DE2129421B2 - Schaltungsanordnung zur Verbesserung des Signal/Rausch-Abstandes von Signalen, die von mehreren Antennen empfangen werden - Google Patents

Schaltungsanordnung zur Verbesserung des Signal/Rausch-Abstandes von Signalen, die von mehreren Antennen empfangen werden

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbesserung des Signal.Rausch-Abstandes der von drei Antennen empfangenen Signale Sx, S2. S3. deren Rauschanteil zumindest teilweise kreuzkorreüert sind, wobei einem jeden Antenneneingang eine aus einer Verzögerungseinheit und einem Bandpaß bestehende Bewerhmgseinheit zur Erzielung gleicher Nul/signalanteile nadigeschaltct ist.
Bei den einheitlich als Antennen bezeichneten Wellenempfangseinrichtungen kann es sich auch um elektroakustische Wandler handeln. /. B bei akustischen Untcrwassersignalen.
Es wird angenommen, daß die von einer oder mehreren dieser drei Antennen empfangenen Nutzsignale eine konstante Frequenz J0 aufweisen, welche gegebenenfalls amplitudenmoduliert ist, wobei jedoch die Amplitudenmodulation derart langsam erfolgt, daß nur ein Gesamtfrequenzband erhalten wird, dessen Breite relativ gering bezogen auf die Frequenz/,,, ist.
Des weiteren wird vorausgesetzt, daß die empfangenen Signale vor Erreichen der Einrichtungen /ur Verringerung des Rauschens verstärkt und gesiebt werden, und daß dafür gesorgt wird, daß die Nutzsignalc an den Eingängen der Einrichtung zur Verringerung des Rauschens sowohl hinsichtlich der Amplitude als auch hinsichtlich der Phase den gleichen Kurzzeitwert SU) besitzen.
Wenn demgemäß mit / die Zeit und mit Sx(I) und S2(O die Kurzzeitwerte der diesen Eingängen jeweils zügeführlen Signale bezeichnet werden, so können folgende Gleichungen aufgestellt werden:
S1(J) = SU) + /),(0
S2(O = S(O + Z)2(O.
wobei /7,(0 und />2(0 die Kurz/eil-Amplitiidenwerte der den genannten Eingängen zugeführten Rauschsignale bezeichnen.
Ferner wird vorausgesetzt, daß zwischen S(O und dem einen oder anderen der Rauschsignale /), (0 und Z)2(O keine Korrelation besieht, daß jedoch im allgemeinen eine bestimmte Korrelation zwischen />,(/) und Z),(0 vorhanden ist. Damit ergibt sich:
Mittelwert des Produktes (S · />,) = 0
Mittelwert des Produktes (S · />,) = 0
Mittelwert des Produktes (/>, · h2) ψ- Ο.
Die allgemeinen Prinzipien der Verbesserung des Verhältnisses von Signal zu Rauschen in Empfangssystemen mit mehreren Antennen sind in verschiedenen Artikeln von Henri M e r m ο ζ beschrieben.
welche in der Zeitschrift »Annales des Telecommunications«, Vol. 18, 1963, Nr. 7/8. S. 126 bis 140, und Vol. 24. Juli 1969, Nr. 7/8, S. 282 bis 293. sowie in der ersten Zusatzanmeldung 84 165 zum französischen Patent 13 47 229 veröffentlicht sind.
In diesen Literaturstellen ist theoretisch für ein System von η Antennen gezeigt, daß es unter bestimmten Bedingungen möglich ist. (h-Ü Störe· zu eliminieren.
In der Df-OS 21 23 826 wird im Rahmen der von Henri M e r m ο ζ entwickelten Theorie eine Vorrichtung beschrieben, die es ermöglicht, von zwei Antennen empfangene, aus Nutz- und Störbestandteilen bestehende Signale zu verarbeiten und einen optimalen Rauschabstand zu erzielen.
Aufgabe der Erfindung ist es. eine entsprechende Lösung für den Fall von drei Antennen anzugeben.
