УСИЛИТЕЛЬ РАДИОЧАСТОТНЫХ ИМПУЛЬСОВ Российский патент 2003 года по МПК H04B1/10 H04B15/00 H03F3/189 

Изобретение относится к области радиотехники и, в частности, может быть использовано в импульсных радиоприемниках, входящих в состав многоканальных систем ближней навигации или других радиосистем, в которых используется импульсная амплитудная модуляция и стоит вопрос защиты от воздействия импульсных помех соседних частотных каналов без потери чувствительности.

Известно, что в настоящее время защита от импульсных помех соседних частотных каналов в некоторых типах импульсных приемников осуществляется после детектора в видеотракте путем селекции по длительности узких импульсов [2].

Устройство этого типа состоит (фиг.1) из предварительного усилителя радиочастоты 1, широкополосного фильтра 2, амплитудного детектора 3, устройства задержки 4, схемы И 5.

Устройство работает следующим образом. Радиоимпульс усиливается предварительным усилителем радиочастоты 1 и подается на фильтр 2. Фильтр 2 имеет полосу пропускания в 4-5 раз больше ширины основного лепестка спектра импульса (поэтому он назван широкополосным), и подавляет несущую частоту соседнего канала на А₀ дБ. В этом случае радиоимпульс прямоугольной формы на рабочей частоте, пройдя фильтр 2, приобретает форму трапеции, у которой длительность фронтов равна τ_ф = 1/Δf_ш, где Δf_ш - полоса пропускания фильтра 2, то есть τ_ф равна 20-25% от длительности рабочего импульса, а длительность самого выходного импульса (трапеции) по уровню 0,5 равна длительности входного импульса [1, 4].

Если на широкополосный фильтр 2 подается прямоугольный радиоимпульс на частоте соседнего канала, на выход фильтра 2 проходят только фронты импульса помехи в виде двух коротких импульсов, длительность которых τ_помехи = 1/Δf_ш, то есть длительность каждого из этих двух импульсов составляет только 20-25% от длительности рабочего импульса [1,4].

Таким образом, возникает возможность отличать полезный импульс от помех по длительности импульса на выходе широкополосного фильтра 2. Для этого импульсы с широкополосного фильтра 2 подаются на детектор 3, а видеоимпульсы с детектора подаются на один из входов двухвходовой схемы И 5. На другой вход схемы И эти импульсы проходят через устройство задержки 4, время задержки в котором равно 25-30% от длительности рабочего импульса. В результате длительность импульсов на выходе схемы И уменьшается на 0,2-0,3 длительности рабочего импульса, а импульсы помехи от соседнего частотного канала не проходят.

Недостатком данного устройства является уменьшение чувствительности приемника из-за необходимости расширения полосы пропускания фильтров, чтобы сохранить малую длительность импульсов помехи. Поэтому данное устройство широко применяется в системах, где линии связи имеют большую энергетическую избыточность, и от приемных устройств не требуется максимальная чувствительность.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является компенсационное устройство "частотный детектор" или "частотный дискриминатор Ферриса" [3, 5] . Устройство состоит (фиг.2) из предварительного усилителя радиочастоты 1, за ним следуют последовательно подключаемые широкополосный фильтр 2, состоящий из одного контура, емкость связи С, узкополосный фильтр 3, образованный одним узкополосным контуром, амплитудный детектор рабочего сигнала 4 и фильтр нижних частот 5, с которого видеосигнал поступает на один из входов сумматора 8. Параллельно тракту рабочего сигнала имеется тракт помехи, образованный детектором помехи 6, у которого полярность выходного видеосигнала обратна полярности рабочего сигнала и вход которого соединен с широкополосным фильтром 2, и фильтр нижних частот 7 с весовым коэффициентом передачи, выход которого соединен со вторым входом сумматора 8.

Устройство работает следующим образом. Радиочастотный импульс усиливается предварительным усилителем радиочастоты 1 и с него подается на широкополосный фильтр 2, после которого радиосигнал разветвляется на два направления:
1 - на детектор помехи,
2 - через емкость связи С радиоимпульс попадает на узкополосный фильтр 3 и детектируется амплитудным детектором сигнала 4, и через фильтр нижних частот 5 видеосигнал подается на один из входов сумматора 8.

На другой вход сумматора 8 видеосигнал поступает с детектора помехи 6 и фильтра нижних частот 7.

На фиг. 3 изображены амплитудно-частотные характеристики тракта сигнала (фиг.3А), тракта помехи (фиг.3Б) и АЧХ на выходе сумматора (фиг.3В). Из фиг. 3 видно, что полярности продетектированного сигнала в тракте помехи и тракте рабочего сигнала противоположны. Полоса пропускания тракта сигнала (фиг.3А) определяется узкополосным фильтром 3 в совокупности с емкостью связи С и равна ширине основного лепестка спектра импульса сигнала, тем самым чувствительность тракта рабочего сигнала близка к оптимальной. Полоса пропускания тракта помехи определяется полосой широкополосного фильтра 2. Она в 3-4 раза больше полосы пропускания узкополосного фильтра 3. Избирательность по соседнему канала достигается путем вычитания из сигнала рабочего тракта сигнала тракта помехи в сумматоре 8.

