DE2129421C3 - 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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DE2129421C3
DE2129421C3 DE2129421A DE2129421A DE2129421C3 DE 2129421 C3 DE2129421 C3 DE 2129421C3 DE 2129421 A DE2129421 A DE 2129421A DE 2129421 A DE2129421 A DE 2129421A DE 2129421 C3 DE2129421 C3 DE 2129421C3
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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verbesserung des Signai/Rausch-Abstandes der von drei Antennen empfangenen Signale S1, S2, S3, deren Rauschanteil zumindest teilweise kreuzkorreliert sind, wobei einem jeden Antenneneingang eine aus einer Verzögerungseinheit und einem Bandpaß bestehende Bewertungseinheit zur Erzielung gleicher Nutzsiunalanicile nachgeschaltet ist.
Bei den einheitlich als Antennen bezeichneten Wellenempfangseinrichtungen kann es sich auch um elektroakustische Wandler handeln. 7. B. bei akustischen Unterwassersignalen.
Es wird angenommen, daß die von einer oder mehreren dieser drei Antennen empfangenen Nutzsicnale eine konstante Frequenz/0 aufweisen, welche gegebenenfalls amplitudenmoduliert ist, wobei jedoch die Amplitudenmodulation derart langsam ei folgt, daß nur ein Gesamtfrequenzband erhalten wird, dessen Breite relativ gering bezogen auf die Frequenz /0, ist. Des weiteren wird vorausgesetzt, daß die cinpfanucnen Signale vor Erreichen der Einrichtungen zur Verringerung des Rauschens verstärkt und gesiebt werden, und daß dafür gesorgt wird, daß die Nutzsignale an den Eingängen der Einrichtung zur Verringerung des Rauschens sowohl hinsichtlich der Amplitude als auch hinsichtlich der Phase den gleichen Kurzzeitwert S(r) besitzen.
Wenn demgemäß mit t die Zeit und mit S1 (0 und S2U) die Kurzzeitwerte der diesen Eingängen jeweils zugeführten Signale bezeichnet werden, so können folgende Gleichungen aufgestellt werden:
S1(O = S(i) + bx(t) S2(I) = SU) + /)2(0,
wobei bx(t) und />2(0 die Kurzzeit-Amplitudenwerte der den genannten Eingängen zugeführlen Rauschsignale bezeichnen.
Ferner wird vorausgesetzt, daß zwischen SU) und dem einen oder anderen der Rauschsignale A1(O und /)2(0 keine Korrelation besteht, daß jedoch im allgemeinen eine bestimmte Korrelation zwischen ft,(o und h2U) vorhanden ist. Damit ergibt sich:
Mittelwert des Produktes (S · bx) = 0 Mittelwert des Produktes (S ■ b2) = 0 Mittelwert des Produktes (bx ■ />,) f. 0.
Die allgemeinen Prinzipien der Verbesserung des Verhältnisses von Signal zu Rauschen in Empfangssystemen mit mehreren Antennen sind in verschiedenen Artikeln von Henri M c r m ο ζ beschrieben
3 4
weiche in der Zeitschrift »Annales des Telecommuni- Additionsstufe, der die vier Ausgangssignale der Korre-
cations«, Vol. 18, 1963, Nr. 7/8, S. 126 bis 140, und lator-Muliiplikatorschaltunt-en der ersten und der
•"S Vol. 24, Juli 1969, Nr. 7/8, S. 282 bis 293, sowie in der zweiten Gruppen zur Bildung des Wertes P zugeführt
ersten Zusatzanmeldung 84 165 zum französischen sind, mit einer fünften Subtrakiionsstufe verbunden
Patent 13 47 229 veröffentlicht sind. 5 ist. die an einem weiteren Eingang mit dem Ausgang
In diesen Literaturstellen ist theoretisch für ein dor ersten Additionsstufe zur Bildung der Differenz Q
System von η Antennen gezeigt, daß es unter be- zwischen dem Wert L' und dem Wert P verbunden ist.
stimmten Bedingungen möglich isl. (ii-1) Störer zu Die Erfindung wird nachfolgend im einzelnen
eliminieren. unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert: in
In der DT-OS 21 23 826 wird im Rahmen der von io der Zeichnung zeigt
HenriMermoz entwickelten Theorie eine Vor- F i g. 1 eiivveremfachtes Schaltbild der Vorrichtung
richtung beschrieben, die es ermöglicht, von zwei nach der DT-OS 21 23 826.
