 2,6987 1,0861
67 3,0625 1,2722
128 3,4396 1,0698
256 6,9676 39876
512 2,1187
1624 4,6150 2,6615
Eb/Nj (дБ)
Рис. 1. Помехоустойчивость запросного канала широкополосной системы опознавания: 1 - двоичный сигнал с амплитудной манипуляцией; 2 - недвоичный ШПС для М = 256 при действии непрерывной помехи;3 - недвоичный ШПС для М = 256 придействиинаихудшейимпульснойпомехи
Fig. 1. Interference immunity of the inquiring channel of the broadband identification system: 1 - a binary signal with amplitude shift keying; 2 - non-binary broadband signal for M = 256 under the action of continuous interference; 3 -non-binarybroadband signal for M =256 under theactionof theworstimpulse noise
рис. 1 кривой 3. Для сравнения также изображены кривые: 1 - двоичный сигнал с амплитудной манипуляцией(ИВК); 2 - недвоичныйШПСдля М = 256при действиинепрерывнойпомехи.
При расчете для двоичного ИВК современной системы опознавания [1] использовали соотношение (1), где вместо I подставлялось m = 44 и вероятность ошибочного приема [6]
Pe = 1 - Ф
Еь
(5)
Дая недвоичного ШПСпридействиа непрерывпойптмпвойпомехи иппользовали (Ци (2) при р = П
I^jiC^ymoii 1 дсмиопгршрует, что веуровне С = 0.0 применение недвоичнок орхстоиапсных ШПСобепчечиноет сноргетичиский ныигрышвнимехоустойчисости no сраинению с ИВК око-лоЫНчБ ууо нсчстсно нгпренывунМ попние. Одникоори уоысппри наиыудшеИ импульсной шу-оуноРАОмехиианнуынорыш САНоиисик о.'лю.
В^а^кв свхраненвя вввсокой мвмехоустойчивосви панелов и ШПС нридействиипаихудших иминльсныи пвмовых помпх и Нольшом количествавзаимодействпющих спвдств опоапзпания ирименяюсворз1аочноа пзпымоыствйчивоевзп ирововве[СПнаппипврПдо=овылкоды хм ак-сппалиным ртистоинием. К иимотносяоояии.ыночныикодыРиде-.оуомона [1]. Основными паримстнами Увитопок (и,УИ-код<св ^^j^^ic^c^j^: п - обинпе иисло сивоптое (недвоичных импуль-вавИ н виоии орда, & в число инф одмайионных симворып is смоие пода (И • М о ПИ с~ иасло испваоляемыхвшиПск в блоке кода. Для кодов РС параметры n, k, t связаны соотношением пв к д 2/, где; /в = М- 1,а дла укоовпвнныиеодов мо/псо ппинимотпиюаоеменвсиое зпачепие.
ЧЦ-Л-Я млуная ноомеооннпн примопения недвончнььн нртоечнальиых тнпнанов и избыточных ко до I? PC исполкзлвалось ньотноиеение (-0), a китовое вместо / пвмпотнляли n, и
p=£cHP/a-P)п" , (6)
>=0
где С'й - число сочетаний изоз элементов по i.
Результаты расчете- иллюстрирует рис 2, который наглядно демонстрирует, что энергетический проигрыш при действии наихудшей импульсной шумовой помехи может быть минимизирован выборомСКК.
Нахождение СКК, обеспечивающей наиболее высокую помехоустойчивость, иллюстрируется графиками на рис. 3, 4. Критерием выбора наиболее энергетически эффективной СКК
явлоется минимально требуемое (Eb / Nj j1™1 отношение энергии принимаемого приемником
средства опознавания сигнала (в расчете на один бит передаваемой информации) к спектральной плотности мощности помехи для достижения заданной вероятности правильной доставки информационной части запросного сигнала P = 0,9.
Полученные результаты позволяют определять СКК для запросного канала системы радиолокационного опознавания с ШПС, обеспечивающие наибольшую помехоустойчивость относительно наихудших импульсных шумовых помех.
