|
|
"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" N 3, 2003 |
|
УДК 621.396.962; 621.391.822
Корреляционно-импульсный метод улучшения
чувствительности приемника доплеровского обнаружителя
ближнего действия
Малышев В.М., Бородин А.М.
Предложен и теоретически обоснован метод улучшения чувствительности приемника доплеровского обнаружителя ближнего действия. Построена модель устройства, реализующего метод в системе ближней радиолокации, в которой частота доплеровского сигнала не превышает единиц- десятков килогерц.
Введение
Доплеровские СВЧ-обнаружители ближнего действия (ДОБД) находят широкое применение в современных радиотехнических системах [1], таких как системы контроля движения автотранспорта, системы взлета и посадки летательных аппаратов, охранные системы. Помехоустойчивость является основной характеристикой обнаружителя и зависит от отношения сигнал/шум на выходе приемника [2]. Поэтому важно снижать шумы приемного устройства. В данной работе предлагается корреляционно-импульсный метод снижения шума приемника; дано обоснование этого метода и проведено теоретическое исследование его возможностей.
Источники собственных шумов приемника
На рис.1 представлена структурная схема
стандартного доплеровского обнаружителя [3]. СВЧ-колебание с частотой 
излучается передающей антенной 
. Поступающее на вход
приемной антенны 
колебание
с частотой 
преобразуется
смесителем в доплеровский сигнал с частотой 
, который, пройдя через усилитель доплеровских
частот УДЧ, поступает на устройство обработки низкочастотного сигнала. Шумы
приемника определяются [4] шумами смесительных диодов, амплитудными флуктуациями
СВЧ- генератора и шумами УДЧ.
Шумы СВЧ- генератора попадают в приёмник двумя путями [3]. Первый путь – непосредственно с СВЧ-колебанием, поступающим с гетеродина на смеситель. Эти шумы можно подавить на 15-20 дБ, используя балансный смеситель [4]. Второй путь – проникновение излучаемого колебания с передающей антенны на приемную из-за неидеальной развязки между ними. Это колебание распространяется по пути полезного сигнала, поэтому его амплитудные флуктуации не подавляются балансным смесителем.
В энергетическом спектре
шума приемника можно выделить две области - низкочастотную и высокочастотную. В
низкочастотной (фликкерной) области энергетический спектр 
шума убывает с ростом частоты
как 
. На
высоких частотах спектр шума равномерный. Частота 
, на которой интенсивности фликкерной и
равномерной составляющих равны, является частотой «перегиба» спектра. В ДОБД
сантиметрового диапазона, как правило,
. УДЧ «вырезает» участок спектра,
попадающий в полосу его пропускания
, ширина которой определяется областью применения
ДОБД.
Особенность ДОБД состоит в том, что полоса пропускания УДЧ лежит в области низких частот, где преобладает фликкерный шум. Корреляционная функция фликкерного шума медленно (по логарифмическому закону) спадает с течением времени [5,6], то есть интервал корреляции фликкерного шума достаточно большой. Помимо этого, фликкерный шум, в отличие от дельта - коррелированных шумов с равномерным спектром, связан с флуктуациями проводимости полупроводникового прибора, которые, модулируя ток, от тока не зависят [5,7]. Эти две особенности фликкерного шума и лежат в основе рассматриваемого ниже метода повышения чувствительности ДОБД.
Алгоритм корреляционно-импульсного метода
Идея метода заключается в следующем.
1.Создаются две периодические
последовательности переключающих импульсов 
,
. Длительности импульсов 
и 
, временные паузы между импульсами 
и 
связаны с периодом
последовательностей 
соотношением 
. В дальнейшем будем
полагать
, 
. Период следования
импульсов , частота
перегиба спектра 
и
верхняя частота доплеровского сигнала
должны быть связаны соотношениями
,
.
2. На каждом интервале времени шумовое напряжение на
выходе смесителя создается при отключенной приемной антенне и имитации неполной
развязки между антеннами. Имитация осуществляется с помощью специальной высокочастотной
цепи. Будем считать, что имитация развязки точная. Доплеровский сигнал на
интервале времени отсутствует.
