УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДАВЛЕНИЯ ШУМОВЫХ ВЫБРОСОВ (ВАРИАНТЫ)
DEVICE FOR SUPPRESSION OF NOISE SPIKES (VERSIONS)

Изобретение относится к радиотехнике, преимущественно к приемным трактам радиолокационных устройств.
Из уровня техники известно устройство для подавления (защиты от) шумовых выбросов, содержащее вычитатель, вход уменьшаемого которого является входом устройства, двухсторонний ограничитель сверху, нормально замкнутый ключ, интегратор, сумматор, выход которого является выходом устройства и блок сравнения модуля сигнала с пороговым уровнем, при этом выход вычитателя соединен с входом двухстороннего ограничителя сверху и входом блока сравнения модуля сигнала с пороговым уровнем, выход которого соединен с управляющим входом ключа. Выход двухстороннего ограничителя сверху соединен с информационным входом ключа, выход которого соединен с входом интегратора и первым входом сумматора, а выход интегратора соединен со вторым входом сумматора и входом вычитаемого вычитателя (см. авторское свидетельство SU - A1 - №1483646, 1989).
Известное устройство работает следующим образом. В отсутствие шумовых выбросов выходной сигнал устройства точно отслеживает изменения входного сигнала. Иными словами, передаточная функция устройства тождественно равна единице. При наличии шумового выброса сигнал на выходе устройства в течение всего времени действия выброса имеет значение, предшествующее моменту появления выброса.
Основной недостаток этого устройства заключается в том, что “замораживание” выходного сигнала на время действия каждого выброса приводит к увеличению мощности шумового сигнала за счет ограничения полезного сигнала.
Известно также устройство для подавления шумовых выбросов, взятое в качестве прототипа и содержащее блок сравнения сигнала с пороговым уровнем (ограничитель снизу) и блок “запрет”, при этом информационные входы блока сравнения сигнала с пороговым уровнем и блока “запрет” объединены и являются входом устройства, выход блока сравнения сигнала с пороговым уровнем соединен с управляющим входом блока “запрет”, выход которого является выходом устройства, а управляющий вход блока сравнения сигнала с пороговым уровнем соединен с источником опорного напряжения (см. Максимов М.В. и др. Защита от радиопомех, М. изд. “Сов. радио”, 1976, с.346-347).
Устройство, взятое в качестве прототипа, работает следующим образом. В отсутствие шумовых выбросов входной сигнал передается непосредственно на выход устройства, поскольку напряжение на управляющем входе блока “запрет” равно нулю. При наличии шумовых выбросов входной сигнал становится больше порогового уровня (опорного напряжения), а следовательно, на выходе блока сравнения сигнала с пороговым уровнем напряжения будет отлично от нуля. При наличии напряжения на управляющем входе блока “запрет” сигнал на его выходе равен нулю. Это устройство хорошо работает, когда отношение сигнал/шум на его входе достаточно точно известно. В противном случае имеет место либо ограничение полезного сигнала, либо на выход устройства будет проходить сигнал шума большого уровня.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи по повышению степени подавления шумовых выбросов при выделении прямоугольных видео- и радиоимпульсов в условиях априорной неопределенности отношения сигнал/шум во входном сигнале. Достигаемый при этом технический результат заключается в обеспечении селекции во входном сигнале интервалов времени, когда отношение сигнал/шум не меньше заранее заданного значения, иначе говоря, обработке подвергаются только те временные фрагменты входного сигнала, когда отношение сигнал/шум не меньше заранее заданного значения.
