ES2288452B1 - SYSTEM AND METHOD OF RECEIVING A SATELLITE SIGNAL THROUGH A MODULAR SYSTOLIC ANTENNA ARRAY. - Google Patents
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Abstract
Sistema y método de recepción de una señal de satélite mediante un array de antenas sistólico modular, mediante el que se obtiene una señal de salida del array de antenas y (t), estando el array formado por N antenas Ai idénticas, incidiendo en cada antena Ai una señal de entrada xi(t) y donde dicho método comprende el uso de una pluralidad de correladores (1) de la señal de entrada.System and method of receiving a satellite signal by means of an array of modular systolic antennas, by means of which an output signal is obtained from the array of antennas and (t), the array being formed by N identical Ai antennas, affecting each antenna Ai an input signal xi (t) and wherein said method comprises the use of a plurality of correlators (1) of the input signal.
Description
Sistema y método de recepción de una señal de satélite mediante un array de antenas sistólico modular.System and method of receiving a signal from satellite through an array of modular systolic antennas.
La presente invención se engloba dentro del campo de las telecomunicaciones por satélite, y más en concreto, a los sistemas de recepción por satélite. La presente invención propone la utilización de un array de antenas optimizado como sistema de recepción.The present invention is encompassed within the field of satellite telecommunications, and more specifically, to Satellite reception systems. The present invention proposes the use of an optimized array of antennas as receiving system
Por regla general, los sistemas de recepción por satélite utilizan una única antena orientable que sirve de sensor para la demodulación y decodificación de las señales recibidas. Al disponer de una sola antena, la sensibilidad del sistema depende casi por completo del tamaño de la antena utilizada, y que para determinadas aplicaciones pueden llegar a ser extremadamente grande con el consiguiente mantenimiento y coste que conlleva.As a general rule, reception systems by satellite use a single adjustable antenna that serves as a sensor for the demodulation and decoding of the received signals. To the have only one antenna, the sensitivity of the system depends almost completely the size of the antenna used, and that for certain applications can become extremely large with the consequent maintenance and cost involved.
Con objeto de disminuir los costes de utilización de una sola antena, se propone la utilización de un array de antenas con una apertura más pequeña y combinar las señales a su salida para crear una señal equivalente a la recibida por una antena de gran apertura.In order to reduce the costs of use of a single antenna, the use of a array of antennas with a smaller aperture and combine the signals at your exit to create a signal equivalent to the one received by a large aperture antenna.
Debido a que la apertura de las antenas del array es más pequeña, la calidad de las señales a su salida (medida en términos de SNR - Signal to Noise Ratio, Relación Señal/Ruido-) se reduce considerablemente, llegando a valores de -10 dB y haciendo que su combinación sea un proceso extremadamente complicado.Because the aperture of the array antennas is smaller, the quality of the signals at its output (measured in terms of SNR - Signal to Noise Ratio ) is considerably reduced, reaching values of -10 dB and making its combination an extremely complicated process.
Para combinar las señales se utilizan técnicas de correlación que calculan y corrigen los desfases de las señales a la salida de los sensores ponderándolas por unos pesos antes de realizar la combinación. El cálculo de los pesos de ponderación a partir del cálculo de los autovalores de la matriz de autocovarianza de las señales de entrada obtiene buenas prestaciones para muy bajas relaciones de SNR.Techniques are used to combine the signals correlation that calculate and correct signal mismatches at the exit of the sensors weighing them by a few pesos before perform the combination The calculation of weighting weights at from the calculation of the eigenvalues of the self-covariance matrix of the input signals you get good performance for very low SNR ratios
Son conocidas la utilización de array de antenas según una arquitectura monolítica, en la que el array de antenas se procesa como un todo. La utilización de una arquitectura monolítica implica una serie de problemas que se expondrán más adelante en detalle. Sin embargo en la presente invención se propone una arquitectura o topología sistólica para la combinación de arrays con un número alto de antenas, en la no se trata al array de antenas como un todo, sino que el array de antenas se subdivide en unidades básicas de correlación que se interconectan entre sí concentrando todas las entradas en una única salida, resolviendo los problemas de implementación que plantea la arquitectura monolítica.The use of antenna array is known according to a monolithic architecture, in which the array of antennas is Process as a whole. The use of a monolithic architecture it implies a series of problems that will be discussed later in detail. However, in the present invention a systolic architecture or topology for the array of arrays with a high number of antennas, the array of antennas as a whole, but the array of antennas is subdivided into basic correlation units that interconnect with each other concentrating all the inputs in a single output, solving the implementation problems posed by the architecture monolithic
