Устройство автоматической настройки полосового фильтра
Изобретение относится к радиотехнике для использования в системах радиосвязи и радиолокации. Технический результат заключается в повышении помехоустойчивости за счет сохранения характеристик устройства в широком частотном диапазоне, перестраиваемый автоматический полосовой фильтр (ПАПФ) содержит последовательно соединенные усилитель-ограничитель (1), перестраиваемый полосовй фильтр (ПФ) (2) в виде первого последовательного колебательного контура (ПКК) с конденсатором (К), емкость которого изменяется под действием подаваемого на управляющий вход напряжения, первый буферный усилитель (БУ) (3), параметрическое корректирующее устройство (4) в виде второго ПКК с К переменной емкости, второй БУ (5), первое дифференцирующее устройство (ДУ) (6), первый амплитудный детектор (АД) (7), первое интегрирующее устройство (ИУ) (8), вычитающее устройство (ВУ) (9). Инвертирующий вход ВУ (9) подключен к выходу генератора опорного напряжения (10), а выход подключен к управлющим входам переменных К (2) и (4). ПАПФ также содержит последовательно соединенные второй АД (11), второе ИУ (12) и пороговое устройство (13). Синхронную работу ПАПФ при приеме и обработке радиоимпульсов с конечной длительностью обеспечивает синхронизатор (14), выход которого соединен с устройствами (10), (8), (12). ПАПФ также содержит второй ДУ (15), вход которого подключен к выходу БУ (3), а выход соединен со вторым управляющим входом К переменной емкости ПФ (2). 1 ил.
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в системах радиосвязи, радиолокации и т.д. при приеме и обнаружении квазигармонических сигналов с неизвестной несущей частотой.
При построении высококачественных и помехоустойчивых радиотехнических систем, например навигационных, связных и локационных радиосистем, одной из важнейших проблем является обеспечение достоверных апостериорных оценок значений несущих частот в распространяемых и обрабатываемых сигналах, принимаемых на фоне помех. При этом существуют различные методы построения систем выделения радиосигналов из помех и определения оценок неизвестной несущей частоты [1-5]. Как алгоритмически, так и аппаратно (т.е. схемотехнически) в этих методах используются принципы узкополосной фильтрации, как адаптивной, так и многоканальной.
В качестве аналогов заявляемому являются следящие фильтры [1], однако к их недостаткам можно отнести, во-первых, недостаточно высокую помехоустойчивость, обусловленную использованием нелинейных элементов типа частотных детекторов, необходимых для определения и индикации частотных расстроек и формирования управляющих сигналов; во-вторых, относительно небольшой диапазон перестройки, определяемый снижением величины управляющего сигнала при первоначальных частотных расстройствах, превышающих полосу пропускания вследствие динамического изменения коэффициента передачи полосового фильтра в процессе перестройки (адаптации), что также снижает реальную помехоустойчивость подобных устройств.
Прототипом, т.е. наиболее близким устройством к изобретению по технической сущности, является устройство автоматической настройки полосового фильтра, содержащее последовательно соединенные полосовой усилитель-ограничитель, вход которого является входом устройства, полосовой фильтр в виде первого одиночного последовательного колебательного контура, у которого конденсатор переменной емкости одним выводом подключен к общему проводу, а вторым выводом - к выходу полосового фильтра, и первый буферный усилитель, последовательно соединенные первый амплитудный детектор и первое интегрирующее устройство [6].
Недостатком прототипа является недостаточная помехоустойчивость, обусловленная использованием дополнительных тестовых сигналов, при взаимодействии которых со входными сигналами и изменением структуры последних осуществляется формирование управляющих сигналов для перестройки полосового фильтра. Как и в аналогах, в прототипе величина управляющих сигналов зависит от начальной расстройки и снижается с ее увеличением, поэтому помехоустойчивость прототипа ухудшается при увеличении начальной расстройки от первоначальной резонансной частоты полосового фильтра.
