СЕЛЕКТОР ВИДЕОСИГНАЛОВ
VIDEO SIGNAL SELECTOR

Предлагаемый селектор видеосигналов относится к области радиотехники и предназначен для использования в устройствах, осуществляющих выделение и обработку видеосигнала, с целью повышения на их выходе отношения сигнал/шум.
Такими устройствами могут быть системы радиолокации, импульсно-кодовой радиосвязи, телеметрии и т.д., а также устройства первичной обработки информации, преобразующие видеосигнал в форму, удобную для ее ввода в ЦВМ.
Известно большое число устройств, направленных на повышение отношения сигнал/шум на выходе приемно-усилительной аппаратуры путем выбора оптимальных параметров радиосигнала и согласования с ним УВЧ и ПЧ трактов приемника, понижения на входе приемных устройств уровня как внутренних, так и внешних помех, применения в приемном тракте согласованных фильтров, когерентных накопителей и др. (см. ″Радиотехнические системы″, под ред. Ю.М. Казаринова, 1968 г., стр. 115-145, ″Основы радиолокации″ М.И. Финкельштейн, 1973 г., стр. 195-197, 207-208, 215-217).
Техническая реализация большинства известных способов и устройств, направленных на повышение отношения сигнал/шум по СВЧ и ПЧ трактам представляет довольно сложную задачу, требует значительных материальных затрат и, в большинстве случаев, приводит к увеличению веса и габаритов аппаратуры.
Более простыми устройствами, реализующими способы повышения отношения сигнал/шум, являются устройства, в которых обрабатывается видеосигнал после детектора. В этом случае большинство устройств,  осуществляющих выделение полезного сигнала из шумов, основывается на способах повышения отношения сигнал/шум путем последовательного накопления или суммирования отдельных видеоимпульсов, входящих в пачку выделяемых видеосигналов, т.е. путем накопления энергии периодически следующих видеоимпульсов на элементах статической или динамической памяти за ряд периодов их следования.
Примером таких устройств могут служить некогерентные накопители видеосигналов, выполненные на основе ЭЛТ, ЗЭЛТ (запоминающих ЭЛТ), магнитных барабанов, сумматоров сигналов на накопительных конденсаторах, накопителях на линиях задержки с положительной обратной связью, а также на основе накопительных устройств с временной селекцией видеосигнала и квантованием его по уровню (цифровых накопителей бинарных импульсных сигналов). К этому же разряду можно отнести обнаружители сигналов, выполненные на линиях задержки с череспериодным сравнением (методом совпадений) и обработкой по критерию ″K″ из ″m″. (см. ″Радиотехнические системы″ под ред. Ю.М. Казаринова, 1968 г., стр. 146-151; М.И. Финкельштейн "Основы радиолокации", 1973 г., стр. 226, 235, 251-257).
Прототипом, наиболее полно отвечающим предлагаемому техническому решению, является видеодискриминатор шума с задержкой детектируемого импульса, описание которого приведено в материалах патента США №3124707 от 10 марта 1964 г., НК 307-88.5 (МКИ G01S 7/66).
Видеодискриминатор содержит линию задержки с отводами на вход которой подключен, например, выход видеоусилителя, а к ее концу резистор, согласующий волновое сопротивление линии задержки. Отводы на линии задержки, сделанные через равные временные интервалы, размещены вдоль всей линии задержки равномерно и разбивают линию на ряд секций.
К отводам линии задержи подключены входы (базы) однотипных усилителей на транзисторах. Коллекторы транзисторов присоединены к общей нагрузке-резистору, через который на них поступает питающее напряжение. Отвод суммарного сигнала от общей нагрузки усилителей является выходом устройства и осуществляется из точки подключения коллекторов транзисторов к резистору. Таким образом, к отводам линии задержки подключены сигнальные входы сумматора, с выхода которого сигнал может быть подан на вход последующего каскада, например на ограничитель сигналов.
Повышение отношения сигнал/шум на выходе видеодискриминатора шума с задержкой детектированного импульса достигается тем, что по мере продвижения видеосигнала по линии задержки видеоимпульсы и шумы с последовательной задержкой в секциях линии задержки, поступают через отводы на линии на входы сумматора и на его нагрузке суммируются частями.
