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Die Erfindung bezieht sich auf Antennensysteme und insbesondere
auf adaptive Antennensysteme mit lenkbarem Strahlungsdiagramm.
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Das Strahlungsdiagramm einer Antennengruppe ist durch den Typ
der Elemente in der Gruppe, ihrer Ausrichtungen und Position im
Raum und durch die Amplitude und Phase der in den Elementen
induzierten Ströme bestimmt. Eine adaptive Antennengruppe
modifiziert das Strahlungsdiagramm entsprechend gewisser
Steuerkriterien, um beispielsweise den Strahl zu lenken. Insbesondere
sind adaptive Antennensysteme bekannt, die eine Vielzahl von
Antennenelementen und adaptive Prozessoreinrichtungen zur
Verarbeitung von Signalen von den Antennenelementen umfassen, um auf
diese Weise ein adaptives Strahlungsdiagramm zu lenken, wobei
die adaptive Prozessoreinrichtung adaptive komplexe Wertigkeiten
auf die Amplituden und Phasen der Signale von den
Antennenelementen anwendet. Die britische Patentanmeldung GB-2178903A
beschreibt ein adaptives Strahlformungsnetzwerk, dem die
Ausgangssignale einer Gruppe oder Anordnung von Antennenelementen
zugeführt werden. Der summierte Ausgang des Netzwerkes bildet
ein 'Fehler'-Rückführungssignal, das mit jedem Elementensignal
korreliert und einem Begrenzer zugeführt wird, dessen
Ausgangssignal einer Strahllenkungskomponente hinzuaddiert wird. Der
resultierende abgeleitete Wert wird zur Ansteuerung eines
Wertigkeitskoeffizienten verwendet, der dem Ausgang des
Antennengruppen-Elementes zugeordnet ist. Weiterhin beschreibt das
US-Patent 4 635 063 eine adaptive Antenne, die eine Gruppe oder
Anordnung von Elementen einschließt. Ein Rückführungssignal wird
von den bewerteten summierten Ausgängen der Elemente abgeleitet,
wobei das Rückführungssignal mit den Elementensignalen
korreliert wird. Die Ausgänge der Korrelatoren werden mit Hilfe
von Algorithmen in einzelnen Rechnereinrichtungen transformiert,
um Bewertungssignale für die zugehörigen
Elementenausgangssignale zu erzeugen.
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In vielen Funknachrichtenübertragungssystemen kann der optimale
Empfang von Nutzsignalen in nachteiliger Weise durch das
Vorhandensein von einem oder mehreren Inferferenz- oder
Störsignalen beeinflußt sein. Durch Verwendung einer adaptiven
Antennengruppe für den Empfänger ist es jedoch möglich, das
zugehörige Strahlungsdiagramm der Gruppe derart zu modifizieren,
daß eine oder mehrere Nullstellen geschaffen wird (werden), die
auf der Richtung des einfallenden Störsignals oder der
Störsignale zentriert ist (sind).
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Bei einer Anzahl von Nachrichtenübertragungssystemen ist die
Position des Senders oder der Einfallwinkel eines gewünschten
Signals mit einem mäßigen Genauigkeitsgrad bekannt, so daß das
Signal weitgehend auf den Scheitelwert des Strahls einer
Strahllenkungsantenne gebracht werden kann. Bei Vorhandensein
einer Störung mit hoher Leistung, selbst in den Seitenkeulen des
Antennendiagramms, sinkt jedoch das Signal-/Rausch- plus
Störverhältnis (SNIR) ab und das System fällt aus. Wenn der
Einfallwinkel des gewünschten Signals mit einem sehr hohen
Genauigkeitsgrad bekannt ist, so kann eine gerätemäßige
Ausführung eines gelenkten Strahls nach der Wiener-Hopf-Lösung
verwendet werden:
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Wopt = R&supmin;¹S*(1)
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worin Wopt = Optimaler Wertigkeitssatz
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R = die Gesamtkovarianzmatrix ist, die das
Signal, die Störung und Rauschen
einschließt,
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S = Raumvektor, der der komplexen Hüllkurve des
Nutzsignals entspricht, das über die Öffnung
der Gruppe empfangen wird
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(* bezeichnet die Komplex-Konjugierte).
