4.3. Способы увеличения динамического диапазона радиоприемных устройств

При работе РЛС в условиях помех могут быть случаи, когда отношение удвоенной энергии принятого сигнала к спектральной плотности мощности помех заметно больше единицы, а цель на фоне такой помехи не обнаруживается. Причиной этого является ограниченный динамический диапазон приемно-индикаторного тракта.

На рис.4.8 показан пример обработки сигнала на разных участках амплитудной характеристики приемного устройства.

Рис.4.8 Графики напряжений сигналов на входе и выходе приемного устройства

При малой амплитуде входного сигнала амплитудная характеристика приемного устройства имеет линейный характер (участок II на рис.4.8). В процессе работы на этом участке изменение амплитуды входного сигнала вызывает пропорциональное изменение амплитуды выходного сигнала приёмника. Если же амплитуда сигнала на входе превышает некоторое граничное значение (), то в приемнике наступает ограничение и амплитуда сигнала на выходе приемника остается неизменной (наступает режим ограничение амплитуды на участке IV амплитудной характеристики) при широком диапазоне изменения амплитуды входных сигналов.

Если уровень внешней помехи на входе приемника таков, что обеспечивается работа приемного устройства на линейном участке амплитудной характеристики, а сигнал превышает уровень помехи, то сигнал будет обнаружен на фоне помехи. Если же уровень помехи на входе таков, что рабочая точка выходит за пределы линейного участка (рис.4.8, участок III), то обнаружение становится невозможным, хотя сигнал на входе превышает помеху.

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

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

Расширение динамического диапазона приемных устройств осуществляется следующими методами:

созданием приемных устройств с логарифмическими амплитудными характеристиками (ЛАХ),

применением в приемниках схем автоматической регулировки усиления (АРУ),

применением ограничения в широкополосном тракте приемного устройства (до оптимального фильтра).

Достоинствами способа расширения динамического диапазона приемных устройств с нелинейными амплитудными характеристиками являются простота его реализации и безынерционность регулирования коэффициента усиления. Однако возникают энергетические потери, ухудшающие вероятностные характеристики обнаружения целей, искажаются спектральные характеристики сигнала, имеет место частичная декорреляция сигналов в многоканальных системах.

Во многих случаях к усилителям с нелинейными амплитудными характеристиками предъявляются требования уменьшения их дифференциального коэффициента усиления с увеличением амплитуды входного сигнала:

, ,

где и - некоторые постоянные величины.

Если выдвинуть требование к амплитудным характеристикам, состоящее в прохождении их через начало координат , то решение выше приведенных дифференциальных уравнений относительно дает следующий результат:

, , .

Первая из полученных зависимостей имеет логарифмический характер, вторая и третья указывают на наличие в соответствующих каскадах ограничителей сигналов.

Усилители с нелинейными амплитудными характеристиками строятся, как правило, по многокаскадным схемам. Амплитудные характеристики каскадов обычно разделяются на три участка: линейный участок с наибольшей крутизной, участок с плавно уменьшающейся крутизной и квазилинейный участок, близкий к пологому. По способу соединения таких каскадов различают схемы со строго поочередной работой каскадов на нелинейных участках амплитудной характеристики, схемы с одновременной работой последовательно включенных каскадов на нелинейных участках (рис.4.9,а) и схемы со сложением выходных сигналов (рис.4.9,б).

В приведенных схемах один или два выходных каскада с целью увеличения выходной мощности сигнала и обеспечения устойчивости работы могут заменяться на несколько параллельно включенных каскадов, лишь один из которых имеет переменный коэффициент усиления. Нелинейность амплитудных характеристик каскадов обеспечивается с помощью полупроводниковых диодов, транзисторов, нелинейных резисторов, включаемых одним из трех способов: нелинейные элементы включаются в цепях нагрузки, согласования и обратной связи.

Рис.4.9,а,б. Структурные схемы усилителей с нелинейными амплитудными характеристиками

Примером схемы усилительного каскада с нелинейными элементами в цепи нагрузки может быть усилительный каскад с нелинейным резистором или полупроводниковыми диодами, включенными параллельно колебательному контуру. С увеличением амплитуды сигнала сопротивление нелинейного резистора уменьшается (или диоды открываются), колебательный контур частично шунтируется и, тем самым, снижается коэффициент усиления каскада. Данный усилитель прост по удобству, но характеризуется невысокой стабильностью параметров, поскольку шунтирующее действие резистора (диодов) приводит к нежелательному расширению полосы пропускания каскада. По стабильности параметров предпочтительными являются усилители с нелинейными обратными связями.

Диапазон изменения коэффициента усиления одного каскада обычно составляет 20…30 дБ. Использование управляемых усилителей из трех-пяти каскадов позволяет обеспечить регулирование динамического диапазона в пределах 80…100 дБ. При этом удается обеспечить стабильность амплитудной характеристики с точностью до единиц процентов при изменении температуры в пределах -20°…+40°С. Для обеспечения более высокой стабильности регулируемые каскады помещают в термостат.

Широкое распространение в РЛС РТВ получил логарифмический усилитель, выполненный по схеме с последовательным детектированием (рис.4.10,а)

Рис.4.10. а) Функциональная схема логарифмического усилителя; б) Амплитудная характеристика логарифмического усилителя

В состав УПЧ входит несколько однотипных каскадов, включенных последовательно, с ограничителем в цепь нагрузки каждый. Выход каждого каскада через детектор и линию задержки подключен к общему выходу. С увеличение амплитуды входного напряжения каскады, начиная с последнего, входят в режим насыщения. В результате амплитудная характеристика УПЧ имеет кусочно-ломанный характер (рис.4.10,б). Обычно число используемых каскадов равно 6…8. Линия задержки необходима для совмещения во времени суммируемых в общей нагрузке видеоимпульсов от различных каскадов.

Эффективной мерой расширения динамического диапазона является использование автоматической регулировки среднего уровня шума на выходе УПЧ приемного устройства (ШАРУ) (рис.4.11).

Рис.4.11. Структурная схема ШАРУ

Схема ШАРУ представляет собой статическую систему автоматического регулирования коэффициента усиления УПЧ. Продетектированный детектором ШАРУ выходной шум УПЧ сглаживается узкополосным фильтром (Ф), благодаря чему на выходе фильтра выделяется напряжение, пропорциональное среднему уровню шума. Это напряжение усиливается в УПТ и подается на первые два-три каскада УПЧ для регулировки их коэффициента усиления. Чем выше 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 превышать определенной величины, при которой исключается срабатывание схем по полезному сигналу и обеспечивается оптимальное отношение сигнал/помеха.

Чтобы схема ШАРУ не реагировала на отражения от местных предметов, выходное напряжение УПЧ на детектор ШАРУ подается через ключевую схему. Ключевая схема (см. рис. 4.12) большую часть периода находится в закрытом состоянии и открывается в конце периода следования (в конце дистанции) импульсами запуска ШАРУ. В конце периода следования на выходе УПЧ присутствуют либо собственные шумы приемника, либо смесь собственных

Рис.4.12. Графики напряжений на элементах схемы ШАРУ

шумов и активных шумовых помех. Поэтому схема ШАРУ стабилизируется уровнем шумов на выходе УПЧ.

Таким образом, настройка схемы ШАРУ производится однократно в конце каждого периода следования, а в течение следующего периода уровень регулирующего напряжения, подаваемого на УПЧ, остается постоянным.

Для борьбы с протяженными импульсными помехами (отражения от местных предметов, облаков и т.п.) в приемных устройствах РЛС используются системы быстрого автоматического регулирования напряжения (БАРУ). В схеме БАРУ отсутствует ключевая схема, поэтому на детектор БАРУ сигналы с выхода УПЧ подаются постоянно (см. рис. 4.13).

