ПОВЫШЕНИЕ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТИ РАДИОПРИЕМНЫХ ТРАКТОВ С АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

(се)

http://dx.doi.org/10.35596/1729-7648-2021-19-2-74-82

Оригинальная статья Original paper

УДК 621.396.62

ПОВЫШЕНИЕ ПОМЕХОЗАЩИЩЕННОСТИ РАДИОПРИЕМНЫХ ТРАКТОВ С АВТОМАТИЧЕСКОЙ РЕГУЛИРОВКОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

П.В. ЗАЯЦ, И.Ю. МАЛЕВИЧ

ОАО «КБ Радар» - управляющая компания холдинга «Системы радиолокации» (г. Минск, Республика Беларусь)

Поступила в редакцию 28 декабря 2020

© Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, 2021

Аннотация. Актуальность исследования систем автоматической регулировки чувствительности (АРЧ) определяется их востребованностью при создании и модернизации радиоприемных трактов (РПТ) с повышенной помехозащищенностью для систем радиолокации, радионавигации и радиосвязи. В статье выполнен анализ типовых аттенюаторных АРЧ, которые традиционно широко используются для согласования динамического диапазона (ДД) РПТ с ДД группового радиосигнала, определяемого текущим состоянием электромагнитной обстановки в месте приема. Показана принципиальная возможность повышения помехозащищенности РПТ с аттенюаторными АРЧ на основе текущего анализа суммарного процесса в полосе фильтра основной селекции. Одновременно установлено, что процедура определения оптимального значения коэффициента передачи аттенюатора характеризуется низким быстродействием. Кроме того, повышение помехозащищенности в РПТ с такими АРЧ приводит к ощутимой потере чувствительности. Обойти недостатки аттенюаторных АРЧ позволяют структуры, реализующие размен коэффициента передачи РПТ на ДД и линейность. Исследования возможных вариантов таких АРЧ показали, что при пропорциональном размене коэффициента передачи на ДД обеспечивается улучшение помехозащищенности РПТ при сохранении высокой чувствительности системы. Предложена оригинальная система АРЧ, инвариантная к шагу дискретизации коэффициентов передачи регулируемых элементов с повышенным быстродействием. Рассмотренные структурные решения и алгоритмы позволяют оптимизировать технический облик РПТ радиолокации, радионавигации и радиосвязи с повышенной помехозащищенностью и адаптировать их характеристики к условиям нестационарной электромагнитной обстановки.

Ключевые слова: радиоприемный тракт, помехозащищенность, автоматическая регулировка чувствительности.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Для цитирования. Заяц П.В., Малевич И.Ю. Повышение помехозащищенности радиоприемных трактов с автоматической регулировкой чувствительности. Доклады БГУИР. 2021; 19(2): 74-82.

INCREASING THE NOISE IMMUNITY OF RADIO RECEIVING PATHS WITH AUTOMATIC SENSITIVITY CONTROL

PAVEL V. ZAYATS, IGOR Yu. MALEVICH

JSC "KB Radar " - Managing Company of"Radar Systems" Holding (Minsk, Republic of Belarus)

Submitted 28 December 2020

© Belarusian State University of Informatics and Radioelectronics, 2021

Abstract. The relevance of the study of automatic sensitivity control systems (ASC) is determined by their demand for the creation and modernization of radio receiving paths (RRP) with increased noise immunity for radar systems, radio navigation and radio communication. The article analyzes typical attenuating ASCs, which are traditionally widely used to match the dynamic range (DR) of the RRP with the DR of a group radio signal, determined by the current state of the electromagnetic environment at the receiving system location. The fundamental possibility of increasing the noise immunity of RRPs with attenuating ASCs is shown on the basis of the current analysis of the resulting output signal in the IF main filter band. At the same time, it was found that the procedure for determining the optimal value of the attenuator transmission coefficient is characterized by low response speed. In addition, an increase in noise immunity in a RRP with such ASC leads to a significant loss of sensitivity. To overcome the disadvantages of attenuating ASCs, structures that implement the exchange of the transmission coefficient of the RRP to DR and linearity are proposed. Studies of various possible ASC structures have shown that with a proportional exchange of the transmission coefficient for the DR, an improvement in the noise immunity of the RRP is provided while maintaining a high sensitivity of the system. An original ASC system is proposed, which is invariant to the sampling step of the transmission coefficients of controlled elements with increased performance. The considered structural solutions and algorithms make it possible to optimize the technical appearance of RRPs for radar, radio navigation and radio communication with increased noise immunity and to adapt their characteristics to the conditions of non-stationary electromagnetic environment.