Para paliar los problemas arriba mencionados se presenta el método de recepción de una señal por satélite mediante array de antenas, objeto de la presente invención. Mediante este método se obtiene una señal de salida del array de antenas y(t), estando el array formado por N antenas A_{i} idénticas, incidiendo en cada antena A_{i} una señal de entrada x_{i}(t). Dicho método comprende las siguientes etapas:To alleviate the problems mentioned above, presents the method of receiving a satellite signal by array of antennas, object of the present invention. Through this method you get an output signal from the antenna array and (t), the array being formed by N antennas A_ {i} identical, with each antenna A_ {i} having an input signal x_ {i} (t). Said method comprises the following steps:
- 1º.-1st.-
- Agrupar las N señales de entrada x_{i}(t) en subgrupos de señales de entrada de correlador c_{i}(t);Group the N input signals x_ {i} (t) in subgroups of correlator input signals c_ {i} (t);
- 2º.-2nd.-
- Obtener para cada uno de los subgrupos de señales de entrada de correlador c_{i}(t), utilizando un correlador diferente para cada subgrupo, una señal de salida de correlador z(t) efectuando la siguiente operación, z(t) = \sum\limits^{M}_{i=1} w^{*}_{i}c_{i}(t), siendo w_{i}^{*} el complejo conjugado de los pesos de ponderación w_{i} obtenidos previamente por cada correlador correspondiente para corregir los desfases de sus señales de entrada de correlador c_{i}(t), y siendo M el correspondiente número de entradas en cada correlador;Get for each of the subgroups of correlator input signals c_ {i} (t), using a different correlator for each subgroup, a signal of output of correlator z (t) by performing the following operation, z (t) = \ sum \ limits ^ {M} _ {i = 1} w * {i} c_ {i} (t), w_ {i} * being the conjugate complex of the weighting weights w_ {i} previously obtained for each corresponding correlator to correct the lags of their correlator input signals c_ {i} (t), and M being the corresponding number of entries in each correlator;
- 3º.-3rd.-
- Agrupar las anteriores señales de salida de correlador z(t) de los diferentes correladores en al menos un nuevo subgrupo de señales de entrada de correlador c_{i}(t);Group the previous signs of output of correlator z (t) of the different correlators in at least one new subgroup of correlator input signals c_ {i} (t);
- 4º.-4th.-
- Obtener para cada uno del al menos un nuevo subgrupo de señales de entrada de correlador c_{i}(t), utilizando un correlador diferente para cada nuevo subgrupo, una señal de salida de correlador z(t) efectuando la siguiente operación, z(t) = \sum\limits^{M}_{i=1} w^{*}_{i}c_{i}(t), siendo w_{i}^{*} el complejo conjugado de los pesos de ponderación w_{i} obtenidos previamente por cada correlador correspondiente para corregir los desfases de sus señales de entrada de correlador c_{i}(t), y siendo M el correspondiente número de entradas en cada correlador;Get for each of the at least one new subgroup of correlator input signals c_ {i} (t), using a different correlator for each new subgroup, a correlator output signal z (t) performing the following operation, z (t) = \ sum \ limits ^ {M} _ {i} w ^ {*} _ {i} c_ {i} (t), where w_ {i} ^ {*} the conjugate complex of the weighting weights w_ {i} obtained previously for each corresponding correlator to correct the Offsets of its correlator input signals c_ {i} (t), and M being the corresponding number of entries in each runner
- 5º.-5th.-
- En el caso de que en la etapa anterior haya más de una señal de salida de correlador z(t), repetir los pasos b-e; en caso de que en la etapa anterior haya una única señal de salida de correlador z(t), obtener la señal de salida y(t) mediante y(t) = z(t), siendo z(t) dicha única señal de salida de correlador.In the case that in the previous stage there is more than one output signal of correlator z (t), repeat steps b-e; in case in the previous stage there is only one output signal from correlator z (t), obtain the output signal and (t) by y (t) = z (t), where z (t) is said only correlator output signal.
El procedimiento de cálculo para cada unidad básica de correlación UBC de los pesos y obtención de la señal de salida y(t) es el siguiente:The calculation procedure for each unit Basic UBC correlation of weights and obtaining the signal of output and (t) is as follows:
1º.- Se muestrean de forma síncrona todas las señales de entrada o antenas (N), de i=1 a i=L, y se hace un registro de L muestras, de j=1 a j=L:1º.- All the samples are synchronously sampled input signals or antennas (N), from i = 1 to i = L, and a Record of L samples, from j = 1 to j = L:
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
2º.- Se obtienen los pesos óptimos del array, \vec{v}, mediante el cálculo de los autovalores de la matriz de autovarianza de X^{(k)}, donde el cálculo de los pesos se realiza mediante un algoritmo de extracción del autovector dominante como puede ser el power method o el matrix-free.2º.- The optimal weights of the array are obtained, \ vec {v}, by calculating the eigenvalues of the matrix of autovariance of X ^ (k)}, where the calculation of the weights is performed by means of an algorithm of extraction of the dominant autovector like it can be the power method or the matrix-free.
