8.3. АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНАЯ СЕЛЕКЦИЯ

При амплитудно-частотной селекции выделение сигналов в присутствии помех основывается на использовании их различий и по амплитуде и по частоте одновременно. Типичным для осуществления амплитудно-частотной селекции является устройство, выполненное по схеме ШОУ. Это устройство широко используется в радиосвязи для борьбы в приемном тракте с импульсными помехами большой амплитуды и малой длительности [7, 41, 42, 58, 84].

На рис. 8.3 показано устройство приемника, предназначенного для приема амплитудно-модулированных колебаний и включающего схему ШОУ. Схема ШОУ размещается на входе приемника. В ее состав входят три элемента:

Рис. 8.3.

Рис. 8.4.

широкополосный усилитель, двусторонний симметричный амплитудный ограничитель и узкополосный усилитель. Название схемы образовано начальными буквами наименований этих элементов.

Широкая и узкая полосы пропускания усилителей симметричны относительно центральной частоты входного напряжения Допустим, что частотные характеристики усилителей имеют прямоугольную форму (рис. 8.4). Полоса пропускания согласуется с шириной спектра сигнала полоса же выбирается с учетом длительности помеховых импульсов и во много раз превышает полосу Среднее значение ширины спектра помехи существенно больше ширины спектра полезного сигнала.

Уровень ограничения устанавливается в соответствии с амплитудой сигнала на выходе широкополосного усилителя. Так, например, при приеме телеграфного сигнала с амплитудной или частотной манипуляцией уровень ограничения равен амплитуде сигнала а при приеме амплитудно-модулированных сигналов вещательной станции уровень должен вдвое превышать амплитуду колебаний на несущей частоте при отсутствии модуляции. Если указанные условия выполняются, то полезный сигнал имеет на выходе схемы ШОУ максимально большую амплитуду, а передаваемые сообщения не подвергаются искажениям. На практике амплитуда принимаемых сигналов может изменяться в широких пределах в зависимости от дальности между корреспондентами, мощности передающей станции и т. д. Чтобы обеспечить оптимальное соотношение между уровнем ограничения и амплитудой сигнала, предусматривается возможность регулирования усиления широкополосного усилителя.

Если помеха представляет собой короткие неперекрывающиеся радиоимпульсы, то схема ШОУ существенно увеличивает отношение сигнал/помеха. Ниже поясняется принцип ослабления импульсных помех схемой ШОУ в предположении, что уровень ограничения регулируется в соответствии с амплитудой сигнала. На вход приемника воздействует высокочастотный импульс помехи с

прямоугольной огибающей, длительностью и амплитудой На выходе широкополосного усилителя образуется импульс с экспоненциальной огибающей (рис. 8.5, б). Длительность фронта этого импульса определяется величиной (напомним, что полоса выбирается с учетом и равна а длительность среза — полосой пропускания . С помощью ограничителя резко уменьшается амплитуда, а следовательно, и энергия импульсной помехи. На выходе двустороннего симметричного ограничителя (см. § 7.2) помеха будет представлять собой импульс с трапецеидальной огибающей, амплитудой и длительностью (рис. 8.5, б). Если допустить, что следовательно, помеховый импульс существенно не искажается широкополосным усилителем, то значение можно оценить с помощью равенства

Здесь коэффициент усиления широкополосного усилителя; постоянная времени фильтра с полосой пропускания Запись (8.3.1) предполагает равенство времени нарастания амплитуды помехи по экспоненциальному закону от уровня до максимума и времени ее уменьшения от максимума до Из (8.3.1) получим

Рис. 8.5.

Рис. 8.6.

Этот относительно короткий помеховый импульс воздействует на узкополосный усилитель. Постоянная времени основной фильтрующей системы

На выходе второго усилителя колебания будут нарастать в течение времени В момент амплитуда колебаний на выходе достигнет максимального значения

где коэффициент усиления узкополосного усилителя.

Принимая во внимание (8.3.2) и (8.3.3), находим

Вид помехи на выходе схемы ШОУ изображен на рис. 8.5, в.

При приеме телеграфного амплитудно-манипулированного сигнала на выходе узкополосного усилителя образуется напряжение показанное на рис. 8.6. Если на входе амплитуда сигнала составляет то на выходе широкополосного усилителя она будет равна следовательно, целесообразно допустить, что

т. е. считать, что уровень ограничения регулируется в соответствии с амплитудой сигнала. На выходе узкополосного усилителя амплитуда сигнала достигает установившегося значения

так как полоса этого усилителя согласована с одиночным сигналом Применительно к указанному виду сигналов импульсная помеха особенно опасна в том случае, когда она заполняет паузу и искажает код. На рис. 8.6 показан помеховый импульс, который мог бы образоваться на выходе узкополосного усилителя при отсутствии схемы ШОУ.