c
B
c
B
-1
Поставленная задача (согласно первому варианту осуществления изобретения) решена тем, что устройство для подавления шумовых выбросов, содержащее выполненные с информационным входом блок “запрет” и ограничитель снизу, при этом выход блока “запрет” является выходом устройства, выход ограничителя снизу соединен с управляющим входом блока “запрет”, а управляющий вход ограничителя снизу соединен с источником порогового напряжения, согласно изобретению дополнительно содержит первую линию задержки, вторую линию задержки, блок весового сложения, генератор оценки полезного сигнала и вычитатель, вторая линия задержки выполнена с М отводами, обеспечивающими относительно друг друга задержку на одинаковый промежуток времени , при этом M=t·F, где t - длительность прямоугольного зондирующего импульса, а F - верхняя граничная частота спектра видеоимпульса той же длительности, ограничитель снизу выполнен в виде блока сравнения модуля сигнала с пороговым уровнем, при этом входы первой и второй линий задержки объединены и являются входом устройства, выход первой линии задержки соединен с информационным входом блока “запрет” и первым входом вычитателя, выход которого соединен с информационным входом блока сравнения модуля сигнала с пороговым уровнем, отводы второй линии задержки являются ее выходами, причем каждый выход второй линии задержки соединен с соответствующим ему входом блока весового сложения с одинаковым весовым коэффициентом, равным М, выход блока весового сложения соединен с управляющим входом генератора оценки полезного сигнала, выход которого соединен со вторым входом вычитателя.
c
0
c
0
2
0
3
0
-1
-1
-1
-1
Поставленная задача (согласно второму варианту осуществления изобретения) решена тем, что устройство для подавления шумовых выбросов, содержащее выполненные с информационным входом блок “запрет” и ограничитель снизу, при этом выход блока “запрет” является выходом устройства, выход ограничителя снизу соединен с управляющим входом блока “запрет”, а управляющий вход ограничителя снизу соединен с источником порогового напряжения, согласно изобретению дополнительно содержит первую линию задержки, вторую линию задержки, два блока весового сложения, генератор оценки косинусной квадратурной составляющей полезного сигнала, генератор оценки синусной квадратурной составляющей полезного сигнала, сумматор и вычитатель, вторая линия задержки выполнена с отводами, образующими две группы по N=t·f отводов в каждой, где t - длительность прямоугольного зондирующего радиоимпульса, а f - частота колебаний его цуга, отводы первой и второй групп расположены в чередующейся последовательности с обеспечением задержки между одноименными отводами на одинаковый промежуток времени Δt=(4·f), а отводы в каждой группе отводов расположены с обеспечением относительно друг друга задержки на одинаковый промежуток времени Δt=(f), ограничитель снизу выполнен в виде блока сравнения модуля сигнала с пороговым уровнем, выходы второй линии задержки, соответствующие отводам первой группы отводов, соединены с соответствующим каждому из них входом первого блока весового сложения с одинаковым весовым коэффициентом, равным N, выходы второй линии задержки, соответствующие отводам второй группы отводов, соединены с соответствующим каждому из них входом второго блока весового сложения с одинаковым весовым коэффициентом, равным N, выход первого блока весового сложения соединен с управляющим входом генератора оценки косинусной квадратурной составляющей полезного сигнала, выход которого соединен с первым входом сумматора, выход второго блока весового сложения соединен с управляющим входом генератора оценки синусной квадратурной составляющей полезного сигнала, выход которого соединен со вторым входом сумматора, входы первой и второй линий задержки объединены и являются входом устройства, выход первой линии задержки соединен с информационным входом блока “запрет” и первым входом вычитателя, выход которого соединен с информационным входом блока сравнения модуля сигнала с пороговым уровнем, а выход сумматора соединен со вторым входом вычитателя.
Преимущество предложенного устройства по сравнению с прототипом заключается в том, что управление блоком “запрет” осуществляется не на основании сравнения величины входного сигнала с опорным напряжением, а на основании сравнения модуля оценки сигнала шума с опорным напряжением. В результате повышается степень подавления шумовых выбросов, так как ошибка в определении оценки сигнала шума не зависит от уровня полезного сигнала.
На фиг.1 изображена блок-схема устройства для подавления шумовых выбросов, согласно первому варианту осуществления изобретения; на фиг.2 - то же, согласно второму варианту осуществления изобретения; на фиг.3 и 4 - пример квантования по времени входного сигнала.
