CC BY
82Системы телекоммуникации, устройства передачи, приема и обработки сигналов
УДК 621.369.677
М. Р. Бибарсов, А. Н. Боков
Военная академия связи Д. Д. Габриэльян, А. Н. Новиков
Ростовский военный институт Ракетных войск
Оптимальная обработка широкополосных сигналов в адаптивных антенных решетках систем радиосвязи, радионавигации и радиолокации
Рассмотрен оптимальный метод пространственной обработки широкополосных сигналов в условиях помех. Приведены аналитические выражения для оптимальной частотной зависимости весовых коэффициентов в соответствии с критерием максимума отношения сигнал/(помеха+шум) в полосе частот. Проведены исследования адаптивной антенной решетки, принимающей широкополосный полезный сигнал и подавляющей широкополосные помехи оптимальным методом. Представлены результаты численного моделирования.
Широкополосный сигнал, адаптивная антенная решетка, пространственная обработка, критерий максимума отношения сигнал/(помеха+шум), диаграмма направленности, весовые коэффициенты
В современных радиоэлектронных системах (РЭС) большое применение находят широкополосные сигналы, позволяющие повысить скорость передачи информации в системах связи широкополосного доступа, точность определения координат и параметров объекта в системах радионавигации и радиолокации. Однако плотное размещение радиоэлектронных систем различного назначения зачастую сводит на нет их возможности из-за нарушения условий электромагнитной совместимости. Для РЭС, использующих узкополосные сигналы, методы подавления нежелательных излучений формированием "нулей" диаграммы направленности (ДН) в требуемых направлениях хорошо разработаны [1]-[3]. При пространственной обработке узкополосных сигналов существующие методы легко реализуются с использованием цифровых диаграммообразующих схем (ЦДС) [4]-[5].
Для широкополосных сигналов существующие методы пространственной обработки неприменимы, поскольку весовые коэффициенты, обеспечивающие подавление помех на некоторой частоте Ю} не будут таковыми на частоте ®2, так как "нули" ДН антенной решетки смещаются или исчезают при изменении частоты. Таким образом, сложность пространственной обработки широкополосных сигналов заключается в том, что формирование "нуля" ДН в заданном направлении приходится реализовывать в требуемом спектре частот, в котором обрабатывается полезный сигнал или действует помеха.
Цель настоящей статьи - разработка алгоритма определения оптимальной частотной зависимости весовых коэффициентов в цифровой диаграммообразующей схеме и исследование закономерностей формирования диаграмм направленности адаптивных антенных решеток (ААР) при пространственной обработке широкополосных сигналов.
22 © Бибарсов М. Р., Боков А. Н., Габриэльян Д. Д., Новиков А. Н., 2011
Рассмотрим ^-элементную ААР с ЦДС с известной геометрией излучающего раскры-ва, обеспечивающую прием полезного сигнала в присутствии L широкополосных помех. Направление прихода полезного сигнала 9/, ф0 и его спектр Cq (ю) положим известными,
аналогичные параметры помеховых сигналов 9/, ф/, С/ (ю), / = 1, ..., L - неизвестными. Требуется определить частотные зависимости весовых коэффициентов в каналах ААР, обеспечивающих в заданной полосе частот оптимальное подавление помеховых сигналов в соответствии с критерием максимума отношения сигнал/(помеха+шум) (ОСПШ).
На основе формулировки критерия оптимальной обработки узкополосного сигнала по максимуму ОСПШ [1] сформулируем аналогичный критерий для широкополосного сигнала в следующем виде:
\Т
Q = max W
ю2 W (ю)т (ю) W* (ю) ,
J -—-dco
[Ю1 W (ю )т Rm (ю) W* (ю)
(1)
где W (ю) - частотно-зависимый вектор весовых коэффициентов в каналах ААР; ш^, -границы полосы частот, в которой обрабатывается полезный сигнал; Rss (ю) - частотно-зависимая ковариационная матрица полезного сигнала; Rnn (ю) - частотно-зависимая ковариационная матрица сигналов помех; , - символы операций транспонирования и комплексного сопряжения соответственно.
