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Radarempfänger mit Schutz gegen selektive Störsender
Die Erfindung
bezieht sich auf einen Radarempfänger mit Schutz gegen selektive Störsender, die
eine Bandbreite überdecken, die kleiner als die Bandbreite der vom Empfänger verarbeiteten
Signale ist, bei dem der Zwischenfrequenzkanal vor der Detektoranordnung durch Filteranordnungen
in eine bestimmte Zahl von voneinander unabhängigen parallelen Elementarkanälen
unterteilt ist, von denen jeder eine gleiche Bandbreite überdeckt, deren Summe gleich
der Gesamtbandbreite des Empfängers ist.
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In einem Radarempfänger erscheint stets ein Hintergrundrauschen,
das sich dem Nutzsignal überlagert. Dieses praktisch konstante Hintergrundrauschen
stammt von dem atmosphärischen Rauschen in dem vom Radargerät beobachteten Raum
und von dem Rauschen des Empfängers selbst. Zum Schutz gegen das Hintergrundrauschen
erfolgt die Auswertung der Signale im allgemeinen mit Hilfe eines Schwellwertdetektors,
der nur die Auswertung der Signale ermöglicht, deren Amplitude einen vorgegebenen
Schweilwert übersteigt. Dieser Schwellwert wird so gewählt, daß die Zahl der vom
Hintergrundrauschen stammenden Falschsignale ausreichend niedrig ist.
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Auf Grund eines Mangels der Einrichtung oder auf Grund eines äußeren
Störsenders ist es jedoch möglich, daß das am Eingang des Empfängers erscheinende
Rauschen beträchtlich zunehmen kann.
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In diesem Fall läßt der Schwellwertdetektor eine beträchtliche Rauschleistung
durch, und der Anteil an Falschsignalen kann unzulässig groß werden.
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Verschiedene Empfangsanordnungen sind so ausgeführt, daß sie einen
konstanten Falschsignalanteil aufrechterhalten. Die üblicherweise verwendeten Anordnungen
zur Aufrechterhaltung eines konstanten Falschsignalanteils bestehen beispielsweise
aus Begrenzern oder logarithmischen Verstärkern oder automatischen Verstärkungsregelanordnungen.
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Die Störschutzanordnungen dieser Art sind unwirksam, wenn das Rauschen
am Eingang des Radarempfängers stärker als die zu beobachtenden Nutzsignale ist,
da sie dann, nach einem geläufigen Ausdruck, in dem Rauschen untergegangen sind.
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Es bestehen Anordnungen zum Schutz gegen ein Rauschen, das stärker
als die Nutzsignale ist. Diese Schutzanordnungen sind für Störsignale sehr besonderer
Form ausgelegt, die von selektiven Störsendern erzeugt werden, welche in einer genau
festgelegten Weise wirken. Solche Anordnungen eignen sich beispielsweise für den
Fall von Störsendern, die Sinussignale mit einer linearen Frequenzdurchstimmung
liefern oder gleichzeitig Signale auf verschiedenen reinen Frequenzen aussenden.
Der erhaltene Schutz wirkt nur gegen Störsender der vorgesehenen Art.
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Zur Erzielung eines konstanten Falschsignalanteils in einem sehr
großen Dynamikbereich ist es bekannt, die Videosignale einer Reihe von Elementarkanälen
zuzuführen, deren Eingänge mit den verschiedenen Ausgängen mehrerer in Kaskade geschalteter
Videoverstärker verbunden sind und an deren Ausgänge eine Addierschaltung angeschlossen
ist. In jedem Elementarkanal befindet sich ein Verstärker, dessen Verstärkung selbsttätig
so gesteuert wird, daß er in dem Augenblick gesperrt wird, in welchem der zugehörige
Videoverstärker in die Sättigung geht. Dadurch wird erreicht, daß schwache Signale
durch die ganze Kette von Videoverstärkern verstärkt werden, während bei stärker
werdenden Signalen die aufeinanderfolgenden Stufen von hinten her fortschreitend
gesperrt werden.
