Полосовой коммутируемый фильтр
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в усилителях радиочастоты и приемниках, осуществляющих усиление (прием) аналоговых и дискретных сигналов, имеющих постоянную мгновенную частоту. Изобретение позволяет в полосовом коммутируемом фильтре (прототипе) скомпенсировать возникающие в нем свободные (паразитные) колебания от действия помех и тем самым повысить уровень подавления помех, а также отключить каналы фильтрации, в которых не происходит компенсация свободных колебаний. Для этого в каждый из N каналов фильтра Г ции введены последовательно соединенные полосовой усилитель 6 и фазокорректирующая цепь 7, вычитающий блок 8, последовательно соединенные детектор огибающей 9 и ограничитель 10, блок 11 автоматического регулирования усиления, причем вход полосового усилителя 6 соединен с входом полосового фильтра 5, выход которого соединен с первым входом вычитающего блока 8, выход фазокорректирующей цепи 7 соединен параллельно с вторым входом вычитающего блока 8 и входом детектора огибающей 9, при этом выход вычитающего блока 8 подключен к входу блока 11 автоматического регулирования усиления, выход которого соединен с входом выходного ключа 12. а выход ограничителя 10 соединен с входом управления блока 11 автоматического регулирования усиления. Кроме того , полосовой коммутируемый фильтр содержит входной усилитель 1, в каждом канале фильтрации входной ключ 2, N линий задержки 3 (где i ОN), сумматор 4 и выходной ключ 12. а также выходной сумматор 13, распределитель импульсов 15 и импульсный генератор 14. 1 ил. ВгА -о Ј 00 ю OJ ш-А GJ СО
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (st)s Н 03 Н 19/00, 7/01
ГОСУДАРСТВЕНЮЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4876523/09 (22) 19.10.90 (46) 23.06.93. Бюл.М 23 (75) Г.В.Дедюкин (56) Хейнлейн В.Е., Холмс В.Х. Активные фильтры для интегральных схем.— M.: Связь.
1980. с.556.
Авторское свидетельство СССР
N. 1522380. кл, Н 03 Н 7/01, 1987. (54) ПОЛОСОВОЙ КОММУТИРУЕМЫЙ
ФИЛЬТР
Ф (57) Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в усилителях радиочастоты и приемниках, осуществляющих усиление (прием) аналоговых и дискретных сигналов, имеющих постоянную мгновенную частоту. Изобретение позволяет в полосовом коммутируемом фильтре (прототипе) скомпенсировать возникающие в нем свободные (паразитные) колебания от действия помех и тем самым повысить уровень подавления помех, а также отключить каналы фильтрации, в которых не происходит компенсация свободных колебаний.
Для этого в каждый из N каналов фильтра. Ж 1823133А1 ции введены последовательно соединенные полосовой усилитель 6 и фаэокорректирующая цепь 7, вычитающий блок 8, последовательно соединенные детектор огибающей 9 и ограничитель 10, блок 11 автоматического регулирования усиления. причем вход полосового усилителя 6 соединен с входом полосового фильтра 5, выход которого соединен с первым входом вычитающего блока 8, выход фазокорректирующей цепи 7 соединен параллельно с вторым входом вычитающего блока 8 и входом детектора огибающей 9, при этом выход вычитающего блока 8 подключен к входу блока 11 автоматического регулирования усиления, выход которого соединен с входом выходного ключа 12, а выход ограничителя 10 соединен с входом управления блока 11 автоматического регулирования усиления. Кроме того, полоСовой коммутируемый фильтр содержит входной усилитель 1, в каждом канале фильтрации входной ключ 2, N линий задержки 3 (где i =
О...„N), сумматор 4 и выходной ключ 12, а также выходной сумматор 13, распределитель импульсов 15 и импульсный генератор 14, 1 ил. (л) 1823133
2 7г
Т=р
Изобретение относится к радиотехническим устройствам и может быть использовано в усилителях радиочастоты и приемниках, осуществляющих прием сигналов, имеющих постоянную мгновенную частоту(АМ, ЛТ, ФТ, ОФТ. AM — ПСП, ФМ вЂ” ПСП и др.), для повышения соотношения сигнал/шум+помехи независимо от их отношения на входе предлагаемого устройства.