Реально прием сигналов опознавания будет осуществляться на фоне комплекса помех, включающего преднамеренные и внутрисистемные помехи, а также собственный шум приемника. При принятых условиях и ограничениях в качестве модели взаимной (внутрисистемной) помехи в системе опознавания с ШПС может рассматриваться непрерывный нормальный шум (БГШ) со спектральной плотностью мощности N0 [11], включающий и собственный шум приемника ответчика. В этом случае воздействующая помеха сводится к сумме непрерывной и импульсной шумовых помех и на входе приемника наблюдается отношение сигнал/суммарная помеха.
Eb/Njwe6( дБ) 6.2
б 5.8 5.6 5.4 5.2 5 4.8 4.6
6
Рис. 2. Зависимость отношения сигнал/помеха, требуемого для обеспечения вероятности правильного приема информационной части запросного сигналаР=0,9, от р дляМ=16-1024:1- 1024-ный ортогональный ШПС с РС-кодам (9,5,0); 2 - 128-ный ШПС з РС-код;м (11,7,Р); 3 -256-ный ортогональный
ШПС с РС-кодоо )10,6,2); 4 - 32-ный очтогзнагьныь ШПС с; РДйКодом (13,9,2); 5 - 1Ч-ный ортогональный ШПС с РС-кодом (1д ,n,2(; 2 - а12(0ьш ортогочрльный с^д^и^л с PC-кодом (9,5Д0
Fig. 2. Dependence of the signal / interference ratio required to ensure the probability of correct reception of the information part ofthe request signalP = 0.9,from r for M= (6-1024: 1 - 1024-ary orthogonal broadband signal with a RS code (9.5.2); 2 - 128-ery octhoginal broidband signal with be RS code (11,7,2); 3 - 256-ary orthogonal broadband signal wiïh a Re code (ee,6i0)] A — З^ау orthogonal bioadbaid signe2 wiïh a RS oodc (13,9,2); 5 - 16-day orthogonel wcbeb.nd signal witl s RS code (1K,11,2); 6 - 512-ary orthogonal broadband signal with a RS code (9,5,2)
P
0.91 0.9 0.89 0.88 0.87 0.86 0.85
Рис. 3. Вероятность правильного приема информационной части запросного сигнала для недвоичного ортогонального ШПС с различными кодамиРида-Соломона придействии наихудшей импульсной помехи: 1 - ОС-код (Ь,Ь,1Ь; 2 - РС-код (10,6,2); 3 - РС-код °Ь2,6,3); р - РС-код (14,6,4); И - РС-код (16,6,5);
6 - РС-код ))8,6,6) 7 -РС-кбд)20,6,7 ); PC-код )22,6,()
Fig. 3. The probability ofcorrect reception eS the information part ofthe request signalforanon-binary orthogonal broadbandsignal witfichfferent: Reod^olomon coges under trlis effect onthe worst impulse ntnse: 1 - RS code
(8,6,1); 2 - RS c°dg CtO^^ 3 -RS œde 3); 4° Rdcode (14 ,6,4); 5g R, rode (16.6.0); Г-RS code (18,6,6);
7 - RS code (2C,6,d(i RS code (26,6;d(
Eb/Njm(A Б) 5.6
5.4
5.2
5 4.8 4.6 4.4 ■ 4/2.
4 3.8 3.6
0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55 0.6
P
Рис. 4. Требуемое отношение сигнал/помеха для достижения заданной вероятности правильного приема информационной части запросного сигнала Р=0,9 для М=256: 1 - 256-ный ортогональный ШПС с РС-кодом (12,6,3); 2 - 256-ный ортогональный ШПС с РС-кодом (14,6,4); 3 - 256-ный ортогональный ШПС с РС-кодом(16,6,5)
Fig. 4. The required signal-to-noise ratio to achieve a given probability of correct reception of the information part of the request signal is P = 0.9 for M = 256: 1 - 256-ary orthogonal broadband signal with a RS code (12.6.3); 2 - 256-ary orthogonal broadband signal with a RS code (14,6,4); 3 - 256-ary orthogonal broadband signal with aRScode(16.6,5)
________
У ■ ._____ .....-- . ■ ttourtlfm.-fij, ""■'mu,,
$ ...................