Ausgehend von einer Schaltungsanordnung der eingangs angeführten Art wird diese Aufgabe nach der Erfindung dadurch gelöst, daß die Eingänge einer ersten Subtraktionsstufe zur Bildung des Wertes V1 = S1 -S2 mit den Ausgängen von zwei Bewertungseinheiten verbunden sind, daß die Eingänge einer zweiten Subtraktionsstufe zur Bildung des Wertes V2 = S2 - S3 an die Ausgänge der zwei Bewertungsstufen angeschlossen sind, daß die Ausgänge der drei Bewertungsschaltungen außerdem mit einer ersten Additionsstufe zur Bildung des Wertes V = S1 + S2 + .S, verbunden sind, daß der ersten Subtraktionssuife eine erste Normierungsschaltung zur Bildung des Wertes Vx und der zweiten Subtraktionsslufe eine zweite Normierungsschaltung zur Bildung des Wertes V2 nachgeschaltet ist, daß die Ausgänge der zwei Normierungsschaltungen einerseits mit einer /weiten Additionsstufe zur Bildung des Wertes W1 - P1 + V2 und andererseits mit einer dritten Subtraktionsstufe zur Bildung des Wertes W2 = V1 — V2 verbunden sind, daßeine dritte Normierungsschaltung zur Bildung des Wertes W1, deren Eingang am Ausgang der zweiten Additionsstufe liegt, sowie eine vierte Normierungsschaltung zur Bildung des Wertes W2 vorgesehen ist, deren Eingang mit dem Ausgang der dritten Subtraktionsstufe verbunden ist. daß der vierteil Normierungsschaltung ein erster 90 -Phasenschieber zur Bildung des Wertes W2 nachgeschaltet ist, daß eine dritte Additionsstufe zur Bildung des Wertes T1 = W1 + W2 vorgesehen ist, deren Eingänge mit dem Ausgang der dritten Normierungsschaltung und mit dem Ausgang des ersten 90 -Phasenschiebers verbunden sind, daß der Ausgang der dritten Additionsstufe mit einer fünften Normierungsschaltung zur Bildung des Wertes Tj verbunden ist. daß der Ausgang der vierten Subtraktionsstufe mit einer sechsten Normierungsschaltung zur Bildung des Wertes T2 verbunden ist, daß eine erste und eine zweite Schaltungsgruppe vorgesehen sind, von denen jede zwei Korrelator-Multiplikatorschaltungen und einen 90'-Phasenschieber aufweist, dessen Ausgang mit einem Eingang der Korrelator-MultiplikatorschalUing verbunden ist, daß die fünfte Normierungsschaltung und die sechste Normierungsschaltung jeweils einen Eingang der Korrelator-Multiplikatorschaltung der ersten Schaltungsgruppe bzw. zweiten Schaltungsgruppe und den Eingang des Phasenschiebers der ersten Gruppe bzw. zweiten Gruppe mit dem Signal T1 bzw. T2 speisen, daß die erste Additionsschaltung einen Eingang jeder Korrelator-Multiplikalorschaltung mit dem Signal U ansteuert, daß eine vierte Additionsstufe, der die vier Ausgangssignale der Korrelator-Multiplikatorschaltungen der ersten und der zweiten Gruppen zur Bildung des Wertes P zugeführt sind, mit einer fünften Subtraktionsstufe verbunden ist. die an einem weiteren Eingang mit dem Ausgang der ersten Additionsstufe zur Bildung der Differenz Q zwischen dem Wert U und dem Wer1 P verbunden ist.
Die Erfindung wird nachfolgend im einzelnen unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert: in ίο der Zeichnung zeigt
F i g. 1 ein vereinfachtes Schaltbild der Vorrichtun» nach der DT-OS 21 23 826,
F i g. 2 ein Prinzipschaltbild zur Erläuterung des Übergangs von der Vorrichtung gemäß Fig. I zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
F i g. 3 Einzelheiten der Schaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
F i g. 1 zeigt ein vereinfachtes, jedoch vollständiges Schaltbild der Vorrichtung nach der erwähnten DT-OS. Die von den Antennen 11 und 12 empfangenen Nulzsignale sind hinsichtlich der Amplitude und der Phase verschieden. Die Bewertungseinrichtungen K1 und K 2 werden von bekannten Anordnungen gebildet, welche die Nutzsignale bezüglich der Amplitude und der Phase einander gleichmachen und demgemäß diesen beiden Nutzsignalen einen Wert S geben. Die zu verarbeitenden, mit Rauschkomponenten behafteten Signale haben damit folgende Form:
Sl - S + ftl
S2 = S + bl.
