У сучасних приймачах дециметрового та сантиметрового діапазону

Р_пр.min = 10^{(-13 - -14)} Вт, в приймачах метрових та коротких хвиль Е_пр.min = 2 - 50 мкВ.

На надвисоких частотах чутливість обмежується в основному внутрішніми шумами приймача. Величина шумів приймача характеризується коефіцієнтом

шуму N.

Так як до шумів, які надходять від джерела сигналу, додаються внутрішні шуми приймача, то відношення сигнал/шум на виході приймача буде меншою, ніж на вході. Кількісно це погіршення характеризується також коефіцієнтом шуму.

Коефіцієнт шуму N пристрою приймача називають величину, яка показує, у скільки разів відношення потужності сигналу і шуму на вході пристрою більше відношення потужності сигналу і шуму на його виході:

(2)

 

Коефіцієнт шуму вимірюється у відносних одиницях і децибелах, причому N [дБ] = 10lg N [раз]. Для ідеального каскаду N = 1. Реально у сучасних радіолокаційних приймачах N = 1 - 10.

Шумові властивості приймача характеризуються також ефективною шумовою температурою Т_е, яка пов`язана з коефіцієнтом N співвідношенням:

 

Т_е = Т_о (N - 1), (3)

де Т_о = 300 К.

Коефіцієнт шуму приймача визначається, в основному, шумами перших каскадів, і для зменшення коефіцієнта шуму і збільшення чутливості приймача перші каскади

(каскади ПВЧ) повинні бути з малим рівнем шуму.

Коефіцієнт підсилення характеризує підсилювальні властивості приймача. Розрізнюють коефіцієнт підсилення по потужності К_р і коефіцієнт підсилення по напрузі К.

Коефіцієнтом підсилення по потужності К_р називають відношення потужності на виході пристрою до потужності на його вході:

(4)

Аналогічно визначається коефіцієнт підсилення по напрузі:

(5)

При умові узгодження на вході і на виході каскаду, коли каскад споживає від джерела сигналу (попереднього каскаду, або антени) максимально можливу (номінальну) потужність Р_н.вх і віддає у навантаження номінальну потужність Р_н.вих, відношення цих потужностей називають коефіцієнтом підсилення по номінальній потужності.

(6)

Чим більший коефіцієнт підсилення К_нР даного каскаду, тим менший вплив шумів наступних каскадів на чутливість приймача.

Коефіцієнт підсилення виражається у відносних одиницях або децибелах, причому К [дБ] = 20 lg K [раз] і Кр [дБ] = 10 lg K [раз]. В сучасних приймачах загальне підсилення К = (0,1 - 10)∙10⁶; Кp = (0,1- 10)∙10¹³;

Коефіцієнт підсилення є комплексна величина, тому, що між вхідною і вихідною потужністю пристрою існує зміщення фаз за рахунок реактивних елементів.

Залежність модуля коефіцієнта підсилення від частоти називають частотною характеристикою, а залежність кута зміщення фаз між Uвих і U вх (аргументу К) від частоти - фазовою характеристикою.

Смуга пропускання приймача характеризує його селективні властивості і визначає область частот, які одночасно можуть проходити через приймач. Кількісно смуга пропускання визначається, як різниця частот f₁ i f₂, для яких коефіцієнт підсилення по напрузі К зменшується в , а коефіцієнт підсилення по потужності К_р - в два рази від свого максимального значення (рис. 2).

Для приймачів імпульсних сигналів існує оптимальна або квазіоптимальна смуга пропускання, при якій відношення сигнал/шум на виході лінійної частини приймача максимальне. Оптимальна смуга залежіть від форми та тривалості імпульсу і визначається співвідношенням.

(7)

де t_і - тривалість прийнятого імпульсу;

0,8 - для дзвіноподібного імпульсу;

1,37 - для прямокутного імпульсу.

 

Рис. 2.

і

мал.2

 

В реальних приймачах РЛС Fопт = 0,1 - 1 Мгц.

У випадках відхилення смуги пропускання РПрП від оптимальної відношення сигнал/шум на виході його лінійної частини погіршується. Це обумовлено різним розподіленням спектру імпульсного сигналу і шуму по частоті.

