Адаптивная антенная система

 

Изобретение относится к радиотехнике и связи, а именно к адаптивным антенным решеткам и, в частности, может быть использовано на подвижных объектах. Целью изобретения является разработка адаптивной антенной системы (ААС), позволяющей повысить помехозащищенность приема сигналов в линиях связи с ПО, при использовании двухэлементной АР независимо от мощностей входных сигналов. Адаптивная антенная система состоит из двух антенных элементов 1, двух полосовых фильтров 2, первого 3 и второго 4 адаптивных компенсаторов, первого 5, второго 6, третьего 7 и четвертого 8 весовых умножителей, сумматора 9, вычитателя 10, блока управления 11. Сигналы с выходов сумматора 9 и вычитателя 10 поступают соответственно на выходы устройства, а далее - на вход приемника через коммутирующее устройство. Дополнительное введение двух адаптивных компенсаторов, вычитателя и блока управления позволяет получить на выходах ААС соотношения сигнал/(помеха+шум), которые по-разному зависят от пространственного положения сигналов (помех), что, в конечном счете, дает возможность разделить сигналы и таким образом достигнуть боле высокой помехозащищенности приема сигналов при использовании двухэлементной ААС. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области радиотехники и связи, а именно к адаптивным антенным решеткам и, в частности, может быть использовано на подвижных объектах (ПО) при необходимости достижения более высокого уровня помехозащищенности приема сигналов.

Известны адаптивные антенные решетки (ААР), которые могут быть использованы на подвижных объектах [1] Данное устройство включает в себя антенные элементы (АЭ), соединенные через весовые умножители (ВУ) с входами общего сумматора, и адаптивный контур, причем входы адаптивного контура соединены с выходами АЭ и выходом общего сумматора, а выходы с управляющими входами весовых умножителей.

Такие ААР применяются при отсутствии априорной информации о направлении прихода сигнала и их функционирование основано на минимизации мощности суммарного выходного сигнала (ММВ).

Недостатками рассмотренного аналога являются: относительно невысокая помехозащищенность приема в случаях, когда мощность сигнала (P_с) и помехи (P_п) на входе ААР соизмеримы между собой; непреднамеренное подавление полезного сигнала в случае, когда P_с>P_п.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявленной адаптивной антенной системе, является устройство обработки сигналов, описанное в работе [2] Прототип включает в себя N АЭ, соединенных через ПФ с входами весовых умножителей (ВУ), которые вместе с сумматорами входят в состав блока формирования выходных сигналов, причем выходы ПФ также связаны с входами блока формирования корреляционной матрицы, управляющие выходы которого соединены с входами блока вычисления собственных векторов, причем выходы сумматоров в блоке формирования выходных сигналов являются выходами устройства, а входы блока формирования собственных векторов соединены с выходами блока формирования корреляционной матрицы.

Принцип действия данного устройства основан на разделении сигналов и помех, т.е. формирование на j-м выходе (j 1.L) характеристики направленности (ХН) с нуля в направлениях прихода всех сигналов (помех) за исключением j-го.

В данном устройстве частично устраняется недостаток рассматриваемого аналога. Это объясняется тем, что осуществлен переход к ААС с несколькими выходами. В данную ААС введены блок формирования собственных векторов (СВ), блок формирования выходных сигналов и блок формирования корреляционной матрицы, которые позволяют получать на выходах устройства все обрабатываемые сигналы, независимо от их мощностей. В аналоге сигнал (помеха) с большей мощностью давиться "нулем" ХН.

Недостатками прототипа являются: все же низкая помехозащищенность в практически важном для ПО случае N 2, при невыполнении условий P_с > P_п или P_п > P_с. Действительно, для N 2 корреляционную матрицу (КМ) R_xx входных сигналов (помех) можно представить в виде: где σ²_Ш шумы; ϕ_c(ϕ_П) фазовый сдвиг, обусловленный запаздыванием сигнала (помехи) на втором АЭ по отношению к первому. Вычисляя собственные числа матрицы (1) и соответствующие собственные вектора W^Т(λ_max), W^Т(λ_min) получим: Положим P_с P_п 1; Θ_c 0^o Θ_П 30^o используя (4), (5) вычислим отношения/(помеха+шум) η (·) на выходе ААС: где "+" обозначение операции эрмитового сопряжения; "т" операция сопряжения.

