Согласованные фильтры одиночных импульсных сигналов. Импульсная реакция согласованного фильтра. Структурная схема обнаружителя с согласованным фильтром. Частотная характеристика.

Значение z(Т) может быть получено не только с помощью корреляцион­ного приемника, но также с помощью линейного фильтра, который называют согласованным (оптимальным) фильтром.

Потребуем, чтобы линейный фильтр обеспечивал на своем выходе напряжение, пропорциональное значению корреляционного интеграла z(t3) при Произвольном времени t прихода сигнала s (t - tз). Запишем корреляционный интеграл в виде (1):

Выражение (1) представляет интеграл свертки, которую осуществляет линейный фильтр. Если импульсная реакция линейного фильтра (реакция на δ-функцию) описывается функцией g (t), то реакция фильтра на произвольное Дeйствие r(t) выражается сл. образом (1):

Для определения импульсной реакции согласованного фильтра потребуем, чтобы напряжение на его выходе в момент времени t=tз+t0 (t0 - некоторая постоянная величина) с точностью до вещественного множителя С равнялось величине корреляционного интеграла (3):

Это равенство означает, что на выходе согласованного фильтра должны после­довательно во времени воспроизводиться текущие значения корреляционного интеграла с некоторой постоянной задержкой t0. В соответствии с соотноше­ниями (1)-(3) получим (4):

В момент времени СФ обеспечивает на выходе напряжение, пропорциональное величине корреляционного интеграла z(t₃). Следовательно, такой фильтр можно использовать при оптимальном обнаружении сигналов.

Имп. реакция согласованного фильтра в соответствии с (4) представляет функцию s(t), в которой аргумент t заменен на (t₀-t). Это означает зеркальное отображение функции s(t) относительно прямой t=t₀/2, введя t=t₀/2+е получим:

(5)

Определим частотную характеристику СФ. Комплексный коэф. передачи фильтра связан с импульсной реакцией преобразованием Фурье:

(6)

Модуль комп. коэф. передачи определяет АЧХ СФ:

(7)

Аргумент комп. коэф. передачи определяется выр.:

ФЧХ СФ обеспечивает компенсацию фазовых сдвигов спектральных составляющих сигнала, что приводит к их одновременному наложению в момент времени t=t₃+t₀ и достижению максимума напряжения сигнала на выходе фильтра.

Мерой разрешающей способности сигналов по времени служит АКФ сигнала. Для обеспечения наибольшей различимости по времени необходимо выбирать такие сигналы, у которых АКФ приближается к нулю всюду, за исключением окрестности Напряжение на выходе согласованного фильтра при отсутствии шума имеет форму автокорреляционной функции сигнала. В обнаружителях сигналов со случайными параметрами на выходе цепи, состоящей из согласованного фильтра и детектора огибающей, формируется напряжение, которое по форме повторяет автокорреляционную функцию комплексной огибающей ожидаемого сигнала. Таким образом, различимость сигналов определяется свойствами АКФ, в частности временем корреляции. Интервал задержки одного сигнала по отношению к другому, в пределах которого сигналы считаются неразрешимыми, называется интервалом неопределенности

по задержке. Этот интервал определяется удвоенным значением времени корреляции: представляет автокорреляционную функцию комплексной огибающей сигнала. Согласно выражению (4.11), наибольшей разрешающей способностью по времени, а следовательно, и по дальности обладают системы, использующие широкополосные сигналы, имеющие малое время корреляции_> т.е. малый интервал неопределенности по задержке. Рассмотрим разрешающую способность по частоте (скорости). В качестве меры различимости сигналов, различающихся частотой, можно принять величину среднего квадрата разности спектральных функций огибающих

является комплексной функцией частотной корреляции. По аналогии с можно ввести в рассмотрение интервал неопределенности по частоте

Согласно выражению (4.13), наибольшей разрешающей способностью по частоте (скорости) обладают системы, использующие протяженные сигналы, которые имеют малый интервал неопределенности по частоте.

Реализация согласованных фильтров для одиночного импульса и последовательности закономерных импульсов с весовым сумматором. Структурная схема согласованного фильтра сигнала со случайными параметрами.

Рассмотрим некоторые виды сигналов и соответствующие им согласованные филь­тры.

Согласованный фильтр для прямоугольного видеоимпульса определяется следующи­ми характеристиками. Сигнал имеет вид

Спектральная функция такого сигнала

Положим t_Q = и найдем комплексный коэффициент передачи согласованного фильтра по формуле

Функциональная схема фильтра приведена на рис1, а. Фильтр содержит идеальный усилитель с коэффициентом усиления k_Q = СА, интегратор, линию задержки на время и вычитающее устройство. Реакция согласованного фильтра на сигнал показана на рис.1,б.

Форма напряжения соответствует автокорреляционной функции прямоугольного импульса:

Минимум напряжения U_с.ф(t) достигается при t=

В случае согласованного фильтра для последовательности знакопеременных импульсов(псевдослучайной последовательности - ПСП) сигнал задан в виде

где принимает значения ± 1 в соответствии с законом формирования ПСП; - длительность элемента ПСП. Пример чередования знаков в ПСП показан на рис. 2, а.

Соответствующая последовательности импульсная реакция согласованного фильтра приведена на рис. 2, б. Фильтр в данном случае может быть реализован с помощью многоотводной линии задержки (ЛЗ) и блока весовых коэффициентов (БВК), на выходах которого формируются напряжения, подаваемые на входы сумматора (рис.2,в). На выходе сум­матора включен оконечный фильтр (ОСФ), согласованный с элементом ПСП - прямо­угольным импульсом, имеющим длительность .Для шумоподобного сигнала, каким является ПСП, наблюдается эффект сжатия сигнала, проявляющийся в сокращении эффективной продолжи­тельности сложного сигнала в результате согласованной фильтрации. Коэффициент сжа­тия (на уровне 0,5 максимального значения выходного напряжения) определя­ется базой сигнала и в рассматриваемом случае равен N=T/ , где Т - продол­жительность ПСП. Таким образом, ширина спектра выходного сигнала согла­сованного фильтра остается такой же, как и у входного сигнала. Отметим, что согласованный фильтр, обеспечивая максимальное отноше­ние сигнал/шум на выходе, существенно изменяет форму сигнала.

Использование линий задержки и весового суммирования возможно не
только для дискретных сигналов. Такое использование основано на прибли­женном
представлении импульсной реакции g_opt(t) в виде ступенчатой функции (рис. 4):

Интервал выбирается из условия обеспечения требуемой точности ап­проксимации импульсной реакции. Если эффективная ширина спектра функции g_opt(t) ограничена частотой F_в, то по теореме Котельникова, необходимый интервал должен быть не более 1/(2 F_в). Коэффициенты в блоке весовых коэффициентов выбираются в соответствии с величинами g_k=g_opt(k ), k= . Структурная схема согласованного фильтра на линии задержки показана на рис5. Оконечный согласованный фильтр согласован с прямоугольным импульсом, имеющим длительность .

Дата добавления: 2015-12-08