! у ,
/ ? / * _. : / / /
s 1 -
!
1 я ■ - э ...................
г ! ?
: F
No Nj+ No
( ^ V
N
J
N0
(7)
Спектральная плотность шумовой помехи эквивалентна внутрисистемной помехе, может быть определена по формуле
Л0 = Щ • ,
где п3 - среднее число одновременно работающих с ответчиком запросчиков; Р„ - мощность сигналовВСПот каждогоиззапросчиковна входе приемника; Е-ширина спектра ШПС.
Вероятность ошибочного приема недвоичного импульса для рассматриваемого случая определяется соотношением
Pe (Р) = Р
1 -
1 m
^ i exP
sÎ2%
2mEb
+(1 - Р)
1-
1 ? ^J eXP
42П
n ((/p) + N0)
Фм—1 (x )dx
Фм—1 (x )dx
(8)
2mE,
nN
0
Требуемые значениясигнал/помехапредставленынарис.5.
Уменьшение значений отношения сигнал/непрерывная шумовая помеха Еь / Ы0 (рис. 5), т.е.
ЧУ * ЧУ
увеличение мощности непрерывной помехи, приводит к изменению значения р наихудшей
—m
Рис. 5. Требуемое отношение сигнал/помеха для достижения заданной вероятности правильного приема информационной части занросного сигнала Р = 0,9 при различныхотношениях P3/Ns для СКК АА = 512 с РС-кодом (9,5,2) придейнтвии наконолопозниваниякомплинз/ помех
Fig. 5. Requi5edsignal-to-noise r^^io to achieve a givenprobability ofcoereet reception cf theinformetion part of the request cignal,pP O.t for vapiaus CC/Ai, ratios for tiCD M= 512 wiPh a RS coVe (9.5.2g, when acting on the identificationcC^ar^e^et interference voraptris
шумовой помехи и, соответственно, к уменьшению требуемого отношения сигнал/суммарная помеха Еь / Ы]0.
Оценка состава и параметров действующих помех позволяет оптимизировать прием сигналов к складывающимся условиям и обосновывать необходимые для этого отношения сигнал/ помеха.
Различный состав и характеристики воздействующих помех приводят к изменению выбора СКК. Так, например, для условий воздействия только импульсной шумовой помехи наилучшей является СКК М = 32 с РС-кодом (21,9,6). При одновременном действии с ней непрерывной шумовой помехи (ВСП), при Еь / Ы0 = 5дБ, наилучшей становится СКК М = 32 с РС-кодом (15,9,3), а СКК М = 512 с РС-кодом (9,5,2) по помехоустойчивости непосредственно приближается к ней.
Заключение
Таким образом, полученные результаты оценки помехоустойчивости запросного канала опознавания с М-ными ортогональными широкополосными сигналами и кодами Рида-Соломона, корректирующими ошибки, показали их оптимальность в условиях воздействия импульсных шумовых, оптимизированных к параметрам сигнала опознавания (наихудших шумовых помех) и внутрисистемных помех. Результаты исследования позволяют выбирать сигнально-кодовые конструкции с ШПС, обеспечивающие наиболее высокую помехоустойчивость для конкретной помеховой обстановки.
Список литературы
[1] Ширман Я.Д., Багдасарян С.Т., Лосев Ю.И. и др. Радиоэлектронные системы: Основы построения и теория: справочник. М.: Радиотехника, 2007, 512 с. [Shirman Ya.D., Bagdasaryan S.T., Losev Yu.I. et al. Radio-electronic systems: bases of creation and theory: reference book. M.: Radiotekhnika, 2007, 512 p. (in Russian)].
[2] Мелихов Ю.Н., Фролов Д.В., Шевчук В.И. Метод согласованного применения имито-стойких широкополосных сигналов во вторичных радиолокаторах. Радиотехника, 2010, 11 [Melikhov Yu.N., Frolov D.In., Shevchuk V.I. Metod of the coordinated application of imito-resistant broadband signals in secondary radars, Radiotekhnika, 2010, 11 (in Russian)].