Из (6) видно, что в случае P_с≈P_п мощности сигнала и помехи на каждом выходе также соизмеримы.

В ААР эффективное разделение возможно только при локально стационарной сигнально-помеховой, так как в качестве векторов весовых коэффициентов используются СВ, которые рассчитываются без использования информации о выходных сигналах. В случае же систем связи с ПО сигнально-помеховая обстановка, как правило, существенно нестационарна.

Целью изобретения является разработка адаптивной антенной системы (ААС), позволяющей повысить помехозащищенность приема сигналов в линиях связи с ПО, при использовании двухэлементной АР независимо от мощностей входных сигналов.

Поставленная цель достигается тем, что в известной адаптивной антенной системе, содержащей первый и второй антенные элементы, первый и второй полосовые фильтры, первый, второй, третий и четвертый весовые умножители и сумматор, в которой выходы первого и второго антенных элементов подключены к входам соответствующих полосовых фильтров, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих третьего и четвертого весовых умножителей, а выходы первого и второго весовых умножителей подключены к соответствующим входам сумматора, выход которого является выходом антенной системы, дополнительно введены два адаптивных компенсатора (АКП), вычитатель и блок управления (БУ). Выход первого полосового фильтра (ПФ) подключен к первым входам первого АКП и БУ, а выход второго ПФ дополнительно подключен к первым входам второго АКП и к второму входу БУ. Выходы третьего и четвертого ВУ подключены, соответственно, к первому и второму входам вычитателя, причем выход последнего соединен одновременно с третьими входами БУ, первого и второго АКП и является вторым выходом ААС. Первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы БУ соединены с вторыми входами первого, второго, третьего и четвертого весовых умножителей и первого и второго адаптивных компенсаторов, причем выход первого АКП подключен одновременно к четвертому входу БУ и первому входу первого ВУ, а выход второго АКП подключен, соответственно, к пятому входу БУ и первому входу второго ВУ. Выход сумматора дополнительно подключен к шестому входу БУ.

Блок управления состоит из буферного каскада (БК), постоянного запоминающего устройства (ПЗУ), процессора и многоканального аналого-цифрового преобразователя (АЦП). Первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы АЦП являются соответствующими входами БУ. Первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы БК являются соответствующими выходами БУ. Процессор с помощью первых, вторых и третьих адресных шин и магистралей данных соединен, соответственно, с аналого-цифровым преобразователем, буферным каскадом и постоянным запоминающим устройством.

Перечисленная совокупность существенных признаков, а именно дополнительное введение двух АКП, вычитателя и БУ позволяет получить на выходах ААС соотношения сигнал/(помеха+шум), которые по-разному зависят от пространственного положения сигналов (помех), что, в конечном счете, дает возможность разделить сигналы и, таким образом, достигнуть более высокой помехозащищенности приема сигналов при использовании двухэлементной ААС.

Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых показаны:
на фиг.1 структурная схема ААС;
на фиг.2 вариант структурной схемы АКП;
на фиг.3 вариант структурной схемы БУ;
на фиг.4 результаты анализа эффективности заявленного устройства
ААС, показанная на фиг.1, состоит из двух АЭ 1, двух ПФ 2, первого 3 и второго 4 АКП, первого 5, второго 6, третьего 7 и четвертого 8 ВУ, сумматора 9, вычитателя 10, БУ 11.

