АДАПТИВНАЯ ПРИЕМНАЯ АНТЕННАЯ СИСТЕМА СДВ-КВ ДИАПАЗОНА НА ОСНОВЕ ТЕХНОЛОГИИ SDR Российский патент 2022 года по МПК H01Q7/06 H01Q3/24 

Настоящее изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано на надводных кораблях, подводных лодках и береговых радиоцентрах для обеспечения адаптивного приема сигналов в СДВ-КВ диапазонах.

Одновременное использование радиоэлектронных комплексов на прием и передачу в условиях ограниченного пространства выдвигает жесткие требования по обеспечению электромагнитной совместимости (ЭМС), особенно в части защиты чувствительных цепей приемников от мощного излучения передатчиков. Одним из вариантов обеспечения ЭМС, в условиях жестких пространственных ограничений, является использование для приема магнитных антенн. Одновременно с этим антенная система должна обеспечивать максимизацию отношения сигнал/шум с учетом пространственного положения корреспондентов. Для решения указанных задач предлагается адаптивная антенная система с цифровым управлением диаграммой направленности (ДН) и возможностью пространственно-временной режекции помех.

Известна приемная корабельная подсистема коротковолнового диапазона [1], содержащая широкополосный антенный усилитель, блок питания и контроля, а также пассивный разветвитель в который включены N аттенюаторов и N фазовращателей. Количество фазовращателей определяется количеством приемных трактов, при этом первый вход каждого аттенюатора соединен с одним из выходов компенсатора, второй вход соединен с микроЭВМ, выход микроЭВМ соединен с первым входом фазовращателя, второй вход каждого фазовращателя соединен с микроЭВМ, а выход с сумматором, причем микроЭВМ соединена с датчиками координат и курса, а также с аналого-цифровым преобразователем, который соединен с радиоприемниками, при этом сигналы от активных антенн разделяются с помощью широкополосного антенного устройства на требуемое количество каналов через коммутатор приемных антенн, а на вход радиоприемников подаются сигналы от активной антенной решетки либо от одиночных антенн.

Недостатком данной системы является непосредственное (без использования малошумящего широкополосного усилителя) подключение к антенным элементам в виде коротких электрических штырей аналоговых аттенюаторов и фазовращателей, что приводит к увеличению суммарного коэффициента шума приемной системы и уменьшает отношение сигнал/шум. Также данная система при установке направления диаграммы направленности на корреспондента не учитывает флуктуации параметров канала связи и не обеспечивает помеховых сигналов, приходящих с произвольных направлений.

Известна адаптивная антенная решетка [2], содержащая N антенных элементов, блоки комплексного взвешивания сигналов, адаптивный процессор и общий сумматор. Дополнительно введены N полосовых фильтров, М сигнальных сумматоров и (M-1)×N блоков комплексного взвешивания сигналов, а адаптивный процессор выполнен в виде совокупности М блоков формирования весовых коэффициентов. На выходах антенных элементов установлены полосовые фильтры. М выходов каждого полосового фильтра соединены с соответствующими входами М блоков формирования весовых коэффициентов непосредственно, а с соответствующими входами М сигнальных сумматоров - через блоки комплексного взвешивания сигналов. Выходы М блоков формирования весовых коэффициентов, являющихся выходами адаптивного процессора, подключены для соответствующей частотной составляющей полезного сигнала к управляющим входам блоков комплексного взвешивания сигналов. Выходы М сигнальных сумматоров подключены к входам общего сумматора.

Недостатком данной системы является отсутствие возможности управления пространственным положением диаграммы направленности и, как следствие, невозможность динамического отслеживания пространственного перемещения корреспондента с которым поддерживается связь.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является приемная корабельная подсистема коротковолнового диапазона [1].

Предлагаемая адаптивная приемная антенная система направлена на достижение технического результата, заключающегося в повышении помехоустойчивости и пропускной способности приемников KB системы связи с подвижными объектами в условиях жестких требований по обеспечению ЭМС с рядом расположенными мощными радиопередающими устройствами KB диапазона и воздействия помеховых сигналов, приходящих с произвольных направлений.

Достижение указанного технического результата обеспечивается тем, что в системе в качестве антенных элементов используются магнитные ферритовые рамки, не воспринимающие электрическую составляющую электромагнитного поля, и применяется адаптивная обработка сигналов, которая учитывает особенности распространения радиоволн в KB диапазоне на основе математической модели канала. Модель канала позволяет произвести предварительную адаптацию формы диаграммы направленности для достижения максимального значения сигнал/шум.