Цель изобретения - повышение помехоустойчивости за счет сохранения характеристик устройства в широком диапазоне частотных расстроек.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство автоматической настройки полосового фильтра, содержащее последовательно соединенные полосовой усилитель-ограничитель, вход которого является входом устройства, перестраиваемый полосовой фильтр в виде первого одиночного последовательного колебательного контура, у которого конденсатор переменной емкости одним выводом подключен к общему проводу, а вторым выводом - к выходу полосового фильтра, и буферный усилитель, а также последовательно соединенные первый амплитудный детектор и первое интегрирующее устройство, введены между выходом первого буферного усилителя и выходом устройства последовательно соединенные параметрическое корректирующее устройство в виде подключенного к общему проводу второго одиночного последовательного колебательного контура со вторым конденсатором переменной емкости, второй буферный усилитель, второй амплитудный детектор, второе интегрирующее устройство и пороговое устройство, а также введено первое дифференцирующее устройство, включенное между выходом второго буферного усилителя и входом первого амплитудного детектора, и введены последовательно соединенные синхронизатор, генератор опорного напряжения и вычитающее устройство, выход которого соединен с управляющими входами конденсаторов переменной емкости первого и второго одиночных последовательных колебательных контуров соответственно перестраиваемого полосового фильтра и параметрического корректирующего устройства, а неинвертирующий второй вход вычитающего устройства подключен к выходу второго интегрирующего устройства, причем выход синхронизатора также соединен с синхронизирующими входами как первого и второго интегрирующих устройств, так и порогового устройства, при этом введенное второе дифференцирующее устройство подключено входом к выходу первого буферного усилителя, а выходом ко второму управляющему входу конденсатора переменной емкости перестраиваемого полосового фильтра.
Поставленная цель повышения помехоустойчивости достигается, во-первых, за счет введения в управление состоянием перестраиваемого полосового фильтра, а именно мгновенным состоянием резонансной частоты этого фильтра; во-вторых, за счет введения с целью компенсации изменений частотной характеристики перестраиваемого полосового фильтра параметрической коррекции, изменяющейся синхронно в такт изменениям в полосовом фильтре; в-третьих, за счет введения более помехоустойчивой по сравнению с другими способами линейной идентификации частотной расстройки с помощью первого дифференцирующего устройства.
Использование этих существенных признаков при совокупности с оптимальной операцией прототипа - интегрированием обеспечивает функционирование устройства автоматической настройки полосового фильтра с высокой помехоустойчивостью в большем диапазоне частотных расстроек, нежели у прототипа. Введение обратной связи по производной, вследствие которой реализуются нелинейные режимы работы перестраиваемого полосового фильтра, обеспечивает автоматическое мгновенное управление состоянием этого фильтра при действии мощных помех, т.е. робастность (нечувствительность) к этим помехам, что также повышает помехоустойчивость устройства.
Так как характеристики предлагаемого устройства улучшаются в более широком диапазоне частотных перестроек, то устройство может быть также обозначено как перестраиваемый автоматический полосовой фильтр (ПАПФ), т.е. также с более компактной аббревиатурой.
На чертеже приведена структурная схема предложенного устройства автоматической настройки полосового фильтра.
ПАПФ содержит последовательно соединенные полосовой усилитель-ограничитель 1, перестраиваемый полосовой фильтр 2 в виде первого последовательного колебательного контура с конденсатором, емкость которого изменяется под действием подаваемого на управляющий вход напряжения, первый буферный усилитель 3, параметрическое корректирующее устройство 4 в виде второго последовательного колебательного контура с переменной емкостью, второй буферный усилитель 5, первое дифференцирующее устройство 6, первый амплитудный детектор 7, первое интегрирующее устройство 8, вычитающее устройство 9. Выход вычитающего устройства подключен к управляющим входам переменных конденсаторов перестраиваемого полосового фильтра 2 и параметрического корректирующего устройства 4, а второй, инвертирующий, вход вычитающего устройства 9 подключен к выходу генератора опорного напряжения 10. ПАПФ также содержит последовательно соединенные второй амплитудный детектор 11, второе интегрирующее устройство 12 и пороговое устройство 13, выход которого является выходом всего устройства. Синхронную работу ПАПФ при приеме и обработке радиоимпульсов с конечной длительностью обеспечивает синхронизатор 14, выход которого соединен с синхронизирующими входами генератора 10, интегрирующих устройств 8 и 12, а также порогового устройства 13. Кроме того, ПАПФ содержит второе дифференцирующее устройство 15, вход которого подключен к выходу буферного усилителя 3, а выход соединен со вторым управляющим входом конденсатора переменной емкости полосового фильтра 2.
