УСТРОЙСТВО ПРИЕМА СИГНАЛА ИЗВЕСТНОГО ТОЧНО ПРИ МАЛЫХ ОТНОШЕНИЯХ СИГНАЛ/ШУМ

Техническое решение относится к области радиоприема, а именно к обнаружению радиоимпульса известного точно на фоне собственных шумов приемного устройства.
Известно, устройство приема сигнала на фоне «белых» шумов (Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости. - М. Госэнергоиздат, 1956 г. [1]). Устройство состоит из оптимального линейного фильтра согласованного с параметрами сигнала известного точно и порогового устройства.
При обнаружение сигнала известного точно на фоне «белых» шумов решающее устройство принимает решение о наличие сигнала в случае, когда уровень сигнала на выходе оптимального линейного фильтра превышает некоторый пороговый уровень, который выбирается по одному из критериев оптимальности, в зависимости от типа и назначения приемного устройства. (Чистяков Н.И., Сидоров М.В., Мельников B.C. Радиоприемные устройства. - М.: Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио. 1959. - 895 с. [2]).
Известны также способы уменьшения вероятности ложной тревоги, которые основаны на отключении решающего устройства в момент когда наличие сигнала маловероятно. Указанные способы находят широкое применение в радиолокации, так как время прихода отраженного импульса известно.
Однако во многих других случаях при приеме сигнала известного точно сложно принять решение о том, что появление полезного сигнала в заданном временном интервале возможно или маловероятно.
Наиболее близким техническим решением принятым в качестве прототипа является (Michatl Harlan G. Detected noise actuated, age noisequieting action dependent, and total noise level adaptive rf receiver squelch system. № US 3188571, 1965-06-08).
Устройство снижения уровня шумов, содержит усилитель радиочастоты, вход которого является входом устройства, последовательно соединенные преобразователь частоты, усилитель промежуточной частоты, детектор сигнала, электронный ключ, усилитель звуковой частоты и громкоговоритель, который является выходом устройства, а также гетеродин, выход которого соединен со вторым входом преобразователя частоты, а также систему автоматической регулировки усиления, вход которой соединен с выходом детектора сигнала, выход которой подключен к управляющим входам усилителя радиочастоты и усилителя промежуточной частоты, а также последовательно соединенные фильтр, вход которого соединен с выходом детектора сигнала, усилитель шумов, детектор шумов и компаратор выход которого соединен с управляющим входом электронного ключа.
Основным недостатком указанного устройства, взятого в качестве прототипа, является то, что решение о наличии или отсутствие сигнала принимается по амплитуде шумового напряжения. Если на выходе детектора амплитуда сигнала оказывается ниже некоторого уровня, то потребитель информации отключается. Тем самым устройство препятствует прохождению шумов к потребителю информации. Однако в случае, когда отношение сигнал/шум мало 0<С/Ш<3, указанное устройство будет препятствовать обнаружению сигнала.
Решаемой технической задачей, предложенного устройства приема сигнала известного точно при малых отношениях сигнал/шум является
уменьшение вероятности ложной тревоги при приеме полезного сигнала известного точно при малых отношениях сигнал/шум (0<С/Ш<3).
Решаемая техническая задача в устройстве приема сигнала известного точно при малых отношениях сигнал/шум, содержащем оптимальный линейный фильтр соединенный с решающим устройством через электронный ключ, причем вход оптимального линейного фильтра является входом устройства, а выход решающего устройства является выходом устройства, достигается тем, что оптимальный линейный фильтр соединен с управляющим входом электронного ключа через соединенные последовательно амплитудно-фазовый преобразователь, узкополосный линейный фильтр, детектор и компаратор, второй вход которого является входом для подачи опорного напряжения.
При гетеродинном приеме сигнал после преобразователя подается на усилитель промежуточной частоты, являющийся, как правило, узкополосным. Амплитудно-частотная характеристика усилителя промежуточной частоты при приеме радиоимпульса близка к прямоугольной. Это обстоятельство будет в дальнейшем учитываться при рассмотрении спектров сигналов.
Поскольку для большинства радиоприемных систем выполняется условие
пр
где ΔF - полоса пропускания усилителя промежуточной полосы, F - промежуточная частота приемного устройства. То согласно работе (В.И.Тихонов. Статистическая радиотехника. "Советское радио". М. 1966 г. [3]), собственные шумы приемного устройства могут быть представлены в виде
0
где A(t) и φ(t) - медленно изменяющиеся функции по сравнению с cosωt, представляющие огибающую и случайную фазу узкополосных флуктуаций. Представим огибающую A(t) в виде разложения в ряд Фурье:
так как A(t) - нормальный случайный процесс с нулевым средним значением, то нулевой член разложения отсутствует. С учетом этого узкополосный процесс может быть представлен как
Из формулы (4) следует, что узкополосный шум по своей структуре является сигналом биений.
c
0
Рассмотрим структуру выходного процесса при гетеродинном приеме, представляющего собой смесь полезного сигнала и собственных шумов приемника. Для определенности будем считать, что полезный сигнал представляет собой гармонический сигнал с постоянной амплитудой U и угловой частотой равной ω.
