Глава 12

РАДИОПРИЕМНЫЕ УСТРОЙСТВА ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ

§ 12.1. Структурные схемы радиоприемников импульсных сигналов

Ввиду многообразия радиоприемников импульсных сигналов ограничимся рассмотрением некоторых оптимальных структур, применяемых в системах обнаружения и измерения параметров сигналов. Как было показано в гл. 11, алгоритмы построения оптимальных приемников определяются типом применяемого сигнала, априорными данными о параметрах сигнала и шума, назначением приемников.

Рассмотрим сначала варианты структур приемников обнаружения простого импульсного сигнала со случайной начальной фазой. Под простым импульсным сигналом понимают одиночный высокочастотный импульс напряжения ограниченной длительности. Такой сигнал применяется в импульсной РЛС, производящей обнаружение сигнала и измерение его

Рис. 12.1

параметров, и в других системах, в которых используется информация, заложенная в изменениях параметров сигнала.

Оптимальный приемник простого импульсного сигнала состоит из двух основных частей; широкополосной линейной части (ШЛЧП) и оптимального обнаружителя или измерителя (ОИ) (рис. 12.1). В широкополосной части линейного тракта производится предварительная фильтрация сигнала и его усиление до уровня, необходимого для качественной работы обнаружителя или измерителя. При этом обычно свойства сигнала и шума не изменяются. Оптимальность приемника реализуется в оптимизации второй части — обнаружителя или измерителя, которая может содержать как линейные, так и нелинейные устройства обработки сигнала.

Алгоритмы построения приемников обнаружения импульсного сигнала со случайной начальной фазой описаны в § 11.2, п. 3, 4; они могут быть реализованы различными схемами[301.

Оптимальный приемник обнаружения известного радиоимпульса со случайной начальной фазой. Оптимальный приемник обнаружения известного радиоимпульса со- случайной начальной фазой, равномерно

распределенной на интервале 14-л, у- л|, имеет структуру, показанную на рис. 12.2, а. Она состоит из согласованного фильтра (СФ), выполняемого обычно на промежуточной частоте, линейного детектора (.ПД), синхронизирующего (СУ) и порогового (ПУ) устройств. Благодаря наличию СФ эта схема называется также фильтровой. Здесь неизвестная начальная фаза принимаемого сигнала исключается за счет применения ЛД. Синхронизирующее устройство служит для фиксации момента окончания сигнала t Т, когда его огибающая сравнивается в ПУ с пороговым напряжением (У_пор. В случае превышения порога принимается решение о присутствии сигнала.

Величину порога выбирают обычно в соответствии с критерием Неймана — Пирсона, при котором фиксируется вероятность ложной тревоги Р

здесь Э —■ энергия сигнала.

Качество обнаружителя определяется рабочей характеристикой, представляющей собой зависимость вероятности правильного обнаружения Р_п.„ от вероятности ложной тревоги Р„ _т при различных значениях отношения q (рис. 12.3):

где 1₀ — функция Бесселя.

При проектировании РЛС задают определенные значения Я„„ и Р_л>т, затем определяют отношение q, порог tV.mp и чувствительность приемника.

Рис. 12.2

Оптимальный корреляционно-фильтровой приемник обнаружения радиоимпульса со случайной начальной фазой. Часто фильтровая схема комбинируется с коррелятором, работающим на высокой частоте, образуя корреляционно-фильтровой приемник обнаружения (рис. 12.2, б). Здесь преобразователь частоты совместно с фильтром высокой частоты (ФВЧ) образует коррелятор. Этот фильтр, время нарастания которого значительно больше длительности сигнала, выполняет роль интегратора. Сигнал на выходе такого фильтра при воздействии на него радиоимпульса с прямоугольной огибающей имеет вид высокочастотного импульса с треугольной огибающей. Далее, как и в схеме рис. 12.2, а, сигнал детекти-

руется и в момент окончания сравнивается с пороговым напряжением.

Оптимальный квадратурный приемник обнаружения радиоимпульса со случайной фазой. Такой приемник (рис. 12.2, в) состоит из двух квадратурных каналов с корреляторами (Кор), на выходах которых установлены квадраторы (Кв). Выходные напряжения квадраторов суммируются, при этом исключается начальная фаза. Остальная часть схемы такая же, как на рис. 12.2, а.

Качество корреляционно-фильтрового и квадратурного обнаружителей такое же, как у обнаружители с СФ. Решение о том, какую из схем обнаружителей выбрать, определяется конструктивными причинами, в частности удобством изготовления.

Отметим, что для качественной работы схемы рис. 12.2. о и в имеет значение обеспечение высокой точности несущей частоты опорного напряжения U_on (/).

