УСТРОЙСТВО АДАПТИВНОЙ КОМПЕНСАЦИИ ТЕЛЕВИЗИОННЫХ ПОМЕХ

Созданное устройство относится к радиолокации и может быть использовано для подавления активных помех в радиолокационных и радионавигационных системах.
В настоящее время практически исчерпаны возможности по использованию метрового диапазона волн для развития средств телевизионного вещания. В связи с потребностью расширения возможностей телевизионного вещания в дециметровом диапазоне волн остро стоит проблема обеспечения электромагнитной совместимости средств телевизионного вещания с наземными и бортовыми радиоэлектронными средствами Министерства обороны и Министерства транспорта Российской Федерации.
В системах вторичной радиолокации, работающих в режиме управления воздушным движением, в ответ на запрос наземных вторичных радиолокаторов бортовые ответчики излучают ответные сигналы на частоте 740 МГц, которые принимаются, декодируются и обрабатываются. Полученная полетная информация передается в систему управления воздушным движением. Телевизионное вещание на частотах, близких к частоте 740 МГц (51…57 телевизионные каналы), нарушает работу устройств приема и обработки, входящих в состав вторичных радиолокаторов. Поэтому необходимо принять эффективные технические меры для повышения защищенности приемных трактов вторичных радиолокаторов, настроенных на частоту 740 МГц и имеющих полосу пропускания ~8 МГц.
Известны устройства [1] и [2] для защиты от активных помех, к которым относятся помехи от средств телевизионного вещания.
0
1
0
1
Адаптивный компенсатор активных помех (фиг.1 [1]) имеет два входа, на которые поступают напряжения с комплексными амплитудами U(t) и U(t) соответственно основного и дополнительного приемных каналов. Адаптивный компенсатор активных помех содержит сумматор, умножитель и устройство вычисления оценки корреляционного момента, причем, напряжение U(t) поступает на первый вход сумматора, напряжение U(t) поступает на первый вход умножителя и на первый вход устройства вычисления оценки корреляционного момента, выход умножителя соединен со вторым входом сумматора, выход сумматора соединен со вторым входом устройства вычисления оценки корреляционного момента, выход устройства вычисления оценки корреляционного момента соединен со вторым входом умножителя.
На сумматоре образуется напряжение
Σ
0
1
U(t)=U(t)-KU(t),
0
1
где U(t) и U(t) - напряжения на входах соответственно основного и дополнительного приемных каналов; - К - управляющий множитель на выходе устройства вычисления оценки корреляционного момента.
Адаптивный компенсатор активных помех (фиг.2 [2]) содержит основной приемный канал, дополнительный приемный канал, умножитель, устройство вычисления оценки корреляционного момента и схему вычитания, причем выход основного приемного канала соединен с первым входом схемы вычитания, выход дополнительного приемного канала соединен с первым входом умножителя и первым входом устройства вычисления оценки корреляционного момента, выход умножителя соединен со вторым входом схемы вычитания, выход схемы вычитания соединен со вторым входом устройства вычисления оценки корреляционного момента, выход устройства вычисления оценки корреляционного момента соединен со вторым входом умножителя.
На схеме вычитания образуется напряжение
B
0
ДОП
U(t)=U(t)-U(t),
0
ДОП
где U(t) и U(t) - напряжения на входах схемы вычитания.
ДОП
ДОП
ДОП
С выхода устройства вычисления оценки корреляционного момента поступает управляющий множитель k. U формируется путем умножения напряжения с выхода дополнительного приемного канала на k.
В основе принципа работы устройств [1] и [2] лежит процесс вычитания активной помехи, принимаемой по дополнительному приемному каналу из аддитивной смеси полезного сигнала и активной помехи основного приемного канала. Для компенсации активной помехи необходимо обеспечить весьма точное соответствие напряжений активной помехи в основном и дополнительном приемных каналах. Это требование в устройствах [1] и [2] выполняется за счет введения устройств вычисления оценки корреляционного момента.
