DE2123826C3 - Vorrichtung zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses einer Empfängeranordnung mit zwei Empfangsantennen - Google Patents
Vorrichtung zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses einer Empfängeranordnung mit zwei EmpfangsantennenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbesserung des SignalRausch-Verhältnisses einer Empfängeranordnung
mit zwei Empfangsantennen, die zu jedem Zeitpunkt r dem Eingang der Empfängeranordnung
Kurzzeit-Amplitudensignale S1(T) und S2(M
zuführen, welche gebildet werden durch Überlagerung eines nach den Empfangsorganen hinsichtlich der
Amplitude und Phase identisch gemachten Nutzsignals S{t) mit Kurzzeit-Rauschamplitudensignalen
/>,. h2.
Bei den Empfangsantennen kann es sich um elektroakustische Wandler im Falle des Empfangs akustischer
Unterwassersignale oder um Antennen handeln, die geeignet sind. Funk- und Radarsignale zu empfangen.
Das allgemeine Prinzip der Verbesserung des Rauschabstandes von Empfangsanlagen mit mehreren
Antennen ist in der französischen Patentschrift 134722*)
für zwei Antennen beschrieben. Die in dieser Literaturstelle beschriebene Anordnung weist jedoch den
Nachteil auf, daß die zur Signalverarbeitung erforderlichen Organe relativ aufwendig und damit auch störunasanfällig
sind, was vor allem eine Folge davon ist daß die von den einzelnen Antennen empfangenen
Signale weitgehend getrennt voneinander nach Größe und Phase verarbeitet werden.
Es sei angenommen, daß die von der einen oder anderen der beiden Antennen empfangenen Nutzsignale
eine konstante Frequenz/„. gegebenenfalls mit ziemlich langsam erfolgender Amplitudenmodulation,
aufweisen, um ein Gesamtfrequenzband zu erzeugen. Jessen Breite in bezug auf /n verhältnismäßig
gering ist.
Ferner sei angenommen, daß die Nutzsignale vor ihrer Verarbeitung zwecks Verringerung des Rauschens
zunächst verstärkt und gesiebt werden, bis sie jeweils den gleichen Momentanwert Sit) sowohl in
bezug auf die Amplitude als auch auf die Phase an dem einen oder anderen der beiden Eingänge der Verarbeitungsschaltung
aufweisen, in welcher die Verminderung des Rauschens erfolgt. Wenn mit / die Zeit
und mit S1(O bzw. S2(O die Momcnlatnverte der an die
beiden Eingänge angelegten Signale bezeichnet werden,
so ist
S1IO ^ S(M + /),(/)
S2(M ---- SlM + />,(/).
S2(M ---- SlM + />,(/).
worin />,(/) bzw. b2\t) die Amplituden-Momcnianwertc
des an den beiden Eingängen auftretenden Rauschens bezeichnen.
Weiterhin sei angenommen, daß /wischen S(M und dem einen oder anderen Rauschwert /',(M bzw. /mm
keine Wechselbeziehung besieht, wohingegen zwi-
sehen ί»,(0 und />,(ζ) in der Rei?el eine bestimmte
Wechselbeziehung vorliegt: daraus folgt:
Mittelwert des Produkts (S Mittelwert des Produkts (5
Mittelwert des Produkts {/), ·
periodische
Da die Rauschwerte b, und b,
Sienale einer Mittenfrequenz /0 verarbeitet werden,
was auf Grund der geringen Breite des vom Rauschen um /o eingenommenen Frequenzbandes gerechtfertiet
ist, ergibt sich fiir das verbesserte Signal die Kombination:
dargestellten Transformation durch die folgende Ti ansformation
erzielt wird:
S0 = S1 + S2 + h (S1 - S2), (2)
die offensichtlich bis auf den konsianten Koeffizienten K deich der Kombination (1) ist, vorausgesetzt,
daß
1 + h = K /i,
/i = K lh
/i = K lh
wobei
S0 =
+ /i2 S2 .
