УСИЛИТЕЛЬ РАДИОЧАСТОТНЫХ ИМПУЛЬСОВ

Полезная  модель относится к области радиотехники, и, в частности, может быть использована в импульсных радиоприемниках, входящих в состав многоканальных систем ближней навигации или других радиосистем.
Известна схема усилителя радиочастотных импульсов, в которой защита от импульсных помех соседних частотных каналов осуществляется после детектирования путем селекции по длительности узких импульсов [1]. Данная схема не обеспечивает защиту от непрерывных помех от соседних каналов.
Известна схема усилителя радиочастотных импульсов, в которой защита от импульсных помех соседних частотных каналов осуществляется в тракте усиления радиочастоты путем селекции по длительности узких импульсов [2]. Недостатками этой схемы являются:
- Подавление импульсов на рабочей частоте при воздействии непрерывной помехи на соседнем канале
- Сложность реализации и настройки
Известна схема усилителя радиочастотных импульсов, в которой защита от импульсных помех соседних частотных каналов осуществляется методом амплитудно-частотной селекции [3], которая выбрана в качестве прототипа заявленного технического решения.
Схема данного известного усилителя радиочастотных импульсов по методу амплитудно-частотной селекции содержит (фиг.1) последовательно включенные предварительный усилитель радиочастоты 1, широкополосный полосовой фильтр 2, усилитель-ограничитель 3, узкополосный полосовой фильтр 4, амплитудный детектор 5, пороговое устройство 6.
ф
Устройство работает следующим образом: радиоимпульс усиливается предварительным усилителем радиочастоты 1 и подается на широкополосный полосовой фильтр 2. Широкополосный полосовой фильтр 2 имеет полосу пропускания в 4-5 раз больше ширины основного лепестка спектра импульса (поэтому он назван широкополосным), и подавляет несущую частоту соседнего канала на Ао дБ. В этом случае радиоимпульс прямоугольной формы на рабочей частоте, пройдя широкополосный полосовой фильтр 2, приобретает форму трапеции, у которой длительность фронтов равна , где  - полоса пропускания широкополосного полосового фильтра 2, то есть τ равна 20-25% от длительности рабочего импульса, а длительность самого выходного импульса (трапеции) по уровню 0,5 равна длительности входного импульса [4, 5].
Если на широкополосный полосовой фильтр 2 подается прямоугольный радиоимпульс на частоте соседнего канала, на выход широкополосного полосового фильтра 2 проходят только фронты импульса помехи в виде двух коротких импульсов, длительность которых , то есть длительность каждого из этих двух импульсов составляет только 20-25% от длительности рабочего импульса [4, 5].
С выхода широкополосного полосового фильтра 2 сигнал поступает на усилитель-ограничитель 3 с высоким коэффициентом усиления. На выходе усилителя-ограничителя 3 импульс сигнала на рабочей частоте и короткие импульсы сигнала помехи становятся равными по амплитуде. С выхода усилителя-ограничителя 3 сигнал поступает на узкополосный полосовой фильтр 4, ширина полосы которого равна ширине первого лепестка спектра рабочего формата, что обеспечивает соотношение сигнал/шум, близкое к оптимальному. Узкополосный полосовой фильтр 4 играет роль интегратора [3]. Короткие импульсы помехи на выходе узкополосного полосового фильтра 4 будут иметь меньшую амплитуду, чем длинные импульсы сигнала на рабочей частоте. После узкополосного полосового фильтра 4 сигнал подается на амплитудный детектор 5, в котором радиоимпульсы преобразуются в видеоимпульсы. Сигналы с выхода амплитудного детектора 5 попадают на пороговое устройство 6, которое ограничивает минимальный уровень выходного сигнала. Уровень срабатывания порогового устройства 6 устанавливается таким образом, чтобы короткие импульсы помехи, имеющие малую амплитуду, не превышали порог, а импульсы сигналов на рабочей частоте были выше уровня срабатывания. С выхода порогового устройства 6 сигналы поступают к потребителям информации.
Недостаток описанного усилителя радиочастотных импульсов заключается в том, что имеется большая вероятность полного подавления слабого полезного сигнала сильными помехами, приходящими сразу с нескольких соседних каналов, а в самом неблагоприятном случае, когда на соседнем частотном канале действует помеха в виде непрерывного излучения, рабочий тракт может оказаться парализованным на все время действия длительной помехи.
