АДАПТИВНАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Российский патент 1997 года по МПК H01Q3/26 

Изобретение относится к области радиотехники и связи, а именно к адаптивным антенным решеткам (ААР), и, в частности, может быть использовано в системах радиосвязи, например в системах радиосвязи с подвижными объектами.

Известна адаптивная антенная решетка, которая содержит N антенных элементов, соединенных через комплексные весовые умножители с соответствующими входами общего сумматора и процессора управления. При этом расчет весовых коэффициентов (ВК) осуществляется по критерию максимума отношения мощности полезного сигнала к сумме мощностей помех и шума с использованием сигналов с выходом антенных элементов и априорной информации о направлении прихода полезного сигнала (см. например, Монзинго Р.А. Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. М. Радио и связь, 1986, с. 240 258).

Вследствие того, что при расчете весовых коэффициентов используется априорная информация о направлении прихода полезного сигнала, данная ААР не применима в тех приложениях, где подобная информация отсутствует (например, в системах связи с подвижными объектами).

Наиболее близким аналогом (прототипом) к заявляемой ААР по своей технической сущности является ААР, описанная в статье: "Multifunction adaptive processor for small antenna arrays". J.G.Searle, B.Sc. and C.R.Ward.B.Sc. (Eng.), Ph.D IEE PROC. Vol. 130, Pts F and H, N. 1, February 1983.

Адаптивная антенная решетка-прототип содержит:
N антенных элементов, соединенных через комплексные весовые умножители с соответствующими входами общего сумматора и процессора управления, включающего в себя последовательно соединенные блок формирования выборочной корреляционной матрицы, блок обращения выборочной корреляционной матрицы, первый блок умножения обратной выборочной корреляционной матрицы на управляющий вектор. При этом входы блока формирования выборочной корреляционной матрицы соединены с выходами соответствующих антенных элементов. Взвешенное суммирование принимаемых сигналов в данной ААР осуществляется с весовыми коэффициентами, в качестве которых используется первый столбец нормированной корреляционной матрицы входных сигналов (критерий минимума мощности выходного сигнала). Работа данной ААР не предполагает наличие априорной информации о направлении прихода полезного сигнала.

Однако данное устройство-прототип имеет недостаток. Так, даже в том случае, когда расчет ВК осуществляется при отсутствии полезного сигнала, возможно его непреднамеренное подавление (снижение помехозащищенности). Снижение помехозащищенности происходит вследствие тог, что при формировании нуля диаграммы направленности ААР в направлении прихода помехи (минимизация мощности помехи), в направлении прихода сигнала также может возникнуть локальный минимум диаграммы направленности.

Ситуация еще более усложнится в случае, когда расчет ВК осуществляется при наличии полезного сигнала.

Целью настоящего изобретения является создание ААР, обеспечивающей более высокую помехозащищенность приема сигналов при отсутствии априорной информации о направленности прихода полезного сигнала.

Поставленная цель достигается тем, что в известную ААР, содержащую N антенных элементов, соединенных через комплексные весовые умножители с соответствующими входами общего сумматора и процессора управления, включающего в себя последовательно соединенные блок формирования выборочной корреляционной матрицы, блок обращения выборочной корреляционной матрицы, первый блок умножения обратной выборочной корреляционной матрицы на управляющий вектор, причем входы блока формирования выборочной корреляционной матрицы соединены с выходами соответствующих антенных элементов, дополнительно введены: второй блок умножения обратной выборочной корреляционной матрицы на управляющий вектор, блок управления, коммутатор и блок оценки качества приема сигналов, причем входы второго блока умножения обратной выборочной корреляционной матрицы на управляющий вектор соединены с соответствующими выходами блока обращения выборочной корреляционной матрицы, а выходы с вторыми входами коммутатора, первые входы которого соединены с выходами первого блока умножения обратной выборочной корреляционной матрицы на управляющий вектор, выходы коммутатора соединены с вторыми входами соответствующих весовых умножителей, а управляющий вход коммутатора соединен с первым выходом блока управления, второй выход которого соединен с управляющим входом второго блока умножения обратной выборочной корреляционной матрицы на управляющий вектор, а вход блока управления соединен через блок оценки качества приема сигналов с выходом общего сумматора.

Принцип создания ААР основан на суммировании принимаемых разнесенными в пространстве N элементами антенной решетки сигналов с весовыми коэффициентами, в качестве которых используется i-й столбец нормированной корреляционной матрицы входных сигналов, причем процедура смены вектора весовых коэффициентов циклически повторяется (i=2,3, n, 1) и останавливается при достижении удовлетворительного значения показателя эффективности приема сигналов.

Такое построение ААР, в отличие от прототипа, где для получения выходного сигнала ААР используется только первый столбец нормированной корреляционной матрицы и не используются 2 i-й столбцы нормированной корреляционной матрицы, обладает следующим преимуществом. Повышается помехозащищенность ААР при отсутствии априорной информации о направлении прихода полезного сигнала.

