Полосовой коммутируемый фильтр Советский патент 1993 года по МПК H03H19/00 H03H7/01 

Изобретение относится к радиотехническим устройствам и может быть использо- вано в усилителях радиочастоты и приемниках, осуществляющих прием сигналов, имеющих постоянную мгновенную час- тоту (AM, AT, ФТ, ОФТ, АМ-ПСП, ФМ-ПСП и др.), для повышения соотношения сиг- нал/шум+помехи независимо от их отношения на входе предлагаемого устройства.

Целью настоящего изобретения являет- ся повышение отношения сигнал/шум+по- мехи, независимо от их отношения на входе, путем компенсации шума и помех в те моменты времени, в которых мгновенные частоты (производные фазы) шума и помех отличаются от частоты сигнала. Исключение в отдельных случаях (при AM) необходимости синхронизации.

Использование изобретения позволит получить положительный эффект по повы- шению отношения сигнал/шум-t помехи на 10-20 дБ в радиолиниях передачи данных, систем управления и связи. При этом станет возможным снизить не только собственные шумы приемников (усилителей), но и шумы антенные (Земли) и трактов передачи сигналов. Положительный эффект получат в тех устройствах, в которых допускается задержка сигнала его обработки на 50-100 Т (где Т - элемент (посылка) сигнала).

Положительным является также и то, что при реализации изобретения в линиях передачи сигналов с AM не требуется устройства синхронизации ни по фазе несущей частоты, ни по тактовой частоте. В этом слу- чае достаточно того, чтобы длительность вырезки была бы кратна периоду частоты сигнала.

Сущность, отличительные признаки и новизна изобретения состоят в том, что в каждый канал фильтрации введены полосовой усилитель 6, фазокорректирующая цепь 7, вычитающий блок 8 и блок автоматического регулирования усиления 11, включенные последовательно между выходом суммато- ра и информационным входом выходного ключа, а также детектор огибающей 9 и ограничитель 10, включенные последовательно между выходом фазокорректирующей цепи и управляющим входом блока автома- тического регулирования, причем выход полосового фильтра соединен с другим входом вычитающего блока.

На чертеже изображена функциональ- пая схема предлагаемого устройства. ,

Полосовой коммутируемый фильтр включает входной усилитель 1, N входных ключей 2, N блоков линии задержек 3, N сумматоров 4, N полосовых фильтров 5, N

полосовых усилителей 6, N фазокорректиру- ющих цепей 7, N вычитающих устройств 8, N детекторов огибающей 9. N ограничителей 10, N каскадов АРУ 11, N выходных ключей 12, сумматор 13. импульсный генератор 14 и распределитель импульсов 15.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами (фиг.1). В каждую из N ветвей с помощью входных ключей 2 поступает одна вырезка длительностью Т с периодом NT. Каждая вырезка в одном из блоков линий задержки удлинится в N раз, при этом вырезка (элемент) сигнал удлинится когерентно (без разрыва фазы) в N раз, ибо частота его известна ti;c (она постоянна), а длительность импульсов управления входными ключами равна

Т Р

2л

0)с

Шум и помехи этой вырезки преобразуются в последовательность N вырезок с разрывом фазы. Фильтр 5 настроен на частоту сигнала о с, а фильтр усилителя 6 настроен на частоту WP2, отличную от о с, но очень близкую по величине. При подаче удлиненного сигнала (гармоническое колебание длительностью NT) и пачки последовательности вырезок шума на фильтр 5, на выходе его получат сигнал и сумму реакций фильтра на воздействие N вырезок шума и помех. При этом частота реакций будет равна частоте настройки фильтра 5, то есть частоте сигнала при сохранении фазы воздействия. При.подаче этого же удлиненного сигнала и пачки вырезок шума и помех на фильтр 6, на егс выходе получат только сумму реакций воздействие N вырезок шума и помех. При этом частота реакций будет равна О)Р2 при сохранении фазы воздействий. Сигнала на выходе фильтра 6 не будет при соответствующей добротности фильтра 6. Таким образом получат две смеси. В одной смеси имеется сигнал+ шум (помехи) на частоте У в другой - только шум (помеха) на частоте (Ор2. Так как фазы у шума и помех в. двух смесях одинаковые, то при вычитании в вычитающем устройстве 8 при шс -о Р2 в момент NT можно получить ослабление шума и помех. Затем в момент (N-1)T t NT с помощью выходного ключа 12 выделят элемент сигнала, очищенного от помех. То же самое будет происходить последовательно в других ветвях циклически с периодом NT.

