СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ СВЕРХМАЛЫХ РАДИОСИГНАЛОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR DETECTION OF SUBMINIATURE RADIO SIGNALS AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в радиоприемных устройствах для обнаружения сверхмалых радиосигналов за порогом чувствительности входного контура радиоприемного устройства.
с
Известен способ приема видеоимпульсов, основанный на методе накопления (Н.Н.Буга, А.И.Фалько, Н.И.Чистяков. Радиоприемные устройства. -М.: Изд-во «Радиосвязь», 1986). В этом способе в течение заданного времени Т берется некоторое число отсчетов N смеси z(t)=x(t)+ξ(t), где х - полезный сигнал, ξ - шум, и получают на выходе функцию
c
i
где U - амплитуда видеоимпульсов, ξ(t) - значение функции ξ(t) в моменты фиксации амплитуды i-го импульса, и по достижению порогового уровня полученной суммы судят о принятом видеоимпульсе.
В этой же работе описано устройство, реализующее способ, содержащее блок накопления радиосигналов, где суммируются амплитуды видеоимпульсов, и блок сравнения с пороговым уровнем.
c
Указанный способ и устройство не всегда позволяют решить задачу обнаружения радиосигналов за порогом его чувствительности, если фаза принимаемого сигнала неизвестна, а величина заданного времени T ограничена. Данная совокупность существенных признаков способа и устройства не позволяет определить моменты фиксации амплитуд i-го импульса. Кроме этого, принимаемый радиосигнал не всегда представляет собой последовательность видеоимпульсов.
Известен способ формирования импульсных сигналов и устройство для его осуществления (В.А.Олейников, Л.А.Олейникова. А.с. №1721805, МКИ Н03К 5/01, БИ №11, 1992). Способ заключается в том, что измеряют длительность входного сигнала, формируют интервал задержки и через половину длительности входного сигнала формируют выходной сигнал, суммируют периоды следования входного сигнала, в функции которого изменяют масштабы измерения длительности входных сигналов, выработки интервала задержки и половины длительности входного сигнала.
Известно устройство для приема сигналов с относительной фазовой модуляцией (В.В.Зубарев, Б.П.Новиков. А.с. №1714817, МКИ H04L 27/22, 1992 г.). Устройство содержит усилитель-ограничитель, вход которого является входом устройства, а выход соединяется с первым входом корректора, первый и второй выходы которого соединены соответственно с первым и вторым входом интегратора, третий вход которого, второй вход корректора и первый вход блока автоподстройки частоты соединены с выходом генератора. В устройство введен блок оценки фазового сдвига, первый и второй вход которого соединены соответственно с выходом генератора и входом блока фазовой автоподстройки частоты, второй вход которого соединен с первым выходом корректора, второй выход которого соединен с третьим входом блока оценки фазового сдвига, выход которого соединен с третьим входом корректора.
Известен способ приема радиоволн, реализующий синтезированный модифицированный алгоритм комбинированного сложения при сдвоенном разнесенном приеме и устройство, реализующее этот способ (Н.Н.Фомин, Н.Н.Буга, О.В.Головин и др. Радиоприемные устройства. - М.:Радио и связь, 2003, с.452). В этом способе используют два канала, содержащие радиоприемные устройства - по одному на каждый канал, одновременно на входы радиоприемных устройств подают радиосигнал с антенны, измеряют усредненное соотношение сигнал/шум и используют его для последующей реализации алгоритма выделения полезного сигнала. В устройстве, реализующем этот алгоритм, входные цепи радиоприемных устройств в каналах соединены с антенной.
Указанные аналоги способа и устройств по причинам, указанным выше, не могут быть использованы для решения задачи.
Известен способ выделения полезного сигнала из помех на основе устройства, описанного в БИ №2, 1971 (В.И.Поварков. Устройство для выделения полезного сигнала из помех, а.с. №309466, МКИ H04B 1/10). В этом способе формируют два канала радиоприемного устройства, формируют вычитаемый процесс на основе измерений взаимного спектра и вспомогательного сигнала и управления частотной характеристикой четырехполюсника, вычитают из входного сигнала сигнал схемы формирования вычитаемого процесса и получают максимально очищенный от помех сигнал. Этот способ является наиболее близким техническим решением и принят за прототип. Однако этот способ не дает возможности обнаружить радиосигналы, уровень которых меньше уровня шумов.
Известно устройство для выделения полезного сигнала из помех, отмеченное выше (а.с. №309466). Устройство содержит два канала радиоприемного устройства, один из которых включает в себя резонансный контур, а второй - схему вычитания и схему формирования вычитаемого процесса, четырехполюсник с управляемой частотной характеристикой, измеритель взаимного спектра входного и вспомогательного сигналов, измеритель спектра вспомогательного сигнала, схему деления, а с выхода схемы вычитания снимается сигнал, очищенный от помехи с максимально возможной степенью. Это устройство, как наиболее близкое техническое решение задачи, принято за прототип. Однако из анализа существенных признаков изобретения следует, что задача обнаружения радиосигналов с большим уровнем помех и шумов с помощью данного устройства не может быть решена.
Технической задачей изобретения является возможность обнаружения радиосигналов за порогом чувствительности радиоприемного устройства и увеличение его чувствительности.
Технический результат достигается следующим.