Выход первого ПФ 2 подключен одновременно к первым входам первого АКП 3, третьего ВУ 7 и БУ 11, а выход второго ПФ 2 соединен, соответственно, с первыми входами второго АКП 4, четвертого ВУ 8 и вторым входами БУ 11. Выходы третьего 7 и четвертого 8 ВУ подключены, соответственно, к первому и второму входам вычитателя 10, причем выход последнего соединен одновременно с третьими выходами БУ 11, первого 3 и второго 4 АКП и является вторым выходом ААС. Выходы БУ 11 соединены, соответственно, с вторыми входами весовых умножителей и адаптивных компенсаторов, причем выход первого 3 АКП подключен одновременно к четвертому входу БУ 11 и первому входу первого 5 ВУ, а выход второго АКП 4 подключен, соответственно, к пятому входу БУ 11 и первому входу второго 6 ВУ. Выходы первого 5 и второго 6 ВУ соединены с первым и вторым входами сумматора 9, выход которого подключен к шестому входу БУ 11 и одновременно является первым выходом ААС.

Блок управления состоит из буферного каскада 11.1, многоканального АЦП 11.2, ПЗУ 11.4. процессора 11.3. Первый, второй, шестой, третий, четвертый и пятый входы АЦП 11.2 являются входами БУ 11 и подключены, соответственно, к выходам первого, второго ПФ 2, первому и второму выходам ААС и выходам АКП 3 и 4. Первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы БК 11.1 являются соответствующими выходами БУ 11, причем процессор 11.3 с помощью первых, вторых и третьих адресных шин и магистралей данных соединен, соответственно, с АЦП 11.2 преобразователем, БК 11.1 и ПЗУ 11.4.

Блок управления 11 может быть реализован как программно (на базе универсальной специализированной микропроцессорной комплексной БИС), так и аппаратурно. Вариант аппаратурной реализации БУ показан на фиг.3. Все элементы выполнены на базе интегральных микросхем (например, буферный каскад - КР589АП16; процессор микропроцессор К580ИК80, К1804 и др. которые позволяют программировать все необходимые функции, имеют достаточный объем памяти и производят нужные расчеты; АЦП на базе Б572ПП-1-4, К572ПВ4 и др. ПЗУ может выполняться на типовых импортных и отечественных микросхемах 27512, 27064а, К573РФ5 и т.д. "Микросхемы и их применение" В.Н.Виниаминов О.Н.Лебедев 1989 г. с. 157, 179, 188 или др. литературу по интегральным микросхемам, "Микропроцессоры" М.А.Бедрековский В.В.Волга 1981г. М: Радио и связь, с.33).

Адаптивный компенсатор может быть выполнен по известной схеме фиг.2 (см. Р. А. Монзинго, Т.У.Миллер "Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию". 1986 г. с.177).

Антенные элементы представляют собой типовые антенные устройства, используемые в АР.

Полосовой фильтр может быть реализован по известной схеме, например, представлять собой последовательное соединение емкости и индуктивности.

Весовое умножители, сумматор, вычитатель могут быть реализованы по известной схеме (см. Р. А. Монзинго, Т.У.Миллер "Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию", 1986 г. с.56).

Заявленное устройство работает следующим образом. В начальный момент времени на выходе двухэлементной ААС присутствуют сигнал P_с и помеха P_п (тождественны между собой по частоте и форме спектра). Все ВУ и АКП соответствуют единичным коэффициентам (т. е. не работают). Следовательно, на входе первого АЭ присутствует смесь сигнала P_с1 и помехи P_п1, а на выходе второго АЭ присутствует смесь сигнала P_с2 и помехи P_п2, которые отличаются набегом фаз из-за разности хода между АЭ. Запишем суммарные значения этих сигналов (помех) на входах АЭ как x₁ и x₂. Сигналы x₁, x₂ без дополнительных воздействий проходят с выходов АЭ через ПФ, АКП, первый и второй ВУ на первый и второй входы сумматора, а также через третий и четвертый ВУ на первый и второй входы вычитателя, где, в первом случае, выполняется сложение сигналов, а, во втором, их вычитание.

Таким образом, достигается начальный "перекос" мощностей сигналов на выходах ААС (т.е. выходы системы по-разному зависят от угловых соотношений входных сигналов). Под "перекосом" следует понимать различие мощностей сигнала P_с1 и помехи P_п1 на суммарном выходе и сигнала P_с2 и помехи P_п2 на разностном выходе ААС.