Во время действия сигнала на рабочей частоте сигнал, приходящий на сумматор по тракту помехи, в несколько раз меньше сигнала, приходящего на сумматор по рабочему тракту, поэтому рабочий сигнал проходит на выход сумматора практически без потери чувствительности.

Во время действия сигнала на частоте соседнего канала (на частоте помехи) сигнал, приходящий на сумматор по тракту помехи, превышает сигнал, приходящий на сумматор по рабочему тракту, и на выходе сумматора сигнал во время действия помехи меняет свою полярность, что воспринимается как отсутствие какого-либо сигнала во время действия помехи от соседнего частотного канала.

Недостаток прототипа заключается в том, что имеется большая вероятность полного подавления слабого полезного сигнала сильными помехами, приходящими сразу с нескольких соседних каналов, а в самом неблагоприятном случае, когда на соседнем частотном канале действует помеха в виде непрерывного излучения, рабочий тракт может оказаться парализованным на все время действия длительной помехи.

Задача, решаемая предлагаемым устройством, заключается в повышении его помехозащищенности по сравнению с прототипом при сохранении оптимальной чувствительности.

Для этого в устройство, содержащее последовательно включенные предварительный усилитель радиочастоты, широкополосный полосовой фильтр, второй и третий каскады усиления радиочастоты, работающие на выходной узкополосный полосовой фильтр, нагруженный амплитудным детектором, включены между вторым и третьим каскадами усиления радиочастоты последовательно соединенные между собой устройство задержки радиочастоты и управляемый высокочастотный аттенюатор (ключ), который управляется (включает затухание) сигналами с вспомогательного тракта управления (тракта помехи), подключенного параллельно основному тракту - тракту рабочего сигнала, причем вход тракта помехи соединен с выходом широкополосного полосового фильтра, а выход тракта помехи соединен с управляющими входами аттенюатора (ключа), при этом на выход тракта помехи проходят только узкие импульсы помехи.

На фиг.4 представлена блок-схема предлагаемого усилителя радиочастотных импульсов.

Устройство состоит из тракта рабочего сигнала, содержащего последовательно включенные предварительный усилитель радиочастоты 1, широкополосный полосовой фильтр 2, второй каскад усиления 3, устройство регулировки задержки радиочастоты 4, быстродействующий управляемый высокочастотный аттенюатор (ключ) 5, третий каскад усиления 10, узкополосный полосовой фильтр радиочастоты 11, (рабочий) амплитудный детектор сигнала 12 и тракта помехи, параллельного тракту рабочего сигнала, содержащего последовательно включенные четвертый каскад усиления радиочастоты 6, вход которого подключен к выходу широкополосного полосового фильтра 2, а выход четвертого усилителя 6 соединен со входом детектора помехи 7, после него следует фильтр высоких частот для видеоимпульсов ( дифцепочка) 8, устройство формирования длительности импульсов 9, выход которого соединен с входом управления аттенюатора 5, находящегося в тракте рабочего сигнала.

Предлагаемый усилитель радиочастотных импульсов работает следующим образом (фиг.4).

Импульсный радиосигнал проходит последовательно через предварительный усилитель радиочастоты 1, где он усиливается, затем подается на широкополосный полосовой фильтр 2, на выходе которого приобретает признаки либо полезного сигнала (форму трапеции), либо признаки помехи соседнего частотного канала (два узких импульса от фронтов входного импульса). С выхода широкополосного полосового фильтра 2 радиосигнал поступает на два тракта основной тракт усиления (тракт рабочего сигнала) и вспомогательный тракт формирования сигналов управления для управляемого аттенюатора 5 (тракт помехи).

В тракте рабочего сигнала сигнал усиливается вторым каскадом усиления радиочастоты 3, задерживается в устройстве регулировки задержки радиочастоты 4, которая выравнивает задержку сигнала в тракте рабочего сигнала с задержкой в тракте помехи, затем радиоимпульс проходит через управляемый высокочастотный аттенюатор 5, функция которого - подавлять только узкие импульсы от прошедших фронтов помехи. Аттенюатор 5 управляется импульсами видеосигналов, которые формируются в параллельном тракте помехи. После управляемого аттенюатора 5 сигналы рабочей частоты (уже без импульсов помех от соседних частотных каналов) усиливаются третьим каскадом усиления радиочастоты 10 и подаются на узкополосный полосовой фильтр 11, полоса которого равна ширине первого лепестка спектра импульса рабочего формата, что обеспечивает соотношение сигнал/шум, близкое к оптимальному. После узкополосного полосового фильтра 11 сигнал, отфильтрованный от лишних шумов, подается на амплитудный детектор сигнала 12, в котором радиоимпульсы преобразуются в видеоимпульсы и поступают к потребителям информации.