Заявленное устройство поясняется чертежами, на которых:
на фиг. 1 структурная схема ААР,
на фиг. 2 графики, иллюстрирующие эффективность ее применения при типовой сигнально-помеховой ситуации.

ААР, показанная на фиг. 1, содержит антенные элементы 1, комплексные весовые умножители 2, общий сумматор 3, процессор управления 4, блок формирования выборочной корреляционной матрицы 5, блок обращения выборочной корреляционной матрицы 6, первый блок умножения обратной выборочной корреляционной матрицы на управляющий вектор 7, коммутатор 8, блок оценки качества приема сигналов 9, блок управления 10, второй блок умножения обратной выборочной корреляционной матрицы на управляющий вектор 11. При этом входы второго блока умножения обратной выборочной корреляционной матрицы на управляющий вектор 11 соединены с соответствующими выходами блока обращения выборочной корреляционной матрицы 6, а выходы со вторыми входами коммутатора 8, первые входы которого соединены с выходами первого блока умножения обратной выборочной корреляционной матрицы на управляющий вектор 7, выходы коммутатора 8 соединены с вторыми входами соответствующих весовых умножителей 2, а управляющий вход коммутатора 8 соединен с первым выходом блока управления 10, второй выход которого соединен с управляющим входом второго блока умножения обратной выборочной корреляционной матрицы на управляющий вектор 11, а вход блока управления 10 соединен через блок оценки качества приема сигналов 9 с выходом общего сумматора 3.

Блоки, входящие в состав структурной схемы на фиг. 1, могут быть реализованы с использованием имеющейся элементной базы. Так схемы комплексных весовых умножителей 2, общего сумматора 3 и коммутатора 8 описаны в авторском свидетельстве N 1548820, зарегистрированном в Государственном реестре изобретений СССР 8 ноября 1989 года.

Схемы процессора управления 4, блока управления 10 и второго блока умножения обратной выборочной корреляционной матрицы на управляющий вектор 11 могут быть реализованы на последовательных цифровых процессорах обработки сигналов, описанных в статье Городилин В.В. Глушанков Е.И. "Управляющий микропроцессорный контроллер для реализации алгоритмов адаптивной обработки радиосигналов в антенной решетке". Радиотехника, N 9, 1984, с. 72.

Блок оценки качества приема сигналов 9 при приеме сигналов в виде импульсной последовательности представляет собой устройство подсчета количества ошибок в принимаемом сигнале, при приеме сигналов однополосной модуляции может представлять измеритель уровня шума. В более широком смысле оценка качества приема сигналов может осуществляться экспертным путем оператором, который учитывает все факторы, влияющие на качество приема сигналов.

Адаптивная антенная решетка работает следующим образом.

В общем случае на вход антенных элементов поступает смесь сигналов и помех. Далее, как и в прототипе, происходит взвешивание этих сигналов весовыми умножителями 2, а затем суммирование в общем сумматоре 3 с весовыми коэффициентами, в качестве которых используется первый столбец нормированной корреляционной матрицы входных сигналов.

где вектор весовых коэффициентов (ВВК);
R_xx выборочная корреляционная матрица входных сигналов; - вектор, определяющий выбор первого столбца корреляционной матрицы; β - нормирующий множитель; т знак транспонирования.

Расчет вектора весовых коэффициентов осуществляется в процессоре управления 4. Смесь сигналов и помех из антенных элементов поступает на вход блока формирования выборочной корреляционной матрицы 5. Сформированная выборочная корреляционная матрица имеет вид:

где корреляционная матрица сигнала;
корреляционная матрица помех;
дисперсия тепловых шумов;
I единичная матрица.

В блоке обращения выборочной корреляционной матрицы 6 происходит обращение выборочной корреляционной матрицы. В первом блоке умножения обратной выборочной корреляционной матрицы на управляющий вектор 7 происходит умножение обратной выборочной корреляционной матрицы на управляющий вектор, в качестве которого используется первый столбец нормированной корреляционной матрицы входных сигналов (1).

Выходной сигнал адаптивной антенной решетки подается на вход блока оценки качества приема сигналов 9.

При неудовлетворительном значении показателя эффективности приема сигналов из блока управления 10 поступает команда на второй блок умножения обратной выборочной корреляционной матрицы на управляющий вектор 11 об использовании 2-го столбца нормированной корреляционной матрицы входных сигналов, то есть использовании вектора весовых коэффициентов:


По этой команде коммутатор 8 подключает на вторые входы соответствующих весовых умножителей 2 сигналы от второго блока умножения обратной выборочной корреляционной матрицы на управляющий вектор 11.

При удовлетворительном значении показателя качества приема сигналов ВВК используется для управления ААР. Заметим, что корреляционная матрица R_xx может периодически обновляться для учета текущей нестационарности сигнально-помеховой обстановки.

