DE3885089T2

DE3885089T2 - Antenna system with antenna diagram adapting to useful and interference signals.

Info

Publication number: DE3885089T2
Application number: DE3885089T
Authority: DE
Inventors: Raymond J Masak
Original assignee: Hazeltine Corp
Current assignee: BAE Systems Aerospace Inc
Priority date: 1988-04-08
Filing date: 1988-04-13
Publication date: 1994-05-19
Anticipated expiration: 2008-04-14
Also published as: AU1475088A; EP0337025A1; DE3885089D1; AU602974B2; JPH01293002A; EP0337025B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur adaptiven Signalverarbeitung und im speziellen auf einen adaptiven Prozessor, einschließlich Strahlformung und Nullstellensteuerung für eine Gruppenantenne.The invention relates to an apparatus for adaptive signal processing and in particular to an adaptive processor including beamforming and null control for an array antenna.

Phasencodierte Breitbandkommunikationssignale können bei Vorhandensein von Interferenzerscheinungen mit Hilfe einer adaptiven Gruppenantenne unter der Kontrolle eines bekannten LMS-Algorithmus (kleinstes Fehlerquadrat) erfaßt und synchronisiert werden, der eine Leistungsminimierung erbringt. Jedoch liefert das Signalinterferenzverhältnis (S/I) an dem Ausgangsanschluß der adaptiven Gruppenantenne eines diese Art der Signalverarbeitung nutzenden Systems, obwohl es für die Erfassung und Synchronisation geeignet ist, eine nicht ausreichende Nachrichtenqualität, die bestenfalls einige Dezibel unter dem theoretischen Maximum liegt, das erreichbar ist, wenn die Ankunftsrichtung der Information verfügbar ist (Strahlsteuerung).Phase-encoded broadband communication signals can be detected and synchronized in the presence of interference phenomena using an adaptive array antenna under the control of a well-known least squares (LMS) algorithm that provides power minimization. However, the signal-to-interference ratio (S/I) at the output port of the adaptive array antenna of a system using this type of signal processing, although suitable for detection and synchronization, provides insufficient message quality, being at best several decibels below the theoretical maximum achievable when the direction of arrival of the information is available (beam steering).

Bei Schmalbandinterferenz von Kommunikationssystemen (beispielsweise AM-Funk) ist die spektrale Bandbreite der Interferenzquelle deutlich größer als die gewünschte Bandbreite des Signals. In solch einem Fall kann Nullstellensteuerung durch einen LMS-Algorithmus erreicht werden, wobei Steuersignale eines adaptiven Prozessors spektral vorkonditioniert werden, um die Nullstellenerzeugung für das gewünschte Signal zu vermeiden.In narrowband interference from communication systems (e.g. AM radio), the spectral bandwidth of the interference source is significantly larger than the desired bandwidth of the signal. In such a case, null control can be achieved by an LMS algorithm, where control signals from an adaptive processor are spectrally preconditioned to avoid null generation for the desired signal.

Es ist eine Aufgabe dieser Erfindung, einen adaptiven Prozessor zu schaffen, der gleichzeitig Strahlformung und Nullstellensteuerung bewerkstelligt, der mit einer ersten adaptiven Regelschleife mit Sample- and Holdfiltern für außerhalb eines Zeitfensters liegende Signale und einer zweiten adaptiven Regelschleife mit Sample- and Holdfiltern für innerhalb eines Zeitfensters liegende Signale eine adaptive Signalverarbeitung durchführt und der eine in diesem Sinne verbesserte Schaltung liefert.It is an object of this invention to provide an adaptive processor which simultaneously performs beamforming and zero control, which comprises a first adaptive control loop with sample and hold filters for signals lying outside a time window and a second adaptive control loop with sample and hold filters which carries out adaptive signal processing for signals lying within a time window and which provides a circuit that is improved in this sense.

In der GB-A-2 122 053 ist eine mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 übereinstimmende Vorrichtung beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß jede der außerhalb des Zeitfensters wirksamen Filterschaltungen Mittel zum Verfolgen eines gewünschten Signales aufweist, wobei die Mittel zum Verfolgen ein Früh-Tor und ein Spät-Tor aufweisen, die sich um einen das gewünschte Signal enthaltenden Zeitabschnitt überlappen, wobei ein Aus-dem-Zeitabschnitt-Tor sowie ein In-dem-Zeitabschnitt-Tor vorgesehen sind, die von den Mitteln zum Verfolgen angesteuert sind, um Proben aus dem gewünschten Signal sowie etwaigen unerwünschten Signalen zu entnehmen.GB-A-2 122 053 describes a device in accordance with the preamble of claim 1. The present invention is characterized in that each of the filter circuits operating outside the time window comprises means for tracking a desired signal, the tracking means comprising an early gate and a late gate overlapping by a time slot containing the desired signal, an out-of-time slot gate and an in-time slot gate being provided which are controlled by the tracking means to take samples from the desired signal and any undesired signals.

