Разработка модели для исследования помехоустойчивости обнаружителя радиосигналов

№ 3’2014
PDF версия
В статье приводятся результаты разработки модели для исследования помехоустойчивости обнаружителя радиосигналов, которая дополнена блоком выборки 20 отсчетов выходного напряжения согласованного фильтра и блоком оценок. По выборке из 20 отсчетов в блоке оценок вычисляются средняя амплитуда сигнала и ее среднеквадратичное отклонение, а затем отношение сигнал/помеха на выходе согласованного фильтра. Вычисляется также порог обнаружения для заданной вероятности ложной тревоги. По величине порога обнаружения на цифровом вольтметре оператор определяет число обнаруженных радиоимпульсов и оценивает вероятность их обнаружения при различных отношениях сигнал/помеха.

Модель для исследования помехоустойчивости обнаружителей радиосигналов актуальна для разработчиков соответствующей аппаратуры, эксплуатирующих ее специалистов и обучающихся в вузе будущих радиоинженеров.

Принципы построения обнаружителей радиосигналов и оценки их помехоустойчивости описаны в литературе [1].

В то же время отсутствуют описания моделей для исследования помехоустойчивости обнаружителей радиосигналов в широко используемых программах моделирования электронных блоков и систем Micro-Cap 9 (7) [2].

В статье приведена модель обнаружителя радиосигналов со случайными параметрами, которая дополнена блоком выборки 20 отсчетов выходного напряжения согласованного фильтра. По выборке из 20 отсчетов в блоке оценки среднего значения вычисляется средняя амплитуда сигнала и ее среднеквадратичное отклонение (СКО), а затем отношение сигнал/помеха на выходе согласованного фильтра. Схема модели представлена на рис. 1.

Модель обнаружителя радиосигналов с блоками выборки отсчетов, оценки среднего значения, СКО отсчетов и отношения сигнал/помеха

Рис. 1. Модель обнаружителя радиосигналов с блоками выборки отсчетов, оценки среднего значения, СКО отсчетов и отношения сигнал/помеха

Формирователь радиоимпульсов создает радиоимпульсы с несущей частотой 100 кГц и огибающей колоколообразной формы. Эти импульсы поступают на вход S сумматора. На другой вход сумматора (N) поступает шумовой сигнал с выхода генератора помехи.

Под воздействием помехи реализация радиоимпульса на входе обнаружителя искажается так, что изменяется его форма, а амплитуда и фаза меняются случайным образом (рис. 2). Пунктиром показана осциллограмма исходного радиоимпульса.

Радиоимпульс на входе обнаружителя

Рис. 2. Радиоимпульс на входе обнаружителя

Амплитудный спектр помехи перекрывает спектр радиоимпульсов, что иллюстрируют соответствующие спектры одной из реализаций, полученные в диапазоне частот от 50 до 150 кГц (рис. 3).

Амплитудные спектры на входе обнаружителя

Рис. 3. Амплитудные спектры на входе обнаружителя

Осциллограммы радиоимпульса и помехи приведены соответственно на рис. 4а и б. С выхода сумматора (S+n) они поступают на инерционный детектор, выполненный на элементах D1, R1, R2, C1 и E17. На выходе (id) инерционного детектора получают импульсы, осциллограмма которых представлена на рис. 4в.

Осциллограммы на выходах блоков обнаружителя

Рис. 4. Осциллограммы на выходах блоков обнаружителя

Для фильтрации высокочастотных составляющих в спектре огибающей применен фильтр предварительной фильтрации, состоящий из двух каскадов операционных усилителей (Х4 и Х5).

Отфильтрованное напряжение (рис. 4г) огибающих радиоимпульсов поступает через разделительную емкость С11 на согласованный фильтр, состоящий из инерционного звена R11, C6 и двух каскадов операционных усилителей (Х7 и Х8) и усилителя Е18. Напряжение одной из реализаций на выходе согласованного фильтра (SF) изображено на рис. 4д.