Гранична чутливість, смуга пропускання і коефіцієнт шуму пов`язані такими залежностями:

, Вт (8)

, мкВ (9)

 

де k - постійна Больцмана (1,38∙10^-23 Дж/К);

T_о = 300 K^о;

R_а = опір випромінювання антени, Ом;

 

Діапазонність приймача характеризує здатність приймача працювати в діапазоні частот і визначає в основному перешкодозахищеність приймача під час застосування активних перешкод. Кількісно вона характеризується коефіцієнтом перестроювання по частоті К_f, який рівний відношенню максимальної і мінімальної частот, на які може бути перестроєний даний приймач.

Динамічний діапазон характеризує здатність приймача працювати без перевантаження при дії сильних сигналів та перешкод. Кількісно динамічний діапазон визначається по вхідному D_вх і вихідному D_вих сигналам.

Динамічний діапазон по вхідному сигналу D_вх називають відношення максимальної вхідної напруги U_{вх max}, при якій відсутнє перевантаження приймача, до мінімальної вхідної напруги U_{вх min}, якій відповідає гранична чутливість приймача:

(10)

Аналогічно визначають динамічний діапазон по вихідному сигналу:

(11)

Інколи визначають D_вх і D_вих через потужність.

Вимірюють D_вх і D_вих у відносних одиницях або дБ. У сучасних приймачах D_вх > 70 - 80 дБ.

РПрПР характеризуються також стійкістю роботи, надійністю, техніко-економічними показниками (вартістю, масою, габаритними розмірами).

 

Питання 3. МЕТОДИ ПОЛІПШЕННЯ ЧУТЛИВОСТІ ПРИЙМАЛЬНИХ ПРИСТРОЇВ.

 

На практиці прийом корисних сигналів виконується при дії внутрішніх та зовнішніх перешкод (шумів). Приймач, який забезпечує прийом сигналів при наявності шумів, прийнято називати оптимальним приймачем. Прийом сигналів при наявності шумів приводить до вирішення однієї із наступних задач:

- виявлення сигналу, тобто встановлення факту наявності або відсутності сигналу;

- виділення сигналу, тобто знаходження форми коливань сигналу або одного (інколи декількох) параметрів цього коливання (амплітуди, часу приходу і т.д.).

Задачі виявлення і виділення мають багато спільного і в ряді випадків можуть вирішуватись одночасно. Але ці задачі мають і суттєві відмінності. Тому оптимальний приймач виявлення може бути неоптимальним з точки зору виділення сигналу і навпаки. В радіолокації переважною є задача виявлення.

 

3.1 КРИТЕРІЇ ОПТИМАЛЬНОСТІ ПРИЙМАЧА.

 

В процесі виявлення сигналу можуть бути помилки двох видів:

1) рішення про наявність сигналу, коли насправді є тільки шум (хибна тривога) Р_хт;

2) рішення про відсутність сигналу, коли сигнал дійсно є (пропуск сигналу) Р_пр;

 

В залежності від ймовірності помилок введені критерії:

- Згідно з критерієм ідеального спостерігача приймач є оптимальним, якщо він забезпечує мінімальну ймовірність помилки будь якого виду.

Згідно критерієм Неймана-Пірсона приймач є оптимальним, якщо він забезпечує максимальну ймовірність правильного виявлення, мінімальну ймовірність пропуску сигналу при заданій ймовірності помилкової тривоги.

Критерій Неймана-Пірсона найбільше застосовується в радіолокації.

Відомі інші критерії оптимальності приймача (критерій Байєса, мінімаксний критерій, критерій втрати інформації).

В загальному випадку різним критеріям оптимальності відповідають різні структури і властивості оптимального приймача.

Розрізнюють приймальні пристрої сигналів з відомою структурою і приймачі сигналів з невідомою структурою.

При вирішенні задачі виявлення відомого радіолокаційного сигналу можливі два види оптимального приймача - приймач з оптимальним фільтром (тобто з фільтровою обробкою сигналу) та кореляційний приймач.

Приймач з оптимальним фільтром може вирішувати дві задачі:

- відтворювати з мінімальною середньою квадратичною помилкою повідомлення, яке несе сигнал U_с(t);

- відтворювати з мінімальною середньою квадратичною помилкою сигнал U_с(t).

Для приймача РЛС виявлення головною є задача виявлення сигналу, тому оптимальний приймач можна представити як узгоджений лінійний фільтр, імпульсна характеристика якого h(t) дзеркальна по відношенню до очікуваного сигналу, з наступним детектуванням (рис. 3). Вказана вимога виконується, якщо АЧХ фільтра |K(w) | подібна амплітудно-частотному спектру сигналу |g(w)|, тобто

| K(w)| ~ | g(w) |,

а фазочастотні характеристика і спектр пов`язані виразом

arg K(w) = - arg g(w) – wt_о (12)

де t_о - час затримки сигналу у фільтрі.