Целью настоящего изобретения является повышение отношения сигнал/шум+помехи, независимо от их отношения на входе, путем компенсации шума и помех в те моменты времени, в которых мгновенные частоты (производные фазы) шума и помех отличаются от частоты сигнала. Исключение в отдельных случаях (при ЛМ) необходимости синхронизации.
Использование изобретения позволит получить положительный эффект по повышению отношения сигнал/шум+помехи на
10-20 дБ в радиолиниях передачи данных, систем управления и связи. При этом станет возможным снизить не только собственные шумы приемников (усилителей), но и шумы антенные (Земли) и трактов передачи сигналов. Положительный эффект получат в тех устройствах, в которых допускается задержка сигнала его обработки на 50-100 Т (где
Т вЂ” элемент (посылка) сигнала).
Положительным является также и то, что при реализации изобретения в линиях передачи сигналов с AM не требуется устройства синхронизации ни по фазе несущей частоты, ни по тактовой частоте. В этом случае достаточно того, чтобы длительность вырезки была бы кратна периоду частоты сигнала.
Сущность, отличительные признаки и новизна изобретения состоят в том, что в каждый канал фильтрации введены полосовой усилитель 6. фазокорректирующая цепь
7, вычитающий блок 8 и блок автоматического регулирования усиления 11, включенные последовательно между выходом сумматора и информационным входом выходного ключа, а также детектор огибающей 9 и ограничитель 10, включенные последовательно между выходом фазокорректирующей цепи и управляющим входом блока автоматического регулирования, причем выход полосового фильтра соединен с другим входом вычитающего блока.
На чертеже изображена функциональная схема предлагаемого устройства.
Полосовой коммутируемый фильтр включает входной усилитель 1, N входных ключей 2, N блоков линии задержек 3, N сумматоров 4, N полосовых фильтров 5, N
55 полосовых усилителей 6, N фазокорректирующих цепей 7, N вычитающих устройств 8, N детекторов огибающей 9, N ограничителей 10, Nкаскадов ЛРУ 11,,N выходных ключей 12. сумматор 13. импульсный генератор
14 и распределитель импульсов 15, Изобретение иллюстрируется следующими примерами (фиг.1). В каждую из N ветвей с помощью входных ключей 2 поступает одна вырезка длительностью Т с периодом NT. Каждая вырезка в одном иэ блоков линий задержки удлинится в N раз, при этом вырезка (элемент) сигнал удлинится когерентно(без разрыва фазы) в N раз, ибо частота его известна ю; (она постоянна), а длительность импульсов управления входными ключами равна
Шум и помехи этой вырезки преобразуются в последовательность N вырезок с разрывом фазы. Фильтр 5 настроен на частоту сигнала со с, а фильтр усилителя 6 настроен на частоту С0р2, отличную от cd, но очень близкую по величине. При подаче удлиненного сигнала (гармоническое колебание длительностью NT) и пачки последовательности вырезок шума на фильтр 5, на выходе его получат сигнал и сумму реакций фильтра на воздействие N вырезок шума и помех.
При этом частота реакций будет равна частоте настройки фильтра 5, то есть частоте сигнала при сохранении фазы воздействия.