3º.- Se normalizan los pesos \vec{v} respecto del primer sensor, obteniendo el vector:3º.- Weights are normalized \ vec {v} with respect of the first sensor, obtaining the vector:
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
4º.- Se obtiene el peso final integrando respecto al anterior, con una constante de integración \Gamma = 0.9:4th.- The final weight is obtained by integrating compared to the previous one, with an integration constant \ Gamma = 0.9:
y se obtiene la salida combinada como Y^{(k)} = w^{H^{(k)}}X^{(k)}.and you get the combined output as Y (k) = w H (k) X (k).
El sistema de recepción de una señal por satélite mediante array de antenas que implementa el método anterior comprende, al menos:The reception system of a signal by satellite by array of antennas that implements the method above includes at least:
Una pluralidad de antenas A_{i};A plurality of A_ {i} antennas;
Una pluralidad de unidades básicas de correlación UBC;A plurality of basic units of UBC correlation;
Y donde dichas unidades básicas de correlación configuran una pluralidad de arrays interconectados y escalados entre sí.And where said basic correlation units configure a plurality of interconnected and scaled arrays each.
A continuación se pasa a describir de manera muy breve una serie de dibujos que ayudan a comprender mejor la invención y que se relacionan expresamente con una realización de dicha invención que se presenta como un ejemplo no limitativo de ésta.Then it goes on to describe very brief a series of drawings that help to better understand the invention and that expressly relate to an embodiment of said invention presented as a non-limiting example of is.
La Figura 1 muestra, según el estado del arte, la arquitectura monolítica utilizada para los arrays de antenas.Figure 1 shows, according to the state of the art, the monolithic architecture used for arrays of antennas
Las Figura 2A y 2B muestran, según el estado del arte, los resultados obtenidos en una simulación para una arquitectura monolítica según diferentes algoritmos utilizados.Figures 2A and 2B show, according to the state of the art, the results obtained in a simulation for a monolithic architecture according to different algorithms used.
La Figura 3 muestra, según el estado del arte, el tratamiento de las señales en una arquitectura monolítica.Figure 3 shows, according to the state of the art, the treatment of signals in a monolithic architecture.
La Figura 4 representa el esquema de un ejemplo de una unidad básica de correlación de cuatro entradas y una salida, utilizada en la arquitectura sistólica objeto de la presente invención. La figura 4B muestra una simulación de la ganancia de combinación para dicha unidad básica de correlación.Figure 4 represents the scheme of an example of a basic correlation unit of four inputs and one output, used in the systolic architecture object of the present invention Figure 4B shows a simulation of the combination gain for said basic unit of correlation.
En la Figura 5 se muestra la ganancia de combinación obtenida en una simulación empleando el algoritmo Power Method para diferentes configuraciones de las unidades básicas de correlación.The combination gain obtained in a simulation using the Power Method algorithm for different configurations of the basic correlation units is shown in Figure 5.
En las Figuras 6A y 6B se muestran diferentes topologías sistólicas propuestas para un array de antenas de 16 entradas y de 64 entradas, utilizando unidades básicas de correlación de cuatro entradas y una salida.Different figures are shown in Figures 6A and 6B proposed systolic topologies for an array of 16 antennas inputs and 64 entries, using basic units of correlation of four inputs and one output.
En la Figura 7 se comparan las ganancias de combinación obtenidas por simulación en arquitecturas monolíticas de 16 y 64 arrays de antenas con las arquitecturas sistólicas de 16 y 64 antenas de las figuras 6A y 6B.Figure 7 compares the earnings of combination obtained by simulation in monolithic architectures of 16 and 64 antenna arrays with 16 systolic architectures and 64 antennas of figures 6A and 6B.
Tal como se muestra en la Figura 1, se considera un array formado por N antenas idénticas que reciben una señal procedente de satélite y contaminada por ruido gausiano de forma independiente. En una primera instancia, se asume que todos los procesos de digitalización y procesadores de señal utilizan la misma fuente de sincronismo. En la Figura 1 \theta_{d} hace referencia al ángulo de llegada de la señal.As shown in Figure 1, it is considered an array formed by N identical antennas that receive a signal coming from satellite and contaminated by Gaussian noise so Independent. In the first instance, it is assumed that all digitization processes and signal processors use the same source of synchronism. In Figure 1 \ theta_ {d} ago reference to the angle of arrival of the signal.
Si x_{i}(t) son las señales incidentes en cada uno de los sensores o antenas A_{i} y w_{i} son los pesos de ponderación calculados por un correlador 1, la señal de salida y(t) se obtiene como:If x_ {i} (t) are the incident signals in each of the sensors or antennas A_ {i} and w_ {i} are the weights calculated by a correlator 1, the signal of output and (t) is obtained as:
tal como se muestra en la Figura 1 mediante los operadores lógicos producto (x) y suma (+). Donde w_{i}^{*} indica el complejo conjugado de los pesos de ponderación w_{i}.as shown in Figure 1 through the logical operators product (x) and sum (+). Where w_ {i} * indicates the conjugate complex of weights w_ {i}.
