Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Некоторые вопросы разработки помехоустойчивых систем радиосвязи 11
1.1. Краткий исторический очерк 11
1.2. Основные положения теории узкополосных случайных процессов 16
1.3. Теорема Слепяна и комментарии к ней 21
1.4. Постановка задачи 24
ГЛАВА 2. Тонкая структура и свойства шумов в узкополосных системах с гетеродинным приемом 25
2.1. Структура узкополосных шумов в радиоприемных системах с гетеродинным приемом 25
2.2. Изменение спектра узкополосного шумового сигнала при переключении фазы высокочастоной составляющей при переходе огибающей через нуль 29
2.3. Экспериментальное подтверждение структуры узко-полосных случайных процессов 36
2.4. Применение математического моделирования при исследовании узкополосных систем с переключением фазы на я 41
2.5. Выводы по главе 52
ГЛАВА 3. Пределы применимости теоремы слепяна к выделению сигналов на фоне узкополосных шумов 53
3.1. Изменение спектра на выходе коммутатора фазы при наличие на входе приемной системы гармони - З ческого сигнала 54
3.2. Изменение спектра смеси сигнала и узкополосного шума при малых отношениях сигнал/шум 59
3.3. Влияние длительности времени наблюдения на точность определения спектра узкополосных шумов 64
3.4. Влияние разности фаз между высокочастотной составляющей узкополосного шума и несущим колебанием на форму спектра на выходе коммутатора фазы...69
3.5. Выводы по главе 75
ГЛАВА 4. Влияние технических нестабильностеи на работу системы с переключением фазы 77
4.1. Влияние погрешности работы коммутатора фазы на форму выходного спектра 77
4.2. Влияние нестабильности несущей частоты полезного сигнала на работу приемной системы с коммутатором фазы 84
4.3. Изменение статистики срабатывания коммутатора
фазы от амплитуды полезного сигнала 90
4.4. Выводы по главе 99
ГЛАВА 5. Применение узкополосных систем с переключением фазы для повышения помехозащищенности приемных устройств 101
5.1. Применение линейной фильтрации на выходе узкополосной системы с переключателем фазы 101
5.2. Повышение помехозащищенности приемных устройств
за счет образования дополнительного канала 104
5.3. Измеритель малых отношений сигнал/шум 109
5.4. Выводы по главе 113
Заключение 114
Литература
- Основные положения теории узкополосных случайных процессов
- Изменение спектра узкополосного шумового сигнала при переключении фазы высокочастоной составляющей при переходе огибающей через нуль
- Изменение спектра смеси сигнала и узкополосного шума при малых отношениях сигнал/шум
- Влияние нестабильности несущей частоты полезного сигнала на работу приемной системы с коммутатором фазы
Введение к работе
Актуальность работы. Степень совершенства радиотехнических оптоэлектронных систем в значительной мере определяется чувс-зительностью приемных устройств, входящих в состав этих систем, эвышение чувствительности современных приемных устройств огранивается не трудностью получения сколь угодно большого усилена, а наличием определенного уровня помех и шумов в приемной іпаратуре. Для того чтобы обеспечить удовлетворительный прием элезного сигнала необходимо, чтобы соотношение между интенсив-эстями сигнала и шума было меньше некоторой пороговой величины. В радиотехнических системах основным методом приема инфор-ационных сигналов является прием с преобразованием входного игнала и переносом его на промежуточную частоту. Усилители про-ежуточной частоты обеспечивают требуемое усиление и частотную елекцию сигналов. Применение преобразования частоты сигналов по равнению с другими способами приема сигналов позволяет получить аиболыпую чувствительность приемного устройства и обеспечить ребуемую избирательность по соседнему каналу.