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Beispiel mit Bezug auf die zugehörigen Zeichnungen beschrieben, in denen:An embodiment of the present invention will be described by way of example with reference to the accompanying drawings, in which:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Gruppenantenne mit einem adaptiven Prozessor zeigt.Fig. 1 shows a block diagram of an array antenna with an adaptive processor.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines Prozessors zur zeitlichen Verarbeitung eines Breitbandsignales mit einem Breitbandspektrum für einen Signalkanal eines ganzen Signalkanalsatzes, nach Fig. 1.Fig. 2 shows a block diagram of a processor for the temporal processing of a broadband signal with a broadband spectrum for a signal channel of an entire signal channel set, according to Fig. 1.

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Zeitfensterprozessors nach Fig. 2.Fig. 3 shows a block diagram of a time window processor according to the invention as shown in Fig. 2.

Fig. 4 zeigt ein Strahlungsdiagramm einer Gruppenantenne in der horizontalen Ebene, das eine Simulation der Nullstellensteuerung veranschaulicht.Fig. 4 shows a radiation pattern of an array antenna in the horizontal plane, illustrating a simulation of the null control.

Fig. 5 zeigt das Strahlungsdiagramm einer Gruppenantenne in der horizontalen Ebene mit einer Simulation der Strahlformung/Nullstellensteuerung gemäß der Erfindung.Fig. 5 shows the radiation pattern of a group antenna in the horizontal plane with a simulation the beam forming/zeroing control according to the invention.

In den Fig. 1 bis 3 sind Blockschaltbilder mit einzelnen Leitungen dargestellt, die im allgemeinen ein Mehrkomponentensystem mit vielen Signalen repräsentieren. Wie hier verwendet, bedeutet ein Bezug auf eine "Leitung" im all gemeinen viele Pfade, die mehr als ein Signal übertragen. Ahnlich bedeuten Bezugnahmen auf "Mischer" eine Multiplikation mit vektorieller Wichtung zum Kombinieren vieler Signale.Figures 1 through 3 show block diagrams of individual lines that generally represent a multi-component system with many signals. As used herein, references to a "line" generally mean many paths carrying more than one signal. Similarly, references to "mixers" mean multiplication with vector weighting for combining many signals.

In Fig. 1 sind die wesentlichen Merkmale der Erfindung in Form eines Blockschaltbildes dargestellt. Die Umsetzung der Erfindung wird mit Bezugnahme auf eine Gruppenantenne 300 demonstriert, die vier Antennenelemente 301, 302, 303 und 304 aufweist, die so angeordnet sind, daß sie ein elektromagnetisches Signal aufnehmen. Es versteht sich, daß die Lehre der Erfindung, obwohl die Erfindung anhand elektromagnetischer Signale dargestellt worden ist, gleichzeitig auf Schallsignale anwendbar ist, wobei dann die Antennenelemente Wandler zur Umwandlung von Schallenergie in elektrische Energie sind. Die vier Elemente 301 bis 304 der Antenne 3 sind lediglich exemplarisch dargestellt, wobei es sich versteht, daß in Praxis viel mehr Elemente verwendet werden können. Es versteht sich außerdem, daß die Elemente 301 bis 304 je nach den Umständen, unter denen die Antenne 300 zu verwenden ist, auf einer geraden Linie oder auf einer gekrümmten Fläche angeordnet werden können. Der Fall, bei dem die Elemente der Antenne 300 auf einer gekrümmten Fläche anzuordnen sind, ist bei der Anordnung der Antennenelemente an einem Flugzeug gegeben, bei dem die Elemente auf der gekrümmten Fläche eines Rumpfes oder Flügels des Flugzeugs angeordnet werden können.In Fig. 1, the essential features of the invention are shown in the form of a block diagram. The implementation of the invention is demonstrated with reference to an array antenna 300 having four antenna elements 301, 302, 303 and 304 arranged to receive an electromagnetic signal. It is understood that, although the invention has been illustrated using electromagnetic signals, the teaching of the invention is also applicable to sound signals, in which case the antenna elements are converters for converting sound energy into electrical energy. The four elements 301 to 304 of the antenna 3 are shown merely as examples, it being understood that many more elements can be used in practice. It is also understood that the elements 301 to 304 can be arranged on a straight line or on a curved surface, depending on the circumstances in which the antenna 300 is to be used. The case where the elements of the antenna 300 are to be arranged on a curved surface is when the antenna elements are arranged on an aircraft, where the elements can be arranged on the curved surface of a fuselage or wing of the aircraft.

Ein adaptives Verarbeiten von von den Elementen 301 bis 304 empfangenen Eingangssignalen wird durch einen adaptiven Signalprozessoren 305, 306 bzw. 308 erreicht, der an die Elemente 301 bis 304 angekoppelt sind. Von den Prozessoren 305 bis 308 gelieferte Ausgangssignale sind an Eingangsanschlüsse eines Summierers 309 angelegt, der die Ausgangssignale der Prozessoren 305 bis 308 miteinander addiert, um auf einer Leitung 310 ein zusammengesetztes Signal der Beiträge aller Elemente 301 bis 304 der Antenne 300 auszugeben. Das Ausgangssignal auf der Leitung 310 wird außerdem zu jedem der Prozessoren 305 bis 308 zurückgeführt, um als ein Referenzsignal bei der Erzeugung von Wichtungsfaktoren zu dienen, die von den Prozessoren 305 bis 308 in adaptiver Weise auf die Eingangssignale der entsprechenden Elemente 301 bis 304 gemäß der Erfindung angewendet werden, wie nachstehend beschrieben ist.Adaptive processing of input signals received by elements 301 to 304 is performed by an adaptive Signal processors 305, 306 and 308, respectively, coupled to the elements 301 to 304. Output signals provided by the processors 305 to 308 are applied to input terminals of a summer 309 which adds the output signals of the processors 305 to 308 together to output on a line 310 a composite signal of the contributions of all the elements 301 to 304 of the antenna 300. The output signal on the line 310 is also fed back to each of the processors 305 to 308 to serve as a reference signal in the generation of weighting factors which are adaptively applied by the processors 305 to 308 to the input signals of the corresponding elements 301 to 304 in accordance with the invention, as described below.

