CC BY
26
УДК 621.396.67
ПРОСТРАНСТВЕННО-РАСПРЕДЕЛЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЯ АДАПТИВНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ
Глушанков Евгений Иванович
Доктор технических наук, профессор,
Профессор кафедры радиосистем и обработки сигналов Санкт-Петербургский
государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича
Царик Игорь Владимирович
Генеральный директор ООО «Эйртэго»
Царик Владимир Игоревич
Ведущий инженер ООО «Эйртэго»
В статье предложена пространственно-распределенная технология адаптивного формирования диаграммы направленности антенной решетки, суть которой состоит в том, что сама адаптивная антенная решетка и процессор формирования вектора весовых коэффициентов, определяющего диаграмму направленности, расположены на разнесенных в пространстве объектах. Это позволяет использовать для пространственной обработки сигналов нескольких антенн единый вычислительный ресурс или упростить адаптивную антенную решетку, расположенную, например, на подвижном объекте путем перенесения обработки сигналов на стационарный объект.
Ключевые слова: пространственно-распределенная технология, адаптивная антенная решетка, диаграмма направленности, пространственная обработка сигналов, вектор весовых коэффициентов.
SPATIALLY DISTRIBUTED TECHNOLOGY OF ADAPTIVE FORMATION OF THE ANTENNA ARRAY PATTERN
Glushankov E.I.
Doctor of Technical Sciences, Professor,
Professor of the Department of Radio Systems and Signal Processing St. Petersburg State University
of Telecommunications named after Prof. M.A. Bonch-Bruevich
Tsarik I. V
General Director of Airtego
Tsarik V.I.
Leading Engineer of Airtego
The article presents a spatially distributed technology for adaptive formation of the antenna array directional pattern, the essence of which is that the adaptive antenna array itself and the processor for the formation of the vector of weighting coefficients determining the directional pattern are located on spaced objects. This makes it possible to use a single computing resource for spatial signal processing of several antennas or to simplify an adaptive antenna array located, for example, on a mobile object by transferring signal processing to a stationary object.
Keywords: spatially distributed technology, adaptive antenna array, directional pattern, spatial signal processing, vector of weighting coefficients.
1. Общее описание технологии
Одним из существенных ограничений на применение методов пространственной обработки сигналов (ПОС) в адаптивных антенных решетках (AAP) является сложность устройства обработки, особенно если AAP размещается на подвижном объекте. Кроме того, при организации сети радиосвязи возможно размещение самих AAP на базовых станциях и создания общего процессора для ПОС в интересах нескольких станций с использованием общего вычислительного ресурса.
Пространственно-распределённая технология адаптивного формирования диаграммы направленности (ДН) антенной решетки в этом случае заключается в накоплении и последующей передаче или передаче в реальном времени многоканального цифрового сигнала с выхода приемной антенной решетки на сетевой вычислитель (сервер, облако), для выполнения на нем всех стадий обработки (Рисунок 1 - 2). Выдача навигационного решения пользователю производится в реальном времени по сети или сохраняется на сервере.
Сервер (облако), выполняющий:
• пространственную компенсацию помех
• программный приемник сигналов СИББ
• решение навигационной задачи по коду и/или фазе несущей
• хранение исходных данных и результатов
• передачу результатов в информационную систему потребителя
Антенная решетка
с передачей
исходного
цифрового
сигнала по сети
Информационная система потребителя
Рисунок 1 - Пространственно-распределённая технология адаптивного формирования диаграммы направленности
В данном случае общая структура адаптивной обработки сигналов в антенной решетке представлена на Рисунок 3.
При этом в зависимости от вариантов реализации пространственно-распределенной
технологии М антенных элементов всегда находятся на основном объекте, а схема весового суммирования с адаптивным процессором может находиться как на объекте, так и на удаленном сервере (облаке).
Информационная система потребителя
Рисунок 2.
Сервер (облако), выполняющий:
• пространственную компенсацию помех
• программный приемник сигналов СИББ
• решение навигационной задачи по коду и/или фазе несущей
• хранение исходных данных и результатов
• передачу результатов в информационную систему потребителя
Адаптивный ПРОЦЕССОР
Рисунок 3 - Структурная схема адаптивной антенной решетки
2. Формирование многоканального сигнала на выходе антенной решетки
Многоканальный цифровой сигнал формируется путем линейной цифровой фильтрации навигационного сигнала, преобразованного с несущей высокой частоты на промежуточную. Сигналы всех элементов антенной решетки обрабатываются синхронно и синфазно (когерентно). Далее цифровой сигнал
разделяется на пакеты, пакеты нумеруют и передаются на сервер для обработки (Рисунок 4). При отсутствии необходимости получать навигационные решения в реальном времени (работа в режиме логгера, постобработка), сигнал сохраняется на накопитель внутри приемной аппаратуры для последующей передачи на сервер.