(D
worin es sich bei den Koeffizienten Zi1 und Iu um zusammengesetzte
Koeffizienten handelt, die sowohl die Größe als auch die Phase von S1 und S2 beeinflussen. <o
Hierfür ist es erforderlich, jede der Zeitfunktionen S1
und S. in zwei um 90 phasenverschobene Komponenten zu teilen oder, genauer gesagt, in solche, die um
Zeitwerte T01A versetzt sind, wobei T0 = 1 /„. was
praktisch einer Phasenverschiebung um 90 gleichzusetzen ist. da es sich nur um Frequenzen handelt,
deren Wert nahe /0 liegt. Jede der vier erzielten Komponenten
ist mit einem geeigneten Zahlenwert zu multiplizieren, der von einem Rechner auf Grund der
Werte fr, und H1 geliefert wird; die vier verarbeiteten, jo
erhaltenen Signale sind wieder miteinander zu kombinieren. Es sind demnach vier Phasenschieber oder
Verzögerungsleitungen und vier Rechner erforderlich, um das gewünschte Signal zu erhalten.
Aufizabe der Erfindung ist es. die Vorrichtung zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisscs einer
Empfängeranordnung mit zwei Empfangsorganen von der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß
einerseits das Signal/Rausch -Verhältnis in einem erölteren Bereich von Eingangsgrößen wesentlich
verbessert werden kann und andererseits eine beträchtliche schaltungstechnische Vereinfachung der
Vorrichtung erreichbar ist.
Dies wird erfindungsgemäß erreicht durch eine Einrichtung
zur Addition der die Summe S, + S2 = L·' liefernden
Signale, eine Subtraktionseinrichtung zur Bildung der Differenz S1 - S2 = bt - b2 = F. einen
Amplitudcnrcglcr, der die Größe V erhält und ein Signal T mit konstantem Effektivwert liefert, einen
ersten Korrelalor,_der die Signale U und T erhält und einen Mittelwert l'JTjiefcrt. einen Multiplikator, der
die Größen 7' und DT erhält und das Produkt T V T
liefert, einen Phasenschieber, dem das Signal T zugeführt
wird und der ein um 90 verschobenes Signal 7 ' abgibt, einen zweiten Korrelator, der das Summensignal
Hund das Signal 7" erhält und einen Mittelwert
VT' liefert, einen diesem zweiten Korrelator nachgeschalteten Multiplikator, dessen_Eingang 7"
zugeführt ist und der das Produkt 7"_L'T' lieferten
Summierorgan, das die Signale 7 LT und 7" ■ VT'
erhält und ein Signal P abgibt, sowie ein Subtraktionsorgan,
dem das Summensignal V und das Signal P zugeführt sind und an dessen Ausgang das gesuchte
Signal erscheint.
Der durch die erfindungsgemäßc Vorrichtung erzielte Fortschritt beruht auf der Tatsache, daß ein
gleichwertiges Ergebnis mit Hilfe einer vereinfachten Vorrichtung und durch Ersatz der durch Gleichung i 1)
Die Größe h wird von den bekannten Werten von /i,
und /i2 ausgehend erzielt, die aus der genannten
Schrift bekannt ist.
Wenn als
ß, der Mittelwert von b\ U).
B2 der Mittelwert von fa (r).
ß12 der Mittelwert von />, U) />,(/).
B1', der Mittelwert von />, (f) b-, (; - 70 4).
D ' die Größe (B1 +B2- 2B12)
und B0 der Mittelwert des Quadrats der Amplitude
des Rauschens des verbesserten Signals bezeichnet werden, so ergibt sich als zusammengesetzte Gleichung
h —
B2- B1
D
D
(worin j = \ — 1) = /?' = //ι".
Angewandt auf die reellen Variablen als Funktion der Zeit kann Gleichung (2) wie folgt "lauten:
S„(i) = S1Ii) + S2(U + /1'[S1(D - S2(H]
+ /1"[S1(Z - η, 4) - .V2Ir - T0 4Π .