Если в радиодиапазоне способ приема сигналов с преобразовали частоты стал практически единственным способом приема слабых сигналов, то в оптическом диапазоне до последнего времени [рименяется способ приема , основанный на прямом фотодетектиро-іании входных оптических сигналов. В силу линейности фотодетек-оров по отношению к величине принимаемого оптического сигнала іримєне.ние преобразования частоты не приводит к значительному юзрастанию предельной чувствительности фотоприемных устройств. )днако при работе в условиях мощных фоновых засветок использова-ше систем с гетеродинным приемом дает значительные выигрыши по чувствительности . Поэтому за последнее время значительно возрос штерес к приемным устройствам оптического диапазона с гетеродинным приемом информации. Особое внимание в этой связи уделяется развитию оптоэлектронных систем для определения параметров атмосферы.
Следовательно, как в радиодиапазоне , так и при приеме сиг-
налов в оптическом диапазоне, основным видом приема сигналов становится гетеродинный прием. При использовании систем с гетеродинным приемом сигналов обычно выполняется условие, что полоса пропускания усилителя промежуточной частоты намного меньше значения промежуточной частоты. Поэтому сигналы на выходе усилителя промежуточной частоты являются узкополосными. Теория узкополосных сигналов и шумов в литературе изложена достаточно полно. Однако некоторые их особенности не нашли своего объяснения в рамках существующей теории.
В настоящее время особый интерес представляют работы, направленные на поиск новых способов увеличения чувствительности и помехозащищенности приемных систем. В связи с этим следует отметить тот факт, что оказались невостребованными некоторые положения теоремы Слепяна, указывающей при каких условиях можно улучшить чувствительность и помехозащищенность приемных систем. Поэтому целесообразно рассмотреть возможности применения теоремы Слепяна для разработки новых способов повышения помехозащищенности узкополосных систем. В связи с этим поиск новых способов приема узкополосных сигналов на фоне шумов приобретает первостепенное значение и является актуальным.
На основании вышеизложенного можно сформулировать цель диссертационной работы.
Цель работы. Поиск и исследование новых способов повышения чувствительности и помехозащищенности приемных устройств радиотехнических и оптоэлектронных систем с гетеродинным приемом сигналов.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Исследование структуры узкополосных шумов и ее изменения при воздействии гармонических сигналов.
-
Исследование изменения спектров смеси узкополосных шумо и гармонического сигнала при вариациях отношения сигнал/шум при применении предложенных способов преобразования сигналов.
-
Области применимости теоремы Слепяна к задачам повышения помехозащищенности узкополосных радиотехнических и оптоэлектронных систем на фоне нормальных шумов.
-
Разработка новых способов повышения помехозащищенности приемных устройств и исследование моделей предлагаемых устройств
ри воздействии смеси сигнала и нормальных шумов.
5. Учет нестабільностей работы отдельных узлов предложенной истемы на область применения теоремы Слепяна для решения задач овышения чувствительности приемных устройств радиотехнических и птоэлектронных систем с гетеродинным приемом сигналов.
Методы исследования. При решении поставленных задач ислоль-ованы методы дифференциального и интегрального исчисления, ме-оды численного анализа, методы теории анализа радиотехнических епей, методы математического моделирования, методы постановки аучного эксперимента и статической обработки результатов..
Научная новизна работы состоит :
в результатах анализа структуры узкополосных шумов при азличных отношениях сигнал/шум. Показано, что узкополосные шумы о своей структуре близки к структуре амплитудно-модулированного игнала с подавленной несущей. Наличие гармонического сигнала с астотой, соответствующей средней частоте узкополосного шума, риводит к изменению структуры сигнала на выходе узкополосного «льтра. Аддитивная смесь узкополосного шума и гармонического игнала при отношениях сигнал/шум больше 3 по своей структуре 'Лизка к структуре амплитудно-модулированного сигнала. При отно-іениях сигнал/шум, изменяющихся от нуля до 3, структура выходно-'о сигнала на выходе фильтра соответствует структуре амплитуд-ю-модулированного сигнала с частично-подавленной несущей;
в результатах исследований влияния амплитуды гармоничес-;ого сигнала на выходные спектры узкополосных шумов при примене-гии переключения фазы высокочастотной составляющей на я при пе->еходе огибающей сигнала через ноль. Показано, что наибольшая шрина спектра выходного сигнала соответствует малым отношениям :игнал/шум на входе узкополосного фильтра. При отношениях сиг-іал/шум больших 3 спектр выходного сигнала практически совпадает ; амплитудно-частотной характеристикой узкополосного фильтра;
в определении области применимости теоремы Слепяна к задачам повышения помехозащищенности приемных устройств. При изме-іении отношения сигнал/шум от 0 до 3 происходит изменение спект-эов узкополосных шумов на выходе узкополосного фильтра с переключателем фазы. Наиболее заметные изменения спектров наблюдаются іри отношениях сигнал/шум, больших 0,8. В полном объеме требования теоремы Слепяна для узкополосных систем с переключателем фа-
зы на выходе удовлетворяются при отношении сигнал/шум больше 3; :
в оценке требуемой точности определения спектров узкополосных шумов и смеси сигнала и узкополосного шума, при которой реализуются возможности повышения помехозащищенности приемных устройств, вытекающих из положений теоремы Слепяна;
в результатах анализа дестабилизирующих факторов и их влияния на изменение спектров узкополосных шумов на выходе переключателя фазы как при наличии , так при отсутствии гармонического сигнала. Показано, в каких пределах влиянием дестабилизирующих факторов можно пренебречь.