Keywords: radio receiving paths, noise immunity, automatic sensitivity control. Conflict of interests. The authors declare no conflict of interests.

For citation. Zayats P.V., Malevich I.Yu. Increasing the noise immunity of radio receiving paths with automatic sensitivity control. Doklady BGUIR. 2021; 19(2): 74-82.

Введение

Современные условия работы радиоприемных трактов (РПТ) систем радиолокации, радионавигации и радиосвязи характеризуются сложной электромагнитной обстановкой (ЭМО). Это объясняется, с одной стороны, высокой чувствительностью РПТ, а с другой - большим числом и высокими уровнями различных помех, действующих как в диапазоне частот полезного сигнала, так и за его пределами.

Одно из известных направлений повышения помехозащищенности РПТ связано с оптимизацией структур и параметров систем управления коэффициентом передачи тракта, включая автоматическую регулировку чувствительности (АРЧ) [1-4].

Исследование АРЧ для повышения помехозащищенности РПТ

Широко распространенным способом реализации АРЧ является использование на входе главного тракта приема (ГТП) РПТ адаптивно управляемого аттенюатора (АТ). Исследуем помехозащищенность РПТ с такой АРЧ, представив ГТП функциональной моделью в виде цепочечного соединения широкополосного малошумящего усилителя (МШУ), широкополосного усилительно-преобразовательного звена (УПЗ) и фильтра основной селекции (ФОС) (рис. 1).

К - КмшуКУпзКф

P Q.Kout ----»

п Г1 |->

}ш.А Pm.Ain Pm.Aout

ГР Pin. ГТП in PmrТПout

Pmn PnM out

Рис. 1. Структура РПТ с простой аттенюаторной АРЧ Fig. 1. RRP structure with a simple attenuator ASC

Для интегральной оценки качества РПТ с простой аттенюаторной АРЧ используем нормированный коэффициент помехозащищенности

P + P

П _П • ш.ГТПр^_ш.Ар^

N р

(1)

где П - коэффициент помехозащищенности [1]: р + р + р

П _ ш.ППШ ш.Aout ПМouí •

P + P

ш-ГТ^^ ш.Aout

(2)

P,,

_ P

ш.ГТП in £

К£ _ kTAfm (Кш — 1)К£ - мощность собственных шумов на выходе

ГШ ^— постоянная Больцмана, равная 1,38 10—23 Дж/К; Т — температура окружающей среды (293 К); Л/Пч — ширина полосы пропускания ФОС; Кш — коэффициент шума ГТП; К -коэффициент передачи ГТП как цепи из звеньев УПЗ и ФОС);

Рш.А оШ = Рш.А • КАТ • К = РШ А ш ' К = kTш.А ' Л/пЧ ' КАТ ' КХ - МоЩностЬ шумов, поступаюЩих из

антенны по основному каналу приема РПТ (Тш.а - шумовая температура антенны, которая определяется интенсивностью тепловых, атмосферных, космических, индустриальных и др. шумов; Кат - коэффициент передачи АТ системы АРЧ);

Рпмо^ — интегральная мощность помех (обусловленных наличием в составе группового сигнала (Ргр), поступающего из антенны на вход РПТ с АРЧ, внеполосных помеховых компонент), проникающих в тракт по всем учитываемым внеполосным каналам приема [5]:

P„,

У P

(3)

где Рпм ош1 — мощность помехи, принятой РПТ по 7-му внеполосному каналу приема. Как известно [1], РПМ оШ может быть представлена полиномом по степеням ш от Ргр7:

PnM out Уа j ' ^ГРт ) ' j_2

(4)

где Ргр ш = Ргр • КАТ - мощность группового сигнала на входе УПЗ, в котором происходит

нелинейное преобразование внеполосных помех в полосу ФОС РПТ. Перепишем выражение (1) для П^ в виде функции от Кат:

P..