Недостатком аналогов предлагаемого устройства является отсутствие возможности компенсировать активные помехи в условиях их многопутевого распространения, обусловленного отражением радиоволн активных помех от местных предметов.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство (фиг.3 [3]) для компенсации активных помех, вызванных телевизионными сигналами (телевизионных помех), в приемном тракте вторичного радиолокатора (прототип).
Данное устройство содержит основной приемный тракт, состоящий из последовательно соединенных антенны вторичного радиолокатора 1 и приемника вторичного радиолокатора 2 и компенсационный приемный тракт, состоящий из последовательно соединенных компенсационной антенны 4 и приемника телевизионного сигнала 5, устройство компенсации 3, умножитель 6 и устройство адаптации 7, причем выход приемника вторичного радиолокатора 2 соединен с первым входом устройства компенсации 3, выход приемника телевизионного сигнала 5 соединен с первым входом умножителя 6, второй вход устройства компенсации 3 соединен с выходом умножителя 6, второй вход умножителя 6 соединен с выходом устройства адаптации 7, выход устройства компенсации 3 соединен с входом устройства адаптации 7.
В основе принципа работы прототипа предлагаемого устройства лежит процесс вычитания составляющих телевизионной помехи из наблюдаемой ее аддитивной смеси с полезным сигналом путем использования взвешенного эталона телевизионной помехи, полученного по компенсационному приемному тракту, антенна которого постоянно направлена на источник телевизионной помехи. Процесс адаптации при этом состоит в подстройке комплексного весового коэффициента  для каждого азимутального направления φ оси диаграммы направленности антенны вторичного радиолокатора 1, который определяется каналами распространения телевизионной помехи в основном и компенсационном приемных трактах (фиг.3).
Антенна вторичного радиолокатора 1 непрерывно вращается в азимутальной плоскости и, в процессе обзора воздушного пространства, излучает запросные импульсы и принимает на частоте 740±1,8 МГц ответные сигналы от бортовых самолетных ответчиков, работающих в режиме управления воздушным движением.
Комплексная огибающая аддитивной смеси полезного сигнала и телевизионной помехи на выходе приемника вторичного радиолокатора 2
где  и  - комплексные огибающие соответственно полезного сигнала и телевизионной помехи на выходе приемника вторичного радиолокатора 2.
Аналогично, комплексная огибающая аддитивной смеси полезного сигнала и телевизионной помехи на выходе приемника телевизионного сигнала 5
где  и  - комплексные огибающие соответственно телевизионной помехи и полезного сигнала на выходе приемника телевизионного сигнала 5.
Процедура компенсации телевизионной помехи, в аддитивной смеси с полезным сигналом, определяется уравнением
где  - комплексная огибающая аддитивной смеси полезного сигнала и не скомпенсированных остатков телевизионной помехи на выходе устройства компенсации 3;  и  - комплексные огибающие аддитивной смеси полезного сигнала и телевизионной помехи на выходе соответственно приемника вторичного радиолокатора 2 и приемника телевизионного сигнала 5;  - комплексный весовой коэффициент; φ - азимутальное направление оси диаграммы направленности антенны вторичного радиолокатора 1;
- комплексная огибающая полезного сигнала после компенсации телевизионной помехи;  и  - комплексные огибающие полезного сигнала на выходе соответственно приемника вторичного радиолокатора 2 и приемника телевизионного сигнала 5;
- комплексная огибающая остатков телевизионной помехи после компенсации;  и  - комплексные огибающие телевизионной помехи на выходе соответственно приемника вторичного радиолокатора 2 и приемника телевизионного сигнала 5.
Значение комплексного весового коэффициента  вычисляется в устройстве адаптации 7 таким образом, чтобы минимизировать среднее значение мощности телевизионной помехи на выходе устройства компенсации 3 . Минимум величины  достигается при
Поскольку при любом направлении φ антенны вторичного радиолокатора 1 величиной сигнальной составляющей  можно пренебречь (в силу низкой средней мощности бортового ответчика по сравнению со средней мощностью телевизионной помехи), алгоритм выработки комплексного весового коэффициента  можно сформулировать в виде
То есть, при реализации алгоритма адаптации, значения  рассчитываются, исходя из задачи минимизации аддитивной смеси полезного сигнала и телевизионной помехи на выходе устройства компенсации 3.