Asumiendo que las señales de entrada se pueden descomponer comoAssuming that the input signals can be break down like
donde s_{i}(t), l_{i}(t) y n_{i}(t) corresponden a las componentes de señal deseada, interferente y ruido respectivamente, la señal de salida se puede obtener utilizando notación matricial como:where s_ {i} (t), l_ {i} (t) and n_ {i} (t) correspond to the components of wanted signal, interfering and noise respectively, the signal of output can be obtained using matrix notation how:
y la relación de señal/(interferencia ruido), SINR (Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio) a la salida del array se calcula como:and the signal ratio / (noise interference), SINR ( Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio ) to the array output is calculated as:
siendo P_{d}, P_{l} y P_{n} son las potencias de salida del array correspondientes a las componentes de señal deseada, interferente y ruido respectivamente de las señales de entrada. Estando estas señales a su vez definidas como el valor medio de los cuadrados de las señales de salida correspondientes:where P_ {d}, P_ {l} and P_ {n} are the output powers of the array corresponding to the Desired signal components, interference and noise respectively of the input signals. These signals being defined as the average value of the squares of the output signals corresponding:
Los pesos óptimos W_{OPT} serán aquellos que maximizan la relación SINR. Para calcular los pesos óptimos asumimos que el array trabaja en banda estrecha. En estas circunstancias:The optimal weights W_ {OPT} will be those that Maximize the SINR relationship. To calculate the optimal weights We assume that the array works in a narrow band. In these circumstances:
\vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
siendo U_{d} es el vector de apuntamiento (Steering vector):where U_ {d} is the pointing vector ( Steering vector ):
Donde \tau_{di} es el retardo del frente de onda de la señal deseada en alcanzar el sensor o antena A_{i} respecto del sensor o antena A_{1} y s(t) la componente de señal deseada.Where \ tau_ {di} is the delay of the front of wave of the desired signal to reach the sensor or antenna A_ {i} with respect to the sensor or antenna A_ {1} and s (t) the component of desired signal.
En estas circunstancias, la señal de salida del array y su nivel de potencia valen:In these circumstances, the output signal of the array and its power level are worth:
Donde R es la matriz de autocovarianza de las señales deseadas.Where R is the self-covariance matrix of the desired signals.
Teniendo en cuenta que la matriz R se puede descomponer comoGiven that the matrix R can be break down like
Donde \Lambda = diag(\lambda_{1},
\lambda_{2}, ..., \lambda_{N}) que contiene los autovalores
ordenados \lambda_{1} \geq \lambda_{2} \geq ... \geq
\lambda_{N}, y donde V = [\vec{v}_{1} \vec{v}_{2}
...
\vec{v}_{N}]^{T} son los autovectores
ortonormales de R.Where \ Lambda = diag (\ lambda_ {1}, \ lambda_ {2}, ..., \ lambda_ {N}) containing the ordered eigenvalues \ lambda_ {1} \ geq \ lambda_ {2} \ geq ... \ geq \ lambda_ {N}, and where V = [\ vec {v} _ {1} \ vec {v} _ {2} ...
\ vec {v} _ {N}] {T} are R. orthonormal autovectors.
A su vez, la matriz de autovectores V puede ser descompuesta en V = [V_{s} V_{n}], donde las columnas de V_{s} corresponden a los autovalores de R de mayor autovalor (Subespacio de señal) y donde el resto de autovectores V_{n} corresponden al subespacio de ruido:In turn, the array of autovectors V can be decomposed into V = [V_ {s} V_ {n}], where the columns of V_ {s} correspond to the eigenvalues of R of greater eigenvalue (Subspace signal) and where the other V_ {n} autovectors correspond to noise subspace:
Descomponiendo W y recalculando:Decomposing W and recalculating:
Luego los pesos que maximizan la potencia de salida de combinación del array corresponden al autovector del mayor autovalor de la matriz de autocovarianza. El procedimiento para encontrar el autovalor dominante es el siguiente:Then the weights that maximize the power of array combination output correspond to the autovector of the greater self-value of the self-covariance matrix. The procedure To find the dominant self-value is as follows:
- \bullet?
- Obtener la matriz de autocovarianza R de las señales de entrada.Get the array of self-covariance R of the input signals.
- \bullet?
- Resolver el problema de autovalores R\vec{v} = \lambda\vec{v} y ordenar los autovalores \lambda_{1} \geq \lambda_{2} \geq ... \geq \lambda_{N}Solve the problem of eigenvalues R \ vec {v} = \ lambda \ vec {v} and sort the eigenvalues \ lambda_ {1} \ geq \ lambda_ {2} \ geq ... \ geq \ lambda_ {N}
- \bullet?
- Hacer W_{opt} = \vec{v}_{1}Make W_ {opt} = \ vec {v} 1
Sin embargo, el procedimiento expuesto es computacionalmente costoso debido que se obtienen todos los autovalores mientras que sólo se necesita el mayor de todos ellos.However, the procedure outlined is computationally expensive because you get all the eigenvalues while only the greatest of all is needed they.