Образующийся импульсный процесс можно представить в виде периодической последовательности
П-образных импульсов, модулированных шумами 
генератора, какие имели бы место при
подключенной приемной антенне:
(1) 
;
;
где 
- функция, описывающая форму импульсов.
3. На каждом интервале времени смеситель подключен к
приемной антенне, и на выходе смесителя формируется процесс:
(2) 
,
,
где 
-сигнал, отраженный от цели.
Напряжение на выходе
усилителя промежуточных частот (УПЧ), стоящего после смесителя, равно сумме
импульсных процессов
,
и непрерывных шумов
смесителя и УПЧ
:
(3) 
.
4. Из процесса 
формируются импульсные процессы «шум»
(4) 
и «доплеровский сигнал + шум»
(5) 
.
5. Из процесса 
«доплеровский сигнал + шум» вычитается
процесс 
«шум».
В разностном процессе 
фликкерные шумы приемника вычитаются.
Структурная схема устройства, реализующего описанный
алгоритм, представлена на рис.2. Периодическое переключение режимов работы происходит
в следующей последовательности. СВЧ-ключ 4 не пропускает сигнал с приемной
антенны на
вход смесителя 5, СВЧ-ключ 3 открыт. Этот ключ предназначен для подключения
имитирующего сигнала, поступающего с направленного ответвителя 2. Переключатель
7 находится в состоянии «-», при котором создается процесс «шум». Формирование
процесса «сигнал + шум» происходит при следующих состояниях схемы. СВЧ-ключ 4
открыт, СВЧ-ключ 3 закрыт, переключатель 7 находится в состоянии «+». Управление
ключами производится с помощью устройства синхронизации 10, управляющие напряжения 
с которого
поступают на СВЧ-ключи 4, 3 и переключатель 7.
Собственные шумы современных
малошумящих СВЧ-ключей значительно меньше шумов смесителя и ими можно пренебречь.
Для уменьшения вклада собственных шумов низкочастотного переключателя 7 и снижения
шумов устройства в целом между смесителем 5 и переключателем 7 ставится малошумящий
усилитель промежуточных частот 6. Сформированные на выходе переключателя 7
периодические импульсные процессы и поступают на соответствующие входы
усилителя доплеровских частот 8, который представляет собой дифференциальный
усилитель с полосой пропускания . УДЧ включает в себя как вычитающее
устройство, так и интегратор процесса . Таким образом, на выходе УДЧ присутствует
полезный сигнал на фоне подавленного шума. С выхода УДЧ сигнал поступает в
устройство 9 обработки низкочастотного доплеровского сигнала.
Коэффициент подавления шума
Предположим, что полоса частот УПЧ
, фазо-частотная характеристика
линейная, и импульсы проходят через УПЧ без искажения. Полагаем, что работа
СВЧ- ключей 3, 4 и переключателя 7 строго синхронизована, полезный сигнал
отсутствует 
. В
таком случае можно считать, что процессы и (см. (4),(5)) получены в результате модуляции
функций, суммарным непрерывным шумом 
, где - шумы генератора, - шумы смесителя и УПЧ.
Преобразование непрерывного шума в импульсный шум изменяет его энергетический
спектр [2,8]:
(6) 
,
,
(7) 
,
где 
- энергетический спектр непрерывного шума, 
-коэффициент, определяющий
интенсивность фликкерного шума, 
- спектральная интенсивность равномерного
шума; 
-
энергетический спектр комбинационного шума, образующийся в результате
взаимодействия шумовых составляющих непрерывного шума с гармониками частоты
следования импульсов
; 
- скважность
импульсов.
Из формулы (6) видно, что в полосу
пропускания УДЧ помимо составляющих спектра исходного непрерывного шума попадают
также со своими весовыми коэффициентами составляющие 
комбинационного шума. Для - шума, энергетический
спектр которого
быстро убывает с частотой, вклад этих составляющих будет тем меньше, чем больше
. Вклад составляющих
равномерного шума тем меньше, чем больше частота перегиба спектра . Комбинационные
составляющие ограничивают глубину компенсации шумов.