Сложение сфазированных в пределах длительности импульса, но сдвинутых относительно друг друга составляющих видеоимпульса, приводит к тому, что на нагрузке сумматора, при заполнении видеоимпульсом линии задержки, амплитуда сигнала на нагрузке сумматора нарастает, а при его выходе падает. Импульс на выходе сумматора приобретает форму равнобедренного треугольника с длительностью по основанию вдвое большей, чем длительности входного сигнала (предполагается, что входной сигнал имеет прямоугольную форму и длительность, равную длительности задержки сигнала в линии задержки). Сложение же не коррелированных шумов, имеющих в пределах задержки сигнала в линии задержки случайную фазу и амплитуду частотных составляющих, на нагрузке сумматора не вызывает больших изменений амплитуды. Шумы уплотняются, их уровень несколько падает. Разность в величине нарастания амплитуды обрабатываемого видеоимпульса и шумов приводит к повышению отношения сигнал/шум на выходе устройства. Как следует из описания патента, повышение отношения сигнал/шум на выходе видеодискриминатора шума достигает 7 дБ.
Видеодискриминатору шума с задержкой детектируемого импульса присущ ряд недостатков и в том числе:
- повышение отношения сигнал/шум сравнительно небольшое, так как разнос составляющих видеосигнала по времени на входах сумматора незначителен;
- эффективность выделения видеосигналов большой длительности зависит от затухания сигнала в линии задержки, что ограничивает пределы его использования в системах, работающих с длительными сигналами;
- отсутствует возможность выделения коротких фронтальных видеосигналов, соответствующих переднему фронту длительных видеоимпульсов, что в отдельных случаях снижает точность определения координат целей.
Целью данного изобретения является повышение отношения сигнал/шум на выходе селектора видеосигналов и, как следствие, повышение чувствительности приемных устройств изделий. Кроме того, использование селектора видеосигналов совместно с аппаратурой устройств первичной обработки сигналов (УПО), с аппаратурой автоматизации процессов обработки информации в ЦВМ, позволяет повысить достоверность результатов обработки радиолокационной или телекодовой информации.
Указанная цель достигается тем, что в селектор видеосигналов, содержащий видеоусилитель, линию задержки с отводами, сумматор, сигнальные входы которого подключены к отводам линии задержки, ограничитель сигналов, вход которого подключен к выходу сумматора, а его выход является выходом устройства, между видеоусилителем и линией задержки включен размножитель сигналов. Вход размножителя сигналов подключен к выходу видеоусилителя, а его первый и второй выходы подключены, соответственно, к началу и концу линии задержки, отводы на которой, со сдвигом к началу линии задержки, размещены на половине интервала задержки сигналов в линии, т.е. на первой половине линии задержки. Размножитель сигналов содержит два идентичных эмиттерных повторителя, инвертор и коммутатор на два входа. Выходы эмиттерных повторителей соединены, соответственно, с первым и вторым выходами размножителя сигналов, первый вход которого подключен к входу первого эмиттерного повторителя, к входу инвертора и первому входу коммутатора. Выход коммутатора соединен со входом второго эмиттерного повторителя, его второй вход - с выходом инвертора, а его управляющий вход - со вторым входом размножителя сигналов.
Включение размножителя сигналов между выходом видеоусилителя и линией задержки, с подключением его первого и второго выходов к началу и концу линии задержки, обеспечивает встречное перемещение вдоль линии задержки синфазных или противофазных видеосигналов. Наличие в размножителе сигналов двух идентичных по коэффициенту передачи эмиттерных повторителей обеспечивает формирование на его выходе двух равных по амплитуде видеосигналов. Включением в размножитель сигналов инвертора и коммутатора обеспечивается, при необходимости, выдача на второй выход размножителя сигналов видеосигнала той же амплитуды, но с противоположной фазой.
Размещение отводов на первой половине линии задержки со смещением их к началу линии обеспечивает больший относительный сдвиг сигналов и более эффективный отсев импульсных помех и шумов.
Технические решения, совпадающие в совокупности с отличительными признаками предлагаемого устройства, авторам не известны.
На фигуре 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства, а на фигурах 2 и 3 представлены диаграммы, поясняющие его работу.
Селектор видеосигналов содержит видеоусилитель 1, размножитель сигналов 2, линию задержки 3 с отводами а, б, в, г, сумматор 4 и ограничитель сигналов 5. Размножитель сигналов 2 содержит два однотипных эмиттерных повторителя 6 и 7, инвертор 8 и коммутатор 9. Эмиттерные повторители выполнены на полупроводниковых триодах. Выходы эмиттерных повторителей подключены, соответственно, к первому и второму выходам размножителя сигналов 2. Вход первого (6) эмиттерного повторителя подключается к первому входу размножителя сигналов 2, а второго (7) - к выходу коммутатора 9. Если требований к инвертированию сигнала на втором выходе размножителя сигналов 2 не выдвигается, то в составе размножителя сигналов 2 инвертор 8 и коммутатор 9 могут отсутствовать. В этом случае входы эмиттерных повторителей соединены или, для разделения сигналов, используется один эмиттерный повторитель, к выходу которого однополярно подключены два разделительных диода. Выходы диодов подключены, соответственно, к первому и второму выходам размножителя сигналов 2.