Практическая ценность работы состоит в том , что:
впервые предложен новый подход к повышению помехозащищенности приемных устройств , базирующийся на положениях теоремі Слепяна;
в оценке пределов изменения спектров узкополосных шумої на выходе узкополосных фильтров с переключателем фазы на выходе
И ВОЗМОЖНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВаНИЯ ЭТИХ Изменений ДЛЯ ПОВЫШеНИЯ ОТНОШЄ'
ния сигнал/шум;
предложены и реализованы на практике новые способы повы шения помехозащищенности радиотехнических и оптоэлектронных сие тем. Показано, что включение узкополосного фильтра на выходе пе реключателя фазы позволяет улучшить отношение сигнал/шум от 1,2 до 1,9 раз, а введение дополнительного шумового канала позволяв снизить вероятность ложной тревоги;
предложен способ измерения малых отношений сигнал/шум обнаружения слабых гармонических сигналов;
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертг ционной работы докладывались и обсуждались на следующих конф< ренциях и симпозиумах:
XII Межреспубликанский симпозиум по распространению л: зерного излучения в атмосфере и водных средах (Томск, Томск научный центр СО РАН, 1993);
I Межреспубликанский симпозиум "Оптика атмосферы и оке на" (Томск, Томский научный центр СО РАН, 1994) ;
III Всероссийская научно-техническая конференция "Фазир ванные антенные решетки и перспективные средства связи" (ФАР-Є ( Казань, 1994);
научно-техническая конференция КГТУ им.А.Н.Туполева
итогам работы эа 1992-1993 г.г. (г. Казань, 1994 г.).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 9 печатных работах, в том числе статья в журнале "Оптика атмосферы и океана" и 2 положительных решения по заявкам на изобретение.
На защиту выносятся:
результаты исследований структуры узкополосных шумов и ее изменения при воздействии гармонического сигнала с различной амплитудой;
результаты анализа узкополосных систем с коммутатором фазы на выходе и исследований изменения спектров узкополосных шумов при различных отношениях сигнал/шум;
области применения теоремы Слепяна к задачам повышения помехозащищености приемных устройств с гетеродинным приемом сигналов;
результаты исследований выходных спектров узкополосных систем с переключателем фазы при ограничениях на длину реализации шумового процесса и при различных дестабилизирующих факторах, действующих в системе;
результаты реализации и внедрения новых способов повышения помехозащищенности радиотехнических и оптоэлектронных систем и измерения малых отношений сигнал/шум .
Структура и объем работы.
Диссертационная работа изложена на 139 .страницах машинописного текста, иллюстрирована 42 рисунками и 4 таблицами и состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 97 наименований и приложения.
Основные положения теории узкополосных случайных процессов
Основной и наиболее сложной проблемой при проектировании систем радиосвязи является проблема помехоустойчивости, т.е. задача отыскания наилучших способов приема сигналов при наличие помех. Это объясняется тем, что одновременно с совершенствованием приемников увеличивается количество помех и повышаются требования к качеству воспроизведения сигналов.