Es sei angemerkt, daß jeder der Prozessoren 305 bis 308 jeweils in Kombination mit seinem entsprechenden Antennenelement 301 bis 304 einen gesonderten Signalverarbeitungskanal bildet, wobei sich die Kanäle gemeinsam den Summierer 307 teilen, um das gemeinsame Referenzsignal auf der Leitung 310 zu bilden. Jeder dieser Kanäle arbeitet in der gleichen Weise und weist dieselbe Schaltung auf. Entsprechend ist in der folgenden Erfindungsbeschreibung die Beschreibung auf die Schaltung eines der Kanäle, nämlich die in dem Prozessor 305 enthaltene Schaltung, gerichtet und es versteht sich, daß sich diese Beschreibung gleichermaßen auf die anderen Prozessoren 306 bis 308 bezieht. Die Gesamtkonfiguration eines Satzes von Prozessoren, die sich einen gemeinsamen Addierer zur Wichtung von Antennensignalen teilen, ist bekannt und muß für das Verständnis der Erfindung nicht weiter beschrieben werden. Die Erfindung liegt in der Schaltung eines einzelnen Prozessors, wie beispielsweise des Prozessors 305, wie im folgenden beschrieben wird.It should be noted that each of the processors 305 to 308, in combination with its respective antenna element 301 to 304, forms a separate signal processing channel, the channels sharing the summer 307 to form the common reference signal on line 310. Each of these channels operates in the same manner and has the same circuitry. Accordingly, in the following description of the invention, the description is directed to the circuitry of one of the channels, namely the circuitry contained in the processor 305, and it is to be understood that this description applies equally to the other processors 306 to 308. The overall configuration of a set of processors sharing a common adder for weighting antenna signals is known and need not be further described for an understanding of the invention. The invention resides in the circuitry of a single processor, such as processor 305, as described below.

Wie in Fig. 1 dargestellt, wird über eine Leitung 10 ein Nutzsignal, das ein Störer (d. h. Interferenz) enthält, an einen Mischer 11 geleitet. Das Nutzsignal mit der Interferenz wird außerdem über eine Leitung 12 zu einer Strahlformungsschaltung 200 und über eine Leitung 13 zu einer Nullstellensteuerungsschaltung 100 geleitet. Das Ausgangssignal der Nullstellensteuerungsschaltung 100 wird über eine Leitung 14 an einen Koordinator 15 geliefert und zu dem über eine Leitung 16 gelieferten Ausgangssignal der Strahlformerschaltung 200 addiert. Die koordinierte Summe wird über eine Leitung 9 an den Mischer 11 geliefert und außerdem mit den entsprechenden Signalen der anderen Kanale durch den Summierer 309 kombiniert, so daß Ausgangsleitungen 310 und 17 mit gemischten Ausgangssignalen die gewünschten Signale führen, bei denen die Interferenz mit dem Ausgangssignal des Koordinators 15 gemischt ist. Das gemischte Signal wird über eine Leitung 18 an die Strahlformereinheit 200 und über eine Leitung 19 zu der Nullstellensteuerschaltung 100 geliefert. Tatsächlich wirkt die Nullstellensteuerschaltung 100 als eine erste Vektorschleife 1, um wenigstens einen Teil des interferierenden Signals zu unterdrücken. Umgekehrt wirkt die Strahlformerschaltung 200 als eine zweite Vektorschleife 2, um wenigstens einen Teil des Nutzsignals hervorheben, so daß das über die Leitung 17 gelieferte Nutzsignal ein verbessertes S/I-Verhältnis und somit verbesserte Nachrichtenqualität hat.As shown in Fig. 1, a useful signal containing an interferer (ie interference) is fed to a mixer 11 via a line 10. The useful signal with the interference is also supplied to a beamforming circuit 200 via a line 12 and to a null control circuit 100 via a line 13. The output of the null control circuit 100 is supplied to a coordinator 15 via a line 14 and is added to the output of the beamforming circuit 200 supplied via a line 16. The coordinated sum is supplied to the mixer 11 via a line 9 and is also combined with the corresponding signals of the other channels by the summer 309 so that output lines 310 and 17 with mixed output signals carry the desired signals in which the interference is mixed with the output signal of the coordinator 15. The mixed signal is supplied to the beamforming unit 200 via a line 18 and to the null control circuit 100 via a line 19. In effect, the null control circuit 100 acts as a first vector loop 1 to suppress at least a portion of the interfering signal. Conversely, the beamformer circuit 200 acts as a second vector loop 2 to emphasize at least a portion of the wanted signal so that the wanted signal delivered over the line 17 has an improved S/I ratio and thus improved message quality.