Antennen empfangene, aus Nutz- und Störbestand- F i g. 2 ein Prinzipschaltbild zur Erläuterung des
teilen bestehende Signale zu verarbeiten und einen Übergangs von der Vorrichtung gemäß .Fig. 1 zu
optimalen Rauschabstand zu erzielen. ,5 der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
Aufgabe der Erfindung ist es, eine entsprechende Fig. 3 Einzelheiten der Schaltungen der erfin-
Lösung für den Fall von drei Antennen anzugeben. dungsgemäßen Vorrichtung.
Ausgehend von einer Schaltungsanordnung der F i g. 1 zeigt ein vereinfachtes, jedoch vollständiges
eingangs angeführten Art wird diese Aufgabe nach SchaltbildderVorrichtungnachdererwähntenDT-OS. der Erfindung dadurch gelöst, daß die Eingänge einer 20 Die von den Antennen lf und 12 empfangenen Nutz-
ersten Subtraktionsstufe zur Bildung des Wertes signale sind hinsichtlich der Amplitude und der Phase
y = S1 - S2 mit den Ausgängen von zwei Bewcr- verschieden. Die Bewertungseinrichtungen K 1 und
tu'ngseinheiten verbunden sind, daß die Eingänge einer Kl werden von bekannten Anordnungen gebildet,
zweiten Subtraktionsstufe zur Bildung des Wertes welche die Nutzsignale bezüglich der Amplitude und y _ s - S3 an die Ausgänge der zwei Bewertungs- 25 der Phase einander gleichmachen und demgemäß
stufen angeschlossen sind, daß die Ausgänge der drei diesen oeiden Nutzsignalen einen Wert S geben. Die
Bewertungsschaltungen außerdem mit einer ersten zu verarbeitenden, mit Rauschkomponenten behafte-
Additionsstufezur Bildung des Wertes U -S1 +S2 +S3 ten Signale haben damit folgende Form:
verbunden sind, daß der ersten Subtraktionsstufe S1 = 5 + /,i
eine erste Normierungsschaltung zur Bildung des 30 Sl = S + hl
Wertes F1 und der zweiten Subtraktionsstufe eine '_
zweite Normierungsschaltung zur Bildung des Wer- Die mit dem Summenzeichen 21" gekennzeichneten
tes F nachgeschaltet ist, daß die Ausgänge der zwei Organe bilden die Summe der Eingangsgrößen. Von
Normierunesschaltungen einerseits mit einer zweiten (den mit dem Bezuuszeichen D gekennzeichneten Or-Additionsstufe zur Bildung des Wertes W\ - F1 + F, 35 ganen wird die Differenz der zwei Eingangsgroßen
und andererseits mit einer dritten Subtraktionsstufe gebildet. Mit dem Bezugszeichen Y ist eine komplexe
zur Bildung des Wertes W-, = F1 - F1 verbunden Unteranordnung bezeichnet, welche aus einem Korre-
«nddaßeinedritteNormierunasschaltungzurBildung lalor mit nachgeschaltetem Multiplikator besteht.
