CC BY
14ИНТЕГРАЛЬНЫЕ РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА INTEGRATED RADIOELECTRONIC DEVICES
УДК 621.396.67
Влияние способа получения квадратурных компонент сигнала на характеристики антенной решетки с цифровым формированием луча
К.С. Лялин, А.И. Максимовская, В.И. Орешкин, Ж.В. Меркулова, В.В. Чистюхин
Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Influence of Method of Obtaining I/Q-Signals on Characteristics of Smart Antenna Pattern
K.S. Lyalin, A.I. Maksimovskaya, V.I. Oreshkin, J. V. Merkulova, V. V. Chistyukhin
National Research University of Electronic Technology, Moscow
Показано влияние выбора архитектуры получения квадратур сигнала в приемном канале антенной решетки с цифровым формированием луча на ее характеристики. Рассмотрены погрешности обработки сигнала, возникающие в тракте решетки. Представлены результаты численных исследований влияния фазовой ошибки квадратур на характеристики антенной решетки.
Ключевые слова: цифровое формирование луча; цифровая антенная решетка; цифровая обработка сигнала.
The research results of the I/Q-signals obtaining aspects in the receiving channel of smart antenna have been presented. The errors of signal processing in the array tract have been considered. The results of numerical modeling of the phase error influence on the smart antenna performance have been also presented.
Keywords: digital beamforming; smart antenna; digital signal processing.
Введение. Многоэлементные антенны - антенные решетки - возникли на первых этапах развития радиотехники. Появление фазированных антенных решеток дало возможность изменять форму диаграммы направленности (ДН) и перемещать луч (основной лепесток) в определенном секторе пространства, не прибегая к механическому повороту. Увеличение излучаемой мощности, уменьшение потерь и увеличение
© К.С. Лялин, А.И. Максимовская, В.И. Орешкин, Ж.В. Меркулова, В.В. Чистюхин, 2016
надежности привели к появлению активных фазированных антенных решеток (АФАР). На сегодняшний день актуальными являются антенные решетки с цифровым формированием луча, или цифровые антенные решетки (ЦАР).
ЦАР сохраняют все преимущества АФАР, обеспечивая дополнительную функциональность: разрешение (суперразрешение) сигналов в пространстве, пространственное подавление помех и многолучевость. Применение ЦАР - это один из способов на практике реализовать концепцию «программного радио» [1]. Поэтому большое количество современных проектов посвящено реализации антенных решеток с цифровым диа-граммообразованием [2-4].
Системы с цифровым диаграммообразованием имеют несколько важных преимуществ перед аналоговыми:
- цифровая память позволяет реализовать любую корреляционную обработку (анализ) в самой решетке, обеспечивая суперразрешение направления прихода сигналов;
- весовые коэффициенты диаграммообразования применяются без искажений и погрешностей, свойственных аналоговым системам;
- многолучевые решетки имеют полностью независимые лучи (реальная возможность множественного доступа с пространственным разделением).
Увеличение функциональности ЦАР приводит к усложнению архитектуры системы. Достичь необходимых характеристик возможно только при реализации переноса частоты и аналого-цифрового преобразования в каждом канале антенной решетки. Более того, обработка сигнала в различных каналах решетки должна быть когерентной, для чего требуется встроенная система калибровки каналов (в настоящей статье не рассматривается).
Формирование необходимой ДН антенной решетки требует изменения амплитуды и фазы сигнала в каждом канале. В ЦАР это осуществляется в результате применения математических операций над комплексными числами. При этом узкополосный сигнал представляется в виде комплексных значений, полученных путем разложения сигнала на квадратурные составляющие [5]. В настоящей работе рассмотрены два возможных способа получения квадратур: аналоговый и цифровой.
Архитектура цифровой антенной решетки. Основная структурная схема решетки с цифровым диаграммообразованием представлена на рис. 1.
