Устройство обработки сигналов адаптивной антенной решетки

 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано для адаптации радиотехнических сигналов с антенными решетками к помеховой обстановке, например в системах радиосвязи и радиолокации. Технический результат заключается в обеспечение возможности вычисления матрицы взаимной корреляции сигналов и помех. Решение поставленной задачи достигается введением в известное устройство обработки сигналов адаптивной антенной решетки генератора ортогональных возмущающих последовательностей коррелятора и устройства синхронизации, а также выполнением имеющегося в известном устройстве сумматора трехвходовым. Выход дополнительного генератора ортогональных возмущающих последовательностей подсоединен к дополнительному входу сумматора и к одному из входов коррелятора, выход известного устройства обработки подсоединен ко второму входу коррелятора. Длительность импульса введенного генератора ортогональных возмущающих последовательностей равна периоду возмущающих последовательностей генератора, имеющегося в известном устройстве. Устройство синхронизации обеспечивает синхронную работу обоих генераторов. 2 ил.

Изобретение относится к радиотехнике, в частности к антенной технике, и может быть использовано в системах передачи информации для адаптации к пространственной помеховой обстановке.

Известно, что оптимальное состояние вектора весовых коэффициентов W_опт адаптивной антенной решетки, обеспечивающее наибольшее отношение полезного сигнала к смеси помех и шумов, определяется по формуле W_опт = R^-1W_o, (1) где W_o - начальное состояние вектора весовых коэффициентов; R - корреляционная матрица сигналов и помех, определенная в начальном состоянии вектора весовых коэффициентов; R^-1 - обращенная матрица.

Таким образом, зная матрицу R можно сразу же установить вектор весовых коэффициентов в оптимальное состояние.

Корреляционная матрица R вычисляется по формуле R = XX⁺, (2) где X - вектор входных сигналов и помех антенной решетки; X⁺ - эрмитово сопряженный вектор.

В соответствии с выражением (2) для нахождения матрицы необходимо в каждом элементе антенной решетки отделить часть энергии сигнала и произвести перемножение и интегрирование (корреляционную обработку) всех полученных сигналов. При N-элементной решетке для этого требуется N² каналов с высочайшей степенью идентичности их амплитудных, частотных, фазовых и временных характеристик, а также коррелятор с соответствующим числом входов, работающий на высокой несущей частоте сигнала. В ближайшей перспективе при реальных значениях N эта задача технически не разрешима.

В связи с изложенным в настоящее время формула (1) используется только для теоретического анализа. В связи с невозможностью вычисления матрицы R отсутствуют практические конструкции, напрямую реализующие данный алгоритм.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство обработки сигналов адаптивной антенной решетки, описанное в [2] . Данное устройство предназначено для вычисления оценки градиента мощности выходного сигнала адаптивной антенной решетки. Полученная оценка градиента в дальнейшем может использоваться для формирования последовательности весовых коэффициентов, сходящейся к оптимальной. Упрощенная функциональная схема прототипа представлена на фиг. 1.

Устройство содержит непосредственно N-элементную решетку антенных элементов 1, устройство вычисления (определения) градиента мощности выходного сигнала антенной решетки 2, генератор ортогональных возмущающих последовательностей 3, двухвходовый сумматор 4 (под входом подразумевается совокупность N каналов для подачи вектора N сигналов от одного источника), весовые коэффициенты антенной решетки 5, имеющие выходы, сигналы на которых соответствуют текущим состояниям весовых коэффициентов.

Вектор входных сигналов X антенной решетки 1 поступает на один из входов устройства вычисления градиента мощности 2. На другой вход устройства вычисления градиента 2 поступают сигналы возмущающих последовательностей с генератора ортогональных возмущающих последовательностей 3. Формируемые этим генератором последовательности как обычно должны удовлетворять условиям центрированности и ортогональности 1-го порядка. Те же самые возмущающие последовательности поступают на один из входов сумматора 4. На другой вход сумматора поступают сигналы, характеризующие состояния весовых коэффициентов (сигналы состояний). С выхода сумматора 4 возмущенные сигналы состояний поступают на третий вход устройства вычисления градиентa мощности 2. На выходе этого устройства формируется оценка градиента мощности выходного сигнала антенной решетки (на фиг. 1 обозначена как , где знак есть символ оценки). Градиент в устройстве 2 вычисляется по известным алгоритмам: сигнал X с антенной решетки 1 проходит через возмущенные весовые коэффициенты, затем поступает в измеритель мощности. Сигнал с выхода измерителя мощности перемножается с возмущающими последовательностями и усредняется. Варианты части схемы, реализующей данный алгоритм, подробно описаны в [2].

