DE2123826B2

DE2123826B2 - Vorrichtung zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses einer Empfängeranordnung mit zwei Empfangsantennen

Info

Publication number: DE2123826B2
Application number: DE2123826A
Authority: DE
Inventors: Jacques Versailles Oswald; Yves Antony Rainsard
Original assignee: Compagnie Industrielle de Telecommunication CIT Alcatel SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 1970-05-15
Filing date: 1971-05-13
Publication date: 1975-04-24
Also published as: US3737783A; DE2123826C3; FR2087370A5; DE2123826A1; NL7106635A; GB1327834A; BE766448A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ver besserung des Signal/Rausch-Verhältnisses einer Emp fängeranordnung mit zwei Empfangsantennen, die zi jedem Zeitpunkt / dem Eingang der Empfängeranordnung Kurzzeit-Amplitudensignale S₁U) und S₂U zuführen, welche gebildet werden durch überlagerung eines nach den Empfangsorganen hinsichtlich dei Amplitude und Phase identisch gemachten Nutzsignals S(z) mit Kurz/eit-Rauschamplitudensignaler

Bei den Empfangsantennen kann es sich um elektroakustische Wandler im Falle des Empfangs akustisch« 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 Palentschrift 134722S für zwei Antennen beschrieben. Die in dieser Literatursteile beschriebene Anordnung weist jedoch der Nachteil auf, daß die zur Signalverarbeitung erforderlichen Organe relativ aufwendig und damit auch störungsanfällig 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 odei anderen tier beiden Antennen empfangenen Nutzsignale eine konstante Frequenz J_n, gegebenenfalls mit ziemlich langsam erfolgender Amplitudenmodulation, aufweisen, um ein Gcsamlfrequenzband zu erzeugen, dessen Breite in bezug auf /„ verhältnismäßig gering ist.

Ferner sei angenommen, daß die Nutzsignale vor ihrer Verarbeitung zwecks Verringerung des Rauschens zunächst verstärkt und gesiebt ν erden, bis sie jeweils den gleichen Momentan wert SU) sowohl in bezug auf die Amplitude als auch auf die Phase an dem einen oder anderen der beiden Eingänge der Vcrarbeitungsschaltung aufweisen, in welcher die Verminderung des Rauschens erfolgt. Wenn mit Z die Zeit und mit S₁(Z) bzw. S₂(I) die Momentanwerte der an die beiden Eingänge angelegten Signale bezeichnet werden, so ist

worin Z)₁(Z) bzw. I)₂U) die Amplituden-Momentanwerte des an den beiden Hingängen auftretenden Rauschens bezeichnen.

Weiterhin sei angenommen, daß zwischen S[I) und dem einen oder anderen Rauschwert />,(f) bzw. />,(z) keine Wechselbeziehung besteht, wohingegen zwi-

sehen fr,(i) und b₂(i) in der Regel eine bestimmte Wechselbeziehung vorliegt; daraus folgt:

Mittelwert des Produkts jS ·/>,) = 0
Mittelwert des Produkts (S · b₂) = 0
Mittelwert des Produkts (/), · b~₂) ψ 0 .

Da die Rauschwerte b. und b₂ als periodische Signale ^iner Mittenfrequenz /₀ verarbeitet werden, was auf Grund der geringen Breite des vom Rauschen um /"„ eingenommenen Frequenzbandes gerechtfertigt ist. ergib' sich für das verbesserte Signa! die Kombination:

S₀ = A₁ S₁ + h₂ S₂ ,

dargestellten Transformation durch die folgendeTrans formation erzielt wird:

S₀ = S₁ + S₂ + A(S₁ - S₂). (2)

die offensichtlich bis auf den konstanten Koeffizienten K gleich der Kombination (1) ist. vorausueset/l. daß

1+A=KA,

,ο I — A = K A₂

wobei

worin es sich bei den Koeffizienten //, und h₂ um zusammengesetzte Koeffizienten handelt, die sowohl die Größe als auch die Phase von S, und S₂ beeinflussen. Hierfür ist es erforderlich, jede der Zeilfunktionen S₁ und S, in zwei um 90 phasen verschobene Komponenten zu teilen oder, genauer gesagt, in solche, die um Zeitwerte T₀A versetzt sind, wobei T₀ = l//„, was praktisch einer Phasenverschiebung um 90 gleichzusetzen ist, da es sich nur um Frequenzen handelt, deren Wert nahe /„ liegt. Jede der vier erzielten Komponenten ist mit einem geeigneten Zahlenwert zu multiplizieren, der von einem Rechner auf Grund der Werte H₁ und b₂ geliefert wird; die vier verarbeiteten, erhaltenen Signale sind wieder miteinander zu kombinieren. Es sind demnach vier Phasenschieber oder Verzögerungsleitungen und vier Rechner erforderlich, um das gewünschte Signal zu erhalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Vorrichtung zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses einer Empfängeranordnung mit zwei Empfangsorganen von der eingangs genannten Art derart auszubilden, daß einerseits das Signal Rausch-Verhältnis in einem größeren 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 = U liefernden Signale, eine Subtraktionseinrichtung zur Bildung der Differenz S, — S₂ = fr, — b₂ = V, einen Amplitudenregler, der die Größe V erhält und ein Signal T mit konstantem Effektivwert liefert, einen ersten Korrelator,_der die Signale U und Γ erhält und einen Mittelwert l/TJiefert, einen Multiplikator, der die Größen T und UT erhält und das Produkt T ■ UT liefert, einen Phasenschieber, dem das Signal T zugeführt wird und der ein um 90 verschobenes Signal 7" abgibt, einen zweiten Korrelator, der das Summensignal J7_und das Signal T' erhält und einen Mittelwert UT' liefert, einen diesem zweiten Korrelator nachgeschalteten Multiplikator, dessen Eingang 7' zugeführt ist und der das Produkt 7" · UT' liefert, ein Summierorgan, das die Signale 7"- UT und T' ■ UT' erhält und ein Signal P abgibt, sowie ein Subtraktionsorgan, dem das Summensignal U und das Signal P zugeführt sind und an dessen Ausgang das gesuchte Signal erscheint.