Die Nullstellensteuerungsschaltung und die Strahlformerschaltung können ihre Funktion durch zeitliche Verarbeitung der Signale oder durch spektrale Verarbeitung der Signale erbringen. Bei der Bearbeitung von phasencodierten Breitbandkommunikationssignalen mit verteiltem Spektrum kann eine zeitliche Verarbeitung genutzt werden, wie sie in einem detaillierten Schaltbild des Prozessors 305 in Fig. 2 dargestellt ist.The null control circuit and the beamformer circuit may perform their function by temporally processing the signals or by spectrally processing the signals. When processing phase-encoded, distributed spectrum broadband communication signals, temporal processing may be used, as shown in a detailed circuit diagram of the processor 305 in Figure 2.

Wie in Fig. 2 dargestellt, werden das Nutz- und das Interferenzsignal über die Leitung 10 an eine Verstärkerschaltung (AGC) 20 mit automatischer Verstärkungssteuerung zum Stabilisieren der Signalamplitude geleitet. Das Ausgangssignal der AGC 20 wird über eine Leitung 21 an ein Matched-Filter 22 geleitet und mit einem speziellen Code des Nutzsignals codiert. Das Ausgangssignal des Matched- Filters 22 wird über eine Leitung 23 zu der ersten vektoriellen wichtenden Breitbandregelschleife 1WB zur Nullstellensteuerung und an eine zweite wichtende Breitbandregelschleife 2WB zur Strahlformung geleitet. In der ersten Vektorschleife 1WB werden das über die Leitung 24 gelieferte Referenzsignal und das über die Leitung 25 gelieferte Rückführungssignal von einer aus dem Zeitfenster-, Sample-and-Hold-Filterschaltung 101 bzw. von einer Aus-dem- Zeitfenster-Sample-and-Hold-Filterschaltung 103 verarbeitet. Die verarbeiteten Signale werden an den Korrelator 102 geleitet, um das Signal des Antennenelements 301 mit dem Ausgangssignal des Korrelators 102 zu wichten, das über eine Leitung 106 an einem Addierer 28 liegt. Dies entfernt wirksam das Nutzsignal aus dem Steuersignal nach einem modifizierten LMS-Algorithmus, der in der Schleife 1WB durch den Korrelator 102 ausgeführt wird, wobei das Minuszeichen in der Vektorschleife IWB bei dem Summierer 28 die Implementation eines Minimierungsvorganges darstellt.As shown in Fig. 2, the wanted signal and the interference signal are fed via line 10 to an amplifier circuit (AGC) 20 with automatic gain control to stabilize the signal amplitude. The output signal the AGC 20 is fed via a line 21 to a matched filter 22 and encoded with a special code of the wanted signal. The output signal of the matched filter 22 is fed via a line 23 to the first vectorial weighting broadband control loop 1WB for zero control and to a second weighting broadband control loop 2WB for beam forming. In the first vector loop 1WB, the reference signal supplied via line 24 and the feedback signal supplied via line 25 are processed by an out-of-time-window sample-and-hold filter circuit 101 and an out-of-time-window sample-and-hold filter circuit 103, respectively. The processed signals are passed to the correlator 102 to weight the signal from the antenna element 301 with the output signal from the correlator 102, which is applied to an adder 28 via a line 106. This effectively removes the wanted signal from the control signal according to a modified LMS algorithm which is executed in the loop 1WB by the correlator 102, the minus sign in the vector loop IWB at the adder 28 representing the implementation of a minimization process.

Bei der zweiten Vektorschleife 2WB werden das über eine Leitung 26 gelieferte Referenzsignal und das über eine Leitung 27 gelieferte Rückführungskanal durch eine In-dem- Zeitfenster-Sample-and-Hold-Filterschaltung 201 bzw. eine In-dem-Zeitfenster-Sample-and-Hold-Filterschaltung 203 verarbeitet. Die verarbeiteten Signale werden zwecks Gewichtung mit dem Ausgangssignal des Korrelators 102 dem einen Korrelator 202 zugeführt, wozu sie über eine Leitung 206 dem Summierer 28 zugeführt sind. Die zweite Schleife 2WB vergrößert das Verhältnis des Nutzsignales zur Interferenzleistung für das Steuersignal nach einem modifizierten LMS-Algorithmus, der durch den Korrelator 202 mit einem rein positiven an dem Summierer 28 dargestellten Signal ausgeführt wird, was die Implementation eines Maximierungsprozesses repräsentiert.In the second vector loop 2WB, the reference signal supplied via a line 26 and the feedback channel supplied via a line 27 are processed by an in-time window sample and hold filter circuit 201 and an in-time window sample and hold filter circuit 203, respectively. The processed signals are fed to a correlator 202 for weighting with the output signal of the correlator 102, for which purpose they are fed to the summer 28 via a line 206. The second loop 2WB increases the ratio of the useful signal to the interference power for the control signal according to a modified LMS algorithm, which is carried out by the correlator 202 with a purely positive signal presented at the summer 28, which represents the implementation of a maximization process.

