Способы расширения динамического диапазона приемных устройств

 

При работе в помехах нередки случаи, когда отношение удвоенной энергии принятого сигнала к спектральной плотности помехи 2Э_пр/(N_о+N_п) заметно больше единицы, а цель на фоне такой помехи не обнаруживается. Причиной этого является ограниченный динамический диапазон приемно-индикаторного тракта.

Рис.4.6

На рис.4.6 изображена амплитудная характеристика приемного устройства, представляющая собой зависимость амплитуды сигнала на выходе приемника (или приемно-индикаторного тракта) от амплитуды входного сигнала.

При малых входных сигналах амплитудная характеристика имеет линейный характер. При работе на этом участке изменение амплитуды входного сигнала вызывает пропорциональное изменение амплитуды сигнала на выходе приемника (или приращение яркости отметки на экране индикатора). Если же амплитуда сигнала на входе превышает некоторое граничное значение (U_{вх.макс}), то в приемнике наступает ограничение и амплитуда сигнала на выходе остается неизменной при широком диапазоне изменения амплитуды входных сигналов.

Если уровень внешней помехи на входе приемника таков, что обеспечивается работа на линейном участке амплитудной характеристики приемно-индикаторного тракта, а сигнал превышает уровень помехи (рис.4.6б уч.А), то сигнал будет обнаружен на фоне помехи (рис. 4.6в сигн.А). Если же уровень помехи на входе таков, что рабочая точка выходит за пределы линейного участка (рис.4.6б уч.Б) то обнаружение становится невозможным, несмотря на то, что на входе сигнал превышает помеху (рис.4.6в сигн.Б).

Динамический диапазон приемно-индикаторных трактов РЛС, если не приняты меры по его расширению, оказывается небольшим (8...14)дБ, причем для отдельных элементов тракта он имеет следующие значения: УВЧ - 60...70дБ, УПЧ - 20...30дБ, видеоусилитель - 10...20 дБ, ИКО - 8...14дБ, т.е. наименьший динамический диапазон имеют выходные элементы тракта.

Малый динамический диапазон приемно-индикаторного тракта делает практически бесполезным ведение "силовой" борьбы с помехами, так как если в выходных элементах приемного тракта произойдет ограничение на уровне помехи, то сигнал обнаружен не будет, как бы ни была велика его энергия по сравнению со спектральной плотностью помехи.

Расширение динамического диапазона приемных устройств достигают тремя методами:

созданием приемников с логарифмическими амплитудными характеристиками (ЛАХ);

применением в приемниках схем шумовой автоматической регулировки усиления (ШАРУ);

применением ограничения в широкополосном тракте приемника (до оптимального фильтра);

применением в приемниках схем временной и быстродействующей автоматической регулировки усиления. Для получения ЛАХ приемника параллельно колебательным контурам каскадов УПЧ включают нелинейные резисторы, сопротивление которых зависит от амплитуды колебаний в контуре. С возрастанием амплитуды сопротивление резистора, а следовательно, и эквивалентное сопротивление контура уменьшается, что приводит к уменьшению коэффициента усиления каскада. При соответствующем подборе характеристик нелинейных резисторов в каскадах УПЧ можно получить логарифмическую амплитудную характеристику приемника (рис.4.7),что обеспечивает расширение его динамического диапазона.

Эффективной мерой расширения динамического диапазона является также введение автоматической регулировки среднего уровня шума на выходе УПЧ приемника (ШАРУ) (рис.4.8).