Первой основополагающей работой теории оптимальных методов приема является работа В.А.Котельникова [14]. В работе Н.А.Ко-тельникова были впервые поставлены и решены почти все основные проблемы, характерные для современной теории оптимальных методов приема. Дальнейшее развитие этой теории нашло свое отражение в работах Вудворда [15,16], Миддлтона [17] и других.
Современной теории оптимальных методов приема предшествовало создание теории оптимальных линейных фильтров. Основы теории оптимальных линейных фильтров были заложены в фундаментальных работах академика А.Н.Колмогорова [181 и Н.Винера [19].
Н.Винер определил требования, предъявляемые к оптимальной передаточной функции линейного фильтра, исходя из условия получения на выходе этого фильтра минимальной среднеквадратичной ошибки. При этом предполагалось, что на вход фильтра действует сумма случайной и стационарной составляющей сигнала и шума, а время наблюдения неограниченно велико. В дальнейшем Задэ и Рага-зини [20] обобщили эти результаты на случай конечного времени наблюдения и на сигнал содержащий кроме случайной, также регулярную составляющую. В ряде последующих работ [21,22,23] эта теория была обобщена для нестационарных процессов.
С 1943 г. для синтеза оптимальных линейных фильтров начали применять также критерии максимального отношения пикового значения импульса сигнала к среднеквадратичному значению напряжению шума. Начало здесь было положено работой Норса [24], решившего задачу для "белого" шума. Фильтры,обеспечивающие оптимум по этому, критерию называют согласованными. Результаты Норса были позднее обобщены Дворком С25] и другими на случай шума с неравномерным спектром. Так как реализация оптимальных фильтров в ряде случаев оказывается затруднительной. В.И.Сифоровым [26], А.Н.Бе-лоусовым и др. был рассмотрен случай, когда форма частотной характеристики фильтра считается заданной, а максимальное отношение сигнал/шум на входе фильтра обеспечивается подбором лишь полосы пропускания этого фильтра. Перечисленные выше работы, несмотря на их большую ценность, касались оптимального синтеза не приемника в целом, а лишь одного из его узлов-линейного фильтра.
Первой работой посвященной проблеме отыскания оптимального приемника и исследованию его свойств явилась работа В.А.Котель-никова "Теория потенциальной помехоустойчивости" опубликованной в виде докторской диссертации в 1946 г. которая, как указывалось выше, была опубликована в виде монографии в 1956 г.[14].
С 1950 г. для отыскания оптимальных приемников и оценки их свойств начал широко применяться аппарат математических методов статистики - метод проверки статистических гипотез и оценок.
Основы современной теории статистических оценок параметров распределения случайных величин и случайных функций, были заложены еще в 1920-1930 г. Р.Фишером, а затем развиты в работах Неймана, Пирсона и других математиков [16]. Нейману и Пирсону принадлежит также создание в 1930-1940 г. теории проверки статистических гипотез.
В годы второй мировой войны эти методы получили существенное развитие в работах А.Вальда [27,28], создавшего метод последовательного анализа и развившего теорию статистических решений и теорию игр. Д.Миддлтон и ряд других авторов в своих работах, опубликованных после 1950 г., убедительно показали, что все эти методы с огромным успехом могут применяться к решению задачи об оптимальных способах приема сигналов при наличие помех.
Идейные основы статистической радиотехники были заложены трудами А.Вальда,А.Н.Колмогорова,Дж.Неймана,Н.В.Смирнова,Р.Фишера.
Предлагаемые в работе методы оптимального статистического синтеза дают в руки разработчиков систем более универсальный инструмент, чем тот, которым они располагали в прежние времена, на более грубых энергетических характеристиках (например, на отношение сигнал/шум) которые не отражали особенностей связанных с выработкой и принятием решений.
За последние 50 лет проявилась ярко выраженная тенденция внедрения вероятностных и статистических методов в радиотехнику.