Der durch die erfindungsgemäße Vorrichtung erzielte Fortschritt beruht auf der Tatsache, daß ein gleichwertiges Ergebnis mit Hilfe einer vereinfachten Vorrichtung und durch Ersatz der durch Gleichung! 11 A₁ + A₂ ■

Die Größe A wird von den bekannten Werten von A₁ und A₂ ausgehend erzielt, die aus der genannten Schrift bekannt ist.

Wenn als

ß, der Mittelwert von h\ (/).

R₂ der Mittelwert von b₂(t).

B_n der Mittelwert von h_t U) b₂ (O .

B_x-, der Mittelwert von b_x U) b-, U - T₀ 4).

D ' die Größe (ß, +B₂-IB₁₂)

und B₀ der Mittelwert des Quadrats der Amplitude des Rauschens des verbesserten Signals bezeichnet werden, so ergibt sich als zusammengesetzte Gleichung

B₂-B₁ . 2 ß,\

(worin j = \ — I) = A' = jh".

I)

Angewandt auf die reellen Variablen als Funktion der Zeil kann Gleichung (2) wie folgt lauten:

S₀U) = S₁(J) + S₂(O + ATS₁(O - S₂U)]
+ W[S_xU - TJA) - S₂U - T_1x 4)] . (4)

worin die Koeffizienten A' und A" die durch Gleichung (3) bestimmten Werte aufweisen. Die Gleichungen (3) und (4) stellen unmittelbar die mit den Größen (S₁ + S-,) und (S₁ — S₁) auszuführenden Operationen dar, um das gewünschte, verbesserte Signal zu erhalten: wenn

U = S, f S,.

V = S₁ - S₁ = Λ, - o₂ .

lautet die Gleichung (2)

S₀U) = UU) + /Γ VU) + h" VU - T₀A). (5)

Im Falle des Signals S₀ nach Gleichung (5) ist die Nutzsignalleislung mit 4S² bezeichnet: die entsprechende Rauschleistung B₀ ist gegeben durch

ß„ = 4

ß, B₂ - B]₂ - B_x'\ D

Eine im Fall des Vorhandenseins gleicher mittlerer Rauschleistungswcrte B_x und B₂ besonders vorteilhafte Ausfuhrungsform der Erfindung zeichnet sich aus durch eine Signal-Addiereinrichliing. welche die Summe S₁ 4 S, = (■'liefert, eine Subtraktionseinrichtungzur Bildungder Differenz S₁ — S₂ -= />, - b, — V. eine Amplitudcnrcgcleinrichtung. der die Größe I zugeführt ist und die ein Sign;il /' mil konstantem

Effektivwert liefert, einen Phasenschieber, dem das Signal T zugeführt ist und derein um90 verschobenes Signal 7" abgibt, einen Korrelator, der die Signale U und T' erhält und einen Mittelwert UT' abgibt, einen Multiplikator, dem die Größen T'_und UT' zügeführt sind und der das Produkt T' ■ UT' liefert, sowie ein Subtraktionsorgan, dem das Summensignal U und das Signal T' ■ UT' zugeführt ist und an dessen Ausgang das gesuchte Signal ybgreifbar 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 Zwischcnrefiexionen, 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 Ji₁ und h₂ durch ein einziges Antennenfilter /1 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 Ausrührungsbeispielen 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 h₂ 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 ^arj, und zwar über die Vorrichtungen 12 bzw. 22. bei denen sich um Verstärker handelt, die mit Schmal bandfiltern 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 lT= S₁ 4- S₂ bzw. V = S₁ - S₂. DieKlemme 35 liegt an einem Eingang einer Amplitudenregelschaltung 40, welche an ihrem Eingang das Signal V empfangt, das gleich (S₁ — S₂) und folglich gleich (ftj — 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

(V²) = B₁ +B₂-IB_n =

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ist, wird am Ausgang 41 von 40 ein neues Signal T empfangen, dessen Wirkwert im wesentlichen konstant bleibt:

T =AV/\iD
(worin A eine Konstante ist).

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 J₀ abgeglichenes Filter sehr enger Bandbreite nachgeschaltet ist.