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Alternativ kann, wenn irgendeine eindeutige Signalcharakteristik
bekannt ist, ein Bezugssignal erzeugt werden und der optimale
Wertigkeitssatz hierdurch gewonnen werden. Mit jedoch nur
mäßiger Signalrichtungsgenauigkeit ist eine geringe
Fehlausrichtung zwischen der 'Blickrichtung' und dem Signaleinfallwinkel
unvermeidbar. Bei einer derartigen Fehlausrichtung lenkt der
'optimale' Wertigkeitssatz, wie er durch die Wiener-Hopf-
Gleichung (1) definiert ist, eine Antennen-Nullstelle in
Richtung auf das Signal, was zu einer schwerwiegenden
Verschlechterung des Ausgangs-Signal-/Rauschverhältnisses
führt.
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Ein System, das eine breite Akzeptanz der Hauptkeulensignale
ergeben kann und die Fähigkeit beibehält, Nullstellen in
Richtung auf Störsignale zu lenken, die über die Seitenkeulen
ankommen, ist daher für verschiedene Anwendungen wünschenswert.
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Gemäß einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung wird ein
adaptives Antennensystem mit einer Vielzahl von
Antennenelementen und adaptiven Prozessoreinrichtungen zur Verarbeitung von
Signalen von den Antennenelementen zur Lenkung eines adaptiven
Strahlungsdiagramms geschaffen, bei dem die adaptiven
Prozessoreinrichtungen adaptive komplexe Wertigkeiten auf die Amplituden
und Phasen der Signale von den Antennenelementen anwenden, wobei
das Antennensystem dadurch gekennzeichnet ist, daß die adaptiven
komplexen Wertigkeiten gleichphasige und Quadratur-Komponenten
aufweisen und die adaptiven Prozessoreinrichtungen Einrichtungen
zur Anwendung veränderlicher, jedoch gleicher
Beschränkungsgrenzen für jede einzelne gleichphasige und Quadratur-Komponente
jeder adaptiven komplexen Wertigkeit einschließen.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden unter
Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in
denen:
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Fig. 1 graphische Darstellungen des Ausgangs-Signal-/
Störverhältnisses für eine einzige
fehlausgerichtete -10dB-Quelle für drei
Prozessorkonfigurationen und verschiedene Fehlausrichtungen
zwischen der Prozessor-Blickrichtung und dem
Signaleinfallwinkel zeigt,
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Fig. 2 graphische Darstellungen der Wertigkeitsnorm
des Wiener-Hopf-Wertigkeitssatzes für zwei
-10dB-Quellen zeigt, von denen die eine
feststeht, während die andere durch die Hauptkeule
verschwenkt wird, und zwar für verschiedene
Positionen der festen Quelle und verschiedene
künstliche Rauschpegel und verschiedene
Fehlausrichtungen,
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Fig. 3 das Konzept einer Prozessorschleife zeigt,
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Fig. 4 die verwendete IQ-Beschränkung in der komplexen
Ebene zeigt, und
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Fig. 5 eine digitale Prozessorkonfiguration zeigt.
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In Fig. 1 ist in Form eines Beispiels das Ausgangs-Signal-/
Rauschverhältnis für eine einzige fehlausgerichtete -10dB-
Quelle für verschiedene Prozessorkonfigurationen und
Fehlausrichtungen zwischen der Prozessor-Blickrichtung und dem
Signaleinfallwinkel gezeigt, wobei ein thermischer Rauschpegel
von -50db angenommen ist und die Strahleigenbreite der Gruppe
ungefähr 21º beträgt.
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Die Kurve (a) nach Fig. 1 entspricht der bekannten optimalen
Wertigkeitslösung, wie sie durch die Wiener-Hopf-Gleichung (1)
definiert ist, wobei 'künstliches' Rauschen mit einem Pegel von
-40dB hinzugefügt wurde und wobei eindeutig das unzureichende
Ausgangs-Signal-/Rauschverhältnis für Fehlausrichtungen von
1/8º oder mehr gezeigt ist.
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Umgekehrt hält der übliche Strahlformer (Kurve (b)) einen
Gewinn für das Signal mit einem ausreichenden
Signal-/Störverhältnis auf über 16º Fehlausrichtung hinaus aufrecht, wobei
jedoch keine Möglichkeit besteht, Nullstellen gegenüber anderen
ungewünschten Quellen einzuführen. Die Kurve (c) stellt das
Betriebsverhalten des Wertigkeits-Beschränkungs-Prozessors der
vorliegenden Erfindung dar, die, obwohl sie 10dB niedriger als
der übliche Strahlformer liegt, die wichtige Fähigkeit
beibehält, eine Nullstelle für unerwünschte Signale einzuführen.