(4)
worin die Koeffizienten W und h" die durch Gleichung
(3) bestimmten Werte aufweisen. Die Gleichungen (3) und (4) stellen unmittelbar die mit den Großen
(S1 + S2) und (S, — S,) auszuführenden Operationen
dar. um das gewünschte, verbesserte Signal zu erhalten:
wenn
V = S1
V = S1 - S2 - />, - h2 .
lautet die Gleichung (2)
S0(Z) = LMf) + It' VU) + h" VU - T0 4) .
Im Falle des Signals S0 nach Gleichung (5) is! die
Nutzsignalleistung mit 4S; bezeichnet: die entspre-
chende Rauschleislung ß„ ist gegeben durch
ß„ = 4
B1 B2 -
Eine im Fall des Vorhandenseins gleicher mittlerer Rauschlcistiingswetie B1 und B2 besonders vorteilhafte
Alisführungsform der Erfindung zeichnet sich aus durch eine Signal-Addicreinrichtung. welche die
Summe S1 4- S1 - L' liefert, eine Subtraktionscinrichlung/urBildiingderDifferenz
S1 — S2 = /', — />2 = F.
eine AmplitudenregcleinrichUing. der die Größe I' zugeführt
ist und die ein Signal 7" mit konstantem
Effektivwert liefert, einen Phasenschieber, dem das Signal T zugeführt ist und der ein um 90 verschobenes
Signal T abgibt, einen Korrelator, der die Signale U
und 7" erhält und einen Mittelwert UT' abgibt, einen
Multiplikator, dem die Größen 7'und UT' zügeführt
sind und der das Produkt T' ■ UT' liefert, sowie ein Subtraktionsorgan, dem das Summensignal U und
das Signal T ■ VT' zugeführt ist und an dessen Ausgang
das gesuchte Signal abgreifbar ist.
Gleiche mittlere Rauschleistungen liegen vor allem
dann vor, wenn es sich um ein von einer einzigen Störquelle herrührendes kohärentes Rauschen handelt
und dieses Rauschen direkt, d. h. ohne Zwischenreflexionen,
von zwei nahe beieinanderliegenden Empfangsorganen empfangen wird. Dies ist beispielsweise
in der Sonar-Technik häufig der Fall, wo die einzige Störquelle beispielsweise von der Schiffsschraube gebildet
wird.
Ursache für die erfindungsgemäß erreichbare wesentliche Vereinfachung in schaltungstechnischer Hinsieht
ist vor allem die Tatsache, daß die von den Empfängern abgegebenen Signale nicht für sich alleine
verarbeitet werden, sondern vielmehr ihre Summe und ihre Differenz gebildet und die dabei erhaltenen
Größen der weiteren Signalverarbeitung zugrunde gelegt werden. Damit ist es möglich, die bei der bekannten
Anordnung benötigten zwei verschiedenen Antennenfilter hx und h2 durch ein einziges Antennenfilter
h zu ersetzen, das zwei Komponenten, nämlich eine Komponente mit der Phase h' und eine Komponente
mit der dazu um 90 verschobenen Phase h" bereitstellt.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher erläutert: in der Zeichnung zeigt
F i g. 1 eine bevorzugte Ausführungsart der Erfindung und
F i g. 2 eine vereinfachte Ausführungsart. die dann Verwendung finden kann, wenn bestimmte Korrelationswerte
zwischen den Rauschwerten />, und b2
vorliegen.
In F i g. 1 geben die mit 11 bzw. 21 bezeichneten Wellenempfangseinrichtungen an Klemmen 14 bzw.
