Импульсное пороговое устройство с шумовой стабилизацией порога Российский патент 2020 года по МПК H04B1/10 

Предлагаемое изобретение относится к приему сигналов, в частности к технике выделения сигналов из шума, и может быть использовано в любой области, где требуется обеспечение максимального отношения сигнал/шум.

Известен метод стабилизации средней частоты шумовых выбросов над пороговым уровнем [1-2], заключающийся в определении частоты шумовых срабатываний на выходе порогового устройства и автоматической корректировки порога для поддержания заданной частоты срабатываний.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является импульсное пороговое устройство [3], содержащее пороговое устройство с сигнальным и управляющим в ходами, формирователь стандартного импульса и схему шумовой автоматической регулировки порога, включенную между выходом формирователя стандартного импульса и управляющим входом порогового устройства. В данном устройстве частоту шумовых срабатываний f на выходе определяют путем накопления выходных импульсов в течение времени Т, а порог U в установившемся режиме определяется соотношением U=U₀+U_f=U₀+ΔUTf₀exp(-U²/2σ²), где U₀ - начальное значение порога; f₀ - частота пересечения шумом нулевого порога; σ - среднеквадратическое значение шума; ΔU - единичное приращение порога по контуру обратной связи при пересечении порога шумом.

Недостатком указанного порогового устройства является медленный выход на рабочий режим ввиду того, что в процессе установления рабочего порога частота шумовых срабатываний уменьшается, и скорость переходного процесса, пропорциональная текущей частоте, снижается. Согласно [3] время T_r выхода на рабочий режим при таком способе составляет 1-6 с в зависимости от требований, предъявляемых к точности стабилизации частоты шумовых срабатываний.

Задачей изобретения является уменьшение времени выхода на рабочий режим.

Указанная задача решается за счет того, что в известном импульсном пороговом устройстве с шумовой стабилизацией порога, содержащем пороговое устройство с сигнальным и управляющим в ходами, формирователь стандартного импульса и схему шумовой автоматической регулировки порога (ШАРП), включенную между выходом формирователя стандартного импульса и управляющим входом порогового устройства, введены последовательно включенные источник линейно нарастающего сигнала и аналоговый сумматор с неинвертирующим и инвертирующим входами, причем выход сумматора подключен к управляющему входу порогового устройства, его неинвертирующий вход связан с выходом схемы ШАРП, а инвертирующий вход связан с выходом источника линейного сигнала, а кроме того, на выходе формирователя стандартного импульса введен ключ, управляемый схемой синхронизации, подключенной также к источнику линейного сигнала.

Сумматор может быть снабжен схемой переключения выходного уровня U_p^*=mUp, связанной со схемой синхронизации, где m - коэффициент повышения порога, необходимый для обеспечения заданной величины частоты ложных тревог.

Техническим результатом изобретения является сокращение времени выхода на рабочий режим порогового устройства с шумовой стабилизацией порога при обеспечении максимальной вероятности обнаружения сигнала.

На фиг. 1 представлена схема устройства, реализующего способ. На фиг. 2 показан процесс выхода на рабочий режим. На фиг. 3а), 3б) и 3в) приведены реализации процесса установления рабочего режима порогового устройства при разных углах наклона линейного сигнала.

Импульсное пороговое устройство с шумовой стабилизацией порога включает последовательно включенные пороговое устройство 1 и формирователь стандартного импульса 2, выход которого связан с управляющим входом порогового устройства 1 через схему ШАРП 3 и неинвертирующий вход сумматора 4. На инвертирующем входе сумматора включен источник линейного сигнала 5, управляемый схемой синхронизации 6, связанной также с ключом 7 на выходе формирователя стандартного импульса 2.

Устройство работает следующим образом.

В момент времени t₁ схема синхронизации 6 запирает ключ 7 и запускает линейный сигнал 8 (фиг. 2). Пороговое устройство 1 имеет начальный пороговый уровень U₁, близкий к среднеквадратическому значению шума σ. При низком пороговом уровне U₁ частота его превышений шумом f₁=f₀exp(-U₁²/2σ²) близка к частоте f₀ пересечения шумом нулевого порога. Эта частота обычно составляет (10-20)⋅10⁶ 1/с, таким образом, в начальный момент времени на выходе схемы ШАРП 3 быстро растет компенсационный сигнал U_f 9, повышающий уровень порога и, соответственно, резко снижающий частоту шумовых срабатываний, что замедляет выход на режим. Подача на инвертирующий вход сумматора 4 линейного сигнала U_t 8 препятствует быстрому снижению частоты f, поэтому выход на рабочий режим происходит быстрее. В момент времени t₂ угол наклона β процесса 9 равен углу наклона -β линейного сигнала 8, и эквивалентный порог 10 срабатывания порогового устройства U_экв(t₂)=U₁+U_f(t₂)-U_t(t₂) становится постоянным. Для сравнения приведен процесс 11 установления порога в известном устройстве [3] - этот переходный процесс продолжает медленно подниматься в течение длительного времени, во много раз превышающего время выхода на режим стабилизации Т=t₂-t₁, обеспечиваемое настоящим изобретением. В рабочем периоде Т_р=t₃-t₂ после открытия ключа 7 возможен прием сигналов с частотой ложных тревог F=f_p Эта вероятность нелинейно зависит от угла наклона линейного сигнала 8. Процесс изменения частоты f показан кривой 12.

