3. Прохождение помех через радиоприемное устройство.

Модель радиоприемного устройства

Для изучения явлений, имеющих место в радиоприемном устройстве (РПУ) при прохождении умышленных радиопомех, ограничимся моделью РПУ в наиболее общем виде (рис. 16.10). РПУ настраивается на свой сигнал. При этом все прочие сигналы по возможности «отбрасываются», что выполняется в следующих цепях селекции:

• селекции по направлению и поляризации, которая производится в антенно-фидерном устройстве (АФУ),

• частотной селекции – в частотно-избирательных цепях (ЧИЦ) приемника,

• амплитудной селекции, которая осуществляется детектором (Д), ограничителями или другими цепями с явно выраженной нелинейностью,

• цепи временной селекции (ЦВС) (обеспечивают выделение благоприятных участков времени для приема полезного сигнала).

Оконечное устройство (ОУ) предназначено для воспроизведения принимаемой информации. Следует заметить, что взаимное расположение элементов схемы может быть иным (например, ЧИЦ иногда располагают после детектора, ЦВС в некоторых случаях охватывают весь приемник и т.д.). Эти замечания не нарушают в основном общности рассмотрения вопроса прохождения помех через РПУ.

АФУ – антенно-фидерном устройстве; ЧИЦ – частотно-избирательных цепях; Д – детектор; ЦВС – цепи временной селекции; ОУ – оконечное устройство

Рисунок 16.51 – Модель РПУ

АФУ. Поляризационная и пространственная селекция

ПолФ – поляризационный фильтр; ПрФ – пространственный фильтр; ЧФ – частотный фильтр

Рисунок 16.52 – Модель АФУ

Если помеха имеет поляризацию, отличную от поляризации сигнала (рис. 16.12), то в интересах борьбы с помехами может применяться поляризационная селекция.

Для случая линейной поляризации при случайном рассогласовании по углу υ и при наличии цепей поляризационной селекции в РПУ будет действовать составляющая помехи, совпадающая по поляризации с сигналом. Для восстановления прежнего уровня помехи по мощности надо поднять первоначальную мощность до такого уровня Р'_п, чтобы проекция помехи оказалась равной ее первоначальному значениюР. Иными словами, помеха должна обладать избыточной мощностью для преодоления поляризационной селекции в РПУ. Коэффициент поляризационной селекцииk_полпоказывает,во сколько раз ослабляется помеха при поляризационной селекции РПУ:

.(16.99)

а – частичное подавление помехи; б – полное подавление помехи

с – вектор сигнала; п – вектор помехи; п' – проекция вектора помехи на вектор сигнала

Рисунок 16.53 – Поляризационная селекция

Если считать, что на рис. 5.12,авекторы изображают напряженность поля, то. Полная защита от помех может иметь место при υ = 90° (рис. 5.12,б). Тогдаkпол= ∞, т.е. никакие увеличения уровня помехи не позволят преодолеть поляризационную селекцию.

Логика радиоборьбы такова, что всегда могут быть найдены средства преодоления помех. Для этого надо или априорно знать параметры селекции сигнала, чтобы сделать помеху подобной, или обеспечить «заградительность» при минимальных энергетических потерях. Обычно в отношении поляризации используется второй путь. Например, для сигнала с линейной поляризацией может применяться помеха с круговой или вращающейся линейной поляризацией. В этом случае получим предельное значение kпол= 2.

В конечном итоге считают, что помеха с круговой поляризацией и хаотически изменяющимся направлением вращения вектора напряженности при любых видах селекции обеспечивает подавление с kпол= 2.

Существенное значение для обеспечения помехоустойчивости имеет пространственная селекция, обеспечиваемая путем использования направленных антенн, концентрирующих энергию излучения в заданном направлении. В качестве контрмеры помехи также концентрируются в пространстве. Коэффициент селекции по направлению, рассчитывается по формуле:

,(16.100)

где Gptc, Gп– соответственно КНД передающей антенны подавляемой РТС и станции помех.

Частотная селекция

Рассмотрим работу частотно-избирательных цепей, расположенных до детектора. Спектральная модель шума представлена на рис. 16.13,а. Все частотные составляющие в диапазонеDf сгруппированы вn точках оси частот, отстоящих друг от друга на интервале δf, так чтоn=Df / (δf ). Квадрат эффективного значения напряжения шумапредставлен амплитудами составляющихU_δf. При этомили.

а – спектральная модель шума; б – частотная характеристика ЧИЦ; в – спектр сигнала на выходе ЧИЦ; г – эквивалентная частотная характеристика ЧИЦ; д – спектр помехи на выходе приемника

Рисунок 16.54 – Частотная селекция

Частотная характеристика ЧИЦ k(f ), снятая по мощности, показана на рис.16.13,б. Мощность каждой составляющей умножается на соответствующее для данной частоты значениеk(f ). Так что на выходе ЧИЦ образуется спектр ε(f )_вых, огибающая которого повторяетk(f ) (рис.16.13,в). Такой спектр неудобен для использования, поэтому его лучше преобразовать в прямоугольный с эквивалентной полосой частот ΔF_э. Эквивалентность состоит в том, что мощность шума на выходе реального фильтра должна быть равной мощности шума с таким прямоугольным спектром.

На выходе реального фильтра:

,(16.101)

где .

