Многоканальное устройство поиска сигнала

Изобретение относится к радиотехнике. Технический результат заключается в возможности получения минимальной величины вероятности пропуска сигнала при фиксированном значении вероятности ложной тревоги, т.е. обнаружении сигнала, временное положение которого неизвестно. Сущность изобретения заключается в том, что устройство содержит N одинаковых каналов, каждый из которых включает в себя узкополосный фильтр, усилитель, детектор, регулируемый усилитель, схему сравнения, безынерционный ограничитель, индикатор отключенных линеек, фазовращатель, управляемый усилитель, инвертор и ключ. Кроме того, устройство содержит широкополосный входной фильтр, блок усиления и преобразования чиастоты, блок выбора минимума, блок определения ширины спектра, свободного от помех, блок формирования АЧХ, сумматор и оптимальный фильтр. 6 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области радиосвязи, может быть применено в радиотехнических системах, предназначенных для приема широкополосных сигналов на фоне сосредоточенных по спектру помех.

В настоящее время известен ряд многоканальных устройств, позволяющих вести борьбу с сосредоточенными помехами в широкополосных системах связи (например, патент США №3112452, статьи Бокка О.Ф. “Оптимизация характеристик фильтров блока защиты от сосредоточенных по спектру помех” Техника средств связи, серия Техника радиосвязи, вып.4, 1987 г., Бокка О.Ф. “О быстродействии блока защиты от сосредоточенных помех” Техника средств связи, серия Техника радиосвязи, вып.7, 1983 г., Гармонова А.В., Котова А.В. “Повышение эффективности приема сложных сигналов на фоне Гауссовского шума и сосредоточенных по спектру помех”, Техника средств связи, серия Техника радиосвязи, вып.4, 1985 г., Бокка О.Ф., Грибко В.М. “Анализ работы блока защиты при воздействии на его вход белого шума”, Техника средств связи, серия Техника радиосвязи, вып.7, 1985 г., диссертация Иощенко А.Н. “Исследование методов борьбы с сосредоточенными помехами в широкополосных системах связи”, Новосибирск, 1970 г.

Все перечисленные устройства содержат многоканальный фильтровой анализатор спектра параллельного типа, каналы которого разбивают полосу частот принимаемого сигнала на N равных полос. Устройства различаются как по методам подавления узкополосных помех в каналах, так и по технической реализации этих методов.

Так, устройство по патенту США №3112452 осуществляет ограничение узкополосных помех в каналах.

В диссертации Иощенко А.Н. и статьях Бокк О.Ф. “Анализ изменений корреляционной функции широкополосного сигнала при режекции узкополосных помех”, Вопросы радиоэлектроники, серия Техника радиосвязи, вып.1, 1975 г., Бокк О.Ф., Гармонов А.В. “Искажение корреляционной функции за счет режекции узкополосных помех”, Техника средств связи, серия Техника радиосвязи, вып.7, 1979 г. приводятся устройства, которые подавляют узкополосные помехи методом режекции участков спектра широкополосного сигнала, пораженных узкополосными помехами.

Метод взвешивания сигналов в каналах, пораженных узкополосными помехами, реализован в устройствах, описанных в статьях Бокк О.Ф. ”Оптимизация характеристик фильтров блока защиты от сосредоточенных по спектру помех”, Техника средств связи, серия Техника радиосвязи, вып.4, 1987 г., Бокк О.Ф. “Обнаружение сигнала на фоне окрашенного шума”, ч. 1 и 2, Техника средств связи, серия Техника радиосвязи, вып.3 и 7, 1989 г.

Эти устройства представляют собой оптимальный фильтр при обнаружении сигнала на фоне окрашенного Гауссова шума. Таким образом, они оптимальны только в случае, когда о сигнале известно все (известны координаты сигнала, его уровень), кроме его наличия.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению следует считать устройство, описанное в статье Бокка О.Ф. “Оптимизация характеристик фильтров блока защиты от сосредоточенных по спектру помех”, Техника средств связи, серия Техника радиосвязи, вып.4, 1987 г., структурная схема которого представлена на фиг.1, где введены следующие обозначения:

1 - усилитель;

2 - узкополосный фильтр;

3 - усилитель;

4 - детектор;

5 - фильтр нижних частот (ФНЧ);

6 - формирователь порога;

7 - регулируемый усилитель;

8 - сумматор.