ПЛИС (РРйА) линейная ЦОС
Рисунок 4 - Деление цифрового сигнала
В данном случае осуществляется передача на сервер не менее, чем Ы>М, где М-число антенных элементов, Ы- размер временной выборки, отсчетов комплексных сигналов с выходов М антенных элементов антенной решетки. В результате на сервер (облако) передается матрица X размерности МхЫ, которая в дальнейшем участвует в формировании диаграммы направленности и выходного сигнала адаптивной антенной решетки.
3. Адаптивное формирование
диаграммы направленности
На сервере многоканальный цифровой сигнал с антенной решетки поступает на модуль оценки параметров сигналов, который формирует комплексные коэффициенты поворота (коэффициенты пространственного фильтра) для формирования диаграммы направленности с нулями в направления на помехи. Многоканальный цифровой сигнал поступает в пространственный фильтр, с выхода которого получается цифровой сигнал, очищенный от помех (Рисунок 5).
3
Сигналы с антенн Возможно наличие помех
Блок формирования диаграммы направленности (Пространственный фильтр помех)
Очищенный сигнал к приемнику в^Б
1Т
Обновление коэффициентов
Блок оценки параметров помех и формирования коэффициентов пространственного фильтра
Рисунок 5 - Цифровой сигнал, очищенный от помех
Формирование оптимального вектора весовых коэффициентов пространственного фильтра осуществляется либо по критерию максимума отношения мощности сигнала к
где - М- мерный вектор весовых коэффициентов, 11хх- МхМ- мерная корреляционная матрица входных сигналов,
Хп - п- й столбец матрицы X, Б - вектор, задающий направление прихода полезного сигнала; либо по критерию минимума среднеквадратической ошибки между
112Х- М - мерный корреляционный вектор между принимаемым X и эталонным г
Непосредственное вычисление вектора весовых коэффициентов осуществляется либо прямым решением уравнений (1) или (2), либо с использованием итерационных, например, градиентных процедур. Кроме того, возможен учет структуры корреляционной матрицы 11хх, которая в центрально-симметричных антенных решетках относится к матрицам специального вида в зависимости от геометрии антенны (телицевым, блочно-теплицевым, циркулянтным и др.).
суммарной мощности помех и шума на выходе антенной решетки в соответствии с выражением [1]
(1)
оцениваемая по столбцам переданной матрицы X в следующем виде:
принимаемым и эталонным сигналами в соответствии со следующим соотношением [1]:
сигналами, определяемый по следующей обучающей выборке:
Кгх=^=12(п)Хп. (2)
Использование этой информации позволяет упростить алгоритм оценки вектора весовых коэффициентов [2].
4. Передача сигнала пользователю Сигнал, очищенный от помех, поступает в реализованный на сервере программный приемник спутникового навигационного сигнала. С выхода программного приемника навигационные решения отправляются пользователю по сети или сохраняются в базу данных пользователя на сервере (Рисунок 6).
Системы коррекции GNSS и другая априорная информация о сигнале
Инфосистема пользователя
Рисунок 6 - Навигационные решения отправляются пользователю по сети или сохраняются в базу данных пользователя на сервере
Выходной сигнал ААР формируется в виде [1]
у=ШтХп.
Далее вычисленное значение у используется либо на сервере, либо передается на исходный объект для последующей обработки.
Применение подобной пространственно-распределенной технологии позволяет реализовать простую адаптивную антенную решетку на основном объекте путем упрощения схемы и переноса всех этапов адаптивной обработки сигналов на сетевой вычислитель, который может быть использован для нескольких объектов одновременно и по мере надобности. Это важно при организации
помехоустойчивой навигации объектов различной степени подвижности
(робототехнические комплексы, БП/1А, иные /1А, включая космические аппараты и др.).
Применение адаптивных антенных решеток увеличивает энергетическую эффективность радиолиний в
радиотехнических системах различного назначения за счет подавления помех и обеспечения требуемой как битовой, так и символьной вероятности ошибочного приема при меньших энергетических затратах на передачу одного бита (символа) информации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Van Trees Н. L. Optimum Array Processing. Part IV of Detection, Estimation and Modulation Theory. NewYork :JohnWileyandSons, 2002. - 1443 p.
2. Glushankov, E.I., Kirik, D.I., Kirsanov, D.M., Rylov, E.A. Adaptation of antenna arrays with using correlation matrices of a special types.-Glushankov, E.I., Kirik, D.I., Kirsanov, D.M., Rylov, E.A.-2021 Systems of Signal Synchronization, Generating and Processing in Telecommunications, SYNCHROINFO 2021 - Conference Proceedings, 2021, 9488331.