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In diesem Fall erfolgt keine Aufteilung der Videosignale in einzelne
Frequenzbänder, sondern jeder Elementarkanal empfängt das vollständige Frequenzband.
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Bei mit Impulskompression arbeitenden Radarsystemen ist es andererseits
bekannt, die Empfangssignale durch Filter oder Frequenzumsetzer in einzelne Frequenzbänder
zu zerlegen, die parallelen Elementarkanälen zugeführt werden, von denen jeder eine
die Kompression des entsprechenden Teilimpulses bewirkende Verzögerungsanordnung
sowie eine die richtige Phasenbeziehung der Ausgangssignale wiederherstellende Phasenschieberanordnung
enthält. Die Ausgänge der Elementarkanäle sind mit einer Addierschaltung verbunden.
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Bei diesen bekannten Anordnungen erfolgt jedoch in den Elementarkanälen
keine Entstörung durch nichtlineare Verstärker.
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Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Radarempfängers der
eingangs angegebenen Art, der beim Vorhandensein von selektiven Störsendern, dessen
Störsignalpegel den Pegel der Nutzsignale übersteigt, eine Verbesserung des Störabstandes
ergibt, sofern die Bandbreite der Störsignale kleiner als die Bandbreite der Nutzsignale
ist.
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Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß jeder Kanal in
an sich bekannter Weise einen Verstärker, dessen Verstärkung sich bei zunehmendem
Eingangspegel verringert, enthält, daß jeder Kanal ferner am Ausgang Anpassungsorgane
aufweist, die den am Eingang angeordneten Organen so entsprechen, daß die Phase
der übertragenen Elementarsignale wiederhergestellt wird, und daß mit den Ausgängen
der Kanäle in wiederum an sich bekannter Weise eine Addierschaltung verbunden ist,
welche die Detektoranordnung des Empfängers speist.
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Die Wirkung der Erfindung beruht darauf, daß sich die Störsignale
nur in einem Teil der Elementarkanäle auswirken, da ja vorausgesetzt wird, daß ihre
Bandbreite kleiner als die Bandbreite der Nutzsignale ist. In diesem Elementarkanälen
erfolgt daher eine Verringerung der Verstärkung entsprechend dem Pegel der Störsignale
und damit eine Herabsetzung sowohl des Störsignalpegels als auch des Nutzsignalpegels.
Da aber in den übrigen Elementarkanälen keine Verminderung des Nutzsignalpegels
erfolgt, ist die Summe der von allen Elementarkanälen abgegebenen Nutzsignale anteilmäßig
wesentlich weniger vermindert als die Summe der Störsignale. Dies entspricht einer
Verbesserung des Störabstandes.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielshalber
beschrieben. Darin zeigt Fig. 1 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung,
Fig. 2 a, 2 b, 2 c, 2d Diagramme von Frequenzspektren zur Erläuterung der Wirkungsweise
der Anordnung und Fig. 3, 4 und 5 verschiedene Ausführungsformen der Anordnung von
Fig. 1.
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Die beschriebene Anordnung hat den Zweck, die Feststellung der empfangenen
Nutzsignale in einem Radarempfänger zu verbessern, wenn sie am Eingang des Empfängers
mit einem starken Rauschen gemischt sind, dessen Bandbreite schmäler als diejenige
der Signale ist. Das Hintergrundrauschen des Empfängers kann gegenüber der betreffenden
starken Störung als vernachlässigbar angesehen werden. Es wird daher in der nachstehenden
Beschreibung nicht berücksichtigt, und der Begriff »Rauschen« bedeutet ausschließlich
andere Störsignale als das Hintergrundrauschen. Der beabsichtigte Schutz wird dadurch
erhalten, daß ein vor dem Detektor liegender Abschnitt des Empfangskanals in p voneinander
unabhängige Kanäle unterteilt wird, von denen jeder für die Übertragung eines gegebenenElementarfrequenzbandes
ausgelegt ist, wobei die Zahl dieser Elementarfrequenzbänder, die alle verschiedene
Mittelfrequenzen haben, den Wert p hat und die Gesamtheit der Bandbreite des Empfängers
bedeckt. Bei dem dargestellten Beispiel erfolgt die Unterteilung in p Kanäle im
Zwischenfrequenzteil des Empfängers.
