УСТРОЙСТВО ОБНАРУЖЕНИЯ СИГНАЛА ИЗВЕСТНОГО ТОЧНО

Полезная модель относится к области радиоприема, а именно к обнаружению радиоимпульса известного точно на фоне собственных шумов приемного устройства.
Известно, устройство приема сигнала на фоне «белых» шумов (Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости. - М. Госэнергоиздат, 1956 г. [1]). Устройство состоит из оптимального линейного фильтра согласованного с параметрами сигнала известного точно и порогового устройства. Оптимальный линейный фильтр согласованный со спектром принимаемого сигнала, обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум на входе порогового устройства. Пороговое устройство выдает решение о наличие полезного сигнала на входе приемного устройства в случае, когда амплитуда процесса на выходе оптимального линейного фильтра превышает заданное пороговое напряжение. Уровень порогового напряжения выбирается по одному из известных критериев.
Теория потенциальной помехоустойчивости Котельникова [1] имеет огромное значение и является хорошо развитой и обоснованной теорией приема сигналов на фоне «белых» шумов. Поскольку высокочастотный тракт современных приемных устройств по своей сути является оптимальным или квазиоптимальным линейным фильтром, то характеристики реальных приемных устройств оказываются близкими к характеристикам вытекающим из теории потенциальной помехоустойчивости, но никогда их не превышают.
Поэтому принято считать, что характеристики линейного оптимального приемника являются предельно достижимыми для всех без исключения классов приемных систем и дальнейшее развитие теории Котельникова невозможно.
Однако, следует отметить, что в теории Котельникова приняты ограничения связанные с применением принципа суперпозиции в описании аддитивной смеси сигнала и шума, которые распространяют действие теории только на линейные приемные системы.
Из теории Котельникова вытекают практически важные выводы;
- Достоверность приема полезного сигнала известного точно на фоне «белых» шумов не зависит от формы сигнала, а зависит только от его энергии.
- Оптимальный линейный фильтр согласованный со спектром полезного сигнала обеспечивает на входе решающего устройства максимально возможное отношение сигнал/шум.
При обнаружение сигнала известного точно на фоне «белых» шумов порговое устройство принимает решение о наличие сигнала в случае, когда уровень сигнала на выходе оптимального линейного фильтра превышает некоторый пороговый уровень, который выбирается по одному из критериев оптимальности, в зависимости от типа и назначения приемного устройства. (Чистяков Н.И., Сидоров М.В., Мельников B.C. Радиоприемные устройства. - М.: Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио. 1959. - 895 с. [2]).
Поэтому для улучшения обнаружительных характеристик приемного устройства необходимо повысить отношение сигнал/шум на входе решающего устройства.
Поскольку согласно теории потенциальной помехоустойчивости оптимальный линейный фильтр согласованный с параметрами полезного сигнала обеспечивает максимальное отношение сигнал/шум, то единственным возможным решением задачи является поиск способа нелинейного преобразования способного улучшить отношение сигнал/шум после того как смесь сигнала и шума прошла через оптимальный линейный фильтр.
Наиболее близким техническим решением принятым в качестве прототипа устройства принят оптимальный приемник по Котельникову, который состоит из оптимального линейного фильтра согласованного с параметрами сигнала и порогового устройства [1].
Оптимальный линейный фильтр имеет амплитудно-частотную характеристику согласованную со спектром принимаемого сигнала и обеспечивает максимально возможное отношение сигнал/шум на входе порогового устройства. Решение о наличие сигнала известного точно на входе приемного устройства принимается в случае, когда уровень сигнала на входе порогового устройства превышает наперед заданный пороговый уровень. Уровень порога выбирается по одному из критериев оптимальности.
Основным недостатком указанного и устройства обнаружения сигнала на фоне шумов является недостаточная достоверность приема сигнала известного точно в области малых отношения сигнал/шум т.е. при малой энергии сигнала.