Интеграл (1) принимает максимальное значение в том и только и том случае, когда подынтегральное выражение является максимальным для каждой частоты. Это позволяет на основе решения задачи оптимизации для узкополосных сигналов [1]-[3] представить оптимальную частотную зависимость весовых коэффициентов в виде:
Wopt ( ю > = "Г а
L L *
Е-ZZ alp (ю)U* (со)Up l=1 p=1
S0 ( ю ), (2)
2 77
где а - мощность тепловых шумов; Е - единичная матрица; а¡р - частотно-зависимыи
коэффициент, определяемый из свойств ковариационной матрицы помех; и (ю), I = 1, ..., Ь - вектор-столбец, элементами которого являются комплексные амплитуды 1-го помехового сигнала на выходе излучателей ААР; 8д (ю) - вектор-столбец, элементы которого определяют формирование ДН заданной формы в отсутствии помех.
Из соотношения (2) можно сделать вывод, что на частотах, где С[ (ю) = 0, при оптимальной пространственной обработке формирование "нуля" ДН не должно происходить.
Исследование возникающих закономерностей проведено на примере антенной решетки с круговым раскрывом из N = 117 излучателей. Излучатели расположены в узлах гексагональной сетки с шагом 0.65^ (X - длина волны, соответствующая средней частоте диапазона полезного сигнала). При моделировании рассматривался прием полезного сигнала, представляющего собой 13-позиционную посылку на основе кода Баркера, приходящего с направления % = 0°, фо = 0° в присутствии помехового сигнала. Полоса частот спектра полезного сигнала имела границы о>1, ®2 = 4.2®!.
Получены ДН ААР (рис. 1-4), соответствующие указанному сигналу и следующим моделям помех:
• одна помеха с направления 01 = 43°, ф^ = 90° (рис. 1) со спектром
С1 (со) = {103 , ®1 <ю <ю2;
[0, со < сс»1 и о2 < со;
• одна помеха с направления 0^ = 43°, ф^ = 90° (рис. 2) со спектром
С1 (ю) = {ю3, 1.4®1 <ю< 2.8юх;
[0, ю < 1.4ю1 и 2.8ю1 < ю;
• одна помеха с направления 0^ = 43°, ф^ = 90° (рис. 3) со спектром
Р, дБ -20 -40 -60
Р, дБ -20 -40 -60
Р, дБ -20 -40 -60
Р, дБ -20 -40 -60
-я/ 2 0 а
_1_
_1_
-я/ 2 0 а
я/2 Ф,
_1_
-я/ 2 0 я/ 2 Ф,
я/ 2 Ф,
Р, дБ -20 -40 -60
Р, дБ -20 -40 -60
Р, дБ -20 -40 -60
-я/2 0 я/2 Ф,
Р, дБ -20 -40 -60
-я/ 2 0
б
Рис. 1
я/2 Ф,
-я/ 2 0
б
Рис. 2
я/2 Ф,
_1_
-я/ 2 0 я/ 2 Ф,
б
Рис. 3
Р,
дБ
20 40 60
дБ
-20 -40 -60
Р, дБ -20 -40 -60
-я/2 0 я/2 Ф, ...°
б
Рис. 4
-я/ 2 0 я/ 2 Ф,
_1_
_1_
-V 2 0 я/ 2 Ф,
-я/2 0 я/2 Ф, ...с
-я/2 0 я/2 Ф, ...с
о
о
о
Я
Я
Я
в
о
о
о
Л
Я
Я
а
в
о
я
я
я
а
е
о
Л
Я
Я
е
С (ю) - ] 103, ®1 < ю < 1.4а>1 и 2.8«! < ю < «2; 1 [0, «<«1, 1.4с>1 <ю<2.8«1 и «2 <«;
две помехи (рис. 4): с направления 01 = 43°, ф^ = 90°
С (ю) = {ю3, 1.4® 1 <ю< 2.8юх;
[0, ю < 1.4® и 2.8® < ю
и с направления 02 = -32°, ф2 = 90° со спектром -2 (ю
С (ю) - ] 103, ®1 < ю < 1.4а>1 и 2.8®1 < ю < Ю2; 2 [0, ю<ю1, 1.4^1 <ю<2.8с>1 и ®2 <ю.
На рис. 1-4 сплошными линиями показаны ДН в отсутствие помехи, пунктирными линиями - в ее присутствии. Поля а рисунков представляют ДН на частоте Ю1 = 1.2о>1, поля б - на центральной частоте диапазона, поля в - на частоте С03 = 3.5®1.