При,подаче этого же удлиненного сигнала и пачки вырезок шума и помех на фильтр 6, на
ere выходе получат только сумму реакций воздействие N вырезок шума и помех. При этом частота реакций будет равна в pz npu сохранении фазы воздействий, Сигнала на выходе фильтра 6 не будет при соответствующей добротности фильтра 6. Таким образом получат две смеси. В одной смеси имеется сигнал+ шум (помехи) на частоте cd,, в другой — только шум (помеха) на частоте ар2. Так как фазы у шума и помех в,двух смесях одинаковые, то при вычитании в вычитающем устройстве 8 при cd — а р2 в момент NT можно получить ослабление шума и помех. Затем в момент(М-1)Т (t (NT c помощью выходного ключа 12 выделят элемент сигнала, очищенного от помех. То же самое будет происходить последовательно в других ветвях циклически с периодом NT.
Фазокорректирующая цепь 7 и усилитель 6 необходимы для подстройки уровня и фазы для получения максимального ослабления шума и помех.
1823133
В те моменты времени когда мгновенная частота шума в вырезке равна частоте сигнала, то он будет принят в этом тракте как сигнал. и в этом случае ослабления шума не произойдет. Для того чтобы вырезка 5 сигнала, подавленная шумом, не проходила в сумматор 13, имеется цепь АРУ, которое отклоняет этот тракт при отсутствии напряжения шума на выходе цепи компенсации (на выходе фазокорректирующей цепи 7). 10
Если напряжение шума на выходе этой цепи компенсации есть, то выпрямленное в 9 и ограниченное в 10 положительное напряжение шума управляет АРУ так, что его коэффициент передачи равен единице. Если же 15 напряжение на частоте равно нулю, то коэффициент передачи равен нулю.
Таким образом, на выходе сумматора 13 устройства сигнал будет иметь просечки (временные обрезки длительностью Т. на- 20 пряжение которых равно нулю), которые указывают, что в эти временные обрезки сигнал поражен помехой. Это обстоятельство позволит обеспечить параллельный прием нескольких копий сигнал+шум (если шум независимый в этих копиях) для устранения этих просечек, при этом управление трактов (взвешивание) этих копий сигнала+шум не потребуется. 30
Отметим, что уровень компенсации шума (помех) будет тем выше. чем меньше длительность вырезок смеси сигнала и помех, но не меньше величины т 2 Х шс
В этом случае на интервале Т огибающие сигнала и шума (помех) и фаза шума (по- 40 мех) можно считать постоянными.
Покажем возможность компенсации шума (помех) в предлагаемом устройстве, используя для этого теорию воздействия сигналов на колебательный контур (фильтр). 45
Пусть на первый блок линий задержек 3 подана вырезка активной смеси сигнала и помехи длительностью Т
Ис, с.оз (й) с t + ec ) + u и сов (N o t + Oï ) 60
0 Тогда с выхода сумматора 4 этого блока линий задержки получим пачку вырезок 55 N — 1 U c COS (N c t + Ос ) + U и, . к =0 x (t — кт ) со$ (N p (t — KT ) + О и ), гдел(т) ={ 1 при 0 < t <Т 0 при t >Т (2) В (2) сигнал удлинился беэ разрыва фазы, так как выбираем Р 2,7Х Й1 с (3) t "sc, вмв„Vetoed(v<1 Ос) t-е ) о ф,- (1 II ° .о t ""(" " II.(4-ET ° " 1 ч gþj 6 соь(О 1-lg,ag )аQ г(gy)q в, ° t ч, ° 1,1-с06(<д t ö49„1) (о.1, t ° т М р1 = Ш о, Х K РЕЗОНаНСНаЯ ЧаСтата И постоянная времени полосового фильтра (5), Р1 = arCtg ЛВХ 1, AN — No о р1 ° А— В формуле (4) для сигнала AN =О,pl =О,А =1 Из формулы (4) видно,что при (AN r „1 ) ) ) 1, А < (1 пачка вырезок помех (второе слагаемое) в полосовом фильтре (5) ослабевается и может быть полностью отфильтрована при соответствующем выборе Хк1 ° Этого нельзя сказать про сумму свободных колебаний (четвертое слагаемое формулы (4)). Слагаемые в (4) с коэффициентом /Ъ е си в дальнейшем учитывать не будем, ибо для получения неискаженного сигнала при t = NT выберем х к1 таким, чтобы .