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Der Vorgang der Nullstellenbildung für ein geringfügig
fehlausgerichtetes Signal durch einen Prozessor vom Wiener-
Hopf-Typ umfaßt ein beträchtliches Wertigkeitsnorm-Wachstum,
wobei die Wertigkeitsnorm als Nw = WHW1/2 definiert
ist. In Form eines Beispiels zeigt Fig. 2 das Wertigkeitsnorm-
Wachstum des Wiener-Hopf-Wertigkeitssatzes für zwei -10dB-
Quellen, von denen die eine fest ist, während die andere durch
die Hauptkeule verschwenkt wird, und zwar für verschiedene
Positionen der festen Quelle und verschiedene künstliche
Rauschpegel, wobei das thermische Rauschen bei -50dB liegt. Die
Kurve (a) entspricht einer Lage der festen Quelle bei 35º, d.h.
sicher innerhalb der Seitenkeulen, bei künstlichem Rauschen bei
-40dB, und sie zeigt einen schnellen Anstieg der Wertigkeitsnorm
von einer perfekten Ausrichtung fort. Solange jedoch die
Fehlausrichtung kleiner als ungefähr 5 Grad ist, tritt keine
wesentliche Verringerung des Ausgangssignalpegels auf. Daher
wird die Signal-/Störverhältnis-Verschlechterung für ein
fehlausgerichtetes Signal durch die Vergrößerung der
Wertigkeitsnorm und damit des Ausgangsrauschpegels erzielt,
anstelle einer Verringerung des Signalausgangspegels.
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Entsprechend kann die Signal-/Rauschverhältnis-Verbesserung
selbst für fehlausgerichtete Signale dadurch aufrechterhalten
werden, daß der Anstieg des Rauschausgangspegels begrenzt wird,
d.h. durch Beschränken der Wertigkeitsnorm. Eine Beschränkung
der Wertigkeitsnorm ruft keine wesentliche Verschlechterung der
Seitenkeulen-Störunterdrückung hervor. Die Kurve (b) nach Fig. 2
zeigt beispielsweise die Wertigkeitsnorm für eine perfekt
ausgerichtete feste Quelle mit hinzugefügtem künstlichen
Rauschen bei -40dB. Es ist zu erkennen, daß über die Hauptkeule
hinaus die Wertigkeitsnorm keine Vergrößerung gegenüber der
zeigt, wenn keine verschwenkte Quelle vorhanden gewesen wäre,
was bestätigt, daß für ein perfekt ausgerichtetes Signal der
Prozessor selbst dann, wenn er normbeschränkt ist, in der Lage
ist, Nullstellen in Richtung auf Seitenkeulen-Störsignale zu
lenken.
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Es kann gezeigt werden (s. 'Adaptive Array Principles', J.E.
Hudson, IEE 1981, Seiten 175 - 176), daß die Anwendung einer
Wertigkeitsnorm-Beschränkung äquivalent zur Hinzufügung
künstlichen Rauschens an den Prozessor ist. Daher wurde als
Beispiel zur Nachbildung einer Normbeschränkung unter Verwendung
des direkten Wiener-Hopf-Lösungsverfahrens künstliches Rauschen
bei -15dB hinzugefügt, wie dies in Kurve (c) nach Fig. 2
gezeigt ist. Die feste Quelle wurde mit einer Fehlausrichtung
von 0,25º angeordnet. Auch hier liegt die Wertigkeitsnorm bei
in den Seitenkeulen befindlicher zweiter Quelle nicht wesentlich
über der Norm für den Fall, in dem keine abgelenkte Quelle
vorhanden ist. Damit ist es, vorausgesetzt, daß eine
ausreichende Wertigkeitsnorm-Beschränkung angewandt wird,
möglich, ein fehlausgerichtetes Signal zu schützen, ohne einen
Verlust der Nullstellen-Lenkungsfähigkeit in den Seitenkeulen in
Kauf zu nehmen.
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Die gerätemäßige Ausführung eines Norm-beschränkten Systems ist
kompliziert. Wir haben jedoch festgestellt, daß ein der
Normbeschränkung ähnlicher Effekt dadurch erzielt werden kann,
daß eine veränderliche, jedoch gleiche Begrenzung für jede
einzelne I-(gleichphasige) und Q-(Quadratur-) Komponente jeder
komplexen Wertigkeit angewandt wird, so daß jede Wertigkeit ein
Quadrat in der komplexen Ebene einnehmen kann (Fig. 4).
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Es wird daher vorgeschlagen, einen hinsichtlich der I-, Q-
Wertigkeiten beschränkten Prozessor zu verwenden, der
gerätemäßig einfach auszuführen ist, um fehlausgerichtete
Signale zu schützen, während gleichzeitig Seitenkeulen-
Störungen unterdrückt werden.