24 die oben definierten Signale S1 und S2 ab, und zwar
über die Vorrichtungen 12 bzw. 22. bei denen sich um Verstärker handelt, die mit Schmalbandfiltern kombiniert
sind, welche auf die Frequenz /0 abgeglichen
sind. Die Additionsschaltung 32 und die Subtraktionsschaltung 33 liefern an den Klemmen 34 bzw. 35
die Signale U = S1 + S2 bzw. V = S1 — S2. Die Klemme
35 liegt an einem Eingang einer Amplitudenregelschaltung 40, welche an ihrem Eingang das Signal V
empfängt, das gleich (S1 — S2) und folglich gleich
(b, — b2) ist, und welche dazu dient, diesem Signal V
eine mit dem Mittelwert von V veränderliche Ver-Stärkung zu erteilen, so daß der zeitliche Mittelwert
des Quadrats des Moduls von V praktisch konstant bleibt. Da ausgehend von diesen Definitionen der
Mittelwert von
(F2) = B1 + B2 - 2B12 = D
Die Regelschaltung 40 kann auf einfache Weise mit Hilfe eines Verstärkers hergestellt werden, der mit
einer selbsttätigen Verstärkungsregelschaltung versehen ist, die durch das Ausgangssignal des betreffenden
Verstärkers über einen Gleichrichter gespeist wird, der eine langsam veränderliche und als Funktion
des Wirk wertes dieses Ausgangssignals geltende Regelspannung abgibt. Die Regelschaltung 40 kann auch
als Amplitudenbegrenzungsschaltung ausgebildet sein, der ein auf die Frequenz f0 abgeglichenes Filter sehr
enger Bandbreite nachgeschaltet ist.
Der Ausgang 41 der Regelschaltung 40 ist mit einem der Eingänge eines Korrelators 42 verbunden, dessen
anderer Eingang von der Ausgangsklemme 34 der Schaltung 32 mit einem Signal U gespeist wird. Ein
derartiger Korrelator ist als Gerät ausgebildet, welches das Produkt der Kurzzeitamplituden zweier Signale
als Funktion der Zeit bildet und nach zeitlicher Integration oder Schmalbandpaß-Filterung eine Gleichspannung
abgibt, deren Wert allmählich veränderbar ist. und zwar proportional zum Mittelwert des betreffenden
Produktes. Dieser JWttelwert in bezug aul
den Korrelator 42 wird mit UT bezeichnet, und die
vom Korrelator 42 abgegebene, ÜT proportionale Spannung wird auf einen der Eingänge eines Multiplikators
43 gegeben, dessen anderer Eingang von der Schaltung 41 das Signal T empfängt. Am Ausgang 44
der Schaltung 43 wird somit das Produkt des Signals TUT erzielt.
Eine einfache Berechnung unter Berücksichtigung der Tatsache, daß in bezug auf das Signal U keine
Wechselbeziehung zwischen dem Nutzsignal S und den Rauschwerten O1 und b2 besteht, zeigt, daß das am
Ausgang 44 der Schaltung 43 empfangene Signal die Kurzzeitamplitude
aufweist.
Der Ausgang 41 der Regelschaltung 40 liegt außerdem an einer Verzögerungsschaltung 45. welche die
das an ihren Eingang angelegte Signal T um einen irr wesentlichen gleich TJA betragenden Wert verzögert
Die Korrelationsschaltung 47, die dem Korrelator 42 entspricht, und der Multiplikator 48, der dem Multiplikator
43 entspricht, gewährleisten am Ausgang 45 der letzteren die Erzielung des Signals T' ■ UT.*da<
sich von dem bei 44 empfangenen Signal infolge dei Ersetzung von T durch
T' = Td - T0IA)
unterscheidet: wie ersichtlich, gilt für das Signal an
Ausgang 49 als Kurzzeitwert die Größe
60
ist. wird am Ausgang 41 von 40 ein neues Signal 7
empfangen, dessen Wirkwert im wesentlichen konstant bleibt:
τ =av;\d
(worin A eine Konstante ist).
- h"
TJA).
