Устройство подавления узкополосных помех

Устройство подавления узкополосных помех

Реферат

 

Изобретение относится к области электрорадиотехники и может быть использовано в радиотехнических системах, предназначенных для приема широкополосных сигналов на фоне сосредоточенных по спектру помех. Техническим результатом является увеличение отношения мощности полезного сигнала к мощности помех в условиях не стационарности помеховой обстановки. Устройство содержит блок выбора минимального сигнала, N частотных каналов, соединенные последовательно широкополосный фильтр и блок усиления и преобразования частоты, выход которого соединен с входами частотных каналов, выходы частотных каналов соединены с соответствующими входами сумматора. Каждый частотный канал содержит соединенные последовательно узкополосный фильтр, вход которого является входом частотного канала, первый усилитель, амплитудный детектор, выход которого соединен с соответствующим входом блока выбора минимального сигнала, и вычитатель, соединенные последовательно второй усилитель, вход регулировки усиления которого соединен с соответствующим входом входного сумматора. А также оно содержит соединенные последовательно дополнительный сумматор, входы которого соединены с выходами пороговых устройств, аттенюатор с управляемой величиной затухания, вход управляющего сигнала которого соединен с выходом дополнительного сумматора, а сигнальный вход соединен с выходом блока выбор минимального сигнала, и третий усилитель, выход которого соединен с другими входами вычитателей и входом управления коэффициентом усиления блока усиления и преобразования частоты. В каждый частотный канал введен пороговый элемент, вход которого соединен с выходом вычитателя, а выход соединен с соответствующим входом дополнительного сумматора, при этом выходом устройства является выход сумматора. 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области радиосвязи, может быть использовано в радиотехнических системах, предназначенных для приема широкополосных сигналов на фоне сосредоточенных по спектру помех.

Известен ряд многоканальных устройств, позволяющих вести борьбу с сосредоточенными помехами в широкополосных системах связи (например, патент США №3112452, авт.св. диссертация А.Н.Иощенко "Исследование методов борьбы с сосредоточенными помехами в широкополосных системах связи", Новосибирск, 1970 г., работа под ред. А.И.Филиппова "Принципы отождествления каналов передачи сигналов". Наука, 1973 г, стр.64-67).

Все перечисленные устройства содержат многоканальный фильтровой анализатор спектра параллельного типа, каналы которого разбивают полосу частот принимаемого сигнала на N равных полос. Устройства различаются как по методам подавления узкополосных помех в каналах, так и по технической реализации этих методов.

Так устройство по патенту США №3112452 осуществляет ограничение узкополосных помех в каналах.

В диссертации Иощенко А.Н., работе под ред. Филиппова А.И. приводятся устройства, которые подавляют узкополосные помехи методом режекции участков спектра широкополосного сигнала, пораженных узкополосными помехами.

Метод взвешивания (интерполяции) сигналов в каналах, пораженных узкополосными помехами, реализован в устройствах по авторским свидетельством СССР

Существенным недостатком некоторых устройств является большая инерционность установления оптимальных значений коэффициентов передачи каналов, это приводит к потерям помехоустойчивости в нестационарной помеховой обстановке.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство, структурная схема которого представлена на фиг.1, где обозначено:

1 - широкополосный входной фильтр,

2 - сумматор,

3 - безинерционный ограничитель,

4 - широкополосный фильтр,

5 - блок усиления и преобразования частоты,

6 - узкополосный фильтр,

7 - усилитель,

8 - детектор,

9 - схема сравнения,

10 - регулируемый усилитель,

11 - безинерционный ограничитель,

12 - фазовращатель,

13 - схема выбора минимума.