0
A1
A2
A
A
m
A
1. В способе обнаружения сверхмалых радиосигналов, основанном на использовании двух каналов с одинаковыми резонансными контурами и использовании вычитаемого процесса, резонансные контуры в момент времени t приводят в возбужденное состояние путем кратковременной и одновременной подачи напряжения, большего среднеквадратичного напряжения шумов и помех в них, подают одновременно на оба канала радиосигнал с антенны, последовательно изменяют фазы входных сигналов резонансных контуров путем введения в каналы фазовых сдвигов  и , с противоположными знаками, выделяют верхние огибающие суммарных сигналов резонансных контуров - S(t) и S(t), путем использования вычитаемого процесса определяют разность этих огибающих - ΔS(t), в момент достижения разности огибающих максимального значения - ΔS фиксируют введенные фазовые сдвиги  и , формируют полезный сигнал с амплитудой, определяемой по формуле x=ΔS/2(1-ехр(-λt)), где λ - коэффициент затухания контуров, и фазой, определяемой как среднее арифметическое фазовых сдвигов  и , взятое с обратным знаком.
0
A1
A2
A
A
2. В способе обнаружения сверхмалых радиосигналов, основанном на использовании двух каналов с одинаковыми резонансными контурами и использовании вычитаемого процесса, резонансные контуры в момент времени t приводят в возбужденное состояние путем кратковременной и одновременной подачи напряжения, большего среднеквадратичного напряжения шумов и помех в них, подают одновременно на оба канала радиосигнал с антенны, последовательно изменяют фазы входных сигналов резонансных контуров путем введения в каналы фазовых сдвигов  и  с противоположными знаками, выделяют суммарные сигналы резонансных контуров, выделяют верхние огибающие суммарных сигналов резонансных контуров - S(t) и S(t), путем использования вычитаемого процесса определяют разность этих огибающих - ΔS(t) и разность суммарных сигналов резонансных контуров - ΔS(t), в момент достижения разности огибающих максимального значения - ΔS начинают накопление значений ΔS(t), накопленную в течение заданного числа периодов наблюдений сумму сравнивают с установленным порогом обнаружения, по результатам сравнения судят о принятом полезном сигнале.
0
A1
A2
A1
A2
A
A1
A2
m
A
3. В способе обнаружения сверхмалых радиосигналов, основанном на использовании двух каналов с одинаковыми резонансными контурами и использовании вычитаемого процесса, предварительно, в отсутствии радиосигнала с антенны, записывают изменение во времени свободных затухающих колебаний резонансных контуров, в момент времени t резонансные контуры приводят в возбужденное состояние путем кратковременной и одновременной подачи напряжения, большего среднеквадратичного напряжения шумов и помех в них, подают одновременно на оба канала радиосигнал с антенны, последовательно изменяют фазы входных сигналов резонансных контуров путем введения в каналы фазовых сдвигов  и  с противоположными знаками, выделяют верхние огибающие суммарных сигналов резонансных контуров - S(t) и S(t), путем использования вычитаемого процесса определяют разности этих огибающих и огибающей затухающих колебаний - ΔS и ΔS, в момент достижения этими разностями максимального значения фиксируют введенные в каждый канал фазовые сдвиги  и , определяют максимальную разность огибающих ΔS как сумму ΔS и ΔS, формируют полезный сигнал с амплитудой, определяемой по формуле x=ΔS/(2(1-ехр(-λt))), где λ - коэффициент затухания контуров, и фазой, определяемой как среднее арифметическое фазовых сдвигов  и , взятое с обратным знаком.
4. В устройстве для обнаружения сверхмалых радиосигналов, содержащем два канала, каждый из которых содержит по одному одинаковому резонансному контуру, в каждый канал введены фазовращатель, блок выделения огибающих и ключ, в устройство введены также блок сравнения огибающих, обеспечивающий выделение максимальной величины разности огибающих и выработку управляющих сигналов для ключей, блок определения амплитуды полезного сигнала, блок формирования полезного сигнала, при этом первые входы фазовращателей соединены с антенной, вторые входы - с выходом ключа соответствующего канала, первые выходы фазовращателей соединены соответственно с первым и вторым входами блока формирования полезного сигнала, а вторые выходы - с вторыми входами резонансных контуров соответствующего канала, первые входы резонансных контуров соединены с источником внешнего напряжения, а их выходы - с входом блока выделения огибающих соответствующего канала, выход каждого из блока выделения огибающих соединен с соответствующим входом блока сравнения огибающих, два выхода которого соединены с входами соответствующих ключей, а третий выход - с входом блока определения амплитуды полезного сигнала, выход которого соединен с третьим входом блока формирования полезного сигнала, выход которого является выходом устройства.
Одним из важнейших свойств любой колебательной системы являются порог чувствительности и чувствительность. Такой колебательной системой в радиоприемном устройстве является входной резонансный контур. Однако возможности радиоприемного устройства (РПУ) ограничены его порогом чувствительности, обусловленным шумами и помехами как внешнего, так и внутреннего происхождения. Проведенные исследования колебательных систем позволили найти такие режимы их работы, которые дают возможность обнаружить радиосигналы за порогом чувствительности РПУ, а также увеличить его чувствительность.