Мешающее действие помехи резко снижается, если перед выходным устройством обеспечить превышение сигнала над помехой по амплитуде в 2—3 раза. Нетрудно убедиться в том, что на выходе схемы ШОУ сигнал превосходит помеху, в то время как на входе приемника он может быть во много раз меньше помехи. Из формул (8.3.4) — (8.3.6) следует

Из формулы (8.3.7) видно, что при схема ШОУ улучшает отношение сигнал/помеха и обеспечивает выполнение условия Формула (8.3.7) показывает соотношение между полосами пропускания усилителей при котором обеспечивается требуемое превышение сигнала над помехой на выходе схемы ШОУ для заданных значений интенсивностей на входе приемника. Так, например, требование получить на выходе при приводит к необходимости выполнения неравенства

Мы рассмотрели случай прихода сигналов и помех в разные моменты времени. Теперь обратимся к оценке воздействия импульсной помехи на непрерывно существующий сигнал. Допустим также, что широкая полоса пропускания, во много раз превышая узкую, в то же время оказывается значительно меньше эффективного значения ширины спектра помехи, т. е.

Ниже будет показано, что наличие в схеме ШОУ нелинейного элемента приводит к тому, что любой сигнал, попавший в широкую полосу, затем проходит в узкополосный тракт. Поэтому для повышения помехозащищенности приема широкую полосу желательно по возможности сузить и не обязательно связывать ее значение с длительностью импульсов помехи.

Оценим увеличение отношения сигнал/помеха схемой ШОУ при этих более общих допущениях. Предположим, что сигнал представляет собой незатухающее колебание «с при — а помеха короткий радиоимпульс с прямоугольной огибающей на той же частоте но со сдвигом по фазе на , т. е. при Считаем также, что

Допущение о равенстве частот сигнала и помехи можно принять потому, что под воздействием короткого возбуждающего импульса помехи в фильтре возникнут и длительное время будут существовать свободные колебания на собственной частоте Допущение о противоположности фаз помехи и сигнала позволяет рассмотреть опасный случай воздействия помехи. При этом допущении выходное напряжение схемы ШОУ при действии на входе смеси помехи и сигнала сильно отличается от случая наличия на входе только сигнала, а следовательно, ошибка при приеме наиболее вероятна. С учетом сказанного, выходное напряжение широкополосного усилителя на интервале действия импульса помехи можно записать в виде суммы установившегося сигнала и помехи с экспоненциально нарастающей амплитудой

Максимальное значение огибающей напряжения , образующееся в момент равно

При раскладывая в ряд и ограничиваясь двумя первыми членами разложения, получаем

После окончания импульса помехи амплитуда выходного напряжения будет уменьшаться по экспоненциальному закону от значения, определяемого формулой (8.3.9). Высокочастотное заполнение будет определяться параметрами помехи, которая значительно превышает сигнал. Таким образом, после окончания помехового импульса

Приближенно можно считать, что помеха действует в течение времени соответствующего уменьшению огибающей выходного напряжения до уровня ограничения. Следовательно, справедливо уравнение (для

из которого можно определить

Здесь

На выходе амплитудного ограничителя при отсутствии помехи действует только сигнал

при действии же помехи в течение времени когда разность амплитуд помехи и сигнала превышает пороговый уровень, выходное напряжение имеет фазу помехи и равно

Такой же эффект имел бы место, если допустить, что на выходе ограничителя непрерывно существует сигнал, описываемый формулой (8.3.11), а под воздействием помехи на время возникает эквивалентный помеховый импульс 2 Согр Тогда на выходе узкополосного фильтра амплитуда сигнала будет равна Огибающая помехи будет иметь максимальное значение в момент окончания помехового импульса, т. е. при Амплитуда помехи на выходе узкополосного фильтра будет возрастать по экспоненциальному закону под воздействием возбуждающего напряжения, имеющего амплитуду Следовательно,

Рис. 8.7.