Устройство содержит N каналов одинаковых по построению. Входом устройства является вход широкополосного фильтра 1, выход которого через блок усиления и преобразования частоты 5 подключен к объединенным входам узкополосных фильтров 6. В каждом канале выход узкополосного фильтра 6 через последовательно соединенные усилитель 7, регулируемый усилитель 10, безинерционный ограничитель 11, фазовращатель 12 соединен с соответствующим входом сумматора 2. Выход усилителя 7 в каждом канале через детектор 8 соединен с одним из входов схемы сравнения 9, а также с соответствующим входом схемы выбора минимума 13, выход которой присоединен к другому входу схемы сравнения 9 в каждом канале и к управляющему входу регулируемого усилителя 10. Выход сумматора 2 через безинерционный ограничитель 3 присоединен ко входу широкополосного фильтра 4, выход которого является выходом устройства.

Работает устройство следующим образом.

Предположим, что на вход широкополосного входного фильтра 1 поступает широкополосный сигнал, "белый" шум и сосредоточенные по спектру (узкополосные) помехи. Причем помеховая обстановка является стационарной, т.е. уровни и количество узкополосных помех не меняются во времени. В этом случае устройство осуществляет подавление узкополосных помех методом уменьшения коэффициентов передачи каналов, пораженных помехами.

Схема выбора минимума 13 выбирает минимальное из напряжений на выходах детекторов 8. Это напряжение используется в качестве управляющего напряжения автоматической регулировки усиления для блока усиления и преобразования частоты 5 (поддерживая тем самым постоянным уровень сигнала в каналах с минимальным уровнем помех), а также в качестве напряжения порога оно поступает на вычитающие входы схем сравнения 9, в которых это напряжение вычитается из напряжений, поступающих с выходов соответствующих детекторов 8. Коэффициенты передачи регулируемых усилителей 10 уменьшаются с ростом напряжений на выходах схем сравнения 9. По этой причине наибольший коэффициент передачи регулируемого усилителя 10 будет в канале, суммарный уровень помех в котором наименьший.

Таким образом, при возрастании сигнала на выходе какого-либо узкополосного фильтра 6, коэффициент передачи соответствующего регулируемого усилителя 10 будет уменьшаться, причем параметры регулируемого усилителя 10 подбираются таким образом, чтобы его коэффициент передачи уменьшался в большей мере, чем растет напряжение на выходе соответствующего узкополосного фильтра 6. В этом случае наибольший сигнал будет на выходе канала с минимальным уровнем помех.

Порог ограничения безинерционных ограничителей 11 в каналах выбирается несколько выше уровня сигнала в канале с минимальным уровнем помех. Поэтому в стандартной помеховой обстановке сигналы проходят через каналы без ограничения. На выходах каналов сигналы суммируются сумматором 2, и суммарный сигнал через безинерционный ограничитель 3 и широкополосный фильтр 4 поступает на выход устройства.

Эффективность подавления помех устройством определяется точностью взвешивания смеси сигнала и помех в каналах. Максимальная помехоустойчивость реализуется в том случае, когда коэффициент передачи регулируемого усилителя 10 обратно пропорционален мощности помех на выходе узкополосного фильтра 6 (см. Бокк О.Ф., Гармонов А.В. "Выделение известного сигнала из помех с применением блока защиты", Техника средств связи, серия ТРС, 1983 г, вып.4 стр.66-75).

Предположим, что помеховая обстановка является нестационарной, т.е. события возникновения и пропадания отдельных узкополосных помех в пределах полосы пропускания устройства происходят часто. При возникновении новой узкополосной помехи в течение интервала времени определяемого постоянной времени амплитудного детектора 8, она практически без ослабления будет поступать на выход регулируемого усилителя 10 соответствующего канала и затем ограничиваться ограничителем 11. В дальнейшем, после установления переходных процессов в амплитудном детекторе 8, будет выполняться оптимальное взвешивание помехи в канале.

Таким образом, во время установления переходных процессов в канале, операция взвешивания заменяется менее оптимальной операцией ограничения, следствием чего является снижение помехоустойчивости приема.

При исчезновении узкополосной помехи из-за инерционности амплитудного детектора 8 коэффициент передачи соответствующего канала будет меньше оптимального значения, что также приведет к потерям помехоустойчивости.

