DE1297701B

DE1297701B - Method for improving the signal-to-noise ratio of a signal with only approximately known frequency

Info

Publication number: DE1297701B
Application number: DE1966S0106214
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Horst; Klassen; Dr-Ing Kurt; Wiedemann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1966-09-29
Filing date: 1966-09-29
Publication date: 1969-06-19

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbesserung des Signal-Rauschabstandes eines Signals, insbesondere von Radarechosignalen mit Dopplerfrequenzverschiebung, mit nur annähernd bekannter Frequenz, das innerhalb eines bestimmten, ein Rauschband mit etwa gleichbleibender Energiedichte enthaltenden Frequenzbereiches liegt und zwei mit verschiedenen, jedoch bekannten und konstant bleibenden Überlagerungsfrequenzen arbeitenden Mischern zugeführt wird, wobei die Ausgangssignale dieser beiden Mischer einem dritten Mischer zugeführt werden derart, daß die Frequenz des Ausgangssignals nur noch von den Frequenzen der beiden Überlagerungsoszillatoren bestimmt und das Ausgangssignal des dritten Mischers einem gegenüber dem ursprünglichen Frequenzbereich sehr schmalen, auf die Frequenz des Ausgangssignals des dritten Mischers abgestimmten Bandfilter zugeführt wird. The invention relates to a method for improving the Signal-to-noise ratio of a signal, in particular of radar echo signals with Doppler frequency shift, with only approximately known frequency that is within a certain, a noise band with approximately constant energy density containing frequency range and two with different but known and constant superposition frequencies working mixers is supplied, the output signals of these two mixers are fed to a third mixer such that the frequency of the output signal only determined by the frequencies of the two local oscillators and that Output signal of the third mixer compared to the original frequency range very narrow, tuned to the frequency of the output signal of the third mixer Band filter is fed.

Es ist bekannt (USA.-Patentschrift 3 088 109), bei einem Radargerät die Empfangssignale zwei mit verschiedenen Überlagerungsfrequenzen arbeitenden Mischern zuzuführen und das Ausgangs signal dieser beiden Mischer so zu wählen, daß dessen Frequenz nur noch von den Frequenzen der beiden Uberlagerungsoszillatoren bestimmt wird. Dieses Ausgangssignal wird dann einem schmalbandigen Filter zugeführt. Diese Schaltung dient der Erzeugung von Nachstimmgrößen, wobei durch Filterumschaltungen eine Anpassung an das jeweilige Spektrum des Eingangssignals vorgenommen wird. It is known (US Pat. No. 3,088,109) in a radar device the received signals are two mixers working with different superposition frequencies and to select the output signal of these two mixers so that its Frequency only determined by the frequencies of the two local oscillators will. This output signal is then fed to a narrow-band filter. These The circuit is used to generate retuning variables, with filter switching an adaptation is made to the respective spectrum of the input signal.

Es ist auch bekannt (französische Patentschrift 1447035), bei mit Festzeichenunterdrückung durch Gegeneinanderschalten eines verzögerten und eines unverzögerten Empfangssignals arbeitenden Radargeräten eine Verbesserung der Festzeichenunterdrückung dadurch zu erzielen, daß ein zusätzliches Regelsystem eingeführt wird. Dadurch werden die bei nicht vollständiger Festzeichenlöschung verbleibenden Reste verkleinert bzw. beseitigt, so daß sich optimale Löschungsbedingungen ergeben. It is also known (French patent specification 1447035) with Fixed character suppression by switching one delayed and one against each other Instantaneous received signal working radar devices an improvement of the fixed-character suppression to be achieved by introducing an additional control system. This will be the remnants remaining if the fixed-character deletion has not been completed are reduced in size or eliminated, so that optimal erasure conditions result.

Es ist bekannt, den Signal-Rauschabstand eines Signals dadurch zu verbessern, daß das Signal mit möglichst kleiner Bandbreite ausgefiltert wird. Die Rauschanteile sind nämlich der Bandbreite proportional, und es läßt sich durch den Einsatz von Schmalbandfiltern in vielen Fällen das Rauschen gegenüber dem Nutzsignal klein halten. It is known to increase the signal-to-noise ratio of a signal by doing this improve that the signal is filtered out with the smallest possible bandwidth. the Noise components are proportional to the bandwidth, and it can be determined by the Use of narrow band filters in many cases reduces the noise compared to the useful signal keep it small.

