Устройство для выделения шумоподобного сигнала

Устройство для выделения шумоподобного сигнала

Реферат

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в широкополосных системах радиосвязи с шумоподобными сигналами, в радиолокации и радионавигации. Техническим результатом является повышение помехоустойчивости устройства. Для достижения технического результата устройство, содержащее набор узкополосных фильтров промежуточной частоты, режекторы помехи, сумматор, оптимальный фильтр с смесителем, две идентичные цепи, каждая из которых включает коррелятор, блок выборки и запоминания сигналов и квадратора, блок вычитания, цепь фазовой автоподстройки частоты и генератор управляемой схемы задержки, снабжено измерителем интервала корреляции сигнала. 4 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в широкополосных системах радиосвязи с шумоподобными сигналами, в радиолокации и радионавигации.

В большинстве известных устройств подавление сосредоточенных по частоте помех происходит путем деления рабочей полосы частот на N примыкающих друг к другу полос и последующей фильтрацией входной смеси сигнала и шума N параллельными узкополосными фильтрами. К выходу каждого фильтра подключены две последовательные цепи - первая, состоящая из усилителя и управляемого ключа, вторая - из усилителя и детектора. Выходы первых цепей подключены к сумматору, а выходы вторых - к решающей схеме, вырабатывающей пороговый уровень, превышение которого выходным напряжением детектора I-го канала означает наличие в этом канале помех.

Первая последовательная цепь работает либо в режиме ограничения входной смеси, либо в режиме ключа - канал открыт при отсутствии помех и закрыт - при наличии.

При размыкании ключа осуществляется режекция участка частот, пораженных помехой.

Принцип работы такого устройства описан в книге Г.И.Тузова Статистическая теория приема сложных сигналов. М.: Советское радио. 1977 г., стр.127, рис.5.12, а также в статье Бокка О.Ф., Гармонова А.В., Луговского А.Г. Устройство защиты от сосредоточенных помех (блок защиты). Специальная техника средств связи, сер. ТРС вып.3 (8), Москва, 1977 г.

После режекции сосредоточенных по частоте помех происходит выделение шумоподобного сигнала оптимальным фильтром (оптимальной схемой), осуществляющим операцию "свертки"

Оптимальная фильтрация может быть выполнена на основе линии задержки и на основе многоканального корреляционного устройства.

Известно корреляционное устройство, которое состоит из М корреляционных каналов, каждый из которых в свою очередь состоит из перемножителя, узкополосного фильтра, детектора и интегратора. На первый вход перемножителя подается входной сигнал, на второй - копии, сдвинутые по времени. Выходы интеграторов присоединены к решающей схеме, которая управляет работой генератора копий сигнала (ГПСП), выход которого подключается к регистру сдвига. В режиме синхронизации из двух соседних корреляционных каналов образуется временной дискриминатор, знак выходного напряжения которого соответствует знаку расстройки. Путем воздействия этого напряжения на генератор тактовой частоты производится подстройка. Именно так работает корреляционное устройство, осуществляющее функцию временной подстройки, приведенное в книге Дж.Дж.Стифлера Теория синхронной связи. М.: Связь, 1975 г., стр.222, рис.7.4.

Подобные блок-схемы имеются также в книгах Г.И.Тузова Статистическая теория приема сложных сигналов. М.: Советское радио, 1977 г., стр.192, рис.4.10, П.А.Бакута, Н.А.Большакова и др. под общей редакцией Г.П.Тартаковского Вопросы статистической теории радиолокации. М.: Советское радио, 1964 г., стр.447, рис,8.2 и другие.

При отсутствии сосредоточенных помех спектр сигнала поступает на схему оптимальной обработки через N параллельных фильтров без искажений, что условно изображено на фиг.1а. На этой фиг. показана амплитудно-частотная характеристика гребенки из N прилегающих фильтров, коэффициенты передачи которых K_i (f) одинаковы. На фиг.1б), 1в), 1г), 1д) приведена зависимость выходного напряжения от рассогласования по времени, где показано изменение дискриминационной характеристики U() в зависимости от временного сдвига корреляционных функций ().