Die mit dem Summenzeichen * gekennzeichneten Organe bilden die Summe der Eingangsgrößen. Von den mit dem Bezugszeichen D gekennzeichneten Organen wird die Differenz der zwei Eingangsgrößen gebildet. Mit dem Bezugszeichen Y ist eine komplexe Unleranordnung bezeichnet, welche aus einem Korrelator mit nachgeschaltetem Multiplikator besteht. Ein derartiger Korrelator ist als Einrichtung definiert, weiche das Produkt der Kurzzeitamplituden der zwei Signale in Abhängigkeit von der Zeit bildet und nach Integration über die Zeit oder Filterung mittels eines Tiefpasses mit schmalem Band eine Gleichspannung abgibt, deren Größe sich langsam ändert und die proportional zu dem Mittelwert des in Frage stehenden Produktes ist. Wenn zwei Eingangsgrößen mit T und U bezeichnet werden, liefert der Korrelator eine mit UT bezeichnete Ausgangsgröße. Diese Größe wird dem Eingang eines nachfolgenden Multiplikators zugeführt, welcher gleichermaßen die Größe T erhält und am Ausgang die Größe TUT liefert.
Mit dem Bezugszeichen Q ist ein Organ gekennzeichnet, das eine »Normierung« der Amplitude durchführt, d. h. ein Signal vorgegebener bzw. »normierter« Amplitude liefert, wenn es ein Eingangssignal mit variabler Amplitude erhall. Ein derartiges Organ kann beispielsweise in Form eines Begrenzers mit nachgeschaltelem schmalbandigem Filter ausgebildet sein. Es kann jedoch auch von einem Teiler gebildet werden, der die variable Größe durch ihren Effelvtivwert teilt.
Mit dem Bezugszeichen '/> ist ein Phasenschieber oder ein Verzögerungsorgan bezeichnet, womit der jeweiligen Eingangsgröße eine Phasenverschiebung von n/2 oder gegebenenfalls 3-7/2 erteilt wird. Der F i g. 1 ist somit zu entnehmen, daß das Organj__, die Summe U = Si + S2 und das Organ Di die Differenz ± (Sl - S2) = V liefert. Hinter der Nor-
miereinrichtung Q erhält man die Spannung T. Der Phasenschieber Φ liefert die Größe T'.
Das Organ Y 1 liefert T · UT', das Organ Y 2 liefert T · DT, wobei T' bezüglich T um 90 in der Phase verschoben ist. Das Organ$Z2 liefert die Summe dieser beiden letzten Größen, nämlich P. Schließlich erhält man durch Ό2 bei 14 die Differenz zwischen 17 und P, welche unter diesen Bedingungen einem Signal S entspricht, das frei von Rauschen ist.
Das Kästchen G enthält die Organe Vl, Yl und Φ. !0
Der Aufbau der beschriebenen Schaltung beruht auf folgenden Überlegungen:
Die Nutzsignalkomponente S ist in den Signalen S1 und S2 gleich, und die Differenz V stellt ein reines Rauschsignal ohne Nutzsignal dar. Dieses Rauschsignal muß in der Weise »geformt« werden, daß es exakt die Größe und die Phase wieder annimmt, die es in der Größe U hatte. Dahin gelangt man auf Grund der Verarbeitung durch die in dem Kästchen G enthaltenen Organe. Man erhält somit nach Summierung in ΧΓ2 eine Rauschgröße P, die im Prinzip identisch zu der in U enthaltenen Rauschgröße ist. Die bei 14 erhaltene Differenz U-P ist somit im Grenzfall ein rauschfreies, reines Signal.
Zur grundsätzlichen Erläuterung der vorliegenden Erfindung, die den Fall von drei Wellenempfangseinrichtungen betiifft, wird nachfolgend auf die F i g. 2 Bezug genommen.
In dieser F i g. 2 wird angenommen, daß die Größe U als Summe dreier von drei Antennen gelieferter Spannungen und zweier verschiedener Größen V1 und V 2 gebildet worden ist. Diese beiden letzteren Größen werden einem noch zu erläuternden Kreis X zugeführt, welcher zwei Größen Tl und T 2 (analog der Größe T in F i g. 1) liefert, von denen jede mit der Größe U in einem Organ G1 bzw. G 2 verarbeitet wird. Jedes der Organe G1 und G 2 ist identisch zu dem Organ G nach Fig. 1.