При формула (8.3.13) принимает вид

Учитывая (8.3.10) и имея в виду, что находим

На рис. 8.7 приведены графики, позволяющие определить отношение сигнала и помехи на выходе схемы ШОУ в зависимости от значений параметров схемы, помехи и отношения помеха/сигнал на входе; параметр семейства кривых

В некоторых случаях, например при расположении разнотипной радиоаппаратуры на борту корабля или летательного аппарата, могут иметь место сильные импульсные помехи при значительной расстройке частоты помехи относительно резонансной частоты защищаемого приемного тракта. В таких случаях можно использовать усложненную схему ШОУ, эффект действия которой отличается тем, что амплитуда помехи на выходе этой схемы практически не зависит от значения ее амплитуды на входе. Рассматриваемый вариант схемы ШОУ изображен на рис. 8.8. Входное напряжение поступает к двум широкополосным усилителям с амплитудно-частотными характеристиками (рис. 8.9). Частота настройки узкополосного усилителя определяется формулой

Так как полосы пропускания широкополосных фильтров перекрываются, то полезный сигнал на частоте проходит через оба фильтра. Взаимная расстройка фильтров

Рис. 8.8.

несколько меньше полосы их пропускания -Предполагается, что расстройка помехи относительно частоты настройки приемника существенно превышает полосу пропускания широкополосных усилителей.

При воздействии коротких помеховых импульсов (по сравнению с на выходе широкополосных усилителей будут иметь место напряжения

где — начальный фазовый сдвиг.

Эти напряжения подаются на сумматор, формирующий напряжение

где

Рис. 8.9,

Суммарное напряжение представляет собой амплитудно-модулированный сигнал с периодом огибающей и несущей частотой Как бы велико не было максимальное значение огибающей помехи на выходе широкополосных усилителей, суммарное напряжение становится равным нулю в моменты времени, определяемые соотношением

Здесь целое число, которое может принимать значения . В те моменты времени, когда огибающая колебаний становится равной нулю, фаза высокочастотного сигнала изменяется на . Если специальным подбором параметров схемы (числа усилительных каскадов, отношения ) добиться выполнения условия то в моменты изменения фазы колебаний высокочастотная составляющая проходит через нуль, т. е. и отсутствуют какие-либо скачки напряжения, связанные с изменением фазы колебаний на .

Максимальное значение огибающей помехи на выходе узкополосного усилителя определяется очевидным соотношением

Это значение зависит только от параметров схемы и не связано с амплитудой помехи на входе. Экспериментальное исследование подобного варианта схемы ШОУ показало, что при изменении амплитуды помеховых импульсов на входе приемника на соответствующее изменение максимального значения огибающей помехи на выходе составляет приблизительно 10% [41].

Для дополнительного ослабления импульсных помех при радиотелеграфном приеме используют модификацию схемы ШОУ, так называемую схему отличающуюся наличием вспомогательного гетеродина перед амплитудным детектором приемника (рис. 8.10). Гетеродин вырабатывает незатухающие колебания, частота которых точно равна частоте сигнала, а фаза либо равна фазе сигнала либо отличается от нее на . При приеме полезных сигналов постоянная составляющая тока детектора будет либо

возрастать либо уменьшаться на вполне определенную величину где k — коэффициент передачи схемы.

При воздействии на вход приемника импульсных помех фаза вынужденных колебаний на выходе узкополосного усилителя является случайной величиной, распределенной по закону равномерной плотности в пределах от до Случайность фазы напряжения помехи приводит к тому, что в среднем приращение тока детектора существенно уменьшается при наличии вспомогательного гетеродина по сравнению со случаем использования обычной схемы ШОУ. Пусть напряжения гетеродина и помехи равны

соответственно. Тогда суммарное напряжение будет

где

Относительное приращение амплитуды колебаний определяется соотношением

Здесь приращение амплитуды колебаний на входе детектора, вызванное появлением помехи, а

Следует добавить, что при отсутствии напряжения гетеродина приращение амплитуды колебаний и соответственно

Рис. 8.10.

Рис. 8.11.

увеличение постоянной составляющей тока детектора определяется амплитудой помехи. В частном случае, при получим

а среднее значение относительного приращения составит

График зависимости от показан на рис. 8.11.