Устройство для подавления шумовых выбросов (согласно первому варианту осуществления изобретения - фиг.1) содержит первую линию 1 задержки, вторую линию 2 задержки, блок 3 весового сложения, генератор 4 оценки полезного сигнала, вычитатель 5, блок 6 сравнения модуля сигнала с пороговым уровнем, а также блок 7 “запрет”. Входы первой 1 и второй 2 линий задержки объединены и являются входом устройства. Вторая линия 2 задержки выполнена многоотводной, а именно, с М отводами, обеспечивающими относительно друг друга задержку на одинаковый промежуток времени , при этом
c
B
c
B
-1
M=t·F, где t - длительность прямоугольного зондирующего импульса, а F - верхняя граничная частота спектра видеоимпульса той же длительности. Отводы второй линии 2 задержки являются ее выходами, причем каждый выход второй линии 2 задержки соединен с соответствующим ему входом блока 3 весового сложения с одинаковым весовым коэффициентом, равным М. Выход блока 3 весового сложения соединен с управляющим входом генератора 4 оценки полезного сигнала. Выход первой линии 1 задержки соединен с информационным входом блока 7 “запрет” и с первым входом вычитателя 5, выход которого соединен с информационным входом блока 6 сравнения модуля сигнала с пороговым уровнем, который по существу является ограничителем модуля входного сигнала снизу. Второй вход вычитателя 5 соединен с выходом генератора 4 оценки полезного сигнала. Управляющий вход блока 6 сравнения модуля сигнала с пороговым уровнем соединен с источником порогового напряжения (на чертежах не показан). Выход блока 6 сравнения модуля сигнала с пороговым уровнем соединен с управляющим входом блока 7 “запрет”, выход которого является выходом устройства. В предпочтительном случае осуществления изобретения блок 7 “запрет” выполнен в виде управляемого ключа 7', поэтому при дальнейшем описании работы устройства, для лучшей наглядности, будут использованы признаки, адекватные упомянутым выше признакам, а именно: информационный вход ключа 7', управляющий вход ключа 7', выход ключа 7', являющийся выходом устройства.
c
0
0
c
2
0
3
0
-1
-1
-1
-1
Устройство для подавления шумовых выбросов (согласно второму варианту осуществления изобретения - фиг.2) имеет следующие отличия от описанного выше. Во-первых, вторая линия 2 задержки выполнена с отводами, образующими две группы по N=t·f (где f - частота колебаний цуга прямоугольного зондирующего радиоимпульса, а t - его длительность) отводов в каждой, при этом отводы первой и второй групп расположены в чередующейся последовательности с обеспечением задержки между одноименными (первыми, вторыми и т.д. отводами обеих групп) на одинаковый промежуток времени Δt=(4·f), а отводы в каждой группе отводов расположены с обеспечением относительно друг друга задержки на одинаковый промежуток времени Δt=(f). Во-вторых, во втором варианте устройство содержит не один, а два блока весового сложения, причем выходы второй линии 2 задержки, которые соответствуют отводам первой группы отводов, соединены с соответствующим каждому из них входом первого блока 3' весового сложения с одинаковым весовым коэффициентом, равным N, а выходы второй линии 2 задержки, которые соответствуют отводам второй группы отводов, соединены с соответствующим каждому из них входом второго блока 3” весового сложения с одинаковым весовым коэффициентом - N. Кроме того, устройство содержит также генератор 8 оценки косинусной квадратурной составляющей полезного сигнала, генератор 8' оценки синусной квадратурной составляющей полезного сигнала и сумматор 9. Выход первого блока 3' весового сложения соединен с управляющим входом генератора 8 оценки косинусной квадратурной составляющей полезного сигнала. Выход второго блока 3” весового сложения соединен с управляющим входом генератора 8' оценки синусной квадратурной составляющей полезного сигнала. Выход генератора 8 оценки косинусной квадратурной составляющей полезного сигнала и выход генератора 8' оценки синусной квадратурной составляющей полезного сигнала соединены соответственно с первым и вторым входами сумматора 9. Выход сумматора 9 соединен со вторым входом вычитателя 5.