Для повышения помехоустойчивости приема за счет указанных эффектов необходимо уменьшать постоянную времени амплитудного детектора 8. Причем задержка минимальна в том случае, когда полоса пропускания фильтра нижних частот (ФНЧ) в амплитудном детекторе 8 меньше полосы пропускания узкополосного фильтра 6. В этом случае ФНЧ подавляет только радиочастотные составляющие спектра выходного напряжения детектирующего элемента. Напряжение на выходе амплитудного детектора 8 будет случайной величиной с релеевским распределением. Напряжение на выходе схемы выбора минимума 13 также будет случайной величиной с релеевским законом распределения. Причем среднее значение этой величины будет определяться выражением

где - среднее значение напряжения на выходе детектора канала, непораженного узкополосными помехами,

n_б.п. - количество каналов непораженных узкополосными помехами.

(см. Бокк О.Ф. "О быстродействии блока защиты от узкополосных помех". Техника средств связи, серия ТРС, 1983 г, вып.7, стр.60-67). Следовательно, при малой постоянной времени детектора 8 величина порогового напряжения, каким является напряжение на выходе схемы выбора минимума 13, зависит от числа каналов непораженных узкополосными помехами и в общем случае оказывается неоптимальной. Неоптимальная величина порога приводит к неточному взвешиванию сигналов в каналах устройства, следствием чего является снижение помехоустойчивости приема.

Таким образом, в условиях нестационарной помеховой обстановки при большой постоянной времени амплитудных детекторов 8 происходит снижение помехоустойчивости приема устройства-прототипа, из-за большого времени установления переходных процессов в каналах, во время которых более оптимальная операция взвешивания заменяется менее оптимальной операцией ограничения. При малой постоянной времени детекторов 8 снижение помехоустойчивости происходит из-за неоптимального взвешивания сигналов в каналах ввиду того, что величина порога зависит от количества каналов, непораженных узкополосными помехами. Это является существенным недостатком прототипа.

Цель изобретения - повышение помехоустойчивости приема в нестационарной помеховой обстановке, вследствие обеспечения оптимального взвешивания сигналов при любой постоянной времени амплитудных детекторов в каналах.

Эта цель достигается тем, что в устройство, содержащее широко-полосный входной фильтр, вход которого является входом устройства, а выход соединен со входом усиления и преобразования частоты, выход которого соединен с N каналами, в каждом канале содержатся последовательно соединенные узкополосный фильтр, усилитель, регулируемый усилитель, второй вход которого через детектор и схему сравнения соединен с тем же выходом усилителя, безинерционный ограничитель, фазовращатель, выходы фазовращателей всех каналов соединены со входами сумматора, а также выходы детекторов всех каналов соединены со входами схемы выбора минимума, введены в каждый канал пороговое устройство, выходы которых соединены со входами дополнительного сумматора, выход которого соединен с управляемым аттенюатором, второй вход которого соединен с выходом схемы выбора минимума, а выход - с дополнительным усилителем, выход которого соединен со входами схем сравнения и со входом блока усиления и преобразования частоты. Введенные элементы и связи обеспечивают постоянство, напряжения порога на вторых входах компараторов независимо от числа каналов непораженных помехами и постоянной времени амплитудных детекторов в каналах, в результате чего обеспечивается оптимальное взвешивание сигналов в каналах при нестационарной помеховой обстановке.

При дополнительном поиске, проведенном авторами согласно п.52 ЭЗ-1-74, не обнаружены объекты со сходными признаками отличительной части. Учитывая это, авторы считают, что предлагаемое решение отвечает критерию "существенные отличия".

Функциональная схема заявляемого устройства представлена на фиг.2, где обозначено:

1 - широкополосный входной фильтр,

2 - сумматор,

3 - пороговое устройство,

4 - управляемый аттенюатор,

5 - блок усиления и преобразования частоты,

6 - узкополосный фильтр,

7 - усилитель,

8 - амплитудный детектор,

9 - схема сравнения,

10 - регулируемый усилитель,

11 - безинерционный ограничитель,

12 - фазовращатель,

13 - схема выбора минимума,

14 - дополнительный усилитель,

15 - дополнительный сумматор.

