Проектирование судового радиоприёмного устройства (стр. 5 из 7)
Перед детектированием импульсы, принимаемые РЛ приемным устройством, согласно структурной схеме, проходят фильтровую обработку. Фо - представляет собой согласованный фильтр. Фильтр Фв - весовой сумматор на скользящем интервале.
Рис.6.Весовой сумматор на скользящем интервале.
Проектирование структурной схемы информационного тракта
Важнейшей составной частью оптимального приемника являются оптимальные линейные фильтры, наиболее характерными из которых являются фильтры, создающие на своем выходе максимальное отношение сигнал-шум, и фильтры, обеспечивающие минимальную средне-квадратическую ошибку в воспроизведении сигнала. К первым относятся так называемые согласованные (с сигналом) фильтры, у которых частотная характеристика совпадает со спектром сигнала (точнее — является комплексно-сопряженной, с ним): K(jω)=aS*(jω)exp(-jωt0), где а - постоянный коэффициент; S (jω) - спектр сигнала; t0 - временной сдвиг (от начала сигнала). Такой фильтр обеспечивает максимальное отношение пикового значения напряжения сигнала в момент t0 к среднеквадратическому значению напряжения шума:
(2.18)где Q — энергия сигнала на входе фильтра; N0 — спектральная плотность входного шума.
Импульсная - характеристика фильтра, согласованного с сигналом uc(t), равна η(t)=auc(tc-t), т.е. представляет собой зеркальное отображение сигнала.
Согласованные фильтры физически реализуемы не для всех сигналов, в частности необходимо, чтобы сигнал был конечной длительности.
Обычно выбирают t0=tи (условно считается, что ноль времени соответствует началу сигнала).
При практическом использовании согласованного фильтра (СФ) на его выходе обычно ставится схема взятия отсчета (СВО), работающая от схемы синхронизации СС и фиксирующая напряжение сигнала в момент А, (рис. 2.5). Наиболее просто выполняется согласованный фильтр для одиночного прямоугольного импульса напряжения (например телеграфной посылки, рис. 2.6, а). Он состоит из интегратора входного напряжения с передаточной функцией a/jω (a - постоянный коэффициент), устройства задержки с передаточной функцией exp(-jωt0) и сумматора сигналов. Аналогично выглядит структурная схема согласованного фильтра для радиоимпульса с несущей частотой ωc и прямоугольной огибающей. Но в отличие от фильтра для одиночного импульса здесь должен быть применен интегратор огибающей входного сигнала с передаточной функцией a/j(ω - ωc).
Разновидностью оптимального фильтра первого типа является коррелятор, состоящий из перемножителя входного сигнала на его копию, генератора копии ГК и интегратора (рис.7). На рис.7 дополнительно показаны цепь синхронизации и схема взятия отсчета. Синхронизация нужна для того, чтобы включать генератор копии ГК точно в момент прихода сигнала, а в момент t0 произвести отсчет напряжения на выходе интегратора (после чего генератор должен быть возвращен в начальное нулевое состояние).
Несмотря на сходство конечных результатов, коррелятор и согласованный фильтр имеют много отличий. Согласованные фильтры являются пассивными системами, не критичными к фазе и задержке входного сигнала. В то же время они могут быть чувствительными даже я небольшим различиям между моментом взятия - отсчета выходного напряжения и моментом, когда это напряжение достигает максимума (рис. 2.8). Корреляторы являются активной системой. Они менее критичны к нестабильности момента взятия отсчета, но весьма чувствительны к рассогласованию между фазами принимаемого сигнала и копии.
Можно показать, что на выходе согласованного фильтра формируется сигнал, соответствующий (с точностью до постоянного множителя) зеркальному отображению относительно точки t0 корреляционной функции входного сигнала. На выходе коррелятора формируется постоянное напряжение, нарастающее от нуля до максимального значения в момент окончания вводного сигнала (рис. 2.8, в). Это значение соответствует, конкретной точке взаимной корреляционной функции входного сигнала и опорного сигнала, используемого в качестве копии, и определяется задержкой входного сигнала относительно копии, а также его фазой.
Коррелятор обладает "памятью", т. е. после окончания входного сигнала выходной сигнал сохраняется как угодно долго, и перед приходом следующего входного сигнала необходимо возвратить интегратор в начальное нулевое состояние. Таким образом выходные сигналы согласованного фильтра и коррелятора совпадают только в момент t0.