Der Korrelator 102 der Vektorschleife 1WB weist einen Mischer 104 zum Mischen des Ausgangssignales der Aus-dem- Zeitfenster-Schaltungen 101 und 103 sowie einen Integrator 105 zum Integrieren der gemischten Ausgangssignale auf. Der Korrelator 202 der Vektorschleife 2WB weist einen Mischer 204 zum Mischen der Ausgangssignale der In-dem- Zeitfenster-Schaltungen 201 und 203 sowie einen Integrator 205 zur Integration der gemischten Ausgangssignale auf. Das Ausgangssignal (Leitung 106) des Korrelators 102 der Schleife 1WB wird zu dem Ausgangssignal (206) des Korrelators (202) der Schleife 2WB durch den Summierer 28 addiert und die Summe wird von einem Mischer 29 mit dem über eine Leitung 23 gelieferten Eingangssignal gemischt, was ein von einer Leitung 17 geliefertes Ausgangssignal ergibt.The correlator 102 of the vector loop 1WB has a mixer 104 for mixing the output signal of the out-of-time-window circuits 101 and 103 and an integrator 105 for integrating the mixed output signals. The correlator 202 of the vector loop 2WB has a mixer 204 for mixing the output signals of the in-time-window circuits 201 and 203 and an integrator 205 for integrating the mixed output signals. The output signal (line 106) of the correlator 102 of the loop 1WB is added to the output signal (206) of the correlator (202) of the loop 2WB by the summer 28 and the sum is mixed by a mixer 29 with the input signal supplied via a line 23, resulting in an output signal supplied by a line 17.

Die Zeitfensterverarbeitungsschaltungen 101 und 201 werden bequemerweise als einzelne Einheiten 311 hergestellt und in ähnlicher Weise werden die Zeitfensterverarbeitungsschaltungen 103 und 203 bequemerweise als einzelne Einheiten 312 hergestellt. Sowohl die Einheiten 311 als auch 312 weisen die gleiche Konfiguration auf und entsprechend ist lediglich die Einheit 311 im Detail zu beschreiben, wobei sich versteht, daß die Beschreibung derselben ebenso auf die Einheit 312 anzuwenden ist. Eine Einheit 311 ist in jedem der Prozessoren 305 bis 308 nach Fig. 1 zu finden. Außerdem kann in jedem der Prozessoren 305 bis 308 eine Einheit 312 angeordnet oder alternativ lediglich eine Einheit 312 für die gesamte Antenne 300 vorgesehen sein, wobei die Ausgangssignale der einzelnen Einheit 312 für alle Prozessoren 305 bis 308 verwendet werden.The time window processing circuits 101 and 201 are conveniently manufactured as individual units 311 and similarly the time window processing circuits 103 and 203 are conveniently manufactured as individual units 312. Both units 311 and 312 have the same configuration and accordingly only unit 311 will be described in detail, it being understood that the description thereof is equally applicable to unit 312. A unit 311 is found in each of the processors 305 to 308 of Figure 1. In addition, a unit 312 may be located in each of the processors 305 to 308 or alternatively only one unit 312 may be provided for the entire antenna 300, with the output signals of the individual unit 312 being used for all of the processors 305 to 308.

In Fig. 3 ist ein Blockschaltbild einer in der Einheit 311 enthaltenen Zeitfensterverarbeitungsschaltung dargestellt, wobei die Beschreibung in Fig. 3 ebenso auf die Zeitfensterverarbeitungseinheit 312 anzuwenden ist. Wie in Fig. 2 dargestellt, werden die Ausgangssignale an die Mischer 104 und 204 angelegt. Das Eingangssignal für die Zeitfensterverarbeitungsschaltungen wird über eine Leitung 23, falls die Einheit 311 verwendet wird, und über die Leitung 17 erhalten, falls die Einheit 312 verwendet wird.Fig. 3 shows a block diagram of a time window processing circuit included in the unit 311, the description in Fig. 3 also being applicable to the time window processing unit 312. As shown in Fig. 2, the output signals are applied to the mixers 104 and 204. The input signal for the time window processing circuits is applied via a line 23, if the unit 311 is used, and via line 17 if the unit 312 is used.