Фазокорректирующая цепь 7 и усилитель б необходимы для подстройки уровня и фазы для получения максимального ослабления шума и помех.

В те моменты времени когда мгновенная частота шума в вырезке равна частоте сигнала, то он будет принят в этом тракте как сигнал, и в этом случае ослабления шума не произойдет. Для того чтобы вырезка сигнала, подавленная шумом, не проходила в сумматор 13, имеется цепь АРУ, которое отклоняет этот тракт при отсутствии напряжения шума на выходе цепи компенсации (на выходе фазокорректирующей цепи 7). Если напряжение шума на выходе этой цепи компенсации есть, то выпрямленное в 9 и ограниченное в 10 положительное напряжение шума управляет АРУ так, что его коэффициент передачи равен единице. Если же напряжение на частоте равно нулю, то коэффициент передачи равен нулю.

Таким образом, на выходе сумматора 13 устройства сигнал будет иметь просечки (временные обрезки длительностью Т. напряжение которых равно нулю), которые указывают, что в эти временные обрезки сигнал поражен помехой. Это обстоятельство позволит обеспечить параллельный прием нескольких копий сигнал+шум (если шум независимый в этих копиях) для устранения этих просечек, при этом управление трактов (взвешивание) этих копий сигнала+шум не потребуется.

Отметим, что уровень компенсации шума (помех) будет тем выше, чем меньше длительность вырезок смеси сигнала и помех, но не меньше величины

Т .--ш

2л шс

где л (t ) { 1 при 0 t Т

О при t Т(2)

5 В (2) сигнал удлинился без разрыва фазы, так как выбираем

Т

vZjr

(Ос

(3)

При подаче пачки вырезок (2) на полосовой фильтр первой ветви устройства (5), на выходе его получим

15

i

.T.-«t.,«1 U,.,.U,Јo.Kfe,)(l-«4),(l.H|,

.(1 «и. ,,1.B.|.ЈlF(i-ilT|« i r:. ( .,T.,,.,p,Veos{u)rit. 0)lJMT tQ

F(t|.f f 1-Г

I 0 ,r t.т

$

o)p шс,Гк резонансная частота и постоянная времени полосового фильтра (5),

р arctg Дсогк 1 ,

Да oi0 -copi, 1

А

Vi +(Д(ыпс i)z в формуле (4) для сигнала

До 0, 0, А 1

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в усилителях радиочастоты и приемниках, осуществляющих усиление (прием) аналоговых и дискретных сигналов, имеющих постоянную мгновенную частоту. Изобретение позволяет в полосовом коммутируемом фильтре (прототипе) скомпенсировать возникающие в нем свободные (паразитные) колебания от действия помех и тем самым повысить уровень подавления помех, а также отключить каналы фильтрации, в которых не происходит компенсация свободных колебаний. Для этого в каждый из N каналов фильтра Г ции введены последовательно соединенные полосовой усилитель 6 и фазокорректирую- щая цепь 7, вычитающий блок 8, последовательно соединенные детектор огибающей 9 и ограничитель 10, блок 11 автоматического регулирования усиления, причем вход полосового усилителя 6 соединен с входом полосового фильтра 5, выход которого соединен с первым входом вычитающего блока 8, выход фазокорректирующей цепи 7 соединен параллельно с вторым входом вычитающего блока 8 и входом детектора огибающей 9, при этом выход вычитающего блока 8 подключен к входу блока 11 автоматического регулирования усиления, выход которого соединен с входом выходного ключа 12. а выход ограничителя 10 соединен с входом управления блока 11 автоматического регулирования усиления. Кроме того , полосовой коммутируемый фильтр содержит входной усилитель 1, в каждом канале фильтрации входной ключ 2, N линий задержки 3 (где i ОN), сумматор 4 и выходной ключ 12. а также выходной сумматор 13, распределитель импульсов 15 и импульсный генератор 14. 1 ил. ВгА -о Ј 00 ю OJ ш-А GJ СО

В этом случае на интервале Т огибающие сигнала и шума (помех) и фаза шума (помех) можно считать постоянными.