Схема ШАРУ представляет собой статическую систему автоматического регулирования коэффициента усиления УПЧ. Продетектированный (детектором ШАРУ) выходной шум УПЧ сглаживается узкополосным фильтром, благодаря чему на выходе фильтра выделяется напряжение, пропорциональное среднему уровню шума. Это напряжение усиливается в УПТ и подается на первые 2...3 каскада УПЧ для регулировки их коэффициента усиления. Чем больше уровень помехи на выходе УПЧ, тем больше величина регулируемого напряжения на выходе схемы ШАРУ и тем меньше коэффициент усиления УПЧ. Чтобы реагировать на изменения уровня помехи, которые возникают, прежде всего, вследствие ведения обзора пространства, схема ШАРУ должна быть достаточно быстродействующей, что обеспечивается выбором постоянной времени сглаживающего фильтра. Быстродействие, однако, не должно быть очень высоким, чтобы схема не срабатывала по полезному сигналу и не ухудшала отношение сигнал-помеха.

Динамический диапазон приемно-индикаторного тракта при введении схемы ШАРУ или применении УПЧ с ЛАХ расширяется до 50...60дБ.

Нужно иметь в виду, что применение схемы ШАРУ и УПЧ с ЛАХ не приводит к улучшению отношения сигнал-помеха. Положительный эффект этих схем состоит в том, что они стабилизируют шумовую помеху на выходе УПЧ на уровне, значительно меньшем уровня ограничения в последующих элементах приемно-индикаторного тракта, и тем самым способствуют обнаружению сигнала в том случае, когда отношение сигнал - помеха больше единицы (2Э_пр/(N_о+N_п) > 1). Если отношение сигнал-помеха меньше единицы, то обнаружение сигнала не произойдет и в приемниках с широким динамическим диапазоном. Полезность рассмотренных схем в этом случае состоит в том, что они, стабилизируя интенсивность помехи на выходе приемника на уровне собственных шумов, предотвращают засвет экрана индикатора и тем самым способствуют обнаружению оператором целей, находящихся вне секторов интенсивного воздействия помехи.

Отличие между приемниками с ЛАХ и с ШАРУ заключается в следующем. Схема ШАРУ, постоянную времени которой выбирают равной t_шару =(10...20)×t_и, не реагирует на полезные сигналы и отдельные выбросы помехи, благодаря чему обеспечивается линейная обработка сигналов (полезные сигналы не ограничиваются, структура помехи в установившемся режиме не изменяется). Но вследствие инерционности схемы ШАРУ изменение коэффициента усиления приемника происходит с некоторым запаздыванием относительно моментов изменения интенсивности помехи на входе приемника. В результате, если например, уровень помехи на входе быстро возрастает, то вследствие того, что коэффициент усиления приемника еще в течение некоторого времени (t_шару) будет оставаться прежним, возрастает уровень помехи и на выходе приемника. На экране индикатора появляется кратковременный засвет (передняя кромка помехи). Если же, наоборот, уровень помехи на входе резко уменьшится, то на экране появится темное пятно. Приемник с ЛАХ на изменения интенсивности помехи реагирует практически мгновенно и указанных явлений на экране индикатора наблюдаться не будет. Однако он реагирует и на отдельные выбросы помехи, из-за чего обработка сигналов становится нелинейной (структура помехи нарушается, сигнал частично ограничивается).

Необходимо отметить, что ограничение в приемнике приведет к полной потере полезного сигнала (рис.4.6б уч. Б) только в том случае, когда оно возникает в тракте оптимальной фильтрации или в следующих за ним трактах (видеоусилитель, индикатор), поскольку после оптимального фильтра единственным отличием сигнала от выбросов помехи являются амплитудные значения, и из-за ограничения они могут быть потеряны. Если же ограничение имеет место до оптимального фильтра (в УВЧ, широкополосном УПЧ), то полной потери полезного сигнала не происходит. В этом случае при ограничении также теряются амплитудные различия между сигналом и помехой, но сохраняются фазовые различия (различия в тонкой структуре сигнала и помехи), на основе использования которых оп-тимальный фильтр, стоящий после ограничителя, может выделить сигнал из помехи. Поэтому ограничение в широкополосном тракте иногда применяют для сжатия динамического диапазона помехи до динамического диапазона оптимального фильтра и последующих элементов приемника.