В статье для анализа быстродействия из состава детектора был выделен ФНЧ 5, а регулируемый усилитель 7 включает в себя схему сравнения. Для лучшего понимания заявляемого технического решения объединим все усилители 1 и назовем этот блок блоком усиления и преобразования частоты, на вход которого включен широкополосный входной фильтр. Объединим блоки 4 и 5 и назовем этот блок по выполняемым функциям детектором. Выделим из состава регулируемого усилителя 7 схему сравнения (см., например, рис. 1, стр.115, статья Бокк О.Ф., Грибко В.М. Техника средств связи, серия Техника радиосвязи, вып.7, 1985 г.). Формирователь порога 6 выбирает максимальное из n минимальных значений, поэтому по выполняемым функциям он вполне может быть назван блоком выбора минимума (см. подробно, например, стр. 117, статья Бокк О.Ф., Грибко В.М. Техника средств связи серия, Техника радиосвязи, вып.7, 1985 г.). На выходе устройства включим оптимальный фильтр. Схема укрупненного прототипа приведена на фиг.2, где обозначено:

1 - широкополосный входной фильтр;

2 - блок усиления и преобразования частоты;

3 - узкополосный фильтр;

4 - усилитель;

5 - детектор;

6 - схема сравнения;

7 - регулируемый усилитель;

8 - сумматор;

9 - оптимальный фильтр;

10 - блок выбора минимума.

Устройство-прототип содержит N частотных каналов, одинаковых по построению. Входом устройства является вход широкополосного фильтра 1, выход которого через блок усиления и преобразования частоты 2 подключен к входам частотных каналов. Каждый частотный канал содержит последовательно соединенные узкополосный фильтр 3, усилитель 4, детектор 5, схему сравнения 6, регулируемый усилитель 7, выход которого соединен с соответствующим входом сумматора 8. Выход усилителя 4 соединен с первым входом регулируемого усилителя 7, выход детектора 6 каждого канала соединен с соответствующим входом блока выбора минимума 10, выход которого соединен с входом блока усиления и преобразования частоты 2 и вторым входом схем сравнения 6 каждого канала. Выход сумматора 8 присоединен к входу оптимального фильтра 9, выход которого является выходом устройства.

Работает устройство-прототип следующим образом.

Предположим, что на вход широкополосного фильтра 1 поступает широкополосный сигнал, “белый” шум и сосредоточенные по спектру (узкополосные) помехи. Причем помеховая обстановка является стационарной, т.е. уровни и количество узкополосных помех не меняется во времени. В этом случае устройство осуществляет подавление узкополосных помех методом уменьшения коэффициентов передачи каналов, пораженных помехами.

Блок выбора минимума выбирает наименьшее из напряжений на выходах детекторов 5. Это напряжение характеризует уровень шума и используется в качестве управляющего напряжения автоматической регулировки усиления для блока усиления и преобразования частоты 2 (поддерживая тем самым постоянным уровень сигнала в каналах с минимальным уровнем помех), а также в качестве порога это напряжение поступает на вычитающие входы схем сравнения 6. В схемах сравнения 6 это напряжение сравнивается с напряжением, поступающим с выходов соответствующих детекторов 5. Коэффициенты передачи регулируемых усилителей 7 уменьшаются с ростом напряжений на выходах схемы сравнения 6. По этой причине наибольший коэффициент передачи регулируемого усилителя 7 будет в канале, суммарный уровень помех в котором наименьший.

При возрастании сигнала на выходе какого-либо узкополосного фильтра 3 коэффициент передачи соответствующего регулируемого усилителя 7 будет уменьшаться, причем параметры регулируемого усилителя 7 подбираются такими, чтобы его коэффициент передачи уменьшался в большей мере, чем растет напряжение на выходе соответствующего узкополосного фильтра 3. В этом случае наибольший сигнал будет на выходе канала с минимальным уровнем помех. Поэтому в стандартной помеховой обстановке сигналы проходят через каналы без ограничения. На выходах каналов сигналы суммируются, и суммарный сигнал через оптимальный фильтр 4 поступает на выход устройства.

Эффективность подавления помех определяется точностью взвешивания смеси сигнала и помех в каналах. Максимальная помехоустойчивость реализуется в случае, когда коэффициент передачи регулируемого усилителя обратно пропорционален мощности помех на выходе узкополосного фильтра 3 (см. Бокк О.Ф., Гармонов А.В., “Выделение известного сигнала из помех с применением блока защиты”, Техника средств связи, серия ТРС, 1983 г., вып.4, стр. 66-75).