Маг е Таким образом, на выходе полосового фильтра получим При подаче пачки вырезок (2) на полосовой фильтр первой ветви устройства (5). на выходе его получим 1823133 Рассмотрим теперь результат воздейст- 5 вия той же пачки вырезок (2) на полосовой усилитель (6), имеющий в качестве резонансной контур настроенный не на частоту в с, а на врг Фас . ПовтоРЯЯ те же выклаДки, что и при получении формулы (4), получим на выходе полосового усилителя (6) 20 Преобразуем в (10) выражение заключенное в фигурные скобки. После преобра35 зования получим выражение (11) в ином виде (A(0+6(dс)t„2 » " то сигнал и помехи (первое слагаемое о фигурных скобах) могут быть ослаблены до за- 40 данной малой величины. Тогда в формуле (6) останутся только члены под суммой Сравнивая (5) с (7) видно, что свободные колебания на выходах фильтра 5 и усилителя 50 6 отличаются постоянной времени фильтров (Хк, ткг), РЕЗОНаНСНЫМИ ЧаСтстаМИ(ар1И в г) и фазами (тр1 и р 2). Заметим, что если ЛВт к1 » 1 и (ЛВ + Лв с ) т кг » 1, тР ° м е„"с(Со«С>«т I О,) 4+F(t а 1< С, >(los(M«т а«т с >8 (т«р 2 се с >)) Ос t «ит Uс t м > " с> «" ", 7(Т7 (co>hdс)>,О-VÎ) eе > (ц 1 Ч 9)) с. а II-I 2: t (t-«) с " Ic ) Iv (, „,), > 1 1 («ь Ч>с 8>) с«а(Я«>(t 1 1) It 2 ))1 I где ()р) сг =arctg (гас шрг ) =arctg Лмс t кг «4ртсг =atctg (rt)o rttp2) = arctg (Лж+ Ла), ) т,г, СО рг и т K2 — РезонанСная чаСтОта и пОстоянная времени полосового усилителя. Из формулы (6) видно, что сигнал так же, как и помехи, ослабляется и если выбрать кт е "" ((1, Лв с т кг » 1 с»> ф()«(ас«>асс„ -, +f(t-«т)е "(соа(сс„(t-«1),с>1 >> 1 ссФ«>(т-»)-tt„,«>)I 2с t ит, p I = 1«,> — 2 . 1 + (Лв с „) - A rv >, я 1+(Ли+ Лвс ) гт„2 — (Лв+ Лcu, )т „г (8) и если Л© » Л© с, тО () лг = arCtg A® r ê2 (9 ) Для выполнения условия p = p «2 введена фазокорректирующая цепь 7 (фиг.1). Умножим выходное напряжение U Выхпг (7) на величину кта2, (10) >, гдеЛ Т к — t tt2 — T tt t то есть выберем коэффициент усиления полосового усилителя 6 равен (10) и вычтем полученное напряжение (7) из напряжения, полученного на выходе полосового фильтра (формула (5)) в вычитающем устройстве 8. Учитывая (8) и (9), получим на его выходе 1 атт «мс, а>1», аь» "с(сса<1 («2>)«Z F(t ») e асса(а« t Ц а « 2 е>1 tos(s1«т 2«t)«() (соа(та (t kl)1а т «)) ) "3 - соь (От>(с-ат)- — >с«„) ° Oct, t H T t т> 2 »3 ья2 U соа(се,)«с)«,."т(т-тт)е 2 „s,å « > 2, s««t(t-«l-та«,t с с >Ью — . - - «1«« с>«с (t- t«1+A «т 2 t) 4 3T1 2 " 2) т рг) Так как нас интересует вопрос компенсации шума (помех), расстройка мгновенных частот которых может достигать нуля Лв — > О, то выражение <4 . аа«т.,«2 SIII С > 2 2 аале-.