DE2123826C3

DE2123826C3 - Vorrichtung zur Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses einer Empfängeranordnung mit zwei Empfangsantennen

Info

Publication number: DE2123826C3
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: 1975-12-18
Also published as: BE766448A; FR2087370A5; DE2123826A1; DE2123826B2; GB1327834A; US3737783A; NL7106635A

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 + />,(/).

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 Re}i?^{el ein}e 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

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 = b_t - 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

(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 h_x 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

Patentansprüche:

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.