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Fig. 1 zeigt den Zwischenfrequenzteil eines störsicheren Radarempfängers
nach der Erfindung. Das
Ausgangssignal der Frequenzumsetzerstufe
kommt am Eingang 1 an und wird in dem ZF-Vorverstärker 2 zunächst verstärkt. Bis
zu dieser Stufe besitzt der Empfangskanal die Bandbreite B. Am Ausgang des Vorverstärkers
2 sind parallel p Kanäle angeschlossen, von denen jeder einem Zwischenfrequenzkanal
eines Empfängers bei Radargeräten dieser Art vergleichbar ist.
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Am Eingang jedes Kanals wählt ein Bandfilter 31, 32... 3p aus dem'Spektrum
der empfangenen Signale die Spektralkomponenten aus, die innerhalb des von dem Filter
definierten Elementarfrequenzbandes liegen. Somit werden die empfangenen Signale
am Eingang des Zwischenfrequenzsignals in p Signalgruppen zerlegt, von denen jede
ein Frequenzspektrum einnimmt, dessen Breite gleich einem Elementarfrequenzband
ist. Alle Elementarfrequenzbänder haben die gleiche Breite b, und die von dem Zwischenfrequenzkanal
überdeckte Gesamtbandbreite p b ist gleich der Bandbreite B des Empfängers.
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Die so durchgeführte Frequenzzerlegung erfolgt so, daß die Störsignale
eines selektiven Störsenders, d. h. eines Störsenders, bei dem die Bandbreite des
Frequenzspektrums verhältnismäßig schmal ist, in Teilsignale zerlegt werden, die
nur eine kleine Zahl von Elementarbändern b einnehmen, im Gegensatz zu den Nutzsignalen,
deren Frequenzspektrum sich über die Gesamtheit der Bandbreite B des Empfängers
erstreckt. Daraus geht hervor, daß die Zwischenfrequenzübertragung der Nutzsignale
von dem betreffenden Rauschen nur in einer gegen die Gesamtzahl p verhältnismäßig
kleinen Zahl von Kanälen gestört wird.
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Jeder Kanal bildet eine eigene Zwischenfrequenzverstärkerkette und
besitzt dementsprechend alle üblichen Organe einer solchen Kette. Da nun aber die
Störschutzanordnung selbst dann wirksam sein soll, wenn das störende Rauschen, von
dem angenommen wird, daß es eine schmale Bandbreite hat, stärker als das Nutzsignal
ist, sind die Zwischenfrequenzkanäle in ihrer Gesamtheit so ausgeführt, daß die
bei den Störsignalen vorgenommene Verstärkung kleiner als die Verstärkung der Nutzsignale
ist. Zu diesem Zweck ist jeder in einem Kanal enthaltene Verstärker 41, 42 . . .
4p mit regelbarer Verstärkung ausgeführt, wobei die Verstärkung in Abhängigkeit
von dem Eingangspegel abnimmt. Dieser Verstärker ist beispielsweise als Verstärker
mit einem Begrenzer ausgebildet. Die Begrenzung legt den maximalen Energiepegel
der Spektrallinie am Ausgang jedes Zwischenfrequenzkanals fest. Nun ist aber die
Störenergie in einer kleinen Zahl von Kanälen konzentriert. In jedem gestörten Kanal
haben daher die Störteilsignale einen verhältnismäßig großen Pegel. Wenn dieser
Pegel über der Begrenzungsschwelle liegt, werden die Rauschsignale begrenzt, und
die Gesamtleistung des Rauschens am Ausgang des Zwischenfrequenzkanals ist kleiner
als die Rauschleistung am Eingang. Dagegen wird die Energie des Nutzsignals auf
alle Kanäle aufgeteilt. Daher haben in jedem Kanal die Spektralkomponenten des Nutzsignals
einen ziemlich kleinen Pegel, der im allgemeinen unter der Begrenzungsschwelle liegt.