Для дальнейшего увеличения "перекоса" в ветвях разделителя поочередно включаются в работу сначала и вторые АКП и ВУ, а потом третий и четвертый ВУ. При этом на третьи входы первого и второго АКП поступает разностный сигнал с второго выхода ААС. ААС независимо от мощности входных сигналов выравнивают суммарный и разностный сигналы по мощности, благодаря работе АКП, т. о. увеличивая "перекос" мощностей по первому и второму выходам. Так, например, наличие сигнала большой мощности, который приходит под углом к нормали ААС, обозначит присутствие его на обоих выходах ААС. Следовательно, будет проходить процесс вычитания сигнала самого из себя (см. работу АКП) до момента соизмеримости мощностей помехи и сигнала по обоим выходам ААС. Алгоритмы управления АКП описаны ниже.

Одновременно с такой "балансировкой" включаются первый и второй ВУ, которые, как только мощность сигнала P_c1 превышает мощность помехи P_п1 или наоборот, начинают максимизировать выходную мощность доминирующего сигнала (помехи). Действительно, максимальная мощность на выходе ААС (при наличии двух соизмеримых некоррелированных сигнала и помехи) может быть достигнута, когда один из сигналов вычитается из общей смеси x₁. В свою очередь, суммарный сигнал (где, например, мощность сигнала P_с1 превышает мощности помехи P_п1) с первого выхода ААС поступает на вторые входы третьего и четвертого ВУ и еще больше уменьшает наличие сигнала P_с2 и меньше помехи P_п2 во второй ветви. Алгоритм работы третьего и четвертого ВУ максимизирует выход вычитателя, т.о. увеличивая долю присутствия помехи P_п2 на втором выходе. Описанные ниже алгоритмы работы ААС позволяют получить наилучшее разделение и, соответственно, повысить помехозащищенность.

Рассмотрим алгоритмы функционирования ААС.

Положим, что в начальный момент времени на разностном выходе выполняются условия: P_с2>P_п2, (P_с2/P_п2 β).

Формально, всю процедуру работы ААС можно представить в виде трех взаимосвязанных алгоритмов, которые выполняет процессор в установленной последовательности. Процессор управляет весовыми коэффициентами Z₁, Z₂ первого 3 и второго 4 АКП, весовыми коэффициентами W₁, W₂ первого 5, второго 6 и V₁, V₂ третьего 7, четвертого 8 ВУ. Сигналы x₁, x₂ на выходах АКП запишем как x₁₁, x₂₂, а сигналы на суммарном и разностном выходах ААС обозначим, соответственно, как y₁, y₂. Сигналы x₁₁, x₂₂ и y₂ системы поступают на первые три входа многоканального АЦП, где по средствам мультиплексора входы АЦП последовательно подключаются на вход процессора в цифровом виде. В процессоре программно формируются управляющие напряжения для АКП в дискретном виде по алгоритму градиентного типа:

где μ шаговая постоянная, определяющая скорость сходимости, "*" - знак комплексного сопряжения.

Одновременно, по четвертому каналу АЦП происходит аналогичная оценка входного напряжения y₁ процессором, который формирует выходные напряжения для первого и второго ВУ по второму алгоритму,
.

(где обозначение нормы) который максимизирует суммарный выходной сигнал y₁. Сформированные дискретные значения через буферный каскад (БК) поступают, соответственно, на вторые входы АКП и первого и второго ВУ.

Таким образом, после завершения работы АКП, первого и второго ВУ, на суммарном выходе, будет выполняться условие P_п1>P_с1, (P_п1/P_с1 α ). Далее происходит определение весовых коэффициентов V₁, V₂ аналогично варианту описанному выше для первых двух ВУ, но уже по третьему алгоритму

где . Отличие заключается только в векторе входных сигналов.