Здесь в первую очередь следует отметить работы В.И.Тихоно-ва[1,30], С.М.Рытова [31], Б.Р.Левина [32], Д.Миддлтона [29], и других.
В статической радиотехнике объектом исследований являются различные сигналы и помехи,представляющие реализации различных процессов.
Задача оптимального синтеза заключается в определении наилучшего метода или алгоритма обработки, позволяющие по наблюдаемой реализации входного воздействия принять решение о представляющих интерес характеристиках входного воздействия, как случайного процесса (совокупности реализаций) [31].
Иначе говоря,необходимо отыскать оптимальную систему(алгоритм обработки наблюдаемого входного воздействия) выход которой представлял бы решение или числа, характеризующие неизвестные свойства наблюдаемого явления.
Для построения оптимальной системы приема информации с использованием методов статистической радиотехники необходимо знать параметры системы и статистические характеристики сигнала и шума, а также смеси полезного сигнала и шума. При этом особое вримание уделяется вопросам обнаружения сигналов в условиях недостаточности информации либо о самом сигнале, либо о шуме.
Изменение спектра узкополосного шумового сигнала при переключении фазы высокочастоной составляющей при переходе огибающей через нуль
Выше показано, что структура узкополосных шумов близка к структуре сигнала биений . В этом случае при переключении фазы высокочастотной составляющей в моменты достижения огибающей сигнала нулевого уровня можно перейти к узкополосным шумам со структурой близкой к структуре амплитудно-модулированного колебания.
Для двух типов фильтров были рассчитаны спектры узкополосных шумов как на выходе узкополосных фильтров, так и после переключателя фазы на ті при достижении огибающей сигнала нулевого уровня. Указанные изменения подверждают вывод о структуре узкополосных шумов.
С целью экспериментальной проверки теоретических результатов была создана экспериментальная установка, структурная схема которой представлена на рис.2.4.
В состав установки входят генератор шума , схема формирующая узкополосный шум с заданными характеристиками, включающая апериодический усилитель и узкополосный фильтр, система задающая режим работы устройства и анализатор спектра. Система , задающая режим работы, состоит из двух эмиттерных повторителей , обеспечивающих развязку цепей парафазного усилителя и амплитудного детектора, компаратора и триггера управления электронными ключами на выходе парафазного усилителя.
Структурная схема установки для исследования спектров узкополосных шумов на входе и выходе коммутатора фазы. ГШ-генератор шума, АУ- апериодический усилитель, УФ -узкополосный фильтр, ЭП1,ЭП2-эмиттерные повторители, ПК-парафазный каскад, ЭК- электронный ключ, АС-анализатор спектра, АД- амплитудный детектор, ТТ-триггер управления, R1,R2,R3 - резисторы делителей, КН1 - переключатель режимов работы.
- 38 ный контур, электромеханический фильтр, формирующий П-образную амплитудно-частотную характеристику. Средняя частота узкополосного фильтра равнялась 500 кГц, что позволило избежать погрешностей, связанных с временной задержкой переключения компаратора и электронных ключей. Уровень срабатывания компаратора изменялся резистором R2.
Установка работает следующим образом. Выходной сигнал, с генератора шума (ГШ), поступает на вход апериодического усилителя (АУ) на выходе которого установлен узкополосный фильтр.формирующий требуемую амплитудно-частотную характеристику устройства. С выхода узкополосного фильтра (УФ) узкополосный шум, через эмиттерный повторитель (ЭП1), подается на парафазный каскад, на выходах которого формируются дєа сигнала сдвинутые по фазе на ті. Выходы парафазного каскада, через соответствующие электронные ключи (ЭК1,ЭК2), подключены к анализатору спектра.
Система управления электронными ключами состоит из эмиттер-ного повторителя (ЭП2), амплитудного детектора (АД), компаратора напряжений и Т-триггера, выходы которого соединены с управляющими входами электронных ключей. Таким образом, в зависимости от того, в каком из состояний находится триггер, сигнал на выходе установки либо совпадает по фазе с выходным сигналом узкополосного фильтра , либо отличается от него на rt.
