3. Когерентный метод компенсации помех

Как и амплитудный, когерентный метод компенсации помех возможен при наличии двух радиоприемников: основного и компенсационного (называемого также вспомогательным). Компенсационный приемник должен принимать лишь помехи, а основной — смесь полезного и помехового сигналов. При когерентном методе осуществляется компенсация помех, действующих по боковым лепесткам диаграммы направленности приемной антенны основного приемника.

Сущность когерентного метода компенсации помех, именуемого часто амплитудно-фазовым, состоит в том, что теми или иными средствами обеспечивается получение одинаковых по интенсивности и противоположных по фазе помеховых сигналов на выходах усилителей высокой или промежуточной частоты в основном и компенсационном приемниках. С этих усилителей напряжения помех, а также полезный сигнал основного радиоприемника подаются на сумматор.

Поскольку усилители высокой и промежуточной частот в основном и компенсационном приемниках являются линейными преобразователями, помехи на выходе сумматора устраняются, а сигнал остается без изменений и используется для дальнейшей обработки. Полная компенсация помех без ослабления полезного сигнала достигается лишь при применении компенсационных антенн с диаграммами направленности, показанными на рис. 5.16. Если компенсационная антенна имеет диаграмму направленности, отличную от показанной на рис. 5.16, то, как и при амплитудном методе, наряду с компенсацией помех будет происходить ослабление полезного сигнала. Однако степень этого ослабления будет меньше, поскольку при когерентном методе не производится нелинейная обработка полезного сигнала и помех. Более детально этот вопрос рассматривается ниже.

Технически когерентная компенсация более просто реализуется при обработке напряжений промежуточной частоты, вследствие чего все последующее изложение относится к напряжениям этого вида.

Возможны различные способы ссушествления когерентной компенсации помех. остейший из них сводится к разработке соответствующег о радиотехнического устройства, у которого помеховые гналы на выходах усилителей промежуточн ой частоты основного и компенсационного приемников противоположны по фазе.

В реальных условиях получение противофазных поме-ховых сигналов на выходах УПЧ основного и компенсационного приемников практически невозможно. Это связано с имеющимися всегда различиями в фазово-частотных характеристиках основного и компенсационного приемников, а также нестабильностью частот передатчиков, формирующих помеховые сигналы. Сказанное означает, что при реализации когерентного метода компенсации помех необходимо учитывать различие огибающих и фаз у напряжений . В таких условиях система когерентной компенсации помех должна осуществлять автоматическое изменение огибающей и фазы напряжения так, чтобы выходной сигнал этой системы равнялся . В результате суммирования осуществляется компенсация помех.

Имеется по крайней мере два способа получения требуемого напряжения из Первый из них основывается на применении квадратурных преобразователей [167, 167а], хорошо известных в теории оптимального приема, а второй способ предусматривает использование системы АРУ в компенсационном приемнике, которая при отсутствии полезных сигналов работает под действием разностного напряжения и системы автоматического регулирования фазы у напряжения иск [97].

Система компенсации помех с квадратурными преобразователями. Принцип компенсации помех с помощью квадратурных преобразователей удобно проиллюстрировать на примере, когда гармонические сигналы с одинаковой частотой, но различными амплитудами и начальными фазами. Эти напряжения можно представить в векторной форме, как показано на рис. 5.19. На рис. 5.19 видно, что для получения вектора необходимо иметь два напряжения, которые характеризуются взаимно перпендикулярными векторами Векторы должны быть равны

где а угол между векторами составляет 90°. При этом коэффициенты пропорциональности выбираются так, чтобы выполнялось равенство

Рис. 5.19.

Схема устройства, обеспечивающего когерентную компенсацию помех с помощью квадратурных преобразователей, показана на рис. 5.20. Она содержит корреляторы , усилители с регулируемыми коэффициентами передачи, фазовращатель обеспечивающий получение квадратурной составляющей напряжения и сумматор 2.

Если с УПЧ основного и компенсационного радиоприемников поступают напряжения помех «по которые в последующем считаются узкополосными стационарными случайными процессами, то выходное напряжение «2 сумматора 2 с единичным коэффициентом передачи будет равно

Здесь коэффициенты передачи усилителей обеспечивающих практически безынерционное преобразование соответственно. Они изменяются пропорционально напряжениям, вырабатываемым

Рис. 5.20.