Hk Wertes VF1 deren Eingang am Ausgang der Ein derartiger Korrelator ist als Einrichtung detoniert, -weiten Additionsstufe lieet, sowie eine vierte'Nor- 40 welche das Produkt der Kurzzeitamplituden der zwei
mierunesschaltung zur Bildung des Wertes 1Ϊ', vor- Signale in Abhängigkeit von der Zeit bildet und nach
Sn ist deren Eingang mit dem Ausaanu der Integration über die Zeit oder Filterung mittels eines
Hritten Subtraktionsstufe verbunden ist, daß der Tiefpasses mit schmalem Band eine Gleichspannung
vierten Normierungsschaltung ein e/slcr 90 -Phasen- abgibt, deren Größe sich langsam ändert und die schieber zur Bildung des Wertes VF,' nachgeschaltel 45 proportional zu dem Mittelwert des in r-rage stelien-
ist daß eine dritte Additionsstufe zur Bildung des den Produktes ist. Wenn zwei Eingangsgroßen mit
Wertes T = VF1 + VF2 vorgesehen ist. deren Eingänge T und L/_bezcichnet werden, liefert der Korrelator
mit dem Ausgang der dritten Normierungsschaltung eine mit UT bezeichnete Ausgangsgröße. Diese GroIJe
und mit dem Ausgang des ersten 90 -Phasenschiebers wird dem Eingang eines nachfolgenden Multiplikato.s
verbunden sind, daß der Ausgang der dritten Addi- 50 zugeführt, welcher gleichermaßen_die Große / email
lionsstufe mit einer fünften Normierungsschaltung und am Ausgang die Größe T · UT liefert,
zur Bildung des Wertes T1 verbunden ist. daß der Mit dem Bezugszeichen Q ist ein Organ gekenn-
Auseane der vierten Subtraktionsstufe mit einer zeichnet, das eine »Normierung« der Amplitude
sechsten Normierunssschaltung zur Bildung des Wer- durchführt, d. h. ein Signal vorgegebener bzw. »noi-
es f verbunden isti daß eine erste und eine zweite 55 mierter« Amplitude liefert, wenn es ein Eingangs-
Schaltuntisiiruppe vorgesehen sind, von denen jede signal mit variabler Amplitude erhall, bin delaines
zwei Korrelator-MultiplikatorschalU.ngcn und einen Organ kann beispielsweise in Form e'»"^";^s
W-Phasenschieber aufweist, dessen Ausgang mit mit nachgeschaltetem schmalbandigem Hllcr ausgc-
einem Eingang der Korrelator-Multiplikatorschahung bildet sein. Es kann jedoch auch von einem Teiler
verbunden Ä daß die fünfte Normierungsschaliung 60 gebildet werden, der die variable Große durch ihren
nnH Hip «sechste Normieriinizsschallung jeweils einen Effcktivwcrl teilt.
Etagäg^ KoVrd^r-Multiplikatorschaltung der Mit dem Bezugszeichen Φ ist em Phase'isch-ebcr
er ten Schaltungsgruppe bzw. zweiten Schaltungs- oder ein Verzögerungsorgan bezeichnet, womit de.
u Je und den" Eingang des Phasenschiebers der jeweiligen Eingangsgröße cmc Pha«n«r^cbun^
UU) ViU) V2U)
miereinrichtung Q erhält man die Spannung 7. Der Phasenschieber Φ liefert die Größe T.
Das Organ yi liefert T ■ UT, das Organ > 2 liefert Γ · UT, wobei T bezüglich T um 90 in der Phase verschoben ist. Das Organn2 liefert die Summe dieser beiden letzten Größen, nämlich P. Schließlich erhält man durch D 2 bei 14 die Differenz zwischen U und P, welche unter diesen Bedingungen einem Signal S entspricht, das frei von Rauschen ist.
Das Kästchen G enthält die Organe Y 1. Y 2 und Φ. Der Aufbau der beschriebenen Schaltung beruht auf folgenden Überlegungen:
Die Nutzsignalkomponente S ist in den Signalen Sl und S2 gleich, und die Differenz V stellt ein reines Rauschsignal ohne Nulzsignal dar. Dieses Rausch- 15 signal muß in der Weise »geformt« werden, daß es exakt die Größe und die Phase wieder annimmt, die es in der Größe Ii hatte. Dahin gelangt man auf Grund der Verarbeitung durch die in dem Kästchen G enthaltenen Organe. Man erhält somit nach Summierung 20 signale umfassen, in ΣΙ2 eine Rauschgröße P, die im Prinzip identisch Ein Summierungsglied
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 betrifft, 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 V2 gebildet worden ist. Diese beiden letzteren
Größen werden einem noch zu erläuternden Kreis X zugeführt, welcher zwei Größen 71 und Tl (analog
der Größe Γ in F i g. 1) liefert, von denen jede mit
der Größe U in einem Organ Gl 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 insgesamt vier Aus- Bik(t) das Störsignal bezeichnet, das im jeweiligen Zweig ί vorhanden ist von einem Störer k stammt. Es ergeben sich folgende Größen:
= Sl + S2 + S3 = ± (Sl - S2) = ± (S2 - S3).