Инвертор 8 выполнен по обычной аналоговой схеме на полупроводниках. Его вход подключен к первому входу размножителя сигналов 2, а выход - к одному из двух входов коммутатора 9. Коммутатор выполнен на основе реле, средний контакт которого является его выходом, а коммутируемые контакты его 1 и 2 - входами. Для коммутации могут быть использованы и полупроводниковые схемы.
Линия задержки 3 является стандартной, согласованной по входу и выходу, широкополосной линией задержки со средоточенными параметрами. Величина задержки сигнала в линии выбрана равной или несколько меньшей длительности ожидаемых видеоимпульсов. Выводы а, б, в, г на линии задержки размещены в пределах половины задержки сигнала в линии и смещены к ее началу. Число отводов на линии задержки может быть значительно больше четырех, например 8, 12 и т.д.
Сумматор 4 содержит ряд однотипных полупроводниковых усилителей, работающих на общую нагрузку-резистор, выход с которой является выходом сумматора. Входы усилителей подключены к отводам линии задержки 3. Сумматор 5 может быть выполнен и на микросхемах.
Ограничитель сигналов 5 является ограничителем по минимуму и выполнен на основе полупроводниковых триодов или микросхемы.
Устройство работает следующим образом.
1. При наличии на первом и втором выходах размножителя сигналов 2 двух сфазированных и равных по амплитуде видеосигналов.
Видеосигнал (смесь видеоимпульсов и шума) с выхода видеоусилителя 1 поступает на вход размножителя сигналов 2, откуда через первый и второй выходы размножителя сигналов 2, в виде двух синфазных идентичных сигналов, поступает на начало (н) и конец (к) линии задержки 3. При встречном перемещении по линии задержки 3 двух однополярных сигналов происходит их взаимное наложение друг на друга, с нарастанием временного сдвига. Видеоимпульсы, имеющие равную амплитуду и одинаковую полярность, при совпадении энергетически суммируются на элементах линии и их амплитуда увеличивается, а не коррелированные шумы усредняются. Их амплитуда падает. Суммарный сдвиг отводов а, б, в, г к началу линии задержки и размещение их только на половине линии обеспечивает наилучшие условия выделения сигнала и несовпадения отдельных шумовых выбросов большой амплитуды, но малой длительности. Суммарный сигнал с элементов линии задержки 3 через отводы а, б, в, г поступает на входы сумматора 4 и выделяется на его нагрузке. Форма выходного сигнала принимает вид равнобедренного треугольника, как и в прототипе, но имеет большую амплитуду. Амплитуда коротких импульсов нарастает незначительно. С выхода сумматора 4 выходной сигнал поступает на вход 1 ограничителя сигналов 5, где ограничивается по минимуму. Предел ограничения сигналов в ограничителе 5 переменный и может меняться от 0 до максимума...
Меняя предел ограничения сигнала, оператор может отделить полезный сигнал от шумов и просочившихся коротких импульсов (помех) и ограничить длительность полезного видеоимпульса на выходе ограничителя сигналов 5 заданными пределами.
На фиг. 2, применительно к данному случаю, показаны диаграммы и процесс суммирования на нагрузке сумматора 4 коротких и длительных однополярных импульсов. Короткие импульсы заштрихованы. Процесс суммирования составляющих импульса на нагрузке сумматора, при продвижении его от начала линии задержки 3 к ее концу, показан на фиг. 2а и б, а от конца линии задержки к ее началу на фиг. 2в, г. Для наглядности суммирование сигналов на участке линии задержки, охваченной обводами а, б, в, г, показано в статике. Для сохранения временной последовательности продвижения импульса по линии задержки от конца линии к ее началу на фигурах 2в, г начало отсчета показано с поворотом на 180° относительно конца линии и с задержкой его начала на время его продвижения по участку линии задержки без отводов.
Формирование суммарного выходного сигнала на нагрузке сумматора 4 показано на фиг. 2д. Форма и амплитуда импульса определяется суммированием сигналов, показанных на фиг. 2б, г, с учетом энергетического суммирования входных сигналов на элементах линии задержки при их встречном перемещении и наложении друг на друга.
