ВИДЕОСЕЛЕКТОР
VIDEO GATE

Предлагаемый видеоселектор относится к области радиотехники и предназначен для использования в устройствах, осуществляющих выделение и обработку видеосигнала с целью отсева ложной информации и повышения отношения сигнал/шум на их выходе.
Видеоселектор может быть использован в радиолокационных системах, а также в устройствах первичной обработки информации, преобразующих видеосигнал в форму, удобную для ввода в ЦВМ.
Большинство устройств, осуществляющих выделение полезного сигнала из помех и шумов, основано на способе повышения отношения сигнал/шум путем накопления энергии периодически следующих видеосигналов на элементах статической и динамической памяти за ряд периодов их следования. Примером таких устройств могут служить некогерентные накопители видеосигналов, выполненные на основе ЭЛТ, 3 ЭЛТ (запоминающих ЭЛТ), магнитных барабанов, сумматора сигналов на накопительных конденсаторах, накопителей на линиях задержки с положительной обратной связью, а также на основе накопительных устройств с временной селекцией видеосигнала и квантованием его по уровню (цифровые накопители бинарных импульсных сигналов). К тому же разряду можно отнести обнаружители сигналов, выполненные на линиях задержки с череспериодным сравнением (методом совпадений) и обработкой по критерию ″К″ из ″m″ , см. С.В. Самсоненко ″Цифровые методы оптимальной обработки радиолокационных сигналов″, 1968, с. 96-108. М.И. Финкельштейн, ″Основы радиолокации″, 1973, с. 226, 235; 251-257. ″Радиотехнические системы″, под ред. Ю.М. Казаринова, 1968 г., с. 146-151.
Прототипом, т.е. устройством, наиболее близким по составу к предлагаемому техническому решению, является видеодискриминатор шума с задержкой детектируемого импульса, описание которого приведено в материалах патента США №3.124.707 от 10 марта 1964 г.
Видеодискриминатор шума содержит линию задержки с отводами, на вход которой подключен, например, выход видеоусилителя, а к ее концу согласующий резистор. Отводы на линии задержки выполнены через равные временные интервалы и размещены вдоль линии равномерно, т.е. отводы разбивают линию задержки на ряд секций временной задержки.
К отводам линии задержки подключены входы (базы) однотипных усилителей на транзисторах. Коллекторы транзисторов подключены к общей нагрузке - резистору, через который на них поступает питающее напряжение. Точка подключения коллекторов транзисторов к резистору является выходом устройства по суммарному сигналу. Таким образом к отводам линии задержки подключены входы сумматора видеосигналов.
Повышение отношения сигнал/шум на выходе видеодискриминатора шума с задержкой детектируемого импульса достигается тем, что по мере продвижения по линии задержки видеосигнала, видеоимпульсы и шумы, с последовательной задержкой в секциях линии, поступают через отводы на линии задержки на входы сумматора. На нагрузке сумматора сигналы суммируются. Сложение сфазированных в пределах длительности импульса, но сдвинутых относительно друг друга составляющих видеоимпульса, приводит к тому, что на нагрузке сумматора амплитуда сигнала нарастает, а в последующем, при выходе сигнала из линии задержки, падает. Выходной импульс приобретает форму равнобедренного треугольника, причем длительность импульса по основанию удваивается (если длительность входного сигнала и длительность задержки его в линии равны).
Сложение же на нагрузке сумматора не коррелированных шумов больших изменений их амплитуды не вызывает. Шумы в пределах задержки сигнала в линии имеют случайную фазу и амплитуду частотных составляющих. Шумы уплотняются, но по уровню практически не возрастают. Разность в нарастании амплитуды обрабатываемого видеоимпульса и шумов на выходе видеодискриминатора шума приводит к повышению отношения сигнал/шум на выходе устройства относительно его входа. Как следует из описания патента, повышение отношения сигнал/шум на выходе видеодискриминатора шума достигает 7 дБ.
К недостаткам прототипа можно отнести слабый отсев коротких помеховых сигналов большой амплитуды и значительное расширение длительности выделяемых сигналов, что приводит к сглаживанию фронтальных границ импульса, за счет медленного нарастания и спада, это приводит к размыву очертаний радиолокационного изображения на индикаторах, а наличие на выходе устройства коротких импульсных помех затрудняет выделение полезной информации аппаратурой автоматической обработки и выделения сигналов при работе на ЦВМ.
Целью данного изобретения является повышение эффективности отсева видеоселектором коротких импульсных помех большой амплитуды при ограничении длительности сигналов на его выходе и, как следствие, повышение достоверности результатов обработки поступающей информации в последующих устройствах и увеличение качества отображения радиолокационного изображения на экране индикаторов, повышения его четкости.
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mi>з</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>m</mi></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow>
Указанная цель достигается тем, что в видеоселектор, содержащий эмиттерный повторитель, согласованную по входу и выходу линию задержки с ″n″ отводами, вход которой подключен к выходу эммитерного повторителя и сумматор, выход которого является выходом устройства, в видеоселектор введены нелинейный усилитель и ″m″ перемножителей. Выход нелинейного усилителя подключен ко входу эмиттерного повторителя, а вход к выходу видеоусилителя радиолокационной системы. Выходы перемножителей подключены, соответственно, к входам сумматора, а их входы, попарно, к отводам на линии задержки, временной интервал задержки между которыми выбран равным
,
з
где Δt - длительность задержки сигнала в линии задержки,
m - число перемножителей, а n - число отводов на линии, считая начало и конец линии задержки.
