Файл: Бобровников Л.З. Радиотехника и электроника учебник.pdf

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 11.04.2024

Просмотров: 196

Скачиваний: 11

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

каротаж и т. д.), где в точке приема имеется исходный сигнал или же его можно передать по кабелю или по радиоканалу.

Пусть на входе взаимно-корреляционного устройства имеется некоторый сигнал и шум

^ ( 0 = ^ ( 0 + ^ ( 0 -

Если имеется чистый сигнал

х2 (t) = C (t — x),

то можно получить взаимно-корреляционную функцию в виде

г

 

 

 

Ф 1 2 (т) = l i m -±r f

[С (t) + Ш1 (*)] C{t-x)dt

= Фсс

(т) +

+

Фшс(т) = Фс с (Т).

 

 

Взаимно-корреляционная функция шум/сигнал

Ф ш с

(т) = 0 при

т - > оо, поскольку сигнал и шум не коррелированы. Таким образом, взаимно-корреляционная функция в данном случае равна автокорре­ ляционной функции, а шумы не проявляются. Поэтому взаимнокорреляционное устройство позволяет более эффективно обнаружи­

вать

периодические

сигналы

на фоне

случайных

шумов и помех.

В

общем случае

необязательно

иметь чистый сигнал. Даже если

и имеется второй

сигнал

 

 

 

 

 

 

 

х2 (t) =

C{t-x)

+

m2{t)

 

и шумы I I I \ (t)

и Ш2 (t) статически независимы,

то

#12 (т) = Фсс (г) + Фш.с (т) + Ф С Ш 2 (г) + ФШ 1 ш2 (т) = Ф с с (т).

Корреляционные методы позволяют обнаруживать сигналы сколь угодно малые при сколь угодно больших помехах. Но при этом время обнаружения (временной интервал плюс время анализа) должно быть большим.

корреляционные устройства можно рассматривать как временные фильтры, полоса пропускания которых определяется временем инте­ грирования и может быть весьма мала. Как и обычные узкополосные частотные фильтры, временные фильтры позволяют хорошо обнару­ живать строго периодические сигналы. Однако особых преимуществ временные фильтры перед частотными не имеют, так как между вре­ менными и частотными характеристиками линейных систем суще­ ствует вполне однозначная связь, выражаемая через преобразование Фурье. Между эффективной полосой пропускания системы AF и вре­ менем установления Ait (временем интегрирования) существует зави­ симость

319



Если, например, время интегрирования в корреляционном устрой­ стве At = Т = 1000 сек, то данному временному фильтру эквивален­ тен частотный фильтр с эффективной полосой пропускания A F = •= 10" 3 гц.

Но частотный фильтр с такой полосой пропускания осуществить значительно труднее, нежели выполнить интегратор с таким време­ нем интегрирования.

§ 98. Выделение сигналов с минимальными искажениями формы

Решение этой задачи более сложно, чем разделение или обнару­ жение сигналов, так как при разделении и обнаружении большая часть параметров, в том числе и форма, известны. При выделении сигналов их форма заранее не известна. Однако приближенно могут быть известны энергетические спектры и автокорреляционные функ­ ции.

Пусть имеется аддитивная смесь сигнал плюс шум x{t) = C{t) + m{t).

Как сигнал, так и шум являются стационарными случайными процессами, для которых известны или автокорреляционные функции, или энергетические спектры:

для шума

оо

Wa((o) = \ Ф ш ( г ) е - ^ Л , -оо

для сигнала

оо

 

W c ( c o ) = J

0c(x)e-i^dx.

-со

Если спектры шума и сигнала не перекрываются, то возможно выделение сигнала без искажений. В том случае, когда спектры перекрываются, выделение всегда происходит с большей или мень­ шей ошибкой. В зависимости от характера энергетических спектров сигнала и шума параметры выделяющего устройства могут быть подобраны так, что ошибка будет минимальной.

Под ошибкой выделения понимается разность между идеальным неискаженным выходным сигналом S (t) = К0С (t — т0 ) и реальным искаженным выходным сигналом у (t)

*{t) =

S<t)-y(t).

Поскольку входное воздействие х (t) случайное, и ошибка е (t) является случайной величиной и для определенности следует опери­ ровать ее среднеквадратичным значением

 

т

т

 

ё2 = l i r a -±-

\ [z(t)]*dt=

l i m -±- \

[S(t)-y(t)]*dt.