В отличие от аналоговой АФАР с одним приемником представленная схема состоит из нескольких приемников. Подобная архитектура обеспечивает больше возможностей для обработки сигналов по сравнению с АФАР, поскольку в случае единственного приемника нельзя провести корреляционный анализ сигналов с разных элементов решетки. Подобный анализ позволяет реализовать угловое суперразрешение при определении направления прихода сигналов, например Multiple Signal Classification (MUSIC) или Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques (ESPRIT) [1]. Кроме того, возмож-
V
Малошумящий
усилитель +
Перенос частоты
Выделение квадратур
Оцифровка
Выход ЦАР - лучи решетки Рис. 1. Структурная схема ЦАР
1 ■ ■
Цифровая диаграммообразующая схема
Г 1
ность копировать оцифрованные данные в несколько цифровых потоков с независимой обработкой разными весовыми коэффициентами позволяет получить несколько полностью независимых управляемых ДН.
Перечисленные алгоритмы определения направления прихода сигнала и применение весовых коэффициентов требуют представления сигнала в виде комплексного числа [1], например
s (t )=
- sej (шш+ф)
(1)
Здесь ш - круговая частота; фг- - фазовый сдвиг в i-м канале; si - амплитуда сигнала в i-м канале.
В случае линейной решетки фазовый сдвиг может быть представлен как
ф = — id sin 0,
где d - межэлементное расстояние решетки; 0 - направление прихода сигнала.
Весовые коэффициенты изменяют амплитуды и фазы входных сигналов в каналах решетки. Эта процедура может быть представлена в виде перемножения комплексных чисел:
I - с „J^'+Vi)
о
iweighted
(t) = se^' т,/ • we
зф^
(2)
где wi - усиление амплитуды; ф^ - требуемый фазовый сдвиг.
После преобразования выражения (2) можно выделить действительную часть, которая является синфазной компонентой I = соз(ю? + ф +ф№), и мнимую часть, которая является квадратурной компонентой сигнала Q = + ф, +ф№). Полученный сигнал приводится к необходимой амплитуде и получает требуемый фазовый сдвиг ф + фМ!. Таким образом, в ЦАР можно обеспечить требуемое амплитудно-
фазовое распределение, умножая квадратуры сигнала на комплексные коэффициенты.
На рис.1 штриховая стрелка показывает две возможные реализации получения квадратур. В случае аналогового способа получение квадратур происходит до оцифровки сигнала, что обеспечивается двумя смесителями с 90°-ным фазовым сдвигом опорного сигнала (рис.2). В настоящее время такие схемы носят название «квадратурный демодулятор» и могут быть выполнены в интегральном виде. При цифровом способе получение квадратур происходит после оцифровки сигнала, для чего используются алгоритмы цифрового переноса частоты.
Рис.2. Аналоговый метод получения квадратур (МШУ - малошумящий усилитель; ППФ - полос-но-пропускающий фильтр; УПЧ - усилитель промежуточных частот; ФВ - фазовращатель; ФНЧ - фильтр низких частот; УНЧ - усилитель низких частот; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; Г - гетеродин; ЦДОС - цифровая диаграммообразующая схема)
Реализация аналоговой архитектуры. Схема получения квадратур аналоговым способом в каналах ЦАР может быть использована в широком диапазоне несущих частот благодаря большому выбору производимых аналоговых смесителей и квадратурных демодуляторов для супергетеродинных приемников или приемников с прямым преобразованием, таких как Hittite hmc908lc5, UMS-GAAS CHR3662-QDG, Analog Devices ADL5380 и т.д. Подобные микросхемы в сочетании с современными АЦП (например, Texas Instruments ADC12D1800RF) позволяют разрабатывать ЦАР с полосой квадратур 800 МГц при частоте дискретизации 18-10 выборок/с. Такая ЦАР может применяться для построения локаторов с высоким разрешением или высокоскоростных транспондеров. Но в системах, не требующих такой широкой полосы сигнала, возможно использование более медленных АЦП, что снижает требования производительности для дальнейшей цифровой обработки сигнала. Например, для цифровой реализации тех же квадратур потребуются такой же АЦП от Texas Instruments, но уже с частотой дискретизации 36-10 выборок /с, ППФ и схема цифрового переноса частоты для выделения квадратур. Теоретически для этого понадобится как минимум в два раза более быстрый вычислитель и сверхширокополосный аналоговый фильтр с полосой до 1-2 ГГц. Кроме того, увеличение частоты дискретизации приведет к ужесточению требований к фазовым шумам (джиттеру) для сохранения отношения сигнал/шум (табл.1).