Сигналы управления выходами парафазного усилителя формируются компаратором и триггером управления. При достижении нулевого потенциала на выходе амплитудного детектора и нулевом потенциале на стробирующем входе компаратора (переключатель Кні в положении 2), компаратор срабатывает и положительным перепадом по тактовому входу триггера изменяет его состояние на противополож - 39 ное, тем самым изменяя фазу высокочастотной составляющей на к. Если на стробирующий вход компаратора подана логическая 1 (переключатель Кн1 в положении 1), то выходной уровень компаратора становится высоким независимо от полярности разностного сигнала на входе. В этом случае переключения фазы при переходе огибающей через нуль не происходит и спектр на выходе коммутатора фазы соответствует исходному узкополосному спектру.
Изменение спектров узкополосных шумов при коммутации фазы в момент прохождения огибающей через нуль наблюдалось для всех типов узкополосных фильтров. При применении узкополосного фильтра с П- образной амплитудно-частотной характеристикой спектр узкополосного сигнала на выходе переключателя имел треугольную форму. При этом ширина спектра была в 2 раза шире, чем исходный спектр на выходе узкополосного фильтра. Учитывая , что в последующем разделе будут приведены результаты моделирования для данного типа фильтра, спектрограммы для П-образного фильтра в данном разделе не приводятся, т.к., они повторяют друг друга.
Ниже приводятся спектрограммы узкополосного шума на выходе резонансного контура и сигнала на выходе переключателя фазы (см. рис.2.5). Как видно из представленных спектрограмм, спектр на выходе переключателя фазы шире спектра исходного узкополосного процесса. Сравнение теоретических результатов (см. графики спектров на рис.2.3) и спектрограмм, приведенных на рис.2.5 подтверждает правильность теоретических предпосылок. Следовательно, можно считать , что структура узкополосных шумов подобна структуре амплитудно-модулированных колебаний с подавленной несущей.
Изменение спектра смеси сигнала и узкополосного шума при малых отношениях сигнал/шум
Спектры узкополосного случайного процесса на выходе коммутатора фазы (tH=100/fo) при ограниченном времени наблюдения и различных отношениях сигнал/шум на входе избирательной системы (1 - С/Ш=0.75, 2 - С/Ш=1, 3 - С/Ш=1.25).
Спектр узкополосного случайного процесса на выходе коммутатора фазы (tH=100/fo) при ограниченном времени наблюдения и отношение сигнал/шум на входе избирательной системы ( С/Ш=1.5). заций характерен подъем составляющих вблизи несущей и перераспределение мощности высокочастотных составляющих вблизи частоты среза узкополосного фильтра. Проведенные оценочные расчеты показали, что изменение мощности шумовых составляющих за полосой пропускания системы при переходе от одной реализации узкополосного процесса к другой не превышает ±2%.
Исследуем изменение спектров узкополосного шума на выходе преобразователя фазы, для одной из выше упомянутой реализации, от отношения сигнал/шум на входе приемного устройства.
Для этого воспользуемся математической моделью, описанной в 3.2 (рис.3.3). Результаты расчетов приведены на рис.3.8, 3.9, 3.10.
Из анализа полученных спектров следует, что общие закономерности изменения формы спектров от отношения сигнал/шум аналогичны результатам полученным в 3.1. Однако уменьшение времени наблюдения влечет за собой искажение формы спектра, которое заключается в увеличении амплитуд составляющих вблизи частоты ц 0 и перераспределении мощности вблизи частот среза узкополосного фильтра Оо+Ло)) и (ш0-Дю). Очевидно, что указанные изменения приводят к тому, что преимущества , вытекаемые из теоремы Слепя-на, могут быть реализованы при отношениях сигнал/шум больших 1.