Задача, решаемая предлагаемым усилителем радиочастотных импульсов, заключается в повышении его помехозащищенности в условиях воздействия непрерывных помех от соседних каналов при сохранении оптимальной чувствительности.
Решение поставленной задачи достигается тем, что в усилитель радиочастотных импульсов, содержащий последовательно соединенные предварительный усилитель радиочастоты, широкополосный полосовой фильтр, усилитель-ограничитель, первый узкополосный полосовой фильтр, первый амплитудный детектор и первое пороговое устройство, дополнительно введены последовательно соединенные второй узкополосный полосовой фильтр, второй амплитудный детектор, фильтр подавления постоянной составляющей, а также добавлены аналоговый вычитатель, второе пороговое устройство и аналоговый мультиплексор, причем выход широкополосного полосового фильтра соединен со входом второго узкополосного полосового фильтра, выход второго амплитудного детектора соединен с первым входом аналогового вычитателя, выход фильтра подавления постоянной составляющей соединен со вторым входом аналогового вычитателя и первым входом аналогового мультиплексора, выход аналогового вычитателя соединен со входом второго порогового устройства, выход второго порогового устройства соединен с управляющим входом аналогового мультиплексора, а выход первого порогового устройства соединен со вторым входом аналогового мультиплексора.
На фиг.1 представлена структурная схема прототипа - усилителя радиочастотных импульсов с использованием метода амплитудно-частотной селекции.
На фиг.2 представлена структурная схема предлагаемого усилителя радиочастотных импульсов.
На фиг.3 представлено взаимное расположение рабочей частоты и частот соседних каналов.
Предлагаемый усилитель радиочастотных импульсов содержит последовательно соединенные предварительный усилитель радиочастоты 1, широкополосный полосовой фильтр 2, усилитель-ограничитель 3, первый узкополосный полосовой фильтр 4, первый амплитудный детектор 5 и первое пороговое устройство 6. К выходу широкополосного полосового фильтра 2 подключены последовательно соединенные второй узкополосный полосовой фильтр 8, второй амплитудный детектор 9, фильтр подавления постоянной составляющей 10, выходы второго амплитудного детектора 9 и фильтра подавления постоянной составляющей подключены ко входам аналогового вычитателя 11, к выходу которого подключено второе пороговое устройство 12. Выходы фильтра подавления постоянной составляющей 10 и первого порогового устройства 6 подаются на входы аналогового мультиплексора 7. На управляющий вход аналогового мультиплексора 7 подается логический сигнал с выхода второго порогового устройства 12.
Заявленное устройство работает следующим образом.
Для краткости введем следующие обозначения: последовательно
включенные предварительный усилитель радиочастоты 1, широкополосный полосовой фильтр 2, усилитель-ограничитель 3, первый узкополосный полосовой фильтр 4, первый амплитудный детектор 5 и первое пороговое устройство 6 будут обозначены как тракт амплитудно-частотной селекции, второй узкополосный полосовой фильтр 8 и второй амплитудный детектор 9 будут обозначены как тракт линейного усиления сигнала, а фильтр подавления постоянной составляющей 10, аналоговый вычитатель 11 и второе пороговое устройство 12 будут обозначены как решающее устройство.
Тракт линейного усиления сигнала обеспечивают линейное усиление в широком динамическом диапазоне. При воздействии непрерывной помехи на выходе тракта линейного усиления будет возникать постоянная составляющая, величина которой определяется мощностью помехи.
Аналоговый мультиплексор 7 управляется выходом второго порогового устройства 12 и передает на выход либо сигналы с выхода тракта амплитудно-частотной селекции, либо сигналы с выхода фильтра подавления постоянной составляющей 10.