Применение вспомогательного гетеродина позволяет существенно уменьшить эффективность помехи. Зная закон уменьшения отношения в зависимости от можно определить вероятность того, что значения этого отношения не будут выходить из заданных пределов

где плотность распределения фазы помехи; граничные значения интервала изменений в пределах которого выполняется соотношение Для равномерной плотности распределения вероятностей

Так, вероятность того, что увеличение амплитуды суммарного колебания не превысит половины амплитуды помехи, составляет 0,55. Вероятность же того, что ее уменьшение не превысит половины амплитуды помехи, оказывается для равной 0,83,

Схема ШОУ, эффективно подавляющая импульсные помехи, не только не улучшает, но даже несколько ухудшает отношение сигнал/помеха при воздействии помех типа белого шума. Известно [391, что если имеется идеальный полосовой ограничитель с характеристикой при при и на входе этого ограничителя действуют синусоидальный сигнал и белый шум, то амплитуда сигнала на выходе ограничителя определяется формулой

где уровень ограничения; отношение сигнал/шум на входе ограничителя, т. е. после широкополосного фильтра; функции Бесселя от мнимого аргумента х. При очень больших значениях

В этих условиях амплитуда сигнала на выходе ограничителя максимальна и составляет

Следовательно, максимальное значение мощности сигнала на выходе ограничителя равно (при )

Здесь следует подчеркнуть два обстоятельства. Во-первых, указанное значение мощности (при достаточно сильном сигнале) не зависит от мощности сигнала на входе, а определяется только уровнем ограничения Во-вторых, эта мощность перераспределяется между сигналом и шумом; при ее можно считать равной мощности шума на выходе ограничителя в пределах основной спектральной полосы (вблизи частоты и квадрат отношения амплитуды сигнала на выходе ограничителя к ее максимальному значению можно принять равным отношению сигнал/шум на входе ограничителя. Для приближенно выполняются равенства:

Поэтому

что окончательно приводит к выражению

Следовательно, при слабом сигнале наличие в приемном тракте ограничителя приводит к уменьшению отношения сигнал/шум в раз. После фильтрации в узкополосном фильтре отношение сигнал/шум возрастает в раз и становится равным

Практически такое же отношение сигнал/шум можно получить при исключении схемы ШОУ и замене ее узкополосным фильтром, согласованным с сигналом. Отличие при использовании линейного фильтра заключается только в множителе

Исследование изменения отношения сигнал/шум в схеме ШОУ аналитическим путем при представляет серьезные трудности. Такое исследование было выполнено методом математического моделирования [58]. Сравнивались два устройства по отношению сигнал/шум на выходе при заданном значении их отношения на входе. Схема одного из устройств изображена на рис. 8.3, а во втором устройстве вместо схемы ШОУ использовался фильтр, согласованный с одиночными импульсными сигналами.

Моделировался сигнал, представляющий собой последовательность радиоимпульсов с прямоугольной огибающей. Накопитель сигналов в выходном устройстве был согласован с длительностью пачки, а узкополосный фильтр схемы с одиночными импульсными сигналами. Полосу пропускания широкополосного фильтра можно было изменять в значительных пределах. Отношение эффективных мощностей сигнала и шума на входе

Рис. 8.12.

где определяет мощность шума в полосе изменялось от до 18. Результаты моделирования показывают, что уменьшение отношения сигнал/шум при использовании схемы ШОУ зависит от соотношения полос (рис. 8.12). При потери резко возрастают, достигая

Серьезным недостатком схемы ШОУ является возникновение перекрестных искажений при одновременном попадании в широкую полосу входного усилителя полезного сигнала и сигнала мощной мешающей станции, частота которой существенно отличается от частоты Если бы в качестве входного элемента приемника использовался узкополосный фильтр, то при помеха была отфильтрована. Наличие на входе приемника широкополосного усилителя, после которого включен амплитудный ограничитель, приводит к проникновению помехи в узкополосный тракт приемника. Чтобы показать это, предположим, что на вход приемника поступает сумма напряжений сигнала и помехи

причем

Обозначив и произведя замену

получим

Множители при можно рассматривать как медленно меняющиеся функции времени (так как ) и представить в таком виде:

где

Предполагая, что уровень ограничения ниже наименьшего значения огибающей результирующего колебания, получаем на выходе ограничителя

Из формулы (8.3.31) видно, что на выходе ограничителя образуется фазомодулированное колебание, спектр которого при включает три составляющие с частотами: Через приемник пройдет только одна составляющая с частотой и амплитудой равной последнее обусловливает ее зависимость от амплитуды помехового сигнала.

Если помеха представляет собой, например, сигнал вещательной станции с амплитудной модуляцией, то программа этой станции будет прослушиваться на частоте Так как полоса пропускания входного усилителя при использовании схемы ШОУ вынужденно выбирается во много раз больше полосы пропускания основного тракта приемника, то вероятность попадания в эту широкую полосу мешающих станций оказывается достаточно большой.