Die Organe G1 und G 2 liefern insgesamtvier Ausgangsgrößen, nämlich T'l DT1', Tl UT1, f"2 · 17T2', T2 · DT2, welche nach Anlegen an eine Summiereinrichtung Y] eine Größe P ergeben, welche ein »geformtes« reines Rauschen darstellt. Wird die Größe P von dem Wert U in einer Subtraktionsschallung D abgezogen, so erhält man die Größe U-P, welche frei von Rauschen ist.
Der Aufbau des komplexen Kreises X erfolgt ausgehend von folgenden Betrachtungen (siehe F i g. 1 und 2).
Es sei:
1. S1 = S(t) + Bn(I) + B12(I)
52 = SU) + B21U) + B22U)
53 = SU) + B31U) + B32U).
Die angenommenermaßen schmal bandigen Signale stammen von den drei Antennen, und diese Signale werden durch die Bewertungseinheiten, die den Antennen nachgeschaltet sind, identisch und gleich S(t) gemacht. In den vorstehenden Gleichungen ist mit Bik(t) das Störsignal bezeichnet, das im jeweiligen Zweig 1 vorhanden ist von einem Störer k stammt. Es ergeben sich folgende Größen:
2. UU) = SI + S2 + S3
Kl(/)= ± (Sl - S2)
V2(I) = ± (S2 - S3).
Die Größen Vl und Vl müssen einem Kreis X (F i g. 2) zugeführt werden, welcher am Ausgang die Größen 7 1 und T2 nach F i g. 2 liefert.
Der Aufbau des Kreises X ist im einzelnen in F i g. 3 gezeigt.
Drei Antennen II, 12, 13 empfangen mit Rauschen behaftete Signale, welche nach drei bewertenden Verstärkern KIl, K12, K13 in Form von Signalen Sl, S2, S3 erscheinen, die ein Nutzsignal gleicher Amplitude und gleicher Phase und zusätzlich Rauschsignale umfassen.
Ein Summierungsglied ΣΙ10 liefert die Summe U = Si + Sl + S3.
Eine erste Subtrahiereinheit D11 liefert V1 = ± (S 1 - S 2).
Ein /weites Subtrahierglied D12 liefert Vl = ± (Sl- S3).
Die Größe V1 wird in ein normiertes Signal V1 durch ein Organ QIl transformiert, und V2 wird in ein normiertes Signal Vl durch ein Organ Q12 umgewandelt. Jedes der Organe Q11 und Q12 umfaßt beispielsweise einen Begrenzer mit nachgeschaltetem Tiefpaßfilter.
Eine Summiereinheit H11 liefert ein Signal WX = f'l + Vl.
Ein Subtrahierglied D13 liefert eine Differenz W2 = ± (P1I - Vl).
Das Signal Wl wird seinerseits durch ein Organ
13 normiert, das wie QIl oder Q12 aufgebaut ist und die Größe W1 liefert. Ein Organ Q14 von gleicher Art, dem ein Phasenschieber Φ10 zur Erzeugung einer Phasenverschiebung um 90" nachgeschaltet ist, liefert ein Signal W'l normiert, das bezüglich W 2 um 90 in der Phase verschoben ist.
Ein Summierglied ZTl 2 liefert eine Summe Tl = Wl + W'l.
Durch ein Subtrahierglied D14 wird die Differenz T2= ± (W'l - W'l) gebildet.
Ein Norrrvi-rkreis 015 macht aus T1 eine normierte Größe Tl, und ein Normierkreis Q16 liefert eine normierte Größe Tl.