Наличие нелинейного усилителя на входе видеоселектора позволяет, в зависимости от решаемых задач и заданного на входе устройства отношения сигнал/шум, обеспечить необходимую амплитудную корректировку входных сигналов, сформировать сквозную характеристику устройства и тем самым повысить эффективность отсева помех и шумов.
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mi>з</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>m</mi></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow>
Включение в состав видеоселектора ″m″ аналоговых перемножителей, с попарным подключением их входов к отводам на линии задержки, через интервал задержки, равный
, обеспечивает отсев коротких импульсных сигналов большой амплитуды (импульсных помех, отдельных шумовых выбросов и т.д.), имеющихся на входе устройства и укорочение длительности входного сигнала.
Подключение выходов ″m″ перемножителей к выходам сумматора, с учетом временного сдвига их выходных сигналов на входах сумматора, обеспечивает повышение отношения сигнал/шум на выходе устройства (по аналогии с прототипом), и формирование на его выходе импульсов с длительностью, равной или близкой длительности входных сигналов. Технические решения, совпадающие в совокупности с отличительными признаками предлагаемого устройства авторам неизвестны.
На фиг. 1 показана блок-схема видеоселектора, а на фиг. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие его работу.
В видеоселектор входит нелинейный усилитель 1, эмиттерный повторитель 2, линия задержки 3, ″m″ однотипных аналоговых переумножителей 4, 5, 6, 7 и сумматор 8.
Видеоселектор реализован, в основном, на основе аналоговых интегральных схем (АИС), использующих прецезионные операционные усилители. Нелинейный усилитель 1 выполнен на основе операционного усилителя, например 544УД2А, охваченного обратной связью с линейной и нелинейной параллельными ветвями (например, с использованием диодов). На его вход подключен выход видеоусилителя радиолокационной системы.
Эмиттерный повторитель 2 собран на полупроводниковом триоде, выход которого подключен, через согласующий резистор, к линии задержки 3, а вход к выходу нелинейного усилителя 1.
з
Линия задержки 3 - широкополосная линия задержки со средоточенными параметрами, к концу которой подключен согласующий резистор. На линии задержки сделан ряд отводов сигнала а, б, в, г, д, е, ж, з. Время задержки сигнала в линии Δt выбрано равным ожидаемой длительности полезного сигнала или несколько меньше. Отводы линии задержки 3 подключены попарно к входам перемножителей 4, 5, 6, 7 и т.д. (входы 1, 2 перемножителей).
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mn>0</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><mo>−</mo><mn>1</mn><mo>,</mo><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo><mo>⋅</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><msub><mi>t</mi><mi>з</mi></msub><mo>⋅</mo><mi>m</mi></mrow><mrow><mi>n</mi><mo>−</mo><mn>1</mn></mrow></mfrac></mrow>
В качестве перемножителей используются АИС, например, типа 525ПС2, выходы которых 1, 2, 3, 4 подключены к входам 1, 2, 3, 4 сумматора 8. Входы каждого перемножителя подключены к отводам линии задержки 3 попарно. Временной интервал задержки сигнала между отводами выбран равным
.
Каждая последующая пара входов перемножителей, относительно соседней, предыдущей пары, подключено к отводам с последовательным временным сдвигом от начала линии к ее концу так, чтобы все пары равномерно перекрывали всю линию задержки 3. При указанном числе отводов парные соединения входов перемножителей могут быть следующими: например, а-д, б-е, в-ж, г-з (основной вариант) или а-е, б-д, в-з, г-ж и т.д.
Для более эффективного отсева шумов сумматором 8, число перемножителей выбирается равным 4 или больше (5-8).
Сумматор 8 выполнен на основе операционного усилителя, например, 544УД2А, к выходу которого подключен эмиттерный повторитель. Выход эмиттерного повторителя сумматора и вход операционного усилителя охвачены обратной связью. К резистору обратной связи, в точке его подключения ко входу операционного усилителя, подключено ″m″ однотипных параллельных резисторов. Свободные концы резисторов являются входами 1, 2, 3, 4 сумматоров 8, к которым и подключаются выходы перемножителей. Выход эмиттерного повторителя сумматора 8 является его выходом, т.е. выходом устройства. К выходу сумматора может быть подключен вход ограничителя сигналов устройства первичной обработки информации и параллельно вход индикатора.
Работа видеоселектора заключается в следующем.
Видеосигнал, смесь видеоимпульсов и шума, через нелинейный усилитель 1 и катодный повторитель 2 поступает на вход (Н) линии задержки 3. Продвигаясь по линии задержки видеоимпульсы, через отводы на линии, последовательно поступают на входы перемножителей 4, 5, 6, 7. Из принципа работы аналогового перемножителя известно, что величина его выходного сигнала определяется произведением амплитуд сигналов на его входах. При наличии на одном из его входов нулевого потенциала, а на втором единицы - сигнал на выходе будет равен нулю. При одновременном поступлении на оба входа двух единичных сигналов равной амплитуды сигнал на выходе перемножителя будет равен единице (условие совпадений).