Указанный выходной процесс, с учетом выражения (3), можно представить в следующем виде
Из выражения следует (5), что структура аддитивной смеси сигнала и шума зависит от уровня гармонического сигнала. При больших значениях амплитуды гармонического сигнала С/Ш>3 структура смеси сигнала и шума подобна структуре амплитудно-модулированного сигнала, а при малых уровнях гармонического сигнала 0<С/Ш<3, структура смеси
близка к структуре амплитудно-модулированного колебания с частично подавленной несущей.
Таким образом, структура узкополосных шумов и смеси сигнала и шума существенно отличаются, причем информация о наличие и отсутствие сигнала имеется не только в амплитудном спектре, но и структуре узкополосного процесса.
Отличия в структурах процессов приводит к изменению спектра огибающей при прохождении последнего через нелинейные цепи.
Для решения вопроса о возможности использования найденных структурных отличий для повышения помехоустойчивости приемных устройств нами были рассмотрены различия между сигналом со структурой сигнала биений (Фиг.1) и амплитудно-модулированным сигналом со 100% модуляцией (Фиг.2) при одной и той же огибающей.
На Фиг.1 и Фиг.2 представлены временные диаграммы сигналов со структурой биений (Фиг.1) и структурой амплитудно-модулированного сигнала (Фиг.2) с одной и той же огибающей.
На Фиг.3 изображен спектр узкополосного шума на выходе линейного фильтра с П-образной амплитудно-частотной характеристикой.
На Фиг.4 изображен спектр узкополосных шумов на выходе амплитудно-фазового преобразователя.
На Фиг.5 изображена структурная схема устройства для приема сигнала известного точно при малых отношениях сигнал/шум.
На Фиг.6 изображен спектр узкополосных шумов на выходе узкополосного линейного фильтра 6.
На Фиг.7 изображен спектр узкополосных шумов на выходе амплитудно-фазового преобразователя при наличие полезного сигнала известного точно.
На Фиг.1-2 представлены временные диаграммы сигналов со структурой биений (Фиг.1) и структурой амплитудно-модулированного сигнала (Фиг.2) с одной и той же огибающей. Как видно из (Фиг.1) сигнал биений отличается
от сигнала со структурой AM колебания (Фиг.2) только тем, что в сигнале биений при достижении огибающей нулевого уровня фаза высокочастотной составляющей изменяется на π.
Если в сигнале биений изменять фазу высокочастотной составляющей на π при достижении огибающей нулевого уровня, то преобразованный сигнал будет иметь структуру AM-колебания с несущей. При одной и той же огибающей спектр AM-колебания в два раза шире спектра сигнала биений так как имеет две симметричные боковые полосы (Фиг.4).
Следовательно, отличие в структуре сигналов приводят к отличиям по ширине спектра огибающей на выходе нелинейного преобразователя.
Различия в форме спектров на выходе амплитудно-частотного преобразователя при наличии или отсутствии полезного сигнала могут быть использованы для управления работой электронного ключа позволяющего отключать решающее устройство в том случае если структура входной смеси соответствует сигналу биений, т.е. вероятность наличия сигнала невелика.
Структурная схема устройства приведена на фиг.5. Устройство состоит из оптимального линейного фильтра 1, электронного ключа 2, решающего устройства 3 и устройства управления работой электронного ключа 4, состоящего из амплитудно-фазового преобразователя 5, узкополосного линейного фильтра 6, детектора 7 и компаратора 8. Вышеуказанные блоки обеспечены электропитанием.
Работает устройство следующим образом. В случае отсутствия на входе приемного устройства полезного сигнала на выходе оптимального линейного фильтра 1 присутствуют только узкополосные шумы, которые как было показано выше имеют структуру сигнала биений. Амплитудно-фазовый преобразователь 5 при каждом достижении огибающей узкополосного шума
нулевого уровня переключает фазу высокочастотной составляющей на π, тем самым изменяя структуру узкополосного шума.
При этом форма спектра на выходе амплитудно-фазового преобразователя имеет треугольную форму с шириной спектра в два раза превышающую полосу пропускания оптимального линейного фильтра (Фиг.4).
on
Узкополосный линейный фильтр 6 выделяет составляющие спектра лежащие вне полосы пропускания оптимального линейного фильтра 1 (Фиг.6). Выделенные составляющие детектируются амплитудным детектором 7 и подаются на компаратор 8 который сравнивает полученное напряжение с опорным U. В случае когда уровень напряжения от внеполосных составляющих превышает опорное напряжение, компаратор 8 вырабатывает управляющий сигнал и посредством электронного ключа 2 отключает решающее устройство 3 от оптимального линейного фильтра 1, т.к. появление полезного сигнала маловероятно. Тем самым исключается ошибка принятия ложного решения о наличии полезного сигнала.