Условный уровень ограничения сигнала, показанного на фиг. 2д, обозначен пунктирной линией.
2. При наличии на первом и втором выходе размножителя сигналов 2 двух равных по амплитуде, но противоположных по фазе,  видеосигналов. Последовательность прохождения видеосигнала по цепочке от видеоусилителя 1 до выхода ограничителя сигналов 5 в этом случае сохраняется прежней.
Работа сумматора 4 и ограничителя 5 также не изменяется. Отличие состоит в следующем.
При поступлении управляющего сигнала на второй вход размножителя сигналов 2 коммутатор подключает выход инвертора ко входу второго эмитерного повторителя, выход которого является вторым выходом размножителя сигналов 2. В этом случае с некоммутируемого выхода 1 размножителя сигналов 2 на начало (н) линии задержки 3 поступает видеосигнал той же амплитуды и полярности как и в первом, ранее рассмотренном случае.
С выхода 2 размножителя сигналов 2 на конец (к) линии задержки 3 при этом поступает видеосигнал равной амплитуды, но обратной полярности. При встречном перемещении вдоль линии задержки и совпадении двух разнополярных сигналов, на элементах линии происходит их вычитание. Учитывая, что отводы на линии задержки размещены только на половине линии, со сдвигом к ее началу, то в первый полупериод задержки сигнала в линии видеосигнал, поступающий на начало линии через отводы на линии, поступает на входы сумматора 4. Видеоимпульс на выходе сумматора начинает нарастать по амплитуде и за полупериод достигает максимума. Во второй полупериод задержки, когда на входы сумматора 4 начинает поступать сигнал обратной полярности с конца линии задержки, на отводах линии задержки появляется сигнал разности, равный нулю. Амплитуда сигнала на выходе сумматора начинает падать. Видеоимпульс приобретает форму равнобедренного треугольника. Дальнейшее продвижение длительного импульса по линии задержки 3 не вызывает появления видеоимпульса на выходе устройства, т.к. нулевой уровень и отрицательные значения амплитуды ограничитель сигналов не пропускает. Таким образом, независимо от длительности входного видеоимпульса на выходе устройства всегда будет формироваться короткий видеосигнал, соответствующий его переднему фронту.
Временные диаграммы для данного случая показаны на фиг. 3. Порядок размещения диаграмм на фиг. 3 и условные обозначения на них соответствуют тем же значениям, что и на фигуре 2. Для наглядности на фигурах 3а и 3в процесс продвижения видеоимпульса по линии задержки 3 на участке, охваченном отводами а, б, в, г, показан в динамике, т.е. с учетом последовательности продвижения импульса. На фигурах 3б, 3г и 3д показан процесс суммирования сигналов.
Использование селектора видеосигналов в канале видеочастот радиолокационных приемников дает значительный эффект в части повышения отношения сигнал/шум на выходе радиоприемных устройств радиолокатора, что повышает различимость на экране индикатора радиолокационных целей. Это приводит к увеличению дальности обзора РЛС и обнаружению дальних целей без существенных усложнений передающих и приемных устройств радиолокационных станций.
Использование селектора видеосигналов в сочетании с устройством первичной обработки информации, с последующей выдачей обработанных сигналов в ЦВМ, обеспечивает большую достоверность результатов обработки поступающей информации и принятие правильных решений.
Как показала экспериментальная проверка при работе в реальных условиях по транслируемым с выносных источников информации сигналам, реальный выигрыш в отношении сигнал/шум на выходе сумматора относительно входа достигает 10-12 дБ.
Учитывая, что порог ограничения сигналов по минимуму в ограничителе переменный и может быть выбран в пределах от 0 до максимума, то при наличии на входе устройства сигналов с заданным отношением сигнал/шум, например, 2/1, влияние шумов на последующую обработку практически может быть сведено к нулю или допустимому пределу.
Как известно, при наложении на экране индикатора строба на яркую отметку большой цели, на точности наложения строба сказывается маскирующий эффект отметки цели на конец строба. Это понижает точность съема координат цели, особенно если цель имеет сложную конфигурацию.
Возможность выделения передней кромки цели существенно для повышения точности бомбометания по информации бортовых радиолокационных станций. Возможность формирования селектором видеосигналов коротких импульсов, соответствующих переднему фронту длительных видеосигналов, облегчает задачу определения точных координат целей, а при использовании в аппаратуре устройств первичной обработки информации, с последующей записью результатов обработки в ЦВМ, разрешает сократить количество обрабатываемой информации и объемы необходимой памяти ЦВМ (например, при обработке сигналов при работе по водной поверхности вблизи берега и островов).