DE69016409T2

DE69016409T2 - Processor for an adaptive antenna system.

Info

Publication number: DE69016409T2
Application number: DE1990616409
Authority: DE
Inventors: Christopher Robert Ward
Original assignee: Northern Telecom Ltd
Current assignee: Nortel Networks Ltd
Priority date: 1990-05-21
Filing date: 1990-05-21
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2010-05-22
Also published as: DE69016409D1

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf einen Offline-Prozessor für eine adaptive Breitband-Antennengruppe mit beschleunigter Konvergenz.This invention relates to an offline processor for an adaptive broadband antenna array with accelerated convergence.

Das Ziel einer adaptiven Antenne besteht in der Kombination der von den Elementen in einer Gruppe empfangenen Signale zur Erzeugung eines Fernfelddiagramms, das in gewisser Hinsicht den Empfang eines Nutzsignals bei Vorliegen von Störungen und Rauschen optimiert. Die erheblichen Verbesserungen hinsichtlich des Störunterdrückungsverhaltens, die durch diese Art der Gruppensignalverarbeitung geboten werden, haben dazu geführt, daß diese Verarbeitung nunmehr zu einer wesentlichen Forderung für viele militärische Radar-, Kommunikations- und Navigationssysteme wird.The goal of an adaptive antenna is to combine the signals received by the elements in an array to produce a far-field pattern that, in some respects, optimizes the reception of a desired signal in the presence of interference and noise. The significant improvements in interference rejection performance offered by this type of array signal processing have made this processing a key requirement for many military radar, communications and navigation systems.

Eine bekannte Art einer Kombinationsschaltung für eine adaptive Breitband-Antennengruppe ist in Fig. 1 gezeigt. Signale von den Antennengruppen-Elementen werden auf einzelnen Kanälen empfangen, die als 'Primärkanal' und 'Hilfskanäle' bezeichnet sind. Der Primärkanal wird über eine Zeitverzögerung TD einem Strahlformungsnetzwerk BFN zugeführt. Die Hilfskanäle 1 bis N-1 werden jeweiligen angezapften Verzögerungsleitungen T zugeführt, deren Ausgänge über jeweilige Bewertungsnetzwerke dem Strahl formungsnetzwerk zugeführt werden. Die Zeitverzögerung TD in dem Primärkanal kompensiert die zugehörige Signalverzögerung durch die Hilfs-Bewertungselemente der angezapften Verzögerungsleitung.A known type of combination circuit for an adaptive broadband antenna array is shown in Fig. 1. Signals from the antenna array elements are received on individual channels, referred to as 'primary channel' and 'auxiliary channels'. The primary channel is fed to a beamforming network BFN via a time delay TD. The auxiliary channels 1 to N-1 are fed to respective tapped delay lines T, the outputs of which are fed to the beamforming network via respective weighting networks. The time delay TD in the primary channel compensates for the associated signal delay through the auxiliary weighting elements of the tapped delay line.

Die Wertigkeiten W1,1 W1,2 W1,3...Wn-1,2...Wn-1,m-1 Wn-1,m werden auf die Bewertungsnetzwerke angewandt. Die bewerteten Ausgänge der angezapften Verzögerungsleitungen werden in dem Strahlformungsnetzwerk BFN zusammen mit dem Primärkanal- Signal kombiniert, um die Ausgangsantwort der Gruppe zu bilden. Normalerweise werden zur Verringerung oder Beseitigung der Wirkung eines Störsignals die Wertigkeiten (durch einen in Fig. 1 nicht gezeigten Signalprozessor) so berechnet, daß ein Strahldiagramm mit breitbandigen räumlichen Nullwerten in den Richtungen der Störsignalquellen gebildet wird. Um eine Nullstellenbildung der Gruppe in Richtung auf die Nutzsignalquelle zu vermeiden, kann vorgesehen werden, daß sich die Gruppe zur Nullstellenbildung für das oder die Störsigal(e) während Intervallen anpaßt, zu denen das Nutzsignal nicht vorhanden ist. Die Wertigkeiten werden dann 'eingefroren', während das Nutzsignal vorliegt, und sie werden dann während irgendwelcher Pausen in dem Nutzsignal erneut bereechnet. Es können andere Schemata entwickelt werden, die eine Aufhebung des Nutzsignals verhindern.The weights W1,1 W1,2 W1,3...Wn-1,2...Wn-1,m-1 Wn-1,m are applied to the evaluation networks. The weighted outputs of the tapped delay lines are in the beamforming network BFN together with the primary channel signal to form the output response of the array. Normally, to reduce or eliminate the effect of an interfering signal, the weights are calculated (by a signal processor not shown in Fig. 1) to form a beam pattern with wideband spatial nulls in the directions of the interfering signal sources. To avoid nulling of the array towards the wanted signal source, the array may be arranged to adjust to null the interfering signal(s) during intervals when the wanted signal is not present. The weights are then 'frozen' while the wanted signal is present and are then recalculated during any pauses in the wanted signal. Other schemes may be devised which prevent cancellation of the wanted signal.