Diese Komponenten werden somit verstärkt, und die Gesamtausgangsleistung des Nutzsignals
ist größer als die Eingangsleistung dieses Signals.
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Die sehr vereinfachten Diagramme von Fig. 2 a und 2b zeigen deutlich
die durch diese Begrenzung erhaltenen Ergebnisse. Diese Diagramme zeigen die als
rechteckig angenommenen Spektren des Nutzsignals S und des Rauschsignals Br am Eingang
bzw. am Ausgang jedes Zwischenfrequenzkanals.
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Die Energien der Spektrallinien sind durch die Werte AT angegeben.
Die Begrenzungsschwelle jedes Kanals entspricht dem Niveau L. Die Zahl der Kanäle
beträgt p = 6, und das Rauschen nimmt q = 2 Kanäle ein. Es wird angenommen, daß
die dargestellten Spektren Impulsen gegebener Frequenz entsprechen, deren Dauer
gleich dem Kehrwert der Breite des Spektrums ist. Mit der in der Darstellung gewählten
Energieeinheit, und wenn als Frequenzeinheit ein Elementarband b gewählt wird, erkennt
man dann, daß die Spitzenleistung des Nutzsignals am Eingang des Zwischenfrequenzkanals
(Fig. 2a) den Wert 6 hat, während diejenige des Rauschens den Wert 60 hat. Die Schwelle
L legt die maximale Ausgangsleistung jedes Kanals auf den Wert 10 fest. Ferner ist
gezeigt, daß am Ausgang eines Kanals, der gleichzeitig Nutzsignalkomponenten und
Störsignalkomponenten überträgt, das Verhältnis zwischen den Spektraldichten des
Rauschens und des Nutzsignals das gleiche wie am Eingang des Kanals ist. Dementsprechend
beträgt am Ausgang jedes der beiden gestörten Kanäle (Fig. 2b) der Energiepegel
des Nutzsignals etwa 0,3 und derjenige des Rauschsignals etwa 9,7. Man erhält somit
am Ausgang des Zwischenfrequenzkanals eine Gesamtleistung des von den nicht gestörten
Kanälen übertragenen Nutzsignals mit dem Wert 40 und eine Gesamtleistung des von
den gestörten Kanälen übertragenen Nutz- und Rauschsignals mit dem Wert 20.
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Die Diagramme von Fig. 2 c und 2 d beziehen sich auf den weniger
häufigen Fall, daß das Nutzsignal am Eingang des Zwischenfrequenzkanals stärker
als das Rauschen ist. Am Eingang (Fig. 2 c) hat die Spitzenleistung des Nutzsignals
den Wert 12 und die Spitzenleistung des Rauschsignals den Wert 8.
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Am Ausgang jedes gestörten Kanals (Fig. 2d) beträgt der Energiepegel
des Rauschens etwa 6,7 und derjenige des Nutzsignals etwa 3,3. Man erkennt, daß
die Leistungen des aus Nutzsignal und Störsignal gemischten Ausgangssignals und
des ungestörten Nutzsignals wieder etwa 20 bzw. 40 betragen. Das Verhältnis zwischen
der Gesamtleistung des nicht gestörten Nutzsignals zu der Gesamtleistung des aus
Störsignal und Nutzsignal gemischten Signals beträgt in jedem Fall am Ausgang jedes
Zwischenfrequenzkanals p-q q Um die Radarsignale wiederherzustellen und die von
den verschiedenen Kanälen abgegebene Gesamt-
leistung wiederzugewinnen,
werden die Ausgangssignale der Kanäle in der Summierschaltung 6 addiert. In jedem
Kanal ist ein Organ 51, 52... 5p eingefügt, das die Kohärenz der zu addierenden
Komponenten gewährleistet, d. h., daß diese Organe die Laufzeiten in den Kanälen
ausgleichen. Das wieder zusammengesetzte und vom Ausgang 7 zum Detektor übertragene
Nutzsignal ist geringfügig verformt, weil ein Teil seiner Spektralkomponenten durch
Störsignalkomponenten ersetzt ist. Es kann jedoch leicht ausgewertet werden, da
sein Pegel sehr viel größer als der Pegel des ihn begleitenden Rauschens ist.