Проведенное моделирование показывает, что для первого случая сигнально-поме-ховой ситуации (рис. 1) формирование "нулей" ДН происходит во всем частотном диапазоне [о>1, ®2 ]. Для второго случая сигнально-помеховой обстановки (рис. 2) формирование "нулей" ДН происходит только в полосе частот [1.4®, 2.8®], а для третьего - только в полосах частот [®, 1.4 ® ] и [ 2.8®, ® ] (рис. 3). При двух помехах (рис. 4) "нули" ДН формируются во всем частотном диапазоне [®, ® ], но только для того направления по-
мехового сигнала, где его спектральная плотность не равна нулю.
Таким образом, результаты моделирования подтверждают, что при оптимальной пространственной обработке широкополосных сигналов формирование "нулей" ДН происходит только на тех частотах, где спектральная плотность помехи не равна нулю.
В настоящей статье рассмотрены особенности формирования ДН ААР с ЦДС при пространственной обработке широкополосных полезного и помеховых сигналов. Показано, что при оптимальной обработке формирование "нулей" ДН в направлении помехового сигнала происходит только на частотах, где спектральная плотность помехи не равна нулю. Приведенные соотношения позволяют определять оптимальную частотную зависимость весовых коэффициентов в ААР с ЦДС, что может быть использовано на этапе разработки антенного устройства и обоснования его параметров.
Список литературы
1. Монзинго Р. А., Миллер Т. У. Адаптивные антенные решетки. М.: Радио и связь, 1986. 448 с.
2. Пистолькорс А. А., Литвинов О. С. Введение в теорию адаптивных антенн. М.: Наука, 1991. 200 с.
3. Журавлев А. К., Лукошкин А. П., Поддубный С. С. Обработка сигналов в адаптивных антенных решетках. Л.: Изд-во Ленинградского гос. ун-та, 1983. 239 с.
4. Слюсарь В. И. БтагЬантенны пошли в серию // Электроника: НТБ. 2004. № 2. С. 62-65.
5. Марпл-мл. С. Л. Цифровой спектральный анализ и его приложения / пер. с англ. М.: Мир, 1990. 584 с.
M. R. Bibarsov, A. N. Bokov
Military Academy of communication
D. D. Gabriel'yan, A. N. Novikov
Rostov high military institute of missile rockets
Optimal processing of wideband signals in adaptive array systems of radiocommunication, radionavigation and radiolocation
The optimal method of wideband signals processing under the conditions of radiointer-ference is considered. The analytic forms for optimal frequency dependence of weighting coefficients in accordance with criterion of maximum of signal-noise-interference ratio in frequency band are produced. Researches of the adaptive antenna arrays accepting a broadband useful signal and suppressing broadband interferences by an optimal method are carried out. The results of numeral patterning are presented.
Wideband signal, adaptive array, spatial processing, criterion of maximum of signal/(noise and interference) ratio, directional diagram, weighting coefficient
Статья поступила в редакцию 5 октября 2011 г.
УДК:681.3.067:621.396.2
Д. М. Голубчиков, К. Е. Румянцев
Технологический институт Южного федерального университета
в г. Таганроге
I Обобщенная структура систем квантового распределения ключей с фазовым кодированием состояний фотонов
Рассмотрены принципы функционирования систем квантового распределения ключей с фазовым кодированием состояний фотонов. На основе проведенного анализа существующих коммерческих систем предложена обобщенная структура систем квантового распределения ключей, позволяющая осуществлять сравнительный анализ характеристик систем и оценивать влияние параметров компонентов на показатели эффективности.
Квантовая криптография, распределение ключей, структура систем
От обсуждения достоинств и недостатков протоколов квантового распределения ключа (КРК) научный мир перешел к поиску структурных и схемотехнических решений, обеспечивающих увеличение дальности связи, повышение скорости формирования ключа и снижение влияния дестабилизирующих факторов [1], [2]. В этой связи актуальна разработка обобщенной структуры коммерческих систем КРК для сравнительного анализа их параметров.
Комплекс для передачи конфиденциальной информации с квантовым распределением ключа. Программно-аппаратный комплекс для передачи конфиденциальной информации с системами синхронизации и КРК представлен на рис. 1.
В приведенной схеме источник данных формирует цифровые сигналы, соответствующие определенному виду информации телекоммуникации (ГОСТ 22670-77). В шифраторе осуществляется криптографическая обработка (шифрование) параметров сигналов для защиты информации от несанкционированного доступа. Для дальнейшей передачи зашифрованных данных используется канал связи, представляющий совокупность технических средств (передатчика и приемника) и линии связи (среды распространения). Канал связи формирует маршрут передачи данных от источника до получателя [3]. 26 © Голубчиков Д. М., Румянцев К. Е., 2011