+ P..

+ Pn

n(TS- Ч_ ш.ГТШ^ ш^^ nMout N (КАТ)--

(Pш .ГТПш

+ • Кат)• КЕ+ ф(Кт)_ F(Kt)

P P • К • К P

-1 ш.Аout 1 ш.А ЛАТ 11 ш.Аout

(Кат)

(5)

где PnM out _ ф(КАТ ) определяется нелинейной зависимостью (4) от Pm.

Очевидно, чем меньше заметность Pm.rm out и PnM out, тем ближе Пдт(Кат) к 1 и выше помехозащищенность РПТ. Тогда определим условие минимума nN по Кат:

i_1

дП n (KАТ)

8K ат

P,A • Kz

8F (KAT) K F(K )

—----KAT " F (KAT)

8K AT

.A out (Kat)]

= 0,

откуда для Kat = Kato^: 8F (KaT ) = F (Ka7 )

8K

K.

(6)

(7)

АТ ^АТ

Геометрическая интерпретация (4) и (7) приведена на рис. 2.

Пn,F

ш.ДЛ-АТ "ш.ГГП/п)

ш.АЛ-АТ *

ПМоиГ-'KAj)

ЧАТ opt Л. AT

Рис. 2. Зависимости нормированного коэффициента помехозащищенности nN и уровня группового

сигнала в ФОС F от коэффициента передачи аттенюатора Kat Fig. 2. Dependence of the normalized coefficient of noise immunity nN and the level of the group signal in the IF main filter band F on the transmission coefficient of the attenuator Kat

Видно, что nN определяется функциональной зависимостью уровня группового сигнала в ФОС РПТ (F(Kat)) от коэффициента передачи входного аттенюатора Kat. nNopt соответствует точке оптимума [Katop, Fopt], которая устанавливается касательной к функции F(Kat), проходящей через начало системы координат. Таким образом, в заданной ЭМО выполнение условия (7) для тракта с простой аттенюаторной АРЧ позволяет обеспечить наилучшую помехозащищенность РПТ.

Однако полученное значение nNopt РПТ с простой аттенюаторной АРЧ достаточно большое и, например, в метровом диапазоне для напряженной ЭМО [5] составляет 10...15. Кроме этого, для поиска nNopt в соответствии с (7) в каждой точке требуется произвести два измерения F(Kat), и количество таких точек при малом дискрете Kat будет большим. Это может оказаться недопустимым для применения такой структуры АРЧ, например, в РПТ РЛС, поскольку временной интервал, отводимый для анализа внешней ЭМО (и, соответственно, адаптации) зачастую не превышает 100 мкс.

Улучшить значение nNopt за счет снижения потери чувствительности позволяет перенос МШУ из состава rTn на вход РПТ [6] (рис. 3). В таком случае Kx = KymKroc.

Выражение для nN такого РПТ имеет следующий вид: P + P + р

nils' \ _ ± ш.ГТПс^ -1 ш.Aowt -1 nMout

n (k at ) =--"

P

(Рш .ГТПш + (P

ш.Aout

ш.мшу + рш. a kmmy ) • kat ) • + фс^ат )

P K K K

ш.А МШУ AT S

F (kat)

Pm.Aout (KAT )

п п Г1

ш.А Рш.АКМШУ Рш.АП

ГР РГРКМШУ Рш.ГТПш

Рш.МШУ РГРш

Рш.МШУКМШУ

Pc.Aout ----->

Prn.Aout Рш.ГТП out РПМ out

Рис. 3. Структура высокочувствительного РПТ с простой аттенюаторной АРЧ Fig. 3. High sensitivity RRP structure with a simple attenuator ASC

Из сравнения (8) с (5) видно, что условие минимума nNopt по-прежнему соответствует (7), однако помехозащищенность РПТ выше, так как его абсолютное значение ближе к 1, чем для простой аттенюаторной АРЧ.

В рассмотренной схеме важно использовать высоколинейные МШУ с большим порогом перегрузки. В противном случае, например, для типовых МШУ с коэффициентом усиления Кмшу =18...25 дБ, в сложной ЭМО возможно существенное возрастание вклада их нелинейных шумов в общую нелинейность РПТ. При этом включение АРЧ с затуханием АТ более 10 дБ может привести к ситуации, когда нелинейность УПЗ уже не будет вносить решающий вклад в общий уровень нелинейных помех на выходе РПТ.