Все каскады приемника, стоящие
перед вычитающим устройством, работают в линейном режиме по шумам. Используя
общие правила [2], найдем энергетический спектр разности двух случайных процессов:
(8)
,
где 
- 
-я реализация процесса
; 
- среднее по множеству реализаций;
, 
- преобразования Фурье усеченных
на интервале 
-х реализаций процессов и; 
-энергетические спектры процессов и, описываемые выражением (6); 
-взаимные энергетические
спектры процессов
и; * - знак комплексного
сопряжения. Процессы и сдвинуты друг
относительно друга на интервал времени
. Взаимный спектр импульсных шумов процессов и описывается [8] выражением:
(9) 
,
,
где-задержка между
импульсными последовательностями
и,
-взаимный энергетический спектр
непрерывных шумов, модулирующих импульсные последовательности. Функция
определяется аналогичным
образом. Поскольку , , величина
в формуле (9) принимает
вид
:
.
Выше сказано, что процессы и можно представить как результат модуляции
последовательностей ,импульсов непрерывным
шумом с
энергетическим спектром , поэтому 
. Поскольку в общем случае [2]
, то энергетический
спектр (8) на выходе вычитающего устройства принимает вид
(10)
.
На выходе усилителя доплеровских частот с
полосой пропускания
энергетический
спектр процесса равен:
Помехоустойчивость
обнаружителя определяется отношением средней мощности сигнала к средней
мощности шума [2]. Определим коэффициент подавления шума как отношение средней
мощности шума в обычном ДОБД к мощности шума в ДОБД, реализующем
рассматриваемый метод. Средняя мощность подавленного шума в полосе пропускания
УДЧ 
. Тогда
коэффициент подавления равен:
(11) 
.
Здесь
- средняя мощность
шума в полосе пропускания ДОБД, работающего в непрерывном режиме. В
соответствии с (6) выражение (11) нормировано на
, чтобы учесть уменьшение мощности, вызванное
переходом к импульсному режиму.
В проведенном выше расчете ограниченность полосы
пропускания УПЧ 
не
учитывалась, при этом в (10)
. При выполнении условия 
влияние можно оценить по
порядку, сравнив расчеты, проведенные по формуле (9) при 
для различных
, например,
.
Анализ расчетных зависимостей коэффициента подавления шума
Коэффициент 
подавления шума зависит от
частоты следования импульсов, скважности импульсов 
, частоты перегиба спектра шума, полосы
пропускания УПЧ и УДЧ. Представленные ниже расчеты были выполнены для случая,
когда энергетический спектр непрерывного шума описывается формулой (7). При
этом полагали
.
На рис.3 представлены зависимости коэффициента
подавления от частоты следования импульсов при частоте перегиба спектра 
и различных значениях
скважности .
Расчет выполнен для ДОБД, используемого в охранных системах, полоса пропускания
УДЧ 
которого охватывает
диапазон частот 10-200Гц. При увеличении коэффициент подавления растет, что объясняется
уменьшением вклада комбинационных составляющих - шума, связанных с гармониками частоты следования
импульсов (см. выражение для в (6)). Но постепенно скорость роста замедляется,
стремясь к насыщению, вызванному увеличением вклада комбинационных шумов, связанных
с равномерным шумом в спектре . Коэффициент подавления максимален при
скважности 
.
При такой скважности в импульсном процессе отсутствуют четные гармоники частоты
следования, а значения нечетных гармоник минимальны. Поэтому вклад комбинационных
составляющих оказывается наименьшим. Из сказанного следует целесообразность работы
при скважности и
частоте следования импульсов, превышающей частоту перегиба .
На рис.4 приведены зависимости коэффициента
подавления шума от частоты перегиба спектра при 
, полосе УДЧ 10-200Гц. Возрастание коэффициента
подавления при увеличении объясняется уменьшением вклада комбинационных
составляющих от равномерного шума.
На рис.5 представлена зависимость
коэффициента подавления шума от верхней частоты полосы пропускания УДЧ при фиксированной
нижней частоте 
.
