Сужение полосы частот восстановленного сигнала

3.2 Сужение полосы частот восстановленного сигнала

Приведенные в предыдущем разделе рисунки соответствует восстановлению сигнала во всей полосе (|ΔF|=fd/2). Реальные сигналы на входе тракта ШП после усиления и фильтрации имеют ограниченную полосу, тракт прослушивания (по заданию) предназначен для прослушивания сигналов в трех частотных диапазонах (шириной 1.5, 3 и 4 кГц), что также влияет на качество восстановленного сигнала. На рисунке 9 изображены входной сигнал (черная пунктирная линия) и восстановленный после вырезания требуемой полосы прямоугольным окном в частотной области (синяя кривая).

Рис. 9 Иллюстрация эффекта, возникающего при вырезании полосы фильтром с прямоугольной ЧХ

Как видно из рисунков, вырезание полосы фильтром с прямоугольной частотной характеристикой искажает амплитуду восстановленного сигнала.

На рисунке 10 приведена импульсная переходная характеристика (ИПХ) фильтра с прямоугольной частотной характеристикой.

Рис. 10 ИПХ фильтра с прямоугольной частотной характеристикой

Как видим, ИПХ такого фильтра не является ограниченной по времени, так что даже далекие по времени отсчеты, часть из которых, как было показано ранее, является некорректной, оказывают влияние на результат фильтрации. При этом чем шире вырезаемая полоса, тем отклик будет уже, и, следовательно, меньше требуемая величина перекрытия; чем уже полоса, тем большее перекрытие входных выборок следует вводить.

Поэтому в тракте ШП необходимо предусмотреть фильтр с частотной характеристикой, отличной от прямоугольной. К импульсной переходной характеристике такого фильтра предъявляется следующее требование: ее уровень на далеких отчетах должен быть как можно меньше, чтобы уменьшить их влияние на восстановленный после вырезания полосы сигнал.

На следующем рисунке 11 приведены ИПХ некоторых фильтров (частотных окон): красная линия – окно Хана, черная – окно Хэмминга, зеленая – Кайзера.

На рисунке 12 представлены соответствующие амплитудно-частотные характеристики этих окон: красная линия – окно Хана, черная – окно Хэмминга, зеленая – Кайзера.

Рис. 11 ИПХ фильтров Ханна, Хэмминга, Кайзера

Рис. 12 Вид частотных окон Ханна, Хэмминга и Кайзера

Все представленные окна имеют общий параметр – размер окна L, который равен 27 частотным отсчетам, что составляет примерно 5 % от полосы принимаемого сигнала.

На рисунке 13 приведен результат восстановления сигнала при применении частотного окна Хэмминга:

Чем больше n, тем большая доля энергии, сосредоточенная в главном лепестке спектра (и тем шире этот главный лепесток), и тем меньше уровень боковых лепестков. Черная пунктирная линия – исходный сигнал, синяя – восстановленный сигнал при применении частотного окна Хэмминга.

Рис. 13 Иллюстрация эффекта, возникающего при вырезании полосы фильтром Хэмминга

Как видим, при этом уменьшаются амплитудные искажения в средней части реализации.

Как видно из рисунка 13 частотные окна, форма которых отлична от прямоугольной, вносят амплитудные искажения на краях полосы обработки. Для минимизации влияния использования частотных окон на уровень сигнала, с частотой, близкой к краям полосы обработки (0.3ч4.5) кГц, необходимо несколько расширить полосу фильтрации.

3.3 Частотный сдвиг при понижении полосы частот прослушивания

Итогом работы тракта прослушивания является возможность дать оператору прослушать сигнал полученный в результате обработки. Поскольку человеческое ухо лучше воспринимает звук в диапазоне от 0,3 до 4 кГц то возникает необходимость переноса полученного сигнала в область более низких частот, что влечет за собой ряд дополнительных проблем.

В результате проведенного моделирования было установлено, что сдвигать можно не на произвольное количество спектральных отчетов и более того, не при произвольной величине перекрытия. Следующие рисунки 14-17 иллюстрируют этот эффект.

Рис.14а. Спектр восстановленного сигнала после сдвига его полосы в частотной области на 2Δf. Перекрытие входных выборок 50%

Рис. 14б. Спектр восстановленного сигнала после сдвига его полосы в частотной области на 3Δf. Перекрытие входных выборок 50%

Рис 15а. Состыкованная реализация восстановленного сигнала после сдвига его полосы в частотной области на 4Δf. Перекрытие входных выборок 50%

Рис 15б. Состыкованная реализация восстановленного сигнала после сдвига его полосы в частотной области на 3Δf. Перекрытие входных выборок 50%

Рис. 16а Спектр восстановленного сигнала после сдвига его полосы в частотной области на 4Δf. Перекрытие входных выборок 25%

Рис. 16б Спектр восстановленного сигнала после сдвига его полосы в частотной области на 4Δf. Перекрытие входных выборок 17%

Рис 17а. Состыкованная реализация восстановленного сигнала после сдвига его полосы в частотной области на 4Δf. Перекрытие входных выборок 25%

Рис 17б. Состыкованная реализация восстановленного сигнала после сдвига его полосы в частотной области на 5Δf. Перекрытие входных выборок 25%

И также в результате проведенного моделирования установлено, что осуществить сдвиг частот без потери качества прослушивания можно только в случае, если величина перекрытия входных выборок является делителем числа n - базы БПФ. При этом сдвинуть на один спектральный отсчет или на нечетное число отсчетов нельзя ни при какой величине перекрытия, иначе происходят искажения и нестыковки последовательных фрагментов восстановленного сигнала.

В таблицу 1 сведены полученные в результате проведенного моделирования данные о соотношении величины перекрытия входных выборок и числа спектральных отсчетов, на которые можно сдвигать (понижать или повышать) полосу сигнала.

Таблица 1 . Взаимосвязь минимальной полосы частотного сдвига от величины перекрытия входных выборок

На основании вышеизложенного, можно сделать выводы о том, что для устранения эффектов, вызванных появлением некорректных отсчетов при формировании канала наблюдения в частотной области и не во всей полосе, а в ограниченной полосе, необходимо:

- обязательное исключение части отчетов в восстановленной реализации сигнала

из дальнейшей обработки;

- применение частотного фильтра с ЧХ, отличной от прямоугольной;

- расширение полосы обработки.

При этом величина перекрытия входных выборок должна быть больше суммы максимальной задержки сигнала на элементах АР и длительности ИПХ частотного фильтра. Других ограничений на величину перекрытия не накладывается.

Традиционно информация, используемая в тракте шумопеленгования, берется с перекрытием входных выборок на величину η. Это реализуется в интересах следующих задач и трактов гидроакустического комплекса:

тракты автоматического сопровождения цели (АСЦ) и выработки классификационной информации по ним;

тракт обнаружения дискретных составляющих сигнала во всем секторе обзора;

задача выделения огибающей сигналов во всем секторе обзора.

Однако для тракта прослушивания сигналов и помех, в котором для удобства оператора реализована (в цифровой области) возможность понизить частоту прослушивания, оказалось, что величина перекрытия входных выборок должна быть делителем числа n - количество точек БПФ.

Поскольку для процедуры БПФ обычно выбирают число n, являющееся степенью 2: n=2x ,

где x – целое положительное число, то и величина перекрытия должна быть тоже степенью 2, так как других простых делителей у n нет.