Решение такой проблемы может быть получено, например, в структуре с эстафетной АРЧ (рис. 4) при многопараметровом регулировании [1, 4, 7].

V

Кмшу1

Кат1

МШУ1 АТ1

П

Рш.А

Ргр

Кмшул

K

Г' 1 1 П' Г1

Prn.AKMmy1 Prn.AKMmyX PrnAin

-РгрКмшу1 -РГЛиШУХ PrnXmin

Prn.Mmy1 Prn .МШУ2 P^in

-Рш.МШУ^АТЕ

Рис. 4. Структура РПТ с эстафетной аттенюаторной АРЧ Fig. 4. RRP structure with a multi cascaded attenuator ASC

Pс.Aout ---->

Рш.Аои

Рш mut

РПМ out

Здесь в сложной ЭМО реализуется эффективная защита РПТ и усилительных звеньев структуры с минимальной потерей чувствительности. Однако, как и для ранее рассмотренных систем, в такой структуре невозможно избежать накопления линейных шумов в тракте при адаптации. Кроме того, уже для п = 2 (т. е. регулируемые АТ используются в двух сечениях тракта) время поиска оптимальной комбинации коэффициентов Кат1 и Кат2, очевидно, возрастает. Последнее обстоятельство существенно ограничивает возможность использования подобных структур АРЧ в нестационарной ЭМО.

Логичным шагом, позволяющим обойти недостатки аттенюаторных АРЧ, является переход к структурам, реализующим размен коэффициента передачи РПТ на динамический диапазон (ДД) и линейность [8]. Возможный вариант такой АРЧ приведен на рис. 5.

Рщ. А -РшА-^МШУ

РTP -РгР^МШУ

-Рш.МШУ

Рис. 5. Структура РПТ с АРЧ c регулируемым МШУ Fig. 5. RRP structure with an adjustable LNA

Здесь регулируемый высоколинейный МШУ выполняет функцию уровневой защиты ГТП от нелинейного поражения. Например, в [9] рассмотрен адаптивный усилитель с дискретно управляемым коэффициентом передачи, в котором регулировка усиления производится посредством изменения глубины бесшумной (реактивной) отрицательной обратной связи. При снижении коэффициента передачи в такой системе коэффициент шума МШУ сохраняется практически неизменным, а верхняя граница ДД пропорционально увеличивается. Таким образом, структура РПТ с АРЧ на базе регулируемого высоколинейного МШУ в нестационарной ЭМО обладает ключевым преимуществом в сравнении с тремя предыдущими - при уменьшении коэффициента передачи регулятора минимизируется ухудшение чувствительности РПТ.

Наряду с поиском новых эффективных структур и технических решений АРЧ, важным вопросом является разработка быстродействующих алгоритмов уровневой адаптации, реализующих оптимальный размен чувствительности РПТ на линейность. Решение этой задачи связанно с разработкой алгоритма поиска Пгори в котором отсутствует необходимость реализации континуума малых приращений Кат, существенно ограничивающих быстродействие АРЧ. Такая процедура может быть реализована в тракте с встречным (т. е. противонаправленным) синхронным изменением коэффициентов передачи АРЧ (например, на базе регулируемого МШУ) и УПЗ (рис. 6).

V

Км

Ky, - Kvm'Iu

УПЗ "Л-фОС/Л-МШУ

п

Рщ-А

РтР

ГТП

МШУ 1 1 УПЗ ФОС

1 - 1 1

Рс.АоШ -----»

^жДмПУ •Ргр-Хмшу

-Pin MTTTV

Рш.Аон!

РшТТПои!