Для устранения этого недостатка в радиоприемниках используют схему ШОУ [84, 87], в которой вместо амплитудного ограничителя применяется управляемый прерыватель (рис. 8.13). Принимаемый сигнал анализируется с помощью схемы выделения помехи. Если входное напряжение имеет характеристики помехи, то указанная схема вырабатывает управляющее напряжение которое, воздействуя

Рис. 8.13.

на прерыватель, приводит к запиранию приемного тракта на время действия помехи. При наличии же полезного импульсного сигнала прерыватель не должен срабатывать и запирать приемник. Вероятность выделения именно помехи, а не сигнала, должна быть близка к единице.

В качестве селектора помехи используют модификацию схемы ШОУ, так называемую схему ШОР [196], включающую широкополосный усилитель, амплитудные ограничители по максимуму и минимуму, режекторный фильтр, детектор и спусковое устройство (рис. 8.14). Через широкополосный усилитель сигналы и помехи проходят без искажения формы огибающей. Ограничитель уравнивает амплитуды выходных напряжений вне зависимости от флуктуаций сигналов и помех на входе приемника. С помощью режекторного фильтра с амплитудно-частотной характеристикой вырезается область частот, соответствующая спектру полезного сигнала со средней частотой После ограничителя и режекторного фильтра амплитуда напряжения помехи будет существенно превышать амплитуду сигнала вне зависимости от картины на входе. Высокочастотные колебания детектируются. Затем имеется ограничитель по минимуму, предназначенный для того, чтобы не пропустить на выход относительно малое напряжение полезного сигнала. Выходным элементом схемы выделения помехи является спусковое устройство типа блокинг-генератора, импульсы которого запирают приемник.

Экспериментальное исследование системы ШПУ + ШОР показывает, что она позволяет выделять полезные сигналы с вероятностью более 0,95 при изменении отношения помеха/сигнал на

Схема ШОР эффективно работает при относительно низких частотах следования импульсов помехи (десятки — сотни герц). При высокой частоте следования помеховых импульсов (десятки тысяч герц) для их подавления в

Рис. 8.14.

Рис. 8.15.

усилителе высокой частоты приемника может быть использована нелинейная отрицательная обратная связь. Схема подобного приемника изображена на рис. 8.15.

Узкополосный. усилитель с коэффициентом усиления охвачен нелинейной отрицательной обратной связью. При возникновении помехового импульса на входе приемника амплитуда колебаний на выходе узкополосного усилителя быстро нарастает. Напряжение усиливается широкополосным усилителем с коэффициентом передачи Образующееся при этом напряжение проходит через ограничитель по минимуму, где из этого напряжения вырезается небольшая часть вблизи его нулевого значения. Выходное напряжение петли обратной связи оказывается в противофазе с напряжением являющимся входным для узкополосного усилителя. Использование отрицательной обратной связи приводит к тому, что амплитуда колебаний на выходе узкополосного усилителя уменьшается приблизительно в раз. Кроме того, под влиянием обратной связи во столько же раз расширится полоса пропускания усилителя и возбуждаемые помёховыми импульсами колебания будут очень быстро затухать.

При прохождении только полезного сигнала цепь обратной связи должна размыкаться. Достигается это следующим путем. На вход широкополосного усилителя петли обратной связи со второго узкополосного усилителя подается напряжение По амплитуде напряжение подбирается равным а фазы этих напряжений с помощью фазовращателя устанавливаются противоположными. Если бы полезный сигнал представлял собой незатухающие колебания, то можно было осуществить полную компенсацию

одного напряжения другим, т. е. добиться выполнения условия Когда же принимается, например, амплитудно-модулированное колебание, сумма не будет равна нулю, что обусловливается запаздыванием по отношению к Однако при относительно медленных изменениях огибающей сигнала модуль суммы оказывается достаточно малым и после усиления в широкополосном усилителе амплитуда напряжения не достигает уровня ограничения по минимуму. При отладке схемы уровень ограничения выбирается именно таким образом.

Следовательно, напряжение сигнала не пройдет на выход петли обратной связи и для сигнала эта петля окажется разомкнутой. Применительно к помеховому воздействию указанного эффекта не наступает вследствие значительного (по отношению к длительности импульса помехи) запаздывания напряжения по сравнению с . У помехи амплитуды напряжений в каждый данный момент очень существенно различаются и приближенно можно считать, что на вход широкополосного усилителя воздействует только напряжение

Экспериментальное исследование рассмотренного приемного устройства показало, что для частот следования помеховых импульсов отношение помеха/сигнал по напряжению на выходе усилителя высокой частоты составляет при их отношении на входе порядка 10.