Die Einheit 311 weist einen Hüllkurvendetektor 313, einen Schwellwertschalter 314, einen Taktgeber 315, einen Zähler 316 und zwei Signalgeneratoren 317 und 318, um ein Frühtorsignales bzw. ein Spättorsignales zu erzeugen. Von der Leitung 23 gelieferte Eingangssignale werden durch den Detektor 313 festgestellt, der die Amplitude der Signalhüllkurve an die Schwellspannungseinheit 314 abgibt. Der Zähler 316 zählt Taktimpulse, die an diesen von dem Taktgeber 315 angelegt sind. Die Schwellspannungseinheit 314 gibt ein Steuersignal an den Zähler 316 während des Zeitintervalls aus, in dem ein Detektor 313 eine über der Schwelle der Einheit 314 liegendes Signal ausgibt. Der Zähler 316 ist dabei aktiviert und deaktiert, um die Dauer eines Impulses des Eingangssignales auszuzählen. Der Zähler 316 aktiviert und sperrt ein Ausgangssignal der Generatoren 317 und 318. Im Falle eines sich wiederholenden Eingangssignales, wie es bei der Radarkommunikation üblicherweise der Fall ist, aktiviert das Ein- und Ausschalten des Generators 317 den Generator 317, um ein Frühtorsignal auszugeben, wie es zeichnerisch bei 319 dargestellt ist, das sich zeitlich von einem vor dem Eingangssignalimpuls liegenden Zeitpunkt bis zu dem Ende des Eingangssignalimpulses erstreckt. In ähnlicher Weise aktiviert das Ein- und Ausschalten des Generators 318 den Generator 318, um ein zeichnerisch mit 320 bezeichnetes Spättorsignal aus zugeben- das sich zeitlich von einem vor dem Anfang des Eingangssignalimpulses liegenden Zeitpunkt bis zu einem Zeitpunkt nach dem Ende des Eingangssignalimpulses erstreckt. Die beiden Signale 319 und 320 überlappen sich während des Zeitintervalls, von dem angenommen wird, daß in ihm der Eingangssignalimpuls erfolgt.The unit 311 comprises an envelope detector 313, a threshold switch 314, a clock 315, a counter 316 and two signal generators 317 and 318 for generating an early gate signal and a late gate signal, respectively. Input signals supplied from the line 23 are detected by the detector 313, which outputs the amplitude of the signal envelope to the threshold voltage unit 314. The counter 316 counts clock pulses applied thereto by the clock 315. The threshold voltage unit 314 outputs a control signal to the counter 316 during the time interval in which a detector 313 outputs a signal above the threshold of the unit 314. Counter 316 is activated and deactivated to count the duration of a pulse of the input signal. Counter 316 activates and deactivates an output signal from generators 317 and 318. In the case of a repeating input signal, as is usually the case in radar communications, turning generator 317 on and off activates generator 317 to output an early gate signal, as shown graphically at 319, which extends in time from a time before the input signal pulse to the end of the input signal pulse. Similarly, turning generator 318 on and off activates generator 318 to output a late gate signal, shown graphically at 320, which extends in time from a time before the start of the input signal pulse to a time after the end of the input signal pulse. The two signals 319 and 320 overlap during the time interval in which the input signal pulse is assumed to occur.

Die Einheiten 311 weisen außerdem zwei Tore 321 und 322, zwei Tiefpaßfilter 323 und 324 sowie einen Subtrahierer 325 auf. Sowohl das Tor 321 als auch das Tor 322 haben Eingangsanschlüsse, die mit dem Detektor 313 verbunden sind, um von dem Detektor 313 ausgegebene Signale aufzunehmen. Das Tor 321 wird durch das Frühtorsignal 319 des Generators 317 aktiviert, um während des Frühtorzeitintervalls Detektorsignale an das Filter 323 weiterzuleiten. Das Tor 322 wird durch das Spättorsignal 320 des Generators 318 aktiviert, um während des Spättorzeitintervalls Signale an das Filter 324 weiterzuleiten. Die Filter 323 und 324 bilden den Durchschnitt der repetierend über die Tore 321 und 322 angelegten Signale. Die von den Filtern 323 und 324 ausgegebenen Durchschnittswerte werden durch den Subtrahierer 325 voneinander subtrahiert, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das jeden Fehler der zeitlichen Lage der Torsignale 319 und 320 gegenüber einem Eingangssignalimpuls anzuzeigen. Das Fehlersignal wird an den Taktgeber 315 angelegt, um das Eintreten eines Taktgeberimpulses zu beschleunigen oder zu verzögern, wie es von dem Fehlersignal angewiesen worden ist und dabei den Überlappungsbereich der Torsignale 319 und 320 mit dem Eingangssignalimpuls auszurichten. Stilisierte Darstellung der von dem Frühtor 321 und dem Spättor 322 ausgegebenen Signale sind bei 326 und 327 dargestellt.The units 311 also have two gates 321 and 322, two low-pass filters 323 and 324 and a subtractor 325. Both the gate 321 and the gate 322 have Input terminals connected to detector 313 to receive signals output from detector 313. Gate 321 is activated by early gate signal 319 from generator 317 to pass detector signals to filter 323 during the early gate time interval. Gate 322 is activated by late gate signal 320 from generator 318 to pass signals to filter 324 during the late gate time interval. Filters 323 and 324 average the signals repeatedly applied across gates 321 and 322. The average values output by filters 323 and 324 are subtracted from one another by subtractor 325 to produce an error signal indicative of any error in the timing of gate signals 319 and 320 relative to an input signal pulse. The error signal is applied to the clock 315 to accelerate or retard the occurrence of a clock pulse as directed by the error signal, thereby aligning the overlap region of the gate signals 319 and 320 with the input signal pulse. Stylized representations of the signals output by the early gate 321 and the late gate 322 are shown at 326 and 327.

Die Einheit 311 weist außerdem zwei Tore 328 und 329, eine Verzögerungseinheit 330 sowie einen Addierer 331 auf. Der Addierer erbringt eine Und-Funktion über das Frühtorsignal 319 und das Spättorsignal 320, um auf Leitung 332 ein Signal auszugeben, das eine logische Eins ist, während sich die beiden Signale 319 und 320 überlappen und das ansonsten logisch Null ist, wobei der Überlappungsbereich der Signale 319 und 320 graphisch bei 333 dargestellt ist. Das von dem Addierer 331 ausgegebene Einssignal ist bei 334 angedeutet.The unit 311 also has two gates 328 and 329, a delay unit 330 and an adder 331. The adder performs an AND function over the early gate signal 319 and the late gate signal 320 to output a signal on line 332 that is a logical one while the two signals 319 and 320 overlap and that is otherwise a logical zero, the overlap area of the signals 319 and 320 being graphically shown at 333. The one signal output by the adder 331 is indicated at 334.