Der Ausgang 41 der Regelschaltung 4Oi ist mit einem der Eingänge eines Korrelator 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 Mittelwert in bezug auf den Korrelator 42 wird mit UT bezeichnet, und die vom Korrelator 42 abgegebene, UT proportionale Spannung wird auf einen der Eingänge eines Multiplikators 43 gegeben, dessen anderer Eingang von der Schaltung 41 das Signal T empfängt. Arn 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 b_x und h₂ besteht, zeigt, daß das am Ausgang 44 der Schaltung 43 empfangene Signal die Kurzzeitamplitude

- W (H₁ - H₂) = - WV

aufweist.

Der Ausgang 41 der Regelschaltung 40 liegt außerdem an einer Verzögerungsschaltung 45, welche die das an ihren Eingang angelegte Signal T um einen im wesentlichen gleich T_o/4 betragenden Wert verzögert. Die Korrelationsschaltung 47, die dem Korrelator 42 entspricht, und der Multiplikator 48, der dem Multiplikator 43 entspricht, gewährleisten am Ausgang 49 der letzteren die Erzielung des Signals T ■ UT. das sich von dem bei 44 empfangenen Signal infolge der Ersetzung von T durch

r = tu -

unterscheidet; wie ersichtlich, gilt für das Signal am Ausgang 49 als Kurzzeitwert die Größe

- h" V(t - TJA).

Eine Addition der Signale T- UT und T · UT' iri der Additionsschaltung 50, deren beide Eingänge mil 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 dei beiden letzten Summanden der Gleichung (5) ist.

Durch Differenzbildung des von der Schaltung 51 abgegebenen Signals P und des am Ausgang 34 dei 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 B₁ und B₂ des Rauschens t>, 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 empfängt. 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 T_o/4 anstatt von T_o/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 b, 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 geeignet:

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, z. B. einem Schiff, vorgesehene Empfangsanordnung ein Signal empfängt, 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. der Schiffsschraube, angeordnet ist und unmittelbar bei 35 das reine Rauschsignal einspeist.

Gleichung (6) veranschaulicht im übrigen, daß — wenn zwischen den Rauschsignalen b, bzw. b₂ 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 $09 517/362

Claims

2ί 23 Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Verbesserung des Signal Rausch-Verhältnisses einer Empfängeranordnung mit zwei Empfangsantennen, die zu jedem Zeitpunkt t dem Eingang der Empfängeranordnung Kurzzeit-Amplitudensignale S₁(Z) und S₂U) zuführen, welche gebildet werden durch Überlagerung eines nach den Empfangsorganen hinsichtlich der Amplitude und Phase identisch gemachten Nutzsignals 5(0 mit Kurzzeit-Rauschamplitudensignalen Z)₁, b₂, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (32) zur Addition der die Summe S₁ + S₂ = U liefernden Signale, eine Subtraktionseinrichtung (33) zur Bildung der Differenz S₁ — S₂ = b_t — b₂ = V, einen Amplitudenregler (40). der die Größe V erhält und ein Signal T mit konstantem Effeküvwert liefert, einen ersten Korrelator (42), derjiie Signale L' und T erhält und einen Mittelwert UT 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 U 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 t^; und das Signal P zugeführt sind 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 z dem Eingang der Empfängeranordnung Kurzzeit-AmpHtudensignale S|(0 und S₂U) zuführen, welche gebildet werden durch überlagerung eines nach den Empfangsorganen hinsichtlich der Amplitude und Phase identisch gemachten Nutzsignals SU) mit Kurzzeit-Rauschamplitudensignalen />,. b₂, wobei die Leistungswerte O₁ = b] und B₂ = b] gleich sind, gekennzeichnet durch eine Signal-Addiereinrichtung (32), welche die Summe S₁ + S₂ = U liefert, eine Sublraktionscinrichtunu (33) zur Bildung der Differenz S₁ - S₂ = />, - b-, = V, eine Amplitudenregeleinrichtung (40), der die Größe V zugeführt ist und die ein Signal T mit konstantem Effektivwert liefert, einen Phasenschieber (45), dem das Signal 7" zugeführt ist und der ein um 90 verschobenes Signal T' abgibt, einen Korrelator (47), der die Signale U und T erhält und einen Miüelwert UT' abgibt, einen Multiplikator (48), dem die Größen T und UT zugeführt sind und der das Produkt T ■ UT' liefert, sowie ein Subtraktionsorgan (52). dem das Summensignal U und das Signal 7" ■ UT' zügeführt ist und an dessen Ausgang das gesuchte Signal abgreifbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Konelatoren aus einem Multiplikator, dem ein über die Zeit integrierender Kreis nachgeschallcl ist, besteht bzw. bestehen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gc-

kennzeichnet, daß der Korrelator oder die Korre latoren aus einem Multiplikator mit nachge schaltetem Tiefpaßfilter besteht bzw. bestehen. "

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2. dadurd gekennzeichnet," daß der Amplitudenregler au einem Begrenzer besteht, dem ein Bandpaßfihe mit auf die Frequenz /₀ zentriertem schmalen Band nachgeschaltet ist.