РтШпи/

Рис. 6. Структура РПТ с АРЧ встречного регулирования Fig. 6. RRP structure with a counter regulation ASC

Общий коэффициент передачи ГТП определяется выражением

= Kyn3 • КфОС / ^МШУ •

Тогда выражение для Ün приобретает следующий вид:

P.,

!+ Pa.Aout + PnMout _ (Prn.rnnn + ^.МШУ + ^шА^Шу) • КАТ +ф(КМШу) F (КМШУ)

П (К ) — ш.ГТПout -* mAouf ' nMout _ ' шТППв ' ^шМШУ ' ^шА^'-МШУ/ ~"-АТ ' ЧУ^МШУ/ _ У^МШУ/ (10) NV МШУ/ P P К К P

mAout МШУ £ -ГшAout

Видно, что, поскольку Кмшу К - const, знаменатель в (10) является постоянной, не зависящей от Кмшу** величиной.

Нетрудно показать, что в такой системе условие минимума nN имеет вид

ЯР (КМШУ )

ЯК

_ 0.

(11)

Геометрическая интерпретация (11) приведена на рис. 7, откуда видно, что минимум П^ соответствует минимуму зависимости Р**(Кмшу).

ПдГор/

J7**

Ппмоиг- ф( -Кмшу) /

/ ^ Kz (Рш.хКмШУ +-Рш.гтпот)

пКт

Км

к

MUNopt

— -РшА-^МШУ Ki

Км

Рис. 7. Зависимости нормированного коэффициента помехозащищенности nN и уровня группового

сигнала в ФОС F** от коэффициента передачи МШУ РПТ с АРЧ встречного регулирования Fig. 7. Dependence of the normalized coefficient of noise immunity nN and the level of the group signal in the IF main filter band F** on the LNA gain for RRP structure with a counter regulation ASC

Предложенная структура РПТ с АРЧ встречного регулирования позволяет вместо затратного алгоритма контроля условия (7) выполнять простой поиск минимального значения Р**(Кмшу) при переключении Кмшу. Такое свойство предложенной структуры дает существенное преимущество при аппаратной реализации - в качестве регулируемого МШУ могут использоваться простые схемы с дискретно переключаемым коэффициентом передачи [10, 11].

Заключение

Таким образом, исследованы вопросы повышения помехозащищенности радиоприемных трактов методом уровневой параметрической адаптации. Проведен анализ характеристик радиоприемных трактов с различными типами систем автоматической регулировки чувствительности.

Показано, что требования низкого уровня собственных шумов, большого динамического диапазона и малой инерционности наилучшим образом удовлетворяются оригинальной системой автоматической регулировки чувствительности с регулируемыми элементами в виде МШУ с переключаемыми дискретами усиления.

Доказана возможность определения строгих условий достижения максимума отношения сигнал/помеха без разделения шумовых и нелинейных составляющих на основе аппаратного анализа суммарного процесса в полосе фильтра основной селекции радиоприемного тракта при дискретном изменении усиления МШУ

Разработана система автоматической регулировки чувствительности, инвариантная к шагу дискретизации коэффициентов передачи регулируемых элементов с повышенным быстродействием.

Рассмотренные структурные решения и алгоритмы позволяют оптимизировать технический облик радиоприемных трактов радиолокации, радионавигации и радиосвязи и адаптировать их характеристики к условиям нестационарной ЭМО.

Список литературы

1. Богданович Б.М. Радиоприемные устройства с большим динамическим диапазоном. М.: Радио и связь; 1984.

2. Сон Л.З. Оптимизация радиоприемного устройства по критерию помехозащищенности: автореф. дис. доктора техн. наук: 05.12.17. СПб; 1993.

3. Малевич И.Ю. Радиоприемные устройства. Мозырь: Белый ветер; 2000.

4. Малевич И.Ю. Методы синтеза широкополосных усилительных трактов с контролируемыми параметрами динамического диапазона. Минск: Тонпик; 2004.

5. Малевич И.Ю., Заяц П.В. Помехозащищенность радиоприемных трактов РЛС метрового диапазона и пути ее повышения. Вестник Военной академии Республики Беларусь. 2020;2(67):40-46.

6. Патент РФ № 2004104060/09, 11.02.2004. Цыпленков Ю.С., Рыжков Д.Е., Борисов А.А. Радиолокационный приемник с большим динамическим диапазоном по интермодуляции третьего порядка. Патент России. 2005; № 2254590. Бюл. №17.

7. Чердынцев В.А., Малевич И.Ю., Курочкин А.Е. Методы и устройства приема и обработки радиосигналов. Минск: БГУИР; 2010.