На осциллограммах (рис. 4а, д) показано пунктирной стрелкой, что максимум напряжения на выходе согласованного фильтра приходится на последние затухающие полтора периода радиоимпульса.

На рис. 5 показан амплитудный спектр огибающей радиоимпульсов на выходе согласованного фильтра.

Амплитудный спектр огибающей радиоимпульса

Рис. 5. Амплитудный спектр огибающей радиоимпульса

Сравнивая амплитудные спектры огибающей радиоимпульсов на рис. 5 и амплитудные спектры реализаций помехи на рис. 6 на выходе согласованного фильтра, отметим, что в этих двух случаях спад спектров до уровня 0,5 от максимума наблюдается на частоте ~8 кГц. Это свидетельствует о согласованности амплитудного спектра сигнала с квадратом модуля комплексного коэффициента передачи фильтра.

Амплитудные спектры реализаций помехи

Рис. 6. Амплитудные спектры реализаций помехи

На рис. 7 приведена часть осциллограмм (сверху вниз) 20 реализаций радиоимпульсов, сигналов на выходе инерционного детектора, отрезков помехи, сигналов на выходе согласованного фильтра, вычисленного порога по заданной вероятности ложной тревоги Рлт = 10–4 и полученной оценки СКО-σ, а также изменения среднего значения амплитуды сигнала на выходе согласованного фильтра (красного цвета).

Осциллограммы и цифровые оценки при отношении сигнал/помеха

Рис. 7. Осциллограммы и цифровые оценки при отношении сигнал/помеха при:
а) q = 1,83;
б) q = 4,44;
в) q = 6,64

Осциллограммы реализаций и цифровые оценки получены при отношениях сигнал/помеха q, равных 1,83, 4,44 и 6,64.

Радиоимпульс считается обнаруженным только в случае превышения порога U в момент окончания этого импульса. Оценка вероятности Рпо э = 0,2 правильного обнаружения представлена на рис. 7а. В данной выборке только четыре превышения порога U произошли в момент окончания радиоимпульсов. Другие превышения возникли из-за действия сравнительно мощной помехи.

Результаты экспериментальных выборок вероятности Рпо э сравниваются на рис. 8 с расчетными значениями вероятности правильного обнаружения Рпо при заданных значениях вероятности ложных тревог Рлт, приведенных в работе [1].

Характеристики обнаружения радиосигналов [1] и экспериментальные оценки вероятности правильного обнаружения при различных q (желтые кружки, соединенные красными линиями)

Рис. 8. Характеристики обнаружения радиосигналов [1] и экспериментальные оценки вероятности правильного обнаружения при различных q (желтые кружки, соединенные красными линиями)

Как следует из сравнения экспериментальных оценок вероятностей Рпо э, можно констатировать достаточно близкое совпадение их с расчетной характеристикой обнаружения радиоимпульса со случайными амплитудой и фазой при заданной вероятности ложной тревоги Рлт = 10–4.

Наблюдаемые отклонения при отношениях сигнал/помеха q 1,8, q 3,3… и т. д. можно объяснить малой выборкой (20 реализаций).

В подобных случаях можно рекомендовать повторные испытания с соответствующей статистической обработкой результатов исследований.

Разработанная модель для исследования помехоустойчивости обнаружителей радиосигналов позволяет проводить широкий круг исследований, а также исследовать помехоустойчивость таких устройств на лабораторных занятиях по дисциплине «Радиотехнические системы».

Литература
  1. Гришин Ю. П., Ипатов В. П., Казаринов Ю. М. и др. Радиотехнические системы: Учеб. для вузов по спец. «Радиотехника». М.: Высшая школа, 2010.
  2. Амелина М. А. Компьютерный анализ и синтез электронных устройств. Ч. 1: конспект лекций. Смоленск: МЭИ (ТУ), 2005.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *