Энергетические показатели частотной режекции мешающих отражений Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 621.376.56

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ЧАСТОТНОЙ РЕЖЕКЦИИ МЕШАЮЩИХ ОТРАЖЕНИЙ

Н.Е.Быстров, С.Д.Чеботарёв

Институт электронных и информационных систем НовГУ, Sergey.Chebotarev@novsu.ru

Рассмотрен метод синтеза сложных сигналов с двухуровневой нерегулярной структурой огибающей энергетического спектра. Проведен анализ спектральных характеристик синтезированных сигналов. Показана возможность применения сигналов с квазинепрерывным энергетическим спектром для частотной режекции мешающих отражений, локализованных в относительно небольшом диапазоне доплеровских сдвигов частоты.

Ключевые слова: радиолокационные системы, сложные сигналы, квазинепрерывный энергетический спектр, повышение помехоустойчивости, пассивные отражения

Synthesis of wideband signals with nonregular two-level energy spectrum structure is considered. Spectral characteristics of synthesized signals are analyzed. The application of wideband signals with quasicontinuous energy spectrum for frequency rejection of clutter with narrow range of Doppler frequency shifts is shown.

Keywords: radar systems, wideband signals, quasicontinuous energy spectrum, increase of noise-immunity, passive reflections

Разработка и исследование нового типа радиолокационных сигналов с квазинепрерывным энергетическим спектром [1, 2] позволяет применять частотную режекцию мощных мешающих отражений, сосредоточенных в узком частотном диапазоне. Данные сигналы являются многофазными и обладают двухуровневой структурой энергетического спектра, в связи с чем далее будут называться сигналами с квазинепрерывным энергетическим спектром.

Суть подавления помех в частотной области заключается в режекции только тех активных спектральных отсчетов йк опорного (канального) сигнала, которые перекрываются по частоте с активными спектральными отсчетами режектируемого мощного сигнала, обладающего априорно известной доплеров-ской частотой V.

На рис.1 приведены фрагменты идеализированного амплитудного спектра синтезированного сигнала и соответствующего ему сигнала режекции.

ji -

d0 -

~k

Рис.1. Схематическое изображение спектра синтезированного сигнала и сигнала режекции

Основным показателем качества синтезируемых сигналов можно считать отношение среднеквадратических значений активных и пассивных спектральных компонент:

Ildll

h= О

(i)

Ng-І

где — число активных компонент энергетического спектра; N — число пассивных компонент.

Другой характеристикой квазинепрерывного спектра может служить оценка его пик-фактора:

N N

(2)

h

Энергетическая функция приема сигналов

Эффективность частотной режекции мешающих отражений можно оценить по тому, насколько снизился в результате ее применения уровень помех на выходе устройства обработки. Вторым показателем эффективности следует считать энергетические потери при частотной режекции мешающих отражений для выделения полезных слабых сигналов.

Введем функцию, отражающую зависимость принимаемой энергии сигнала после проведения частотной режекции от доплеровского смещения частоты спектров друг относительно друга:

Л/ (s) =

N-І

ЕІ ~

i=0

N-І

El ~

i=0

2

h

2

U

к

b

І

0

На рис.2 приведена данная зависимость для синтезированного сигнала со случайной фазой длины N = 511, пик-фактором в частотной области и = 2, доплеровским сдвигом частоты V = 100 и кратностью квантов в частотной области К х F = 1. Так как наибольший интерес представляет собой зона небольших доплеровских смещений частоты, для большей наглядности приведем только ее.

АЛ, ДБ

Рис.2. Зависимость энергии принимаемого сигнала от допле-ровского смещения частоты спектров после проведения частотной режекции

Основные характеристики данной зависимости: уровень подавления мешающего сигнала Kn ; величина энергетических потерь полезного сигнала при режекции точечного мешающего сигнала Knc; ширина зоны режекции.

Рассмотрим параметр Kn. Он определяется как отношение энергии сигнала после частотной ре-жекции к энергии сигнала до частотной режекции при условии, что режекция проводится в доплеров-ском канале, где находится сигнал.

d0 •(N-Nh)

і ~1 12 і 12

d1 • Nh + d 0 •(N-Nh)

(3)

где |~Ч — уровень энергии активных компонент ам-

1~0|2

плитудного спектра синтезированного сигнала; Ш

— уровень энергии пассивных компонент амплитудного спектра синтезированного сигнала; N — длина сигнала; — количество активных компонент.

После преобразований формула (3) приобрета-

ет вид

и-1

П + (и -1)

(4)

где п — динамический диапазон спектральных компонент (1); и — пик-фактор амплитудного спектра синтезированного сигнала (2).

Как видно из рис.3, с увеличением динамического диапазона спектральных компонент синтезированного сигнала растет и уровень подавления мешающего сигнала. Стоит заметить, что при одном и том же динамическом диапазоне спектральных компонент уровень подавления сигнала с пик-фактором и = 2 выше в среднем на 12 дБ, чем для сигнала с пик-фактором и = 8, и на 8 дБ выше, чем для сигнала с и = 4.

Значение параметра Кп можно наглядно представить на отклике корреляционно-фильтрового устройства после выполнения частотной режекции:

N-1

Е~к •(~*-vЛ-h)-expo'2^kmlN) hфv,

к=0

где bk — заданная функция режекции; ~к — спектральные отсчеты входного сигнала.

В данном случае производится частотная ре-жекция не отражений мощного сигнала в других доп-леровских каналах, а бланкирование самого сигнала в том доплеровском канале, где он присутствует. Параметр KH описывает, насколько понизился уровень отклика сигнала.