При прохождении по линии задержки 3 длительного видеоимпульса, составляющие которого в пределах его длительности имеют равную амплитуду и фазу, обеспечиваются условия одновременного перекрытия импульсом временного промежутка задержки между двумя отводами на линии, к которым подключены входы, например, первого перемножителя. При дальнейшем продвижении видеоимпульса по линии задержки 3 данные условия выполняются и для последующих перемножителей. В этом случае на выходах перемножителей будут выделяться сигналы равной амплитуды и одинаковой фазы, причем длительность выходного импульса будет укорочена на величину задержки сигнала в соответствующем промежутке между отводами. На входах сумматора 8 появится ″m″ сигналов, сдвинутых относительно друг друга на величину взаимного сдвига парных входов перемножителей вдоль линий задержки 3. На выходе сумматора 8 сформируется сигнал, имеющий форму равнобедренного треугольника (как и в прототипе), длительность которого, по основанию, будет близка или равна длительности входного сигнала (зависит от порядка подключения входов перемножителей к отводам на линии задержки). См. диаграммы на фиг. 2.
При наличии на входе линии задержки 3 коротких импульсных сигналов большой амплитуды (импульсы помех, шумовые всплески и т.д.), условие совпадений составляющих сигнала одновременно на двух входах для любого из ″m″ перемножителей не выполняется. В связи с этим на выходах перемножителей сигнал будет отсутствовать, не будет его и на выходе сумматора 8, т.е. на выходе и всего устройства. Устройство в целом работает как фильтр верхних частот. Для шумов, в связи со значительным интервалом задержки между отводами, к которым подключаются входы перемножителей, вероятность совпадений их составляющих с равной амплитудой и фазой также понижается. Шумы становятся более редкими. Дальнейшее повышение отношения сигнал/шум обеспечивается сумматором, как и в прототипе, т.к. на его нагрузке суммирование не коррелированных шумов производится со значительным временным сдвигом сигналов на его входах.
Суммированием сдвинутых по времени выделяемых укороченных импульсов, поступающих с выходов перемножителей, обеспечивается на выходе сумматора формирование и выходного сигнала с длительностью равной или близкой длительности входного импульса. См. фиг. 2д, е.
Временные графики, поясняющие работу видеоселектора, приведены на фиг. 2. На графиках рассматривается случай подключения входов перемножителей к отводам на линии задержки по наиболее рациональной схеме а-д, б-е, в-ж, г-з. На фиг. 2а, б, в, г показаны графики последовательного продвижения входного импульса относительно соответствующей пары входов перемножителя, а на фиг. 2д четыре выходных сигнала, сформированных каждым из 4-х перемножителей. Короткий импульс, показанный на фоне длительного сигнала, зашифрован.
4
5
6
7
Суммарный импульс, получаемый на выходе сумматора 8, показан на фиг. 2е. Из графиков видно, что короткие импульсы не суммируются. На фиг. 2д выходные импульсы перемножителей 4, 5, 6, 7, для ясности, обозначены индексами В, В, В, В, а на графическом изображении линии задержки отводы, парно подключаемые ко входам соответствующего перемножителя, обозначены номером перемножителя. Шкала для всех временных графиков идентична.
Использование видеоселектора в видеоканалах радиолокационных станций, телеметрии и других радиотехнических системах, осуществляющих прием и обработку импульсных сигналов, может в значительной степени снизить влияние на обработку информации шумовых помех и отдельных коротких импульсных сигналов. Одновременно обеспечивается снижение уровня шумов и повышение отношения сигнал/шум на выходе устройства.
Длительность выделяемого полезного сигнала практически сохраняется равной длительности входных импульсов. Это позволяет обеспечить большую достоверность выделения полезной информации, сохранить разрешающую способность РЛС, а при выборе определенного уровня ограничения сигналов на входе последующих устройств, свести влияние шумов и отдельных шумовых выбросов большой амплитуды. к минимуму. Эффект отсева коротких импульсных сигналов может быть наиболее эффективным при заданном на входе системы отношении сигнал/шум (например, при приеме ретранслируемых сигналов) большем единицы.
Снижение влияния шумовых и импульсных помех на обработку информации, позволяет повысить помехоустойчивость системы, увеличить дальность обзора РЛС и улучшить условия выделения и разрешения целей, повысить четкость радиолокационного изображения на экране индикатора.
При использовании видеоселектора в сочетании с ограничителем сигналов и устройствами первичной обработки информации с последующей выдачей ее в ЦВМ, обеспечивается значительно большая достоверность решения поставленных задач.
Экспериментальная проверка предлагаемого технического решения подтвердила работоспособность устройства и его эффективность.
В зависимости от конкретного использования в аппаратуре изделий видеоселектора экономический эффект от использования изобретения может быть значительным - десятки тысяч. Аппаратура изделий может быть существенно упрощена.