Многоканальный приемник импульсного сигнала с согласованными фильтрами. В случае, когда неизвестна несущая частота и начальная фаза принимаемого импульсного сигнала, обнаружитель строят по многоканальной схеме, в которой параллельные СФ, настроенные на различные несущие частоты, перекрывают весь диапазон значений ожидаемых частот (рис. 12.4). Расстройку между фильтрами А/ берут равной 1/Т Г27\ где Т - длительность импульса. Обнаружение сигнала производится по максимальному значению выходного напряжения канала.

Другой вариант многоканального обнаружителя с квадратурными каналами (0_L, 0_г, 0_П) показан на рис. 12.5. Это фрагмент структурной схемы приемопередающей части импульсной РЛС (АП—антенный переключатель). Здесь сетк\ опорных сигналов с частотами (о_оп - со, + (Дсо, i 0,1.....п, создает синтезатор частот (СЧ), который одновременно с гетеродином (Г) приемника участвует в формировании частоты сигнала передатчика (Прд).

В схемах рис. 12.4, 12.5 неопределенность по частоте разрешается применением многоканального устройства, каждый канал которого строится для сигнала известной частоты.

Рассмотрим теперь структурные схемы оптимальных приемников измерения параметров радиоимпульсов (см. § 11.2, п.1) |30).

Оптимальный приемник измерения амплитуды радиоимпульса со случайной начальной фазой. Оптимальный приемник измерения амплитуды -радиоимпульса с (/, а)

аС (/) cos (о/ 9), ()< / < Т со случайной начальной фазой, равномерно распределенной на интервале | 4- л, л |. описывается .соотношения мн

Здесь [₀ и 11 - модифицированные функции Бесселя; и (/) входной

сигнал; а — оценка амплитуды.

При больших отношениях сигнал' шум, когда 2aZ/N„ > 1, приближенная оценка и ее дисперсия соответственно равны: а яг 2Z/a, a* NJcl. В этом случае оптимальный измеритель строят по квадратурной схеме (рис. 12.6). Заметим, что схемы некогерентного измерителя амплитуды и некогерентного обнаружителя отличаются только выходными узлами.

Оптимальный приемник измерения фазы радоимпульса.Оптимальный приемник измерения фазы радиоимпульса, все параметры которого, кроме случайной начальной фазы, известны, описывается соотношениями

Схема приемника, построенного согласно второму уравнению, представляет собой двухканальный коррелятор (рис. 12.7), дополненный

блоком вычисления функции ср = = — arctg U_xIU_t. Другая схема приемника может быть построена по первому из приведенных уравнений.

При большом отношении сигнал/шум оно может быть промоделировано схемой ФАПЧ (см. рис. 10.1). При малой разности фаз принимаемого сигнала ср и сигнала подстраиваемого генератора ср* последняя будет близка к оценке фазы принимаемого сигнала

ср* « ср. Дисперсия этой оценки о²- — = Л,₀/2Э. ⁴

Оптимальный приемник измерения временного запаздывания радиоимпульса. Оптимальный приемник измерения временного запаздывания радиоимпульса с (/—т) с известными параметрами описывается выражением

где т, и т₂ определяют возможный диапазон изменения запаздывания т.

Структурная схема приемника, соответствующая этому алгоритму, приведена на рис. 12.8. Выходное напряжение этой схемы пропорционально отклонению запаздывания сигнала Дт относительно середины интервала (т, - т₂)/2.

Дисперсия оценки запаздывания зависит от формы огибающей радиоимпульса, а также отношения Э/Д/₀: о$ (2ЭВ'²/А/₍₁)-\ где f>² - ширина спектра нормированной огибающей радиоимпульса.

Оптимальный приемник измерения частоты радиоимпульса. Оптимальный приемник измерения частоты радиоимпульса c{t, Q)~C(t) cos l(w₀—Q) f+ф], О < t < Т, все параметры которого, кроме смещения частоты Q, известны, строят по схеме, совпадающей со схемой многоканального обнаружителя (см. рис. 12.4). Применяемые здесь СФ расстраиваются по частоте относительно друг друга на величину Дсо / (2 л) = 1/7 — 2/Т, Дсо С VbT, где о^ — дисперсия оценки частоты. Для радиоимпульса прямоугольной формы о£ = "12/(2Э/Л/₀) Т¹. Число фильтров k определяется диапазоном

изменения частоты k\w &_1П&Х-— Q.niii- Выходные напряжения ка/ налов схемы рис. 12.4 сравниваются между собой и по максимальному напряжению устанавливается номер канала, а следовательно, искомое значение частоты принимаемого сигнала.