Недостатком прототипа предлагаемого устройства является отсутствие возможности компенсировать телевизионные помехи в условиях их многопутевого распространения, обусловленного отражением радиоволн телевизионных помех от местных предметов.
Цель создания предлагаемого устройства - обеспечение компенсации телевизионных помех в приемном тракте вторичного радиолокатора, в условиях их многопутевого распространения.
Поставленная цель достигается введением в основной и компенсационный приемные тракты прототипа аналого-цифровых преобразователей 8, 12 и блоков быстрого преобразования Фурье 9, 13, введением блока обратного быстрого преобразования Фурье 10 и цифро-аналогового преобразователя 11.
Предлагаемое устройство адаптивной компенсации телевизионных помех (фиг.4) содержит основной приемный тракт, состоящий из последовательно соединенных антенны вторичного радиолокатора 1 и приемника вторичного радиолокатора 2 и компенсационный приемный тракт, состоящий из последовательно соединенных компенсационной антенны 4 и приемника телевизионного сигнала 5, последовательно соединенные устройство компенсации 3, умножитель 6 и устройство адаптации 7 отличается тем, что в основной приемный тракт введен аналого-цифровой преобразователь 8, вход которого соединен с выходом приемника вторичного радиолокатора 2, выход аналого-цифрового преобразователя 8 соединен с входом блока быстрого преобразования Фурье 9, выход которого соединен с первым входом устройства компенсации 3 и первым входом устройства адаптации 7, выход устройства компенсации 3 через блок обратного быстрого преобразования Фурье 10 соединен с цифро-аналоговым преобразователем 11, в компенсационный приемный тракт введен аналого-цифровой преобразователь 12, вход которого соединен с выходом приемника телевизионного сигнала 5, выход аналого-цифрового преобразователя 12 соединен с входом блока быстрого преобразования Фурье 13, выход блока быстрого преобразования Фурье 13 соединен с первым входом умножителя 6 и вторым входом устройства адаптации 7.
На фиг.1 и фиг.2 представлены адаптивные компенсаторы активных помех.
На фиг.3 представлено устройство компенсации телевизионных помех в приемном тракте вторичного радиолокатора.
На фиг.4 представлено устройство адаптивной компенсации телевизионных помех.
На фиг.5 представлена иллюстрация разбиения данных на группы в основном приемном тракте устройства адаптивной компенсации телевизионных помех (в компенсационном приемном тракте разбиение происходит аналогичным образом).
Принцип работы предлагаемого устройства адаптивной компенсации телевизионных помех заключается в следующем.
Аддитивная смесь полезного сигнала и телевизионной помехи, принимаемая антенной вторичного радиолокатора 1, через приемник вторичного радиолокатора 2 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 8. Аналогично, аддитивная смесь полезного сигнала и телевизионной помехи, принимаемая компенсационной антенной 4, через приемник телевизионного сигнала 5 поступает на вход аналого-цифрового преобразователя 12.
На входы блоков быстрого преобразования Фурье 9, 13 поступают  и  - оцифрованные комплексные огибающие аддитивной смеси полезного сигнала и телевизионной помехи, образующиеся на выходах аналого-цифровых преобразователей соответственно 8 и 12.
БПФ
В блоках быстрого преобразования Фурье 9, 13 осуществляется перевод сигналов  и  в спектральную область. В результате, указанные сигналы разбиваются на группы из N спектральных составляющих (фиг.5)
БПФ
k=1…N,
БПФ
где k - номер спектральной составляющей; N - порядок быстрого преобразования Фурье.
АЦП
АЦП
При этом спектральные составляющие располагаются равномерно в полосе частот 0…1/Т, где Т - период дискретизации сигналов в аналого-цифровых преобразователях 8, 12.