Eine Addition der Signale Γ ■ DT und T' ■ ÜT ii
der Additionsschaltung 50, deren beide Eingänge mi den Schaltungen 44 bzw. 43 verbunden sind, ergib
am Ausgang der Schaltung 50 ein neues Signal P, wel
ches bis auf das Vorzeichen gleich der Summe de beiden letzten Summanden der Gleichung (5) ist.
Durch Differenzbildung des von der Schaltung 5 abgegebenen Signals P und des am Ausgang 34 de
Additionsschaltung 32 auftretenden Signals U mittel
der Subtraktionsschaltung 52 wird am Ausgang 53 der Schaltung das verbesserte Signal entsprechend
der Definition nach Gleichung (5) erhalten.
F i g. 2 veranschaulicht eine vereinfachte Schaltung
zur Anwendung für den Fall, daß die Leistungswerte ß, und B2 des Rauschens />, bzw. b2 gleich sind. In
diesem Fall ist der Koeffizient W gleich Null, und die in F i g. 1 bezeichneten Schaltungen 42, 43 und 50
können entfallen. Der Ausgang des Multiplikators 48 ist in diesem Fall unmittelbar mit einem der Eingänge
der Subtraktionsschaltung 52 verbunden, deren anderer Eingang, der am Ausgang 34 der Schaltung 32
liegt, von der Additionsschaltung 32 das Signal U empfangt. Das verbesserte Signal S0 wird wie zuvor
am Ausgang 53 der Schaltung 52 empfangen.
Zu bemerken ist, daß die Verzögerungsschaltung 45 auch eine Verzögerung von 3 TJA anstatt von T0 4
liefern kann. Hierdurch wird die Polarität des Signals T' umgekehrt, jedoch nicht der Wert des am
Ausgang 49 der Schaltung 48 empfangenen Signals geändert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung wurde prinzipiell in bezug auf eine mit zwei Wellenempfangseinrichtungen
ausgerüstete Anlage beschrieben, die jeweils ein Nutzsignal abgeben, das einen Rauschwert />,
bzw. b2 aufweist. In diesem Fall liefert die erfindungsgemäße
Vorrichtung am Ausgang ein Signal, dessen Rauschabstand einen verbesserten Wert aufweist.
Die Vorrichtungen nach F i g. 1 und 2 sind aber auch für andere Anwendungen geeigne!:
Auch unter der Voraussetzung, daß der Punkt 34 der Ausgang einer ersten Empfangseinrichtung ist. die
ein ein gewisses Rauschen aufweisendes Nutzsignal abgibt, und daß der Punkt 35 den Ausgang einer zweiten
Empfangseinrichtung darstellt, die nur ein Rauschsignal abgibt, ist die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung
mit den Punkten 34 und 35 als Eingangsklemmen geeignet, den Rauschabstand des einzigen
empfangenen Nutzsignals zu verbessern.
Ein derartiger Fall liegt beispielsweise dann vor. wenn eine auf einer ortsveränderbaren Anlage. /. B.
einem Schiff, vorgesehene Empfangsanordnung ein
Signal empfangt, welches infolge einer ebenfalls auf dieser Anlage befindlichen Rauschquelle mit Rauschen
behaftet ist, wobei eine zusätzliche Empfangseinrichtung, welche unabhängig von der Empfangsanlage
für das Nutzsignal arbeitet, in Nähe der Rauschquelle, z. B. dei Schiffsschraube, angeordnet ist und unmittelbar
bei 35 das reine Rauschsignal einspeist.