Квадрат напряжения с прямоугольным спектром:

.(16.102)

Тогда выражение для эквивалентной полосы пропускания будет:

.(16.103)

Прямоугольный спектр можно представлять как порождение действующего на входе шума, прошедшего через частотную характеристику прямоугольной формы k(f ) (рис.16.13,г), имеющую эквивалентную полосу пропускания ΔF. Эквивалентная ширина полосы ΔFесть ширина нормированной прямоугольной частотной характеристики (по мощности). С учетом нормировки полоса ΔFравна площади под кривойk(f ).

Например, для одиночного контура, образованного из элемента RLC, ΔF_э= 1,57ΔF_0,5. Большинство ЧИЦ сложнее одиночного контура. Для них приблизительно можно считать, что ΔF_э= 1,57ΔF_0,5. Таким образом, спектр помехи на выходе ЧИЦ будет прямоугольным (рис.16.13,д), если на входе действует широкополосная помеха с равномерным энергетическим спектром. Ширина такого спектра равна ширине полосы пропускания приемника. Для количественной оценки действия помех в этом случае удобно воспользоваться коэффициентом частотной селекции, который показывает, во сколько раз уменьшается мощность помехи за счет действия частотной селекции:

.(16.104)

Если помеха узкополосная и обеспечивается гарантированное попадание ее в полосу приемника, то принимается k_ч= l.

Более строго коэффициент частотной селекции имеет вид:

.(16.105)

В практических случаях используются более простые соотношения (например, (16.13)).

Прохождение помех через детектор

Рассмотрим взаимодействие двух амплитудно-модулированных колебаний в амплитудном детекторе, приписав одному из них роль сигнала, второму – роль помехи. На входе, таким образом, образуется сумма и = U₁ sin ω₁t+U₂ sin ω₂t. Уравнение детекторной характеристики безынерционного детектораU₌= f (U), гдеU₌– постоянная составляющая выходного напряжения детектора;U – амплитуда результирующего напряжения на входе детектора.

По теореме косинусов рассчитаем значение U:

.(16.106)

Пусть U₁/U₂<< 1.

Разложив U₌=f(U) в ряд по степенямU₂/U₁ и отбросив высшие составляющие, на основании (16.15) получим:

.(16.107)

Поскольку напряжения модулированы, в выражении (16.16) произведем заменуU₁наU₁(1 +m₁sin Ω₁t) иU₂наU₂ (1 +m₂sin Ω₂t), где Ω₁, Ω₂– частоты модуляции,m₁,m₂– соответствующие коэффициенты модуляции. Рассчитаем с помощью (16.16), применив еще раз допущение (16.15), отношение напряжений низкой частоты.

.

В детекторе происходит подавление слабого сигнала сильным. Например, если на входе U₁/U₂= 3, то на выходе усилителя низкой частоты прит₁= т₂ отношение (U₁/U₂)_нч= 18. Аналогичные явления подавления происходят, как показывает анализ, в любом детекторе.

Степень воздействия помехи оценивается отношением мощности помехи на выходе детектора к мощности сигнала. Поскольку действие помехи и сигнала происходит в одной и той же полосе частот, удобно использовать отношение средних плотностей спектров: коэффициент превышения по средней плотности спектра на входе детектора:

.(16.108)

Изучение воздействия помех на видеоусилитель и выходные устройства показывает, что конечный результат зависит от того, будет ли это отношение превосходить некоторое определенное значение. Для подавления требуется, чтобы k_пл≥ =k_под, т.е. чтобы отношение (16.17) было не меньше определенного значения, называемогокоэффициентом подавления k_под. Коэффициент подавления можно рассматривать как меру помехоустойчивости радиоприемника. Значение коэффициента подавления зависит от свойств видеоусилителя, индикаторного устройства, методов обработки сигналов и т.д. С помощью коэффициента подавления судят о помехоустойчивости при широкополосных сигналах, при использовании различных методов кодирования.

Временная селекция

В импульсных системах с автоматическим сопровождением по дальности в режиме автосопровождения осуществляется временная селекция.

В отношении активных помех мерой временной селекции может быть отношение активного времени Т_апработы станции помех ко времениТ_воздактивного воздействия на радиоприемникk_в=Т_ап/Т_возд. Расчетk_впроизводится за достаточно большой период наблюдения, в течение которого определяются основные временные характеристики. В простейшем случае импульсной работы РТС с автоматическим сопровождением по дальности и станции помех, применяющей короткие отрезки излучений, получим:

,(16.109)

т.е. коэффициент временной селекции рассчитывается как отношение соответствующих скважностей.

В общем (16.18) показывает, какая доля энергии передатчика помех расходуется по назначению при подавлении РТС с временной селекцией.

Меры повышения помехоустойчивости в отношении активных радиопомех

Изучение прохождения помех через цепи радиоприемного устройства показывает, что основная мера повышения помехоустойчивости – увеличение селективности, т.е. коэффициентов селекции, что повышает относительный уровень мощности передатчика радиопомех, приводящий к подавлению полезного сигнала.

Сильное средство борьбы с активными помехами заключается в применении сложных сигналов, при которых возможно почти полное исключение действия сосредоточенных по спектру или по времени радиопомех.

Адаптивные системы с обратной связью имеют также повышенные показатели помехоустойчивости, т.е. способны противостоять помехам за счет повторения сообщений.

Нетрудно заметить, что большинство мер помехозащиты связано с увеличением избыточности сигнала, а это отрицательно отражается на скорости передачи информации или других показателях РТС.