Покажем возможность компенсации шума (помех) в предлагаемом устройстве, используя для этого теорию воздействия сигналов на колебательный контур (фильтр).

Пусть на первый блок линий задержек 3 подана вырезка активной смеси сигнала и помехи длительностью Т

Uccos( +0c)+Uncos( +0n) О t Т(1 )

Тогда с выхода сумматора 4 этого блока линий задержки получим пачку вырезок

N -1 UcCOS (Wct +0С ) + U пЈ ЛХ

к 0

х (t - кт )(t - кТ) +0П.

Из формулы (4) видно,что при ( A w г 1 ) 2 1 , А 1 пачка вырезок помех (второе слагаемое) в полосовом фильтре (5) ослабевается и может быть полностью отфильтрована при соответствующем выборе

т«1Этого нельзя сказать про сумму свободных колебаний (четвертое слагаемое формулы (4)).

Слагаемые в (4) с коэффициентом

е с в дальнейшем учитывать не будем,

ибо для получения неискаженного сигнала при t NT выберем г KI таким, чтобы

55

-ЈЪ

, Vk,

«0.

Таким образом, на выходе полосового фильтра получим

С,,С..(4, Pl-4Pn2-f ,Л7(ГК1)2 -Л,

1M«,.l.cT-v.,e.beeeM i.4i)

и 1 +( + АШс)2Гк2 -(Дш + )Гк2

Рассмотрим теперь результат воздейст-5 , „ч

вия той же пачки вырезок (2) на полосовой усилитель (6), имеющий в качестве резонамсной контур настроенный не на частоту ш е,Д ш Д w с, то у, П2 arctg Д а г К2 (9 )

а на ШР2 . Повторяя те же выкладки, z a : v /

что и при получении формулы (4) получим на Ювыполнения условия у, введена

выходе полосового усилителя (6)v-, / 1ч

фазокорректирующая цепь 7(фиг.1).

Умножим выходное напряжение U Выхп2

IW-D.. ,0 . г , , -F-. (7) на величину

jnCvSHi -W -v..--... ,„л,

и„.I jЈ-t

.u-i,o.;4os(S,,)(10)

ZlU-n1« Ј гдеДГк Гк2-Тк1

kilLeo5l i -) u..e,.(t-k,.l,.t.en5} D«unr, то есть выберем коэффициент усиления по20 лосового усилителя б равен (10) и вычтем

полученное напряжение (7) из напряжения.

где р с2 arctg ( ш с - (о Р2 ) arctg Д а) с г К2 :полученного на выходе полосового фильтра

(формула (5)) в вычитающем устройстве 8. р П2 arctg ( ш о - ш Р2 ) Учитывая (8) и (9), получим на его выходе

О

arctg ( Aw + )тК2 ..,,.,-C.(« 4tgrti-Hi;(«(.

л.Аг,

о) Р2 и г к2 -резонансная частота и по- - (.,- (

стоянная времени полосового усилителя.30 ,li- l-- enl.-Ц- .

Из формулы (6) оидно, что сигнал такш же, как и помехи, ослабляется и если выбратьПреобразуем в (10) выражение заклю- -Ј-. ценное в фигурные скобки. После преобра- е 1 , Да)с7к2 1 .35 зования получим выражение (11) в ином

виде

(Дш + Ашс)Гк2 1 .

qi,,S«l

то сигнал и помехи (первое слагаемое в фи-uccosl(o.iioc))e

гурных скобах) могут быть ослаблены до за-40 i

данной малой величины. Тогда в формуле (6).б-.((

останутся только члены под суммой

и р и. «. .улТак как нас интересует вопрос компенсации

ло - Hru7lS fZf( (.o.i.4tI,.. f 45 шума (помех), расстройка мгновенных час- costufi(i-n)-4.,e.j .тот которых может достигать нуля Аго- О,

то выражение

«. .il, т

Сравнивая (5) с (7) видно, что свободныеtur,,-ip.Tt.. cTj- d$

колебания на выходах фильтра 5 и усилителя 502 т

6 отличаются постоянной времени фильтровПри больше или До)- 0 свобод( т к , т к2), резонансными частотами ( 0Р1И ные колебания будут по уровню меньше. ) и фазами ( р 1 и /) „2).поэтому выражение (13) будем считать спраЗаметим, что если..ведливым для всех значений Aw .