Таблица 1
Зависимость среднеквадратического значения (СКЗ) джиттера от фазовых шумов синтезатора [6]
Отстройка от несущей, Гц Фазовый шум, дБн/Гц С] КЗ
1800 МГц 3600 МГц
10 -65 - -
100 -85 0,21095 0,10548
1000 -95 0,1067 0,05335
10000 -110 0,08223 0,04112
100000 -120 0,06 0,03
1000000 -135 0,04624 0,02312
10000000 -145 0,03374 0,01687
100000000 -155 0,03374 0,01687
1000000000 -165 0,03374 0,01687
Суммарный джиттер (корень из суммы квадратов) для частоты дискретизации 1800 МГц составляет 0,26795, для частоты 3600 МГц при одинаковом отношении сигнал/шум 50,37 необходимо, чтобы джиттер был вдвое меньше, в данном случае 0,13398.
Главный недостаток квадратурного демодулятора - амплитудно-фазовый разброс квадратур. Среднее значение амплитудного разброса для большинства современных микросхем составляет 0,5 дБ, фазового - 3°. В случае такого разброса демодулирован-ный сигнал может иметь погрешность по амплитуде и фазе, как показано на рис.3, что приведет к ошибкам в работе алгоритмов определения направления прихода сигнала.
Как показано на рис.3, сигнал s(t) в момент времени ^ может быть разложен на квадратуры Д^) и Q(t0) как
s(t0) = cos(at0) + 7 8т(ш^0).
Однако из-за фазовой ошибки квадратурная компонента Qerr не ортогональна синфазной компоненте I, поэтому сигнал s(t0) будет разложен как
s(t0) = cos(wt0) + j COs(90° -ф - Qt0) = = cos(wt0) + j sin(ф + шt0).
Поскольку Qerr не равна Q, сигнал s(t0) будет иметь ошибку по фазе и амплитуде.
В табл.2 представлены амплитудная и фазовая погрешности, а также ошибка определения прихода сигнала в зависимости от фазового разброса квадратур. Результаты получены для 12-элементной ЦАР с межэлементным расстоянием 0,9 длины волны с использованием алгоритма MUSIC [7] при единственном приходящем сигнале с отношением сигнал/шум 10 дБ. Количество анализируемых выборок сигнала 1000.
Таблица2
Зависимость размера ошибок от фазового разброса квадратур
Ошибка ф базовый разброс квадратур, град.
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3
амплитудная, % 0,00 0,44 0,87 1,31 1,74 2,18 2,62
фазовая, град. 0,000 0,250 0,500 0,750 0,999 1,249 1,499
направления, град. 0,118 0,129 0,142 0,150 0,161 0,175 0,186
Полученные результаты показывают, что при приеме полезного сигнала такой ошибкой можно пренебречь, поскольку смещение центра достаточно широкого главного лепестка на 0,2° не приведет к значительному падению усиления. Однако в цифровом диаграммообразовании для достижения суперразрешения и подавления помех нулями ДН данный разброс необходимо учитывать, так как аналогичное смещение узкого нуля ДН может привести к ухудшению подавления помехи на 15-20 дБ. Из таблицы виден 58%-ный рост ошибки определения направления прихода сигнала с использованием средних для современных демодуляторов значений разброса.
Наличие амплитудно-фазового разброса в современных квадратурных демодуляторах, влияющего на работу алгоритмов определения направления прихода сигнала, требует реализации некой встроенной системы калибровки. Подобная калибровка необходима для любой антенны с цифровым диаграммообразованием, содержащей в канале какое-либо аналоговое устройство: усилитель, смеситель, фильтр, АЦП. Разброс параметров, вносимый этими устройствами, может быть скорректирован только цифровыми методами с помощью умножения на соответствующую комплексную передаточную функцию для каждого канала решетки.
Реализация цифровой архитектуры. Цифровая реализация квадратур возможна для узкополосных сигналов и требует как аналогового, так и цифрового переноса частоты (рис.4). Кроме того, вследствие применения более высокоскоростных АЦП к джиттеру тактового сигнала АЦП предъявляются более жесткие требования (см. табл.1).