Устройство содержит N одинаковых каналов. Входом устройства является вход широкополосного входного фильтра 1, выход которого соединен со входом блока усиления и преобразования 5. Выход блока 5 соединен со входами узкополосных фильтров 6 всех каналов. В каждом канале содержатся последовательно соединенные узкополосный фильтр 6, усилитель 7, регулируемый усилитель 10, безинерционный ограничитель 11, фазовращатель 12. Выход усилителя 7 соединен с детектором 8, выход которого соединен со входом схемы сравнения 9. Выход схемы сравнения 9 соединен со вторым входом регулируемого усилителя 10 и входом порогового устройства 3. Выходы пороговых устройств 3 всех каналов соединены со входами дополнительного сумматора 15, выход которого соединен со входом управляемого аттенюатора 4. Выход детекторов 8 всех каналов соединены со входами схемы выбора минимума 13, выход которой соединен со вторым входом управляемого аттенюатора 4. Выход аттенюатора 4 соединен со входом дополнительного усилителя 14, выход которого соединен со вторыми входами схем сравнения 9. Кроме того, выходы фазовращателей 12 всех каналов соединены со входами сумматора 2, выход которого является выходом устройства.

Устройство работает аналогично работе прототипа, за исключением того, что пороговое напряжение на вычитающих входах схем сравнения 9 не зависит от количества каналов непораженных узкополосными помехами при любой постоянной времени амплитудных детекторов 8. Покажем это.

Предположим, что с целью повышения быстродействия устройства полоса пропускания ФНЧ амплитудного детектора 8 выбирается шире полосы пропускания узкополосного фильтра 6. В этом случае амплитудный детектор 8 выделяет огибающую выходную сигнала узкополосного фильтра 6, а среднее значение сигнала на выходе схемы выбора минимума 13 можно определить по формуле (1).

Выходной сигнал схемы выбора минимума 13 поступает на вход управляемого аттенюатора 4, на управляющий вход которого поступает сигнал с выхода сумматора 15. Сумматор 15 осуществляет суммирование выходных сигналов пороговых устройств 3. Порог срабатывания пороговых устройств 3 выбирается таким образом, чтобы при поражении канала узкополосной помехой сигнал на его выходе был равен 0, а при непоражении канала помехой на его выходе был сигнал V₀. Тогда на выходе сумматора 15 сигнал будет равен

Пример выполнения управляемого аттенюатора 4 приведен на фиг.3. Он содержит последовательно соединенные схему извлечения квадратного корня 31 и перемножитель 32. Причем вход схемы извлечения квадратного корня 31 является управляющим входом аттенюатора 4, другой вход перемножителя 32 является сигнальным входом аттенюатора 4, а выход перемножителя 32 является выходом аттенюатора 4. Схема извлечения квадратного корня 31 может быть выполнена на операционном усилителе, в цепь обратной связи которого включен нелинейный элемент с квадратичной характеристикой, (полевой транзистор, перемножитель). Сигнал на выходе схемы извлечения квадратного корня 31 с учетом (2) равен

Среднее значение сигнала на выходе аттенюатора 4 с учетом (1), (3) равно

Усилитель 14 обеспечивает необходимый уровень порогового сигнала на вычитающих входах схем сравнения 9. Заметим, что величина этого сигнала не зависит от количества каналов непораженных узкополосными помехами, что и требовалось показать.

Если полоса пропускания ФНЧ амплитудного детектора 8 уже полосы пропускания узкополосного фильтра 6, но соизмерима с ней, то, как показано в работе Бокка О.Ф. "О быстродействии блока защиты от узкополосных помех". Техника средств связи, серия ТРС, 1983 г., вып.7, стр.60-67, среднее значение сигнала на выходе схемы выбора минимума 13 отличается от (1). В этом случае управляемый аттенюатор 4 со структурной схемой приведенной на фиг.3 не позволяет обеспечить постоянство порогового напряжения на вычитающих входах схем сравнения 9. Функциональная схема управляемого аттенюатора, позволяющего обеспечить постоянство напряжения на вычитающих входах схем сравнения 9, приведена на фиг.4. Она содержит аналого-цифровой преобразователь 41, коммутатор 42 на N выходов и N+1 резистор 43-1÷43-N, 44.