п.с
л.т
Известно, что при приеме слабых сигналов, когда уровень помех соизмерим или превышает уровень полезного сигнала на входе приемника достоверность принимаемой информации количественно оценивается вероятностью пропуска сигнала Р и вероятностью ложной тревоги Р. Эти величины взаимозависимы т.е. увеличение одной из них влечет за собой уменьшение другой и наоборот. Отношение этих величин определяется порогом срабатывания решающего устройства, который выбирается по одному из критериев оптимальности, в зависимости от типа и назначения приемного устройства. (Чистяков Н.И., Сидоров М.В., Мельников B.C. Радиоприемные устройства. - М.: Государственное издательство литературы по вопросам связи и радио. 1959. - 895 с. [2]).
Решаемой технической задачей, предложенного устройства обнаружения сигнала известного точно, является повышение помехоустойчивости приемного устройства при приеме радиоимпульса известного точно на фоне собственных шумов приемного устройства.
Решаемая техническая задача достигается использованием новых информационных признаков позволяющих повысить отношение сигнал/шум на входе решающего устройства за счет нелинейной обработки аддитивной смеси сигнала и узкополосного шума на выходе оптимального линейного фильтра.
Решаемая техническая задача в предложенном устройстве обнаружения сигнала известного точно, содержащем оптимальный линейный фильтр, пороговое устройство, причем вход оптимального линейного фильтра является входом устройства, а выход порогового устройства является выходом устройства, достигается тем, что введены последовательно соединенные амплитудно-фазовый преобразователь и линейный фильтр вход амплитудно-фазового преобразователя соединен с выходом оптимального линейного фильтра, а выход линейного фильтра соединен со входом порогового устройства.
При гетеродинном приеме сигнал после преобразователя подается на усилитель промежуточной частоты, являющийся, как правило, узкополосным. Амплитудно-частотная характеристика усилителя промежуточной при приеме радиоимпульса близка к прямоугольной. Это обстоятельство будет в дальнейшем учитываться при рассмотрении спектров сигналов.
Поскольку для большинства радиоприемных систем выполняется условие
пр
где ΔF - полоса пропускания усилителя промежуточной полосы, F - промежуточная частота приемного устройства. То согласно работе (В.И.Тихонов. Статистическая радиотехника. "Советское радио". М. 1966 г. [3]) собственные шумы приемного устройства могут быть представлены в виде
0
где A(t) и φ(t) - медленно изменяющиеся функции по сравнению с cosωt, представляющие огибающую и случайную фазу узкополосных флуктуации. Представим огибающую A(t) в виде разложения в ряд Фурье:
так как A(t) - нормальный случайный процесс с нулевым средним значением, то нулевой член разложения отсутствует. С учетом этого узкополосный процесс может быть представлен как
Из формулы (4) следует, что узкополосный шум по своей структуре является сигналом биений.
c
0
Рассмотрим структуру выходного процесса при гетеродинном приеме, представляющего собой смесь полезного сигнала и собственных шумов приемника. Для определенности будем считать, что полезный сигнал представляет собой гармонический сигнал с постоянной амплитудой U и угловой частотой равной ω.
Указанный выходной процесс, с учетом выражения (3), можно представить в следующем виде:
Из выражения следует (5), что структура аддитивной смеси сигнала и шума зависит от уровня гармонического сигнала. При больших значениях амплитуды гармонического сигнала С/Ш>3 структура смеси сигнала и шума подобна структуре амплитудно-модулированного сигнала, а при малых уровнях гармонического сигнала 0<С/Ш<3, структура смеси близка к структуре амплитудно-модулированного колебания с частично подавленной несущей.
Таким образом, структура узкополосных шумов и смеси сигнала и шума существенно отличаются, причем информация о наличие и отсутствие сигнала имеется не только в амплитудном спектре, но и структуре узкополосного процесса.
Отличия в структурах процессов приводит к изменению спектра огибающей при прохождении последнего через нелинейные цепи.
Для решения вопроса о возможности использования найденных структурных отличий для повышения помехоустойчивости приемных устройств нами были рассмотрены различия между сигналом со структурой сигнала биений и амплитудно-модулированным сигналом со 100% модуляцией при одной и той же огибающей.
На Фиг.1 и Фиг.2 представлены временные диаграммы сигналов со структурой биений (Фиг.1) и структурой амплитудно-модулированного сигнала (Фиг.2) с одной и той же огибающей.