Фильтр подавления постоянной составляющей 10 отсекает постоянную составляющую, которая возникает при воздействии непрерывной помехи. Аналоговый вычитатель 11 определяет уровень постоянной составляющей как разницу между уровнями сигналов с выхода амплитудного детектора 9 и выхода фильтра подавления постоянной составляющей 10. Пороговое устройство 12 оценивает величину постоянной составляющей. При отсутствии непрерывной помехи величина постоянной составляющей не будет превышать порог, и на выход мультиплексора 7, управляемого выходом порогового устройства 12, будут поступать сигналы со схемы амплитудно-частотной селекции. При наличии непрерывной помехи постоянная составляющая будет выше уровня, установленного в пороговом устройстве 12, и на выход мультиплексора 7 будут поступать сигналы с амплитудного детектора 9.
На фиг.3 представлены взаимное расположение рабочей частоты и частот соседних каналов, ширина главного лепестка спектра импульсов рабочего сигнала и качественно обозначены полосы пропускания широкополосного полосового фильтра 2, первого узкополосного полосового фильтра 4 и второго узкополосного полосового фильтра 8. Принятые обозначения:
ΔF - разнос по частоте между соседними каналами;
сп
Δf - ширина первого (основного) лепестка спектра импульса;
у
Δf - полоса пропускания первого и второго узкополосных фильтров на уровне 3 дБ;
ш
Δf - полоса пропускания широкополосного фильтра 2 на уровне 3 дБ. Для работы заявленного устройства предполагается, что выполняются следующие условия:
1)
2)
3) прямоугольность широкополосного полосового фильтра 2 такова, что выполняется условие подавления несущей частоты соседнего канала на заданную величину.
Выполнение первого условия дает возможность получить чувствительность, близкую к оптимальной, так как первый узкополосный полосовой фильтр 4 стоит перед первым амплитудным детектором 5 и формирует выходную полосу пропускания схемы амплитудно-частотной селекции, а второй узкополосный полосовой фильтр 8 стоит перед вторым амплитудным детектором 9 и формирует выходную полосу пропускания тракта линейного усиления.
Выполнение второго и третьего условий дает возможность отличать сигнал рабочего частотного канала от импульсной помехи соседнего канала по длительности импульсов на выходе широкополосного полосового фильтра 2.
ф
ш
Прямоугольный импульс на рабочей частоте, пройдя через широкополосный фильтр 2, приобретает форму трапеции, длительность которой по уровню 0,5 равна длительности импульса на входе широкополосного полосового фильтра 2, а длительность фронтов определяется полосой пропускания фильтра и равна τ=1/Δf [4, 5].
При подаче на вход широкополосного полосового фильтра 2 прямоугольного импульса на частоте соседнего канала, на выход широкополосного полосового фильтра 2 проходят только фронты импульса, и выходной сигнал имеет вид двух узких импульсов, длительность которых определяется полосой пропускания фильтра и по уровню 0,7 равна . Полоса пропускания широкополосного полосового фильтра в несколько раз больше полосы основного лепестка спектра импульса, поэтому длительность импульса помехи соседнего канала становится во столько же раз меньше длительности импульса рабочего формата. Таким образом, узкие импульсы на выходе широкополосного полосового фильтра 2 принадлежат импульсной помехе соседнего канала, а широкие являются полезными сигналами.
С выхода широкополосного полосового фильтра 2 сигнал поступает на усилитель-ограничитель 3 с высоким коэффициентом усиления и на второй узкополосный полосовой фильтр 8.
На выходе усилителя-ограничителя 3 импульс сигнала на рабочей частоте и короткие импульсы сигнала помехи становятся равными по амплитуде. С выхода усилителя-ограничителя 2 сигнал поступает на первый узкополосный полосовой фильтр 4, ширина полосы которого равна ширине первого лепестка спектра рабочего формата, что обеспечивает соотношение сигнал/шум, близкое к оптимальному. Первый узкополосный полосовой фильтр 4 играет роль интегратора [3]. Короткие импульсы помехи на выходе первого узкополосного полосового фильтра 4 будут иметь меньшую амплитуду, чем длинные импульсы сигнала на рабочей частоте. После первого узкополосного полосового фильтра 4 сигнал подается на первый амплитудный детектор 5, в котором радиоимпульсы преобразуются в видеоимпульсы. Сигналы с выхода первого амплитудного детектора 5 попадают на первое пороговое устройство 6, которое ограничивает минимальный уровень выходного сигнала. Уровень срабатывания первого порогового устройства 6 устанавливается таким образом, чтобы короткие импульсы помехи, имеющие малую амплитуду, не превышали порог, а импульсы сигналов на рабочей частоте были выше уровня срабатывания.