Рис. 3. Искаженный сигнал вследствие I-Q-разброса
-/ sinfvf - п)
Рис.4. Цифровой метод получения квадратур
Несмотря на сложности цифровой архитектуры, она имеет существенные преимущества. Во-первых, квадратурные составляющие практически «идеальные», поскольку цифровой переносчик частоты освобожден от фазового разброса квадратур, тем самым имеет несравнимо меньшую ошибку в представлении сигнала по сравнению с аналоговой реализацией. Во-вторых, программная реализация части приемника в ПЛИС (согласно принципам «программного радио») перспективна при оптимизации и перестроении приемника с цифровым диаграммообразованием под требования заказчика.
Цифровая реализация предпочтительнее для систем с цифровым диаграммообразо-ванием, использующих относительно небольшую полосу, но с возможностью изменения структуры приемника (изменение типа модуляции, кодирования), например связные системы.
Заключение. Результаты исследования влияния выбора архитектуры на характеристики антенной решетки с цифровым формированием луча показали, что цифровая реализация имеет существенные преимущества перед аналоговой, особенно в плане ошибок в амплитуде и фазе принимаемого сигнала вследствие неортогональности квадратур. Кроме того, цифровая реализация позволяет получить дополнительные функции для приемника, однако является более сложной и имеет ограничения.
Литература
1. Liberti J.C., Rappaport T.S. Smart antennas for wireless communications. - New Jersy: Prentice Hall PTR, 1999. - 376 р.
2. Chappell W., Fulton C. Digital array radar panel development // Proc. IEEE Intern. Symposium on Phased Array Systems and Technology, Boston, Massachusetts, USA, October 2010. - 2010. - P. 50-60.
3. Digital beamforming using highly integrated receiver-on-chip modules / M. Longbrake, J. Buck, P. Buxa et al. // Proc. IEEE Intern. Symposium on Phased Array Systems and Technology, Boston, Massachusetts, USA, October 2010. - 2010. - P. 196-201.
4. Ahn H., Tomasic B., Liu Sh. Digital beamforming in a large conformal phased array antenna for satellite operations support - Architecture, Design and Development // IEEE Intern. Symposium on Phased Array Systems and Technology, Boston, Massachusetts, USA, October 2010. - 2010. - P. 423-431.
5. Patel P.D. Digital beamforming using quadrature modulation algorithm // International J. of Engineering Research and Development. - 2010. - Vol. 4. - Iss. 5. - P. 71-76.
6. A spatial interference filter system breadboard on the base of a digital beamforming antenna / V.V. Chistukhin, K.S. Lyalin, Z.V. Merkulova et al. // Proc. from Sixth International Conference on Internet Technologies & Applications, 8-11 Sept. 2015, Wrexham, North Wales, UK. - 2015. - P. 343-346.
7. Лялин К.С., Орешкин В.И., Чиркунова Ж.В. Исследование алгоритма множественного доступа с пространственным разделением каналов в системе с цифровой антенной решеткой // Изв. вузов. Электроника. - 2008. - №6. - С. 52-57.
Статья поступила 30 октября 2015 г.
Лялин Константин Сергеевич - кандидат физико-математических наук, доцент кафедры микроэлектронных радиотехнических устройств и систем (МРТУС) МИЭТ. Область научных интересов: антенно-фидерные устройства.
Максимовская Анна Ивановна - магистрант, инженер кафедры МРТУС МИЭТ. Область научных интересов: цифровая обработка сигналов и антенно-фидерные устройства. E-mail: amaksimovskaya@gmail.com
Орешкин Виталий Иванович - кандидат технических наук, доцент кафедры МРТУС МИЭТ. Область научных интересов: цифровая обработка сигналов и ан-тенно-фидерные устройства.
Меркулова Жанна Владимировна - кандидат технических наук, доцент кафедры МРТУС МИЭТ. Область научных интересов: алгоритмы обнаружения и подавления сигналов.
Чистюхин Виктор Васильевич - кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой МРТУС МИЭТ. Область научных интересов: антенно-фидерные устройства.
Опечатка
В журнале «Известия высших учебных заведений. Электроника» Т.21, №2, 2016 после текста статьи «Построение миниатюрных бортовых информационно-управляющих систем и аппаратно-программных комплексов для их тестирования» авторов: Переверзев А.Л., Якунин А.Н., Янин В.И.
на стр. 185 следует читать:
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России (договор № 02.G25.31.0200 от 27. 04.2016).
