Дискретный накопитель

Изобретение относится к области радиотехники и предназначено для выполнения операции накопления дискретного сигнала в присутствии помех. Достигаемый технический результат - расширение функциональных возможностей, ослабление влияния как флуктуационных, так и импульсных помех. Дискретный накопитель содержит сумматор, линию задержки, двухсторонний ограничитель, два вычитающих устройства, нелинейный элемент и усилитель. 8 ил.

 

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в радиотехнических устройствах различного назначения, в которых необходимо осуществлять накопление дискретного сигнала в сложной помеховой обстановке.

Помеховая обстановка характеризуется наличием как флуктуационных помех, описывающих внутренние шумы приемного устройства, так и импульсных помех, представляющих собой мощные короткие радиоимпульсы.

Предполагается, что обработка ведется в дискретной области, т.е. в наличии имеется дискретный сигнал, полученный из аналогового путем дискретизации с шагом дискретизации Δ. В настоящее время самым простым и эффективным накопителем является сумматор, который содержит последовательно соединенные сумматор и линию задержки, причем первый вход сумматора является входом всего устройства (на него поступают отсчеты входного сигнала), а выход сумматора - это выход всего устройства, кроме того второй вход сумматора соединен с выходом линии задержки, взятый за прототип [Оппенгейм А., Шафер Р. Цифровая обработка сигналов. - М.: Техносфера, 2006. - С.54].

Укажем на некоторые недостатки, присущие данному устройству. В дальнейшем для простоты в качестве исходного аналогового сигнала, из которого в дальнейшем получается дискретный сигнал, будем рассматривать обычный гармонический сигнал вида s(t)=A₀cos(2πf₀t+φ₀). Предположим вначале, что этот сигнал наблюдается в смеси с импульсной помехой. Для примера в качестве импульсной помехи рассмотрим два мощных радиоимпульса. Реализация (непрерывная) наблюдаемых данных для этого примера приведена на фиг.2,а, на которой четко видны два всплеска, появившиеся в сигнале из-за влияния импульсных помех. Если использовать устройство-прототип, то сигнал на его выходе будет выглядеть так, как показано на фиг.2, б, т.е. наличие мощного импульсного сигнала может привести к существенному скачку (на несколько порядков) выходного сигнала. Это может привести к переполнению всего устройства. Даже если поставить обычный двусторонний ограничитель с целью ослабления влияния импульсных помех, то подобный скачок в выходном сигнале, хоть и уменьшившийся по величине, все равно останется. Кроме того, недостатком устройства-прототипа является наличие постоянного смещения в выходном сигнале, для устранения которого требуется вводить специальные цепи.

Предположим теперь, что кроме импульсной помехи присутствует также и широкополосная флуктуационная помеха типа белого шума. Непрерывная реализация наблюдаемых данных для этого случая приведена на фиг.3, а. Как показывают расчеты, выходной сигнал устройства-прототипа и в этом случае претерпевает аналогичные изменения, т.е. все перечисленные недостатки не только не исчезнут, но и еще более усугубятся.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей стандартного накопителя, в частности в ослаблении влияния как флуктуационных, так и импульсных помех.

Технический результат достигается тем, что в дискретный накопитель, включающий сумматор и линию задержки, причем выход линии задержки соединен со вторым входом сумматора, первый вход сумматора является входом всего устройства, а выход всего устройства соединен со входом линии задержки, согласно изобретению введены последовательно соединенные двусторонний ограничитель, первое вычитающее устройство, нелинейный элемент, усилитель и второе вычитающее устройство, причем вход ограничителя соединен с выходом сумматора и неинвертирующими входами, первого и второго вычитающих устройств, а выход второго вычитающего устройства соединен с выходом всего устройства.

На фиг.1 изображена структурная схема заявленного устройства.

На фиг.2, а-2, в изображены соответственно реализация наблюдаемых данных при наличии импульсных помех, а также выходные сигналы устройства-прототипа и заявленного устройства.

На фиг.3, а-3, б изображены реализация наблюдаемых данных при наличии как импульсных, так и флуктуационной помех, а также выходной сигнал заявленного устройства соответственно.

На фиг.4 показана амплитудная характеристика нелинейного элемента, входящего в состав заявленного устройства.

На фиг.5 изображены амплитудные спектры полезного входного сигнала, реализации наблюдаемых данных, а также сигналов на выходе устройства-прототипа и заявленного устройства.

Предложенное устройство состоит из сумматора 1, линии задержки 2, двустороннего ограничителя 3 с уровнем ограничения ±А₁, первого вычитающего устройства 4, нелинейного элемента 5 с характеристикой вида

усилителя 6 с коэффициентом усиления А₂ и второго вычитающего устройства 7.

Как и в устройстве-прототипе, входной дийсретный сигнал {x_n} поступает на первый вход сумматора 1, на его второй вход поступает сигнал с выхода линии задержки 2, вход линии задержки соединен с выходом вычитающего устройства 7, являющимся выходом всего устройства, кроме того выход сумматора 1 через последовательно соединенные ограничитель 3, вычитающее устройство 4, нелинейный элемент 5 и усилитель 6 соединен с инвертирующим входом вычитающего устройства 7, а также непосредственно с неинвертирующими входами вычитающих устройств 4 и 7.