55 Определим

(Аш + Ашс).тр. ш ы Aa,c() в зависи.

pi

мости от К. при t NT, те на выходе ключа 12. из выражения

(N-K)-wpNT

0, например е

Sin

( N-1

(N -K)V2;r-AftJc(N -К)Т-КУ2Я 5Гк1 Т3.5

-

-S.n )2..(15)

fljpl2

Для этого будем считать

Acuc (Ы-К)у2я 2;rq Wpi2

гдед такое, чтобы выполнялосьусловие(15), тогда

2 q (N -K)v

Рассмотрим значение

N-100; q-0,01; v- 1.

Таким образом, чтобы обеспечить уело-Подставим значение (13), (16) и (18) в

вие (15)для всех К, необходимо ДсУс выби- (12), получим окончательное значение оги- рать при К 1. В этом случае амплитуда бающей свободных колебаний выражения свободных колебаний формулы (12) преоб- 30 (12) разуется и станет

1 2Т Sin2JTq 2Sin27Tq( 19)

N -1

IjMr

KI

2 F ( N - KT ) e К 1

Определим значение

2ядТ

7x1

Гк1

35

По этой формуле мы получим наименьшее значение компенсации свободных колебаний, так как выполним жесткие условия (13) и (16). Реально эта компенсация будет 4® больше.

N -1.(N-klT

S F(N-KT)e CKI к 1

(npMt NT) Так как

к 1

N - 1-1ЭП N - 1 Л

2 F(N-KT)

Т

Ј57

(N-ljT

+ ... +е

N - 1 КТ

(здесь учтено, что сумма X е м есть 55

к 1где

геометрическая прогрессия), то при выбранных значениях

Так

23133

.(NJH

10

0, например е

(MI

( N-1

5Гк1 Т3.5

0,03, откуда

()

10

N 10,

Ти

« 1 и е tkl - 1 .

5

значение QMI

I -e

-К)

гм

I -е

-

1-е -7,

«к,

(18)

Это доказать легко, если учесть, что

20

ГК1

- е

-«i

999,5 при - 1000 .

2Т

Гк1

35

По этой формуле мы получим наименьшее значение компенсации свободных колебаний, так как выполним жесткие условия (13) и (16). Реально эта компенсация будет больше.

Рассмотрим пример. Пусть полоса входного усилителя полосового коммутируемого фильтра выбрана для усиления дискретного сигнала, посылка которого равна Т0. Амплитудно-частотная характеристика такого усилителя равна

50 к(ю)

Ктах

vi+(AwrK)2

Ктах

vn-(

Й Шо

2я

То х

---) удлиТак как элемент посылки (Т

нился в N раз (17), то полоса полосового

фильтра 5 для фильтрации удлиненного элемента сигнала должна быть

-А.ГиГк1 Гк.Ј (20)

Тогда характеристика полосового фильтра 5 будет равна

Ki(«)

к,

VTK

Дш TKN ЈГ

v

Таким образом, для получения дополни- тельной фильтрации шума и помех по сравнению с входным усилителем надо увеличивать N.

Выберем

При выбранных значениях N 100 и v 5

ГК2 Гк1 -200,

Следовательно, в формуле (6) сигнал и помеха ослабляются в уьпд Раз и останутся только свободные колебания.

Компенсацию свободных колебаний определяет формула (19).

Если потребовать снизить их уровень на. 20 дБ (10 раз по напряжению), то из (19)

q

2jr

2sin2 jrq 0.1;sin2 л q 0,05:2 л .05; 0,0535

Подставим значение q в (16) и определим резонансную частоту полосового усилителя

До) с

р1

Nv

при v 5

или

««- Тогда

ft)Pi Ч-Лшс (1+2-10 ).