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Die grundlegende Struktur der verwendeten Prozessorschleife ist
schematisch in Fig. 3 gezeigt. Sie beruht auf einer üblichen
gelenkten adaptiven Steuerschleife unter Verwendung eines auf
Zeitteilungsbasis betriebenen digitalen Korrelators und dient
dazu, Störer vor der nachfolgenden Verarbeitung mit Hilfe
(nicht gezeigter) Einrichtungen nach dem Summierer 1 zu
'entfernen'. Jede Schleife schließt ein Bewertungsnetzwerk 2
ein, und die Ausgänge der verschiedenen Bewertungsnetzwerke 2
werden dem gemeinsamen Summierer 1 zugeführt. Signale von dem
Summierer 1 werden in einem ADC (Analog-/Digitalwandler) 4
digitalisiert und in einem Netzwerk 7 negiert, bevor sie dem
digitalen Korrelator 12 zugeführt werden. Das Signal vom
Antennenlement A wird in einem ADC 3 digitalisiert und die
Komplex-Konjugierte dieses Digitalsignals wird in dem Netzwerk
5 bestimmt und dem digitalen Korrelator 12 zugeführt. Das
Korrelationsergebnis von dem Korrelator 12 wird zusammen mit dem
hierzu addierten passenden Lenkungsvektor, wie dies durch den
Addierer 10 dargestellt ist, einem Beschränkungsnetzwerk 11
zugeführt. Das Netzwerk 11 vergleicht die jeweilige Korrelation
(Wertigkeit) mit dem in einem Speicher enthaltenen Wert und
gibt entweder die Wertigkeit oder die Beschränkung oder den
Grenzwert aus, und zwar in Abhängigkeit von dem Ergebnis des
Vergleichs. Der Ausgang wird in Analogformat zurückgewandelt
und die von dem Digital-/Analogwandler (DAC) erzeugte Spannung
steuert die von dem Netzwerk 2 angewandte Wertigkeit.
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Funktionell umfaßt der digitale Korrelator 12 einen
Multiplizierer 6, einen Verstärker 8 und einen leckbehafteten
Integrator 9 in Serie, jedoch nicht notwendigerweise in dieser
Reihenfolge.
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Fig. 5 zeigt eine ausführlichere digitale
Prozessorkonfiguration, bei der gleiche Bezugsziffern für äquivalente Elemente
verwendet werden und die eine einzige Prozessorschleife
verwendet. Jedem Antennenelement A&sub1; bis An ist ein
jeweiliges Bewertungsnetzwerk 2&sub1; bis 2n zugeordnet,
deren Ausgänge dem gemeinsamen Summierer zugeführt werden.
Signale von den Elementen A&sub1; bis An werden ihrerseits
durch einen Analog-Multiplexer 13 ausgewählt, in dem ADC 3
digitalisiert, und die Komplex-Konjugierte des Ausganges des
ADC 3 wird dem komplexen Multiplizierer 6 des digitalen
Korrelators zugeführt, der bei der in Fig. 5 dargestellten
Prozessor-Konfiguration mit den Einrichtungen zur Addition des
Lenkungsvektors (10-Fig. 3) kombiniert ist, um ein digitales
Korrelator- und Strahllenkungsnetzwerk 12' zu bilden. Das
Netzwerk 12' besteht aus fünf Teilen; dem komplexen
Multiplizierer 6, einem Multiplizierer-Akkumulator 14, einem
Parameter-Speicher 15, einem Korrelationsspeicher 16 und einem
Lenkungsvektor-Speicher 17.
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Das Korrelationsergebnis von dem Netzwerk 12' wird dem
Beschränkungsnetzwerk 11 zugeführt, das aus drei Teilen
besteht; einen Vergleicher 18, einem Mulitplexer 19 und einem
Beschränkungsspeicher 20. Das Netzwerk 11 vergleicht die
jeweilige Korrelation (Wertigkeit) mit dem in dem
Beschränkungs-Speicher 20 gehaltenen Wert und liefert als
Ausgangssignal entweder die Wertigkeit oder die Beschränkung,
und zwar in Abhängigkeit von dem Ergebnis. Diese Wertigkeit
(oder Beschränkung) wird dem entsprechenden DAC 22&sub1; bis
22n über einen Demultiplexer 21 zugeführt, wobei die von
dem DAC erzeugte Spannung die Wertigkeit steuert, die von dem
entsprechenden Bewertungsnetzwerk 2&sub1; bis 2n
angewandt wird.