ТРАНСВЕРСАЛЬНЫЙ АНАЛОГОВЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ПРИЕМА ЛЧМ СИГНАЛА ДИАПАЗОНА СВЧ
TRANSVERSAL ANALOGUE FILTER FOR RECEIVING LFM SIGNAL OF MICROWAVE RANGE

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в устройствах радиолокации и передачи данных. Трансверсальный аналоговый фильтр (ТАФ) предназначен для приема сигналов с линейной частотной модуляцией (ЛЧМ) с заданными параметрами, такими как центральная частота, девиация частоты, длительность импульса.
Проблема приема сигналов в радиолокации и передачи данных заключается в малом соотношении сигнал-шум, полезный сигнал теряется на фоне шума и не может быть выделен простыми средствами, такими, например, как полосовой фильтр.
Известны два основных метода выделения слабых сигналов из смеси сигнал-шум: метод накопления (интегрирования) и метод, основанный на применении сложных сигналов. Метод накопления используется для периодических или квазипериодических сигналов большой длительности. В СВЧ технике этот метод требует переноса принимаемого сигнала вниз по спектру, для возможности его оцифровки и дальнейшего накопления.
Одним из наиболее распространенных сложных сигналов является сигнал с линейной частотной модуляцией. Для детектирования ЛЧМ сигнала наиболее удобно применять цифровой согласованный фильтр, что так же требует переноса принимаемого сигнала из области СВЧ вниз по спектру в область промежуточных частот, пригодных для оцифровки.
Из существующего уровня техники известен цифровой трансверсальный фильтр [патент RU 2119242, МПК H03H 15/00], который реализует свертку с использованием N элементов задержки, N умножителей и N-входовых сумматор-формирователей выходного сигнала.
Недостатками данного технического решения являются зависимость ширины спектра обрабатываемого сигнала от частоты дискретизации и невозможность прямой оцифровки СВЧ сигнала. Таким образом, в СВЧ диапазоне применение цифровых фильтров возможно только с переносом частоты вниз по спектру, что серьезно усложняет систему обработки сигнала, а также требует учета весовых коэффициентов и, как следствие, множественных операций умножения.
Прототипом является устройство свертки сигнала [RU патент №2290751, МПК H03H 17/06], содержащее элементарные фазовые контуры, пропорциональные звенья и сумматоры. Устройство реализует параллельно-последовательную схему построения трансверсального фильтра, в которой входной сигнал делится на необходимое количество каналов, исходя из требуемого порядка фильтра, сигнал каждого канала умножается на собственный весовой коэффициент, а выходной сумматор реализован на цепочке элементарных сумматоров, причем между сумматорами включены элементарные фазовые контуры. В прототипе дополнительно используется выход копии задержанного во времени входного сигнала. Представленная в прототипе схема вычисления свертки сигнала подразумевает, что все элементарные фазовые контуры обеспечивают одинаковую задержку, выбираемую по частоте дискретизации аналогичного цифрового фильтра, а выборки импульсной характеристики задаются при помощи весовых коэффициентов, в общем случае комплексных. Для ЛЧМ сигнала это будет означать взятие выборки импульсной характеристики в точках, где импульсная характеристика может принимать произвольные значения от минимального до максимального, включая значения, близкие к нулю. Представленная в прототипе схема устройства подразумевает получение копии исходного сигнала на каждом ответвлении с компенсацией потери мощности сигнала и без учета согласования сопротивлений.
Переход к диапазону СВЧ требует обязательного согласования сопротивления цепей по мощности, а ответвление сигнала возможно только при помощи определенных устройств, таких как тройники, делители и ответвители мощности СВЧ диапазона, и связано с делением мощности входного сигнала. Элементарные фазовые контуры должны обладать требуемой широкополосностью и фазовой стабильностью. При этом элементарные фазовые контуры должны обладать либо малыми собственными потерями, либо потери должны учитываться в пропорциональных звеньях. Таким образом, перенос структуры прототипа непосредственно в область СВЧ требует разработки структуры фильтра для детектирования ЛЧМ сигнала заново, с учетом особенностей проектирования устройств и линий передачи СВЧ.
Технический результат, который требуется достигнуть - создание системы детектирования ЛЧМ сигнала диапазона СВЧ, обеспечивающей неполную свертку принимаемого ЛЧМ сигнала с самим собой.
Задачей, которая ставится при разработке данного изобретения, является обеспечение детектирования ЛЧМ сигнала диапазона СВЧ за счет операции вычисления неполной функции свертки между принятым и эталонным ЛЧМ сигналами, что сопровождается подавлением шумов и формированием на выходе ТАФ сигнала, имеющего выраженный максимум.
Данный технический результат достигается за счет того, что трансверсальный аналоговый фильтр для приема ЛЧМ сигнала диапазона СВЧ содержит набор каналов для передачи сигнала, каждый из которых содержит элементарный фазовый контур и соединяется своим выходом со входом сумматора мощности, причем подача сигнала на каждый канал осуществляется через делитель мощности, количество каналов определяется длительностью импульса ЛЧМ сигнала, а элементарные фазовые контуры выполнены в виде отрезков линий передачи, например микрополосковых линий, длина которых выбирается так, чтобы время прохождения сигнала по каждому каналу соответствовало времени появления локальных максимумов ЛЧМ сигнала, имеющего наклон дисперсионной характеристики, обратный наклону дисперсионной характеристики принимаемого ЛЧМ сигнала.