На Фиг.3 изображен спектр узкополосных шумов на выходе линейного фильтра с П-образной амплитудно-частотной характеристикой.
На Фиг.4 изображен спектр узкополосных шумов на выходе амплитудно-фазового преобразователя.
На Фиг.5 изображена структурная схема приемного устройства.
На Фиг.6 изображена структурная схема приемного устройства и спектры на выходе оптимального линейного фильтра 1, амплитудно-фазового преобразователя 2 и линейного фильтра 3 при наличие и отсутствии полезного сигнала на входе приемника.
На Фиг.7 изображена структурная схема амплитудно-фазового преобразователя.
На Фиг.1-2 представлены временные диаграммы сигналов со структурой биений (Фиг.1) и структурой амплитудно-модулированного сигнала (Фиг.2) с одной и той же огибающей. Как видно из рисунка сигнал биений отличается от сигнала со структурой AM колебания только тем, что в сигнале биений при достижении огибающей нулевого уровня фаза высокочастотной составляющей изменяется на π.
Если в сигнале биений, на выходе линейного фильтра с П-образной амплитудно-частотной характеристикой (Фиг.3), изменять фазу высокочастотной составляющей на π при достижении огибающей нулевого уровня, то преобразованный сигнал будет иметь структуру AM-колебания с несущей. При одной и той же огибающей спектр AM-колебания в два раза шире спектра сигнала биений так как имеет две симметричные боковые полосы (Фис.4).
Следовательно, отличие в структуре сигналов приводят к отличиям по ширине спектра огибающей на выходе нелинейного преобразователя. Это
отличие может быть использовано для повышения отношения сигнал/шум на входе порогового устройства.
Структурная схема устройства приведена на фиг.5. Устройство состоит из оптимального линейного фильтра 1, амплитудно-фазового преобразователя 2, линейного фильтра 3 с полосой пропускания оптимального линейного фильтра 1 и порогового устройства 4.
Амплитудно-фазовый преобразователь 2 содержит парафазный каскад 5, амплитудный детектор 6, компаратор 7, триггер 8 и электронные ключи 9, 10, при этом вход парафазного каскада 5 соединен со входом амплитудного детектора 6 и является входом амплитудно-фазового преобразователя, выход амплитудного детектора 6 соединен с первым входом компаратора 7, второй вход компаратора 7 соединен со входом на которое подается опорное напряжение, выход компаратора 7 соединен с триггером 8, выходы которого соединены со входами управления электронных ключей 9, 10 соответственно. Выходы электронных ключей 9, 10 соединены между собой и являются выходом амплитудно-фазового преобразователя. Перечисленные выше блоки подключены к источнику электропитания.
Работает устройство следующим образом Фиг.5. В случае отсутствия на входе приемного устройства полезного сигнала на выходе оптимального фильтра 1 присутствуют только узкополосные шумы, которые как было показано выше имеют структуру сигнала биений. Амплитудно-фазовый преобразователь 2 при каждом достижении огибающей узкополосного шума нулевого уровня переключает фазу высокочастотной составляющей узкополосного процесса на π, тем самым изменяя структуру узкополосного шума.
При этом происходит расширение спектра узкополосных шумов при неизменной энергии. Линейный фильтр 3 отфильтровывает высокочастотные
составляющие преобразованного процесса снижая тем самым мощность шумов на входе порогового устройства 4.
При наличие на входе устройства обнаружения сигнала известного точно, полезного сигнала со структурой AM-колебания, на выходе оптимального линейного фильтра 1 будет присутствовать аддитивная смесь полезного сигнала и узкополосного шума. В этом случае структура смеси полезного сигнала и узкополосного шума имеет структуру AM-колебания с частично подавленной несущей (При 0<С/Ш<3) или AM-сигнала с несущей (При С/Ш>3). При этом огибающая смеси не доходит до нулевого уровня и переключения фазы высокочастотной составляющей на π не происходит. Таким образом, узкополосный процесс с выхода оптимального линейного фильтра 1 проходит через амплитудно-фазовый преобразователь 2 и линейный фильтр 3 без изменения спектра и энергии полезного сигнала Фиг.6. Из сравнения спектров приведенных на Фиг.6 видно, что отношение сигнал/шум на выходе второго линейного фильтра 3 или входе порогового устройства 4 будет выше, чем на выходе оптимального линейного фильтра 1. Поскольку согласно теории потенциальной помехоустойчивости Котельникова достоверность приема сигнала не зависит от формы сигнала, а зависит только от его энергии, то можно сделать вывод о том, что предлагаемый приемник будет обладать более высокой помехоустойчивостью, чем линейный оптимальный приемник.
В качестве оптимального линейного фильтра 1 может быть использован высокочастотный тракт приемного устройства согласованный с параметрами принимаемого сигнала. В качестве линейного фильтра 3 может быть применен любой узкополосный фильтр, например собранный по схеме рис.5.19а (Горошков В.И. "Элементы радиоэлектронных устройств": Справочник. - М.: Радио и связь, 1988 - Массовая радиобиблиотека: Вып. N 1125, [4]).
Пороговое устройство 4 может быть выполнено с использованием операционных усилителей или на базе специализированных микросхем, например интегральной микросхемы К521СА3А.
Структурная схема и алгоритм работы амплитудно-фазового преобразователя приведен в приложении к заявке.
Таким образом применяемое устройство позволяет значительно улучшить обнаружительные характеристики приемного устройства, уменьшить вероятность ложной тревоги при минимальных расходах и незначительной модификации радиоприемного устройства.
Амплитудно-фазовый преобразователь преобразует структуру узкополосных шумов из структуры сигнала биений в структуру амплитудно-модулированного сигнала путем изменения фазы высокочастотной составляющей на π при каждом достижении огибающей узкополосных шумов нулевого значения.
Структурная схема амплитудно-фазового преобразователя представлена на рис.1.
Амплитудно-фазовый преобразователь состоит из парафазного каскада, который формирует на своих выходах противофазные напряжения одинаковой амплитуды которые подаются на выход через электронные ключи 9, 10. Электронные ключи работают в противофазе. Т.е. когда включен второй электронный ключ первый электронный ключ выключен. При этом напряжение на выходе преобразователя находится в фазе со входным напряжением. Если состояние электронных ключей изменится, то разность фаз между входным и выходным напряжением амплитудно-фазового преобразователя составит 180°.
Для управления работой электронных ключей служит цепь управления в состав которой входят амплитудный детектор, компаратор и триггер.
Амплитудный детектор выделяет огибающую узкополосных шумов и подает полученное напряжение на один из входов компаратора. Компаратор сравнивает напряжение с выхода амплитудного детектора с опорным напряжением поданным на второй вход. Напряжение подаваемое на второй вход устанавливается вблизи нулевого уровня, а значение подбирается таким образом, чтобы на выходе компаратора появлялся положительный импульс при каждом достижении огибающей узкополосного шума нулевого уровня.
Положительный перепад напряжения на выходе компаратора используется для управления работой триггера, выходы которого соединены с электронными ключами.
Таким образом при каждом достижении огибающей узкополосных шумов нулевого уровня в цепи управления формируется управляющий сигнал, который изменяет состояние триггера и тем самым изменяет фазу высокочастотной составляющей выходного процесса на π.
Если на вход амплитудно-фазового преобразователя подается смесь полезного сигнала и шума, то структура входного процесса будет соответствовать структуре амплитудно-модулированного сигнала с несущей, с коэффициентом модуляции менее 100%. При этом огибающая узкополосного процесса не достигает нулевого уровня и переключения фазы не происходит. В этом случае амплитудно-фазовый преобразователь работает как линейный элемент и изменение ширины спектра не происходит.
Парафазный каскад может быть выполнен по любой из подходящих схем на полевом, биполярном транзисторе или операционном усилителе. (Например: Схема 1.29. Ленк Дж. «Электронные схемы»: Практическое руководство. Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 343 с., ил.). Амплитудный детектор выполнен по схеме диодного детектора (Например: Схема 2.15. Ленк Дж. «Электронные схемы»: Практическое руководство. Пер. с англ. - М.: Мир, 1985. - 343 с., ил.). Компаратор, триггер и электронные ключи выполняются на стандартных микросхемах бытового применения (Например; К521СА3, К561КП1, К561ТМ2).