Bekannte Formen der Signalverarbeitung zur Berechnung der erforderlichen Wertigkeiten schließen den Widrow'schen Algorithmus der mittleren Fehlerquadrate (LMS) oder den Fehlerquadrat- Algorithmus ein, um die Ausgangsleistung des Strahlformers zu einem Minimum zu machen. Siehe beispielsweise B. Widrow et al "Comparison of Adaptive Algorithms Based on the Methods of Steepest Descent and Random Search'. IEEE Trans., 1976, AP-24, Seiten 615-637, und die auf Zeitteilungsbasis betriebene Anordnung, wie sie in dem britischen Patent GB 2 188 782 B beschrieben ist.Known forms of signal processing to calculate the required weights include Widrow's mean square (LMS) or least square algorithm to minimize the output power of the beamformer. See, for example, B. Widrow et al. "Comparison of Adaptive Algorithms Based on the Methods of Steepest Descent and Random Search". IEEE Trans., 1976, AP-24, pages 615-637, and the time division based arrangement described in British Patent GB 2 188 782 B.

Die Veröffentlichung 'Dixieme Colloque sur le Traitement du Signal et ses Applications, Nizza 20-24.05.1985, Seiten 391- 396, G. Favier et al 'Etude Comparative de Filtres Adaptifs en Treillis (Application au Traitement d'Antenne)' beschreibt eine kaskadierte Brückenfilteranordnung, die im wesentlichen als ein Verfahren zur Schaffung eines verbesserten Konvergenzgeschwindigkeits-Verhaltens verglichen mit den üblichen Anordnungen mit den mittleren Fehlerquadraten (LMS) verwendet wird.The publication 'Dixieme Colloque sur le Traitement du Signal et ses Applications, Nice 20-24.05.1985, pages 391- 396, G. Favier et al 'Etude Comparative de Filtres Adaptifs en Treillis (Application au Traitement d'Antenne)' describes a cascaded bridge filter arrangement which is essentially used as a method of providing an improved convergence speed performance compared to the conventional mean square error (LMS) arrangements.

