КВАЗИОПТИМАЛЬНЫЙ ГРЕБЕНЧАТЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ШИРОКОПОЛОСНЫХ И СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ КОГЕРЕНТНЫХ РАДИОИМПУЛЬСОВ СО СЖАТИЕМ СПЕКТРА СИГНАЛА
QUASI-OPTIMAL COMB FILTER FOR SEQUENCE OF WIDEBAND AND ULTRA-WIDEBAND COHERENT RADIO PULSES WITH COMPRESSION OF SIGNAL SPECTRUM

Изобретение относится к радиотехнике, к частотной селекции и фильтрации радиосигналов, может быть использовано в радиолокации, в системах связи и других устройствах, в которых используются последовательности когерентных сверхширокополосных импульсов, с целью увеличения отношения «сигнал/шум».
Известные устройства, используемые с целью увеличения отношения «сигнал/шум»: коррелятор; согласованный фильтр; когерентный и некогерентный накопитель импульсов [1]; фильтр, сжимающий спектр сигнала [2].
Наиболее близким устройством по технической сущности является полосовой гребенчатый фильтр, построенный на параллельно включенных полосно-пропускающих фильтрах [3], структурная схема которого показана на фиг. 1. Основной недостаток этого устройства при приеме последовательностей широкополосных и сверхширокополосных импульсов с шириной спектра от сотен мегагерц и выше с низкими частотами повторения импульсов - сложность получения на высоких частотах требуемой добротности для отдельных полосно-пропускающих фильтров, из которых состоит гребенчатый фильтр.
Прототип (фиг. 1) состоит из параллельно включенных полосно-пропускающих фильтров (1) и установочных фазовращателей (2), используемых для выравнивания электрической длины сигнальных трактов. Через каждый полосно-пропускающий фильтр проходит часть квазилинейчатого спектра последовательности когерентных импульсов, имеющая максимальную спектральную плотностью - «зубец» спектра. Далее все части исходного сигнала объединяются с помощью сумматора (3), образуя выходной сигнал. Частотная характеристика такого фильтра имеет вид периодической резонансной кривой. Однако для такой схемы гребенчатого фильтра существует проблема получения высокой добротности для полосно-пропускающий фильтров, работающих на частотах от сотен мегагерц и выше при малых частотах повторения когерентных импульсов.
Задачей изобретения является повышение отношения «сигнал/шум» с помощью гребенчатого фильтра для последовательности когерентных импульсов с шириной спектра, превышающей сотни мегагерц, и частотами повторения импульсов от нескольких мегагерц и ниже.
Проблема получения высокой добротности гребенчатого фильтра решается тем, что в отличии от известного устройства, гребенчатый фильтр реализован на частотах, которые значительно ниже частот спектра входного сигнала. Это достигается тем, что каждая часть спектра входного сигнала с максимальной спектральную плотностью - «зубец» спектра (часть спектра, которая в прототипе проходит через полосно-пропускающий фильтр) преобразуется на свою промежуточную частоту и проходит через полосно-пропускающий фильтр с такой же шириной полосы пропускания, как в прототипе. При этом фазовые соотношения между отдельными частями спектра сохраняются, для этого гетеродины, используемые для преобразования на каждую промежуточную частоту, синхронизируются общим опорным генератором.
На фиг. 1 показана структурная схема прототипа.
На фиг. 2а показан спектр последовательности, состоящей из 100 когерентных импульсов на несущей частоте 5 ГГц с прямоугольной огибающей, длительностью импульса 0,4 нс и периодом повторения 20 нс, рассчитанный с помощью быстрого преобразования Фурье.
На фиг. 2б показан фрагмент этого спектра в узкой полосе частот (4,94..5,06ГГц).
На фиг. 3а приведена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) гребенчатого фильтра, выбранного в качестве прототипа, необходимая для обработки указанной последовательности импульсов.
На фиг. 3б показан фрагмент этой АЧХ в узкой полосе частот (4,94..5,06 ГГц).
На фиг. 4 показана структурная схема предлагаемого устройства.
На фиг. 5 показана АЧХ предлагаемого устройства, при фильтрации описанной выше последовательности импульсов.
Спектр последовательности L импульсов, следующих с периодом повторения Т, может быть записан как [4]:
1
0
где  - целое число; ω=2π/Т - циклическая частота повторения импульсов;  - коэффициент разложения одиночного импульса m(t) в ряд Фурье; Т - длительность импульса. Например, для импульса с прямоугольной огибающей:
«Поскольку при больших L спектр конечной последовательности имеет квазилинейчатый вид, то для пропускания полезного сигнала без заметной потери энергии и без заметного искажения и вместе с тем для максимального снижения интенсивности помех нужно взять фильтр, частотная характеристика которого имеет вид гребня. Высота зубьев одна и та же, ширина – так же (она зависит от L). Середина каждого зуба приходится на одну из частот . Это так называемый «гребенчатый фильтр» [4].