m
m
m
0
1,2
1,2
1,2
A1
A2
A
1
2
1
1
1
2
2
2
1
2
A1
A2
А
A
A2
A1
A1
A1
A
A2
A2
A
2
1
Чтобы сформировать полезный сигнал x'(t)=xcos(ωt+φ), необходимо знать его круговую частоту ω, начальную фазу φ и амплитуду x. Здесь и далее будем считать, что x - амплитуда полезного сигнала на выходе резонансного контура. Техническая задача решается в три этапа. Первый этап заключается в том, чтобы «исключить» порог чувствительности, обусловленный действием шумов и помех. Создать колебания полезного сигнала в резонансном контуре можно, если его привести в возбужденное состояние и получить, таким образом, переходной процесс с затухающими колебаниями, на которые накладываются колебания полезного сигнала. Для решения задачи необходимо использовать не один, а два колебательных контура - на два канала, настроенные в резонанс на частоту полезного сигнала, которые приводят затем в возбужденное состояние кратковременной и одновременной подачей на них достаточно высокого напряжения Х, причем , или , где  - среднеквадратичное значение напряжения шумов и помех. Введем в каждый канал до резонансных контуров средство, позволяющее изменять фазу радиосигнала (фазовращатели). Если с антенны на вход каждого канала одновременно подать один и тот же радиосигнал (с шумами и помехами), то в каждом контуре появятся три сигнала: на свободные затухающие колебания X(t) накладывается полезный сигнал x(t) и шум ξ(t) со случайной фазой и амплитудой. Таким образом, на выходах резонансных контуров, находящихся в режимах вынужденных колебаний, суммарные сигналы S(t)=X(t)+х(t)+ξ(t). При этом верхние огибающие сигналов S(t) и S(t) отличаются друг от друга и от верхней огибающей свободных затухающих колебаний X(t), если отличаются друг от друга фазы φ и φ этих сигналов в каналах, отсчитываемые относительно фазы свободных затухающих колебаний (здесь и далее индекс «А» означает амплитуду, а под словом «огибающие» следует понимать верхние огибающие). Суммарные сигналы при этом будут отличаться друг от друга вторым и третьим слагаемыми: S(t)=X(t)+х(t)+ξ(t) и S(t)=X(t)+х(t)+ξ(t). Можно подобрать эти фазы φ и φ таким образом, что расхождение огибающих S(t) и S(t) и соответственно отклонение их от X(t) будет максимальное, что соответствует максимальным разностям между огибающими ΔS=|S-S|, а также ΔS=|S-X| и ΔS=|S-X| (ниже обозначение модуля в этих выражениях будет опущено). Как показали проведенные исследования, это возможно при условии: Δφ=φ-φ=π.
1
2
A1
A2
0
m
Таким образом, для последующей обработки сигнала на втором этапе необходимо получить два радиосигнала x(t) и x(t), сдвинутые относительно друг друга на фазу, равную π. Так как фаза полезного сигнала φ, как правило, неизвестна в условиях, когда , задачей этапа теперь является получение требуемого сдвига фаз между радиосигналами, равного π. Эту задачу можно решить путем последовательного изменения их фаз в обоих каналах с последующим выделения огибающих S(t) и S(t) и дальнейшей их обработкой. При  или  эта задача может быть выполнена обычными техническими средствами. Это, в свою очередь, дает возможность определить фазу полезного сигнала φ относительно начала переходного процесса t и его амплитуду x.
Целью третьего этапа является формирование полезного сигнала. Эту задачу можно решить двумя способами:
A
0
- путем определения его амплитуды по разности огибающих радиосигналов ΔS при t > t и фазы полезного сигнала φ в момент достижения разности фаз в каналах Δφ=π с последующим формированием полезного сигнала по этим данным;
- выделением полезного сигнала с использованием метода накопления.
Так как в обоих случаях используется вычитаемый процесс, чувствительность радиоприемного устройства можно увеличить вдвое по сравнению с традиционными способами обнаружения радиоволн (см. ниже).
Изобретение посняется чертежами, где
на фиг.1 показана структурная схема обнаружения радиосигналов за порогом чувствительности радиоприемного устройства;
на фиг.2 показаны верхние огибающие радиосигналов без шумов и помех в рассматриваемых режимах работы колебательной системы;
на фиг.3 показана осциллограмма вынужденных колебаний радиосигналов в отсутствии шумов и помех во входном контуре радиоприемника, когда внешнее воздействие на контур «поддерживает» затухающие колебания;
на фиг.4 - осциллограмма вынужденных колебаний радиосигналов в отсутствии шумов и помех во входном контуре радиоприемника, когда внешнее воздействие подавляет затухающие колебания;
на фиг.5 показаны огибающие радиосигналов с учетом шумов и помех;
на фиг.6 показаны векторные диаграммы сигналов при Δφ=0 (фиг.6а) и Δφ=π (фиг.6б);
на фиг.7 показана функциональная схема соединений основных блоков устройства;
на фиг.8 - структурная схема обнаружения радиосигналов с использованием метода накопления;
на фиг.9 - структурная схема обнаружения радиосигналов с использованием записи свободных затухающих колебаний.
0
2
1
1
2
1
2
1
2
1
2
A1
A2
A
m
1
2
1
2
A
A2
A1
m
На фиг.1 обозначено: полезный сигнал с антенны - x(t), его начальная фаза - φ сигнал шумов и помех - ξ(t), подаваемое напряжение на резонансные контуры - Х, свободные затухающие колебания переходного процесса в контурах - X(t), полезные сигналы в контурах каналов, сдвинутые друг относительно друга на фазу Δφ=φ-φ где φ и φ - фазы радиосигналов на входе контуров соответственно x(t) и x(t), то же для шумов и помех соответственно ξ(t) и ξ(t), фазовые сдвиги, вносимые в каналы I - II, обозначены  и  соответственно, суммарные сигналы на выходах резонансных контуров - S(t) и S(t), огибающие этих сигналов соответственно обозначены S(t) и S(t), управляющий сигнал при достижении максимальной разности ΔS этих огибающих - u, амплитуда полезного сигнала на выходе резонансных контуров - x, сформированный полезный сигнал - x'(t), на всех рисунках каналы обозначены I и II соответственно, операции сдвига фаз входного радиосигнала на фазу φ и φ по двум каналам соответственно обозначены цифрами 1 и 2, получение сумммарных сигналов S(t) и S(t) в резонансных контурах 3 и 4, выделение огибающих этих сигналов - соответственно 5 и 6, вычитание огибающих AS=S(t)-S(t), выполняемое блоком сравнения огибающих 7, определение амплитуды полезного сигнала x - 8, формирование полезного сигнала x'(t) - 9.