Das Signal 334 zeigt die erwartete Zeit des nächsten auf der Leitung 23 anliegenden Eingangssignalimpulses an und wird an einem Anschluß des Tors 329 gelegt, um das Tor 329 zu aktivieren und dabei ein Signal von der Leitung 23 an den Mischer 204 weiterzuleiten. Dies ist als der in dem Zeitfensterteil der Übertragung von von dem Antennenelement 301 aufgenommenen Signalen bezeichnet. Das Signal 334 ist außerdem über die Verzögerungseinrichtung 330 in einen Anschluß des Tors 328 gekoppelt, um das Tor zum Einkoppeln von Signalen von der Leitung 23 in den Mischer 104 zu aktivieren. Die von der Verzögerungseinheit 330 erteilte Verzögerung ist ausreichend, um das Aktivierungsintervall des Tors 328 bis zu einem Zeitpunkt zu versetzen, der nach dem Ende des in dem Zeitfensterbereiches des Tors 329 liegt. Entsprechend ist der Zeitraum der Aktivierung des Tores 328 als aus dem Zeitfensterabschnitt des von dem Antennenelement 301 empfangenen Signales bezeichnet.The signal 334 indicates the expected time of the next input signal pulse on the line 23 and is applied to a terminal of the gate 329 to activate the gate 329 and thereby provide a signal from the line 23 to to the mixer 204. This is referred to as the in time window portion of the transmission of signals received by the antenna element 301. The signal 334 is also coupled through the delay device 330 into a terminal of the gate 328 to activate the gate for coupling signals from the line 23 into the mixer 104. The delay imparted by the delay unit 330 is sufficient to offset the activation interval of the gate 328 to a time which is after the end of the in the time window portion of the gate 329. Accordingly, the period of activation of the gate 328 is referred to as the out of the time window portion of the signal received by the antenna element 301.

Im Betrieb sorgt die Zeitfensterverarbeitungsschaltung der Einheit 311 für ein Verfolgen der sich im wesentlichen periodisch ereignenden Impulse des Eingangssignales, die von dem Matched-Filter auf Leitung 23 ausgegeben sind. Das Verfolgen der Eingangssignalimpulse wird vergewendet, um das In-dem-Zeitfenster-Tor 329 und das Aus-dem-Zeitfenster-Tor 328 zu betreiben, um dadurch Proben der Signalenergie während des Empfangs des Nutzsignals und während der Zeitpannen zu erbringen, in denen möglicherweise ein Interferenzsignal empfangen wird. Das Aus-dem-Zeitfenster- Intervall erbringt Stördaten, die von der Schleife 1WB (Fig. 2) zum Ausrichten einer Empfangsnullstelle in die Richtung eines interferierenden Signals verwendet wird. Das Zeitfensterintervall liefert die Leistung des Nutzsignales, die von der Schleife 2WB (Fig. 2) zur Maximierung des Antennengewinns 300 in der Richtung einer Nutzsignalquelle verwendet wird. Es sei außerdem angemerkt, daß bei Betrieb des Prozessors 305 der Integrationsvorgang der Korrelatoren 102 und 202 die von den Zeitfenstertoren 328 und 329 ausgegebenen gepulsten Signale zu kontinuierlichen Signalen umgewandelt werden, die an den Addierer 28 angelegt sind, um einen kontinuierlich vorhandenen an den Mischer 29 angelegten Wichtungsfaktor zu bilden. Dabei bilden die Zeitfensterverarbeitungsschaltungen in Verbindung mit den Korrelatoren die adaptiven Regelschleifen mit der Eigenschaft einer Sample-and-Hold-Filterschaltung, wobei die zeitliche Filterung durch den Früh- und Spättorverfolgungsbetrieb erreicht wird.In operation, the time window processing circuit of unit 311 provides for tracking the substantially periodically occurring pulses of the input signal output from the matched filter on line 23. Tracking of the input signal pulses is used to operate the in-time window gate 329 and the out-of-time window gate 328 to thereby provide samples of the signal energy during reception of the wanted signal and during periods when an interfering signal may be received. The out-of-time window interval provides interference data which is used by loop 1WB (Fig. 2) to align a receive null in the direction of an interfering signal. The time window interval provides the power of the wanted signal which is used by loop 2WB (Fig. 2) to maximize antenna gain 300 in the direction of a wanted signal source. It should also be noted that during operation of the processor 305, the integration process of the correlators 102 and 202 converts the pulsed signals output from the time slot gates 328 and 329 into continuous signals applied to the adder 28 to form a continuously present weighting factor applied to the mixer 29. In this case, the time slot processing circuits in conjunction with The correlators have adaptive control loops with the characteristics of a sample-and-hold filter circuit, whereby the temporal filtering is achieved by the early and late gate tracking operation.

In den Fig. 4 und 5 ist der Nutzen einer gleichzeitigen Nullstellensteuerung und Strahlformung für eine fünfelementige Antennengruppe mit zufalligen Beabstandungen und einer Ausdehnung von 1 · 6 der Wellenlänge in der Azimutebene und zwei Wellenlängen in der Elevation in einem Scenario dargestellt, das drei gleich starke Störer (J2, J3, J3) umfaßt, die 10 dB oberhalb des Nutzsignals an jeder Antenne liegen:Figures 4 and 5 show the benefit of simultaneous zero control and beamforming for a five-element antenna array with random spacing and an extension of 1 x 6 of the wavelength in the azimuth plane and two wavelengths in the elevation in a scenario that includes three equally strong interferers (J2, J3, J3) that are 10 dB above the wanted signal at each antenna:

Elevation AzimutElevation Azimut

Störer 1 (J1) 0º 0,4ºDisturber 1 (J1) 0º 0.4º

Störer 2 (J2) 0º 22,3ºDisturber 2 (J2) 0º 22.3º

Störer 3 (J3) 0º 93,8ºDisturber 3 (J3) 0º 93.8º

Nutzsignal (5) 0º 62,2ºUseful signal (5) 0º 62.2º

Fig. 4 ist ein angepaßtes Antennenstrahlungsdiagramm, das mit lediglich einer Nullstellensteuerung des vollen Frequenzbandes mit einer Schleifenvoreinstellung erreicht worden ist, die bei einem einzelnen Element einen bei ruhenden Richtungsfaktor ergibt. In dem angepaßten Zustand sind alle Störsender mit ungefähr 30 dB zu Null gemacht und das bzw. die gewünschten Signale liegen abseits einer Empfangsnullstelle, was zu einer Nettoverbesserung des S/J-Verhaltnisses (Signal zur Störung) von ungefähr 22 dB führt. Fig. 5 ist ein angepaßtes Strahlungsdiagramm desselben Scenarios, wenn der adaptive Prozessor erfindungsgemäß konfiguriert ist und sowohl Nullstellensteuerung als auch Strahlformung anwendet. In diesem angepaßtem Zustand ist die Nullempfangsstelle in der Nachbarschaft des bzw. der Nutzsignale ausgefüllt, was zu einer zusätzlichen 6 dB Verbesserung im S/J-Verhältnis führt.Fig. 4 is a matched antenna radiation pattern achieved with only full frequency band null control with a loop preset that gives a single element at rest directionality. In the matched state, all jammers are nulled by approximately 30 dB and the desired signal(s) are located away from a receive null, resulting in a net improvement in the S/J ratio (signal to interference) of approximately 22 dB. Fig. 5 is a matched radiation pattern of the same scenario when the adaptive processor is configured in accordance with the invention and employs both null control and beamforming. In this matched state, the receive null in the vicinity of the wanted signal(s) is filled, resulting in an additional 6 dB improvement in the S/J ratio.

Claims

1. A device for suppressing unwanted signals received together with a desired broadband signal, the device comprising:

first means (301, 10) for providing the desired signal as well as any undesired signals received with the desired signal;

zeroing control means (100) comprising first temporal processing means connected to the first means for temporally separating the desired from any undesired signals and for at least partially cancelling the undesired signals;

beamforming means (200) comprising second temporal processing means (201, 203) connected to the first means for temporally separating the desired signals from any undesired signals and for enhancing at least a portion of the desired signal; and

second means (15) for coordinating the zero control means (100) and the beamforming means (200);

wherein the first temporal processing means (101, 103) comprises a first adaptive control loop (1WB) connected to the first means, the first loop having a negative correction output signal for minimizing the unwanted signal;

wherein the second temporal processing means (201, 203) comprises a second adaptive control loop (2WB) connected to the first means, the second loop having a positive correction output signal for maximizing the desired signal; and

the second means (15) comprising means (28) for summing the negative correction output signal and the positive correction output signal and a mixer (29) for mixing the desired and any undesired signals with the sum to provide a mixed output signal;

wherein the first adaptive control loop (1WB) further comprises a first out-of-time-window sample-and-hold filter circuit (101) coupled to the first means and providing an unmixed out-of-time-window signal, a second out-of-time-window sample-and-hold filter circuit (103) coupled to the mixed signal output and providing a mixed out-of-time-window signal, and a correlator (102) for correlating the unmixed out-of-time-window signal with the mixed out-of-time-window signal to provide the negative correction output signal;

characterized in that:

each of the sample-and-hold filter circuits (101, 103) operating outside a time window has means for following the desired signal, the means for following (317, 318, 321, 322, 325) having an early gate and a late gate which overlap by a time period containing the desired signal, an out-of-time period gate (328) and an in-time period gate (329) being provided which are controlled by the means for following to take samples from the desired signal and any undesired signals.

2. Device according to claim 1, characterized in that the second adaptive control loop (2WB) has a first sample-and-hold function effective within a time window A filter circuit (201) connected to the first means and providing an unmixed in-time window signal, a second sample-and-hold filter circuit (203) operating within a time window, connected to the output for the mixed output signal and providing a mixed in-time window signal, and a correlator (202) for correlating the unmixed in-time window signal with the mixed in-time window signal to provide the positive correction output signal; and in that each of said in-time slot filter circuits (201, 203) comprises means (317, 318, 321, 322, 325) for following a desired signal, said following means including an early gate and a late gate overlapping by a time slot containing the desired signal, an out-of-time slot gate (328) and an in-time slot gate (329) being provided controlled by said following means for sampling the desired signal and any undesired signals.