Влияние разности фаз между высокочастотной составляющей узкополосного шума и несущим колебанием на форму спектра на выходе коммутатора фазы [78] В рассмотренных выше случаях начальная фаза гармонического сигнала выбиралась равной 0. Однако на практике выполнить такое условие затруднительно, поэтому целесообразно рассмотреть влияние начальной фазы гармонического колебания на выходной спектр узкополосных шумов на выходе линейной системы с переключателем фазы на jf. С этой целью необходимо изменить алгоритм формирования гармонического колебания и представить процесс формирования гармонического колебания с произвольной фазой следующим образом:
При неограниченном времени наблюдения форма спектра на выходе переключателя фазы практически не зависит от начальной фазы гармонического сигнала. Объясняется это тем , что фаза узкополосного шума распределена по равномерному закону, поэтому изменение начальной фазы гармонического сигнала не приводит к изменению спектра преобразованного узкополосного шума на выходе переключателя фазы.
В случае ограничения времени наблюдения фаза высокочастотной составляющей узкополосного шума имеет вполне определенное значение. И выходной спектр в значительной степени будет определяться разностью между начальными фазами узкополосного шума и гармонического сигнала. Поэтому в алгоритм обработки сигналов , изложенный в предыдущих разделах , введены изменения связанные с определением мгновенной фазы узкополосного шума и на базе этого формировался гармонический сигнал с требуемой фазой. При этом разность фаз узкополосного шума и гармонического сигнала принимала последовательно следующие значения 0, 45, 90, 135, 180, 225, 270, 315. На рис.3.11-3.14 представлены результаты расчетов спектров узкополосных шумов на выходе переключателя фазы для различных значений разности фаз и при фиксированном отношении сигнал/шум.
Для уменьшения методических погрешностей во всех случаях использовалась одна и та же реализация узкополосного шума.
Из графиков видно, что форма спектров узкополосных шумов на выходе переключателя изменяется и при некоторых значениях разности фаз появляется ассиметрия относительно частоты ш0. Здесь особый интерес представляют спектрограммы для Дср=±90, так как ассиметрия спектров в этом случае наибольшая. Кроме того для указанной разности фаз наиболее интенсивное изменение спектров наблюдается при отношениях сигнал/шум порядка 0,3+0,4.
Особый интерес представляет исследование основных закономерностей, связанных с преобразованием узкополосных шумов на выходе переключателя фазы при различных разностях фазы узкополосного шума и гармонического сигнала. На рис.3.15 представлены графики изменения уровня внеполосных шумов на выходе системы с П-образной амплитудно-частотной характеристикой и переключателем фазы. Как видно из представленных зависимостей изменение разности фаз приводит к изменению порогового уровня сигнала, при котором наблюдается наиболее интенсивное изменение спектра выходного сигнала.
Влияние нестабильности несущей частоты полезного сигнала на работу приемной системы с коммутатором фазы
Таким образом, сигнал на выходе шумового канала появляется лишь в том случае, если на его вход поступают внеполосные шумы, а это возможно лишь в том случае, если сигнал на входе системы либо отсутствует, либо мал по амплитуде. При отношении сигнал/шум на входе системы более 3, внеполосных шумов нет и вероятность появления шумового импульса весьма мала. Следовательно, описанное устройство позволяет значительно снизить вероятность ложной тревоги и сохранить вероятность правильного обнаружения близкой к 1 при отношениях сигнал/шум более 3.
Оценим экспериментально возможности таких систем. С этой целью была создана экспериментальная установка, структурная схе-на которой приведена на рис.5.3.
Экспериментальная установка содержит генератор шума Г2-1, генератор радиоимпульсов на базе генератора Г4-18, сумматор сигналов, контрольный канал и исследуемое устройство, систему индикации выходной информации. Исследуемое устройство выполнено по структурной схеме представленной на рис.5.2. На выходе исследуемого устройства установлен переключатель режимов работы Пг. Назначение этого переключателя состоит в том, чтобы можно было настроить по уровню срабатывания пороговые устройства по шумовым импульсам основного и дополнительного каналов исследуемого уст - 107 Uynp Генератор шума Г2-1 Сумматор сигналов Генераторрадио импульсов 1 гі Щ Входное устройство Узкополосный фильтр
При установке требуемого числа срабатываний по основному и дополнительному каналам генератор радиоимпульсов выключается и на схему "И", которая установлена на выходе исследуемого устройства подается отпирающий сигнал иУПр. При этом, в зависимости от положения переключателя П2 на один из входов двухка-нального счетчика подаются шумовые импульсы либо с основного канала, либо со вспомогательного канала, либо с выхода схемы антисовпадений. Изменяя режимы работы согласующих каскадов каждого из указанных выше каналов можно установить требуемое число срабатываний от шумовых выбросов, т.е., установить требуемое значение ложной тревоги по каждому из каналов. После установки требуемой вероятности ложной тревоги включается генератор радиоимпульсов и переключатель Пі устанавливается в положение, когда на схему "И" поступают импульсы синхронизации от генератора радиоимпульсов. При этом на вход счетчика импульсов поступают импульсы с порогового устройства , соответствующие по времени положению радиоимпульсов. При этом будет определяться вероятность правильного обнаружения при заданном уровне сигналов. Таким образом, в экспериментальной установке используется критерий Неймана-Пирсона.
