КВАЗИОПТИМАЛЬНЫЙ ГРЕБЕНЧАТЫЙ ФИЛЬТР ДЛЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТИ ШИРОКОПОЛОСНЫХ И СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫХ КОГЕРЕНТНЫХ РАДИОИМПУЛЬСОВ СО СЖАТИЕМ СПЕКТРА СИГНАЛА Российский патент 2017 года по МПК H01P1/20 

Изобретение относится к радиотехнике, к частотной селекции и фильтрации радиосигналов, может быть использовано в радиолокации, в системах связи и других устройствах, в которых используются последовательности когерентных сверхширокополосных импульсов, с целью увеличения отношения «сигнал/шум».

Известные устройства, используемые с целью увеличения отношения «сигнал/шум»: коррелятор; согласованный фильтр; когерентный и некогерентный накопитель импульсов [1]; фильтр, сжимающий спектр сигнала [2].

Наиболее близким устройством по технической сущности является полосовой гребенчатый фильтр, построенный на параллельно включенных полосно-пропускающих фильтрах [3], структурная схема которого показана на фиг. 1. Основной недостаток этого устройства при приеме последовательностей широкополосных и сверхширокополосных импульсов с шириной спектра от сотен мегагерц и выше с низкими частотами повторения импульсов - сложность получения на высоких частотах требуемой добротности для отдельных полосно-пропускающих фильтров, из которых состоит гребенчатый фильтр.

Прототип (фиг. 1) состоит из параллельно включенных полосно-пропускающих фильтров (1) и установочных фазовращателей (2), используемых для выравнивания электрической длины сигнальных трактов. Через каждый полосно-пропускающий фильтр проходит часть квазилинейчатого спектра последовательности когерентных импульсов, имеющая максимальную спектральную плотностью - «зубец» спектра. Далее все части исходного сигнала объединяются с помощью сумматора (3), образуя выходной сигнал. Частотная характеристика такого фильтра имеет вид периодической резонансной кривой. Однако для такой схемы гребенчатого фильтра существует проблема получения высокой добротности для полосно-пропускающий фильтров, работающих на частотах от сотен мегагерц и выше при малых частотах повторения когерентных импульсов.

Задачей изобретения является повышение отношения «сигнал/шум» с помощью гребенчатого фильтра для последовательности когерентных импульсов с шириной спектра, превышающей сотни мегагерц, и частотами повторения импульсов от нескольких мегагерц и ниже.

Проблема получения высокой добротности гребенчатого фильтра решается тем, что в отличии от известного устройства, гребенчатый фильтр реализован на частотах, которые значительно ниже частот спектра входного сигнала. Это достигается тем, что каждая часть спектра входного сигнала с максимальной спектральную плотностью - «зубец» спектра (часть спектра, которая в прототипе проходит через полосно-пропускающий фильтр) преобразуется на свою промежуточную частоту и проходит через полосно-пропускающий фильтр с такой же шириной полосы пропускания, как в прототипе. При этом фазовые соотношения между отдельными частями спектра сохраняются, для этого гетеродины, используемые для преобразования на каждую промежуточную частоту, синхронизируются общим опорным генератором.

На фиг. 1 показана структурная схема прототипа.

На фиг. 2а показан спектр последовательности, состоящей из 100 когерентных импульсов на несущей частоте 5 ГГц с прямоугольной огибающей, длительностью импульса 0,4 нс и периодом повторения 20 нс, рассчитанный с помощью быстрого преобразования Фурье.

На фиг. 2б показан фрагмент этого спектра в узкой полосе частот (4,94..5,06ГГц).

На фиг. 3а приведена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) гребенчатого фильтра, выбранного в качестве прототипа, необходимая для обработки указанной последовательности импульсов.

На фиг. 3б показан фрагмент этой АЧХ в узкой полосе частот (4,94..5,06 ГГц).

На фиг. 4 показана структурная схема предлагаемого устройства.

На фиг. 5 показана АЧХ предлагаемого устройства, при фильтрации описанной выше последовательности импульсов.

Спектр последовательности L импульсов, следующих с периодом повторения Т, может быть записан как [4]:

где - целое число; ω₁=2π/Т - циклическая частота повторения импульсов; - коэффициент разложения одиночного импульса m(t) в ряд Фурье; Т₀ - длительность импульса. Например, для импульса с прямоугольной огибающей:

«Поскольку при больших L спектр конечной последовательности имеет квазилинейчатый вид, то для пропускания полезного сигнала без заметной потери энергии и без заметного искажения и вместе с тем для максимального снижения интенсивности помех нужно взять фильтр, частотная характеристика которого имеет вид гребня. Высота зубьев одна и та же, ширина – так же (она зависит от L). Середина каждого зуба приходится на одну из частот . Это так называемый «гребенчатый фильтр» [4].

Рассмотрим проблемы, возникающие при создании гребенчатого фильтра, используемого в качестве прототипа.

Для примера возьмем последовательность, состоящую из 100 когерентных импульсов на несущей частоте с прямоугольной огибающей, с длительностью импульса Т₀=0,4 нс и периодом повторения Т=20 нс. Основная энергетика такой последовательности находится в полосе частот, ширина которой обратно пропорциональна длительности импульса: Спектр, рассчитанный с помощью быстрого преобразования Фурье в указанной полосе частот, показан на фиг. 2а, фрагмент этого спектра в полосе частот 4,94..5,06 ГГц показан на фиг. 2б. Требуемая для этого спектра АЧХ гребенчатого фильтра, выбранного в качестве прототипа, приведена на фиг. 3а, фрагмент этого спектра в полосе частот 4,94..5,06 ГГц показан на фиг. 3б.