Процедура компенсации телевизионной помехи выполняется в спектральной области согласно уравнению:
БПФ
где k - номер спектральной составляющей;  - k-ая спектральная составляющая аддитивной смеси полезного сигнала и не скомпенсированных остатков телевизионной помехи на выходе устройства компенсации 3;  и  - k-ые спектральные составляющие аддитивной смеси полезного сигнала и телевизионной помехи на выходах блоков быстрого преобразования Фурье соответственно 9 и 13;  - комплексный весовой коэффициент для k-ых спектральных составляющих; φ - азимутальное направление оси диаграммы направленности антенны вторичного радиолокатора 1;  и  - k-ые спектральные составляющие соответственно полезного сигнала и телевизионной помехи на выходе блока быстрого преобразования Фурье 9;  и  - k-ые спектральные составляющие соответственно полезного сигнала и телевизионной помехи на выходе блока быстрого преобразования Фурье 13;  - k-ая спектральная составляющая полезного сигнала после компенсации телевизионной помехи;  - k-ая спектральная составляющая остатков телевизионной помехи после компенсации; N - порядок быстрого преобразования Фурье.
БПФ
В устройстве адаптации 7 для l-ых групп данных, поступивших с блоков быстрого преобразования Фурье 9, 13, вычисляются N комплексных весовых коэффициентов
БПФ
соответствующих каждой из N спектральных составляющих,
БПФ
где k - номер спектральной составляющей; l - номер группы данных; φ - азимутальное направление оси диаграммы направленности антенны вторичного радиолокатора 1;  и  - k-ые спектральные составляющие аддитивной смеси полезного сигнала и телевизионной помехи на выходах блоков быстрого преобразования Фурье соответственно 9 и 13, в l-ой группе данных; N - порядок быстрого преобразования Фурье.
БПФ
N комплексных весовых коэффициентов  вычисляются в устройстве адаптации 7 путем усреднения  по группам
l=1…L,
где k - номер спектральной составляющей; l - номер группы данных;  - комплексные весовые коэффициенты для l-ых групп данных; φ - азимутальное направление оси диаграммы направленности антенны вторичного радиолокатора 1;  и  - k-ые спектральные составляющие аддитивной смеси полезного сигнала и телевизионной помехи на выходах блоков быстрого преобразования Фурье соответственно 9 и 13, в l-ой группе данных; L - количество групп при усреднении.
Усреднение осуществляется для уменьшения влияния полезного сигнала и шумов приемников на результаты вычисления.
Комплексные весовые коэффициенты  поступают с выхода устройства адаптации 7 на умножитель 6, который осуществляет умножение спектральных составляющих телевизионной помехи на указанные коэффициенты.
С выхода умножителя 6 полученный компенсационный сигнал поступает на устройство компенсации 3, в котором в спектральной области осуществляется вычитание сформированного образца телевизионной помехи  из аддитивной смеси полезного сигнала и телевизионной помехи.
С выхода устройства компенсации 3 спектральные составляющие аддитивной смеси полезного сигнала и не скомпенсированных остатков телевизионной помехи поступают на блок обратного быстрого преобразования Фурье 10, где они переводятся во временную область. В результате, на выходе блока обратного быстрого преобразования Фурье 10 образуется  - аддитивная смесь полезного сигнала и не скомпенсированных остатков телевизионной помехи.
С выхода блока обратного быстрого преобразования Фурье 10 аддитивная смесь полезного сигнала и не скомпенсированных остатков телевизионной помехи поступает на цифро-аналоговый преобразователь 11, который осуществляет преобразование цифровых отсчетов в аналоговый сигнал, пригодный для дальнейшей обработки в аппаратуре систем управления воздушным движением.
БПФ
Порядок быстрого преобразования Фурье N выбирают, исходя из следующих соображений.
В результате выполнения операции быстрого преобразования Фурье имеет место искажение спектра сигналов (так называемое растекание спектра), которое проявляется тем сильнее, чем меньше порядок быстрого преобразования Фурье.
В то же время, при вращении антенны вторичного радиолокатора 1 комплексные весовые коэффициенты , должны успевать отслеживать изменение угла φ. При повышении порядка быстрого преобразования Фурье пропорционально увеличивается и период обновления комплексных весовых коэффициентов . Следовательно, порядок быстрого преобразования Фурье ограничен сверху, в силу вращения антенны вторичного радиолокатора 1.