Рис.4.13. Структурная схема БАРУ

Схема БАРУ воздействует на два-четыре каскада УПЧ. При этом с целью исключения самовозбуждения каскадов регулирование коэффициентов усиления каждого из них осуществляется автономно. Переходные процессы в схеме БАРУ (время формирования регулирующего напряжения) протекают за временные интервалы, лишь несколько превышающие длительности полезных сигналов. В результате этого коэффициент усиления приемного устройства при воздействии длительного мешающего сигнала устанавливается малым. Появление на фоне этих импульсов коротких полезных сигналов приводит к амплитудным «всплескам», которые усиливаются с несколько большим коэффициентом, чем мешающие сигналы (см. рис. 4.13,б). Из-за наличия переходных процессов в схеме БАРУ на выходе УПЧ остается нескомпенсированная передняя кромка импульсной помехи, а по окончании помехи продолжается нежелательное уменьшение коэффициента усиления из-за чего на экране индикатора РЛС могут возникать темные «провалы».

Динамический диапазон приемно-индикаторного тракта по входу за счет применения схем ШАРУ или БАРУ может расширяться до 50…60 дБ, а по выходу – 3 дБ.

Следует иметь ввиду, что применение схем ШАРУ или УПЧ с ЛАХ не приводит к улучшению отношения «сигнал/шум». Положительный эффект от применения 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 (). Если отношение «сигнал/помеха» меньше единицы, то обнаружение сигнала не произойдет даже в приемниках с большим динамическим диапазоном. Целесообразность применения 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 способствуют обнаружению оператором целей находящихся вне секторов интенсивного воздействия помех.

Различие между приемными устройствами с ЛАХ и с ШАРУ заключается в следующем. В схеме ШАРУ регулирующее напряжение формируется в конце периода следования и остается неизменным на весь последующий период. Поэтому схема ШАРУ стабилизирует средний уровень шума и не реагирует на короткоимпульсные помехи и полезные сигналы. Приемники с ЛАХ на изменение интенсивности помехи реагирует практически мгновенно, поэтому обработка сигналов становится нелинейной (структура помехи нарушается, сигнал частично ограничивается). В случае нелинейной обработки резко уменьшается эффективность защиты от пассивных помех.

Ограничение в приемном устройстве приведет к полной потере полезного сигнала 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 помех являются амплитудные значения и из-за ограничения они могут быть потеряны. Если же ограничение произвести до оптимального фильтра (в УВЧ, широкополосном УПЧ), то полной потери полезного сигнала не происходит. При ограничении также теряются амплитудные различия между сигналом и помехой, но сохраняются фазовые различия (в тонкой структуре сигнала и помехи), на основе использования которых оптимальный фильтр, стоящий после ограничителя, может выделить сигнал из помехи. Поэтому в некоторых приемных устройствах ограничение в широкополосном тракте применяется для сжатия динамического диапазона помехи до динамического диапазона оптимального фильтра и последующих элементов приемника.

Примером реализации такого метода расширения динамического диапазона приемного устройства (сжатия динамического диапазона помехи) является схема ШОУ (широкополосный усилитель – ограничитель – узкополосный усилитель) в РЛС с простыми зондирующими сигналами сравнительно большой длительности (рис.4.14,а,б,в).

Жесткое ограничение помехи обеспечивает стабилизацию её интенсивности на таком уровне, чтобы исключить недопустимое ограничение её в последующих элементах приемника.

В схеме ШОУ узкополосный фильтр является оптимальным (квазиоптимальным) фильтром для простого импульса большой длительности, т.е. ширина его полосы пропускания выбирается из условия.

Ширина полосы пропускания широкополосного УПЧ выбирается в 50…100 раз больше .