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение возможности вычисления матрицы взаимной корреляции сигналов и помех.

Решение поставленной задачи достигается введением в известное устройство второго генератора ортогональных возмущающих последовательностей, устройства синхронизации и коррелятора, а также заменой двухвходового сумматора на трехвходовый. Имеющийся в прототипе генератор возмущающих последовательностей выполняется в виде генератора с внешней синхронизацией и снабжается синхровходом; вновь вводимый генератор также предназначен для работы в режиме внешней синхронизации и имеет синхровход. Ортогональные последовательности на выходе второго генератора должны удовлетворять обычным условиям ортогональности первого порядка и центрированности. Длительность импульса возмущающих последовательностей второго генератора должна быть равна периоду возмущающих последовательностей имеющегося в прототипе генератора, в дальнейшем называемого первым.

Выход второго генератора возмущающих последовательностей соединяется с дополнительным третьим входом сумматора и с одним из входов коррелятора. Со вторым входом коррелятора соединяется выход устройства вычисления градиента мощности. Выход устройства синхронизации соединяется с синхровходами генераторов, обеспечивая одновременность начала периода первого генератор с началом импульса второго генератора.

Введение дополнительных элементов приводит к тому, что на выходе коррелятора формируется оценка корреляционной матрицы сигналов и помех.

Сущность изобретения поясняется описанием конкретного варианта выполнения и прилагаемой фиг. 2, на которой приняты следующие обозначения:
1 - решетка антенных элементов;
2 - устройство вычисления градиента мощности выходного сигнала антенной решетки;
3 - первый генератор ортогональных возмущающих последовательностей;
4 - сумматор;
5 - весовые коэффициенты антенной решетки с выходами сигналов состояния;
6 - второй генератор ортогональных возмущающих последовательностей;
7 - коррелятор;
8 - устройство синхронизации.

Принцип работы устройства поясняется следующими соображениями. Рассмотрим выражение

где
grad_w+P(i) - возмущенный градиент мощности выходного сигнала антенной решетки, т. е. градиент мощности выходного сигнала, вычисленный при дополнительно возмущенных весовых коэффициентах, когда дополнительное возмущение произведено i-ми элементами ортогональных возмущающих последовательностей;
δW - вектор возмущающих последовательностей, удовлетворяющих условиям ортогональности первого порядка и центрированности;
δW(i) - вектор i-х значений данных возмущающих последовательностей;
N - число каналов (весовых коэффициентов, элементов) антенной решетки;
+ - знак эрмитова сопряжения.

Как известно (см., напр., [2])
grad P = 2RW. (4)
Тогда

Подставим соотношение (5) в (3) и выполним преобразования:

Так как возмущения δW⁺(i) обладают свойством центрированности, то первое слагаемое тождественно равно нулю. Кроме того, ввиду ортогональности возмущающих последовательностей

где
I - единичная матрица, то

и окончательно

Таким образом, выражения (3) и (9) представляют собой корреляционную матрицу помех и шумов R. Схема, изображенная на фиг. 2, реализует данные соотношения. Устройство обработки сигналов работает следующим образом. Сигнал X с решетки антенных элементов 1 поступает на устройство вычисления градиента мощности выходного сигнала 2. На это же устройство поступают опорные возмущающие последовательности с генератора возмущающих последовательностей 3. Эти же последовательности поступают на один из входов сумматора 4, на другой вход которого поступают сигналы состояний с весовых коэффициентов антенной решетки 5. На третий вход сумматора 4 поступают возмущающие последовательности с генератора возмущающих последовательностей 6. Одновременно эти же возмущающие последовательности в качестве опорных поступают на соответствующий вход коррелятора 7.