8. Малевич И.Ю. Синтез высоколинейных радиочастотных усилительных трактов. Минск: Бестпринт; 2009.

9. Малевич И.Ю., Заяц П.В. Адаптивный широкополосный малошумящий усилитель радиочастоты. Доклады БГУИР. 2020:18(6):66-74.

10. Малевич И.Ю., Солонович Д.А. Широкополосный усилитель высокой частоты с коммутируемым коэффициентом передачи. Наука и военная безопасность. 2017;2(52):25-28.

11. Малевич И.Ю., Заяц П.В. Синтез широкополосного малошумящего усилителя с управляемым ступенчатым коэффициентом передачи. Вестник Военной академии Республики Беларусь. 2018;4(61):133-139.

References

1. Bogdanovich B. M. [High dynamic range radio receivers]. Moscow: Radio i Svyaz; 1984. (In Russ).

2. Son L.Z. [Optimization of a radio receiving device according to the criterion of noise immunity]. St.Petersburg; 1993. (In Russ.)

3. Malevich I.Y. [Radio receivers]. Mozyr: Beliy Veter; 2000. (In Russ.)

4. Malevich I.Y. [Methods for the synthesis of broadband amplifying paths with controlled parameters of the dynamic range]. Minsk: Tonpik; 2004. (In Russ.)

5. Malevich I.Y., Zayats P.V. [Noise immunity of radio receiving paths of VHF radars and ways to improve it]. Vestnik Voyennoy Akademii Respubliki Belarus. 2020;2(67):40-46. (In Russ.)

6. Patent RU № 2004104060/09, 11.02.2004. Tsyplenkov Ju.S., Ryzhkov D.E., Borisov A.A. [Radar receiver with large dynamic range by intermodulation of third order]. Patent RU. 2005; № 2254590. Бюл. №17.

7. Cherdyntsev V.A., Malevich I.Y., Kurochkin A.E. [Methods and devices for receiving and processing radio signals]. Minsk: BSUIR; 2010. (In Russ.)

8. Malevich I.Y. [Synthesis of High-Linear RFAmplifier Paths]. Minsk: Bestprint; 2009. (In Russ.)

9. Malevich I.Y., Zayats P.V. [Adaptive broadband low noise radio frequency amplifier]. Doklady BGUIR = Doklady BGUIR. 2020:18(6):66-74. (In Russ.)

10. Malevich I.Y., Solonovich D.A. [High frequency broadband amplifier with switched gain]. Nauka i voennaya bezopasnost'. 2017;2(52):25-28. (In Russ.)

11. Malevich I.Y., Zayats P.V. [Synthesis of a wideband low noise amplifier with a controlled step gain]. Vestnik Voyennoy Akademii Respubliki Belarus. 2018;4(61):133-139. (In Russ.)

Вклад авторов

Все авторы в равной степени внесли вклад в написание статьи.

Authors' contribution

All authors equally contributed to the writing of the article.

Сведения об авторах

Заяц П.В., начальник отдела ОАО «КБ Радар» -управляющая компания холдинга «Системы радиолокации».

Малевич И.Ю., д.т.н., профессор, главный научный сотрудник службы фундаментальных и прикладных исследований ОАО «КБ Радар» -управляющая компания холдинга «Системы радиолокации».

Адрес для корреспонденции

220026, Республика Беларусь,

г. Минск, Партизанский пр-т, 64 а,

ОАО «КБ Радар» - управляющая компания

холдинга «Системы радиолокации»;

тел. +375-17-295-30-91;

e-mail: p.zayats@kbradar.by

Заяц Павел Владимирович

Information about the authors

Zayats P.V., Head of Department at JSC "KB Radaf' -Managing Company of "Radar Systems" Holding.

Malevich I.Y., D.Sc., Professor, Senior Resercher of the Fundamental and Applied Research Division of JSC "KB Radar" - Managing Company of "Radar Systems" Holding.

Address for correspondence

220026, Republic of Belarus,

Minsk, Partizanski ave., 64 a,

JSC "KB Radar" - Managing Company

of "Radar Systems" Holding;

tel. +375-17-295-30-91;

e-mail: p.zayats@kbradar.by

Zayats Pavel Vladimirovich