Случаи 1б), 1в), 1г) характеризуются максимальной амплитудой дискриминационной характеристики и возрастанием крутизны дискриминационной характеристики до максимума. Случай 1г) является оптимальным, так как при сдвиге копий на ± (₀ - длительность элементарного импульса) крутизна импульса дискриминационной характеристики достигает максимума при максимальной амплитуде дискриминационной характеристики.

Случай 1д) описывает неоптимальную работу устройства, так как при дальнейшем увеличении временного сдвига копий относительно друг друга амлитуда дискриминационной характеристики уменьшается при сохранении ее максимальной крутизны.

При появлении сосредоточенных по частоте помех происходит режекция пораженного участка путем отключения соответствующих фильтров.

При этом корреляционная функция растягивается по времени.

Искажения корреляционной функции могут быть рассчитаны по формулам из "Вопросов радиоэлектроники" серия TPC. вып.1, 1975, стр.88-105 Бокк О.Ф. "Анализ изменений корреляционной функции широкополосного сигнала при режекции узкополосных помех" или получены экспериментальным путем. На фиг.2 изображена АЧХ гребенки из N прилегающих фильтров (на фиг.2 N=8) и соответствующие корреляционная функция () и дискриминационная характеристика u() при сдвиге на для случаев:

а) все фильтры включены;

б) включена половина фильтров в центре;

в) включена четверть фильтров в центре.

На фиг.2 все отключенные фильтры заштрихованы.

Амплитуда корреляционной функции на фиг.2 выбрана для случаев:

а) равной единице;

б) равной ;

в) равной 1/2.

Выбор произведен пропорционально изменению соотношения сигнал/шум, изменению базы сигнала на выходе устройства. Как известно, напряжение меняется прямо-пропорционально

, шум а отношение сигнал/шум

где N_об - общее число фильтров;

N_вк - число включенных фильтров.

Если все фильтры включены, то работа устройства будет соответствовать оптимальному случаю, изображенному на фиг.1г).

При отключении значительной части фильтров (фиг.2б, в) корреляционная функция растягивается, амплитуда ее уменьшается и работа устройства при отключении 3/4 фильтров будет соответствовать неоптимальному случаю, изображенному на фиг.1д), если сжать соответствующим образом масштаб времени. На фиг.2в) пунктиром изображена корреляционная функция () и дискриминационная характеристика u() при изменении сдвига копий относительно друг друга, вызванного режекцией участков частот, пораженных помехой.

В результате этого при наличии помех величина сдвига между копиями уже не будет оптимальной, так как на расширение корреляционной функции устройство никак не реагирует. Таким образом, при режекции участков спектра происходит снижение помехозащищенности за счет неоптимального сдвига копий сигнала, что является существенным недостатком прототипа.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство подавления сосредоточенных по частоте помех (Г.И.Тузов. Статистическая теория приема сложных сигналов. М.: Советское радио. 1977, стр.127, рис.3.12).

Структурная схема прототипа приведена на фиг.5, для которой введены следующие обозначения:

1 - широкополосный усилитель, промежуточной частоты (УПЧ);

2₁...2 _N - узкополосные УПЧ;

3₁...3 _N - элементы подавления помехи;

4 - сумматор;

5 - оптимальный фильтр;

6 - смеситель;

7 - корреляторы;

8 - блоки выборки и запоминания;

9 - квадратичные устройства;

10 - блок опережения на ;

11 - генератор сигнала;

12 - генератор управляющего напряжения (ГУН);

13 - фильтр ФАПЧ;

14 - вычитающий блок;

15 - блок задержки на .

Для объяснения сути работы оптимальный фильтр (обозначения 6÷15) представлен согласно рис.7.4, стр.222 упомянутой выше книги Дж.Дж.Стифлера Теория синхронной связи. М.: Связь. 1975 г.