корреляторами и и равны

где символ здесь и далее означает операцию вычисления средней составляющей; коэффициенты пропорциональности.

Подставляя в формулы (5.2.8) и (5.2.9) функцию определяемую соотношением (5.2.7), и учитывая, что взаимная корреляция между двумя квадратурными напряжениями в один и тот же момент времени отсутствует, получаем

Здесь дисперсия напряжения к равная дисперсии напряжения причем математические ожидания напряжений считаются равными нулю.

На основе соотношений (5.2.7), (5.2.10) и (5.2.11) находим следующую формулу, которая определяет мгновенное значение помехового сигнала на выходе 2 (рис. 5.20):

Если напряжения помех являются узкополосными случайными процессами и отличаются друг от друга значениями огибающих в каждый момент времени и фазовым сдвигом, то

Здесь случайные огибающие, а случайно изменяющиеся во времени фазы напряжений соответственно; угловая промежуточная частота. Обозначив

где коэффициенты взаимной корреляции напряжений соответственно, — дисперсия напряжения преобразуем (5.2.12) с учетом (5.2.13) — (5.2.15) к виду

Здесь

Анализ формул показывает, что до тех пор, пока компенсация помех невозможна. Однако при что приводит к равенствам

а также при напряжение оказывается равным нулю в любой момент времени. Следовательно, изменение коэффициентов передачи по законам

и обеспечение идентичных фазово-частотных и отличающихся лишь масштабом амплитудно-частотных характеристик для основного и компенсационного приемников приводит к полной компенсации помех в отсутствие полезного сигнала.

В реальных условиях, как уже отмечалось, эти условия -не выполняются и можно вести речь только о том, чтобы минимизировать дисперсию напряжения помех на выходе сумматора 2 (рис. 5.20).

Если на основании соотношения (5.2.17) с учетом отсутствия взаимной корреляции между квадратурными случайными сигналами в совпадающие моменты времени и равенстве нулю математических ожиданий для напряжений найти дисперсию напряжения то можно убедиться, что минимум получается при т. е. при изменении в соответствии с формулами (5.2.20) и (5.2.21). При этом величина оказывается равной

где

Аналогичную формулу с некоторым приближением можно получить при выполнении неравенств

Из соотношения (5.2.22) и выполненного выше анализа следует, что при реализации когерентного метода компенсации помех с помощью квадратурных преобразователе необходимо добиваться как можно большей коррелированности между помехами, действующими на выходах УПЧ основного и компенсационного приемников.

В тех случаях, когда наряду с помехами имеется и полезный

сигнал, поступающий по главному лепестку диаграммы направленности антенны основного приемника и воспринимаемый одновременно антенной компенсационного приемника, вместо на рис. 5.20 необходимо учитывать напряжения

соответственно. Здесь и иск напряжения полезного сигнала на выходах УПЧ основного и компенсационного приемников.

Чтобы получить более наглядные результаты, характеризующие работу компенсатора помех с помощью квадратурных преобразователей при наличии полезного сигнала, будем считать, что последний является детерминированным и на выходе УПЧ основного приемника изменяется по закону Здесь амплитуда и начальная фаза напряжения Кроме того, предположим, что напряжение возникает в момент появления помехового сигнала и

где дополнительный набег фазы напряжения в компенсационном приемнике.

При одновременном действии полезного и помехового сигналов напряжение как это следует из рис. 5.20, равно

Здесь напряжение , сдвинутое по фазе на

Коэффициенты передачи изменяются пропорционально напряжениям, формируемым корреляторами и равны

Воспользовавшись соотношениями (5.2.26) — (5.2.28), получим

Как и раньше, можно показать, что наиболее целесообразен режим работы компенсатора при

В этих условиях на основании формул (5.2.26), (5.2.29) и (5.2.30) найдем

В соответствии с приведенными выше формулами для соотношение (5.2.33) после несложных преобразований принимает следующий вид:

Здесь

Из соотношения (5.2.34) видно, что напряжение содержит составляющую

которая изменяется во времени так же, как и полезный сигнал на выходе УПЧ основного приемника, и составляющую

которая является помехой.