Используемые в предложенном устройстве функциональные блоки хорошо известны в данной области техники. Так выполненные по одинаковой схеме блоки 3, 3' и 3” весового сложения известны из авторского свидетельства SU - A - №1072267, 1984. Из этого же патентного документа известны многоотводные линии задержки и сумматор. Блок 6 сравнения модуля сигнала с пороговым уровнем известен из авторского свидетельства SU - A1 - №1483646, 1983 и используется также для управления работой нормально замкнутого ключа. В качестве генераторов 4, 8 и 8' могут быть использованы любые известные генераторы импульсов с изменяемой амплитудой.
c
c
ш
c
Устройство для подавления шумовых выбросов работает следующим образом. Входной сигнал V, принятый в промежутке времени между следующими с периодом Т друг за другом Z и Z+1 прямоугольными зондирующими импульсами длительностью t (фиг.3-4) и представляющий собой аддитивную смесь полезного сигнала U и сигнала шума U, подвергается дискретной обработке путем квантования его по времени с шагом, равным t, при этом максимальное число Н шагов квантования входного сигнала, принятого в упомянутом выше промежутке времени, равно  а  - является реализацией входного сигнала, которая соответствует h-ому шагу квантования, где h=1, 2, …, Н.
c
B
B
c
1
-1
Для обеспечения дискретной обработки входной сигнал V одновременно подается на вход первой линии 1 задержки, обеспечивающей задержку его на время, необходимое для формирования оценки полезного сигнала для соответствующей реализации входного сигнала, а также на вход второй (многоотводной) линии 2 задержки (фиг.1 и 2). Полезный сигнал в виде прямоугольного видеоимпульса (например, после детектирования принятого радиолокационного сигнала) содержит единственный неизвестный параметр - амплитуду. В этом случае (который соответствует первому варианту осуществления изобретения) вторая линия 2 задержки выполнена с М отводами, обеспечивающими относительно друг друга задержку на одинаковый промежуток времени  при этом M=t·F, а F - верхняя граничная частота спектра упомянутого выше прямоугольного видеоимпульса. В результате в многоотводной второй линии 2 задержки обеспечивается формирование М отсчетов принятой за время t реализации входного сигнала V, взятых через одинаковые промежутки времени , а именно: , , …, , … , где m=1, 2, …, М. Отсчеты  образуют выборку, соответствующие сигналу шума составляющие которых -  являются некоррелированными, поскольку отсчеты взяты через одинаковые промежутки времени, которые равны периоду верхней граничной частоты спектра прямоугольного видеоимпульса. С выходов (отводов) второй линии 2 задержки отсчеты  подаются на соответствующие входы блока 3 весового сложения с одинаковым весовым коэффициентом - М. Таким образом, на выходе блока 3 весового сложения формируется сигнал , который является оценкой амплитуды полезного сигнала на первом шаге квантования входного сигнала, принятого по окончании прямоугольного зондирующего импульса и равен среднему арифметическому отсчетов
Сигнал  с выхода блока 3 весового сложения подается на управляющий вход генератора 4 оценки полезного сигнала, на выходе которого формируется оценка полезного сигнала на первом шаге квантования входного сигнала, а именно: прямоугольный видеоимпульс с амплитудой  и длительностью
c
t. Этот сигнал с выхода генератора 4 оценки полезного сигнала подается на второй вход вычитателя 5, при этом одновременно на первый вход вычитателя 5 подается входной сигнал, задержанный с помощью первой линии 1 задержки на время, необходимое для формирования оценки полезного сигнала. В вычитателе 5 из входной смеси полезного сигнала и сигнала шума вычитается оценка полезного сигнала, соответствующая первому шагу квантования. В результате на выходе вычитателя 5 выделяется оценка сигнала шума , соответствующая первому шагу квантования и равная:
п
п
Здесь необходимо отметить, что поскольку соответствующие сигналу шума составляющие  отсчетов  являются некоррелированными, поэтому дисперсия величины  в М раз меньше дисперсии  а  С выхода вычитателя 5 напряжение, соответствующее оценке сигнала шума  на первом шаге квантования входного сигнала поступает на информационный вход блока 6 сравнения модуля сигнала с пороговым уровнем, при этом на управляющий вход этого же блока 6 подается напряжение U, значение которого обеспечивает требуемое отношение полезного сигнала к шуму. Таким образом, на выходе блока 6 сравнения модуля сигнала с пороговым уровнем напряжение будет равно нулю, если модуль оценки сигнала шума  будет меньше напряжения U и упомянутое выше напряжение будет отлично от нуля, когда  больше порогового напряжения
п
U. С выхода первой линии 1 задержки входной сигнал V подается также на информационный вход блока 7 “запрет”, который выполнен, предпочтительно в виде управляемого ключа 7'. Одновременно на управляющий вход ключа 7' подается напряжение с выхода блока 6 сравнения модуля сигнала с пороговым уровнем, при этом ключ 7' находится в замкнутом положении, когда напряжение на его управляющем входе равно нулю, и в разомкнутом положении, когда напряжение на его управляющем входе отлично от нуля.