Aus der bereits erläuterten Theorie ist bekannt daß es zur Beseitigung der von zwei Störern kommen den Störsignale bei dieser Signalverarbeitung aus reichend ist, daß die komplexe Zwischenbeziehun{ der Signale T1 -T2 gleich Null isL
Die Größen f 1 und U werden den Eingängen de; Kreises Gl (F i g. 2) zugeführt, und die Größen t\ und U werden an die Eingänge des Kreises G'. (F i g. 2) gegeben. Nach dem Summierglied erhäl man die Größe P und nach dem Subtrahierglied L bei 15 das Signal U-P, das frei von Rauschen ist
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Vorrichtung zur Verbesserung des Signal Rausch-Abstandes der von drei Antennen empfangenen Signale S1, S2. S3, deren Rauschanteile zumindest teilweise kreuzkorreüert sind, wobei einem jeden Antenneneingang eine aus einer Verzögerungseinheit und einem Bandpaß bestehende Bewertungseinheit zur Erzielung gleicher Nutzsignalanteile nachgeschaltet ist. dadurch gekennzeichnet, daß die Eingänge einer ersten Subtraktionsstufe (DU) zur Bildung des Werts Vx = Sj — S1 mit den Ausgängen von zwei Bewertungseinheiten (/ill. /C 12) verbunden sind, daß die Eingänge einer zweiten SubtraktionhStufe (D 12) zur Bildung des Werts V2 = S2 - S, an die Ausgänge der zwei Bewertungsstufen (K 12. K 13) angeschlossen sind, daß die Ausgange der drei Bcwertungsschaltungen (fill. KU. K13) außerdem mit einer ersten Additionsstufe ( 10) /ur Bildung des Werts Γ = S1 + S2 + S, verbunden sind, daß der ersten Sublraktionsstufe (DIl) eine erste Normierungsschaltung (Q 11) zur Bildung des Werts V1 und der zweiten Subtraktionsstufe (D 12) eine zweite Normierungsschaltung (Q 12) /ur Bildung des Werts V2 nachgeschaltet ist, daß die Ausgänge der zwei Normierungsschaltungen (Q 11. <512) einerseits mit einer zweiten Additionsstufe (7 11) zur Bildung des Wertes W1 = Vx + V2 und andererseits mit einer drillen Sublraktionsslufe (D 13) /ur Bildung des Wertes H2 = Vx V2 verbunden sind, daß eine dritte Normierungsschallung (Q 13) zur Bildung des Wertes Wx, deren Eingang am Ausgang der zweiten Additionsstufe {]■ 11) liegt, sowie eine vierte Normicrungsschallung (Q 14) zur Bildung des Wertes W1 vorgesehen ist. deren Eingang mil dem Ausgang der dritten Subtraktionsstufe (D 13) verbunden ist. daß der vierten Normierungsschaltung (Q 14) ein erster 90 -Phasenschieber (7>10) zur Bildung des Wertes W2' nachgeschaltet ist. daß eine dritle AdditionsilufeL 12) zur Bildung des Wertes 7", = Wx + W2 vorgesehen ist, deren Eingänge mit dem Ausgang der dritten Normierungsschaltiing (013) und mit dem Ausgang des ersten 90 -Phasenschiebers (Φ10) Verbunden sind, daß der Ausgang der dritten Additionsstufe ([ 12) mit einer fünften Normiefungsschaltung (Q 15) zur Bildung des Wertes Tx verbunden ist, daß der Ausgang der vierten Sub-Iraktionsstufc (D 14) mit einer sechsten Normiefungsschaltung (016) zur Bildung des Wertes T2 Verbunden ist, daß eine erste und eine zweite Schaltungsgruppe (G1 bzw. G2) vorgesehen sind, von denen jede zwei Korrelator-Mullipükatorichaltungen (V1, Y2) und einen 90 -Phasenschieber {«/>) aufweist, dessen Ausgang mit einem Eingang der Korrelator-Multiplikatorschaltung (Yx) verkünden ist, daß die fünfte NormierungssehalUing (Q 15) und die sechste Normierungsschaltiing (Q 16) jeweils einen Eingang der Korrelator-Mulliplikaloischaltung (Y2) der ersten Schaltungsgruppc (G1) bzw. zweiten Schaltungsgruppe (G2) und den Eingangdes Phasenschiebers (Φ) der ersten Gruppe (G1) bzw. zweiten Gruppe (G2) mit dem Signal Tx bzw. T2 speisen, daß die erste Additionsschallung (ZZ'O) einen Eingang jeder Korrelator-Multiplikatorschaltung (K1) und (K2) mit dem Signal U ansteuert, daß eine vierte Additionsstufe ('__). der die vier Ausgangssignale der Korrelator-Multiplikaiorschaltiingen !>',. Y2) der ersten und der /weiten Gruppe (G,, G2) zur Bildung des Wertes P zugeführt sind, mit einer fünften Subtraktionsstufe (D) verbunden ist. die an einem weiteren Eingang mit dem Ausgang der ersten Additionsstufe (~Z 10) zur Bildung der Differenz Q zwischen dem Wert U und dem Wert P verbunden ist.
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