Если необходимо расширить рабочий период за пределы динамического диапазона сумматора, то можно снабдить его схемой переключения выходного уровня U_p^*=mU_p, связанной со схемой синхронизации, где m - коэффициент повышения порога, необходимый для обеспечения заданной величины частоты ложных тревог. При этом порог U_p^* может поддерживаться в течение произвольного времени, и одновременно устанавливается требуемая частота ложных тревог

Зависимость переходного процесса, в том числе времени выхода на режим и рабочей частоты F, от угла наклона α линейного сигнала 8 показана на фиг. 3. На фиг. 3 а) показан ход порога 10, средней частоты шумовых срабатываний 12 и реальный шумовой процесс 13 на выходе устройства. Видно, что по мере убывания частоты шумовых срабатываний процесс фиг. 3 а) замедляется, и порог 10 поднимается к рабочему положению долго, более 1000 делений по шкале времени. При подаче линейного сигнала с углом наклона α₂ рабочий порог устанавливается за 300 делений по шкале времени. При этом средняя частота шумовых импульсов в установившемся режиме увеличивается с 2 до 5 отн. ед. При дальнейшем увеличении α (в 10 раз) время выхода на режим уменьшается до 50 делений, а средняя частота шумовых срабатываний увеличивается до 50 отн. ед. - пропорционально увеличению α. При этом колебания средней частоты срабатываний увеличиваются до 5% от среднего значения.

Пример, f₀=10 МГц. Время выхода на рабочий режим Т в зависимости от угла наклона линейного сигнала β.

Данное техническое решение позволяет:

- Существенно сократить время выхода порогового обнаружителя на рабочий режим до 1 мс и менее.

- Обеспечить работу в частотном режиме, что существенно для ряда приложений, например, в частотных дальномерах, при обновлении информации с частотой до 1000 Гц.

- Обеспечить работу при нестационарном шуме.

- Обеспечить максимальное значение отношения порог шум с высокой точностью. Эти выводы подтверждены компьютерным моделированием и испытаниями макетных образцов. Тем самым, подтверждено решение поставленной задачи - существенное уменьшение времени выхода на рабочий режим.

Источники информации

1. US pat. №3516751. Optical radiation pulse control receiver. 1970.

2. Бурд A.M., Лейченко Ю.А., Мотенко Б.Н., Попов A.C. Температурная стабилизация фотоприемника с ЛФД // Приборы и техника эксперимента. - 1975. - №4, - С. 176-178.

3. Вильнер В.Г. Проектирование пороговых устройств с шумовой стабилизацией порога. // Оптико-механическая промышленность. - 1984 г. - №5, - С. 39-41. - прототип.

4. Г. Корн, Т. Корн. Справочник по математике (для научных работников и инженеров). - «Наука», М., 1973 г. - 832 с.

Изобретение относится к приему сигналов, в частности к технике выделения сигналов из шума, и может быть использовано в любой области, где требуется обеспечение максимального отношения сигнал/шум. Технический результат изобретения состоит в сокращении времени выхода на режим. Для этого импульсное пороговое устройство с шумовой стабилизацией порога содержит пороговое устройство с сигнальным и компенсационным входами, формирователь стандартного импульса и схему шумовой автоматической регулировки порога (ШАРП), включенную между выходом формирователя стандартного импульса и компенсационным входом порогового устройства, введены последовательно включенные источник линейно нарастающего сигнала и аналоговый сумматор с неинвертирующим и инвертирующим входами, причем выход сумматора подключен к управляющему входу порогового устройства, его неинвертирующий вход связан с выходом схемы ШАРП, а инвертирующий вход связан с выходом источника линейного сигнала, а, кроме того, на выходе формирователя стандартного импульса введен ключ, управляемый схемой синхронизации, подключенной также к источнику линейного сигнала. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Импульсное пороговое устройство с шумовой стабилизацией порога, содержащее пороговое устройство с сигнальным и компенсационным входами, соединенное с входом формирователя стандартного импульса, и схему шумовой автоматической регулировки порога (ШАРП), соединенную с выходом формирователя стандартного импульса, отличающееся тем, что введены источник линейно нарастающего сигнала и аналоговый сумматор с неинвертирующим и инвертирующим входами, причем выход сумматора подключен к компенсационному входу порогового устройства, его неинвертирующий вход связан с выходом схемы ШАРП, а инвертирующий вход связан с выходом источника линейного сигнала, а, кроме того, на выходе формирователя стандартного импульса введен ключ, управляемый схемой синхронизации, подключенной также к источнику линейного сигнала.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что сумматор снабжен схемой переключения выходного уровня Up*=mUp, связанной со схемой синхронизации, где m - коэффициент повышения порога, необходимый для обеспечения заданной величины частоты ложных тревог.