п
п
В результате, когда модуль оценки сигнала шума  меньше порогового напряжения U - входной сигнал V передается с информационного входа ключа 7' на его выход, являющийся выходом устройства. В случае, когда модуль оценки сигнала шума  больше порогового напряжения, - напряжение на выходе устройства равно нулю. Иными словами, входной сигнал V поступает на выход устройства только в те промежутки времени, когда модуль оценки сигнала шума  меньше порогового напряжения U. Таким образом, из дальнейшей обработки входного сигнала исключаются отрезки времени действия шумовых компонент, превышающих пороговое напряжение, т.е. отрезки времени, когда отношение сигнал/шум меньше заранее выбранного значения.
c
c
0
c
0
2
0
3
0
0
c
3
0
ccos'
2
3
4
н
-1
-1
1
-1
-1
Спустя время 2 t с момента начала описанного выше процесса, с помощью многоотводной второй линии 2 задержки обеспечивается формирование М отсчетов реализации входного сигнала V, которая соответствует второму шагу квантования входного сигнала. Отсчеты , , …, , …,  (аналогично тому, как описано выше) взяты через одинаковые промежутки времени  и используются для формирования оценки амплитуды полезного сигнала  на втором шаге квантования с помощью первого блока 3 весового сложения. Затем, с помощью генератора 4 оценки входного сигнала формируется оценка полезного сигнала на втором шаге квантования (прямоугольный видеоимпульс с амплитудой  и длительностью t), с помощью вычитателя 5 формируется оценка сигнала шума , соответствующая второму шагу квантования, а с помощью блока 6 сравнения модуля сигнала с пороговым уровнем формируется сигнал для управления ключом 7. Аналогично осуществляется обработка реализаций входного сигнала, соответствующих последующим шагам квантования входного сигнала: V, V, …, V (фиг.4). Что касается полезного сигнала в виде прямоугольного радиоимпульса с частотой f колебаний его цуга, то он содержит два неизвестных параметра, а именно: амплитуду и начальную фазу. В этом случае (который соответствует второму варианту осуществления изобретения) вторая линия 2 задержки выполнена с отводами, образующими две группы по N=t·f отводов в каждой, при этом отводы первой и второй групп расположены в чередующейся последовательности с обеспечением задержки между одноименными отводами (первыми, вторыми и т.д. отводами первой и второй групп) на одинаковый промежуток времени Δt=(4·f), а отводы в каждой группе отводов расположены с обеспечением относительно друг друга задержки на одинаковый промежуток времени Δt=(f). В результате в многоотводной линии 2 задержки обеспечивается формирование двух выборок из одинакового числа - N отсчетов, задержанных попарно друг относительно друга на четверть периода частоты f колебания цуга прямоугольных (зондирующих) радиоимпульсов. С выходов многоотводной второй линии 2 задержки, которым соответствуют отводы первой группы отводов, , , …, , … , где i=1, 2, …, N принятой за время t реализации входного сигнала V, взятые через одинаковые промежутки времени Δt=(f), подаются на соответствующие входы первого блока 3' весового сложения, в котором осуществляется их сложение с одинаковым весовым коэффициентом N. Таким образом, на выходе первого блока 3' весового сложения формируется сигнал , который является оценкой амплитуды косинусной квадратурной составляющей полезного сигнала U на первом шаге квантования входного сигнала, и равен среднему арифметическому отсчетов :
c
3
0
OAsin
csin
1
-1
-1
С выходов многоотводной второй линии 2 задержки, которым соответствуют отводы второй группы отводов отсчеты , , …, , … , где j=1, 2, …, N принятой за время t реализации входного сигнала V, взятые через одинаковые промежутки времени Δt=(f), подаются на соответствующие входы второго блока 3” (фиг.2) весового сложения с одинаковым весовым коэффициентом N. Таким образом, на выходе второго блока 3” весового сложения формируется сигнал V, который является оценкой амплитуды синусной квадратурной составляющей полезного сигнала U на первом шаге квантования входного сигнала, принятого по окончании прямоугольного зондирующего радиоимпульса, и равен среднему арифметическому отсчетов :
Таким образом, оценка амплитуды косинусной квадратурной составляющей отличается от амплитуды косинусной квадратурной составляющей полезного сигнала на величину ошибки , а оценка амплитуды синусной квадратурной составляющей отличается от амплитуды синусной квадратурной составляющей полезного сигнала на величину ошибки  Однако, чем выше частота
0
f, тем величина упомянутых выше ошибок меньше.