На фигуре 1 изображена структура ТАФ для приема ЛЧМ сигнала диапазона СВЧ.
На фигуре 2 изображена топология ТАФ восьмого порядка, выполненная на микрополосковых линиях.
На фигуре 3 изображен выходной сигнал ТАФ.
На фигуре 4 изображены: а) развернутая во времени копия ЛЧМ сигнала с точками, по которым выбираются линии задержки; б) исходный сигнал.
Трансверсальный аналоговый фильтр для приема ЛЧМ сигнала СВЧ диапазона содержит: делитель мощности - 1; набор параллельных каналов для передачи сигнала, включающий элементарные фазовые контуры, выполненные в виде отрезков линий передачи - 2; сумматор мощности - 3.
Фильтр работает следующим образом. Входной зашумленный сигнал поступает на вход ТАФ и делится в делителе мощности (выполненном, например, на мостах Уилкинсона) на N отдельных копий, имеющих меньшую мощность, которые распределяются по параллельным каналам. В каждом канале сигнал задерживается на время, определяемое длиной ЛЗ. Длина ЛЗ выбирается так, чтобы время прохождения сигнала по каждому каналу соответствовало времени появления локальных максимумов ЛЧМ сигнала, имеющего наклон дисперсионной характеристики, обратный наклону дисперсионной характеристики принимаемого ЛЧМ сигнала, как показано на фигуре 4.
i
где Li - длина соответствующей ЛЗ, τ - время появления локального максимума, V - скорость распространения электромагнитной волны в линии передачи.
После задержки сигналы всех каналов складываются при помощи сумматора мощности. Таким образом, на выходе ТАФ будет наблюдаться сигнал, определяемый выражением:
i
где S(t) - входной сигнал, зависящий от времени t, T - время задержки, вносимое i-й линией задержки, N - количество ЛЗ.
Сигнал на выходе ТАФ эквивалентен корреляции входного сигнала и его же копии:
где h(t) - импульсная характеристика идеального согласованного фильтра для заданного ЛЧМ сигнала, но не во всем множестве значений сигнала, а в моментах, определяемых структурой ТАФ:
То есть, эталон сигнала в ТАФ задается нужным соотношением фаз в заданные моменты времени. Следовательно, если задержки для ТАФ брать для сигнала, который является обратным во времени принимаемым ЛЧМ сигналом, то на выходе ТАФ ожидается неполная свертка принимаемого ЛЧМ сигнала с самим собой. При выборке задержек входного сигнала обратно во времени максимумам эталонного ЛЧМ сигнала происходит компрессия сигнала во времени с одновременным его увеличением по амплитуде, что позволяет получить требуемый технический результат по созданию системы детектирования ЛЧМ сигнала диапазона СВЧ, обеспечивающий неполную свертку принимаемого ЛЧМ сигнала с самим собой, как видно на фигуре 3.
Сигнал с выхода фильтра предполагается подавать на детектор мощности, обладающий достаточным быстродействием (постоянная времени детектора должна быть не более длины исходного импульса ЛЧМ). Сигнал с детектора мощности оцифровывается и далее обрабатывается в цифровом виде тем или иным способом, например по заранее заданному порогу, уже как отклик с выхода согласованного фильтра, без построения цифрового согласованного фильтра.
Результатом является обеспечение детектирования ЛЧМ сигнала диапазона СВЧ за счет операции вычисления неполной функции свертки между принятым и эталонным ЛЧМ сигналами, что сопровождается подавлением шумов и формированием на выходе ТАФ сигнала, имеющего выраженный максимум. Задача, которая ставилась при разработке данного изобретения, решена.
Кроме того, применение ТАФ для приема ЛЧМ сигналов позволит уменьшить стоимость радиосистем, в которых применяются подобные фильтры, и повысить надежность работы данных систем за счет уменьшение количества паек.
Исключаются операции переноса принимаемого сигнала вниз по спектру, оцифровки перенесенного вниз по спектру сигнала и запоминания массива входных данных за интервал приема (фрейм), что позволяет применить для обработки сигнала более дешевые и простые вычислительные средства или высвободить вычислительные мощности для других задач.
Предлагаемый ТАФ выполнен в виде печатной платы и содержит только пассивные компоненты, а именно отрезки микрополосковых линий и резисторы. Стойкость к повышенному уровню мощности входных сигналов у данного фильтра будет определяться электрической прочностью применяемых материалов, шириной зазоров между соседними линиями и рассеиваемой мощностью примененных в делителях и сумматорах резисторов.
Применение данного фильтра также позволит исключить операцию гетеродинирования при приеме и обработке ЛЧМ сигнала, увеличить девиацию частоты используемого ЛЧМ сигнала, перейти к использованию ЛЧМ сигнала с малой длительностью, а также снизить требования, предъявляемые к технологическим процессам изготовления устройства приема и обработки сигнала.