Вход широкополосного УПЧ 1 является входом устройства, а его выход подключен к входам N узкополосных УПЧ (2 ₁...2_N), выходы которых соединены с соответствующими входами элементов подавления помехи (3 ₁...3_N) и через сумматор 4 подключен к оптимальному фильтру 5. Вход оптимального фильтра 5 является первым входом смесителя 6, на второй вход которого подается напряжение гетеродина. К выходу смесителя 6 подключены две последовательные цепи, состоящие из взаимного коррелятора 7, блока выборки и запоминания 8 и квадратичного устройства 9, подсоединенные к вычитающему блоку 14 и через фильтр ФАПЧ 15, ГУН 12 и генератор сигнала 11 подсоединены к блокам опережения на (10) и задержки на (15). Одновременно с выхода генератора 11 снимается команда о наличии синхросигнала. Выходы блоков 10, 15 подсоединены ко вторым входам корреляторов 7 и блоков выборки и запоминания 8.

Устройство работает следующим образом. При отсутствии сосредоточенных помех приходящий сигнал через широкополосный УПЧ 1 поступает на вход узкополосных УПЧ (2₁...2 _N), представляющих собой набор N параллельных примыкающих друг к другу фильтров, откуда приходит на соответствующие входы элементов подавления помехи (3₁...3 _N), представляющих собой или усилители, коэффициенты передачи которых Ki(f) меняются в зависимости от изменения интенсивных помех, или нелинейные элементы, работающие либо в режиме ограничения входной смеси, либо в режиме ключа: канал открыт - при малых помехах, закрыт - при больших. В этом случае коэффициенты передачи элементов подавления помехи (3₁...3 _N) одинаковы и спектр входных частот передается к входу оптимального фильтра 5 через сумматор 4 без изменения. При этом корреляционные функции не искажены и имеют вид при сдвиге на , изображенный на фиг.1г). Подробнее рассмотрим работу оптимального фильтра 5. С сумматора смесь поступает на смеситель (6), который переносит спектр на промежуточную частоту (при известной фазе преобразование может быть синхронным, тогда в последующих каскадах происходит обработка видеосигналом). С выхода смесителя смесь подается на входы корреляторов 7, где происходит "свертка" приходящего сигнала и сдвинутых друг относительно друга копий. Если копии смещены относительно сигнала вправо (влево), то после умножения на копии и накопления в 7 и 8, соответственно, и возведения в квадрат в 9 на выходе вычитающего блока 14 появляется положительное (отрицательное) напряжение - плюс (минус), которое воздействует на генератор копии 11 через фильтр 15 и ГУН 12 таким образом, что ошибка смещения стремится к нулю. Одновременно с выхода генератора 11 снимается команда о наличии синхросигнала.

Как отмечалось выше, оптимальной величиной сдвига копий в каналах является сдвиг на , так как при этом дискриминационная характеристика имеет максимальную крутизну и амплитуду, т.е. схема работает наилучшим образом.

При большом количестве сосредоточенных помех в элементах подавления помех 3 происходит вырезание значительного участка частот.

При этом картина существенно меняется. Из фиг.2б) видно, что сужение полосы частот приводит к увеличению длительности корреляционной функции и снижению амплитуды. Вызванные режекцией изменения корреляционной функции приводят к тому, что устройство работает неоптимальным образом, что соответствует случаю, изображенному на фиг.1д), если масштаб времени соответственно сжать. Таким образом, вырезание значительных участков частот приводит не только к уменьшению амплитуды, но и к снижению помехозащищенности. Уменьшение амплитуды отдельных корреляционных функций естественно, так как происходит из-за наличия помех, в то время как потери из-за неоптимальности сдвига копий являются неоправданными.

Таким образом, работа прототипа при режекции узкополосных помех является неоптимальной, вследствие чего происходит значительное снижение помехозащищенности.

Целью предлагаемого изобретения является повышение помехозащищенности, что обеспечивается установлением функциональной связи между устройством подавления сосредоточенных помех и оптимальным фильтром, заключающейся в изменение сдвига копий относительно друг друга в зависимости от искажений корреляционной функции, вызванных режекций участков частот, пораженных помехой.