Примером реализации такого метода расширения динамического диапазона приемника (точнее сжатия динамического диапазона помехи) являются схема ШОУ (широкополосный усилитель - ограничитель -узкополосный усилитель) в РЛС с длинными простыми импульсами (рис.4.9). Ограничение помехи обеспечивает стабилизацию интенсивности помехи на таком уровне, чтобы не происходило ограничения в последующих элементах приемника, где ограничение уже недопустимо.

В схеме ШОУ узкополосный фильтр является оптимальным (квазиоптимальным) фильтром для простого импульса, т.е. ширина его полосы пропускания выбирается из условия Df_узк = 1/t_и.

Ширина же полосы пропускания широкополосного УПЧ выбирается в 50...100 раз больше: Df_шупч=(50...100)Df_узк.

В результате на выходе широкополосного УПЧ и ограничителя средняя длительность шумовых выбросов t_ш=1/Df_шупч в (50...100) раз меньше длительности полезного сигнала. Шумовые выбросы воздействуют на узкополосный фильтр короткое время, и их амплитуда на выходе фильтра оказывается небольшой. За время же длительности полезного сигнала его амплитуда на выходе узкополосного фильтра достигает большей величины. В результате полезный сигнал на выходе фильтра может быть выделен из шумовой помехи, хотя на входе фильтра амплитуда полезного сигнала и выбросов помехи из-за жесткого ограничения может быть одинаковой.

Конечно, ограничение приводит к некоторому ухудшению отношения сигнал-шум, однако при этом достаточно простым способом стабилизируется уровень помехи на выходе и предотвращается полная потеря сигнала, которая могла бы иметь место из-за возможного ограничения в последующих цепях приемника.

Повышение динамического диапазона линейного УПЧ приемника при воздействии помех может быть достигнуто регулировками усиления. Временная автоматическая регулировка усиления (ВАРУ) служит для уменьшения усиления приемника в начале дистанции. Это позволяет устранить перегрузку приемника от эхо-сигналов целей и местных предметов на начальном участке дальности. В результате действия ВАРУ достигается независимость уровня усиленных эхо-сигналов от дальности, что позволяет по уровню сигнала на индикаторе оценивать эффективную поверхность рассеяния целей, уменьшает вероятность приема эхо-сигналов по боковым лепесткам диаграммы направленности антенны. Кроме того, устраняются нелинейные искажения, ухудшающие подавление пассивных помех в системах СДЦ.

Для правильной работы схемы ВАРУ необходимо синхронно с запуском РЛС создать управляющее напряжение ,изменяющее коэффициент усиления УПЧ по закону, компенсирующему изменение уровня эхо-сигналов в зависимости от дальности. Такое напряжение имеет форму логарифмической характеристики

 

U_вару(t) »

 

где Ко - коэффициент усиления УПЧ при U_вару = О;

n_в - число каскадов, охваченных ВАРУ.

Имеется ряд схем, позволяющих получить напряжение вида (4.1) с регулируемыми параметрами уровня, постоянной времени и задержки напряжения ВАРУ (рис.4.10).

Обычно ВАРУ охватывается второй каскад УПЧ. Быстродействующая автоматическая регулировка усиления (БАРУ) применяется для устранения перегрузки приемника от импульсных помех большой амплитуды и длительности. Схема БАРУ является замкнутой системой и состоит из детектора БАРУ, усилителя и интегрирующей цепи (рис.4.11). Входным сигналом БАРУ является импульсный сигнал помехи, по которому схема вырабатывает управляющее импульсное напряжение, уменьшающее коэффициент усиления данного каскада УПЧ. Интегрирующая цепь предотвращает срабатывание схемы по кратковременным эхо-сигналам большой амплитуды. Для достаточной эффективности БАРУ охватываются два-три каскада УПЧ. БАРУ охватываются, как правило, средние каскады линейки УПЧ.