Вход АЦП 41 является управляющим входом управляемого аттенюатора 4, выходы АЦП 41 подключены к соответствующим входам управления коммутатора 42. Сигнальный вход коммутатора 42 является сигнальным входом аттенюатора 4, выходы коммутатора 42 через соответствующие резисторы 43-1÷43-N соединены с выходом аттенюатора 4, который зашунтирован резистором 44. В качестве коммутатора можно использовать мультиплексор 564КП2. Очевидно, что подбором резисторов 43-1÷43-N, 44 можно обеспечить любой требуемый закон изменения затухания аттенюатора 4 под действием управляющего напряжения.

Обеспечение постоянной величины порогового напряжения выгодно отличает предложенное технического решение от прототипа, т.к. позволяет существенно повысить помехоустойчивость приема в нестационарной помеховой обстановке. Например, как показано в работе Бокк О.Ф., Грибко В.М. «Анализ работы блока защиты при воздействии на его вход белого шума», Техника средств связи, серия ТРС, 1985 г., вып.7 стр.114-121, при малой постоянной времени амплитудных детекторов в каналах происходит снижение помехоустойчивости приема на 3-5 дБ и более, если не предпринимать специальных мер к стабилизации порогового напряжения.

При большой постоянной времени амплитудных детекторов заявляемое устройство обеспечивает повышение помехоустойчивости по сравнению с прототипом за счет того, что резко сокращается время установления переходных процессов в каналах при нестандартной помеховой обстановке. Как указывалось выше во время переходных процессов в каналах, алгоритм взвешивания заменяется менее оптимальным алгоритмом ограничения в момент возникновения помехи, а при пропадании помехи канал оказывается закрытым на время переходного процесса, хотя в нем отсутствует.

Величина выигрыша в помехоустойчивости в этом случае зависит от многих факторов (количества каналов устройства, количества узкополосных помех, скорости изменения помеховой обстановки). Например, в диссертации Иощенко А.Н. «Исследование методом борьбы с сосредоточенными помехами», г. Новосибирск, 1970 г., показано, что алгоритм ограничения на 2-5 дБ и более проигрывает алгоритму оптимального взвешивания в зависимости от количества каналов пораженных узкополосными помехами. Поэтому можно предположить, что величина выигрыша в помехоустойчивости, обеспечиваемая заявленным устройством может быть достигать нескольких децибел.

Формула изобретения

Устройство подавления узкополосных помех, содержащее блок выбора минимального сигнала, N частотных каналов, соединенные последовательно входной широкополосный фильтр и блок усиления и преобразования частоты, выход которого соединен с входами частотных каналов, выходы частотных каналов соединены с соответствующими входами сумматора, каждый частотный канал содержит соединенные последовательно узкополосный фильтр, вход которого является входом частотного канала, первый усилитель, амплитудный детектор, выход которого соединен с соответствующим входом блока выбора минимального сигнала, и вычитатель, соединенные последовательно второй усилитель, вход регулировки усиления которого соединен с выходом вычитателя, ограничитель и фазовращатель, выход которого соединен с соответствующим входом выходного сумматора, отличающееся тем, что, с целью увеличения отношения мощности полезного сигнала к мощности помех в условиях нестационарности помеховой обстановки, в него введены дополнительный сумматор и соединенные последовательно аттенюатор с управляемой величиной затухания, вход управляющего сигнала которого соединен с выходом дополнительного сумматора, а сигнальный вход соединен с выходом блока выбора минимального сигнала, и третий усилитель, выход которого соединен с другими входами вычитателей и входом управления коэффициентом усиления блока усиления и преобразования частоты, в каждый частотный канал введен пороговый элемент, вход которого соединен с выходом вычитателя, а выход соединен с соответствующим входом дополнительного сумматора, при этом выходом устройства является выход сумматора.

РИСУНКИ