A
0
m
2
1
На фиг.2, 3 и 4 верхняя огибающая сигналов при различных режимах обозначена x(t), начальная амплитуда в режимах резонансного торможения (РТ) - Х, амплитуда сигнала при t→∞ - x, верхняя огибающая сигналов в режиме РТ, когда полезный сигнал «поддерживает» колебания в контуре (φ=π/2), обозначена цифрой 10, верхняя огибающая свободных затухающих колебаний 11, верхняя огибающая в режиме РТ, когда полезный сигнал подавляет колебания (φ=-π/2) - 12, и, наконец, верхняя огибающая в режиме резонансной раскачки (РР) - 13.
0
0
0
A
1,2
На фиг.5 начальный момент времени (начало переходного процесса) при X(t)=X обозначен t, моменты времени относительно t, соответствующие пересечениям верхней и нижней границ шумов и помех с огибающей свободных затухающих колебаний X(t)-Δt, верхние и нижние границы шумов (среднеквадратичные напряжения шумов и помех) в режимах РТ соответственно обозначены цифрами 14, 15 и 16, 17, точка пересечения верхних огибающих суммарных сигналов 10 и 12 с верхней огибающей свободных затухающих колебаний 11-18, точки пересечения границ шумов с огибающей 11-19 и 20.
1
На фиг.6 стрелками показаны векторы соответствующих сигналов на комплексной плоскости, обозначенные символом ^ над буквой, области шумов и помех ξ на комплексной плоскости показаны в виде кругов, радиусы окружностей которых равны среднеквадратичному напряжению шумов и помех , начальная фаза свободной составляющей переходного процесса обозначена β, вектор суммарного сигнала при φ=-π/2 обозначен , причем , a  - векторная сумма принужденной  и свободной  составляющих переходного затухающего процесса, n - произвольный номер, соответствующий моменту времени
n
0
2
A
t=t> t (см. ниже). Аналогично определяется вектор  при φ=π/2 (вектор  на чертеже не показан). Максимальная разность огибающих обозначена ΔS.
A1
A2
A1
A2
На фиг.7 позициями 1-9 обозначены блоки, как на фиг.1: фазовращатели с двумя входами и двумя выходами на каждый канал соответственно 1 и 2, резонансные контуры в каналах с двумя входами и одним выходом каждый 3 и 4, блоки выделения огибающих S(t) и S(t) на каждый канал соответственно с входом и выходом 5 и 6, блок сравнения огибающих, имеющий два входа и три выхода 7, блок определения амплитуды полезного сигнала с входом и выходом 8, блок формирования полезного сигнала с тремя входами и выходом 9. Введены также обозначения новых блоков: первый и второй ключи, имеющие по одному входу и выходу 21 и 22. Первые входы управляемых фазовращателей 1 и 2 соединены с антенной, а его вторые входы - с выходами первого и второго ключей 21 и 22, первые выходы фазовращателей соединены с первым и вторым входами блока формирования амплитуды полезного сигнала 9, а вторые их выходы - со вторыми входами резонансных контуров 3 и 4, первые входы которых соединены с источником внешнего напряжения, выходы контуров в обоих каналах соединены с входами блоков выделения огибающих S(t) и S(t) 5 и 6, выходы которых соединены с первым и вторым входами блока сравнения огибающих 7, первые два выхода этого блока соединены с входами первого и второго ключей 21 и 22 соответственно, а ее третий выход - с входом блока определения амплитуды 8, выход которого соединен с третьим входом блока выделения полезного сигнала 9, выход которого является выходом устройства.
1
2
вых
На фиг.8 сохранены буквенные обозначения, как на фиг.1, кроме этого, введены обозначения: операция вычитаемого процесса суммарных сигналов S(t) и S(t) с резонансных контуров в вычитающем устройстве обозначена цифрой 23, сигнал, полученный в результате вычитания этих сигналов в вычитающем устройстве на его выходе обозначен суммой х'(t)+ξ'(t), выходная функция с блока накопления радиосигналов 24 в соответствии с формулой (1) обозначена z, операция сравнения накопленной суммы с порогом обнаружения в блоке сравнения с пороговым уровнем 25, выделяемый полезный сигнал на выходе блока 25 обозначен x'(t). Таким образом соответствующее устройство на фиг.8 содержит те же элементы 1-7, 21, 22, как и устройство на фиг.7, при этом первые выходы фазовращателей 1 и 2 не используются, а сигналы с выходов резонансных контуров 3 и 4 подаются на входы блоков выделения огибающих 5 и 6, а также на блок 23, как показано на чертеже фиг.8.
A
1
2
A
A1
A2
A
A1
A2
A
На фиг.9 также сохранены те же буквенные обозначения, что на фиг.1, а также позиции 1-6, 8 и 9. Огибающая свободных затухающих колебаний в резонансных контурах обозначена символом X(t), управляющие сигналы обозначены u и u, запись свободных затухающих колебаний X(t) в контурах каналов I и II, осуществляемая с помощью соответствующих блоков записи - соответственно 26 и 27, выделение их верхних огибающих X(t) - 28 и 29, сравнение огибающих S(t) и S(t) с огибающей X(t), где вычисляются разности ΔS и ΔS, обозначены цифрами 30 и 31, суммирование этих разностей с помощью сумматора, на выходе которого вычисляется сумма ΔS- 32.