В прототипе блоки работают оптимально для обнаружения сигнала с известными координатами, в частности с известным временем прихода сигнала, то есть устройство обнаруживает сигнал с выходным напряжением, равным Вmax. На практике чаще всего временное положение сигнала неизвестно и выходное напряжение может находиться в пределах от 0,5 Bmax до 0,9 Bmax, что приводит к резкому увеличению вероятности пропуска сигнала при фиксированном значении ложной тревоги, значит, в этом случае прототип работает неоптимально.

Недостатком устройства прототипа является то, что блоки работают неоптимально для обнаружения сигнала, временное положение которого неизвестно.

Для устранения указанного недостатка в устройство, содержащее широкополосный входной фильтр, выход которого соединен с блоком усиления и преобразования частоты, выходы которого соединены с входами N частотных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных узкополосного фильтра, усилителя, детектора, схемы сравнения, регулируемого усилителя, выход детектора каждого канала, кроме того, соединен с соответствующим входом блока выбора минимума, выход которого соединен со вторыми входами блока усиления и преобразования частоты и схемы сравнения каждого канала, выход усилителя соединен с первым входом регулируемого усилителя, а также последовательно соединенные сумматор и оптимальный фильтр, введены блок определения ширины спектра, свободного от помех, блок формирования амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и в каждый канал введены индикатор отключенных линеек, последовательно соединенные управляемый усилитель, инвертор и ключ, причем выход схемы сравнения соединен с индикатором отключенных линеек, выход которого соединен с соответствующими входами блока определения ширины спектра, свободного от помех, и блока формирования АЧХ, выходы которого соединены с соответствующими входами управляемого усилителя и инвертора, выход управляемого усилителя соединен со вторым входом ключа, выход которого соединен с соответствующим входом сумматора, выход блока определения ширины спектра, свободного от помех, соединен с входом блока формирования АЧХ.

Суть изобретения заключается в том, что, когда есть зона, свободная от помех, преднамеренно вносят искажения для получения функции взаимной корреляции “прямоугольной” формы.

Блок-схема предлагаемого устройства изображена на фиг.3, где введены следующие обозначения:

1 - широкополосный входной фильтр;

2 - блок усиления и преобразования частоты;

3 - узкополосный фильтр;

4 - усилитель;

5 - детектор;

6 - блок выбора минимума;

7 - регулируемый усилитель;

8 - схема сравнения;

9 - индикатор отключенных линеек;

10 - блок определения ширины спектра, свободного от помех;

11 - управляемый усилитель;

12 - блок формирования амплитудно-частотной характеристики (АЧХ);

13 - инвертор;

14 - ключ;

15 - сумматор;

16 - оптимальный фильтр.

Устройство содержит N одинаковых каналов. Входом устройства является вход широкополосного входного фильтра 1, выход которого соединен с входом блока усиления и преобразования частоты 2. Выход блока 2 соединен с входами всех каналов, являющимися входами узкополосных фильтров 3...3N.

В каждом канале содержатся последовательно соединенные узкополосный фильтр 3, усилитель 4, детектор 5, схема сравнения 8, регулируемый усилитель 7, управляемый усилитель 11, инвертор 13, ключ 14. Выход усилителя 4 соединен со вторым входом регулируемого усилителя 7. Выход детектора 5 каждого канала соединен с входами блока выбора минимума 6, выход которого соединен с входами блока усиления и преобразования частоты 2 и схемы сравнения 8 каждого канала. Выход схемы сравнения 8 соединен с входом индикатора отключенных линеек 9. Выход индикатора отключенных линеек 9 соединен с входами блока определения ширины спектра, свободного от помех, 10 и блока формирования АЧХ 12. Выход блока 10 соединен с входом блока 12. Выход управляемого усилителя 11 всех каналов, кроме того, соединен со вторым входом ключа 14. Выход ключа 14 каждого канала соединен с соответствующим входом сумматора 15, выход которого соединен с оптимальным фильтром 16. Выходы блока формирования АЧХ 12 соединены с входом “а” инвертора 13 и входом “в” управляемого усилителя 11 каждого канала.

В случае отсутствия узкополосных помех устройство работает так же, как и прототип. Когда узкополосные помехи присутствуют, устройство работает следующим образом.