Анализ соотношений (5.2.34)-(5.2.36) позволяет сделать следующие выводы. Если антенна компенсационного приемника не реагирует на полезный сигнал, поступающий по главному лепестку антенны основного приемника, т. е. когда то при что приводит к равенству стпн дстпо, напряжение оказывается равным полезному сигналу образующемуся на выходе УПЧ основного приемника. При тех же условиях

Отсюда следует, что полезный сигнал при и остается искаженным помехами, если и коэффициент корреляции Если что приводит к равенству и одновременно выполняется равенство что эквивалентно

идентичности фазово-частотных характеристик основного и компенсационного приемников, в любой момент времени и, следовательно, обеспечивается идеальная компенсация помех. Если помехи в основном и компенсационном приемниках не коррелированы устройство компенсации практически не влияет на напряжение помех.

Когда антенна принимает полезный сигнал то даже при полной идентичности фазово-частотных характеристик основного и компенсационного приемников происходит уменьшение интенсивности полезного сигнала и производится неполная компенсация помех.

Действительно, полагая на основе соотношений находим

Из формулы (5.2.38) видно уменьшение амплитуды напряжения за счет отличия от нуля, что имеет место при приеме антенной сигналов, источники которых располагаются в зоне действия главного лепестка антенны входящей в состав основного приемника. Это уменьшение возрастает с увеличением От значений коэффициента существенно зависит и уровень помех

Чтобы оценить степень подавления помех когерентным компенсатором с квадратурными преобразователями, сравним отношения эффективных мощностей полезного сигнала и помехи на выходе УПЧ устройств с компенсатором и без компенсатора. При этом работу устройства с компенсатором будем определять на основе соотношений (5.2.38) и (5.2.39).

Если компенсатор отсутствует, то напряжения полезного сигнала и помех на выходе УПЧ приемника равны

а их эффективные мощности соответственно пропорциональны дисперсиям их напряжений Отношение к обозначим символом

При наличии компенсатора эффективная мощность полезного сигнала пропорциональна среднему значению квадрата напряжения которое, как это следует из формулы (5.2.38), равно

Эффективная мощность помех в устройстве с компенсатором пропорциональна дисперсии напряжения На основании формулы (5.2.39) находим

Поэтому

Расчет зависимостей от и при выполненный в соответствии с формулой (5.2.40), позволяет получить графики, показанные на рис. 5.21. Из формулы (5.2.40) и рис. 5.21 вытекает, что с увеличением и уменьшением отношение возрастает и может достигать нескольких десятков тысяч. Возможность значительного уменьшения связана с созданием таких антенн которых уровень боковых лепестков существенно меньше, чем интенсивность главного лепестка.

В ряде случаев длительность сигнала может

Рис. 5.21.

Пить намного меньше продолжительности действия помехи, постоянные времени усредняющих фильтров, которые пходят в состав корреляторов и (рис. 5.20), в несколько раз превышают При таком условии и на основе соотношений (5,2,34), (5,2,36) и (5.2.37) для получим

Соотношение (5.2.42) показывает, что при малом уровне боковых лепестков у антенны основного приемника, когда , и примерно одинаковых мощностях помех на выходах УПЧ основного и компенсационного приемников уменьшение амплитуды полезного сигнала помехами пренебрежимо мало. Оно составляет и не превышает величины

Незначительным оказывается и уровень напряжения помех , особенно при идентичных фазово-частотных характеристиках основного и компенсационного приемников, когда . В этих условиях при

Когда получается полная компенсация помех.

Таким образом, высокое качество подавления помех и незначительное ослабление детерминированного полезного сигнала в устройствах когерентной компенсации с квадратурными преобразователями обеспечиваются при следующих условиях: малой мощности полезного сигнала,

поступающего в компенсационный приемник, идентичных амплитудно-частотных и фазово-частотных характеристиках УПЧ основного и компенсационного приемников, хорошем согласовании диаграммы направленности антенны компенсационного приемника с боковыми лепестками антенны основного приемника и равенстве единице коэффициента взаимной корреляции помеховых сигналов, действующих на выходах УПЧ основного и компенсационного приемников. При этом с уменьшением степень подавления помех возрастает, а количество воспроизведения полезного сигнала улучшается.