0
1
2
1
1
1
2
2
2
A1
A2
A
0
2
1
A
m
Последовательность действий, отражающих существенные признаки способа по п.1, показана на фиг.1. В резонансных контурах каналов I и II создают свободные затухающие колебания X(t) путем кратковременной и одновременной подачи на них напряжения Х, большего (или много большего) среднеквадратичного напряжения шумов и помех в контурах. На вход этих каналов (поз.1 и 2) подают один и тот же радиосигнал x(t)+ξ(t), последовательно вводят сдвиги фаз  и  в каналы, и таким образом изменяют фазы этого сигнала φ и φ в каждом канале, а на выходе резонансных контуров создают суммарные сигналы S(t)=X(t)+x(t)+ξ(t) и S(t)=X(t)+x(t)+ξ(t), отличающиеся только первыми слагаемыми (поз.3 и 4), после чего выделяют с каждого контура верхние огибающие этих сигналов (поз.5 и 6 соответственно по двум каналам): S(t) и S(t). Далее сравнивают эти огибающие, определяя разность ΔS в момент времени t > t (поз.7), и по максимальному значению этой разности судят о достижении сдвига фаз Δφ=φ-φ между этими сигналами, равного π. При этом вырабатывается управляющий сигнал u, посылаемый в соответствующие устройства для фиксации установленных фазовых сдвигов  и  (поз.1 и 2), которые далее не меняются в течение заданного цикла формирования полезного сигнала. При достижении максимальной разности огибающих ΔS вычисляется амплитуда полезного сигнала xв соответствии с полученным ниже выражением (14) поз.8. Далее, используя значения  и , вычисляется начальная фаза полезного сигнала φ, и по известной амплитуде и начальной фазе формируется полезный сигнал x'(t) поз.9.
m
Предложенный способ однако требует более детального анализа существенных признаков. Рассмотрим так называемую модель идеального радиоприема, когда шумов и помех нет. С этой целью запишем дифференциальное уравнение вынужденных колебаний осциллятора, в качестве которого рассмотрим колебательный контур РПУ, на который подан гармонический (полезный) сигнал x(t)=Ucos(ωt+φ):
0
0
m
0
0
1,2
1
2
где х - напряжение на конденсаторе, λ - коэффициент затухания контура, ω - круговая частота собственных колебаний, причем ω>>λ, U - амплитуда полезного сигнала, ω и φ - его круговая частота и начальная фаза. Понятно, в силу резонансных свойств контура сигнал усиливается, но для простоты изложения здесь сохранены те же обозначения для напряжения сигнала (х). Будем считать началом переходного процесса момент времени t=0, когда напряжения в обоих контурах X(t)>0 и равны Х, а фаза свободной составляющей процесса β=π/2 (X(t) изменяется по закону косинуса). Фазы сигналов S(t), обозначенные φ и φ, вообще, можно устанавливать в каналах определенным образом.
j(ωt+φ)
0
Решение будем искать в комплексной форме, заменив cos(ωt+φ) на e. В режиме вынужденных колебаний начальными условиями такой задачи будут х(0)=Х и . Записывая решение уравнения (2) как сумму общего и частного решений, выделяя из полученного результата действительную часть, получим:
m
m
0
0
m
0
A
1
2
где , ε=arctg(xω cosφ+x λ sinφ-Xλ)/(ω'(X-x sinφ)),  В большинстве случаев величиной угла ε можно пренебречь. Так, например, при добротности контуров Q=100 и  в ε≈-0,005 радиан. Выполненные с помощью полученного решения расчеты для рассматриваемых режимов резонансного торможения (ω=ω, Δφ=π) и их анализ позволили определить фазы радиосигналов в каналах 1 и 2, соответствующие максимальной разности верхних огибающих сигналов ΔS: φ=-π/2 и φ=π/2 (фиг.2-4).
Фазы радиосигналов на входах резонансных контуров складываются из фазы полезного сигнала φ и фазовых сдвигов  и , вносимых в каналы соответствующими фазовращателями:
Решая эту систему уравнений, найдем фазу φ:
Принимая  получим:
1
2
1
2
Таким образом, начальная фаза полезного сигнала, как следует их выражений (5) φ=-π/2 и φ=π/2 и (6), определяется средним арифметическим вносимых фазовых сдвигов, взятым с обратным знаком. Заметим также, что при Δφ=π разность фазовых сдвигов в каналах  также равна π. Из всего этого следует, что для обеспечения оптимизации алгоритма определения фазы φ необходимо изменять эти фазы в противоположных направлениях, то есть уменьшать фазу в первом канале (φ→-π/2) и увеличивать ее во втором (φ→π/2), или наоборот.
Результат вычитания радиосигналов (3) в режимах резонансного торможения при ε=0,  и при отсутствии шумов и помех после ряда преобразований и упрощений можно получить в виде:
m
m
0
Найдем связь между амплитудами полезного сигнала на входе и выходе резонансных контуров - x и U. Как следует из пояснений к решению (3), в условиях резонанса при ω=ω
рт
Использование вычитаемого процесса позволяет увеличить чувствительность РПУ. Покажем, что по крайней мере при отсутствии шумов и помех в рассматриваемых режимах торможения она вдвое выше, чем в режиме резонансной раскачки. Оценим вначале чувствительность устройства S в режиме резонансного торможения (РТ). Согласно определению чувствительности (В.И.Нефедов, В.И.Хахин, Е.В.Федорова и др. Метрология и электро/радиоизмерения в телекоммуникационных системах, под ред. В.И.Нефедова, - М.: Высшая школа, 2001, с.364): .