Если бы на сумматор 4 не поступали возмущающие последовательности с генератора 6, то на выходе устройства вычисления градиента 2 формировался бы градиент мощности выходного сигнала - точно так же, как это имеет место в прототипе. Однако в заявленном устройстве данный градиент вычисляется при дополнительном возмущении весовых коэффициентов. Это возмущение должно быть неизменным в течение всего цикла вычисления градиента. При вычислении следующего значения градиента возмущение должно быть другим, но опять-таки в течение всего цикла вычисления градиента. Поэтому длительность импульса генератора возмущающих последовательностей 6 должна быть равна периоду возмущающих последовательностей генератора 3, а начала их должны быть синхронизированы. Синхронизация осуществляется с помощью устройства синхронизации 8, синхроимпульсы с которого поступают на синхровходы генератора 3 и 6. При этом обеспечивается одновременность начала периода последовательностей генератора 3 и начала каждого импульса последовательностей генератора 6.

Таким образом, на выходе устройствa вычисления градиента формируется возмущенный вектор градиента мощности выходного сигнала grad_w+P(i). Он поступает на соответствующий вход коррелятора 7. В корреляторе 7 происходит перемножение вектора градиента на вектор опорной возмущающей последовательности с последующим усреднением, т.е. вычисляются элементы корреляционной матрицы сигналов и помех R - в полном соответствии с формулой (9). Если бы устройство градиента 2 формировало точные значения градиента, то на выходе коррелятора в соответствии с изложенным была бы получена истинная корреляционная матрицa R. Однако устройство 2 по своему принципу действия формирует оценку градиента (точно так же, как и в прототипе). В этой связи на выходе коррелятора формируется оценка корреляционной матрицы . Данная оценка может быть использована, например, для вычисления оценки оптимального вектора, весовых коэффициентов по формуле (1).

Другим вариантом заявляемого изобретения может быть использование генератора возмущающих последовательностей 3 в качестве устройства синхронизации. В этом случае выход внутреннего генератора импульсов, содержащегося в генераторе 3 и задающего период возмущающих последовательностей, соединяется с синхровходом генератора 6. В этом случае импульс, задающий начало возмущающей последовательности генератора 3, будет задавать и начало импульса генератора 6. Отдельное устройство синхронизации 8 в этом случае может быть исключено.

Поскольку в заявляемом изобретении корреляционная матрица R определяется на видеочастоте, устройство коррелятора и его реализация оказываются значительно проще, чем в случае определения корреляционной матрицы на несущей радиочастоте.

Список литературы
1. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки.- М.: Радио и связь, 1986.

2. Cantoni A. Application of orthogonal perturbation sequences to adaptive beamforming.-IEEE Trans., v. AP-28, 1980, N 2, p. 191-202. Fig. 2 p. 193 - прототип.

Формула изобретения

Устройство обработки сигналов адаптивной антенной решетки, содержащее решетку антенных элементов, матрицу весовых коэффициентов, имеющих выход сигналов состояний, первый генератор ортогональных возмущающих последовательностей, устройство вычисления градиента мощности выходного сигнала, сумматор, к одному из входов которого присоединен выход первого генератора ортогональных возмущающих последовательностей, ко второму входу которого присоединен выход сигналов состояний матрицы весовых коэффициентов, отличающееся тем, что в него введены снабженный синхровходом второй генератор ортогональных возмущающих последовательностей, длительность импульса которого равна периоду последовательностей первого генератора ортогональных возмущающих последовательностей, а также коррелятор и устройство синхронизации, причем сумматор выполнен трехвходовым, первый генератор ортогональных возмущающих последовательностей выполнен с синхровходом, выход второго генератора ортогональных возмущающих последовательностей соединен с третьим дополнительным входом сумматора и с одним из входов коррелятора, выход устройства вычисления градиента мощности выходного сигнала соединен с другим входом коррелятора, а выход устройства синхронизации соединен с синхровходами первого и второго генераторов ортогональных возмущающих последовательностей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2