ПАПФ работает следующим образом.
Входной сигнал в форме аддитивной смеси шума и радиоимпульса с постоянной амплитудой, конечной длительностью и с неизвестной несущей частотой поступает на вход полосового усилителя-ограничителя 1, где производится двухстороннее ограничение и формирование случайного процесса в виде радиоимпульсов с постоянной амплитудой и случайной, изменяющей во времени полной фазой, содержащей монотонную составляющую, обусловленную неизвестной, т.е. случайной, но постоянной на интервале наблюдения, несущей частотой радиоимпульса.
Основой ПАПФ является перестраиваемый полосовой фильтр 2, выполненный в виде одиночного последовательного колебательного контура с переменным конденсатором, у которого имеется два управляющих входа для изменения емкости. На один управляющий вход подается напряжение обратной связи с помощью второго дифференцирующего устройства 15, пропорциональное производной напряжения на переменном конденсаторе. При этом повышение помехоустойчивости происходит за счет того, что наличие больших значений переменной шумовой составляющей, спектр которой совпадает с текущей настройкой перестраиваемого полосового фильтра 2, не коррелированная с ней производная этой составляющей изменяет (уменьшает) величину емкости переменного конденсатора, т.е. осуществляет мгновенную отстройку перестраиваемого полосового фильтра 2 от помехи. Таким образом, при управлении за счет производной происходит автоматическая отстройка от мощных помеховых спектральных составляющих.
Аналогично процесс автоматической отстройки происходит когда случайная помеха структурно совпадает с сигналом, т.е. подавляет его. Только в этом случае за счет уменьшения величины производной происходит мгновенное увеличение емкости, т.е. текущая резонансная частота перестраиваемого полосового фильтра 2 изменяется (уменьшается), и полосовой фильтр автоматически отстраивается от подобной мощной помехи.
Для того чтобы этот процесс происходил при настроенном на полезный сигнал полосовом фильтре, используется вторая дополнительная ветвь обратной связи - обратная связь по управлению, образованная блоками 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10. При этом у радиоимпульсного сигнала, имеющего в общем случае произвольную несущую частоту, т.е. расстроенного относительно резонансной частоты перестраиваемого полосового фильтра 2, соответствующим образом поддерживается постоянная амплитуда за счет корректирующего устройства 4. Корректирующее устройство имеет амплитудно-частотную характеристику (АЧХ), обратную АЧХ перестраиваемого полосового фильтра 2. Это реализуется при использовании последовательного колебательного контура, включенного на выходе усилителя, работающего в режиме генератора тока. Для того чтобы это соответствие сохранялось в необходимом диапазоне частотной перестройки, корректирующее устройство является параметрическим, а именно у него емкость переменного конденсатора при перестройке изменяется синхронно емкости перестраиваемого полосового фильтра 2.
Информация о частотной расстройке сигнала содержится в величине производной, т.е. для сигнала
s(t)=A0sin(ω t+ϕ 0), t∈ [0, T],
производная y(t) равна
у(t)=A0ωcos(ω t+ϕ 0)=B(ω )cos(ω t+ϕ 0), t∈ [0, T] (T - длительность сигнала).
Эта частотная расстройка определяется первым дифференцирующим устройством 6 и затем выделяется с помощью первого амплитудного детектора 7, который может быть выполнен, например, как определитель модуля.
Так как основная операция при идентификации частотных расстроек производится линейным оператором, т.е., дифференцированием, во всем диапазоне частотных расстроек, то помехоустойчивость всего устройства ПАПФ реализуется как потенциальная. Структурно и технически это обеспечивается при использовании первого интегрирующего устройства 8, выполняющего оптимальную операцию вычисления автокорреляционной функции над выходным напряжением амплитудного детектора 7.