„ас>т2„, С - (И) 2 2Т При Лв больше или Ла->0 свободные колебания будут по уровню меньше, поэтому выражение (13) будем считать справедливым для всех значений Лв, Определим mp2 =шр1 — Лв,(Т— 1«2 рс ) в зависи(ted ð) мости от К. при t = NT, те на выходе ключа 12. из выражения 1823133 col p2 (N — K ) - N p NT 3,5 и = (17 ) (И вЂ” 1}т t 1 N — 1 5 тк1 = SIn и при Т 0 (15) N»10, «1 и e "" --З1 Т 10 т к1 = — Sin 0} р1 2 значение ф т ! — е т 1 — е Для этого будем считать < к1 т Т «« (18) ЛГ0 с 1— I — e — 27<ц т — е -7 <к< Гк1 99,5 при = 1000. т Щ- )1. F(N — КТ)е .2 По этой формуле мы получим наименьшее значение компенсации свободных колебаний, так как выполним жесткие условия (13) и (16). Реально эта компенсация будет 40 б,л Рассмотрим пример. Пусть полоса входного усилителя полосового коммутируемого фильтра Л <<} пр выбрана для усиления дискретного сигнала, 45 посылка которого равна То. Амплитудно-частотная характеристика такого усилителя равна Определим значение (й-к<т F (N — КТ) е К=1 (при t- NT) Так как 1 @К)Т N — 1 <7 F (N — кт)е =,, е -г„ К=1 К=1 (к-1}т + +е с "< т о о (И-<)1. 1 — е Kmax т 1 — е 7, где q такое, чтобы выполнялось условие (15). тогда 20 и„ ra Ъ р 01с Рассмотрим значение = f(K) при . 0}p1 25 N = 100: q = 0,01; v = 1. Таким образом, чтобы обеспечить условие (15) для всех К, необходимо Лвс выбирать при К = 1, В этом случае амплитуда свободных колебаний формулы (12) преоб- 30 разуется и станет — кт (здесь учтено, что сумма е "" есть 55 К=1 геометрическая прогрессия), то при выбранных значениях - я,"" е " "— О, например е - 0,03, откуда Это доказать легко, если учесть, что к1 ,52 при = 10. т 1 к1 — 1 = 99,5 при = 100, т Подставим значение (13), (16) и (18) в (12), получим окончательное значение огибающей свободных колебаний выражения (12) тк1, 2т Sin 2 Л q = 2 Sin 2 1<, q . (19 ) тк1 2 1Г где Q — - — о То Так как элемент посылки (Т = ) удли11 нился в N раэ (17), то полоса полосового 1823133 K max K1(N)— < xz = к1 200. 2о Лшс — га р1 Nv при v =5 или Тогда 55 фильтра 5 для фильтрации удлиненного элемента сигнала должна быть ANп N N р и т, —— г, — (20) Тогда характеристика полосового фильтра 5 будет равна Таким образом, для получения дополнительной фильтрации шума и помех по сравнению с входным усилителем надо увеличивать N. Выберем AN c = О AN При выбранных значениях N = 100 и v = 5 Следовательно, в формуле (6) сигнал и 1 помеха ослабляются s - раз и останутся только свободные колебания. Компенсацию свободных колебаний определяет формула (19). Если потребовать снизить их уровень на 20 дБ (10 раз по напряжению), то из (19) 2sin2 7гц=0,1; sin2 л q=0,05;2 л 0.05; 0,05 ч= „,. Подставим значение q в (16) и определим резонансную частоту полосового усилителя 2 005 — 4 Ла с = р1 100 . 5 — р1 2 10 Npg =а)р1+ Лис =Np (1+2 10 4), Отметим, что если в вырезке смеси сигнала действует не одна, а несколько аддитивных помех, то они и возникающие от них свободные паразитные колебания будут ослаблены и компенсированы так же, как это показано для одной помехи. Важночтобы их расстройка была не меньше расчетной. Таким образом показано, что техническое решение путем введения полосового усилителя, фазовращателя (для компенсации разности фаэ р 1 — p >2) и вычитающего устройства, в соответствии с целью изобретения обеспечивает компенсацию свободных колебаний на требуемую величину в вырезках, получаемых на выходе выходного ключа. В тех отрезках смеси сигнала и только шума длительностью Т, ь которых мгновенная частота узкополосного шума равна частоте сигнала, напряжения шума в цепи компенсации (6,7 фиг.7) не будет. В этом случае сигнал и шум выделяются на выходе фильтра 5 и компенсации шума в вычитающем устройстве не произойдет. Для того, чтобы отключить тракт устройства, в котором шум не компенсируется, в