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Die Verwendung von Begrenzerverstärkern ist nur als Beispiel angegeben.
Man kann beispielsweise ebensogut Amplitudenbegrenzer für den Rauschpegel verwenden,
die den Vorteil eines konstanten Falschsignalanteils ergeben.
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Die Zwischenfrequenzkanäle enthalten außer den zuvor genannten Organen
alle für das betreffende Radargerät erforderlichen Schaltungen. Wenn es sich beispielsweise
um ein mit Impulskompression arbeitendes Radargerät handelt, können diese Kanäle
die Zwischenfrequenzempfangskanäle für die verschiedenen Impulse sein, aus denen
sich der empfangene Nutzimpuls zusammensetzt, wobei das Produkt aus der Bandbreite
des Spektrums und der Dauer (B T) größer als Eins ist, und jeder von ihnen kann
dann eine Phasenschieber- oder Verzögerungsschaltung 81, 82... 8p enthalten, welche
die eigentliche Kompression durchführt. Im allgemeinen liegt die Zahl p der Kanäle
dann zwischen den Werten
Fig. 3 zeigt eine andere Ausführungsform der beschriebenen Anordnung, bei welcher
die Zwischenfrequenzverstärker durch logarithmische Verstärker 91, 92... 9p gebildet
sind. Die Wirkungsweise dieser Anordnung bleibt unverändert, da der maximale Ausgangspegel
jedes Kanals wieder auf einen praktisch festen Wert begrenzt ist. Ferner sind Maßnahmen
getroffen, um den Falschsignalanteil konstant zu halten. Dies geschieht dadurch,
daß eine automatische Verstärkungsregelschleife 10 zwischen dem Ausgang 7 der Summierschaltung
und dem Vorverstärker 2 vorgesehen ist. Diese automatische Verstärkungsregelung
ergibt ferner den Vorteil einer besseren Zentrierung der Verstärkung des Vorverstärkers
2.
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Eine Verbesserung der bisher beschriebenen Anordnungen zum Zweck
einer Verringerung des Raumbedarfs ergibt die in Fig. 4 dargestellte Anordnung.
Die Unterteilung in p Kanäle erfolgt beispielsweise in zwei Schritten. Eine erste
Gruppe von Filtern 111, 112... 11 n bestimmt n Elementarfrequenzbänder, welche das
Band B überdecken.
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Jeder der diesen Filtern zugeordneten n Kanäle enthält eine bestimmte
Anzahl der einem Zwischenfrequenzkanal eigenen Organe, wie durch die Organe 121,
122...12n angedeutet ist. Auf jeden dieser Kanäle folgen m parallelgeschaltete Kanäle,
von denen jeder ein Bandfilter enthält, wobei diese Bandfilter zusammen m Frequenzbänder
begrenzen, die zusammen das Elementarband des ersten Kanals überdecken. So ist der
Kanal, dessen Eingang durch das Filterlli gebildet ist, in m Unterkanäle mit den
Filtern 131 i, ....... 13 nsi unterteilt. Die Zahlen n und m sind so gewählt, daß
ihr Produkt zusammen den Wert p ergibt. Jeder Unterkanal enthält außer dem Bandfilter
wenigstens ein Verstärkerorgan 141 i, ....... 14 mi mit veränderlicher Verstärkung,
das den zuvor beschriebenen Verstärkern vergleichbar ist. Diese Anordnung ermöglicht
es, die die Übertragung der Zwischenfrequenzsignale durchführenden Schaltungen nach
Belieben zusammenzufassen und zuzuordnen.