320


Если выделяющая система имеет амплитудно-фазовую характе­ ристику К (/со), то при воздействии суммарного сигнала х (t) на вы­ ходе будет наблюдаться сигнал у (t), определяемый с помощью интеграла Дюамеля

y{t)= j x(t — %)g(x)d%,

где

-оо

оо

 

Таким образом, среднеквадратичная ошибка может быть выра­ жена через параметры входного сигнала и выделяющей системы

Т Г

оо

оо

 

 

I 2

s

 

=

l i m ~

\

I

\ S ( t ) -

~

-J

| x(t-x)dx

J

I К (/со) е""' dco | dt.

 

2

 

4 г

 

5

( 0 — 2 д -

 

* ( ' — О * *

к

 

 

 

Т->оо

—Т L

 

 

оо

-оо

Очевидно, что должна существовать система с оптимальной амплитудно-фазовой характеристикой jfiTo n T (/со), при которой ошибка

минимальна.

Решение

этой сложнейшей

задачи

было получено

Н. Винером.

В случае,

когда сигнал и

шум не

коррелированы,

а выходной сигнал должен отличаться лишь интенсивностью, опти­ мальная амплитудно-фазовая характеристика физически осуществи­ мого выделяющего устройства определяется как

оооо

 

* о п Т

№ =

\ е - '

dt

J й*^-'

dco,

(338)

где

 

 

О

 

-оо

 

 

 

К0

= const;

 

 

 

 

W (—/со)

Wc

(со) энергетический

спектр

сигнала;

 

и W (/со) комплексно-сопряженные функции,

 

 

W (-/со) W (/to) =

Wc

(to) + Wm

(to);

 

Таким

Wm

(со) энергетический

спектр

шума.

амплитудно-

образом,

задача определения оптимальной

фазовой характеристики системы, выделяющей сигнал на фоне

случайных

шумов и помех с минимальной

ошибкой,

сводится к:

1) определению энергетических спектров сигнала Wc

(со) и шума

Wm (со); 2)

нахождению их суммы Wc (со) - f

Wm (со) =

3) разло­

жению этой суммы на две комплексно-сопряженные функции'И7 (/со)

и

W (—/со). В большинстве случаев

это не очень сложно,

так как

2

— функция четная.

 

 

 

Минимальная среднеквадратичная

ошибка определяется

как

 

0 0

 

 

 

i U = » - | r f { ^ И - кТ{2

[И^сИ-г И/ш М]}с*о.

(339)

21 Заказ 458

321


Если не учитывать требования физической осуществимости выде­ ляющей системы, заключающегося в выполнении условия g (t) = О при 0 > t оо, и считать, что сигнал и шум статистически незави­ симы, то выражение для К (/со) существенно упрощается:

где A'0 = const1 ; T = const2 .

При этом среднеквадратичная ошибка определяется как

-00

Х о т я система с такой характеристикой может быть и не осуще­ ствима, но эти выражения позволяют определить минимально воз­ можную ошибку при заданных Wc (со) и Wm (со). Минимальная ошибка физически осуществимой системы будет, очевидно, больше, чем опре­ деленная в этом случае.

В более общем случае задача выделения может решаться одновре­ менно с выполнением какой-нибудь линейной операции над сигналом:

интегрированием, дифференцированием, задержкой во

времени и

т. д. Однако наиболее характерной и важной является

рассмотрен­

ная операция выделения сигнала из смеси сигнал плюс шум, называ­

емая часто линейным оптимальным сглаживанием, так как

помехи

и шумы в большинстве случаев имеют более высокочастотный

харак­

тер и при выделении сигнала подавляются. Возможно также линей­ ное оптимальное предсказание, при котором параметры выделяющего устройства подбираются так, что выходной сигнал весьма мало отли­ чается от будущего сигнала.

Линейное оптимальное сглаживание позволяет выделять с малой ошибкой лишь те сигналы, которые превышают шумы на взаимно пере­ крывающихся участках спектра. В тех случаях, когда уровни сигнала и шумов сравнимы, линейное оптимальное сглаживание произво­ дится с большой ошибкой. Выделение периодических сигналов на фоне интенсивных шумов наиболее целесообразно производить по методу накопления. Периодичность сигнала (или многократность воспроизведения непериодического сигнала) позволяет разделить период выделения на некоторое число одинаковых временных интер­ валов длительности^:

xl{x) = C{t) + mi{t);

xt{x)>=C(t) + Mt(t); xn(r)=c(t)+mn(t).

Вкаждом интервале т содержится один и тот же полезный сигнал

С(t), но^щумы в каждом интервале разные. Поэтому, если все сиг-

322