устройстве имеется тракт дискретного АРУ. Алгоритм работы этого тракта состоит в том, что каскад АРУ имеет коэффициент усиления равным единице, когда на выходе ограничителя имеется напряжение Uorp, и имеет коэффициент усиления равным нулю, если напряжение на выходе ограничителя равно нулю (Uorp. = О). Введение тракта дискретного АРУ позволяет отключать тракты устройства, в которых не компенсируются шумы. В итоге получаютсигнал с просечками, чтоухудшает достоверность приема сигнала. Просечек будет тем меньше, чем больше N. Наличие в сигнале просечек, а не сигнала, пораженного шумом в этих отрезках времени, позволит при необходимости повысить достоверность приема сигнала известными методами, Реализация изобретения выполнима при применении его для целей снижения шума и помех в устройствах независимо от диапазона частот, ибо применяемые радиоэлементы и устройства в изобретении серийно выпускаются. Использование изобретения позволит получить большой экономический эффект, особенно в тех системах и устройствах, в которых известными методами снизить уровень шумов и помех до требуемой величины не представляется возможным, В частности, применение изобретения в приемниках радиолиний сделает возможным снизить не только шум приемников, но и шумы антенны (земли) и трактов канализации сигнала. Выигрыш в подавлении шума и помех зависит от степени удлинения элементов с гнала в устройстве и реально может быть достигнут в 10- 20 дБ. 1823133 Положительным является также и то, что при реализации изобретения не требуется устройства синхронизации по фазе ни по высокой частоте ни по тактам. Достаточно того, чтобы длительность вырезок была бы кратна периоду мгновенной частоты сигнала. то есть Составитель Г.Дедюкин Техред M,Moðãåíòàë Корректор И.Шмакова Редактор Заказ 2186 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035. Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 v2z х= о с Формула изобретен ия Полосовой коммутируемый фильтр, содержащий входной усилитель, вход которого является входом полосового коммутируемого фильтра. N каналов фильтрации, включенных между выходом входного усилителя и соответствующими входами выходного сумматора, выход которого является выходом полосового коммутируемого фильтра. причем каждый канал фильтрации содержит входной ключ, информационный вход которого является входом канала фильтрации, а выход подключен к 1-у входу сумматора через 1-й блок линии задержки (где! = О, ..., N), выход сумматора подключен к входу полосового фильтра, а также выходной ключ. выход которого является выходом канала фильтра5 ции, при этом управляющие входы входного и выходного ключей N каналов фильтрации подключены к соответствующим выходам распределителя импульсов, вход которого соединен с выходом импульсного генератора, о т л и ч а ю10 щи и с ятем, что, с целью повышения отношения сигнал/шум, в каждый канал фильтрации введен ы пол осовой ус ил ител ь, фазокорректирующая цепь, вычитающий блок и блок автоматического регулирования усиления, включенные 15 последовательно между выходом сумматора и информационными входом выходного ключа, а также детектор огибающей и ограничитель. включенные последовательно между выходом фазокорректирующей цепи и управляющим 20 входом блока автоматического регулирования усиления, причем выход полосового фильтра соединен с другим входом вычитающего блока.
