7.2. АМПЛИТУДНАЯ СЕЛЕКЦИЯ

1. Селекция сигналов при ограничении их снизу

Этот вид селекции применяется в тех случаях, когда амплитуда полезного сигнала существенно превышает амплитуду помехи. Селекция осуществляется амплитудным селектором, представляющим собой ограничитель снизу или ждущий генератор импульсов. При использовании ограничителя снизу напряжение на его выходе появляется только в том случае, когда входное напряжение превышает уровень ограничения

Характеристика ограничителя а также его входное и выходное напряжения показаны на рис. 7.13, а, б, в.

Рис. 7.13.

Рис. 7.14.

Применительно к высокочастотным сигналам подобную селекцию можно назвать селекцией при ограничении по минимуму. Применяя раздельное ограничение высокочастотных колебаний снизу и сверху и затем суммируя выходные напряжения ограничителей, можно «вырезать» все те значения входного напряжения, которые характеризуются соотношением

Соответствующая функциональная схема селектирующего устройства изображена на рис. 7.14. Входное напряжение , характеристика ограничителя сверху напряжение на выходе этого ограничителя характеристика ограничителя снизу выходное напряжение ограничителя снизу наконец, переменная составляющая

Рис. 7.15,

суммарного напряжения на выходе схемы селекции представлены на позициях а, б, в, г, д, е рис. 7.15.

При использовании ждущего генератора импульсов, например мультивибратора или блокинг-генератора, в качестве селектора пороговый уровень представляет собой запирающее напряжение (напряжение смещения). Превышение входным напряжением порогового уровня приводит в данном случае к образованию стандартного импульса напряжения с заданными значениями амплитуды и длительности.

2. Селекция импульсов по уровню

Селекция такого вида целесообразна в тех случаях, когда амплитуда полезных сигналов существенно меньше амплитуды помехи либо амплитуда полезных сигналов колеблется вблизи какого-то уровня.

Можно выделить импульсы напряжения, амплитуда которых меньше заданного порогового уровня на выход селектора проходят сигналы, для которых выполняется условие

Для селекции импульсов малой амплитуды совместно используются ограничитель снизу и логическая схема запрещения (ЗАПРЕТ). Функциональная схема селектирующего устройства изображена на рис. Через ограничитель снизу проходят те импульсы, амплитуда которых превышает пороговый уровень. С выхода ограничителя импульсы напряжения с амплитудой поступают к запрещающему входу схемы ЗАПРЕТ. Ко второму входу этой схемы (информационному) подводят входное напряжение. Импульсное напряжение передается с информационного входа на выход схемы ЗАПРЕТ только в том случае, когда отсутствует напряжение на ее запрещающем входе. Следовательно, на выход схемы ЗАПРЕТ в селекторе, изображенном на рис. 7.16, пройдут только те импульсные сигналы, для которых справедливо соотношение

Можно использовать селектирующее устройство, которое пропускает только такие импульсные сигналы, амплитуда которых не выходит из заданных границ:

Функциональная схема подобного селектора изображена на рис. 7.17. Входные импульсы напряжения

Рис. 7.16.

Рис. 7.17.

пропускаются через два ограничителя снизу, имеющие уровни ограничения С выходов первого и второго ограничителей напряжения с амплитудами подводятся к информационному и запрещающему входам схемы ЗАПРЕТ. Если то импульсы не проходят через селектор, так как нет напряжения на информационном входе схемы ЗАПРЕТ. При импульсы также не проходят, поскольку имеется напряжение на запрещающем входе. Только при на информационном входе схемы ЗАПРЕТ появляется напряжение, а на ее запрещающем входе оно отсутствует.

3. Накопление

Метод накопления представляет собой частный случай метода согласованной фильтрации, при которой обеспечивается максимальное отношение мощностей полезного сигнала и помехи, если последняя является белым шумом. При согласованной фильтрации передаточная функция фильтра с точностью до постоянного множителя и постоянной задержки является комплексно-сопряженной со спектром полезного сигнала. В то же время метод накопления независимо от формы полезного сигнала реализуется с помощью сумматора или интегратора, именуемых накопителями.

Сущность метода накопления при использовании сумматора сводится к тому, что в течение заданного времени в смеси сигнала и помехи берется заранее установленное количество отчетов. Значения в точках отсчета суммируются, а затем на основании суммарного сигнала решающее (пороговое) устройство дает ответ о наличии или отсутствии полезного сигнала в смеси

Когда применяется интегратор, на решающее устройство поступает сигнал, пропорциональный

Задача накопителя заключается в улучшении условий обнаружения полезного сигнала, поступающего на вход приемника вместе с помехами. Достаточно действенным накопление оказывается в тех случаях, когда помеха является аддитивным широкополосным шумом, и может применяться в радиоэлектронных устройствах самого различного назначения.

Для иллюстрации возможностей метода накопления рассмотрим прежде всего задачу обнаружения видеоимпульсов с неизменной амплитудой действующих вместе с белым шумом При этом предполагается, что интервалы между соседними периодически следующими импульсами превышают время корреляции помех, а в накопителе используется сумматор.