Кроме того, с увеличением порядка быстрого преобразования Фурье повышаются требования к объему вычислительных ресурсов и (или) быстродействию устройств цифровой обработки, на которых выполняется операция быстрого преобразования Фурье.
Следовательно, порядок быстрого преобразования Фурье выбирают, исходя из учета:
- влияния искажения спектра сигналов при выполнении операции быстрого преобразования Фурье;
- влияния вращения антенны вторичного радиолокатора 1;
- объема вычислительных ресурсов и (или) быстродействия устройств цифровой обработки.
Поскольку при любом направлении φ антенны вторичного радиолокатора 1 величиной сигнальной составляющей  можно пренебречь (в силу низкой средней мощности бортового ответчика вторичного радиолокатора по сравнению со средней мощностью телевизионной помехи), алгоритм выработки комплексных весовых коэффициентов  можно сформулировать в виде
где k - номер спектральной составляющей; l - номер группы данных;  - комплексные весовые коэффициенты для l-ых групп данных; φ - азимутальное направление оси диаграммы направленности антенны вторичного радиолокатора 1;  и  - k-ые спектральные составляющие телевизионной помехи на выходах блоков быстрого преобразования Фурье соответственно 9 и 13, в l-ой группе данных; L - количество групп при усреднении.
В идеальном случае, при отсутствии шумов приемников и неподвижной антенне вторичного радиолокатора 1, комплексные весовые коэффициенты для каждой спектральной составляющей постоянны, и для любых l=1…L, j=1…J справедливо
где k - номер спектральной составляющей; l - номер группы данных;  - комплексные весовые коэффициенты для k-ых спектральных составляющих; φ - азимутальное направление оси диаграммы направленности антенны вторичного радиолокатора 1; ,  - комплексные весовые коэффициенты, соответственно для l-ой и j-ой групп данных;  и  - k-ые спектральные составляющие телевизионной помехи на выходах блоков быстрого преобразования Фурье соответственно 9 и 13, в l-ой группе данных;  и  - k-ые спектральные составляющие телевизионной помехи на выходах блоков быстрого преобразования Фурье соответственно 9 и 13, в j-ой группе данных; L=J - количество групп при усреднении.
БПФ
Тогда для любых l=1…L, j=1…J, k=1…N:
БПФ
где k - номер спектральной составляющей; l - номер группы данных;  - k-ая спектральная составляющая остатков телевизионной помехи после компенсации, в l-ой группе данных;  и  - k-ые спектральные составляющие телевизионной помехи на выходах блоков быстрого преобразования Фурье соответственно 9 и 13, в l-ой группе данных;  - комплексные весовые коэффициенты для k-ых спектральных составляющих; φ - азимутальное направление оси диаграммы направленности антенны вторичного радиолокатора 1;  и  - k-ые спектральные составляющие телевизионной помехи на выходах блоков быстрого преобразования Фурье соответственно 9 и 13, в j-ой группе данных; L=J - количество групп при усреднении; N - порядок быстрого преобразования Фурье.
Т.е. имеет место полная компенсация телевизионной помехи. Однако в присутствии шумов приемников  вычисляются путем усреднения  по l.
Выражение (1) представляет собой усредненное отношение коэффициентов передачи каналов распространения телевизионной помехи от ее источника до выходов блоков быстрого преобразования Фурье соответственно 9 и 13 (в спектральной области). Следовательно, величины комплексных весовых коэффициентов  определяются свойствами приемных трактов.
Время усреднения в (1) выбирается таким, чтобы при вращении антенны вторичного радиолокатора 1 отношение коэффициентов передачи каналов распространения телевизионной помехи за время усреднения не успевало существенно измениться. Тогда величины комплексных весовых коэффициентов  можно принять неизменными за время усреднения.
В условиях многопутевого распространения телевизионной помехи с выхода приемника вторичного радиолокатора 2, кроме телевизионной помехи , поступает ряд ее переотражений
i
где  - комплексная огибающая телевизионной помехи на выходе приемника вторичного радиолокатора 2;  и τ - соответственно коэффициент ослабления и задержка i-гo переотражения в основном приемном тракте; N - количество учитываемых переотражений.