В каждом из N каналов сигнал со схемы сравнения 8 поступает на индикатор отключенных линеек 9, а с него подается на блок определения ширины спектра, свободного от помех, 10 и блок формирования АЧХ 12. Определив наибольший участок спектра, в котором нет пораженных помехами каналов, формируем корреляционную функцию, ширина которой зависит от величины участка спектра, свободного от помех. С блока формирования АЧХ 12 сигнал поступает на вход “в” управляемого усилителя 11 каждого канала и на вход “а” инвертора 13 каждого канала. В управляемом усилителе 11 по этому сигналу происходит изменение коэффициента передачи, в инверторе 13 происходит изменение знака сигнала в случае отрицательного его значения. Складывая в сумматоре 15 статически независимые величины, получаем практически “прямоугольную” автокорреляционную функцию.

Такой же эффект можно получить и в случае отсутствия сосредоточенных по спектру помех за счет использования всех отключенных каналов с соответствующим коэффициентом передачи и формирования на свободном участке спектра частот кривой Отметим, что такой же эффект можно получить, совмещая отключенные каналы с нулями

Докажем это. Реально выходные напряжения корреляторов имеют вид треугольника с основанием для первого от τ до 3τ, для второго от 2τ до 4τ (см. фиг 4). Выходные напряжения в этом случае некоррелированны, так как в точках, отстроенных на ±τ, выходное напряжение равно нулю. Максимальное напряжение на выходе корреляторов меняется от Вmax до 0,5 Вmax.

При перемещении сигнала по оси времени выходное напряжение второго коррелятора меняется от 0,5 до 1. Следовательно, вероятность пропуска сигнала Рпр, при фиксированной величине ложной тревоги, минимальна при выходном напряжении, близком к 1, и резко увеличивается в зоне выходных напряжений, близких к 0,5. По этой причине зависимость выходного напряжения от τ в виде треугольника нежелательна.

Как известно из литературы (см., например, Гоноровский И.С. “Радиотехнические цепи и сигналы”, изд. 3-е перераб. и доп. М.: Сов. радио, 1977 г.), автокорреляционная функция В (τ) связана со спектром сигнала следующим соотношением:

Здесь квадрат модуля сигнала S²(ω)≥0, а для формирования прямоугольной автокорреляционной функции необходимо иметь Это практически недостижимо.

Однако если обнаружение сигнала производить многоканальным коррелятором при числе каналов (N) значительно меньше базы сигнала (Б), например N=8 при Б=2047, то возможно приблизиться к прямоугольной характеристике, при этом не увеличивать вероятность пропуска сигнала.

Если при действии помех остался свободным диапазон частот (см. фиг.5), то возможно сформировать АЧХ трех видов. На фиг.6 изображены выходные напряжения корреляторов в зависимости от временной расстройки, пронормированной к дисперсии шума. Следует отметить, что мощность шума на выходе корреляторов также падает линейно с полосой пропускания фильтра. Из фиг.5 видно, что амплитуда сигнала падает пропорционально ширине первого лепестка АЧХ, а длительность его возрастает.

Таким образом, получая практически прямоугольную характеристику выходного напряжения корреляторов, мы имеем возможность получения минимальной величины вероятности пропуска сигнала при фиксированном значении вероятности ложной тревоги, т.е. обнаружения сигнала, временное положение которого неизвестно. А это свойство в свою очередь позволяет при том же общем времени поиска сигнала делать меньшее число шагов по времени, и, таким образом, увеличивается время накопления на одной временной позиции.

Многоканальное устройство поиска сигнала, содержащее широкополосный входной фильтр, выход которого соединен с блоком усиления и преобразования частоты, выходы которого соединены с входами N частотных каналов, каждый из которых состоит из последовательно соединенных узкополосного фильтра, усилителя, детектора, схемы сравнения, регулируемого усилителя, безинерционного ограничителя, фазовращателя, выход детектора каждого канала, кроме того, соединен с соответствующим входом блока выбора минимума, выход которого соединен с входом блока усиления и преобразования частоты и с вторым входом схемы сравнения каждого канала, выход усилителя соединен с первым входом регулируемого усилителя, выходы всех каналов подключены к сумматору, выход которого соединен с оптимальным фильтром, отличающееся тем, что введены блок определения ширины спектра свободного от помех, блок формирования амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) и в каждый канал индикатор отключенных линеек и последовательно соединенные управляемый усилитель, инвертор и ключ, причем выход схемы сравнения соединен с индикатором отключенных линеек, выход которого соединен с соответствующими входами блока определения ширины спектра свободного от помех и блока формирования АЧХ, выходы которого соединены с соответствующими входами управляемого усилителя и инвертора, выход управляемого усилителя соединен с ключом, выход которого соединен с сумматором, выход блока определения ширины спектра свободного от помех соединен с входом блока формирования АЧХ.