CC BY
65
УДК 536.587
А.А. Персичкин, А.А. Шпилевой
О ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ПРИ АДДИТИВНОМ СЛОЖЕНИИ СОСТАВЛЯЮЩИХ СПЕКТРОВ ПРИНИМАЕМЫХ РАДИОЧАСТОТНЫХ СИГНАЛОВ
Исследованы особенности прохождения слабых сигналов с высоким уровнем шума в нелинейных электронных цепях. Определены оптимальные параметры сложения составляющих сигнала, при которых чувствительность приема может быть существенно увеличена. Для предлагаемой цепи получены условия, обеспечивающие в режиме стохастического резонанса максимальное отношение сигнал/шум на выходе.
The peculiarities of passage of weak signals with the significant noise level through nonlinear circuits are examined. The optimal parameters of signal components addition were determined. These parameters could considerably enhance the receiving sensitivity. The conditions of the maximal signal-to-noise ratio at the exit for the proposed circuit are obtained under the circumstances of stochastic resonance.
Необходимость повышения информативности методов радиоспектроскопии предполагает увеличение чувствительности входных устройств, особенно при регистрации сигналов со значительным уровнем шума в низкочастотной области. Поэтому представляет интерес поведение некоторых нелинейных элементов, входящих в состав радиочастотной приемной аппаратуры. В частности, у параметрических диодов с падающим участком ВАХ [1; 2] и бистабильных фильтров [3] обнаружены резонансные свойства в отношении частоты переходов системы из одного устойчивого состояние в другое. В этих условиях присутствие интенсивной шумовой составляющей на входе схемы может стимулировать повышение интенсивности полезного сигнала на ее выходе (стохастический резонанс) [4]. Аналогичное явление наблюдалось авторами ранее при использовании в качестве порогового элемента триггера
Вестник РГУ им. И. Канта. 2007. Вып. 3. Физико-математические науки. С. 64 — 67.
О повышении чувствительности приема радиочастотных сигналов
Шмитта [5]. В данном случае задачами работы являлись поиск оптимальных условий, способствующих проявлению эффекта, и обеспечение наибольшей величины отношения сигнал/шум (SNR), которое таким образом может быть получено.
Суть предлагаемой оптимизации SNR заключается в аддитивном сложении спектров сигналов на выходах S1 и S2 триггера Шмитта, работающего в режиме стохастического резонанса (рис. 1). Различия между данными сигналами обусловлены отклонением параметров применяемых пороговых систем. Помимо этого, оптимизация SNR предполагает расширение полосы значений дисперсии шума, в которой проявляется эффект стохастического резонанса [6].
65
Рис. 1. Экспериментальная схема, моделирующая сложение сигналов на выходе бистабильной нелинейной цепи
Для оценки количественных характеристик полученных результатов мы принимали, что отклонение шума в спектре — среднеквадратичное, ширина шумового спектра — 25 кГц, а величина SNR вычисляется как:
SNR _- Us
UN
-1,
(1)
где ^ — пиковое значение сигнала, UNmax — максимальное значение спектральной составляющей шума в спектре. Частотный диапазон шума — 25 КГц.
Поскольку гармонические составляющие сигналов S1 и S2 находятся в противофазе, то для их аддитивного сложения требуется инвертировать один из сигналов. В представленной схеме роль фазоинвертора и сумматора выполняет дифференциальный усилитель DA3. Спектральную плотность мощности случайного процесса на выходе триггера Шмитта выражаем в виде:
Pn
DnM) _ A2-е
2 - к - f0
2-к-л/3
- exp
2-І Д-B к
D
2
(2)
где А — амплитуда импульса на выходе триггера, 0 — его длительность D — дисперсия шума.
Полученные зависимости SNR от уровня шума приведены на рисунке 2, а. В связи с малыми значениями SNR его точное определение за один цикл представляется весьма затруднительным, поэтому было проведено усреднение по lOO измерениям спектров с последующим масштабированием результатов. Такой подход позволил с достаточной точностью измерить шумовое основание и, соответственно, величину отношения сигнал/ шум.
66
Рис. 2. Зависимость величины SNR от уровня шума на различных выходах схем 1 (я) и 2 (б)
Если учесть, что на выходе триггеров Шмитта имеет место бинарный сигнал, который легко обрабатывается элементами цифровой электроники, то предлагаемую схему можно преобразовать. Результат такой модификации представлен на рисунке 3. В качестве фазоинвер-тора здесь использован элемент «НЕ» (001), в качестве сумматора — элемент «ИЛИ-НЕ» (ББ2).
Рис. 3. Схема нелинейной цепи с сумматором на цифровой элементной базе
Как следует из результатов измерений (рис. 2, б), такой вариант схемы обеспечивает большие значения SNR на выходе за счет аддитив-
О повышении чувствительности приема радиочастотных сигналов
ного сложения спектров. В нашем случае частота периодического сигнала составляла 5 кГц, однако принципиальных ограничений на ее увеличение не имеется. Диапазон принимаемых сигналов может быть расширен, вплоть до граничной частоты срабатывания цифровых элементов.
Как следует из полученных результатов, более оптимальные для стохастического резонанса условия обеспечиваются схемой, данной на рисунке З. При относительной простоте конструкции она обеспечивает значительное повышение SNR на выходе. Помимо этого, допускается непосредственное подключение устройства к компьютеру через стандартные порты (заменяет АЦП). При практической реализации схема дополняется прецизионным источником опорных напряжений для компараторов, поскольку из-за разбросов параметров в цепях смещения возможно их срабатывание при разных уровнях входного сигнала.
Как следует из проведенного эксперимента, для данной модели стохастического резонатора при каждом значении порога срабатывания существует своя оптимальная величина SNR на входе, ниже которой отношение сигнал/шум на выходе триггера будет больше входного.
Список литературы
1. Карташов В.М., Котов А.Ф. и др // Письма в ЖТФ. 2000. Т. 26. В. 5. С. 67— 75.
2. Камилов И. К., Алиев К.М., и др. // Письма в ЖТФ. 2004. Т. 30. В. 4. С. 25—32.
3. Анищенко В.С., Постнов Д.Э. и др. // Радиотехника и электроника. 1994. Вып. 12. С. 2004—2014.
4. Анищенко В. С., Нейман А.Б. и др. // УФН. 1999. Т. 169. № 1. С. 8—20.
5. Персичкин А.А., Шпилевой А.А. // Вестник РГУ им. И. Канта. 2006. № 4. С. ЗЗ—З7.
6. Neiman A., Schimansky-Geier L., Moss F.// Phys. Rev. 1997. E 57. R9.
Об авторах
А.А. Шпилевой — канд. физ.-мат. наук, доц., РГУ им. И. Канта, shpilevaya@albertina. ru
А.А. Персичкин — асп., РГУ им. И. Канта, andrey@war. ru