Diese Maßnahme zur Rauschminderung versagt jedoch dann, wenn die Frequenz des Signals, dessen Rauschabstand verbessert werden soll, nur-annähernd bekannt ist, so daß ein relativ großer Frequenzbereich ausgefiltert werden muß und dementsprechend der Rauschanteil wegen der Breite des Bandes sehr groß ist. Solche Schwierigkeiten treten z. B. bei Dopplerradargeräten auf, wo Bewegtziele mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten erfaßt werden sollen. Je nach dem zu erfassenden Geschwindigkeitsbereich kann das Echosignal eines Bewegtzieles innerhalb eines Frequenzbandes liegen, so daß eine schmalbandige Ausfilterung nicht möglich ist und die ohnehin schwachen Bewegtziel-Echosignale einen sehr geringen Rauschabstand aufweisen. However, this measure of noise reduction fails if the Frequency of the signal whose signal-to-noise ratio is to be improved, only approximately is known, so that a relatively large frequency range must be filtered out and accordingly, the noise component is very large because of the width of the band. Such Difficulties arise e.g. B. in Doppler radar devices, where moving targets with different Velocities are to be recorded. Depending on the speed range to be recorded the echo signal of a moving target can lie within a frequency band, see above that a narrow-band filtering is not possible and the weak ones anyway Moving target echo signals have a very low signal-to-noise ratio.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, auch in solchen Fällen, in denen die Frequenz eines Signals nicht genau bekannt ist und deshalb eine unmittelbare schmalbandige Ausfilterung nicht durchgeführt werden kann, eine Verbesserung des Signal-Rausch- abstandes zu erzielen. Gemäß der Erfindung, welche sich auf ein Verfahren der eingangs genannten Art bezieht, wird dies dadurch erreicht, daß zwischen einem der erstgenannten Mischer und dem dritten Mischer eine frequenzlineare Phasendrehung vorgenommen wird, die zwischen der untersten und der höchsten Frequenz des Rauschbandes den Wert27r oder ein Vielfaches hiervon aufweist. The invention is based on the object, even in such cases in which the frequency of a signal is not exactly known and therefore an immediate one Narrowband filtering cannot be carried out, an improvement in the Signal to noise to achieve distance. According to the invention, which relates to a method refers to the type mentioned, this is achieved in that between a the first-mentioned mixer and the third mixer have a frequency-linear phase shift is made between the lowest and the highest frequency of the noise band has the value 27r or a multiple thereof.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand von Zeichnungen näher erläutert, wobei als Ausführungsbeispiel von einem mit Entfernungstoren und Dopplerfiltern arbeitenden Impulsradargerät ausgegangen wird. The invention is explained in more detail below with reference to drawings, as an embodiment of one with range gates and Doppler filters working pulse radar device is assumed.

In F i g. 1 ist das Amplitudenspektrum des Sendesignals dargestellt, welches aus einer mittleren Spektrallinie fT und einer Anzahl von Seitenlinien fT + nf, besteht. Dabei ist fi die Pulsfrequenz, und die Einhüllende des Spektrums ist durch die Pulsform gegeben. Das Echosignal, welches von einem Bewegtziel verursacht wird, ist für ein Sendesignal nach Fig. 1 in der Fig. 2 dargestellt. Dabei ist das gesamte Spektrum um die Dopplerfrequenz fD verschoben, welche der Geschwindigkeit des Flugobjekts proportional ist. In Fig. 1 shows the amplitude spectrum of the transmitted signal, which consists of a central spectral line fT and a number of side lines fT + nf, consists. Here fi is the pulse frequency and the envelope of the spectrum is given by the pulse shape. The echo signal caused by a moving target is shown for a transmission signal according to FIG. 1 in FIG. Here is that entire spectrum shifted by the Doppler frequency fD, which is the velocity of the flying object is proportional.