Есть еще одно важное отличие - для перехода на работу с другим сигналом в оптимальном фильтре надо изменить его схему. В корреляторе, по крайней мере принципиально, для этого достаточно сменить только копию сигнала.
Из-за чувствительности выходного напряжения обычного согласованного фильтра или коррелятора к моменту взятия отсчета или фазе входного сигнала эти устройства не могут использоваться для сигнала c неизвестной фазой.
Рис.7 Схемы фильтров, нечувствительных к фазе сигнала, с использованием двух корреляторов (a) и амплитудного детектора (б)
Оптимальный фильтр, не чувствительный к фазе сигнала, состоит из двух корреляторов, на перемножители которых от генератора подаются квадратурные (сдвинутые на 90°) копии входного сигнала, схем возведения в квадрат и сумматора (рис. 7, а). Если частота высокочастотного заполнения, входного радиоимпульса достаточно велика по сравнению с длительностью импульса, можно применить более простую для аналогового исполнения схему, состоящую из фильтра, согласованного с сигналом, и амплитудного детектора (рис. 7, б).
При обработке сигналов эффективным средством решения ряда задач является представление сигнала в комплексной форме (квадратурная обработка сигнала). При частотном преобразовании (перемножении с опорным комплексным сигналом) частота комплексного сигнала смещается без образования паразитной суммарной или разностной составляющей спектра. При переносе частоты несущего колебания комплексного сигнала в ноль образуется так называемая комплексная огибающая, сохраняющая всю информацию о фазе и амплитуде исходного модулирующего сигнала. Это позволяет производить обработку сигнала на наинизшей частоте непосредственно по огибающей с исключением несущей частоты. При квадратурной обработке увеличивается аппаратурная сложность прибора, так как появляются два канала обработки - для синусоидальной и косинусоидальной составляющих сигнала. Эти каналы должны обладать высокой идентичностью характеристик, поэтому квадратурная обработка чаще всего используется в цифровых РПУ.
Для формирования комплексного сигнала чаще всего используется схема на рис. 8, а, которая при наличии генератора, настроенного на несущую частоту сигнала, выделяет комплексную огибающую. Фильтр на выходе каждого из преобразователей частоты пропускает колебания с разностной частотой и подавляет суммарную паразитную частоту спектра.
Комплексный сигнал, образованный из вещественного входного сигнала
Uвх(t)=U(t)·cos[ωct+φ(t)] имеет на выходе формирователя с опорными частотами sinωt0 и cos ωt0 следующий вид (коэффициент преобразования принимаем равным единице):
Uвых(t)=Uc+jUc=U(t){cos[(ω0 – ω0)t+φ(t)]+j·sіn[(ω0 – ω0)t+φ(t)]},
где косинусоидальная и синусоидальная составляющие сигнала присутствуют каждая на своем выходе формирователя (рис.8, а).
Рис. 8. Функциональные схемы оптимального фильтра комплексного сигнала на основе согласованных фильтров (а) и корреляторов (б)
Схема на рис.8, б проще, но в ней необходим широкополосный фазовращатель при широкой полосе спектра сигнала. Составляющие комплексного сигнала на выходе схемы
В согласованном фильтре комплексного сигнала используются четыре фильтра действительного сигнала (рис.8, а) СФc и СФs, согласованные соответственно с квадратурными составляющими входного сигнала Uс вх и Us вх. Фильтр на рис.8, а дополнен квадратурным устройством выделения модуля огибающей. Аналогично можно построить оптимальный фильтр на основе корреляторов (рис.8, б), если использовать квадратурный генератор копии сигнала ГК. В зависимости от назначения или удобства выполнения практические схемы оптимальных фильтров могут несколько видоизменяться.
В ряде случаев удобной оказывается корреляционно-фильтровая схема оптимального фильтра, представляющая комбинацию коррелятора и согласованного фильтра. Так, в схеме оптимального фильтра для радиоимпульса (рис.7) генератор копии может быть заменен генератором непрерывных синусоидальных колебаний, синхронизированным схемой синхронизации с несущей входного сигнала. Сигнал на выходе перемножителя фильтра представляет собой огибающую радиоимпульса, который может уже фильтроваться фильтром, согласованным с импульсом напряжения (например, интегратором, также изображенным на рис.7).