В случае же, когда ВВК не обеспечивает удовлетворительного качества приема сигналов, по команде блока управления 10 осуществляется переход к ВВК :

где и так далее.

Процедура смены ВВК циклически повторяется и останавливается на ВВК (i= 2,3,N, 1), обеспечивающем наибольшее значение показателя качества приема сигналов.

При этом, как видно из выражений (3) и (4), переход к ВВК соответствует выбору i-го столбца матрицы, обратной к нормированной корреляционной матрице входных сигналов, и может быть осуществлен достаточно быстро (не требуется реализация сравнительно сложных операций по формированию и обращению выборочной корреляционной матрицы).

В качестве иллюстрации работы ААР на фиг. 2 представлены результаты математического моделирования ААР. При этом по оси абсцисс отложен угол прихода полезного сигнала θ_c, а по оси ординат выходное отношение мощности полезного сигнала к сумме мощностей помех и шума (ОСПШ).

Кривые, показанные на фиг. 2, построены для случая трехэлементной АР, состоящей из изотропных и невзаимодействующих антенных элементов, разнесенных в пространстве на расстояние d = 2λ где l длина волны полезного сигнала при следующих предложениях о сигнально-помеховой обстановке:
количество сигналов 1,
количество помех 1,
отношение мощности полезного сигнала к мощности помехи на входе ААР 10lg P_c/P_п=-10dB,
отношение мощности помехи к дисперсии теплового шума ,
угол прихода помехи (относительно норм к линии расположения антенных элементов),
θ_п= 30 градусов.

Кривые, обозначенные на фиг. 2 цифрами 1, 2, 3, построены соответственно для ВВК
Из приведенных графиков видно, что даже применительно к малоэлементным ААР (3-элементная ААР) помехозащищенность приема сигналов (помехозащищенность ААР) при использовании заявленной ААР существенно выше, чем при применении прототипа.

Данное преимущество заявляемой ААР будет способствовать повышению помехозащищенности линий (систем) радиосвязи, характеризуемых отсутствием априорной информации о направлении прихода полезного сигнала, в частности систем связи с подвижными объектами, и, в конечном счете, будет способствовать внедрению ААР в эти системы.

Изобретение относится к области радиотехники и связи, а именно к адаптивным антенным решеткам, и, в частности, может быть использовано в системах связи, например в системах связи с подвижными объектами.

Целью изобретения является создание адаптивной антенной решетки, обеспечивающей более высокую помехозащищенность приема сигналов при отсутствии априорной информации о направлении прихода полезного сигнала.

Для этого с помощью коммутатора 8, блока оценки качества приема сигналов 9, блока управления 10 и второго блока умножения обратной выборочной корреляционной матрицы на управляющий вектор 11 осуществляется циклически повторяющаяся процедура смены весовых коэффициентов, в качестве которых используется i-й столбец нормированной корреляционной матрицы входных сигналов, останавливающаяся на весовом коэффициенте (i=2,3,...,N,1), обеспечивающем наибольшее значение показателя качества приема сигналов.

Заявленная адаптивная антенная решетка иллюстрируется фиг. 1, где: 1 - антенные элементы, 2 - весовые умножители, 3 - общий сумматор, 4 - процессор управления, 5 - блок формирования выборочной корреляционной матрицы (ВКМ), 6 - блок обращения ВКМ, 7 - первый блок умножения обратной ВКМ на управляющий вектор, 8 - коммутатор, 9 - блок оценки качества приема сигналов, 10 - блок управления, 11 - второй блок умножения обратной ВКМ на управляющий вектор. 2 ил.

Адаптивная антенная решетка, содержащая N антенных элементов, соединенных через комплексные весовые умножители с соответствуюшими входами общего сумматора и процессора управления, включающего в себя последовательно соединенные блок формирования выборочной корреляционной матрицы, блок обращения выборочной корреляционной матрицы, первый блок умножения обратной выборочной корреляционной матрицы на управляющий вектор, причем входы блока формирования выборочной корреляционной матрицы соединены с выходами соответствующих антенных элементов, отличающаяся тем, что дополнительно введены второй блок умножения обратной выборочной корреляционной матрицы на управляющий вектор, блок управления, коммутатор и блок оценки качества приема сигналов, причем входы второго блока умножения обратной выборочной корреляционной матрицы на управляющий вектор соединены с соответствующими выходами блока обращения выборочной корреляционной матрицы, а выходы с вторыми входами коммутатора, первые входы которого соединены с выходами первого блока умножения обратной выборочной корреляционный матрицы на управляющий вектор, выходы коммутатора соединены с вторыми входами соответствующих весовых умножителей, а управляющий вход коммутатора соединен с первым выходом блока управления, второй выход которого соединен с управляющим входом второго блока умножения обратной выборочной корреляционной матрицы на управляющий вектор, а вход блока управления соединен через блок оценки качества приема сигналов с выходом общего сумматора.