In Fig. 3 ist der (idealisierte) Dämpfungsverlauf eines Empfängers dargestellt, bei dem Echosignale ohne Dopplerverschiebung eine hohe Dämpfung, solche mit Dopplerverschiebung eine niedrige Dämpfung erfahren sollen. Dementsprechend fallen die SpektrallinienfT sowie fT + nfi aus Fig. 1 in Sperrbereiche, die um die Dopplerfrequenz fD verschobenen SpektrallinienfT bzw. lT' 1 nfi nach Fig. 2 in Durchlaßbereiche des Empfängers. Die Breite eines Durchlaßbereiches fB ist deshalb nur etwas kleiner als die Pulsfrequenz f,. 3 shows the (idealized) attenuation curve of a receiver shown, with the echo signals without Doppler shift a high attenuation, such should experience a low attenuation with Doppler shift. Accordingly the spectral lines fT and fT + nfi from FIG Doppler frequency fD shifted spectral lines fT or lT '1 nfi according to FIG. 2 in passbands Recipient. The width of a pass band fB is therefore only slightly smaller than the pulse frequency f ,.

In Fig. 4 ist ein einzelner Durchlaßbereich in etwas größerem Maßstab dargestellt, wobei die Blindgeschwindigkeiten entsprechenden Frequenzen fT bzw. fT t fi im Sperrbereich liegen, während ein Frequenzband der Breite fB durchgelassen wird, welches aus einem Rauschanteil R und einem Echosignal 5 besteht. In Fig. 4, a single pass band is on a slightly larger scale shown, with the blind speeds corresponding to frequencies fT resp. fT t fi lie in the stop band, while a frequency band of width fB is allowed to pass which consists of a noise component R and an echo signal 5.

Diese Ausfilterung des Echosignals wird bei einem Radargerät durch ein Doppiertilter DF vorgenommen (Fig. 5), welches in jedem der Entfernungskanäle eines Puls -Doppler-Radargerätes angeordnet ist. This filtering out of the echo signal is carried out by a radar device made a double filter DF (Fig. 5), which in each of the distance channels a pulse Doppler radar device is arranged.

Jeder dieser Entfernungskanäle wird durch einen Taktgeber gesteuert, in einer bestimmten zeitlichen Folge in bekannter Weise an die gemeinsame ZF-Leitung des Radargerätes durch SchalterAS angeschaltet. Das Rauschband R mit einer über der Frequenz etwa gleichbleibenden Energiedichte wird am Ausgang des Dopplerfilters DF zwei Mischem M1 und M2 zugeführt, die mit tberlagerungsoszillatoren O1 bzw. O2 zusammenarbeiten, deren Frequenzen entsprechend mit f1 und f2 bezeichnet sind.Each of these distance channels is controlled by a clock, in a certain time sequence in a known manner to the common IF line of the radar device is switched on by switch AS. The noise band R with one over the frequency is approximately constant energy density at the output of the Doppler filter DF are fed to two mixers M1 and M2, which are connected to local oscillators O1 and O2, respectively work together, the frequencies of which are denoted by f1 and f2, respectively.

In den Mischern M1 und M2 werden tJberlagerungssignale f, - f, bzw. 1o 12 - gebildet, die einem dritten Mischer M3 zugeführt werden, wobei dessen Ausgangsfrequenz 112 so gewählt wird, daß darin die ursprüngliche Frequenz nicht mehr enthalten ist.In mixers M1 and M2, superposition signals f, - f, or 1o 12 - which are fed to a third mixer M3, its output frequency 112 is chosen so that it no longer contains the original frequency.

Erreicht wird dies für die vorher gewählten Frequenzbeziehungen dadurch, daß im Mischer M3 die Ausgangsfrequenz fi2 = (fi - fO) + (fO - f2)= fi - f2 gebildet wird. Da die Ausgangsfrequenz 112 nunmehr die Frequenz 1o nicht mehr enthält, sondern nur noch von den bekannten Frequenzenfl und 12 abhängt, kann dem Ausgang des Mischers M 3 ein im Vergleich zum Dopplerfilter DF wesentlich schmalbandigeres Filter SF nachgeschaltet werden, von dem aus die Signale zur weiteren Auswertung weitergeleitet werden. Die Bandbreite, die für dieses Schmalbandfilter erforderlich ist, hängt lediglich von der Konstanz der Oszillatoren 01 und 02 sowie von einer etwaigen Modulation (z. B. durch die Antennendrehung) des Signals f0 ab.This is achieved for the previously selected frequency relationships by that in the mixer M3 the output frequency fi2 = (fi - fO) + (fO - f2) = fi - f2 is formed will. Since the output frequency 112 now no longer contains the frequency 1o, but only depends on the known Frequenzenfl and 12, can the The output of the mixer M 3 is a much narrower band compared to the Doppler filter DF Filter SF are connected downstream from which the signals for further evaluation to get redirected. The bandwidth required for this narrow band filter depends only on the constancy of the oscillators 01 and 02 as well as on one any modulation (e.g. due to the rotation of the antenna) of the signal f0.