Die Veröffentlichung 'A Novel Algorithm and Architecture for Adaptive Digital Beamforming', C.R. Ward et al, IEE Transactions on Antennas and Propagation, Band AP-34, Nr. 3, März 1986, Seiten 338-346, New York, USA beschreibt eine Anordnung, die eine spezielle Anwendung bei der adaptiven digitalen Hochleistungs-Strahlformung aufweist. Es wird gezeigt, wie eine einfache, linearen Zwangsbedingungen unterworfene adaptive Kombinationseinrichtung die Grundlage für einen weiten Bereich von adaptiven Antennen-Teilsystemen bildet. Die Funktion einer derartigen adaptiven Kombinationseinrichtung ist formelmäßig als eine rekursive Fehlerquadrat-Minimierungsoperation dargestellt und der entsprechende Wertigkeitsvektor wird mit Hilfe des Q-R-Wertigkeits-Zerlegungsalgorithmus unter Verwendung von Givens-Drehungen gewonnen. Eine wirkungsvolle pipelineartig ausgebildete Architektur zur gerätemäßigen Ausführung dieses Algorithmus ist ebenfalls beschrieben. Sie weist die Form einer dreieckförmigen systolischen-/Wellenfront-Gruppe auf, die für einen Systementwurf mit sehr hohem Integrationsgrad (VSLI) geeignet ist. Diese Anordnung bezieht sich jedoch auf ein spezielles schmalbandiges adaptives Antennenverarbeitungsproblem, das für die vorliegende Erfindung ohne Bedeutung ist.The paper 'A Novel Algorithm and Architecture for Adaptive Digital Beamforming', C.R. Ward et al, IEE Transactions on Antennas and Propagation, Volume AP-34, No. 3, March 1986, pages 338-346, New York, USA describes an arrangement which has a special application in high-performance adaptive digital beamforming. It is shown how a simple, linearly constrained adaptive combiner forms the basis for a wide range of adaptive antenna subsystems. The function of such an adaptive combiner is represented formulaically as a recursive least squares minimization operation and the corresponding weight vector is obtained using the Q-R weight decomposition algorithm using Givens rotations. An efficient pipelined architecture for implementing this algorithm is also described. It has the form of a triangular systolic/wavefront array suitable for very high level of integration (VSLI) system design. However, this arrangement relates to a specific narrowband adaptive antenna processing problem which is not relevant to the present invention.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Offline-Prozessoranordnung für eine adaptive Breitband-Antennenbaugruppe mit beschleunigter Konvergenz geschaffen, bei der Signale von einer Vielzahl von Hilfs-Antennenelementen jeweiligen identischen angezapften Verzögerungsleitungen (T) zugeführt werden, deren Ausgänge über jeweilige einzelne Signalbewertungseinrichtungen (W1,1 - Wn-1,m) einem Strahlformungsnetzwerk BFN zugeführt und dann mit dem Signal von einem primären Antennenelement kombiniert werden, das über eine Verzögerungsleitung (TD) verzögert wird, so daß die Hilfssignale von den angezapften Verzögerungsleitungen zusammen mit der Ausgangsantwort des Strahl formungsnetzwerkes zugeführt werden, um Sätze von Bewertungs- Korrekturvektoren zu berechnen, wobei die Prozessoranordnung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Anordnung ein oder mehrere Fehlerquadrat-Brückenfiltereinrichtungen (LF) zusammen mit einer zugehörigen Bewertungs-Impulsantwort-Berechnungseinrichtung (PC), mit der die Bewertungskoeffizienten auf einen neuen Wert gebracht werden, und Einrichtungen zur Speicherung (WS) der in ihrem Wert erneuerten Koeffizienten einschließt, wobei die gespeicherten Koeffizienten den einzelnen Signalbewertungseinrichtungen zugeführt werden, um die Ausgänge der angezapften Verzögerungsleitungen zu bewerten.According to the present invention there is provided an off-line processor arrangement for an accelerated convergence adaptive broadband antenna assembly in which signals from a plurality of auxiliary antenna elements are applied to respective identical tapped delay lines (T), the outputs of which are applied via respective individual signal weighting means (W1,1 - Wn-1,m) to a beam forming network BFN and then combined with the signal from a primary antenna element which is delayed via a delay line (TD) so that the auxiliary signals from the tapped delay lines are applied together with the output response of the beam forming network to calculate sets of weighting correction vectors, the processor arrangement being characterized in that the arrangement comprises one or more least squares bridge filter means (LF) together with an associated weighting impulse response calculation means (PC) for bringing the evaluation coefficients to a new value, and means for storing (WS) the coefficients renewed in value, the stored coefficients being fed to the individual signal evaluation devices in order to evaluate the outputs of the tapped delay lines.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind getrennte identische Brückenfiltereinrichtungen für jedes der Antennenelement- Signale vorgesehen, um Bewertungsfaktoren zur Werterneuerung der Bewertungskoeffizienten für die Ausgänge der jeweiligen angezapften Verzögerungsleitung zu berechnen.In one embodiment of the invention, separate identical bridge filter means are provided for each of the antenna element signals to calculate weighting factors for revaluing the weighting coefficients for the outputs of the respective tapped delay lines.