после выполнения преобразования Фурье:
i
где F - оператор преобразования Фурье;  - комплексная огибающая суммы телевизионной помехи и ее переотражений на выходе приемника вторичного радиолокатора 2;  - комплексная огибающая телевизионной помехи на выходе приемника вторичного радиолокатора 2;  и τ - соответственно коэффициент ослабления и задержка i-го переотражения в основном приемном тракте; N - количество учитываемых переотражений; j - мнимая единица, f - частота.
Полагаем, что телевизионная помеха, поступающая с выхода приемника телевизионного сигнала 5,  не имеет переотражений, т.к.:
- компенсационная антенна 4 может быть установлена в удобном месте, в зоне прямой видимости - по азимуту, углу места и высоте;
- практика телевизионного приема показывает, что телевизионная помеха принимается без переотражений даже для обычных телевизионных антенн при наличии прямой видимости;
- компенсационная антенна 4 может быть точно нацелена на источник телевизионной помехи.
Усредненное аналогично выражению (1) отношение спектров комплексных огибающих телевизионных помех с выходов приемников вторичного радиолокатора 2 и телевизионного сигнала 5
i
где F - оператор преобразования Фурье;  - комплексная огибающая суммы телевизионной помехи и ее переотражений на выходе приемника вторичного радиолокатора 2;  и  - комплексные огибающие телевизионной помехи на выходах соответственно приемника вторичного радиолокатора 2 и приемника телевизионного сигнала 5;  и τ - соответственно коэффициент ослабления и задержка i-го переотражения в основном приемном тракте; N - количество учитываемых переотражений; j - мнимая единица, f - частота; φ - азимутальное направление оси диаграммы направленности антенны вторичного радиолокатора 1.
Здесь  представляет собой отношение коэффициентов передачи каналов распространения телевизионной помехи от ее источника до выходов приемников вторичного радиолокатора 2 и телевизионного сигнала 5.
Величины коэффициентов  определяются свойствами приемных трактов. Величины коэффициентов  определяются условиями распространения телевизионных сигналов. Множитель  в (2) служит для учета многопутевого распространения телевизионной помехи (коэффициента ослабления и задержки i-го переотражения телевизионной помехи) при выполнении компенсации.
Аналогично, при использовании дискретных преобразований Фурье в (1), можно сделать вывод, что величины комплексных весовых коэффициентов  определяются свойствами приемных трактов и условиями распространения телевизионных сигналов, которые можно принять неизменными за время усреднения. Следовательно, при усреднении в (1), выполняемом для уменьшения влияния шумов приемников на результаты вычисления, сохраняется возможность компенсации телевизионных помех в условиях их многопутевого распространения.
Из вышесказанного следует, что предлагаемое устройство, за счет введения в основной и компенсационный приемные тракты аналого-цифровых преобразователей 8, 12 и блоков быстрого преобразования Фурье 9, 13, введения блока обратного быстрого преобразования Фурье 10 и цифро-аналогового преобразователя 11 и выполнения компенсации в спектральной области, обеспечивает компенсацию телевизионных помех в приемном тракте вторичного радиолокатора, в условиях их многопутевого распространения. Кроме того, эффективность предлагаемого устройства адаптивной компенсации телевизионных помех подтверждена результатами полигонных испытаний, показавшими, что в условиях многопутевого распространения телевизионных помех предлагаемое устройство обеспечивает улучшение отношения сигнал помеха более 30 дБ, что обеспечивает значительное улучшение наблюдаемости сигналов радиоэлектронных средств на фоне помех, принимаемых от средств телевизионного вещания.
Литература
1 Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана Я.Д. - М.: «Советское радио», 1970, с.432-433, рис.7.6.
2 Дулевич В.Е. Теоретические основы радиолокации. - М.: «Советское радио», 1978, - с.458-459, рис.16.5.
3 Николаев С.Ф., Фридман Л.Б., Чепель Е.В., Шильдкрет А.Б. Обеспечение электромагнитной совместимости средств телевещания с наземными и бортовыми средствами вторичной радиолокации // «Вопросы Радиоэлектроники», серия «Радиоэлектронная техника», выпуск 2, 2008, - с.51-61, рис.1.