Gleichung (6) veranschaulicht im übrigen, daß
wenn zwischen den Rauschsignalen />, bzw. H2 eine
»totale Korrelation« besteht, d. h.. wenn sie nur nach Amplitude und Phase differieren, jedoch dieselbe
Wellenform aufweisen, weil sie beispielsweise derselben Quelle entstammen das sich am Ausgang
der Anordnung ergebende Rauschen B0 gleich Null ist.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Vorrichtung zur Verbesserung des Signal/ Rausch-Verhältnisses einer Empfängeranordnung
mit zwei Empfangsantennen, die zu jedem Zeitpunkt f dem Eingang der Empfangeranordnung
Kurzzeit-Amplitudensignale S1 (r) und S2U) zuführen,
welche gebildet werden durch überlagerung eines nach den Empfangsorganen hinsichtlich der
Amplitude und Phase identisch gemachten Nutzsignals S(t) mit Kurzzeit-Rauschamplitudensignalen
bj, b2, g e k e η η ζ e i c h η e t durch eine
Einrichtung (32) zur Addition der die Summe S1 + S2 = U liefernden Signale, eine Subtraktionseinrichtung
(33) zur Bildung der Differenz S1 — S2
= b, — b2 = V, einen Amplitudenregler (40), der
die Größe V erhält und ein Signal T mit konstantem EfTektivwert liefert, einen ersten Korrelator
(42), der_die Signale U und T erhält und einen Mittelwert
U7" liefej^einen Multiplikator (43), der die
Größen T und UT erhält und das Produkt T- UT liefert, einen Phasenschieber (45), dem das Signal T
zugeführt wird und der ein um 90 verschobenes Signal T' abgibt, einen zweiten Korrelator (47).
der das Summensignal tV_und das Signal T' erhält
und einen Mittelwert UT liefert, einen diesem zweiten Korrelator (47) nachgeschalteten Multiplikator
(48), dessen Eingang das Signal T zugeführt ist und der das Produkt T ■ UT' liefert, ein
Summierorgan (50), das die Signale T-UT und T UT' erhält und ein Signal P abgibt, sowie ein
Subtraktionsorgan (52), dem das Summensignal U und das Signal P zugeführt sin J und an dessen
Ausgang das gesuchte Signal erscheint.
2. Vorrichtung zur Verbesserung des Signal/ Rausch-Verhältnisses einer Empfängeranordnung
mit zwei Empfangsantennen, die zu jedem Zeitpunkt / dem Eingang der Empfängeranordnung
Kurzzeit-Amplitudensignale S1(O und S2U) zuführen,
welche gebildet werden durch überlagerung eines nach den Empfangsorganen hinsichtlich der
Amplitude und Phase identisch gemachten Nutzsignals S(t) mit Kurzzeit-Rauschamplitudensignalen
^b2, wobei die Leistungswerte O1 = />f und
B2 = n\ "gleich sind, gekennzeichnet durch eine
Signal-Addiereinrichtung (32), welche die Summe S1 + St = U liefert, eine Subtraktionscinrichtunn
(33) zur Bildung der Differenz S, - S2 = /j, - h2
= V, eine Amplitudenregeleinrichtung (40). der die Größe V zugeführt ist und die ein Signal 7' mit
konstantem EfTektivwert liefert, einen Phasenschieber (45). dem das Signal T zugeführt ist und
der ein um 90 verschobenes Signal T' abgibt, einen Korrelator (47), der die Signale U und T' erhält
und einen Mittelwert UT' abgibt, einen Multiplikator (48). dem die Größen 7' und UT^
zugeführt sind und der das Produkt T" ■ UT' liefert, sowie ein Subtraktionsorgan (52). dem das
Summensignal U und das Signal T- Ul zügeführt
ist und an dessen Ausgang das gesuchte Signal abgreifbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch I oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Korrelatoren
aus einem Multiplikator, dem ein über die Zeil integrierender Kreis nachgeschaltet ist. besteht
bzw. bestehen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3. dadurch ge-
kennzeichnet, daß der Korrelator oder die Korrelatoren
aus einem Multiplikator mit nachgeschaltetem Tiefpaßfilter besteht bzw. bestehen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ^kennzeichnet, daß der Amplitudenregler aus
einem Begrenzer besteht, dem ein Bandpaßfilter mit auf die Frequenz /„ zentriertem schmalem
Band nachgeschaltet ist.
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