[3] Иванов А.Н., Кузьмин В.Г., Мурахленко А.С., Шевчук В.И., Ягольников С.В. Оценка эффективности и оптимизация параметров шумовых импульсных помех линиям радиосвязи с временным разделением каналов и шумоподобными сигналами. Радиотехника, 1996, 1, 44-47 [Ivanov A.N., Kuzmin V.G., Murakhlenko A.S., Shevchuk V.I., Yagolnikov S.V. Assessment of efficiency and optimization of parameters of noise impulse interference to lines of a radio communication timedivision channels and noise-type signals, Radiotekhnika, 1996, 1, 44-47 (in Russian)].
[4] Джангирян С.С., Мелихов Ю.Н., Хмаров И.М., Шевчук В.И. Адаптивный прием сигналов с импульсно-временным кодированием информации в условиях сигналоподобных помех. Радиотехника, 2009, 1 [Dzhangiryan S.S., Melikhov Yu.N., Khmarov I.M., Shevchuk V.I. Adaptive signal pick-up with pulse and time data coding in conditions the signalopodobnykh of noises, Radiotekhnika, 2009, 1 (in Russian)].
[5] Борисов В.И., Зинчук В.М., Лимарев А.Е., Мухин Н.П., Нахмансон Г.С. Помехозащищенность систем радиосвязи с расширением спектра сигналов модуляцией несущей псевдослучайной последовательностью. М.: Радио и связь, 2003, 640 с. [Borisov V.I., Zinchuk V.M., Limarev A.E., Mukhin N.P., Nakhmanson G.S. Noise immunity of the systems of a radio communication with expansion of a range of signals modulation by the bearing pseudorandom sequence. M.: Radio i svyaz, 2003, 640 p. (in Russian)].
[6] Васин В.А., Власов И.Б., Егоров Ю.М. и др. Информационные технологии в радиотехнических системах. М.: изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003, 672 с. [Vasin V.A., Vlasov I.B., Egorov Yu.M., etc. Information technologies in radio engineering systems. M.: izd-vo MGTU im. N.E. Baumana, 2003, 672 p. (in Russian)].
[7] Stark W.E. Coding for coherent frequency-hopped spread-spectrum communication in the presence of jamming, IEEE International Conference on Communications, Conference Record, 1982, 14.2-1-14.2-5.
[8] Howard H. Ma, Margaret A. Poole. Error-Correcting Codes Against the Worst-Case Partial-Band Jammer, IEEE Transactions on Communications, 1984, Vol. Com-32(2), 124-133.
[9] Портной С.Л., Жиронкин С.Б. Декодирование блочных кодов в системах передачи информации с псевдослучайным переключением частот. Радиотехника, 1989, 8, 53-56 [Portnoy S.L., Zhironkin S.B. Decoding of block codes in information transmission systems with pseudorandom switching of frequencies, Radiotekhnika, 1989, 8, 53-56 (in Russian)].
[10] Близнюк А.А., Мин Т.А., Петров А.В., Докучаев Я.С. Воздействие наихудшей импульсной помехи на запросный канал системы радиолокационного опознавания с широкополосными сигналами и кодами, исправляющими ошибки. Сборник тезисов «Системы связи и радионави- 681 -
гации». Красноярск: АО «НПП «Радиосвязь», 2016, 215-218 [Bliznyuk A.A., Min T.A., Petrov A.V., Dokuchayev Ya.S. Impact of the worst impulse interference on the request channel of a system of radar identification with the broadband signals and codes correcting errors. The Collection of theses of «The communication system and radio navigation». Krasnoyarsk: AO «NPP «Radiosvyaz», 2016, 215-218 (in Russian)].
[11] Варакин Л.Е. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Радио и связь, 1985, 384 с. [Varakin L.E. Communication systems with noise-type signals. M.: Radio i svyaz, 1985, 384 p. (in Russian)].