Existen algoritmos alternativos que sólo calculan el autovector del autovalor dominante y que por lo tanto reducen considerablemente la carga computacional. Una relación de los algoritmos más conocidos es la siguiente:There are alternative algorithms that only calculate the autovector of the dominant autovalue and therefore considerably reduce the computational load. A relationship of The best known algorithms is as follows:
Donde N es el número de antenas y L es el número de puntos de señal utilizados siendo K el número de iteraciones.Where N is the number of antennas and L is the number of signal points used where K is the number of iterations
Los resultados, obtenidos en simulaciones, mediante los algoritmos de Power Method y Matriz-Free son similares. Un detalle de los resultados de ganancia y pérdida de combinación para un array de 2, 4 y 8 sensores son los presentados en las Figuras 2A y 2B, respectivamente, donde en líneas discontinuas se representa el algoritmo convencional y en línea continua el algoritmo Power Method.The results, obtained in simulations, using the Power Method and Matrix-Free algorithms are similar. A detail of the results of combination gain and loss for an array of 2, 4 and 8 sensors are those presented in Figures 2A and 2B, respectively, where the conventional algorithm is represented in dashed lines and the Power Method algorithm is shown in continuous lines. .
Existen otros algoritmos (Lagrange Mutiplier Method, Linear Lagrange Multipler Method, Linear Modified Conjugate Gradient Method) que no siendo tan conocidos computacionalmente son muy eficientes aunque tienen una elevada dificultad de implementación práctica en FPGAs (Field Programmable Gate Array).There are other algorithms ( Lagrange Mutiplier Method, Linear Lagrange Multipler Method, Linear Modified Conjugate Gradient Method ) that, not being as well known computationally, are very efficient although they have a high practical implementation difficulty in FPGAs ( Field Programmable Gate Array ).
El cálculo de los pesos obtenidos mediante el procedimiento de autovalores cumple con las especificaciones pedidas, ya que para su obtención no se necesita ningún conocimiento del tipo de señal ni de la topología del array utilizada, además de ser insensible a desajustes de calibración de fase de los sensores o antenas.The calculation of the weights obtained through the eigenvalues procedure meets the specifications requested, since no knowledge of the type of signal or array topology used, in addition to being insensitive to calibration mismatches of phase of the sensors or antennas.
Un resumen de las principales ventajas e inconvenientes del cálculo de los pesos por autovalores es el siguiente:A summary of the main advantages and drawbacks of calculating weights for eigenvalues is the next:
- --
- Ventajas:Advantages:
- \bullet?
- Maximizan la SNR a la salida del array.Maximize the SNR at the exit of array
- \bullet?
- Obtienen los pesos óptimos independientemente de la topología del array.They get the optimal weights regardless of the topology of the array.
- \bullet?
- Funcionan con SNR muy bajas.They work with SNR very low.
- --
- Inconvenientes:Disadvantages:
- \bullet?
- Incapaces de cancelar interferencias.Unable to cancel interference
- \bullet?
- Tienen una carga computacional muy elevada.They have a computational load very high
Hay que tener en cuenta que cada uno de los autovalores dominantes de la matriz de autocovarianza corresponde a una fuente de señal de entrada, de manera que si se realiza un cálculo de todos los autovalores se podría identificar y sintonizar el array a cada una de las señales de interés.Keep in mind that each of the dominant eigenvalues of the self-covariance matrix corresponds to an input signal source, so if a calculation of all eigenvalues could be identified and tuned the array to each of the signals of interest.
La sintonización del array se podría realizar introduciendo los autovectores de los autovalores dominantes correspondientes a las direcciones de las señales de interés.Array tuning could be done. introducing the eigenvectors of the dominant eigenvalues corresponding to the directions of the signals of interest.
El procedimiento para el cálculo de los pesos de ponderación w, de un array depende de su arquitectura. Se definen dos tipos de arquitecturas: monolítica y sistólica.The procedure for calculating the weights of Weighting w, of an array depends on its architecture. Are defined Two types of architectures: monolithic and systolic.
En la arquitectura monolítica, conocida ya en el estado del arte, el array se procesa como un todo, tal como se muestra en la Figura 3.In monolithic architecture, already known in the state of the art, the array is processed as a whole, as it is shown in Figure 3.
En la arquitectura monolítica el cálculo de los autovalores se realiza procesando las señales de todos los sensores al mismo tiempo, para ello el correlador 1 debe estar dimensionado en memoria y carga computacional.In monolithic architecture the calculation of eigenvalues are performed by processing the signals of all sensors at the same time, for this the correlator 1 must be sized in memory and computational load.