Кроме того в установке предусмотрен контрольный канал, позволяющий оценить помехозащищенность предложенного устройства по сравнению с квазиоптимальными системами , используемые на практике. Контрольный канал состоит из узкополосного фильтра 1, амплитудного детектора 1, согласующего каскада 1, порогового устройства 1 и схемы "И" на выходе порогового устройства. Сигналы с контрольного канала подаются на второй вход счетчика импульсов.
Так же, как и в предыдущем случае, в этом канале за счет изменения режима работы согласующего каскада устанавливается вероятность ложной тревоги и определяется вероятность правильного обнаружения при заданной мощности радиоимпульса.
В качестве узкополосных фильтров использовались электромеханические фильтры с средней частотой равной 500 кГц и полосой пропускания 10 кГц. Длительность радиоимпульсов изменялась от 50 до 500 мксек.
В результате исследований было получено уменьшение вероятности ложной тревоги в 30 раз. При этом вероятность ложной тревоги в контрольном канале была равна 10 4, а вероятность правильного обнаружения на выходах контрольного канала и исследуемого устройства была равна .
Таким образом , предложенное устройство позволяет значительно снизить вероятность ложной тревоги и тем самым повысить помехозащищенность приемных устройств.
Существуют различные способы и устройства измерения этого параметра. Все они основаны на выделении сигнала из смеси сигнала и шума на выходе избирательной системы с последующим раздельным измерением мощности сигнала и шума, и вычислением отношения сигнал/шум. Однако недостатком существующих измерителей отношения сигнал/шум является низкая точность измерения в области малых отношений сигнал/шум.
Проведенные исследования позволяют создать устройства для измерения отношения сигнал/шум в диапазоне 0 А/б 3.
Устройство состоит из регулируемого узкополосного филь - no тра (РУФ), подключенного ко входу измерителя через переключатель Кн1 , предназначенного для ограничения мощности наводок при использовании неэкранированных кабелей. Полоса пропускания регулируемого узкополосного фильтра должна быть шире полосы пропускания линейного тракта приемника. С выхода регулируемого узкополосного фильтра сигнал через эмиттерный повторитель (ЭП1) подается на парафазный каскад (ПК), на входах которого формируются два сигнала сдвинутые по фазе на тс. Выходы парафазного каскада, через соответствующие ключи (ЭК1,ЭК2), подключены к анализатору спектра.
Система управления электронными ключами состоит из эмиттер-ного повторителя (ЭП2), амплитудного детектора (АД), компаратора напряжений и Т-триггера, выходы которого соединены с управляющими входами электронных ключей.
Измерение производится следующим образом. Измеритель подключается к выходу линейного тракта радиоприемника. Переключатель Кн1 переводится в положение "1". При этом сигнал с выхода приемника поступает непосредственно на анализатор спектра. Наблюдение указанного спектра позволяет устранить ошибки подключения измерителя на начальной стадии. В случае использования экранированных кабелей наводки как правило отсутствуют. Поэтому можно не использовать узкополосный фильтр, а подать сигнал непосредственно на преобразователь фазы (переключатель Кн2 в положение "Выкл"). Работа преобразователя фазы описана выше ( 2.3).