Как следует из схемы, приведенной на фиг.1, в выходную цепь стандартного накопителя (устройства-прототипа) введены дополнительно несколько устройств (блоки 3-7), которые в совокупности можно назвать модифицированным ограничителем. Действительно, подобное название можно обосновать следующим образом. Обозначим через {x_n} - входной дискретный сигнал, {y_n} - выходной сигнал, a {z_n} - дискретный сигнал на выходе сумматора 1. Тогда связь между ними может быть выражена в следующем виде

z_n=x_n+y_n-1,y_n=F(z_n)=F(x_n+y_n-1),

где

Нелинейная зависимость у=F(z) приведена на фиг.4. Следовательно, модифицированный ограничитель, в отличии от стандартного двустороннего, в случае превышения входным сигналом порогового уровня осуществляет вычитание из этого сигнала некоторого постоянного значения, доводя уровень сигнала до требуемого. Основными параметрами, которыми характеризуется данная нелинейная зависимость, являются величины А₁ и A₂. Первая из них определяет уровень ограничения в двустороннем ограничителе 3, а вторая - коэффициент усиления усилителя 6. Выбор этих величин должен осуществляться в соответствии со следующей методикой. Если входной сигнал - гармонический с амплитудой A₀ и частотой f₀, то дискретный накопитель будет обеспечивать его усиление до величины A₀/2πf₀Δ. Следовательно, в ограничителе 3 уровень ограничения должен выбираться из условия неискаженной передачи полезного сигнала, а значит он не может быть меньше этой величины, т.е. A₁>A₀/2πf₀Δ. Например, для примера, представленного на фиг.2, а, A₀=1[В],

f₀=3123[Hz], Δ=10^-6[с]. При этом A₀/2πf₀Δ≈51. Выберем параметр А₁ чуть большим этой величины, например А₁=55[В]. Выбор величины A₂ определяется уровнем помех. Например, для того же примера максимальный уровень наблюдаемых данных составляет примерно 16[В]. Такого же порядка (может быть чуть меньше) следует выбирать и величину коэффициента A₂, т.е. в нашем случае A₂=16. На фиг.2, в приведен сигнал на выходе заявляемого устройства при условии, что на входе действует аддитивная смесь гармонического сигнала и импульсной помехи. Сравнение фиг.2, в с фиг.2, б, где показан отклик устройства-прототипа на такой же сигнал, показывает, что недостатки, присущие устройству-прототипу, частично компенсировались. Действительно, отсутствуют как скачок в выходном сигнале за счет накопления импульсной помехи, так и постоянная составляющая в выходном сигнале. Кроме того, даже на интервалах времени, где присутствует мощная импульсная помеха, сохраняется информация о полезном сигнале.

Заметим, что заявленное устройство достаточно успешно может уменьшать влияние и флуктуационных помех. Действительно, вернемся к примеру, приведенному на фиг.3, а, где изображена аддитивная смесь гармонического сигнала, импульсной помехи и гауссовского шума. Так как добавилась аддитивная флуктуационная помеха со среднеквадратическим отклонением, равным 2 [В], то коэффициент А₂ целесообразно увеличить до значения А₂=18. В этом случае сигнал на выходе заявленного устройства приведен на фиг.3, б. Сравнение входного (фиг.3, а) и выходного (фиг.3, б) сигналов в заявленном устройстве очевидно свидетельствует о частичной компенсации как импульсной, так и флуктуационной помех. Этот факт также подтверждается фиг.5, на которой изображены амплитудные спектры следующих сигналов: 1 - спектр полезного входного гармонического сигнала; 2 - спектр наблюдаемых данных (сигнал + импульсная помеха + флуктуационный шум), 3 - спектр выходного сигнала устройства-прототипа, 4 - спектр выходного сигнала заявленного устройства. Из этого чертежа видно, что в спектре выходного сигнала заявленного устройства, в отличие от спектра сигнала устройства-прототипа, четко просматривается составляющая, соответствующая полезному сигналу.

Таким образом, заявленное устройство, наряду со своей основной функцией накопления входного дискретного сигнала, выполняет также ряд других, в частности производит ослабление влияния как импульсных, так и флуктуационных помех на результирующий сигнал. Практическая реализация заявленного устройства затруднений не вызывает, т.к. все блоки, входящие в это устройство, общеизвестны и описаны в технической литературе.

Дискретный накопитель, включающий сумматор и линию задержки, причем выход линии задержки соединен со вторым входом сумматора, первый вход сумматора является входом всего устройства, а выход всего устройства соединен со входом линии задержки, отличающийся тем, что введены последовательно соединенные двусторонний ограничитель, первое вычитающее устройство, нелинейный элемент, усилитель и второе вычитающее устройство, причем вход двухстороннего ограничителя соединен с выходом сумматора и с неинвертирующими входами первого и второго вычитающих устройств, а выход второго вычитающего устройства соединен с выходом всего устройства.