Проведенный сравнительный анализ заявленного устройства и прототипа показывает, что заявленное устройство отличается тем, что:

- содержит малошумящие широкополосные усилители, которые для уменьшения потерь и снижения собственного шума приемного тракта подключены непосредственно к выходам антенных элементов через управляемые аттенюаторы, защищающие входные цепи от мощных радиопомех;

- не содержит аналоговых модулей фазовращателей;

- аналоговые сигналы оцифровываются непосредственно в антенных блоках и транслируются далее для обработки по волоконно-оптической линии связи;

- формирование диаграммы направленности осуществляется в модуле обработки в цифровой форме (технология SDR);

- имеется возможность формирования «нулей» в диаграмме направленности для режекции помеховых направлений прихода сигнала.

На фигуре 1 приведена структурная схема адаптивной приемной антенной системы СДВ-КВ диапазонов на основе SDR технологии.

В состав адаптивной приемной антенной системы (фигура 1) входят антенные элементы 1, выполненные в виде магнитных ферритовых рамок, активные модули антенных блоков 2, содержащие управляемые аттенюаторы 3, малошумящие широкополосные усилители 4, аналого-цифровые преобразователи 5, блоки формирования квадратур 6 и оптические трансиверы 7. Все вместе они образуют N антенных блоков. Далее оптические трансиверы 7 подключаются к оптическому мультиплексору 8 и по волоконно-оптической линии связи подключаются к оптическому демультиплексору 9 и далее снова на оптические трансиверы 10. Оптические трансиверы 10 подключены к входу модуля обработки 11, который соединен с модулем управления 17 и имеет различные интерфейсы для подключения радиоприемных устройств СДВ-КВ диапазонов. Модуль обработки 11 содержит блок формирования аналитического сигнала 12, блок оценки и обработки сигнала 13, блок формирования весовых коэффициентов 14, блок калибровки 15 и блок формирования выходных интерфейсов 16.

Предлагаемая адаптивная приемная антенная система функционирует следующим образом. Магнитная составляющая электромагнитного поля СДВ-КВ диапазонов преобразуется магнитной ферритовой рамкой 1 в переменное напряжение и далее поступает на управляемый аттенюатор 3, предназначенный для ограничения мощных помех от близкорасположенных собственных радиопередающих устройств или прицельных помех радиоэлектронных противодействующих систем, который производит ограничение помех по результатам оценки и обработки сигнала в модуле обработки 11 по командам от блока оценки и обработки сигнала 13. Далее сигнал поступает на малошумящий широкополосный усилитель 4 для уменьшения потерь и снижения собственного шума приемного тракта. С выхода малошумящего усилителя 4 усиленный до нужного уровня сигнал поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 5, где происходит его преобразование в цифровую форму. С выхода АЦП 5 сигнал поступает в блок формирования квадратур 6, который формирует синфазную и квадратурную компоненты сигнала. С выхода блока формирования квадратур 6 сигнал поступает в оптический трансивер 7, где происходит формирование высокоскоростного потока по стандарту JESD 204 В и его преобразование в оптический сигнал с определенной длиной волны. Аналогичным образом функционируют все N антенных блоков. Далее оптические сигналы с выходов оптических трансиверов 7 (каждый на своей длине волны) поступают на вход оптического мультиплексора 8, где происходит их спектральное уплотнение. С выхода оптического мультиплексора 8 сигнал по волоконно-оптической линии связи попадает в оптический демультиплексор 9, где происходит обратное разделение оптических сигналов по длинам волн. Благодаря такому подходу реализуется возможность гибкого размещения антенных элементов на различных геометрических поверхностях и надстройках корабля, а также исключается зависимость от длины фидера между антенными блоками и модулем обработки, что исключает образование фазовых искажений обрабатываемых сигналов от разных антенных блоков. С выхода оптического демультиплексора 9, сигналы поступают на оптические трансиверы 10, где на их выходах обратно формируются высокоскоростные потоки оцифрованных сигналов с N антенных блоков. Далее с оптических трансиверов 10 сигналы с N антенных блоков (в виде высокоскоростных потоков по стандарту JESD 204 В) поступают в модуль обработки 11, где происходит их параллельная обработка.

В блоке формирования аналитического сигнала 12 из квадратурных компонент сигнала формируется аналитический сигнал. Далее сформированный аналитический сигнал попадает в блок оценки и обработки сигнала 13, где происходит измерение основных параметров сигнала: амплитуды, частоты и фазы, в том числе для оценки помеховой обстановки, а также формируются требуемые амплитудно-фазовые соотношения между антенными элементами 1 для управления положением диаграммы направленности. В блоке формирования весовых коэффициентов 14 на основе данных о координатах корреспондентов, курсе подвижного объекта, а также возможного направления прихода помехи и стохастических параметров радиоканала происходит вычисление коэффициентов, определяющих формирование ДН и необходимых для компенсации помех «нулей» в диаграмме направленности. Также в блоке формирования весовых коэффициентов 14 происходит синтез калибровочной матрицы для начальной установки адаптивной приемной антенной системы. Далее калибровочная матрица загружается в блок калибровки 15, где происходит начальная установка формы и направления ДН.

