Как это у нее получается? I

Чтобы не испытывать терпения читателя, ответим сразу, хотя, может быть, и не совсем понятно. За счет выбора подходящего сигнала и его обработки на приеме с помощью согласованного фильтра. А теперь попробуем разобраться.

Задолго до того, как радиоинженеры превратят бумажные схемы в сложные электронные блоки, а строители возведут конструкции из стали и бетона, специалисты из теоретических отделов начинают ломать головы и копья (то бишь авторучки марки «Союз») в спорах о том, каков должен быть сигнал будущей станции. И действительно, задача не из легких. Напомним требования к сигналу.

Сигнал[15] должен иметь большую энергию. При ограниченной мгновенной мощности это означает, что у него должна быть большая длительность. А для высокой точности определения координат и разрешающей способности хотелось бы иметь как можно более короткий сигнал. И это еще не все. Заказчику нужно, чтобы слабый отраженный сигнал можно было принять и обработать на фоне достаточно сильных помех. Задача осложняется еще и многообразием различного вида помех. Тут и естественные помехи от грозовых разрядов, и собственный шум приемника, и помехи от работающих рядом электроустройств, и целый ряд других шумов. А если станция будет работать в боевой обстановке, то возможно появление преднамеренно создаваемых противником искусственных помех. И вот среди этого разноголосого хора помех нужно услышать тоненький и слабенький голосок отраженного сигнала.

Скажем по секрету, что и это еще не последнее требование заказчика. Но для нас хватит и уже перечисленных. И так задача, стоящая перед теоретиками, достаточно сложная.

К тому же радиоинженеры, которым предстоит разрабатывать и создавать аппаратуру, требуют, чтобы теоретики не отрывались от грешной земли. Их блестящие идеи должны быть осуществимы при сегодняшнем уровне техники. Кроме того, реализация предложений теоретиков не должна обходиться слишком дорого. Больше всего разработчиков устроил бы такой проект новой станции, в котором все новые устройства и схемы можно было бы собрать из уже имеющихся, отработанных в производстве элементов. Это и удобно и выгодно, так как станция будет готова раньше и работать она будет надежнее. Но иногда старыми схемами и элементами не обойдешься. Поэтому для реализации какого-нибудь оригинального решения приходится разрабатывать принципиально новые схемы. И снова встречаемся с противоречием на этот раз между интересами теоретиков и производственников. Как всегда, находится компромиссное решение. В чем-то уступают теоретики, на что-то скрепя сердце соглашаются разработчики и производственники.

Надо сказать, что в последнее время в таких спорах чаще побеждают теоретики. Можно понять почему. В первые годы развитие радиолокации шло в основном за счет улучшения технических характеристик радиолокационных станций. Повышалась мощность передатчиков, увеличивались антенны, осваивались новые диапазоны волн. Все это, конечно, улучшало качество радиолокационных станций. Но в какой-то момент стало ясно, что разработчики выжали из техники все, что можно, точнее, почти все, что можно. А требования непрерывно растут. И вот тут-то на первый план вышли теоретики. Их исследования показали, что только за счет использования сигналов подходящего вида и новых методов их обработки можно существенно улучшить характеристики радиолокационных станций. Это был крупный качественный скачок в теории и практике радиолокации. Он произошел в годы второй мировой войны практически одновременно в нашей стране, США, Англии и Германии.

Сигналы, которые спасли радиолокацию от застоя, как гуси спасли Рим от гибели (оба утверждения оспариваются), имеют много названий. Их называют сложными, широкополосными, шумоподобными, псевдослучайными, составными и, кажется, еще как-то. Но не будем углубляться в вопросы терминологии, а попробуем разобраться в существе дела.

Умные люди, которых немало среди теоретиков, заметили лазейку в противоречивых требованиях к сигналу. Обратите внимание: длинный сигнал нужен нам при передаче (требование большой энергии), а короткий— при приеме, когда определяем координаты и производим разрешение целей. Так нельзя ли создать такие сигналы, которые при передаче имели бы большую длительность, а при приеме становились бы короче. Оказывается можно, и как только сформулировали требования, так сразу же был предложен целый ряд сигналов, которые можно «сжимать» в приемнике.

Представляя ход дела таким образом, мы кое в чем грешим против истории. На самом деле было так.