С учетом (7) и (8) при тех же условиях резонанса, окончательно получим:
В режиме резонансной раскачки (РР) решение уравнения (2) при начальных условиях х(0)=0,  и при тех же допущениях, можно получить в виде
Тогда оценка чувствительности в этом режиме дает результат:
рт
рр
Таким образом S/S=2. Из сравнения выражений (7) и (10) видно, что амплитуда полезного сигнала в режиме резонансного торможения вдвое выше, чем при резонансной раскачке, чем и объясняется соответствующее увеличение чувствительности в предложенном способе.
A
0
0
Для определения разности огибающих ΔS необходимо вначале вывести уравнения огибающих. Записывая решение (3) в режимах резонансного торможения при , ε=0, ω'=ω=ω и ω>>λ, и полагая t=nT, где n=1, 2, …, Т=2π/ω - период, получим:
A
A2
A1
Разность этих огибающих ΔS=S-S определяется только принужденной составляющей процесса и зависит от времени по экспоненциальному закону:
Из последнего выражения можно получить искомую величину амплитуды полезного сигнала:
0
Если снять отмеченные выше ограничения, сохраняя неравенство ω>>λ, можно получить более точную формулу при  и t=nT:
где η=cos(ω't+ε)/cosε. Как показали проведенные оценки, при этих условиях η~1.
m
0
m
A1
A2
1
2
2
1
A
2
1
На фиг.2 сравниваются верхние огибающие сигналов в режиме РТ (кривые 10, 11 и 12) и в режиме РР (кривая 13). Соответствующие кривые 10, 11 и 13 получены из решения дифференциального уравнения (1), представленного выражением (2). При отсутствии внешнего воздействия на контуры (U=0) после их возбуждения (Х(0)=Х) амплитуды радиосигналов на их выходе стремятся к нулю (кривая 11) - классические свободные затухающие колебания. Если же на контуры подается внешний радиосигнал (U≠0), то в них возникнут вынужденные колебания (см. решение дифференциального уравнения (2)). Так как , то выделение верхних огибающих S(t) и S(t) не представляет особых трудностей. При последовательном изменении фаз φ и φ расстояние между ними по вертикали будет меняться - кривые 12 и 10 на рисунке. При Δφ=φ-φ=π разность огибающих ΔS максимальная, что фиксируется соответствующим устройством 7 на фиг.7. При этом верхняя огибающая сигналов 10 (φ>0) идет выше кривой 11, а нижняя - 12 (φ<0) - ниже ее.
2
1
1
На фиг.3 и 4 показаны колебания напряжения на конденсаторах контуров для случаев резонансного торможения при φ=π/2 и φ=-π/2 соответственно. При φ=-π/2 (фиг.4) начиная с некоторого момента времени (легко подсчитать) начинается режим резонансной раскачки - как на фиг.2, кривая 13.
A1
A2
A
0
0
A
0
m
0
1,2
A
1
1,2
Режимы резонансного торможения, показанные на фиг.5, позволяют оптимизировать алгоритм выделения верхних огибающих радиосигналов (поз.5 и 6 на фиг.1). Здесь учтены среднеквадратичные значения шумов и помех, которые накладываются на полезный сигнал x(t). Соответствующие полосы шумов и помех на верхних огибающих показаны кривыми 14, 15 и 16, 17 для  (фиг.5). В точке 18 пересекаются три кривые: верхние огибающие 10 и 12, соответствующие S(t) и S(t) с огибающей 11 свободных затухающих колебаний X(t) в момент времени t=t, когда X(t)=Х (начало переходного процесса и свободных затухающих колебаний в контурах). В точке 19 соответственно пересекаются огибающие 14 и 17 с огибающей 11, а в точке 20-15 и 16 с этой же огибающей X(t). При Х>>х на участке t±Δt X(t) можно приближенно считать линейной функцией. Тогда Δt=Δt, что может быть использовано при разработке соответствующего алгоритма формирования полезного сигнала.
0
Используемые начальные условия х(0)=Х и  при решении уравнения (2) соответствуют классической задаче о переходном процессе, а полученное решение (3) - есть сумма свободной и принужденной составляющих процесса, которая при ε=0, ω=ω' и t=nT (n=0, 1, 2…) может быть представлена в комплексной форме:
0
0
A
0
1
1
0
0
m
m
2
2
2
1
A
-λt
-λnT
-λt
-λnT
где , . С учетом этого на фиг.6 приведены векторные диаграммы сигналов на комплексной плоскости для комплексных амплитуд (индекс m у векторов для простоты опущен). Представленная на фиг.6а векторная диаграмма соответствует началу переходного процесса при произвольной начальной фазе полезного сигнала φ (t=t, Δφ=0). Вектор суммарного сигнала  на фиг.6а не показан. Диаграммы на фиг.6б построены для момента времени t > t, (t=nT), когда с помощью фазовращателей в каналы введены соответствующие фазовые сдвиги  и  - так, что ΔS принимает максимальное значение, а Δφ=π. При этом фаза свободной составляющей  β=π/2, как и при t=t (фиг.6а). При φ=-π/2 векторы свободной и принужденной составляющих противоположны по направлению: , а модуль этого вектора с учетом фазовых соотношений равен разности U=X-x, что соответствует выражению (12), где Xe=Xe=Х, a x(1-e)=x(1-e)=х. При φ=π/2 векторы свободной и принужденной составляющих совпадают по направлению: U=Х+х. Максимальная величина разности ΔU=U-U, собственно, и определяет искомую величину максимальной разности огибающих: ΔS=ΔU.