Отметим,что если в вырезке смеси сигнала действует не одна, а несколько аддитивных помех, то они и возникающие от них свобод- ные паразитные колебания будут ослаблены и компенсированы так же, как это показано для одной помехи. Вэжночтобы их расстройка была не меньше расчетной.

10

20

R

°

0

5

0

5

0

5

Таким образом показано, что техническое решение путем введения полосового усилителя, фазовращателя (для компенсации разности фаз р 1 - р П2) и вычитающего устройства, в соответствии с целью изобретения обеспечивает компенсацию свободных колебаний на требуемую величину в вырезках, получаемых на выходе выходного ключа.

В тех отрезках смеси сигнала и только шума длительностью Т, ь которых мгновенная частота узкополосного шума равна частоте сигнала, напряжения шума в цепи компенсации (6,7 фиг.7) не будет. В этом случае сигнал и шум выделяются на выходе фильтра 5 и компенсации шума в вычитающем устройстве не произойдет. Для того, чтобы отключить тракт устройства, в котором шум не компенсируется, в устройстве имеется тракт дискретного АРУ. Алгоритм работы этого тракта состоит в том, что каскад АРУ имеет коэффициент усиления равным единице, когда на выходе ограничителя имеется напряжение Uorp., и имеет коэффициент усиления равным нулю, если напряжение на выходе ограничителя равно нулю (Uorp. 0).

Введение тракта дискретного АРУ позволяет отключать тракты устройства, в которых не компенсируются шумы. В итоге получают сигнал с просечками, что ухудшает достоверность приема сигнала. Просечек будет тем меньше чем больше N. Наличие в сигнале просечек, а не сигнала, пораженного шумом в этих отрезках времени, позволит при необходимости повысить достоверность приема сигнала известными методами.

Реализация изобретения выполнима при применении его для целей снижения шума и помех в устройствах независимо от диапазона частот, ибо применяемые радиоэлементы и устройства в изобретении серийно выпускаются.

Использование изобретения позволит получить большой экономический эффект, особенно в тех системах и устройствах, в которых известными методами снизить уровень шумов и помех до требуемой величины не представляется возможным. В частности, применение изобретения в приемниках радиолиний сделает возможным снизить не только шум приемников, но и шумы антенны (земли) и трактов канализации сигнала.

Выигрыш в подавлении шума и помех зависит от степени удлинения элементов сигнала в устройстве и реально может быть достигнут в 10-20 дБ.

Положительным является также и то. что при реализации изобретения не требуется устройства синхронизации по фазе ни по высокой частоте ни по тактам. Достаточно того, чтобы длительность вырезок была бы кратна периоду мгновенной частоты сигнала, то есть

г

у2я шс

Формула изобретения Полосовой коммутируемый фильтр, содержащий входной усилитель, вход которого является входом полосового коммутируемого фильтра, N каналов фильтрации, включенных между выходом входного усилителя и соответствующими входами выходного сумматора, выход которого является выходом полосового коммутируемого фильтра, причем каждый канал фильтрации содержит входной ключ, информационный вход которого является входом канала фильтрации, а выход подключен к i-y входу сумматора через 1-й блок линии задержки (где I 0N),

выход сумматора подключен к входу полосового фильтра, а также выходной ключ, выход которого является выходом канала фильтрации, при этом управляющие входы входного и выходного ключей N каналов фильтрации подключены к соответствующим выходам распределителя импульсов, вход которого соединен с выходом импульсного генератора, отличающ и и с я тем, что, с целью повышения отношения сигнал/шум, в каждый канал фильтрации введены пол ОСОБОЙ усилитель, фазокорректиру- ющая цепь, вычитающий блок и блок автоматического регулирования усиления, включенные

последовательно между выходом сумматора и

информационными входом выходного ключа, а

также детектор огибающей и ограничитель.

включенные последовательно между выходом

фазокорректирующей цепи и управляющим

входом блока автоматического регулирования усиления, причем выход полосового фильтра соединен с другим входом вычитающего блока.