В качестве примера использовался сигнал с квазинепрерывным энергетическим спектром длиной

Кп, дБ

Рис.3. Семейство зависимостей уровня подавления мешающего сигнала

Л, дБ

N = 511, пик-фактором в частотной области и= 2, кратностью квантов в частотнй области KхF = 1, показателем п = 4,92 дБ, доплеровским сдвигом частоты V = 0.

Частота

100

200 Задержка

б)

При данных параметрах сигнала по формуле (4) Кп = 12,7 дБ . По экспериментальным данным (рис.4) этот параметр составляет 12,42 дБ, что с хорошей степенью достоверности согласуется с теоретическими расчетами.

Величина энергетических потерь полезного сигнала Кпс определяется как отношение энергии сигнала после частотной режекции к энергии сигнала до частотной режекции. Но в этом случае доплеров-ское смещение сигнала не совпадает с доплеровским смещением режектирующего сигнала. После проведения преобразований формула принимает следующий вид:

K„„ = 1 —

n

»-(n2 + и - і)

и • + и -

где п — динамический диапазон спектральных компонент (1); и — пик-фактор амплитудного спектра синтезированного сигнала (2). При значениях П > 10 дБ коэффициент потерь полезного сигнала практически равен своему предельному значению

— (рис.5).

Рис. 4. Выход корреляционно-фильтрового устройства а) без частотной режекции; б) с частотной режекцией

Анализируя параметр ширины зоны режекции, можно видеть, что при кратности квантов в частотной области, равной единице, ширина зоны режекции равна одному бину частотного разрешения. В реальных условиях вследствие флуктуаций спектральные компоненты отраженных сигналов могут занимать более одного бина по частоте. Одним из решений данной проблемы может стать многократная частотная режекция модифицированной последовательности.

На рис.6 приведена зависимость энергии принимаемого сигнала от доплеровского смещения частоты спектров при многократной частотной режек-ции.

Кпс, дБ

Рис.5. Семейство зависимостей уровня потерь полезного сигнала

б

и

А/.;, дБ

Рис.6. Зависимость энергии принимаемого сигнала от допле-ровского смещения частоты спектров после проведения многократной частотной режекции

Из сопоставления результатов, представленных на рис.2 и рис.6, можно видеть, что при многократной частотной режекции ширина зоны увеличилась, однако это привело к значительному увеличению энергетических потерь в полезном сигнале. В то же время и уровень подавления мешающего сигнала стал составлять около -50 дБ. Путь уменьшения энергетических потерь в полезном сигнале рассмотрен ниже.

Сигналы с расширенным квантом энергетического спектра

Другим решением является применение сигналов с огибающей спектральной плотности ёк с расширенным квантом. Если ширина кванта Шк согласована с зоной режекции по частоте, то многократная частотная режекция не потребуется, соответственно не будет дополнительных энергетических потерь. Зависимость энергии принимаемого сигнала от доплеровского смещения частоты сигналов после проведения частотной режекции при использовании сигналов с расширенным квантом в частотной области приведена на рис.7. Параметры сигнала: длина N = 8176, пик-фактор в частотной области и = 2, доплеровский сдвиг частоты V = 100, кратность квантов в частотной области А’//<’= 16.

А/* дБ

Рис.7. Зависимость энергии принимаемого сигнала от допле-ровского смещения частоты сигналов после проведения однократной частотной режекции при использовании сигналов с расширенным квантом в частотной области

Как видно из рис.7, использование сигналов с расширенным квантом в частотной области позволяет значительно расширить зону частотной режекции при сохранении уровня потерь полезного сигнала, как и при использовании сигналов с нерасширенным квантом в частотной области (рис.2).

На рис.8 приведена аналогичная зависимость, но для восьмикратной режекции. Параметры сигнала прежние.

АТ* дБ

-2-4-6 --8-10-12 --14-16 --18 -

—20----1-----1----1----1----------------------------

□ 20 40 60 80 100 120 140 160 180 5

Рис.8. Зависимость энергии принимаемого сигнала от доплеровского смещения частоты сигналов после проведения многократной частотной режекции при использовании сигналов с расширенным квантом в частотной области

Сравнивая рис.7 и 8, мы видим, что уровень потерь полезного сигнала снизился незначительно.

Таким образом, использование сигналов с расширенным квантом не приводит к значительным потерям полезного сигнала при многократной частотной режекции, как это происходит в случае с использованием сигналов с малым квантом квазинепре-рывного спектра. Данный вывод делает необходимым исследование методов синтеза сигналов с с большим квантом квазинепрерывного спектра.

1. Быстров Н.Е., Чеботарев Д.В. Сложные фазомодулиро-ванные сигналы с частотной режекцией мешающих отражений // Тр. XVIII науч.-техн. конф. НИИ приборостроения им. В.В.Тихомирова. Жуковский, 16-18 февраля 2005 г. Жуковский, 2005. C.37-40.

2. Гантмахер В.Е., Быстров Н.Е., Чеботарев Д.В. Шумоподобные сигналы. Анализ, синтез, обработка. СПб.: Наука и техника, 2005. С.258-263.

Bibliography (Transliterated)

1. Bystrov N.E., Chebotarev D.V. Slozhnye fazomodulirovannye signaly s chastotnojj rezhekciejj meshajushhikh otrazhenijj // Tr. XVIII nauch.-tekhn. konf. NII priborostroenija im. V.V.Tikhomirova.

Zhukovskijj, 16-18 fevral’ 2005 g. Zhukovskijj, 2005. C.37-40.

2. Gantmakher V.E., Bystrov N.E., Chebotarev D.V. Shumopo-dobnye signaly. Analiz, sintez, obrabotka. SPb.: Nauka i tekhnika, 2005. S.258-263.