Устройства защиты от узкополосных помех

Устройство (УЗ) с коэффициентом передачи (5) обеспечивает подавление узкополосных помех. Оптимизация этого устройства заключается в отыскании структуры и его параметров, при которых удаётся максимально приблизить отношение сигнал/помеха на входе Согласованного фильтра к потенциальному значению

. (7)

В реальных условиях случайна и меняется во времени и по частоте, поэтому и частотная характеристика УЗ должна изменяться в соответствии с изменениями спектральной плотности мощности помехи, то есть приёмник должен приспосабливаться к структуре энергетического спектра помех (быть адаптивным). Априорные сведения о помехе практически всегда отсутствуют, поэтому составной частью УЗ является анализатор спектра (АС).

При наличии на входе приёмника аддитивной смеси сигнала и помехи анализатор спектра не может отделить спектр помехи от спектра сигнала , а вычисляет модуль суммарного спектра. Считается, что спектральная плотность мощности импульсной помехи из – за большой скважности мало влияет на суммарную спектральную плотность, поэтому

. (8)

При замене в (5) на в соответствии с (8) делается переход от оптимального алгоритма к квазиоптимальному, который при значительном превышении мощности помехи над мощностью сигнала близок к оптимальному.

Передаточная функция устройства защиты определяется статистикой сосредоточенных узкополосных помех, совокупность которых может быть записана в виде

. (9)

Каждое из слагаемых в выражении (9) представляет собой случайный процесс, характеризующийся своими функциями распределения или числовыми характеристиками. Обычно распре

всех составляющих предполагается одинаковым исходя из одинаковой природы источников помех. Считают также, что они распределены по нормальному закону, так как это соответствует большинству реальных каналов и значительно упрощает анализ. Часто оказывается достаточно знать распределение помех по частоте и по уровню, при этом распределение по частоте считается равномерным.

На основании этого энергетический спектр помехи в каждом конкретном случае при достаточно широкой полосе частот широкополосного сигнала можно представить отрезком реализации стационарного случайного процесса с нулевым средним значением.

Энергетический спектр сосредоточенных помех представляется в этом случае на оси частот в виде импульсной последовательности. Тогда для мгновенного энергетического спектра -й сосредоточенной помехи в определённый момент времени можно записать

, , (10)

где – нижняя частота спектра -й сосредоточенной помехи;

– случайная величина, определяющая среднюю спектральную плотность мощности -й сосредоточенной помехи в полосе .

Энергетический спектр совокупности сосредоточенных помех в полосе ШПС может быть представлена в виде

; . (11)

Так как форма энергетического спектра помехи представляет собой случайную функцию и заранее неизвестна, то задача практической реализации её выравнивания сводится к построению адаптивного фильтра со случайной характеристикой

. (12)

Если представить адаптивный фильтр в виде набора параллельно включенных узкополосных фильтров с не перекрывающимися частотными характеристиками

, (13)

то форма -го узкополосного фильтра должна определяться формой энергетического спектра помехи (а точнее суммой энергетического спектра сигнала и помехи) в -м частотном интервале

, (14)

где – энергетический спектр мощности сигнала в полосе -го фильтра.

Комплексный коэффициент передачи -го канала устройства защиты запишем в виде

(15)

где – амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) -го канала;

– задержка -го канала; – значение ФЧХ -го канала; – отклонение ФЧХ -го канала от линейной полосы пропускания всех фильтров .

Предположим, что при , то обработка входной смеси сигнала и помех в УЗ заключается в том, что выходной сигнал -го канала суммируется с выходными сигналами остальных каналов с некоторым весом , зависящем от спектральной плотности мощности в -том канале. Следовательно, с учётом (15) комплексный коэффициент передачи УЗ можно представить в виде

. (16)

С учётом (15) и (5) это выражение принимает вид

. (17)

Поскольку каналы УЗ не перекрываются, то АЧХ и ФЧХ УЗ равны сумме АЧХ и ФЧХ отдельных каналов. Для выполнения равенства (17) должны выполняться условия:

, (18)

. (19)

Анализ выражений (18), (19) показывает, что максимум отношения сигнал/помеха на выходе приёмника достигается при выполнении условий:

,

.

, где – суммарная мощность сигнала и помех в -м канале;

– опорный уровень. (20)

Всё это можно представить в виде графика

Рис. 13. Амплитудно-фазовая характеристика УЗ

По способу формирования опорного напряжения различают следующие алгоритмы устройства подавления узкополосных помех:

– ограничение,

– выравнивание,

– режекция,

– оптимальное взвешивание,

– квазиоптимальное взвешивание.

При кажущейся простоте алгоритма (20) им не всегда удаётся воспользоваться на практике, что связано с большим диапазоном уровня помех. Иногда уровень узкополосных помех превышает уровень сигнала на (90 ¸ 100) дБ.

Обеспечить линейность аналоговых устройств, участвующих в формировании опорного уровня с таким динамическим диапазоном, практически невозможно.

Общая спектральная характеристика в полосе анализа искажается, а опорный уровень не соответствует реальной помеховой обстановке. Нами предложен способ формирования порога.

Предположим, что:

– спектральная плотность мощности сигнала равномерна;

– участки спектра, где S спектральных плотностей мощности сигнала и помехи , не поражены узкополосной помехой.

Рис. 14.

Без сложных математических расчётов, а только на основе качественного анализа видно, что алгоритмы ограничения и выравнивания значительно уступают в помехоустойчивости всем остальным, так как при слабом сигнале и наличии в каналах мощных узкополосных помех на сумматор будут поступать, практически одни помехи.

При использовании алгоритма режекции ( или 1) участки спектра, поражение сосредоточенной помехой отключаются ( ) и, хотя при этом происходит потеря части мощности сигнала, влияние мощных помех резко ослабляется.

Количественный анализ показывает, что при наиболее сложной помеховой обстановке энергетические потери метода режекции не превышают 0,3 дБ по сравнению с методом оптимального взвешивания.

Далее будем рассматривать вариант режекции помех (см. рис. 15). На рисунке 15 представлена схема устройства подавления узкополосных помех, где обозначено:

, – узкополосные фильтры;

– фазовращатели для обеспечения линейной ФЧХ;

, – ключи.

Рис. 15. Структурная схема У.З.