Способ формирования весовых коэффициентов в каналах обработки широкополосной адаптивной антенной решетки Российский патент 2023 года по МПК H01Q3/26 

Изобретение относится к антенной и вычислительной технике и может быть использовано в широкополосных радиотехнических системах связи, радиолокации и радионавигации при приеме широкополосных сигналов (ШПС) в условиях воздействия широкополосных и узкополосных помех.

Известен способ формирования вектора весовых коэффициентов в адаптивной антенной решетке [1, с. 56, 2], содержащей N антенных элементов. В канал каждого антенного элемента введено устройство с квадратурными каналами, с помощью которого сигнал разделяется на синфазную и квадратурную составляющие, а каждая из составляющих подвергается операции умножения на весовой коэффициент. Получаемые после такой обработки сигналы складываются в сумматоре. Управление величинами весовых коэффициентов осуществляется с помощью сигнального процессора.

Однако в случае, когда полезный и помеховые сигналы характеризуется спектром частот значительной ширины, комплексный весовой коэффициент необходимо подбирать для каждой из частот, иначе не будет обеспечено эффективное подавление всех составляющих помехи.

Известна адаптивная антенная решетка [2]. С помощью фильтров, блоков измерения мощности, блока сравнения и блока управления обеспечивается минимизация и максимизация выходной мощности общего сумматора в режимах подавления помехи и выделения полезного сигнала.

Недостатком данной адаптивной антенной решетки является невозможность обработки ШПС. Также не рассматривается подход по формированию вектора весовых коэффициентов.

Для устранения недостатков устройств, реализующих классический способ пространственной фильтрации узкополосных сигналов, вводят трансверсальный фильтр или многоотводную линию задержки, обеспечивающую подавление помехи в полосе частот [1, с. 57-60].

Однако использование частотно-зависимого взвешивания с помощью многоотводной линии задержки связано с выбором и реализацией необходимой амплитудной и фазовой характеристик комплексных весовых коэффициентов. В предлагаемых аналогах устройства, обеспечивающие выбор и реализацию необходимой амплитудно-фазовой характеристики комплексных весовых коэффициентов, не рассматриваются.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу является способ формирования весовых коэффициентов для обработки ШПС, описанный в [3]. Данный способ выбран в качестве прототипа.

Сущность способа-прототипа заключается в том, что аддитивную смесь ШПС и помех с помощью полосовых фильтров разделяют на узкополосные частотные интервалы. Для каждого частотного интервала на определенной частоте ω_k находя оптимальный по критерию максимума отношения сигнал/(помеха + шум) (ОСПШ) вектор весовых коэффициентов W(ω_k). Для других частот обработки спектра полезного ШПС находят квазиоптимальные весовые коэффициенты на основе различных функций интерполяции, в частности на основе кусочно-постоянной и кусочно-линейной интерполяции. Данный способ позволяет производить пространственную обработку ШПС на фоне различных помех.

Недостатком данного способа формирования весовых коэффициентов является невозможность учета спектральной структуры ШПС, так как в способе не описан порядок выбора частот, в которых оптимально определяется вектор весовых коэффициентов.

Технический результат предлагаемого изобретения направлен на расширение функциональных возможностей, заключающихся в рациональном распределении частот, в которых оптимально определяется вектор весовых коэффициентов, с учетом спектральной плотности полезного ШПС.

Для достижения указанного технического результата в способе формирования весовых коэффициентов в каналах обработки широкополосной адаптивной антенной решетки, включающем разделение аддитивной смеси широкополосного сигнала и помех с помощью полосовых фильтров разделяют на узкополосные частотные интервалы. Для каждого из частотных интервалов на определенных частотах ω_k находя оптимальный по критерию максимума ОСПШ вектор весовых коэффициентов W(ω_k). Для других частот обработки спектра полезного широкополосного сигнала находят квазиоптимальные весовые коэффициенты на основе различных функций интерполяции. При этом оптимальный вектор весовых коэффициентов находят с меньшим частотным интервалом на тех частотах полезного широкополосного сигнала, на которых спектральная плотность полезного широкополосного сигнала низкая и с большим интервалом на тех частотах, на которых спектральная плотность полезного широкополосного сигнала высокая.

На фиг. 1 представлен спектр широкополосного ЛЧМ сигнала с обозначением его информативной части.

На фиг. 2 представлен спектр широкополосного ЛЧМ сигнала с указанием частот, в которых оптимально определяется вектор весовых коэффициентов на основе подхода, предложенного в способе-прототипе.

На фиг. 3 представлен спектр широкополосного ЛЧМ сигнала с указанием частот, в которых оптимально определяется вектор весовых коэффициентов на основе предлагаемого способа.

Способ реализуется следующим образом.

1. При выборе типа полезного ШПС рассчитывается его спектр на основе преобразования Фурье [4]:

где S(t) - тип выбранного ШПС;

ω=2πƒ - круговая частота, [рад/с];

ƒ - линейная частота [Гц].