При одновременном воздействии сильной непрерывной помехи на соседнем канале и импульсов на рабочей частоте на выходе усилителя ограничителя 3 будет высокий постоянный уровень. Сигнал на рабочей частоте будет подавлен непрерывной помехой, а на выход схемы амплитудно-частотной селекции будет поступать высокий постоянный уровень.
Сигнал с выхода широкополосного полосового фильтра 2 проходит также через второй узкополосный полосовой фильтр 8, ширина полосы которого равна ширине первого лепестка спектра рабочего формата, что обеспечивает соотношение сигнал/шум, близкое к оптимальному (первый узкополосный полосовой фильтр 4 и второй узкополосный полосовой фильтр 8 - одинаковые). С выхода второго узкополосного полосового фильтра 8 сигнал поступает на второй амплитудный детектор 9, в котором радиоимпульсы преобразуются в видеоимпульсы.
При воздействии импульсной помехи на соседнем канале выход тракта линейного усиления имеет худшую избирательность, чем выход схемы амплитудно-частотной селекции, поскольку в тракте линейного усиления отсутствует ограничение амплитуды коротких импульсов с выхода широкополосного фильтра.
При воздействии непрерывной помехи на выходе тракта линейного усиления будет возникать постоянный уровень, определяемый уровнем подавления второго узкополосного фильтра 8 и мощностью помехи.
При одновременном воздействии непрерывной помехи на соседнем канале и импульсов на рабочей частоте на выходе тракта линейного усиления возникают продетектированные импульсы полезного сигнала, имеющие некоторый постоянный уровень.
Решающее устройство определяет тип помехи, которая присутствует на входе по величине уровня постоянной составляющей. Если постоянная составляющая на выходе аналогового вычитателя 11 превысит порог, определяемый вторым пороговым устройством 12, то помеха считается непрерывной, и на выход аналогового мультиплексора 7 поступают сигналы с выхода тракта линейного усиления с подавленной постоянной составляющей. В противном случае помеха считается импульсной и на выход аналогового мультиплексора 7 поступают сигналы с выхода схемы амплитудно-частотной селекции. Уровень порога во втором пороговом устройстве 12 определяется уровнем подавления второго узкополосного фильтра 8 и рассчитывается на этапе проектирования.
Предлагаемый усилитель радиочастотных импульсов одновременно выполняет условие сохранения чувствительности, подавления импульсной помехи соседнего канала не хуже, чем у прототипа и позволяет выделять полезный сигнал при воздействии непрерывной помехи от соседних каналов.
Для практического подтверждения преимуществ предложенной полезной модели были проведены эксперименты, реализованные в бортовом авиационном приемнике для радиосистемы ближней навигации (РСБН). Измерения показали выигрыш в предельно допустимом соотношении сигнал/помеха свыше 6 дБ при наличии непрерывной помехи в соседнем канале по сравнению с усилителем радиочастотных импульсов, выполненном по схеме амплитудно-частотной селекции. При наличии непрерывной помехи в частотных каналах, удаленных от рабочего более чем на один, выигрыш от использования предложенной модели только увеличивается, например: для помехи, отстоящей от рабочей частоты на два канала выигрыш составил свыше 11 дБ.
Таким образом, благодаря введению дополнительного тракта линейного усиления и решающего устройства, определяющего тип помехи, удается повысить помехозащищенность усилителя радиочастотных импульсов от непрерывных помех соседних каналов.
Источники информации
1. ГОСТ 21800-89. Системы вторичной радиолокации для управления воздушным движением (п.5.1.1.8, п.5.1.5.2)
2. Патент РФ №2199179 на изобретение, заявл. 20.03.2000, опубл. 20.02.2003.
3. Головин О.В. Радиоприемные устройства: Учеб. Для техникумов. - М.: Высш. Шк, 1987. - 440 с.: ил. стр.357-358.
4. Баскаков С.И., Радиотехнические цепи и сигналы, М.: Высш. Шк., 1988, стр.179, 190, 224-228, 425
5. У.М.Сиберт, Цепи, сигналы, системы (в двух частях), М.: Мир, 1988.