Die Größen Vl und V 2 müssen eineim Kreis λ' (F i g. 2) zugeführt werden, welcher am Ausgang die Größen Tl und ti nach F i g. 2 liefert.
Der Aufbau des Kreises X ist im einzelnen in F i g. 3 gezeigt.
Drei Antennen 11, 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 Rausch-
10 liefert die Summe U = Sl -l· Sl + S3.
Eine erste Sublrahiereinheit DIl liefert Kl = ± (S 1 - S 2).
Ein zweites Sublrahierglied D12 liefert Vl = ± (Sl- S3).
Die Größe V 1 wird in ein normiertes Signal V1 durch eis Organ QIl transformiert, und Vl wird in ein normiertes Signal V1 durch ein Organ Q12 umgewandelt. Jedes der Organe QH und Q12 umfaßt beispielsweise einen Begrenzer mit nachgeschaltetem Tiefpaßfilter. __
Eine Summiereinheit Σΐ 11 liefert ein Signal VVl = Vl + Vl.
Ein Subtrahierglied D13 liefert eine Differenz Wl = ± (Vl - Vl).
Das Signa! Wl wird seinerseits durch ein Organ Q13 normiert, das wie QIl oder Q12 aufgebaut ist und die Größe IVl liefert. Ein Organ Q14 von gleicher
aangsgrößen, nämlich f'l UT1', Tl UT1. TΊ ■ UT{. 40 Art, dem ein Phasenschieber Φ10 zur Erzeugung einer
™- "^ ■ · ' ' ' ' " :— Phasenverschiebung um 90" nachgeschaltet ist. liefert
ein Signal W'l normiert, das bezüglich Wl um 90 in der Phase verschoben ist.
Ein Summierglied 2_ 12 liefert eine Summe Tl
T 2 · DT2. welche nach Anlegen an eine Summiereinrichtung η eine Größe P ergeben, welche ein »geformtes« reines Rauschen darstellt. Wird die Größe P von dem Wert U in einer Subtraktionsschaltung D abgezogen, so erhält man die Größe U-P. welche frei von Rauschen ist.
Der Aufbau des komplexen Kreises X erfolgt aussehend von folgenden Betrachtungen (siehe ι i g. 1 und 2).
Es sei:
s, = SU) + B11U) H
S2 = S(/) + B21(D -i
S3 = SU) + Bi. O -
l· B12(O
l· B22(D
l· Bi2U).
Die angenommenermaßen schmalbandigen Signale stammen von den drei Antennen, und diese Signale werden durch die Bewertungseinheiten, die den Antennen nachgeschaltet sind, identisch und gleich SU) gemacht. In den vorstehenden Gleichungen ist mit eine = Wl + Wl.
Durch ein Subtrahierglied D14 wird die Differenz T2 = ± (Wl - W'l) gebildet.
Ein Normierkreis Q15 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 Zwischenbeziehuni der Signale T1 · T2 gleich Null ist.
Die Größen Tl und U weiden 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 Subtrahicrglied I bei 15 das Signal U-P, das frei von Rauschen is!