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Fig. 5 zeigt einen Zwischenfrequenzkanal, bei welchem die Unterteilung
der Bandbreite B in Elementarbänder der Breite b nicht mit Hilfe von einfachen Filtern,
sondern mit Hilfe von Frequenzumsetzern erfolgt. Die vom Vorverstärker 2 abge gebenen
Signale werden parallel p Mischstufen 151, 152... 15p zugeführt, denen jeweils ein
überlange rungsoszillator 161, 162... 16p mit der gegebenen Frequenz fl, . fp zugeordnet
ist. Im Anschluß an jede Mischstufe wählt ein Bandfilter 171, 172...
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17p die im Innern eines Elementarbandes b liegenden Spektralkomponenten
aus.
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Die Überlagerungsoszillatoren sind so bemessen, daß alle Filter gleich
sind, d. h., daß alle Mittelfrequenzen der das Band B überdeckenden p Elementarfrequenzbänder
auf die gleiche Zwischenfrequenz umgesetzt werden. Zu diesem Zweck haben z. B. die
Frequenzen der Überlagerungsoszillatoren die folgenden Werte: fl,2=fl+b,3=tl+2b,
...fp fi + (pt) b, wobei die Filter dann alle auf die Frequenz (F2 + kl/2) abgestimmt
sind, wenn F2 die obere Grenze des Bandes B ist und die erste Frequenz 1 wenigstens
gleich b ist. Durch die Wahl der Überlagerungsfrequenzen und der Filter kann erreicht
werden, daß bei dem gewählten Beispiel nur die durch Addition der gemischten Frequenzen
erhaltenen Signale von den Filtern übertragen werden und daß demzufolge alle Elementarfrequenzbänder
des Spektrums des Nutzsignals unabhängig voneinander übertragen werden. Am Ausgang
jedes Kanals werden die Signale wieder auf ihre ursprünglichen Frequenzen umgesetzt.
Dies geschieht in den Mischstufen181, 182...18p mit Hilfe der Überlagerungsfrequenzentl,
2 . . . fp, wobei die Ausgangsfrequenz in diesem Fall gleich der Differenz der gemischten
Frequenzen ist.
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Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß der nach der Erfindung
ausgeführte Radarempfänger mit maximaler Wirksamkeit nur von einem Störsignal gestört
werden kann, dessen Spektrum sich über die gesamte Bandbreite erstreckt und dessen
Leistung größer als diejenige der Nutzsignale ist. Dagegen wird ein störendes Rauschen,
dessen Spektrum innerhalb der Bandbreite des Empfängers liegt, aber schmäler als
diese Bandbreite ist, gegenüber dem empfangenen Nutzsignal
verringert,
und der vor dem Detektor erhaltene Rauschabstand wird gegenüber dem am Eingang des
Empfängers bestehenden Rauschabstand verbessert. Damit der Schutz gegen selektive
Störsender möglichst wirksam ist, erfolgt die Unterteilung in Elementarfrequenzbänder
vorzugsweise so, daß ein Elementarfrequenzband nicht breiter als das Spektrum des
Rauschens ist, weil sonst das Rauschen in dem es übertragenden Zwischenfrequenzkanal
alle in dem Elementarfrequenzband dieses Kanals enthaltenen Komponenten des Nutzsignals
stören würde. Die Wahl der Zahl der Kanäle hängt dann von der Art des möglicherweise
vorhandenen Störsenders ab.
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Man kann vorsehen, daß das System in jedem Zeitpunkt an die beobachtete
Störung dadurch angepaßt wird, daß die Unterteilung der Frequenzen veränderlich
gemacht wird. Zu diesem Zweck kann man die Rauschleistung am Ausgang des Zwischenfrequenzkanals
beim Fehlen eines Nutzsignals messen, woraus man unter Berücksichtigung der durchgeführten
Begrenzung annähernd die Breite des Rauschspektrums feststellen kann, und man kann
dementsprechend die Zahl der Kanäle verringern, bis ein Elementarband die gleiche
Breite wie dieses Spektrum hat. Man wählt beispielsweise eine bestimmte Maximalzahl
von Kanälen, und man regelt die Mittelfrequenz und die Bandbreite jedes Kanals so,
daß die Zahl p der die Bandbreite B des Empfängers überdeckenden Kanäle verändert
wird.