2. Далее определяется отношение мощности полезного ШПС и мешающего воздействия на выходе согласованного фильтра при допущении, что спектр сигнала |С(ω)| является прямоугольным и равен константе С в пределах полосы сигнала W и нулю вне ее, а амплитудная передаточная функция фильтра равномерна в полосе сигнала W и равна нулю вне ее. Также допускается, что ее ненулевое значение равняется единице. Следовательно помеха, трактуемая как случайный процесс, проходит на выход фильтра без изменения своей мощности J, тогда как отфильтрованное значение мощности шума составит N₀W. С другой стороны, фильтр согласован с сигналом и, значит, когерентно суммирует все гармонические составляющие сигнала, обеспечивая максимальное значение амплитуды на выходе:

где учтена равномерность спектра в полосе сигнала W, а удвоение обусловлено вкладом «отрицательных» частот. При аналогичных обозначениях энергия сигнала вычисляется с помощью теоремы Парсеваля как:

Таким образом, ОСПШ на выходе согласованного фильтра равно:

Из соотношения (4) видно, что чем меньше энергия Е полезного ШПС, тем ниже ОСПШ на выходе согласованного фильтра.

Таким образом проводят расчет ОСПШ для каждой частоты полезного ШПС с определенным дискретом, величина которого зависит от требуемого ОСПШ на выходе антенной решетки и выявляют низкий уровень энергии полезного ШПС.

3. Так как спектр сигнала является бесконечным, то существует некоторый диапазон частот, называемый девиацией частот, в котором сосредоточен весь информативный сигнал (фиг. 1). Вне этого диапазона оптимально определять вектор весовых коэффициентов не имеет смысла, так как на восстановление спектра полезного ШПС это особую роль не играет. На фиг. 2 видно, что в способе-прототипе оптимальный вектор весовых коэффициентов определяется на равных интервалах спектра полезного ШПС и не учитывается структура самого спектра.

4. На основе результатов расчета, полученных по соотношению (4) рациональным образом определяются частоты, в которых оптимальный вектор весовых коэффициентов необходимо определять с более частым интервалом (спектральная плотность полезного ШПС низкая), а в которых с более редким (спектральная плотность полезного ШПС высокая). При этом общее число каналов обработки не меняется (фиг. 3).

5. Далее для других частот спектра полезного ШПС вектор весовых коэффициентов интерполируется различными функциями.

Таким образом способ формирования весовых коэффициентов в каналах обработки широкополосной адаптивной антенной решетки позволяет обеспечить требуемый уровень ОСПШ на выходе антенной решетки за счет рационального распределения частот, в которых оптимально определяется вектор весовых коэффициентов и тем самым достичь технического результата, заключающегося в расширении функциональных возможностей, а именно в рациональном распределении частот, в которых оптимально определяется вектор весовых коэффициентов, с учетом спектральной плотности полезного ШПС.

Литература

1. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1986. - 448 с.

2. АС 1548820, 1990 г.

3. RU 2466482, 2012 г.

4. Ипатов В. Широкополосные системы и кодовое разделение сигналов. Принципы и приложения, 2007. - 488 с.

Изобретение относится к антенной технике. Технический результат - рациональное распределение частот, в которых оптимально определяется вектор весовых коэффициентов, с учетом спектральной плотности полезного широкополосного сигнала. Он достигается тем, что предложен способ формирования весовых коэффициентов в каналах обработки широкополосной адаптивной антенной решетки, заключающийся в том, что аддитивную смесь широкополосного сигнала и помех с помощью полосовых фильтров разделяют на узкополосные частотные интервалы, для каждого из которых на определенных частотах ω_k находя оптимальный по критерию максимума отношения сигнал/(помеха + шум) вектор весовых коэффициентов W(ω_k), для других частот обработки спектра полезного широкополосного сигнала находят квазиоптимальные весовые коэффициенты на основе различных функций интерполяции. Причем оптимальный вектор весовых коэффициентов находят с меньшим частотным интервалом на тех частотах полезного широкополосного сигнала, на которых спектральная плотность полезного широкополосного сигнала низкая и с большим интервалом на тех частотах, на которых спектральная плотность полезного широкополосного сигнала высокая. 3 ил.

Способ формирования весовых коэффициентов в каналах обработки широкополосной адаптивной антенной решетки, заключающийся в том, что аддитивную смесь широкополосного сигнала и помех с помощью полосовых фильтров разделяют на узкополосные частотные интервалы, для каждого из которых на определенных частотах ω_k находя оптимальный по критерию максимума отношения сигнал/(помеха + шум) вектор весовых коэффициентов W(ω_k), для других частот обработки спектра полезного широкополосного сигнала находят квазиоптимальные весовые коэффициенты на основе различных функций интерполяции, отличающийся тем, что оптимальный вектор весовых коэффициентов находят с меньшим частотным интервалом на тех частотах полезного широкополосного сигнала, на которых спектральная плотность полезного широкополосного сигнала низкая и с большим интервалом на тех частотах, на которых спектральная плотность полезного широкополосного сигнала высокая.