Параллельно основному тракту рабочего сигнала работает вспомогательный тракт формирования сигналов управления для аттенюатора 5 (тракт помехи). Тракт помехи состоит из последовательно соединенных четвертого усилителя радиочастоты 6, детектора помехи 7, фильтра высоких частот для видеосигналов 8 и устройства формирования длительности импульсов управления 9, с которого импульсы управления (сформированные от помех) подаются на входы управления аттенюатора 5. При наличии сигнала помехи включается затухание аттенюатора 5. Задержка, образовавшаяся в тракте помехи, компенсируется в тракте рабочего сигнала устройством регулировки задержки радиочастоты 4.

На фиг.5 представлены взаимное расположение рабочей частоты и частот соседних каналов, обозначены ширина первого (основного) лепестка спектра импульсов рабочего сигнала и полосы пропускания широкополосного полосового фильтра 2 и узкополосного полосового фильтра 11.

Принятые обозначения ΔF - разнос по частоте между соседними каналами, Δf_сп - ширина первого (основного) лепестка спектра импульса, Δf_у - полоса пропускания узкополосного фильтра на уровне 3 дБ, Δf_ш - полоса пропускания широкополосного фильтра 2 на уровне 3 дБ.

Предполагается, что выполняются условия
1) Δf_у ≅ Δf_сп;
2) ΔF>Δf_ш>(3-6)Δf_сп,
3) прямоугольность широкополосного полосового фильтра 2 такова, что выполняется условие подавления несущей частоты соседнего канала на заданную величину.

Выполнение первого условия дает возможность получить чувствительность, близкую к оптимальной, так как узкополосный полосовой фильтр 11 стоит перед амплитудным детектором сигнала 12 и формирует выходную полосу пропускания рабочего тракта.

Выполнение второго и третьего условий дает возможность отличать сигнал рабочего частотного канала от помехи соседнего канала по форме и длительности импульсов на выходе широкополосного полосового фильтра 2.

Прямоугольный импульс на рабочей частоте, пройдя через широкополосный фильтр 2, приобретает форму трапеции, длительность которой по уровню 0,5 равна длительности импульса на входе фильтра 2, а длительность фронтов определяется полосой пропускания фильтра и равна τ_ф = 1/Δf_ш [1,4].
При подаче на вход широкополосного полосового фильтра прямоугольного импульса на частоте соседнего канала, на выход фильтра проходят только фронты импульса, и выходной сигнал имеет вид двух узких импульсов, длительность которых определяется полосой пропускания фильтра и по уровню 0,7 равна t_помехи= 1/2Δf_ш. Полоса пропускания широкополосного полосового фильтра в несколько раз больше полосы основного лепестка спектра импульса, поэтому длительность импульса помехи соседнего канала становится во столько же раз меньше длительности импульса рабочего формата.

Таким образом, узкие импульсы на выходе широкополосного полосового фильтра 2 принадлежат помехе соседнего канала, а широкие являются полезными сигналами. Поэтому, чтобы избавиться от помехи соседнего канала, следует запрещать узким импульсам с выхода широкополосного полосового фильтра 2 проходить на выходной узкополосный полосовой фильтр 11.

Подавление (селекция, бланкирование) узких импульсов, образованных фронтами сигнала в тракте усиления в каскадах, стоящих перед узкополосным фильтром 11, приводит не только к подавлению помех соседнего канала, но и к уменьшению длительности полезных импульсов на время длительности переднего фронта импульса, который он имеет после широкополосного полосового фильтра 2. Это обстоятельство в случае срабатывания аттенюатора 5 от переднего фронта полезного импульса приводит к уменьшению длительности импульса и соответственно к уменьшению выходного соотношения сигнал/шум на величину:
Q = 10 lg[Δf_ш/(Δf_ш-Δf_у)]дБ.
Эта величина также определяет уменьшение чувствительности устройства в случае совпадения во времени полезного сигнала с фронтом сильной помехи на соседнем частотном канале. К примеру, если соотношение Δf_у/Δf_ш равно 0,3, то уменьшение чувствительности (соотношения сигнал/шум) составит только 1,5 дБ, тогда как в аналоге (частотном дискриминаторе Ферриса) может произойти полное подавление полезного импульса.

Узкополосный полосовой фильтр 11, включенный после управляемого аттенюатора 5, сам обладает некоторой импульсной избирательностью. Величина этой избирательности увеличивается при увеличении отношения ΔF/Δf_у и составляет величину М дБ. Величины М и Q определяют целесообразность применения предлагаемого устройства.

