РАЗДЕЛ 2
РАЗРАБОТКА МЕТОДА ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ПРИ ПОВЫШЕНИИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ РАДИОМЕТРИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЗЕМЛЕОБЗОРА НА ОСНОВЕ КОМПЕНСАЦИИ УЗКОПОЛОСНОЙ ПОМЕХИ, НАКОПЛЕНИЯ И ДЕКОРРЕЛЯЦИИ ШУМОВ В ТРАКТЕ ПРИЕМА
2.1. Анализ прохождения узкополосных помех через основные элементы радиометрического тракта приема
В миллиметровом диапазоне волн, независимо от типа тракта приема радиометрической системы землеобзора, как показывает анализ [2, 25, 42], его функциональная схема строится по принципу, представленному на рис. 2.1. Схема должна содержать антенну, смеситель с гетеродином, усилитель промежуточной частоты (УПЧ), квадратичный детектор, усилитель звуковой частоты (УЗЧ) и интегратор.
На входе радиометра действует полезный сигнал с интенсивностью Т, внутренний шум с интенсивностью Т, в 10...100 раз и более превышающий Т, и узкополосная помеха. Воздействие помехи, в зависимости от ее интенсивности, при прохождении в тракте приема, будет по разному сказываться на качестве функционирования приемника в целом. Поэтому для оценки степени влияния помехи и определения в дальнейшем возможных способов обеспечения помехоустойчивости приемника необходимо рассматривать действие указанной помехи в каждом функциональном элементе отдельно [72, 77, 104, 105].
2.1.1. Анализ воздействия помехи на смеситель.
Специфическим моментом в оценке работы преобразователей частоты в присутствии помехи для данного класса приемников является воздействие помехи с частотой, не попадающей в полосу приема приемника, а близкой или равной частоте гетеродина [12]. Рассмотрим этот случай.
Как показывает анализ отечественных и зарубежных источников [25, 75], лучшие шумовые характеристики смесителей в миллиметровом диапазоне волн могут быть достигнуты в настоящее время на основе их построения на полупроводниковых диодах с барьером Шоттки.
Известно [87, 98], что при больших уровнях входного сигнала вольт-ам-перную характеристику диода с барьером Шоттки (ДБШ) целесообразней представлять степенной аппроксимацией вместо экспоненциальной. В этом случае можно записать
i(u) = I0um,
где I0 - крутизна характеристики, учитывающая степень аппроксимации m.
Соответственно для переменного напряжения
i(t) = I0um(t). (2.1)
Для удобства анализа внутренний шум и полезный сигнал, представляющие собой случайные шумовые процессы, ограниченные в полосе ?f, запишем в виде обобщенного шумового сигнала с интенсивностью РШ0 = РШ + РС и напряжением uШ(t), причем РШ >> РС.
Тогда в рассматриваемом случае входным сигналом для ДБШ является сумма напряжений гетеродина, обобщенного сигнала и помехи, то есть:
u(t) = uГ(t) + uШ(t) + uП(t). (2.2)
Будем полагать, что амплитуда помехи сравнима с амплитудой сигнала гетеродина и гораздо больше уровня обобщенного сигнала.
Подставив (2.2) в (2.1), получим:
i(t) = I0[uГ(t) + uШ(t) + uП(t)]m.
В соответствии с формулой бинома Ньютона, запишем:
(2.3)
где
Пренебрегая членами высшего порядка малости, перепишем (2.3) в виде:
i(t)=I0{[uГ(t) + uП(t)]m + m[uГ(t) + uП(t)]m-1uШ(t)}. (2.4)
Положим, что сигналы гетеродина и помехи представляют собой гармонические колебания с постоянными амплитудами UГ и АП и частотами fГ и fП соответственно, а обобщенный шумовой сигнал представляет собой ограниченный в полосе частот белый шум с нулевым средним.
Тогда можем записать:
uГ(t) = UГcos?Гt,
uП(t) = АПcos?Пt, (2.5)
uШ(t) = UШ(t)cos[?0t+?(t)],
где UШ(t) и ?(t) - случайные амплитуда и фаза обобщенного сигнала;
?0 - центральная частота обобщенного сигнала.
Сумму сигналов помехи и гетеродина представим в следующем виде:
(2.6)
где qГ = UГ/АП , а ?? = ?Г - ?П.
Подставив (2.6) в (2.4), получим:
(2.7)
где
В выражении (2.7) степенные зависимости функции могут быть представлены следующим образом:
(2.8)
Исходя из приведенных выражений, следует отметить, что для того, чтобы на входе УПЧ появился сигнал (положим, при верхней настройке гетеродина) с частотой ?пч = ?Г - ?0 , в выражении (2.7) величина m - 1 должна быть нечетная, следовательно, вольт-амперная характеристика ДБШ должна обязательно иметь нечетную степень аппроксимации.
Таким образом, после преобразования и фильтрации на входе УПЧ будет действовать сигнал
(2.9)
Кроме того, на положение рабочей точки смесителя будет влиять постоянная составляющая тока диода
(2.10)
Переменный ток, поступающий на УПЧ, будет вызывать на его входе напряжение, представляющее сумму шумового и мешающего сигналов, амплитуда которого будет иметь вид:
(2.11)
где rвх - входное сопротивление УПЧ переменному току.
В свою очередь в общем виде можно записать:
Uвx(t)=UШвыx(t)+UПвыx(t), (2.12)
где UШвыx(t), UПвыx(t) - амплитуды напряжений обобщенного шумового сигнала и помехи на выходе преобразователя.
Из выражения (2.11) при отсутствии помехи (qГ = ?) запишем амплитуду обобщенного сигнала
(2.13)
Тогда, разделив (2.12) на (2.13), с учетом (2.11) получим:
(2.14)
Откуда:
(2.15)
На рис. 2.2 представлена зависимость отношения по мощности обобщенного шумового сигнала и помехи на выходе преобразователя частоты от отношения мощностей гетеродина и помехи на входе q, при различных степенях аппроксимации m, для случая равенства частот помехи и гетеродина.