Da jedoch bei der Umsetzung des in Fig. 4 dargestellten, das Echosignal S und das Rauschspektrum R enthaltenden Bandes auf die Frequez f1-f0 (Fig.6) bzw. f0-f2 (Fig. 7) die Rauschanteile in S1 und R1 bzw. S2 und R2 mit umgesetzt werden, entstehen auch bei der Umsetzung im Mischer M 3 aus den Rauschanteilen R1 bzw. R2 Frequenzen, die genau der Frequenz 112 entsprechen. Da diese Anteile infolge der vorangegangenen Umsetzung alle eine bestimmte Phase haben, überlagern sie sich unter einem bestimmten Phasenwinkel und verschlechtern dadurch das Signal-Rausch-Verhältnis in einem ganz erheblichen Maße. Dem wird gemäß der Erfindung dadurch entgegengewirkt, daß zwischen einem der Mischer bzw. M2 und dem gemeinsamen Mischer M3 eine Verzögerungsleitung VL eingeschaltet wird, die eine frequenzlineare Phasendrehung der einzelnen Rauschanteile in der Art vornimmt, daß zwischen der untersten und der höchsten Frequenz des Rauschbandes fB ein Phasenunterschied von 2 # oder einem vielfachen davon bewirkt wird. However, since in the implementation of that shown in FIG. 4, the echo signal S and the band containing the noise spectrum R to the frequencies f1-f0 (Fig. 6) and f0-f2 (Fig. 7) the noise components in S1 and R1 or S2 and R2 are also converted, also arise during the conversion in mixer M 3 from the noise components R1 and R2 Frequencies that exactly correspond to frequency 112. Since these shares are due to the previous implementation all have a certain phase, they overlap under a certain phase angle and thereby worsen the signal-to-noise ratio to a very considerable extent. This is counteracted according to the invention by that between one of the mixer or M2 and the common mixer M3 a delay line VL is switched on, which results in a frequency-linear phase shift of the individual noise components in such a way that between the lowest and the highest frequency of the noise band fB a phase difference of 2 # or a multiple thereof is caused.

Auf diese Weise wird erreicht, daß die Rauschanteile, die zusammen bei der Umsetzung im Mischer M 3 die Frequenz 112 ergeben, sich - gleiche oder etwa gleiche Energiedichte des Rauschbandes IB vorausgesetzt - zu dem Gesamtwert Null zusammensetzen, also nicht mehr störend in Erscheinung treten.In this way it is achieved that the noise components, which together in the implementation in the mixer M 3, the frequency 112 result, - the same or about Assuming the same energy density of the noise band IB - to the total value zero put together, so no longer appear disruptive.

Für die Berechnung der einzelnen Größen gilt dabei folgendes: Das Dopplersignal hat die Form fo (t) = Ao sin(2#f0 + q'o), (1) die beiden Überlagerungsfrequenzen sind f1(t)=A1 sin(2#f1#t##1), (2) f2(t)=A2 sin(2#f2#t+#2). (3) Am Ausgang des Mischers M 3 erhält man somit 1 1 f12(t)=@/4#A1A2#A02[(cos(2#(f1-f2)#t+#1-#2]. The following applies to the calculation of the individual quantities: That Doppler signal has the form fo (t) = Ao sin (2 # f0 + q'o), (1) the two superposition frequencies are f1 (t) = A1 sin (2 # f1 # t ## 1), (2) f2 (t) = A2 sin (2 # f2 # t + # 2). (3) At the mixer outlet M 3 is thus obtained 1 1 f12 (t) = @ / 4 # A1A2 # A02 [(cos (2 # (f1-f2) # t + # 1- # 2].