0
c
Сигнал  с выхода первого блока 3' весового сложения подается на управляющий вход генератора 8 оценки косинусной квадратурной составляющей полезного сигнала, на выходе которого формируется оценка косинусной квадратурной составляющей полезного сигнала на первом шаге квантования входного сигнала, а именно: прямоугольный радиоимпульс с начальной фазой частоты колебаний f, равной 90°, амплитудой  и длительностью t.
c
0
Сигнал  с выхода второго блока 3 весового сложения подается на управляющий вход генератора 8' оценки синусной квадратурной составляющей полезного сигнала, на выходе которого формируется оценка синусной квадратурной составляющей полезного сигнала на первом шаге квантования входного сигнала, а именно: прямоугольный радиоимпульс длительностью t с начальной фазой частоты колебаний f, равной 0°, и амплитудой .
c
0
п
c
Сигнал с выхода генератора 8 оценки косинусной квадратурной составляющей полезного сигнала подается на первый вход сумматора 9, а сигнал с выхода генератора 8' оценки синусной квадратурной составляющей полезного сигнала подается на второй вход сумматора 9. На выходе сумматора 9 формируется оценка полезного сигнала на первом шаге квантования входного сигнала, а именно, прямоугольный радиоимпульс длительностью t с амплитудой частоты колебаний f, равной -  и начальной фазой, равной -  Этот сигнал с выхода сумматора 9 подается на второй вход вычитателя 5, при этом одновременно на первый вход вычитателя 5 подается входной сигнал, задержанный с помощью первой линии 1 задержки на время, необходимое для формирования оценки полезного сигнала на первом шаге квантования входного сигнала. Иными словами, аналогично тому, как описано выше. Далее в вычитателе 5 из входной смеси полезного сигнала и сигнала шума вычитается оценка полезного сигнала, соответствующая первому шагу квантования входного сигнала. В результате на выходе вычитателя 5 выделяется оценка сигнала шума , которая подается на информационный вход блока 6 сравнения модуля сигнала с пороговым уровнем, при этом на его управляющий вход подается пороговое напряжение U, значение которого (аналогично тому, как в описанном выше первом варианте осуществления изобретения) обеспечивает требуемое отношение полезного сигнала к шуму. Напряжение с выхода блока 6 сравнения модуля сигнала с пороговым уровнем подается на управляющий вход ключа 7' при этом, если  напряжение на управляющем входе ключа 7' равно нулю и входной сигнал передается с информационного входа ключа 7' на его выход, который является выходом устройства. Если , то напряжение на управляющем входе ключа 7' отлично от нуля и ключ 7' находится в разомкнутом положении. В результате входной сигнал не проходит на выход устройства. Аналогично осуществляется обработка реализаций входного сигнала, соответствующих последующим шагам квантования входного сигнала, при этом дальность до цели определяется по тому номеру шага квантования, которому соответствует максимальное значение полезного сигнала. Предложенное устройство может быть использовано как в одноканальных радиолокационных комплексах, так и в многоканальных. В последнем случае повышение точности определения дальности до цели может быть достигнуто путем сдвига начала работы каналов друг относительно друга на время t/К, где К - число параллельно работающих приемных каналов, в каждом из которых установлено предложенное устройство.
Промышленная применимость предложенного устройства подтверждается также возможностью осуществления его с использованием известных в радиоэлектронике функциональных узлов и комплектующих.