Если накопитель реагирует на выходных импульсов, то сигнал на выходе сумматора равен

где — значение функции в момент времени соответствующий фиксации амплитуды импульса. Напряжения и характеризуют полезный сигнал и помеху при решении вопроса о наличии сигнала в принимаемой смеси

Так как случайные величины взаимно не коррелированы, то при нулевом математическом ожидании функции которая считается стационарной, дисперсия помехи определяется следующей формулой:

Здесь дисперсия случайной функции Тогда

отношение квадрата амплитуды которую имеет полезный сигнал, к дисперсии оказывается равным

Если бы накопления не было, то отношение квадрата амплитуды к дисперсии помех составило

Следовательно,

Отсюда следует, что накопление улучшает отношение мощностей сигнала и помехи в раз и соответственно увеличивается вероятность того, что полезный сигнал будет обнаружен.

Наличие взаимной корреляции между Де лает отношение равным не а меньшей величине. Действительно, в этом случае дисперсия равна

где символ характеризует операцию статистического усреднения.

Если обозначить произведение любой пары значений функции отсчитываемых через I периодов то получим

Здесь второй смешанный центральный момент для случайных величин Поэтому

где — коэффициент корреляции случайных величин

В связи с тем, что находим

Из этой формулы, где , следует, что при

наличии корреляции между значениями функции в моменты ее отсчета, когда отношение меньше, чем при отсутствии корреляции. Если, например, корреляционную связь достаточно учитывать лишь в течение времени то В этих условиях и при достаточно большом получается приближенное равенство вследствие чего

Данное соотношение показывает, что с ростом отношение уменьшается и при становится в три раза меньше, чем при

Если полезный сигнал характеризуется непрерывной функцией времени то в состав накопителя вместо сумматора включается интегратор. Пусть а интегратор вычисляет усредненное за время значение функции Выходное напряжение такого интегратора равно

Дисперсия помеховой составляющей

с нулевым математическим ожиданием определяется следующей формулой:

но корреляционная функция помехи.

Введя переменную интегрирования получим

Функция четная и поэтому максимум величины С будет при . Следовательно,

При сравнительно большом интервале когда на краях этого интервала функция мала по сравнению с пределы интегрирования и можно заменить на соответственно. Тогда

где интервал корреляции.

Возвращаясь к соотношению (7.2.2), получаем

Так как квадрат полезного напряжения равен

Если бы накопитель отсутствовал, то

Сравнивая между собой соотношения (7.2.1) и (7.2.3), видим, что в (7.2.1) роль играет число некоррелированных значений помехи на интервале Это означает, что сумматор и интегратор приводят к одинаковому ослаблению помех. Однако технически интегрирование часто осуществляется проще, чем суммирование.

Наряду с одиночными периодически следующими импульсами и непрерывными сигналами, часто используются кодовые группы импульсов.

В радиотехнических устройствах с сигналами последнего типа также возможно применение накопителей Так, например, известны устройства с накопителями, принимающие решения по принципу большинства. Сущность этого принципа состоит в том, что одна и та же кодовая комбинация дублируется, т.е. передается раз. В приемнике производится разделение элементарных сигналов кодовой комбинации по отдельным цепям и в каждой цепи производится подсчет числа нулей и единиц для данной позиции кода. Если после подсчета число нулей будет больше количества единиц, то принимается решение о том, что на данной позиции кода передавался нуль. В случае превышения числа единиц над количеством нулей фиксируется единица. Анализ показывает, что принятие решения о наличии или отсутствии сигнала по принципу большинства обеспечивает уменьшение вероятности ошибочного приема при сильных маскирующих импульсных помехах.

При связи с помощью сигналов, соответствующих тем или иным кодовым комбинациям, возможно также когерентное (додетекторное) и некогерентное (последетекторное) накопления импульсов, характеризующих каждую из позиций кода. В таких условиях использование -значного кода требует в приемнике накопителей, а выигрыш в помехоустойчивости определяется формулами (7.2.1) или (7.2.3) в зависимости от того, применяются ли сумматоры или интеграторы.

Напряжение вырабатываемое сумматором, можно получить не только суммированием сигналов, возникающих или отсчитываемых в разные моменты времени. Оно может быть образовано и в результате суммирования напряжений, формируемых одновременно независимыми каналами одного многоканального радиотехнического устройства или несколькими аналогичными радиотехническими устройствами, предназначенными для передачи одного и того же сообщения.

Многоканальные устройства, обеспечивающие одновременную передачу одинаковых сообщений, строятся в соответствии с принципом частотной или кодовой селекции сигналов.

В то же время, суммирование периодически следующих импульсов достигается в импульсных РЛС и в многоканальных радиотехнических устройствах с временной или кодовой селекцией сигналов при передаче по каждому каналу одного и того же сообщения. При этом в устройствах с кодовой селекцией отдельные кодовые комбинации должны передаваться последовательно во времени.

Из всего сказанного выше следует, что увеличение отношения сигнал/помеха при методе накопления достигается увеличением времени, в течение которого принимается решение о наличии полезного сигнала или за счет расширения полосы пропускания радиотехнического устройства. Расширение полосы пропускания требуется, в частности, при использовании многоканальных радиолиний с частотным разделением каналов.