Для того чтобы управляющее частотной перестройкой устройства напряжение могло быть как положительным, так и отрицательным в зависимости от знака первоначальной частотой расстройки, используется вычитающее устройство 9, на инвертирующий вход которого подается с генератора 10 напряжение, форма которого подобна выходному сигналу интегратора 8 при нулевой первоначальной частотной расстройке.
Для работы устройства ПАПФ в качестве помехоустойчивого обнаружителя используются блоки 11, 12 и 13, с помощью которых выполняется оптимальная некогерентная фильтрация радиоимпульса и вынесение решения о наличии или отсутствии сигнала в шумах пороговым устройством 13.
Синхронная работа устройства обеспечивается синхронизатором 14.
Таким образом, в устройстве автоматической настройки полосового фильтра обеспечивается высокая помехоустойчивость за счет подавления мощных шумовых составляющих путем мгновенной перестройки при введении производной отфильтрованного полосовым фильтром напряжения в управление емкостью перестраиваемого полосового фильтра, а также определения частотной расстройки линейным дифференцирующим устройством и дальнейшей оптимальной фильтрацией за счет операции интегрирования.
Промышленная применимость.
Устройство автоматической настройки полосового фильтра может быть применено в различных областях радиотехники в качестве эффективного фильтра для приема радиосигналов с неизвестной частотой в системах радиосвязи, радиолокации, в системах синхронизации и т.д.
Источники информации
1. Кантор Л.Я., Дорофеев В.М. Помехоустойчивость приема ЧМ сигналов. - М.: Связь, 1977.
2. Системы фазовой автоподстройки частоты с элементами дискретизации/ Шахгильдян В.В., Ляховкин А.А., Карякин В.Л. и др. Под ред. В.В.Шахгильдяна. - М.: Связь, 1979.
3. Шелухин О.И. Радиосистемы ближнего действия. М.: Радио и связь 1989.
4. Шахтарин Б.И. Случайные процессы в радиотехнике. М.: Радио и связь, 2002.
5. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и связь, 1983.
6. А.С. 1626336 (51), 5 Н 03 J 3/00, Ю.А.Cкрипник, В.И.Водотовка, Ю.А.Сокурец, И.Ю.Скрипник. Устройство автоматической настройки полосового фильтра.
Устройство автоматической настройки полосового фильтра, содержащее последовательно соединенные полосовой усилитель-ограничитель, вход которого является входом устройства, перестраиваемый полосовой фильтр в виде первого одиночного последовательного колебательного контура, у которого конденсатор переменной емкости одним выводом подключен к общему проводу, а вторым выводом - к выходу полосового фильтра, и буферный усилитель, а также последовательно соединенные первый амплитудный детектор и первое интегрирующее устройство, отличающееся тем, что в него введены между выходом первого буферного усилителя и выходом устройства последовательно соединенные параметрическое корректирующее устройство в виде подключенного к общему проводу второго одиночного последовательного колебательного контура со вторым конденсатором переменной емкости, второй буферный усилитель, второй амплитудный детектор, второе интегрирующее устройство и пороговое устройство, а также введено первое дифференцирующее устройство, включенное между выходом второго буферного усилителя и входом первого амплитудного детектора, и введены последовательно соединенные синхронизатор, генератор опорного напряжения и вычитающее устройство, выход которого соединен с управляющими входами конденсаторов переменной емкости первого и второго одиночных последовательных колебательных контуров соответственно перестраиваемого полосового фильтра и параметрического корректирующего устройства, а не инвертирующий второй вход вычитающего устройства подключен к выходу второго интегрирующего устройства, причем выход синхронизатора также соединен с синхронизирующими входами как первого и второго интегрирующих устройств, так и порогового устройства, при этом введенное второе дифференцирующее устройство подключено входом к выходу первого буферного усилителя, а выходом ко второму управляющему входу конденсатора переменной емкости перестраиваемого полосового фильтра.