Лет 30–35 назад, когда создавались первые радиолокационные станции, еще никто не выдвигал требований точного измерения дальности и хорошего разрешения. Не до этого было. Нужна была просто работоспособная станция, которая могла хотя бы обнаруживать цель как угодно. Но уже тогда наряду с другими вопросами специалисты занимались изучением входных устройств приемников радиолокационных станций, которые обычно называют фильтрами. Они, как и обычные химические фильтры, должны разделять попадающую в них смесь на отдельные составляющие. В нашем случае из смеси полезного сигнала, шумов и помех нужно было выделить один полезный сигнал. В радиотехнике, а значит и в радиолокации, это можно сделать, настраивая приемник на ту полосу частот, в которой ожидается сигнал. Кто настраивал приемник к поисках веселой танцевальной музыки или захватывающего футбольного репортажа, тот выполнял именно эту задачу. В радиолокации полоса частот ожидаемого сигнала известна, так как мы сами его излучаем. А значит фильтр в приемнике нужно настроить именно на эти частоты, и тогда все нежелательные сигналы и помехи не будут нам мешать, конечно, за исключением помех, которые имеют частоты, попадающие в нашу полосу. С ними обычно частотному фильтру бороться трудно.

Специалисты очень любят оптимизировать все, что попадает им в руки. Так и в этом случае им захотелось создать оптимальный фильтр. Он должен был как можно лучше пропускать сигнал и как можно сильнее задерживать или подавлять помехи и шумы. Тут математики сделали свое дело: решили проблему оптимизации и постановили, что за исключением некоторых, не столь уж важных деталей, частотные свойства оптимального фильтра должны по существу совпадать с частотными свойствами сигнала.

Значит, для каждого сигнала надо подобрать оптимальный фильтр, который соответствовал бы только этому строго определенному сигналу. Фильтр настроен не только на ту или иную полосу частот, но и на характер поведения частоты сигнала в этой полосе. Если на какой-то частоте энергия сигнала велика, то эту частоту фильтр пропускает лучше, где энергия сигнала меньше, там фильтр хуже пропускает сигнал и сопутствующий ему шум. Фильтр согласован с сигналом. Поэтому его и назвали согласованным фильтром. Пройти через такой фильтр сигналам другого вида, даже занимающим ту же полосу частот, довольно трудно. Иначе на выходе от них могут остаться «рожки да ножки», и мы не заметим такой сигнал на фоне помех, пропускаемых фильтром. Что поделаешь: с ними фильтр не согласован.

Если обычный частотный фильтр можно сравнить с калиткой, через которую может пройти любой прохожий, идущий по этой дороге, то согласованный фильтр — лазейка в заборе, в которую может пролезть лишь тот, у кого фигура соответствующим образом «согласована» с этой лазейкой.

Итак, цель достигнута, создали схему фильтра, который оптимально выделяет сигнал на фоне помех. Назвали его согласованным фильтром и понесли проект к разработчикам. И тут-то оказалось, что разработчики не могут реализовать этот проект в «железе». Не было еще ламп, линий задержки и других устройств, без которых создать генераторы сложных сигналов и согласованные фильтры попросту невозможно. И гениальные идеи теоретиков остались лежать в папках патентных бюро, как изящные безделушки, демонстрирующие силу человеческого разума и представляющие чисто академический интерес.

Однако по мере развития техники необходимые устройства были в конце концов разработаны и у специалистов возродился интерес к согласованным фильтрам. К началу 50-х годов почти во всех ведущих научно-исследовательских лабораториях технически развитых стран уже проводились исследования по возможности внедрения согласованной фильтрации в практику.

Постепенно появлялись макеты, а затем и рабочие образцы станций, в которых использовались согласованные фильтры. Они, как говорится, пошли в жизнь. Тут выяснилось еще одно интересное свойство таких фильтров. В некоторых случаях форма сигналов на выходе согласованного фильтра изменялась по сравнению с формой входного сигнала. Амплитуда сигнала возрастала, зато сам сигнал укорачивался. Правда, это происходило лишь в тех случаях, когда используемые сигналы имели достаточно большую базу (базой сигнала называют число, равное произведению длительности на занимаемую им полосу частот). Так вот, чем больше была база сигнала, тем сильнее он укорачивался и тем выше поднимался пик амплитуды над уровнем шума. Если бы нас интересовало сохранение формы принятого сигнала, то мы сочли бы этот эффект чрезвычайно вредным и постарались бы от него избавиться. Но поскольку для нас важно лишь обнаружение сигнала, то есть установление самого факта его существования, то поднятие пика сигнала над уровнем шума мы всемерно приветствуем.

Вы уже, вероятно, заметили, что в тексте то и дело встречаются слова «шум» и «помеха»? Эти слова, конечно, известны каждому читателю. Но их точное значение в применении к радиолокации нуждается в разъяснении. Поэтому мы на некоторое время прервем плавный ход изложения и познакомимся с этими понятиями поближе.