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

  1. Patentanspruch:
    Vorrichtung zur Verbesserung des Signal/ Rausch-Abslandes der von drei Antennen empfangenen Signale S1, S2, S3, deren Rauschanteile zumindest teilweise kreuzkorreliert 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 = S1 - S2 mit den Ausgängen von zwei Bewertungseinheiten (KW, K12) verbunden sind, daß die Eingänge einer zweiten Subtraktionsstufe (D 12) zur Bildung des Werts V2 = S2 - S, an die Ausgänge der zwei Bewertungsstufen (K 12, K13) angeschlossen sind, daß die Ausgänge der drei Bewertungsschaltungen (XIl, K12, K13) außerdem mit einer ersten Additionsstufe (HIO) zur Bildung des Werts U - S1 +S2-I-S3 verbunden sind, daß der ersten Subtraktionsstufe (DIl) eine erste Normierungsschaltung (Q II) zur Bildung des Werts V1 und der zweiten Subtraktionsstufe (D 12) eine zweite Normierungsschaltung (Q 12) zur Bildung des Werts V2 nachgeschaltet ist, daß die Ausgänge der zwei Normierungsschaltungen (Q 11, Q12) einerseits mit einer zweiten Additionsstufe (HU) zur Bildung des Wertes Wx = Vx + V2 und andererseits mit einer dritten Subtraktionsstufe (D 13) zur Bildung des Wertes W2 = V1 - V2 verbunden sind, daß eine dritte Normierungsschaltung (013) zur Bildung des Wertes Wx, deren Eingang am Ausgang der zweiten Additionsstufe (HiI) liegt, sowie eine vierte Normierungsschaltung (Q 14) zur Bildung des Wertes W2 vorgesehen ist, deren Eingang mit dem Ausgang der dritten Subtraktionsstufe (D 13) verbunden ist, daß der vierten Normierungsschaltung (Q 14) ein erster -Phasenschieber (Φ10) zur Bildung des Wertes W2 nachgeschaltet ist, daß eine dritte Additionsstufe (z_ 12) zur Bildung des Wertes Tx = Wx + W2 vorgesehen ist, deren Eingänge mit dem Ausgang der dritten Normierungsschaltung (Q 13) und mit 45 dem Ausgang des ersten 90' - Phasenschiebers (Φ10) verbunden sind, daß der Ausgang der dritten Additionsstufe (H12) mit einer fünften Normierungsschaltung (Q 15) zur Bildung des Wertes TJ verbunden ist, daß der Ausgang der vierten Sub- 50 Iraktionsstufe (D 14) mit einer sechsten Normierungsschaltung (Q 16) zur Bildung des Wertes T2 verbunden ist, daß eine erste und eine zweite Schaltungsgruppe (G1 bzw. G2) vorgesehen sind, von denen jede zwei Korrelator-Multiplikator- 55 Schaltungen (VJ1 V2) und «:inen 90 -Phasenschieber (Φ) aufweist, dessen Ausgang mit einem Eingang der Korrelator-Multiplikatorschaltung (Y1) verbunden ist, daß die fünfte Normierungsschaltung (Q 15) und die sechste Normierungsschaltung (Q 16) 60 jeweils einen Eingang der Korrelator-Multiplikatorschaltung (K2) der ersten Schaltungsgruppe (G1) bzw. zweiten Schaltungsgruppe (G2) und den Eingang des Phasenschiebers (Φ) der ersten Gruppe (Gx) bzw. zweiten Gruppe (G2) mit dem Signal Tx 65 bzw. T2 speisen, daß die erste Additionsschaltung (H'O) einen Eingang jeder Korrelator-Multiplikatorschaltung (K1) und (K2) mit dem Signalt/ ansteuert, daß eine vierte Additionsstufe (^ ). der die vier Ausgangssignale der Korrelator-Multiplikatorschaltungen (Yx, Y2) der ersten und der zweiten Gruppe (Gj, G2) zur Bildung des Wertes /-> zugeführt sind, mit einer fünften Subtraktionsstufe (D) verbunden ist, die an einem weiteren Eingang mit dem Ausgang der ersten Additionsstufe (HlO) zur Bildung der Differenz Q zwischen dem Wert U und dem Wert P verbunden ist.
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DE3406343A1 (de) * 1984-02-22 1985-08-29 Messerschmitt-Bölkow-Blohm GmbH, 2800 Bremen Verfahren zur ortung von signalquellen mit stoersignalunterdrueckung

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