Предлагаемый усилитель радиочастотных импульсов одновременно выполняет условие сохранения чувствительности и полного подавления помехи соседнего канала, если М≥Q+7 дБ. Для этого коэффициент передачи тракта помехи устанавливается таким, чтобы управляемый аттенюатор 5 начинал срабатывать при уровне сигнала, превышающем заданный уровень чувствительности (значение соотношения сигнал/шум) на величину Q. При этом коэффициент передачи основного усилительного тракта устанавливается таким, чтобы на выходе амплитудного детектора сигнала 12 обеспечивался заданный уровень шумов.

Таким образом, благодаря наличию широкополосного полосового фильтра 2 на входе усилителя радиочастотных импульсов, узкополосного полосового фильтра 11 перед детектором сигнала 12, управляемого аттенюатора 5, помещенного в тракт рабочего сигнала между упомянутыми фильтрами 2 и 11 и включающего затухание только на короткое время (0,15-0,30 τ импульса) в моменты появления фронтов импульса, из которых образуются импульсы управления в тракте помехи, включенного параллельно тракту рабочего сигнала, удается, не ухудшая чувствительности, улучшить помехозащищенность усилителя радиочастотных импульсов от импульсных и других помех соседних частотных каналов.

Источники информации
1. С. И. Баскаков. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высшая школа, 1988, с. 179, 190, 224-228, 425.

2. ГОСТ 21800-89. Системы вторичной радиолокации для управления воздушным движением (п.5.1.1.8, п.5.1.5.2).

3. Схема частотного детектора. Патент США 2889458. Выдан 2 июня 1959 г.

4. У.М. Сиберт. Цепи, сигналы, системы. (В двух частях). М.: Мир, 1988.

5. Вопросы радиоэлектроники. Научно-технический сборник. Серия общетехническая, 1972, вып. 2, с.40.

Изобретение относится к радиотехнике и может использоваться в импульсных радиоприемниках, входящих в состав многоканальных систем ближней навигации или других многоканальных импульсных радиосистем. Изобретение позволяет эффективнее решать вопрос обеспечения импульсной избирательности по соседним частотным каналам в импульсных приемных устройствах. Достигается тем, что селекция по длительности узких импульсов 6, 7, 8, 9, которые соответствуют фронтам импульсных помех соседних частотных каналов, производится в тракте усиления радиочастоты 1, 2, 3, 4, 5 до узкополосного фильтра 10 и детектора 12, что позволяет получить импульсную избирательность по соседним частотным каналам без потери чувствительности и без подавления полезного сигнала сильными помехами соседнего канала. 5 ил.

Усилитель радиочастотных импульсов, содержащий тракт рабочего сигнала, состоящий из последовательно соединенных предварительного усилителя радиочастоты, широкополосного полосового фильтра, а также последовательно соединенных узкополосного полосового фильтра и амплитудного детектора сигнала, и тракт помехи, содержащий детектор помехи, отличающийся тем, что в тракт рабочего сигнала дополнительно введены последовательно соединенные второй каскад усиления радиочастоты, устройство регулировки задержки радиочастоты, управляемый высокочастотный аттенюатор, третий каскад усиления радиочастоты, причем вход второго каскада усиления радиочастоты соединен с выходом широкополосного полосового фильтра, а выход третьего каскада усиления радиочастоты соединен с входом узкополосного полосового фильтра, а в тракт помехи дополнительно введен четвертый каскад усиления радиочастоты, вход которого соединен с выходом широкополосного полосового фильтра тракта рабочего сигнала, а выход - со входом детектора помехи, выход которого соединен со входом введенного фильтра высоких частот, последовательно соединенного с устройством формирования длительности импульсов, выход которого соединен со входом управления управляемого высокочастотного аттенюатора тракта рабочего сигнала, при этом коэффициент передачи тракта помехи устанавливается таким, чтобы управляемый высокочастотный аттенюатор начинал включать затухание при уровнях радиосигнала, которые превышают уровень чувствительности на 1,5-3 дБ, а полоса пропускания фильтра высоких частот устанавливается такой, чтобы на вход управления управляемого высокочастотного аттенюатора могли проходить только импульсы, длительность которых не превышала бы длительность t = 1/Δf_ш, где Δf_ш - полоса пропускания широкополосного полосового фильтра на уровне 3 дБ, причем полоса пропускания узкополосного полосового фильтра выбрана в соответствии с выражением Δf_у = Δf_сп, где Δf_у - полоса пропускания узкополосного полосового фильтра по уровню 3 дБ, Δf_сп - ширина первого лепестка спектра импульса, а полоса пропускания широкополосного полосового фильтра выбрана в соответствии с выражением
ΔF > Δf_ш > (3-6) Δf_сп,
где ΔF - разнос по частоте между соседними каналами.