При расчете полагали, . Убывание коэффициента
подавления при увеличении объясняется увеличением вклада комбинационных
составляющих, который возрастает по мере приближения к частоте 
.
Для оценки величины погрешности, связанной
с ограничением полосы пропускания УПЧ, был проведен расчет коэффициента подавления
шума при значении
.
Во всех случаях отклонение от значений, представленных на рис.3, 4,5 не превысило
0,3дБ.
Из приведенных расчетных данных следует,
что максимальное подавление шума достигается при скважности импульсов . Дальнейший анализ относится
к этому случаю.
Коэффициент потерь полезного сигнала
При ограниченной полосе пропускания УПЧ полезный сигнал на выходе УПЧ искажается.
Рассмотрим, как влияет ограничение полосы на прохождение полезного сигнала. На рис.6
жирной линией изображен импульсный процесс на выходе УПЧ с неограниченной полосой пропускания.
Амплитуды импульсных процессов неодинаковы по причине присутствия в одном из
них полезного сигнала .
В случае, когда ограничена,
на выходе УПЧ наблюдается искаженный переходными явлениями процесс
, определяемый как 
где «~» означает, что
процесс (3) искажен переходными явлениями. Процессы 
, 
, определяемые формулами (4) и (5), поступают
соответственно на входы «-» и «+» вычитающего устройства УДЧ, на выходе которого
наблюдается разностный процесс 
. Интегрирование этого процесса ведет к
уменьшению амплитуды полезного сигнала тем большему, чем больше форма импульсов
на входе вычитающего устройства искажена переходными явлениями.
Поскольку интервалы корреляции
полезного сигнала и
фликкерной составляющей шума 
намного больше, чем период следования импульсов,
будем считать, что
,
и
. Потери
сигнала оценим как уменьшение его постоянной составляющей на выходе вычитающего
устройства. Алгоритм расчета таков.
1.
Вычисляем преобразование Фурье процесса на выходе УПЧ:
,
где 
- прямое Фурье-преобразование, 
- комплексный коэффициент
передачи УПЧ.
2.
Вычисляем преобразование Фурье
процессов и , поступающих на входы «-»
и «+» дифференциального усилителя, используя свертки вида:
,
,
где * - операция свертки, функции, описаны в (1), (2).
3. Относительное уменьшение постоянной составляющей в разности импульсных процессов равно:
,
где индекс 
означает, что берется гармоника на частоте .
Результаты расчета коэффициента потерь
полезного сигнала для
УПЧ, представляющего собой два последовательно включенных фильтра нижних частот
Баттерворта первого порядка, приведены на рис.7. Видно, что при полосе УПЧ, превышающей
частоту следования импульсов в десять и более раз, потери полезного сигнала не
превышают 1дБ.
Заключение
Проведенные расчеты показывают, что корреляционно-импульсный метод подавления фликкерных шумов может применяться для повышения чувствительности доплеровских систем ближней радиолокации, полоса частот полезного сигнала в которых не превышает нескольких десятков килогерц.
Авторы благодарны Усыченко В.Г. за дискуссию.
Литература:
1. Шелухин О.И. Радиосистемы ближнего действия. М.: Радио и связь,1989.
2. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М.: Радио и связь, 1989.
3. Бакулев П.А., Сосновский А.А. Радиолокационные и радионавигационные системы. М.: Радио и связь, 1994.
4. Проектирование радиоприемных устройств. Под ред. А.П.Сиверса. М.: Сов. Радио, 1976.
5. Малахов А.Н. Флуктуации в автоколебательных системах. М.: Наука, 1968.
6. Климонтович Ю.Л. Турбулентное движение и структура хаоса. М.: Наука, 1990.
7. Паленскис В.П., Леонтьев Г.Е., Миколайтис Г.С.//Радиотехника и электроника. 1976. Т.10. №11. С.2433.
8. Малышев В.М., Усыченко В.Г.// Изв. вузов. Радиофизика. 1995. Т. 38. №5. С. 481.
|
|
|