Если полезный сигнал изменяется во времени случайным образом и не корреклирован с помехами, то можно получить соотношения, аналогичные (5.2.34)-(5.2.42), т. е. в отношении компенсации помех и воспроизведения полезного сигнала прийти к тем же выводам, что и при рассмотрении вопроса о действии радиопомех совместно с детерминированным полезным сигналом.

В заключение отметим, что на величину коэффициента взаимной корреляции влияют не только параметры основного и компенсационного приемников, но и разность хода электромагнитной волны от источника помех до антенн основного и компенсационного приемников.

Устройство компенсации помех с системами АРУ и ФАПЧ. Функциональная схема этого устройства представлена на рис. 5.22 [97]. Она содержит основной приемник и устройство компенсации. В состав основного приемника входят антенна смеситель гетеродин и усилитель промежуточной частоты системой

Рис. 5.22.

поддерживающей неизменным уровень напряжения на его выходе. Основными элементами устройства компенсации являются антенна усилитель промежуточной частоты система смеситель , гетеродин управитель Упр и фазовый детектор . В сумматоре 2 осуществляется сложение напряжений, формируемых в и

Система работает под действием сигнала, равного разности выходных напряжений и обеспечивая равенство мгновенных значений помеховых сигналов на входах сумматора 2.

Систему ФАПЧ образуют фазовый детектор ФД, управитель Упр, гетеродин смеситель и усилитель промежуточной частоты Напряжение вырабатываемое ФД и зависящее лишь от разности фаз поступающих на него сигналов подается на управитель. Последний изменяет частоту и однозначно связанную с ним фазу колебаний гетеродина вместе с которой меняется фаза напряжения, формируемого смесителем и усилителем промежуточной частоты

Когда фазы напряжений, поступающих на ФД, становятся одинаковыми, величина не изменяется во времени и пропорциональна где — частоты напряжений . Вместе с постоянной будет и частота колебаний гетеродина. Благодаря этому возникает возможность снимать с напряжение, противоположное по фазе сигналу Данная возможность легко реализуется с помощью, например, инвертора, подключаемого между и фазовым детектором.

Совместная работа систем и ФАПЧ обеспечивает необходимые фазовые и амплитудные соотношения между помеховыми сигналами, поступающими в сумматор 2 с При идеальной работе этих систем и приеме антеннами только помеховых сигналов последние на выход сумматора не проходят. В реальных условиях полная компенсация помех не достигается, что связано с несовершенством работы систем АРУ и Расчет этих систем в соответствии с заданными требованиями можно произвести с помощью имеющихся в настоящее время учебников и учебных пособий (например, [31, 86, 165]).

Системы и ФАПЧ, используемые в устройствах компенсации помех, должны быть весьма быстродействующими. Быстродействие системы АРУ должно быть таким, чтобы ее выходное напряжение достигало нужной величины за время, значительно меньшее, чем время корреляции для огибающей помехового сигнала, а система ФАПЧ должна успевать следить за всеми изменениями фазы помех, действующих в Помимо сказанного выше, необходимо, чтобы система не изменяла коэффициент усиления компенсационного приемника при действии на нее полезного сигнала. Для этого постоянная времени Гак системы должна удовлетворять неравенству Гак где длительность импульса полезного сигнала.

Завершая рассмотрение когерентного метода компенсации помех, при реализации которого используются квадратурные преобразователи или системы АРУ и ФАПЧ, необходимо отметить, что как и при амплитудном методе, в этом случае уменьшается чувствительность радиотехнического устройства. Это объясняется увеличением дисперсии флуктуаций на выходе сумматора 2 (рис. 5.20 и 5.22) за счет внутренних шумов компенсационного приемника. Для борьбы с этим явлением используются те же меры, что и при амплитудном методе компенсации помех.

Если при использовании квадратурных компенсаторов необходимо осуществлять подавление помех, поступающих по боковым лепесткам основного приемника не с одного, а с направлений, то следует применять компенсаторов, выполненных по схеме, изображенной на рис. 5.20. Вышеуказанным способом можно построить самонастраивающую антенну типа фазированная решетка [178].