Ширина одного зуба гребенчатого фильтра определяется в соответствии с (1) длительностью последовательности импульсов LT и должна быть не меньше чем 1/LT=0,5 МГц. Добротность такого фильтра на верхней частоте составляет Q=6,25⋅10⁹/(0,5⋅10⁶)=12500. Получение такой добротности является проблематичным. Перенос всего спектра вниз (с помощью преобразования на общую для всех спектральных компонент промежуточную частоту) не улучшает положение - верхняя частота фильтрации становится равной 2,5 ГГц, и, соответственно, требуемая добротность будет Q=2,5⋅10⁹/(0,5⋅10⁶)=5000.

Предлагаемое устройство устраняет указанный недостаток. Структурная схема устройства приведена на фиг. 3. Устройство работает следующим образом.

Последовательность когерентных импульсов поступает на первые входы смесителей (4). Количество смесителей равно количеству зубцов N спектра, в которых содержится большая часть энергии импульсной последовательности (количеству зубцов АЧХ гребенчатого фильтра, принятого за прототип). Частоты максимума каждого зубца определяются как где , - минимальная и максимальная частоты максимумов зубцов спектра, соответственно; i=1..N. При этом .

На второй вход смесителей (4) поступают сигналы с гетеродинов (5) с частотами , образующими эквидистантную сетку , где ; , - минимальная и максимальная частоты гетеродинов, соответственно. Для обеспечения взаимной когерентности сигналов гетеродинов использован общий опорный генератор (6).

Выходы смесителей (4) соединены со входами полосно-пропускающих фильтров (1), настроенных на промежуточные частоты , с полосой пропускания, определяемой длительностью импульса В≥а/τ_и, где а - коэффициент, зависящий от формы огибающей импульса. Максимальная из промежуточных частот много меньше частоты максимума самого высокочастотного зубца спектра входного сигнала . Это позволяет реализовать требования к добротности.

Выходы фильтров (1), как и в прототипе, соединены со входами установочных фазовращателей (2), которые компенсируют неодинаковую электрическую длину трактов устройства для каждой промежуточной частоты.

Выходы фазовращателей (2) соединены со входом сумматора (3).

На фиг. 4 приведена АЧХ предлагаемого устройства при и . Добротность полосно-пропускающего фильтра на максимальной промежуточной частоте составит Q=51⋅10⁶/(0,5⋅10⁶)=102, что является приемлемым значением для указанной частоты.

В результате фильтрации сигнала предлагаемым устройством ширина спектра выходного сигнала и расстояние между максимумами зубцов спектра уменьшается в n раз по сравнению с шириной спектра входного сигнала, , соответственно, увеличивается в n раз длительность выходных импульсов и их период, а эквивалентная шумовая полоса (отношение «сигнал/шум») остается такой же, как и в прототипе

где B_i - ширина полосы частот одного элемента гребенчатого фильтра как для прототипа, так и для предлагаемого устройства.

ЛИТЕРАТУРА

1. Финкельштейн М.И. Основы радиолокации. Учебник для ВУЗОВ, 2-е издание, перераб. и доп., М., Радио и связь, 1983 (стр. 259).

2. Свистов В.М. Радиолокационные сигналы и их обработка. М., Сов. радио, 1977 (стр. 197).

3. Справочник по радиоэлектронным устройствам. В 2-х томах, т. 1. Бурин Л.И., Васильев В.П., Каганов В.И. и др. Под ред. Д.П. Линде, М., Энергия, 1978 (стр. 215).

4. Вайнштейн Л.А., Зубаков В.Д. Выделение сигналов на фоне случайных помех. М., Сов. радио, 1960 (стр. 133).

Изобретение относится к радиотехнике, к частотной селекции и фильтрации радиосигналов, может быть использовано в радиолокации и в системах связи. Устройство содержит параллельно включенные полосно-пропускающие фильтры, согласованные с длительностью этой последовательности, установочные фазовращатели и сумматор. Кроме того, устройство содержит смесители, гетеродины и генератор опорного сигнала. При этом на первые входы смесителей поступает входной сигнал, а вторые входы соединены с выходами разночастотных гетеродинов. Входы гетеродинов соединены с выходом генератора опорного сигнала. Выходы смесителей соединены со входами полосно-пропускающих фильтров. Выходы полосно-пропускающих фильтров соединены со входами установочных фазовращателей, а выходы установочных фазовращателей соединены со входами сумматора. Технический результат заключается в получении высокой добротности гребенчатого фильтра. 5 ил.

Квазиоптимальный гребенчатый фильтр для последовательности широкополосных и сверхширокополосных когерентных радиоимпульсов со сжатием спектра сигнала, содержащий параллельно включенные полосно-пропускающие фильтры, согласованные с длительностью этой последовательности, установочные фазовращатели и сумматор, отличающийся тем, что фильтрация отдельных частей квазилинейчатого спектра с максимальной спектральной плотностью (зубьев спектра) происходит для каждой части спектра на своей промежуточной частоте, при преобразовании на которую сохраняется фазовая информация, промежуточные частоты расположены через равные частотные интервалы, образуя сжатый квазилинейчатый спектр, для этого в схему добавлены смесители, гетеродины и генератор опорного сигнала, на первые входы смесителей поступает входной сигнал, вторые входы соединены с выходами разночастотных гетеродинов, входы гетеродинов соединены с выходом генератора опорного сигнала, выходы смесителей соединены со входами полосно-пропускающих фильтров, выходы полосно-пропускающих фильтров соединены со входами установочных фазовращателей, выходы установочных фазовращателей соединены со входами сумматора.