Эта цель достигается тем, что в устройство подавления сосредоточенных по частоте помех введен анализатор формы корреляционной функции, причем анализатор формы корреляционной функции подключен к выходам элементов подавления помех так, что его выход подключен ко входам блоков опережения 10 и задержки 15, блоки опережения и задержки заменены на управляемые.

Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг.4, где введены следующие обозначения

1 - широкополосный УПЧ,

2₁...2 _N - узкополосные УПЧ,

3₁...3 _N - элементы подавления помехи;

4 - сумматор;

5 - оптимальный фильтр;

6 - смеситель;

7 - корреляторы;

8 - блоки выборки и запоминания;

9 - квадратичные устройства;

10 - управляемый блок опережения;

11 - генератор сигнала;

12 - генератор управляющего напряжения ГУН;

13 - фильтр ФАПЧ;

14 - вычитающий блок;

15 - управляемый блок задержки;

16 - анализатор формы корреляционной функции.

Устройство состоит из широкополосного УПЧ 1, вход которого является входом устройства, а выход через N узкополосных фильтров УПЧ (2₁...2_N) подключен к N входам элементов подавления помехи (3₁ ...3_N), выходы которых одновременно подключены к сумматору 4 и анализатору формы корреляционной функции 16. Выход сумматора 4 подключен к оптимальному фильтру 5, вход которого является первым входом смесителя 6, а второй его вход подключен к гетеродину. К выходу смесителя 6 подключены две последовательные цепи, состоящие из взаимного коррелятора 7, блока выборки и запоминания 8 и квадратичного устройства 9, выходы которых подключены к вычитающему устройству 14, которое через фильтр ФАПЧ 13 и ГУН 12 подключено к генератору сигнала 11. Выход генератора сигнала 11 подсоединен к первым входам блоков опережения 10 и задержки 15 и одновременно выдает сигнал синхронизации.

Вторые входы блоков опережения 10 и задержки 15 подключены непосредственно к анализатору формы корреляционной функции 16, а выход - ко вторым входам корреляторов 7 и блоков выборки и запоминания 8. Устройство работает следующим образом. При отсутствии сосредоточенных помех корреляционная функция не искажена, и дискриминационная характеристика как и прежде вырабатывается путем вычитания двух корреляционных функций, сдвинутых на + и - соответственно, что является оптимальным. При смещении копии и сигнала по времени на выходе вычитающего устройства 14 появляется положительное (отрицательное) напряжение, которое воздействует через фильтр ФАПЧ 13 и ГУН 12 на генераторе сигнала 11 таким образом, что смещение компенсируется (стремится к нулю).

При наличии сосредоточенных помех происходит выключение части спектра элемента подавления помех 3, как это было описано выше.

При этом корреляционная функция растягивается по времени. Анализатор формы корреляционной функции вырабатывает команду на управление блоками опережения 10 и задержки 15 таким образом, что сдвиг копий относительно друг друга всегда поддерживается оптимальным, т.е. имеет место рассмотренный на фиг.1г) случай.

Значит, при отключении значительной части спектра, копии сигнала всегда формируются в результате анализа формы корреляционной функции сдвинутыми друг относительно друга на оптимальную величину.

Тем самым исключается значительное снижение уровня выходного напряжения и, следовательно, обеспечивается увеличение помехозащищенности.

Формула изобретения

Устройство для выделения шумоподобного сигнала, содержащее набор узкополосных фильтров промежуточной частоты, выход каждого из которых через соответствующий режектор помехи подключен к сумматору, выход которого связан с оптимальным фильтром, содержащим смеситель, вход которого подключен к упомянутому сумматору, а выход - параллельно через две идентичные цепи, состоящие из последовательно включенных коррелятора, блока выборки и запоминания сигналов и квадратора, подключен к входам блока вычитания, выход которого через цепь фазовой автоподстройки частоты связан с генератором, выход которого через управляемую схему задержки соединен с входами коррелятора и блока выборки и запоминания в каждой из упомянутых цепей, отличающееся тем, что, с целью повышения помехоустойчивости устройства, в него введен измеритель интервала корреляции сигнала, входы которого подключены к выходам режекторов помехи, а выход - к управляющим входам схем задержки.

РИСУНКИ