Блок формирования выходных интерфейсов 16 организует требуемый набор интерфейсов (как аналоговых, так и цифровых) сопряжения с оконечными радиоприемниками.

Модуль управления 17, выполненный в виде планшетного ПК, позволяет задавать частотные диапазоны работы, количество одновременно формируемых ДН и их форму, как в местном, так и в дистанционном режиме (от внешней ЭВМ) по основной и резервной сетям на основе протокола сопряжения, в том числе, в зависимости от направления на корреспондента, получая исходные данные о своем местоположении от датчика координат и курса 18.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют в известных источниках информации, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности «новизна».

Литература

1. Патент 2605788 (РФ). Приемная корабельная подсистема коротковолнового диапазона / Кашин А.Л., Маркосян Р.А., Катанович А.А., Цыванюк В.А. - Опубл. 27.12.2016 - HO1Q 9118.

2. Патент 2466482 (РФ). Адаптивная антенная решетка / Габриэльян Д.Д., Новиков А.Н., Щацкий В.В., Щацкий Н.В. - Опубл. 10.11.2012 - H01Q 21/00.

Изобретение относится к радиотехнике и связи и может быть использовано на надводных кораблях, подводных лодках и береговых радиоцентрах для обеспечения адаптивного приема сигналов в СДВ-КВ диапазонах. Адаптивная приемная антенная система содержит антенные элементы, выполненные в виде магнитных рамок, управляемые аттенюаторы, малошумящие широкополосные усилители, аналого-цифровые преобразователи, блоки формирования квадратурных компонент сигнала и оптические трансиверы. Все вместе они образуют N антенных блоков. Далее оптические трансиверы подключаются к оптическому мультиплексору, что позволяет передавать оцифрованные сигналы в сжатом спектре по одной волоконно-оптической линии связи через оптический демультиплексор на оптические трансиверы, которые подключены к входам модуля обработки. В модуле обработки, содержащем блок формирования аналитического сигнала, блок оценки и обработки сигнала, блок формирования весовых коэффициентов, блок калибровки и блок формирования выходных интерфейсов, происходит параллельная обработка квадратурных компонент с формированием аналитического сигнала и оценкой помеховой обстановки, на основе которых производится вычисление коэффициентов, определяющих формирование ДН и необходимых для компенсации помех «нулей» в диаграмме направленности, что позволяет реализовывать фазовые сдвиги между антенными элементами и производить одновременное цифровое формирование нескольких диаграмм направленности с режекцией направлений прихода помех. Для выполнения функций управления и контроля ко всем блокам модуля обработки по двунаправленным линиям подключен модуль управления в виде планшетного ПК, который соединен с внешним ЭВМ для дистанционного управления по основной и резервной сетям. Технический результат при реализации заявленного решения заключается в повышении помехоустойчивости и пропускной способности приемников KB системы связи с подвижными объектами в условиях жестких требований по обеспечению ЭМС с рядом расположенными мощными радиопередающими устройствами KB диапазона и воздействия помеховых сигналов, приходящих с произвольных направлений. 1 ил.

Адаптивная приемная антенная система СДВ-КВ диапазонов на основе технологии SDR, содержащая N антенных блоков, количество которых определяется размерами объекта размещения и требованиями к параметрам формирования диаграммы направленности системы, модуль обработки, модуль управления, датчик координат и курса, отличающаяся тем, что в антенных блоках, кроме антенных элементов из магнитных ферритовых рамок, содержатся активные модули антенного блока, в составе которых последовательно к выходу антенных элементов подключены управляемые аттенюаторы, малошумящие широкополосные усилители, аналого-цифровые преобразователи, блоки формирования квадратур и оптические трансиверы, при этом с выходов антенных блоков сигналы в цифровом формате в оптическом виде уплотняются в мультиплексоре и по волоконно-оптической линии через демультиплексор и оптические трансиверы поступают в модуль обработки на блок формирования аналитического сигнала, второй вход которого подключен к блоку калибровки, а выход блока формирования аналитического сигнала подключен к блоку оценки и обработки сигнала, выход которого подключен к блоку формирования весовых коэффициентов, к двум выходам которого подключены блок калибровки и блок формирования выходных интерфейсов, на выходах которого формируются в требуемом количестве сигналы для радиоприемных устройств в аналоговой и в цифровой формах, при этом в блоке оценки и обработки сигнала формируются управляющие команды, которые через оптические трансиверы, мультиплексор и демультиплексор поступают в антенные блоки и через оптические трансиверы управляют аттенюаторами, при этом модуль управления в виде планшетного ПК по двунаправленным линиям подключен ко всем блокам модуля обработки, а также к внешней ЭВМ для дистанционного управления по основной и резервной сетям, а на вход модуля управления подключен датчик координат и курса корабля.