Фильтрация помех на краю полосы частот

Для расчета эффективной входной мощности P, полученной радиоастрономическим приемником от сигналов из соседней полосы, следует знать с достаточной точностью характеристики приемника на краю полосы. Например, рассмотрим верхний край полосы частот на Рисунке 6.2, где – a ₀ дБ представляет собой уровень, на который снижается относительное усиление радиометра на краю полосы, а – k дБ/МГц – наклон характеристики приемника в этой точке.

РИСУНОК 6.2

Характеристики полосы пропускания приемника
для согласования с радиоастрономической полосой частот

Предположим, что в пределах радиоастрономической полосы все мешающие сигналы совпадают с пороговым уровнем вредных помех в Таблице 4.1, но за пределами края полосы возникают помехи в виде равномерной спектральной плотности потока мощности S Вт/(м² · Гц). Если A – площадь сбора радиоастрономической антенны в направлении мешающего сигнала и f ₀ – частота края полосы, то принятая мощность помех равна

                                                            (6.1)

Бесконечный предел в интеграле на практике соответствует времени, в течение которого помехи простираются достаточно далеко за край полосы.

Приведенный в Таблице 4.1 максимальный допустимый уровень мощности помех находится в пределах от 10^–17 до 10^–21 Вт для типичных значений ширины полосы при частотах выше 1 ГГц. Для непрерывного сигнала с уровнем S = 2 ´ 10^–13 (Вт/м² · Гц) (типичный радиорелейный сигнал) и значения A = 10^–3 м² (изотропное усиление на частоте приблизительно 3 ГГц) уровень в 10^–21 Вт не превышается, если, например, характеристика на краю полосы a ₀ равна 102 дБ, а наклон k составляет 50 дБ/МГц. Значение k менее критично, чем a ₀, и для k = 10 дБ/МГц принимается тот же уровень мощности с a ₀ = 109 дБ. Итак, характеристика радиоастрономического приемника для частот в гигагерцовом диапазоне должна составлять от –100 до –110 дБ на краю полосы относительно ее центра и, соответственно, больше, если источник OoB расположен в направлении, в котором характеристика телескопа больше 0 дБи. Следует отметить, что на практике спектр службы в соседней полосе нельзя резко обрезать на краю полосы, но он должен снижаться к краю, чтобы не превышать уровня вредных помех в радиоастрономической полосе. Хотя рассмотренный случай упрощенный, он дает полезные представления о требуемой характеристике на краю полосы. Некоторые дополнительные примеры приведены в Таблице 6.1, в которой для радиоастрономической антенны предполагается изотропная характеристика.

ТАБЛИЦА 6.1

Примеры требуемой характеристики на краю полосы частот
для радиоастрономии

При импульсном сигнале радиолокатора влияние помех с низким коэффициентом заполнения на радиоастрономический приемник зависит от типа проводимых наблюдений и может быть не более сигнала, вызванного непрерывным сигналом с тем же уровнем средней мощности. Для характеристики на краю полосы радиоастрономического приемника, сниженной на 100 дБ, и площади сбора A = 10^–3 м², принимаемая средняя мощность не превышает 10^–21 Вт для среднего уровня плотности потока мощности ниже 10^–13 Вт/м². Это соответствует пиковой плотности потока мощности, равной приблизительно 10^–9–10^–10 Вт/м². Итак, характеристика на краю полосы в –100 дБ позволяет работать в присутствии сильного сигнала радиолокатора в соседней полосе. С другой стороны, могут оказаться важными явления перегрузки во время импульса, которые могут приводить к взаимной модуляции во входных каскадах приемника, как это описано ниже.

Для того чтобы получить уменьшение характеристики на краях полосы в 100 дБ относительно центра полосы, ширина фильтра в точках –3 дБ должна быть меньше ширины выделенной радиоастрономической полосы. Поскольку промежуточные частоты относительно низкие и обычно находятся в пределах от 100 МГц до 1 ГГц, возможна избирательность с относительно крутыми фронтами. Наклон краев характеристики фильтра зависит от числа секций фильтра и расчетной характеристики. Например, фильтр, обеспечивающий ширину полосы в –3 дБ для 75% полосы
в –100 дБ, считается обладающим крутым фронтом. Увеличение наклона характеристики на краях полосы пропускания требует увеличения числа секций фильтра, что в свою очередь приводит к трудностям настройки фильтра и увеличивает изменение фазы с температурой. Итак, фильтрация не всегда позволяет получить простое решение проблемы помех на краю полосы. Уменьшение полезной ширины радиоастрономической полосы особенно нежелательно при наблюдениях спектральных линий, поскольку для измерения изменений частоты и ширины линий, возникающих в результате доплеровского эффекта и по другим причинам, обычно требуется вся полоса частот. Блоки цифровых многофазных фильтров обеспечивают необходимую стабильную фильтрацию с крутыми фронтами и не подвержены температурным отклонениям. Они становятся стандартными компонентами современных спектрометров.