Очевидно, что поскольку на суммарном выходе выполняется условие P_п1>P_с1, (P_п1/P_с1 α), то второй выходной сигнал y₂ будут больше зависеть от помехи, чем от сигнала, что обусловит "выравнивание" амплитуды фаз помехи на входе вычитателя. Указанное "выравнивание" приведет к еще большему подавлению помехи на разностном выходе, т.е. к выполнению условия P_с2/P_п2 b, b > α и т. д. Таким образом, процедура перехода от первого и второго к третьему алгоритму происходит (по результатам моделирования) на определенном k шаге, а обратно по условию b > α, программно. Число таких переходов может достичь 12 20 раз.

Продолжая указанные рассуждения придем к осуществлению полного разделения, т.е. на разностном выходе будет присутствовать только сигнал (помеха подавляется до уровня шума), а на суммарном только помеха. Заметим, что, если первоначально на разностном выходе выполняются условия P_п2>P_с2, то после отработки схемы на разностном выходе окажется помеха, а на суммарном сигнал.

Для оценки качества функционирования заявленного устройства на фиг.4 показана зависимость выходного ОСПШ от входного отношения сигнал/помеха для сигнального выхода АПР (кривая 1) и прототипа (кривая 2).

Угол прихода сигнала положим фиксированным и равным q_c 0^o, а помехи Θ_П 20^o и используем следующие предложения о структуре АР и сигнально-помеховой обстановке:
сигнал и помеха являются узкополосными в пространственно-временном смысле и их несущие частоты тождественны;
АР состоит из изотропных и невзаимодействующих АЭ, разнесенных в пространстве на
Из анализа графиков видно, что АПР обеспечивает высокое качество разделения при всех рассматриваемых сигнально-помеховых ситуациях. Важным моментом является то, что разделение в АПР, практически, инвариантно к значению входного отношения (сигнал/помеха), а прототип работает лишь для случая P_п>P_с.

Таким образом, с введением дополнительных АКП, вычитателя и блока управления, устройство работает при различных мощностях на входе, а также может отслеживать текущие изменения сигнально-помеховой обстановки, благодаря наличию обратной связи, и тем самым может получить выигрыш в соотношении сигнал/помеха более 15 дБ.

Формула изобретения

1. Адаптивная антенная система, содержащая первый и второй антенные элементы, первый и второй полосовые фильтры, первый, второй, третий и четвертый весовые умножители и сумматор, в которой выходы первого и второго антенных элементов подключены к входам соответствующих полосовых фильтров, выходы которых соединены с первыми входами соответственно третьего и четвертого весовых умножителей, а выходы первого и второго весовых умножителей подключены к соответствующим входам сумматора, выход которого является первым выходом антенной системы, отличающаяся тем, что дополнительно введены два адаптивных компенсатора, вычитатель и блок управления, причем выход первого полосового фильтра дополнительно подключен к первым входам первого адаптивного компенсатора и блока управления, а выход второго полосового фильтра дополнительно подключен к первым входам второго адаптивного компенсатора и к второму входу блока управления, выходы третьего и четвертого весовых умножителей подключены соответственно к первому и второму входам вычитателя, причем выход последнего соединен одновременно с третьими входами блока управления, первого и второго адаптивных компенсаторов и является вторым выходом адаптивной антенной системы, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы блока управления соединены с вторыми входами соответственно первого, второго, третьего и четвертого весовых умножителей и первого и второго адаптивных компенсаторов, причем выход первого адаптивного компенсатора подключен одновременно к четвертому входу блока управления и первому входу первого весового умножителя, а выход второго адаптивного компенсатора подключен соответственно к пятому входу блока управления и первому входу второго весового умножителя, причем выход сумматора дополнительно подключен к шестому входу блока управления.

2. Система по п.1, отличающаяся тем, что блок управления состоит из буферного каскада, постоянного запоминающего устройства, процессора и многоканального аналого-цифрового преобразователя, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы аналого-цифрового преобразователя являются соответствующими входами блока управления, первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы буферного каскада являются соответствующими выходами блока управления, причем процессор с помощью первых, вторых и третьих адресных шин и магистралей данных соединен соответственно с аналого-цифровым преобразователем, буферным каскадом и постоянным запоминающим устройством.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4