(4) Der Mischer M3 liefert nur ein Ausgangssignal, wenn ein Signal f0 vorhanden ist. In dem Ausgangssignal f12 ist nur noch die Amplitude A0', nicht aber die ursprüngliche Frequenz und Phasenlage des Signals f0 enthalten. Das bedeutet, daß, wenn an Stelle des Signals f0 Rauschen angelegt wird, ebenfalls eine Umsetzung aller sich entsprechenden Rauschkomponenten in ein Signal 112 mit der Frequenz f, - f, erfolgt. Die Phasenlage hängt, wie (4) zeigt, nur noch von den Phasen #1 und #2 der Überlagerungssignal f1 und f2 ab; somit erfolgt eine Addition allers so umgesetzten Rauschkomponenten ebenfalls bei der Frequenz 11 - 12. Wird über die Bandbreite fB konstante Rauschleistungsdichte angenommen, so kann z. B. durch geeignete frequenzabhängige Phasen- drehung in einem Umsetzzweig die unerwünschte Addition der Rauschkomponenten verhindert werden. (4) The mixer M3 only provides an output signal when there is a signal f0 is present. In the output signal f12 only the amplitude A0 'is not but contain the original frequency and phase position of the signal f0. That means, that if noise is applied in place of the signal f0, there is also a conversion all corresponding noise components in a signal 112 with the frequency f, - f, takes place. As (4) shows, the phase position only depends on phases # 1 and # 2 the beat signal f1 and f2 off; thus there is an addition of all so converted Noise components also at the frequency 11 - 12. Is over the bandwidth fB Assuming constant noise power density, z. B. by suitable frequency-dependent Phase rotation in a conversion branch the undesired addition of the noise components be prevented.

Eine geeignete Phasendrehung besteht z. B. darin, daß das gesamte Rauschband eine frequenzlineare Phasendrehung erhält, wobei die Phasendifferenz zwischen unterem und oberem Bandenden 2 # (bzw. ein Vielfaches davon) betragen soll. Ein derartiger Phasenschieber ist z. B. eine Verzögerungsleitung. A suitable phase rotation consists, for. B. that the whole Noise band receives a frequency-linear phase rotation, the phase difference between the lower and upper ends of the tape should be 2 # (or a multiple thereof). Such a phase shifter is z. B. a delay line.

Die Bandbreite fB ist durch das Dopplerfilter gegeben und ist etwas kleiner als die Pulsfrequenz lt; die Laufzeit der Verzögerungsleitung muß dementsprechend #=1/fB betragen. Die Signalleistung PS, am Ausgang des Dopplerfilters DF ist PS1=1/2#A02. (5) Die Rauschleistung PR 1 am Ausgang der Dopplerfilter DF ist RR1=fB#W0. (6) Die SignalleistungPs2 am Ausgang des Mischers M3 ist PS2=α2#1/8#A04. (7) Die Rauschleistung PR 2 ist entsprechend der Bandbreite B des Schmalbandfilters SF an dessen Ausgang Das Signal-Rausch-Verhältnis F2 nach der beschriebenen Umsetzeranordnung am Ausgang des Filters SF wird somit fB F12 F2=###, (9) #B 2F2+1 wenn PS1 F1=# PR1 das Signal-Rausch-Verhältnis am Eingang ist.The bandwidth fB is given by the Doppler filter and is somewhat smaller than the pulse frequency lt; the delay line running time must accordingly be # = 1 / fB. The signal power PS, at the output of the Doppler filter DF is PS1 = 1/2 # A02. (5) The noise power PR 1 at the output of the Doppler filter DF is RR1 = fB # W0. (6) The signal power Ps2 at the output of the mixer M3 is PS2 = α2 # 1/8 # A04. (7) The noise power PR 2 is corresponding to the bandwidth B of the narrowband filter SF at its output The signal-to-noise ratio F2 according to the described converter arrangement at the output of the filter SF is thus fB F12 F2 = ###, (9) #B 2F2 + 1 if PS1 F1 = # PR1 is the signal-to-noise ratio at the input.

In Fig. 8 ist F2##B/fB als Funktion von F1 graphisch dargestellt. In Fig. 8, F2 ## B / fB is shown graphically as a function of F1.

Claims

Claim: Method for improving the signal-to-noise ratio of a signal, in particular of radar echo signals with Doppler frequency shift, with only approximately known frequency that is within a certain, a noise band with approximately constant energy density containing frequency range and two with different but known and constant superposition frequencies working mixers is supplied, the output signals of these two mixers are fed to a third mixer such that the frequency of the output signal only from the Frequencies of the two local oscillators determined and the output of the third mixer one against the original Frequency range very narrow, to the frequency of the output signal of the third Mixer matched band filter is fed, d u r c h marked that between one of the first-mentioned mixer and the third mixer, a linear frequency Phase rotation is made between the lowest and the highest frequency of the noise band (fB) has the value 2 or a multiple thereof.