1,2
A1
A2
A
A
1,2
A
0
0
m
Вектор шумов и помех  в этот момент времени имеет случайную фазу. Векторы суммарных сигналов  и  при  и при не слишком больших n, когда еще остается справедливым неравенство , по модулю мало отличаются от U соответственно. Для выделения огибающих S(t) и S(t) в блоках поз.5 и 6 на фиг.1 можно, например, при достижении амплитуды X(t), когда t=nT (n≥1, 2, …), использовать достаточно большое количество отсчетов (выборок) N в окрестности этой точки - в некоторой области ΔТ, где Х не сильно отличается от амплитуды X. Можно также использовать отсчеты «через каждый период», меняя n. Усреднение полученных таким образом суммарных сигналов  и  дает возможность определить U, а следовательно, и величину AS (поз.7, фиг.1). Как показали проведенные исследования, при разумном выборе n, N, Х и ΔТ методологическая относительная погрешность определения амплитуды полезного сигнала может быть несущественной. Эта величина по данным проведенных расчетов при Х/x>30, ΔТ/t<0,07 и N>10 составляет менее 1%.
Таким образом, используя выражения (5), (6), (14), (15) для вычисления фазы и амплитуды полезного сигнала в соответствующих блоках (поз.8 и 9 на фиг.1), можно получить сформированный полезный сигнал (поз.9, фиг.1).
0
A
1
2
A1
A2
1
2
A
A
A
m
m
0
На фиг.7 показана схема устройства, реализующего способ по п.1. Устройство работает следующим образом. На первые входы управляемых фазовращателей 1 и 2 с антенны подается радиосигнал (с шумами и помехами). В резонансных контурах 3 и 4 возбуждаются свободные затухающие колебания X(t) путем кратковременной и одновременной подачи на их первые входы внешнего напряжения Х. Одновременно начинают работать управляемые фазовращатели 1 и 2 при подаче на них электропитания с выходов ключей 21 и 22, создавая в каналах фазовые сдвиги  и  c противоположными знаками, а соответствующие сигналы, прямо пропорциональные этим сдвигам, подаются с первых их выходов на первый и второй входы блока формирования полезного сигнала 9, который открывается только при достижении максимального значения разности огибающих ΔS. На вторые входы резонансных контуров подаются сигналы со вторых выходов управляемых фазовращателей 1 и 2, а с выходов этих контуров суммарные сигналы S(t) и S(t) подаются на блоки выделения огибающих S(t) и S(t) 5 и 6 по двум каналам соответственно, в которых формируются огибающие сигналов S(t) и S(t) - кривые 12 и 10, фиг.5. С выходов этих блоков сигналы подаются на первый и второй входы блока сравнения огибающих 7, где при максимальном значении полученной разности ΔS вырабатывается управляющий сигнал u, который с двух выходов этого блока подается на входы ключей 21 и 22, прерывая работу фазовращателей 1 и 2. Таким образом с помощью ключей 21 и 22 фиксируется достижение соответствующих фазовых сдвигов  и  в фазовращателях 1 и 2, при которых разность огибающих ΔS максимальна, а разность фаз Δφ равна π. С третьего выхода блока сравнения огибающих 7 максимальная разность огибающих ΔS подается на вход блока определения амплитуды полезного сигнала 8, в котором по формулам (14) или (15) вычисляется амплитуда полезного сигнала x. С выхода этого блока сформированный сигнал x подается на третий вход блока формирования полезного сигнала 9, в котором по заданному алгоритму определяется начальная фаза полезного сигнала φ, которая зависит от среднего арифметического фазовых сдвигов  и , взятого с обратным знаком (формулы (5) и (6)). По известным амплитуде и начальной фазе на выходе этого блока выделяется сформированный полезный сигнал x'(t). По окончании цикла формирования полезного сигнала работа устройства повторяется, начиная отсчет по времени от нового значения t.
1
2
A1
A2
A
Последовательность действий, отражающих существенные признаки способа по п.2, показана на фиг.8, где использован метод накопления сигнала согласно выражению (1). Отличия существенных признаков от способа по п.1 (фиг.1) заключаются в том, что суммарные сигналы с резонансных контуров S(t) и S(t) одновременно подают и на блоки выделения огибающих S(t) и S(t), (поз.5 и 6 на фиг.8) и на вычитающее устройство (поз.23), где путем вычитания этих сигналов после достижения максимальной разности огибающих ΔS формируется радиосигнал x'(t)+ξ'(t) и выработанный при этом управляющий сигнал u фиксирует на время, необходимое для формирования полезного сигнала, достигнутые фазовые сдвиги  и , при которых Δφ=π. Далее через заданное число отсчетов N накопленная сумма
вых
z (поз.24) сравнивается с установленным порогом обнаружения в соответствии с формулой (1) в блоке сравнения с пороговым уровнем 25, после чего с его выхода выделяют полезный сигнал, очищенный от шумов и помех. Использование здесь метода накопления возможно именно на данном этапе обработки сигналов. Его преимущество состоит в том, что амплитуда сигнала увеличивается вдвое по сравнению с традиционным методом радиоприема. При относительной простоте его реализации этот метод достаточно эффективен при использовании предложенного способа.
A
0
Эффективность этого способа может быть увеличена, если в описанной процедуре выделения полезного сигнала использовать значение начальной фазы полезного сигнала φ, по которой можно определить моменты достижения полезным сигналом амплитуды в течение заданного времени по числу периодов наблюдения. С этой целью при достижении максимального значения разности огибающих ΔS в момент времени t > t фиксируют введенные в каналы фазовые сдвиги  и  в этот момент времени, по среднему арифметическому значению фазовых сдвигов  и , взятому с обратным знаком, определяют начальную фазу полезного сигнала φ. Далее процесс выделения полезного сигнала описан выше. Для реализации этого варианта способа необходимо в схему фиг.8 ввести блок определения начальной фазы полезного сигнала (поз.9 на фиг.1 и 7), а в фазовращателях 1 и 2 первые выходы соединить с первым и вторым входом блока 9, как это описано выше в устройстве для реализации способа по п.1.