При наличие на входе приемного устройства полезного сигнала со структурой AM-колебания, на выходе оптимального фильтра будет присутствовать аддитивная смесь полезного сигнала и узкополосного шума. В этом случае структура смеси полезного сигнала и узкополосного шума имеет структуру AM-колебания с частично подавленной несущей (При 0<С/Ш<3) или AM-сигнала с несущей (При С/Ш>3). При этом огибающая смеси не доходит до нулевого уровня и переключения фазы на π не происходит. Таким образом, узкополосный процесс с выхода оптимального линейного фильтра 1 проходит через амплитудно-частотный преобразователь 5 без изменения спектра и энергии полезного сигнала Фиг.7.
При этом уровень внеполосных составляющих спектра на выходе узкополосного линейного фильтра 6 близок к нулю. В этом случае компаратор 8 посредством электронного ключа 2 подключает выход оптимального линейного фильтра 1 к решающему устройству 3.
Поскольку обнаружение сигнала не ведется в те временные промежутки, когда структура спектра на выходе оптимального линейного фильтра позволяет сделать вывод об отсутствие полезного сигнала, то можно сделать вывод о том, что предлагаемый приемник с будет обладать более высокой помехоустойчивостью, чем линейный оптимальный приемник.
В качестве оптимального линейного фильтра 1 может быть использован высокочастотный тракт приемного устройства согласованный с параметрами принимаемого сигнала.
Структурная схема и алгоритм работы амплитудно-фазового преобразователя приведены в приложении к заявке.
Таким образом, применяемый способ позволяет значительно улучшить чувствительность приемного устройства и уменьшить вероятность ложной тревоги при минимальных расходах и незначительной модификации радиоприемного устройства.
Амплитудно-фазовый преобразователь преобразует структуру узкополосных шумов из структуры сигнала биений в структуру амплитудно-модулированного сигнала путем изменения фазы высокочастотной составляющей на π при каждом достижении огибающей узкополосных шумов нулевого значения.
Структурная схема амплитудно-фазового преобразователя на рис.1.
Амплитудно-фазовый преобразователь состоит из парафазного каскада, который формирует на своих выходах противофазные напряжения одинаковой амплитуды которые подаются на выход через первый и второй электронные ключи. Электронные ключи работают в противофазе. Т.е. когда включен второй электронный ключ первый электронный ключ выключен. При этом напряжение на выходе преобразователя находится в фазе со входным напряжением. Если состояние электронных ключей изменится, то разность фаз между входным и выходным напряжением амплитудно-фазового преобразователя составит 180°.
Для управления работой электронных ключей служит цепь управления в состав которой входят амплитудный детектор, компаратор и триггер.
Амплитудный детектор выделяет огибающую узкополосных шумов и подает полученное напряжение на один из входов компаратора. Компаратор сравнивает напряжение с выхода амплитудного детектора с опорным напряжением поданным на второй вход. Напряжение подаваемое на второй вход устанавливается вблизи нулевого уровня, а значение подбирается таким образом, чтобы на выходе компаратора появлялся положительный импульс при каждом достижении огибающей узкополосного шума нулевого уровня.
Положительный перепад напряжения на выходе компаратора используется для управления работой триггера, выходы которого соединены с электронными ключами.
Таким образом при каждом достижении огибающей узкополосных шумов нулевого уровня в цепи управления формируется управляющий сигнал, который изменяет состояние триггера и тем самым изменяет фазу высокочастотной составляющей выходного процесса на π.
Если на вход амплитудно-фазового преобразователя подается смесь полезного сигнала и шума, то структура входного процесса будет соответствовать структуре амплитудно-модулированного сигнала с несущей, с коэффициентом модуляции менее 100%. При этом огибающая узкополосного процесса не достигает нулевого уровня и переключения фазы не происходит. В этом случае амплитудно-фазовый преобразователь работает как линейный элемент и изменение ширины спектра не происходит.
Парафазный каскад может быть выполнен по любой из подходящих схем на полевом, биполярном транзисторе или операционном усилителе. (Например: Схема 1.29, Лэнк Дж. Электронные схемы: Практическое руководство. Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 343 с., ил.). Амплитудный детектор выполнен по схеме диодного детектора (Например: Схема 2.15, Лэнк Дж. Электронные схемы: Практическое руководство. Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 343 с., ил.). Компаратор, триггер и электронные ключи выполняются на стандартных микросхемах бытового применения (Например; К521СА3, К561КП1, К561ТМ2).