Bei einer abgeänderten Ausführungsform der Erfindung sind eine einzige Brückenfiltereinrichtung und Einrichtungen zur Zeitmultiplexierung der Antennenelement-Signale zu den Filtereinrichtungen vorgesehen, so daß die Filtereinrichtung in einer Zeitteilungs-Betriebsart betrieben wird.In a modified embodiment of the invention, a single bridge filter device and means for time multiplexing the antenna element signals to the filter devices are provided so that the filter device is operated in a time division mode.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nunmehr unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:Embodiments of the invention will now be described with reference to the accompanying drawings, in which:

Figur 1 eine bekannte Strahlformungsanordnung für eine adaptive Breitbandgruppe zeigt (auf die bereits Bezug genommen wurde),Figure 1 shows a known beamforming arrangement for an adaptive broadband array (already referred to),

Figur 2 einen partitionierten Off-line Prozessor für eine adaptive Breitband-Antennengruppe mit beschleunigter Konvergenz zeigt,Figure 2 shows a partitioned off-line processor for an adaptive broadband antenna array with accelerated convergence,

Figur 3 einen Zeitmultiplex-Offline-Prozessor für eine adaptive Breitband-Antennengruppe mit beschleunigter Konvergenz zeigt, undFigure 3 shows a time-division multiplexed offline processor for an adaptive broadband antenna array with accelerated convergence, and

Figur 4 und 5 eine gerätemäßige Ausführung und Betriebsweise eines einfachen Zweikanalsystems unter Verwendung eines Brückenfilters zeigen.Figures 4 and 5 show a device design and operation of a simple two-channel system using a bridge filter.

Bei der in Figur 2 gezeigten Anordnung werden die auf die Ausgänge der angezapften Verzögerungsleitungen anzuwendenden Wertigkeiten oder Bewertungen durch Wertungskorrekturvektoren auf einen neuen Wert gebracht, die von m-stufigen Brückenfiltern LF&sub1; ... LFn-1 abgeleitet werden. Jedes Brückenfilter ist aus einer Anzahl von identischen Stufen oder Abschnitten LS (Figur 4) aufgebaut, die in Kaskade geschaltet sind. Das Signal von dem entsprechenden Antennenelement, beispielsweise der Hilfskanal, wird den beiden Eingängen X, Y der grundlegenden Brückenstruktur zugeführt. Ein typischer Brückenabschnitt LS ist in Figur 5 gezeigt. Der Eingang X wird über eine Zeitverzögerung T zugeführt, worauf die X- und Y-Signale der entsprechenden Kreuzmultiplikationsstruktur zugeführt werden. Nach der Verarbeitung liefert jeder Abschnitt zwei Ausgänge X¹ und Y¹. Für die adaptive Antennenanwendung werden die X¹-Ausgänge jedes Brückenfilterabschnittes einem Skalierungsfaktor unterworfen und dann mit der Ausgangsantwort von dem Strahlformer BFN kombiniert. Die Betriebsweise der Brückenfilter und der Brückenfilterabschnitte, die hier genannt wurden, ist gut bekannt. Geeignete Algorithmen für Fehlerquadrat-Brückenfilter sind bereits in 'Adaptive Filters' von C.F.N. Conan und P.M. Grant (Prentice Hall Signal Processing Series, 1985) und 'Adaptive Filter Theory' von S. Haykim (Prentice Hall Information and System Sciences Series, 1986) erläutert.In the arrangement shown in Figure 2, the weights to be applied to the outputs of the tapped delay lines are revalued by weight correction vectors derived from m-stage bridge filters LF₁...LFn-1. Each bridge filter is constructed from a number of identical stages or sections LS (Figure 4) connected in cascade. The signal from the corresponding antenna element, for example the auxiliary channel, is fed to the two inputs X, Y of the basic bridge structure. A typical bridge section LS is shown in Figure 5. The input X is fed through a time delay T, whereupon the X and Y signals are fed to the corresponding cross-multiplication structure. After processing, each section provides two outputs X¹ and Y¹. For the adaptive antenna application, the X¹ outputs of each bridge filter section are subjected to a scaling factor and then combined with the output response from the beamformer BFN. The operation of the bridge filters and the bridge filter sections mentioned here is well known. Suitable algorithms for least squares bridge filters have already been explained in 'Adaptive Filters' by C.F.N. Conan and P.M. Grant (Prentice Hall Signal Processing Series, 1985) and 'Adaptive Filter Theory' by S. Haykim (Prentice Hall Information and System Sciences Series, 1986).