Si X = [x_{1} x_{2} x_{3} ... x_{N}]^{T} son las señales de entrada y W = [w_{1} w_{2} w_{3} ... w_{N}]^{T} los pesos obtenidos por el correlador 1, la señal de salida se obtiene como Y = W^{*T}X.If X = [x_ {1} x_ {2} x_ {3} ... x_ {N}] T {are the input signals and W = [w_ {1} w_ {2} w_ {3} ... w_ {N}] T the weights obtained by the correlator 1, the output signal is obtained as Y = W * T} X.
La implementación de los algoritmos de autovalores con la arquitectura monolítica tiene los siguientes problemas:The implementation of the algorithms of eigenvalues with monolithic architecture has the following problems:
- \bullet?
- Dificultad en el dimensionamiento e interconexión de los de procesadores.Difficulty in sizing and interconnection of processors.
- \bullet?
- El correlador se hace ad-hoc para una determinada topología.The broker is made ad-hoc for a given topology.
- \bullet?
- La capacidad de cómputo y memoria necesaria crece exponencialmente con el número entradas. Computing capacity and necessary memory grows exponentially with the number tickets.
- \bullet?
- Es necesario utilizar hardware multiprocesador para distribuir el cómputo de algoritmos.It is necessary to use hardware multiprocessor to distribute the computation of algorithms.
Debido a los inconvenientes expuestos se propone la utilización de una arquitectura que se ha denominada sistólica. En la arquitectura sistólica el array se subdivide en Unidades Básicas de Correlación (UBC) que se interconectan entre sí para concentrar todas las entradas en una única salida. Las características de la UBC son las siguientes:Due to the exposed problems, the use of an architecture that has been called systolic is proposed. In the systolic architecture the array is subdivided into Basic Correlation Units (UBC) that interconnect with each other to concentrate all the inputs in a single output. The characteristics of the UBC are the following:
- \bullet?
- Autónomas.Autonomous
- \bullet?
- Configuración NxlNxl configuration
- \bullet?
- Se implementan en una única FPGA o DSP (Digital Signal Processor).They are implemented in a single FPGA or DSP (Digital Signal Processor).
Aunque formalmente el numero de entradas de una UBC puede tomar cualquier valor, desde un punto de vista práctico las configuraciones (2x1, 4x1 y 8x1) son las utilizadas porque pueden implementarse fácilmente en una única FPGA/DSP.Although formally the number of entries of a UBC can take any value, from a practical point of view the configurations (2x1, 4x1 and 8x1) are those used because They can be easily implemented in a single FPGA / DSP.
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Un detalle de una UBC en configuración 4x1 y de su ganancia de combinación es la representada en las Figuras 4A y 4B, respectivamente.A detail of a UBC in 4x1 configuration and of its combination gain is that represented in Figures 4A and 4B, respectively.
Es interesente resaltar que para SNR<-15 dB se obtienen mejores resultados en la ganancia de combinación utilizando los métodos del cálculo del autovalor dominante (mostrado con círculos) que con el método convencional que calcula todos los autovalores (mostrado con cruces).It is interesting to note that for SNR <-15 dB better results are obtained in the combination gain using the calculation methods of the dominant autovalue (shown with circles) than with the conventional method that calculates all eigenvalues (shown with crosses).
Los resultados de ganancia de combinación han sido obtenidos para una señal QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) con factor del filtro de coseno alzado de 0.6 con un tiempo de integración de 1600 símbolos y con un sobremuestreo de 5 muestras por símbolo.The combination gain results have been obtained for a QPSK ( Quadrature Phase Shift Keying ) signal with a raised cosine filter factor of 0.6 with an integration time of 1600 symbols and an oversampling of 5 samples per symbol.
La ganancia de combinación para el caso de UBC en configuración 2x1 (mostrado con círculos), 4x1 (mostrado con asteriscos) y 8x1 (mostrado con cruces) es el mostrado en la Figura 5, utilizando el algoritmo Power Method.The combination gain for the case of UBC in 2x1 configuration (shown with circles), 4x1 (shown with asterisks) and 8x1 (shown with crosses) is shown in Figure 5, using the Power Method algorithm.
Ejemplos de implementación de arrays de 16 y 64 entradas con UBCs de 4x1 se muestran en las Figuras 6A y 6B, respectivamente. El array de 16 sensores se construye con en una configuración sistólica de 16x4x1 de dos capas y el de 64 con una configuración de 64x16x4x1 de tres capas en las que en cada UBC_{k,n} el subíndice k identifica el número de capa y el subíndice n la UBC dentro de la misma.Examples of implementation of arrays 16 and 64 entries with 4x1 UBCs are shown in Figures 6A and 6B, respectively. The array of 16 sensors is built with in one 16x4x1 two-layer systolic configuration and 64 with a 64x16x4x1 configuration of three layers in which in each UBC_ {k, n} the subscript k identifies the layer number and the subscript n the UBC within it.