Рис. 3

Причому оптимальним буде такий лінійний фільтр, який забезпечує на виході детектора максимальне відношення сигнал/шум. Структура фільтра суттєво залежить від спектру сигналу. Оптимальним є фільтр, комплексна частотна характеристика якого пропорційна комплексно-спряженому спектру сигналу, який приймається. Наприклад, для пакету (послідовності) n-періодичних радіоімпульсів (для пакета відбитих сигналів від цілі) оптимальний фільтр складається з двох послідовно увімкнених блоків К₁ (jw) і K₂ (jw) і має гребінчасту частотну характеристику (рис. 4).

Рис. 4.

 

Блок К₁(jw) - оптимальний фільтр для одиночного радіоімпульсу. Структура і частотна характеристика блоку К₂ (jw) суттєво залежать від кількості імпульсів n. При n >> 1 цей блок має гребінчасту частотну характеристику і називається тому гребінчастим фільтром. При кінцевому n гребінчастий фільтр реалізується у вигляді лінії затримки з (n-1) відводами і роздільними каскадами РК (рис. 5).

Рис. 5.

При n®¥ гребінчастий фільтр може бути реалізований у вигляді широкосмугового каскаду з затриманим від’ємним зворотнім зв`язком (рис. 6) при bК®1. Для кінцевого числа імпульсів останній фільтр не є оптимальним.

Рис..6.

 

Так як реалізація оптимальних фільтрів пов’язана з деякими труднощами, то застосовують квазіоптимальні фільтри для обробки прямокутного імпульсу та для обробки дзвіноподібного радіоімпульсу.

Форма частотної характеристики фільтра задана і відповідає резонансній характеристиці системи контурів, а максимальне відношення сигнал/шум на виході фільтра забезпечується тільки підбором смуги пропускання.

Найлегше узгоджені фільтри реалізуються на проміжній частоті. У цьому випадку приймальний пристрій будується по супергетеродинній схемі.

У випадку прийому простих імпульсних сигналів в якості узгодженого фільтра використовується смуговий фільтр.

У випадку прийому складних сигналів (ЧМ і ФМ радіоімпульсів) найбільш важливим, але разом з тим технічно важко реалізованою, є умова узгодження фазових характеристик фільтра і сигналу, так як вона визначає ступінь стискання вхідних сигналів в часі при збереженні практично незмінних ширини спектрів сигналів на вході і на виході фільтра, а також роздільну здатність по запізнюванню складних модульованих сигналів. В результаті перетворень в узгодженому фільтрі складний сигнал перетворюється в простий (не модульований сигнал з малою тривалістю).

Вказані схеми фільтрових приймачів мають недолік багатосигнальності, тобто кожному сигналу потрібний свій фільтр і навпаки. Тому зараз інтенсивно розвивається новий напрямок - побудова керованих (програмне або адаптивне) фільтрів. Такі фільтри будуються на цифрових або аналогових елементах.

Кореляційні приймачі, як правило, використовуються при обробці складних сигналів з великою базою. Кореляційний приймач дозволяє виконати оптимальне виявлення сигналів з повністю відомими параметрами.

Для реалізації оптимального кореляційного приймача імпульсної РЛС, крім відомих параметрів (частоти сигналу, тривалості імпульсу і т.д.), потрібно знати положення очікуваного відбитого сигналу в часі. У цьому випадку може бути забезпечена мінімальна середня квадратична помилка відтворення повідомлення. Структурна схема найпростішого кореляційного приймача надана на рис.7, де y(t) - прийняті коливання, x(t) - опорні коливання, які корельовані з сигналом. Наприклад, x(t) - затриманий на час Т_з корисний сигнал.

Рис.7

 

Після перемноження складного вхідного сигналу на опорний (при їх узгодженості в часі і по частоті) він стає демодульованим. В результаті цей сигнал стискується по спектру.

Потенційні можливості кореляційних і фільтрових приймачів сигналів відомої структури однакові, не дивлячись на різні перетворення сигналів, які застосовуються в них.

Позитивні якості і недоліки фільтрових і кореляційних приймачів різні, тому застосовують комбіновані кореляційно-фільтрові приймачі.

При побудові приймачів сигналів з невідомою структурою найбільш поширеними є детекторні (прямого підсилення), автокореляційні, багатоканальні супергетеродинні приймачі і приймачі з швидким спектральним аналізом.