Bei erneuter Betrachtung der Figur 2 ist zu erkennen, daß die Betriebsweise der m-stufigen Brückenfilter durch eine Prozess- Steuereinrichtung PC gesteuert wird, die beispielsweise Bewertungs-Verschiebungs-Steuersignale erzeugt, um ein Verschieben der Bewertungskorrekturvektoren aus den Filtern zu den richtigen Zeitintervallen hervorzurufen. Die Werte- oder Bewertungs-Verschiebungssteuerung errechnet die Impulsantwort des Brückenfilters. Die herausverschobenen Impulskoeffizienten von den Filtern (die in Vektorschreibweise durch (P) für das i-te Brückenfilter bei der p-ten Rekursion dargestellt sind) werden zur Erneuerung der Werte in den jeweiligen Speichern WS&sub1; ... WSn-1 verwendet, in denen die auf die Ausgänge der angezapften Verzögerungsleitung anzuwendenden Wertigkeiten enthalten sind.Looking again at Figure 2, it can be seen that the operation of the m-stage bridge filters is controlled by a process controller PC which generates, for example, weight shift control signals to cause the weight correction vectors from the filters to be shifted at the correct time intervals. The value or weight shift control calculates the impulse response of the bridge filter. The shifted out impulse coefficients from the filters (represented in vector notation by (P) for the i-th bridge filter in the p-th recursion) are used to renew the values in the respective memories WS₁...WSn-1 in which the Values are included.

Bei der Anordnung nach Figur 3 wird anstelle der Verwendung einer Anzahl von Brückenfiltern, eines für jede angezapfte Verzögerungsleitung, ein einziges Brückenfilter LF in einer Zeitteilungs-Betriebsart verwendet. Die Hilfskanal-Signale von den Antennenelementen werden einem Zeitteilungs-Multiplexer MUX zugeführt, von dem aus die multiplexierten Signalen dem Filter LF zugeführt werden. Die Bewertungskorrekturfiguren werden der Bewertungs-Werterneuerungs-und Speicherschaltung WS für alle die angezapften Verzögerungsleitungen zugeführt.In the arrangement of Figure 3, instead of using a number of bridge filters, one for each tapped delay line, a single bridge filter LF is used in a time division mode of operation. The auxiliary channel signals from the antenna elements are fed to a time division multiplexer MUX, from which the multiplexed signals are fed to the filter LF. The weight correction figures are fed to the weight value updating and storage circuit WS for all the tapped delay lines.

Die Verwendung von Offline-Brückenfiltern zur Erzeugung von Wertigkeits-Korrekturvektoren bietet verschiedene Pegel einer verringerten Schaltungskompliziertheit, während eine beträchtliche Verbesserung der Konvergenz verglichen mit konventionelleren adaptiven Wertigkeitssteuertechniken, beispielsweise der Widrow-LMS-Technik beibehalten wird.The use of offline bridge filters to generate weight correction vectors offers various levels of reduced circuit complexity while maintaining a significant improvement in convergence compared to more conventional adaptive weight control techniques, such as the Widrow-LMS technique.

Claims

1. Off-line processor arrangement for an adaptive broadband antenna array with accelerated convergence, in which signals from a plurality of auxiliary antenna elements are applied to respective identical tapped delay lines (T), the outputs of which are applied via respective individual signal weighting means (W1,1 to Wn-1m) to a beamforming network (BFN) and then combined with the signal from a primary antenna element delayed via a delay line (TD), whereby the auxiliary signals from the tapped delay lines are applied together with the output response of the beamforming network to calculate sets of weighting correction vectors, characterized in that the arrangement comprises one or more least squares bridge filter means (LF) together with an associated weighting impulse response calculation means (PC) with which the weighting coefficients are adjusted to a new value and includes means for storing (WS) the coefficients whose value has been updated, the stored coefficients being fed to the individual signal evaluation means in order to evaluate the outputs of the tapped delay lines.

2. Arrangement according to claim 1, in which separate identical bridge filter devices (LF₁ to LFn-1) are provided for each of the auxiliary antenna element signals in order to calculate weighting vectors for revaluing the weighting coefficients for the outputs of the respective tapped delay line.

3. Arrangement according to claim 1, in which a single bridge filter device (LF) and means for time multiplexing (MUX) the antenna element signals to the filter devices are provided, whereby the filter device is operated in a time division mode.