Las ganancias de los arrays sistólicos de las configuraciones propuestas con respecto a las monolíticas se muestran en la Figura 7 (para simulaciones con 1600 símbolos y tomando 5 muestras por símbolo). En línea discontinua se muestra la arquitectura monolítica, mientras que en línea continua la arquitectura sistólica (en círculos 16 entradas, con cruces 64 entradas).The profits of the systolic arrays of the proposed configurations with respect to the monolithic ones shown in Figure 7 (for simulations with 1600 symbols and taking 5 samples per symbol). The dashed line shows the monolithic architecture, while online continues the systolic architecture (in circles 16 entries, with crosses 64 tickets).
De las gráficas se puede observar que con la arquitectura monolítica se consigue una mayor ganancia para SNRs inferiores a -10 dB pero a costa de incrementar enormemente la complejidad del hardware y software del array, sin embargo, con la topología sistólica propuesta se consiguen las ganancias deseadas para las señales de interés (SNR=-10) con un coste razonable.From the graphs it can be seen that with the monolithic architecture achieves greater gain for SNRs below -10 dB but at the cost of greatly increasing the complexity of the hardware and software of the array, however, with the proposed systolic topology the desired gains are achieved for signals of interest (SNR = -10) with a reasonable cost.
Utilizando la arquitectura sistólica propuesta se obtienen las siguientes ventajas técnicas:Using the proposed systolic architecture The following technical advantages are obtained:
- \bullet?
- La topología es ampliable. La introducción de nuevos sensores consiste básicamente en añadir e interconectar nuevas UBC, sin tener que modificar el funcionamiento de ninguno de los módulos preexistente.The topology is expandable. The Introduction of new sensors basically consists of adding e interconnect new UBCs, without having to modify the operation of none of the pre-existing modules.
- \bullet?
- La arquitectura es insensible a la situación física de los sensores y no necesita calibración. Los pesos del array se obtienen por el procedimiento del cálculo de autovalores.The architecture is insensitive to the physical situation of the sensors and does not need calibration. The array weights are obtained by the calculation procedure of eigenvalues
El procedimiento del cálculo de los pesos para una unidad UBC se describe a continuación. Sea la señal x_{i}(t) la señal incidente en el sensor i de la UBC de L sensores, el procedimiento para el cálculo de sus pesos y obtención de la señal de salida y(t) es el siguiente:The procedure for calculating weights for A UBC unit is described below. Be the signal x_ {i} (t) the incident signal on the UBC sensor i of L sensors, the procedure for calculating their weights and obtaining of the output signal and (t) is as follows:
1.- Se muestrean de forma síncrona todas las señales de entrada o antenas (N), de i=1 a i=L, y se hace un registro de L muestras, de j=1 a j=L.1.- All the samples are synchronously sampled input signals or antennas (N), from i = 1 to i = L, and a record of L samples, from j = 1 to j = L.
2.- Se obtienen los pesos óptimos del array, \vec{v}, mediante el cálculo de los autovalores de la matriz de autovarianza de X^{(k)}. El cálculo de los pesos se realiza mediante unos de los algoritmos expuestos (Power Method o Matrix-Free).2.- The optimal weights of the array are obtained, \ vec {v}, by calculating the eigenvalues of the matrix of autovariance of X ^ (k)}. Weights calculation is done by means of one of the exposed algorithms (Power Method or Matrix-Free).
3.- Se normalizan los pesos \vec{v} respecto del primer sensor.3.- Weights \ vec {v} are normalized of the first sensor.
4.- Se obtiene el peso final integrando respecto al anterior con la constante de integración \Gamma = 0.94.- The final weight is obtained by integrating with respect to the previous one with the integration constant \ Gamma = 0.9
5.- Se obtiene la salida combinada como:5.- The combined output is obtained as:
Para obtener el factor de array de un array sistólico de K capas, es necesario obtener los pesos del array monolítico equivalente.To get the array factor of an array systolic of K layers, it is necessary to obtain the weights of the array monolithic equivalent.
