Импульсное пороговое устройство с шумовой стабилизацией порога
PULSE THRESHOLD DEVICE WITH NOISE THRESHOLD STABILIZATION

Предлагаемое изобретение относится к приему сигналов, в частности к технике выделения сигналов из шума, и может быть использовано в любой области, где требуется обеспечение максимального отношения сигнал/шум.
Известен метод стабилизации средней частоты шумовых выбросов над пороговым уровнем [1-2], заключающийся в определении частоты шумовых срабатываний на выходе порогового устройства и автоматической корректировки порога для поддержания заданной частоты срабатываний.
0
f
0
0
0
0
2
2
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является импульсное пороговое устройство [3], содержащее пороговое устройство с сигнальным и управляющим в ходами, формирователь стандартного импульса и схему шумовой автоматической регулировки порога, включенную между выходом формирователя стандартного импульса и управляющим входом порогового устройства. В данном устройстве частоту шумовых срабатываний f на выходе определяют путем накопления выходных импульсов в течение времени Т, а порог U в установившемся режиме определяется соотношением U=U+U=U+ΔUTfexp(-U/2σ), где U - начальное значение порога; f - частота пересечения шумом нулевого порога; σ - среднеквадратическое значение шума; ΔU - единичное приращение порога по контуру обратной связи при пересечении порога шумом.
r
Недостатком указанного порогового устройства является медленный выход на рабочий режим ввиду того, что в процессе установления рабочего порога частота шумовых срабатываний уменьшается, и скорость переходного процесса, пропорциональная текущей частоте, снижается. Согласно [3] время T выхода на рабочий режим при таком способе составляет 1-6 с в зависимости от требований, предъявляемых к точности стабилизации частоты шумовых срабатываний.
Задачей изобретения является уменьшение времени выхода на рабочий режим.
Указанная задача решается за счет того, что в известном импульсном пороговом устройстве с шумовой стабилизацией порога, содержащем пороговое устройство с сигнальным и управляющим в ходами, формирователь стандартного импульса и схему шумовой автоматической регулировки порога (ШАРП), включенную между выходом формирователя стандартного импульса и управляющим входом порогового устройства, введены последовательно включенные источник линейно нарастающего сигнала и аналоговый сумматор с неинвертирующим и инвертирующим входами, причем выход сумматора подключен к управляющему входу порогового устройства, его неинвертирующий вход связан с выходом схемы ШАРП, а инвертирующий вход связан с выходом источника линейного сигнала, а кроме того, на выходе формирователя стандартного импульса введен ключ, управляемый схемой синхронизации, подключенной также к источнику линейного сигнала.
p
*
Сумматор может быть снабжен схемой переключения выходного уровня U=mUp, связанной со схемой синхронизации, где m - коэффициент повышения порога, необходимый для обеспечения заданной величины частоты ложных тревог.
Техническим результатом изобретения является сокращение времени выхода на рабочий режим порогового устройства с шумовой стабилизацией порога при обеспечении максимальной вероятности обнаружения сигнала.
На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего способ. На фиг. 2 показан процесс выхода на рабочий режим. На фиг. 3а), 3б) и 3в) приведены реализации процесса установления рабочего режима порогового устройства при разных углах наклона линейного сигнала.
Импульсное пороговое устройство с шумовой стабилизацией порога включает последовательно включенные пороговое устройство 1 и формирователь стандартного импульса 2, выход которого связан с управляющим входом порогового устройства 1 через схему ШАРП 3 и неинвертирующий вход сумматора 4. На инвертирующем входе сумматора включен источник линейного сигнала 5, управляемый схемой синхронизации 6, связанной также с ключом 7 на выходе формирователя стандартного импульса 2.
Устройство работает следующим образом.
1
1
1
1
0
1
0
f
t
2
экв
2
1
f
2
t
2
2
1
р
3
2
p
2
2
6
В момент времени t схема синхронизации 6 запирает ключ 7 и запускает линейный сигнал 8 (фиг. 2). Пороговое устройство 1 имеет начальный пороговый уровень U, близкий к среднеквадратическому значению шума σ. При низком пороговом уровне U частота его превышений шумом f=fexp(-U/2σ) близка к частоте f пересечения шумом нулевого порога. Эта частота обычно составляет (10-20)⋅10 1/с, таким образом, в начальный момент времени на выходе схемы ШАРП 3 быстро растет компенсационный сигнал U 9, повышающий уровень порога и, соответственно, резко снижающий частоту шумовых срабатываний, что замедляет выход на режим. Подача на инвертирующий вход сумматора 4 линейного сигнала U 8 препятствует быстрому снижению частоты f, поэтому выход на рабочий режим происходит быстрее. В момент времени t угол наклона β процесса 9 равен углу наклона -β линейного сигнала 8, и эквивалентный порог 10 срабатывания порогового устройства U(t)=U+U(t)-U(t) становится постоянным. Для сравнения приведен процесс 11 установления порога в известном устройстве [3] - этот переходный процесс продолжает медленно подниматься в течение длительного времени, во много раз превышающего время выхода на режим стабилизации Т=t-t, обеспечиваемое настоящим изобретением. В рабочем периоде Т=t-t после открытия ключа 7 возможен прием сигналов с частотой ложных тревог F=f Эта вероятность нелинейно зависит от угла наклона линейного сигнала 8. Процесс изменения частоты f показан кривой 12.
p
p
p
*
*
Если необходимо расширить рабочий период за пределы динамического диапазона сумматора, то можно снабдить его схемой переключения выходного уровня U=mU, связанной со схемой синхронизации, где m - коэффициент повышения порога, необходимый для обеспечения заданной величины частоты ложных тревог. При этом порог U может поддерживаться в течение произвольного времени, и одновременно устанавливается требуемая частота ложных тревог
2
Зависимость переходного процесса, в том числе времени выхода на режим и рабочей частоты F, от угла наклона α линейного сигнала 8 показана на фиг. 3. На фиг. 3 а) показан ход порога 10, средней частоты шумовых срабатываний 12 и реальный шумовой процесс 13 на выходе устройства. Видно, что по мере убывания частоты шумовых срабатываний процесс фиг. 3 а) замедляется, и порог 10 поднимается к рабочему положению долго, более 1000 делений по шкале времени. При подаче линейного сигнала с углом наклона α рабочий порог устанавливается за 300 делений по шкале времени. При этом средняя частота шумовых импульсов в установившемся режиме увеличивается с 2 до 5 отн. ед. При дальнейшем увеличении α (в 10 раз) время выхода на режим уменьшается до 50 делений, а средняя частота шумовых срабатываний увеличивается до 50 отн. ед. - пропорционально увеличению α. При этом колебания средней частоты срабатываний увеличиваются до 5% от среднего значения.
0
Пример, f=10 МГц. Время выхода на рабочий режим Т в зависимости от угла наклона линейного сигнала β.
Данное техническое решение позволяет:
- Существенно сократить время выхода порогового обнаружителя на рабочий режим до 1 мс и менее.
- Обеспечить работу в частотном режиме, что существенно для ряда приложений, например, в частотных дальномерах, при обновлении информации с частотой до 1000 Гц.
- Обеспечить работу при нестационарном шуме.
- Обеспечить максимальное значение отношения порог шум с высокой точностью. Эти выводы подтверждены компьютерным моделированием и испытаниями макетных образцов. Тем самым, подтверждено решение поставленной задачи - существенное уменьшение времени выхода на рабочий режим.
Источники информации
1. US pat. №3516751. Optical radiation pulse control receiver. 1970.
2. Бурд A.M., Лейченко Ю.А., Мотенко Б.Н., Попов A.C. Температурная стабилизация фотоприемника с ЛФД // Приборы и техника эксперимента. - 1975. - №4, - С. 176-178.
3. Вильнер В.Г. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. // Оптико-механическая промышленность. - 1984 г. - №5, - С. 39-41. - прототип.
4. Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). - «Наука», М., 1973 г. - 832 с.