В результате на выходе ШУПЧ и ограничителя средняя длительность шумовых выбросов помехи (или кратковременной импульсной помехи большой интенсивности) в 50…100 раз меньше длительности полезного сигнала. При этом за счет ограничителя помеха лишена амплитудных преимуществ перед сигналом. Шумовые выбросы воздействуют на узкополосный фильтр в течение короткого времени и их амплитуда на выходе фильтра оказывается небольшой (отсутствует накопление энергии в фильтре). За время длительности полезного сигнала происходит накопление его энергии в узкополосном фильтре и амплитуда достигает большей величины. В результате полезный сигнал на выходе фильтра может быть выделен из шумовой или короткой импульсной помехи несмотря на то, что на входе узкополосного фильтра амплитуда полезного сигнала и выбросов помехи из-за жесткого ограничения может быть одинаковой.

Рис.4.14. а) Структурная схема ШОУ. б) Графики напряжений помехи и сигнала на элементах схемы ШОУ. в) Структура спектров сигнала и помехи на элементах схемы ШОУ

Ограничение приводит к некоторому ухудшению отношения «сигнал/шум», однако при этом достаточно простым способом стабилизируется уровень помехи на выходе приемного устройства и предотвращается полная потеря сигнала, которая могла бы иметь место из-за возможно ограничения в последующих цепях приемника.

Повышение динамического диапазона линейного УПЧ приемного устройства при воздействии помех может быть достигнуто временной регулировкой усиления. Временная автоматическая регулировка усиления (ВАРУ) служит для уменьшения усиления приемника в начале дистанции. Это позволяет устранить перегрузку приемника от эхо-сигналов от местных предметов и целей на начальном участке дальности. В результате действия ВАРУ достигается независимость уровня усиленных эхо-сигналов от дальности, что позволяет в некоторых РЛС (с ненормированным уровнем сигнала, подаваемого на индикатор) по уровню сигнала на индикаторе оценивать эффективную поверхность рассеивания целей, уменьшает вероятность приема эхо-сигналов по боковым лепесткам диаграммы направленности антенны. Кроме того, устраняются нелинейные искажения эхо-сигналов (ограничение амплитуды), ухудшающие подавление пассивных помех в системах селекции движущихся целей.

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:

где - коэффициент усиления УПЧ при

- число каскадов УПЧ, охваченных ВАРУ.

Структурная схема ВАРУ и формируемое её напряжение для регулировки коэффициента усиления УПЧ приведены на рис.4.15,а,б.

Схема ВАРУ формирует напряжение, форма которого соответствует приведенному выше выражению. В практических схемах ВАРУ обеспечивается регулировка уровня, постоянной времени и задержки напряжения (см. рис.4.15,б).

Схемы АРУ, воздействующие на каскады УПЧ имеют существенных недостатки. Во-первых, они не охватывают УВЧ и смеситель, поэтому не исключается их перегрузка. Во-вторых, в охваченных обратной связью каскадах УПЧ, выполняемых на транзисторах, изменение коэффициентов усиления осуществляется путем воздействия на управляющие электроды, что обуславливает появление дополнительных амплитудных и фазовых искажений сигналов. Поэтому в более современных приемных устройствах системы АРУ часто строятся по схеме, изображенной на рис.4.16,а.

Рис.4.15. а) Структурная схема ВАРУ. б) Графики регулирующего напряжения

В этих схемах усиление приемного устройства меняется за счет изменения затухания сигналов в электрически управляемых аттенюаторах (ЭУА) со стабильными фазо-частотными характеристиками. Такие аттенюаторы хорошо отработаны и характеризуются изменением фазы, не превосходящими 3…6° во всем диапазоне регулирования. В приемном канале они могут быть расположены как перед, так и после УВЧ (см. рис.4.16,а). Электрически управляемые аттенюаторы представляют собой волноводные или на полосковых линиях аттенюаторы с использованием p-i-n диодов. При этом управляющее напряжение, например для реализации схемы ВАРУ, может формироваться в виде нескольких ступенек (см. рис.4.16,б). Динамический диапазон приемного устройства с ЭУА по выходу может достигать 70 дБ.

Рис.4.16. а) Структурная схема приемника, охваченного цепью АРУ. б) Графики управляющего напряжения для регулировки затухания сигналов в электрически управляемых аттенюаторах (аналог схемы ВАРУ).