El array equivalente se calcula obteniendo las funciones de transferencia G_{k} de cada capa k. La función de transferencia G_{k} se define como la agrupación de los pesos de las UBC de cada capa en un solo vector. Cada función de transferencia G_{k} combina las señales de entrada de la capa k en un numero reducido de salidas. La sucesión de capas confiere al array una estructura de pirámide invertida que termina en una única salida. La función de transferencia del array equivalente se calculará como:The equivalent array is calculated by obtaining the G_ {k} transfer functions of each layer k. The function of G_ {k} transfer is defined as the grouping of the weights of the UBC of each layer in a single vector. Each function of transfer G_ {k} combines the input signals of layer k in a small number of departures. The succession of layers gives the array an inverted pyramid structure that ends in a single exit. The equivalent array transfer function is will calculate as:
Claims (6)
- agrupar las N señales de entrada x_{i}(t) en subgrupos de señales de entrada de correlador c_{i}(t);group the N input signals x_ {i} (t) in subgroups of signals of correlator input c_ {i} (t);
- obtener para cada uno de los subgrupos de señales de entrada de correlador c_{i}(t), utilizando un correlador diferente para cada subgrupo, una señal de salida de correlador z(t) efectuando la siguiente operación, z(t) = \sum\limits^{M}_{i=1} w_{i}^{*} c_{i}(t), siendo w_{i}^{*} el complejo conjugado de los pesos de ponderación w_{i} obtenidos previamente por cada correlador correspondiente para corregir los desfases de sus señales de entrada de correlador c_{i}(t), y siendo M el correspondiente número de entradas en cada correlador;get for each of the subgroups of correlator input signals c_ {i} (t), using a different correlator for each subgroup, a correlator output signal z (t) effecting the next operation, z (t) = \ sum \ limits ^ {M} _ {i = 1} w_ {i} ^ {*} c_ {i} (t), w_ {i} ^ {*} being the conjugate complex of the weighting weights w_ {i} previously obtained for each corresponding correlator to correct the lags of their correlator input signals c_ {i} (t), and M being the corresponding number of entries in each correlator;
- agrupar las anteriores señales de salida de correlador z(t) de los diferentes correladores en al menos un nuevo subgrupo de señales de entrada de correlador c_{i}(t);group the previous output signals of correlator z (t) of the different correlators in at least one new subset of signals from correlator input c_ {i} (t);
- obtener para cada uno del al menos un nuevo subgrupo de señales de entrada de correlador c_{i}(t), utilizando un correlador diferente para cada nuevo subgrupo, una señal de salida de correlador z(t) efectuando la siguiente operación, z(t) = \sum\limits^{M}_{i=1} w^{*}_{i} c_{i}(t), siendo w_{i}^{*} el complejo conjugado de los pesos de ponderación w_{i} obtenidos previamente por cada correlador correspondiente para corregir los desfases de sus señales de entrada de correlador c_{i}(t), y siendo M el correspondiente número de entradas en cada correlador;get for each of the at least one new subset of input signals from correlator c_ {i} (t), using a different correlator for each new subgroup, a correlator output signal z (t) performing the following operation, z (t) = \ sum \ limits ^ {M} _ {i} w ^ {*} _ {i} c_ {i} (t), where w_ {i} ^ {*} the conjugate complex of the weighting weights w_ {i} obtained previously for each corresponding correlator to correct the Offsets of its correlator input signals c_ {i} (t), and M being the corresponding number of entries in each runner
- en caso de que en la etapa anterior haya más de una señal de salida de correlador z(t), repetir los pasos b-e; en caso de que en la etapa anterior haya una única señal de salida de correlador z(t), obtener la señal de salida y(t) mediante y(t) = z(t), siendo z(t) dicha única señal de salida de correlador.if in the previous stage there is more than one correlator output signal z (t), repeat steps b-e; if in the previous stage there is a single correlator output signal z (t), obtain the output signal and (t) by y (t) = z (t), where z (t) is said single signal of correlator output
- se muestrean de forma síncrona todas las señales de entrada o antenas (N), de i=1 a i=L, y se hace un registro de L muestras, de j=1 a j=L:they are sampled from synchronously all input signals or antennas (N), from i = 1 to i = L, and a record of L samples is made, from j = 1 to j = L:
- se obtienen los pesos óptimos del array, \vec{v}, mediante el cálculo de los autovalores de la matriz de autovarianza de X^{(k)};you get the optimal weights of the array, \ vec {v}, by calculating the eigenvalues of the autovariance matrix of X (k);
- se normalizan los pesos \vec{v} respecto del primer sensor, obteniendo el vectornormalize the weights \ vec {v} with respect to the first sensor, obtaining the vector
- se obtiene el peso final integrando respecto al anterior:you get the final weight integrating with respect to the previous one:
- y se obtiene la salida combinada como Y^{(K)} = W^{H^{(k)}}X^{(k)}.and you get the combined output as Y (K) = W H (k)} X (k).
- una pluralidad de antenas A_{i};a plurality of A_ {i} antennas;
- una pluralidad de unidades básicas de correlación UBC;a plurality of basic units of UBC correlation;
- donde dichas unidades básicas de correlación configuran una pluralidad de arrays interconectados y escalados entre sí.where said basic correlation units configure a plurality of arrays interconnected and scaled to each other.
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HALLER, B.; STREIFF, M.; FLEISCH, U.; ZIMMERMANN, R. "Hardware implementation of a systolic antenna array signal processor based on CORDIC arithmetic", Acoustics, Speech, and Signal Processing, 1997. ICASSP-97., 1997 IEEE International Conference on Volumen 5, 21-24 Abril 1997 Páginas: 4141-4144 vol. 5 [en línea] [recuperado el 12.11.2007]. Recuperado de internet: <URL:http://ieeexplore.ieee.org/iel3/4635/13273/00604858. pdf?tp=&arnumber=604858&isnumber=13273> * |
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