0
1
2
A
1
2
1
1
1
2
2
2
A1
A2
A
A1
A
A1
A2
A2
A
0
1
2
1
1
2
2
1
2
A
A1
A2
A
A1
Последовательность действий, отражающих существенные признаки способа по п.3, показана на фиг.9, где использована предварительная запись свободных затухающих колебаний X(t) в резонансных контурах каналов I и II. В этих контурах создают свободные затухающие колебания X(t) путем кратковременной и одновременной подачи на них напряжения Х, большего (или много большего) среднеквадратичного напряжения шумов и помех. Отличие от способа по п.1 (фиг.1) заключается в том, что суммарные сигналы с резонансных контуров S(t) и S(t) в отсутствии сигнала с антенны предварительно записывают с помощью специальных блоков записи этих сигналов 26 и 27 и по аналогии с операциями 5 и 6 на фиг.1. выделяют огибающие X(t) с помощью блоков 28 и 29, после чего на входы каналов (поз.1 и 2) подают один и тот же радиосигнал x(t)+ξ(t), последовательно вводят в эти каналы фазовые сдвиги  и , и таким образом изменяют фазы этого сигнала φ и φ в каждом канале, а на выходе резонансных контуров создают суммарные сигналы S(t)=X(t)+x(t)+ξ(t) и S(t)=X(t)+x(t)+ξ(t), отличающиеся только первыми слагаемыми (поз.3 и 4), после чего выделяют с каждого контура верхние огибающие этих сигналов S(t) и S(t) (поз.5 и 6 соответственно по двум каналам). Далее сравнивают эти огибающие с огибающими X(t) в каждом канале, определяя разности ΔS=X-S и ΔS=S-X в моменты времени t > t (поз.30 и 31 соответственно), определяют максимальные значения этих разностей, при которых сдвиги фаз между суммарными сигналами в каналах S(t) и S(t) и фазами свободных затухающих колебаний X(t), - то есть (Aφ)=β-φ; и (Δφ)=φ-β» равны π и 0 соответственно. При этом вырабатываются управляющие сигналы u и u, посылаемые в соответствующие устройства для фиксации установленных фазовых сдвигов  и  (поз.1 и 2), которые далее не меняются в течение заданного цикла формирования полезного сигнала. Максимальное удаление в обе стороны от X(t) огибающих сигналов S(t) и S(t) определяется максимальной разностью огибающих ΔS, равной сумме ΔS и
А2
A
A
A1
A2
А
A2
A1
1
2
1
2
ΔS: ΔS=X-S+S-Х=S-S. Операция суммирования производится с помощью сумматора, поз.32 на фиг.9. При этом Δφ=(Δφ)+(Δφ)=β-φ+φ-β=π. Остальные операции - те же, что в способе по п.1 (фиг.1).
A1
A2
Введение операции записи X(t) усложняет реализацию этого способа. Однако бесспорным преимуществом здесь является уменьшение уровня шумов и помех, так как запись X(t) проводится при отсутствии подаваемого с антенны радиосигнала, то есть без внешних шумов и помех. При том же увеличении вдвое чувствительности устройства при этом увеличивается точность отработки алгоритма формирования полезного сигнала. Для практической реализации способа необходимо использовать описанные выше блоки (фиг.7-9). В частности, для определения максимальных разностей огибающих ΔS и ΔS необходимо использовать два блока сравнения огибающих 7 (поз.30 и 31 на фиг.9) с соответствующими выходами на блок 32; для управления работой фазовращателей 1 и 2 используются такие же ключи 21 и 22 (фиг.7), входы которых подключены к выходам этих двух блоков сравнения огибающих, а не к одному, как на фиг.7, и т.д.
В заключение следует отметить следующее.
1. Предложенные способы и устройства для их реализации позволят обнаруживать в эфире слабые и сверхслабые радиосигналы, в условиях, когда шумы и помехи превышают уровень полезного сигнала, а традиционные способы его выделения малоэффективны. При этом чувствительность устройства, основанного на предложенном изобретении, может быть вдвое выше, чем в традиционных радиоприемных устройствах.
2. Рассмотренные свойства резонансных колебательных систем и основанное на них изобретение может быть использовано на любом этапе обработки и формирования полезного сигнала.
3. Предложенные способы и устройство могут быть эффективно использованы и для случая, когда уровень сигнала выше уровня шумов и помех. В этом случае преимущества предложения заключаются в увеличении чувствительности радиоприемного устройства, в упрощении реализации способов и алгоритма формирования полезного сигнала.
4. Продолжительность формирования полезного сигнала с учетом быстродействия современных вычислительных средств может составить от единиц до десятка периодов рабочей частоты в зависимости от требуемой точности и надежности воспроизведения радиосигнала. Причем качество этого показателя в дальнейшем будет только возрастать.
5. Исходя из возрастающих современных требований к технике радиосвязи в настоящее время ставятся такие задачи, решение которых требует совершенно новых подходов в этой области:
- увеличение надежности радиосвязи в экстремальных условиях на Земле;
- радиосвязь в ближнем и дальнем космосе;
- поиск сверхслабых радиосигналов с других миров,
и другие актуальные задачи. Этим и определяется промышленная новизна и полезность предложенных способов и устройств.