Рассмотрим проблемы, возникающие при создании гребенчатого фильтра, используемого в качестве прототипа.
0
Для примера возьмем последовательность, состоящую из 100 когерентных импульсов на несущей частоте  с прямоугольной огибающей, с длительностью импульса Т=0,4 нс и периодом повторения Т=20 нс. Основная энергетика такой последовательности находится в полосе частот, ширина которой обратно пропорциональна длительности импульса:  Спектр, рассчитанный с помощью быстрого преобразования Фурье в указанной полосе частот, показан на фиг. 2а, фрагмент этого спектра в полосе частот 4,94..5,06 ГГц показан на фиг. 2б. Требуемая для этого спектра АЧХ гребенчатого фильтра, выбранного в качестве прототипа, приведена на фиг. 3а, фрагмент этого спектра в полосе частот 4,94..5,06 ГГц показан на фиг. 3б.
9
6
9
6
Ширина одного зуба гребенчатого фильтра определяется в соответствии с (1) длительностью последовательности импульсов LT и должна быть не меньше чем 1/LT=0,5 МГц. Добротность такого фильтра на верхней частоте составляет Q=6,25⋅10/(0,5⋅10)=12500. Получение такой добротности является проблематичным. Перенос всего спектра вниз (с помощью преобразования на общую для всех спектральных компонент промежуточную частоту) не улучшает положение - верхняя частота фильтрации становится равной 2,5 ГГц, и, соответственно, требуемая добротность будет Q=2,5⋅10/(0,5⋅10)=5000.
Предлагаемое устройство устраняет указанный недостаток. Структурная схема устройства приведена на фиг. 3. Устройство работает следующим образом.
Последовательность когерентных импульсов поступает на первые входы смесителей (4). Количество смесителей равно количеству зубцов N спектра, в которых содержится большая часть энергии импульсной последовательности (количеству зубцов АЧХ гребенчатого фильтра, принятого за прототип). Частоты максимума каждого зубца определяются как  где ,  - минимальная и максимальная частоты максимумов зубцов спектра, соответственно; i=1..N. При этом .
На второй вход смесителей (4) поступают сигналы с гетеродинов (5) с частотами , образующими эквидистантную сетку , где ; ,  - минимальная и максимальная частоты гетеродинов, соответственно. Для обеспечения взаимной когерентности сигналов гетеродинов использован общий опорный генератор (6).
и
Выходы смесителей (4) соединены со входами полосно-пропускающих фильтров (1), настроенных на промежуточные частоты , с полосой пропускания, определяемой длительностью импульса В≥а/τ, где а - коэффициент, зависящий от формы огибающей импульса. Максимальная из промежуточных частот много меньше частоты максимума самого высокочастотного зубца спектра входного сигнала . Это позволяет реализовать требования к добротности.
Выходы фильтров (1), как и в прототипе, соединены со входами установочных фазовращателей (2), которые компенсируют неодинаковую электрическую длину трактов устройства для каждой промежуточной частоты.
Выходы фазовращателей (2) соединены со входом сумматора (3).
6
6
На фиг. 4 приведена АЧХ предлагаемого устройства при  и . Добротность полосно-пропускающего фильтра на максимальной промежуточной частоте составит Q=51⋅10/(0,5⋅10)=102, что является приемлемым значением для указанной частоты.
В результате фильтрации сигнала предлагаемым устройством ширина спектра выходного сигнала и расстояние между максимумами зубцов спектра уменьшается в n раз по сравнению с шириной спектра входного сигнала, , соответственно, увеличивается в n раз длительность выходных импульсов и их период, а эквивалентная шумовая полоса (отношение «сигнал/шум») остается такой же, как и в прототипе
i
где B - ширина полосы частот одного элемента гребенчатого фильтра как для прототипа, так и для предлагаемого устройства.
ЛИТЕРАТУРА
1. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. Учебник для ВУЗОВ, 2-е издание, перераб. и доп., М., Радио и связь, 1983 (стр. 259).
2. Свистов В.М. Радиолокационные сигналы и их обработка. М., Сов. радио, 1977 (стр. 197).
3. Справочник по радиоэлектронным устройствам. В 2-х томах, т. 1. Бурин Л.И., Васильев В.П., Каганов В.И. и др. Под ред. Д.П. Линде, М., Энергия, 1978 (стр. 215).
4. Вайнштейн Л.А., Зубаков В.Д. Выделение сигналов на фоне случайных помех. М., Сов. радио, 1960 (стр. 133).