RU1786456C - Адаптивна антенна решетка дл систем св зи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты - Google Patents

Abstract

Использование: в радиотехнике, в частности адаптивные антенные решетки и адаптивные компенсаторы помех в режиме приема сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты дл  повышени  скорости адаптации. Сущность изобретени : антенна  решетка содержит N антенных элементов 1, комплексные регул торы 2 весовых коэффициентов, сумматор 3, смеситель 4, фильтры 5 и 11, блок 6 выделени - дискретной информации, блок 7 синхронизации , блок 9 определени  наличи  свертки, блок 10 задержки, блок 17 взвешивани , адаптивный процессор 12, блок 13 управлени  весовыми сумматорами, генератор 18 поисковых ортогональных колебаний. 3 ил.

Description

Изобретение относитс  к радиотехнике , в частности к адаптивным антенным решеткам (ААР) в режиме приема сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ), преимущественно в СВЧ широкополосных системах радиосв зи.

Известны ААР в режиме приема сигналов с ППРЧ. Непосредственное использование алгоритмов пространственной селекции при приеме сигналов с ППРЧ приводит к потере эффективности этих алгоритмов из-за динамизма сигнально-помеховой обстановки и большой ширины полосы сигналов , Общим недостатком ААР в режиме приема сигналов с ППРЧ  вл етс  невозможность завершени  процесса адаптации при малом времени сто ни  на частоте. Трудности резко возрастают, когда к динамизму сигнально-помеховой обстановки, вызванному прыганьем по частоте сигнала , добавл етс  динамизм условий работы объектов, на которых устанавливаютс  ААР: движение, сеансные рёжимы работы и работа короткими пакетами, быстрое изменение направлений прихода полезного сигнала.

Известна ААР дл  систем св зи с перестройкой частоты, прин та  в качестве прототипа . В этой ААР с помОщ ь ю Дополнительных процессоров в трактах антенных элементов осуществл етс  оценка и запоминание весовых коэффициентов при формировании нулей диаграммы направленности в направлени х на помехи независимо от основного приемного тракта, т.е. к моменту перестройки приемного устройства на данную частоту комплексный весовой вектор на этой частоте уже сформирован. Указанна  ААР не обеспечивает пространственную селекцию сигнало в и помех в услови х динамичной сигнально-помеховой обстановки, когда Направлени  прихода сигналов и помех быстро мен ютс , и записанные в пам ти весовые коэффициенты устаревают .:.;. ... . ; , .- :

Целью изобретени   вл етс  повышение скорости адаптации в услови х быстро мен ющихс  направлений помех, действующих в сферической области.

Указанна  цель достигаетс  тем, что адаптивна  антенна  решетка дл  систем, св зи с ППРЧ, содержаща  N антенных элементов , N комплексных регул торов вёсо- в-ых коэффициентов, выходы которых соединены с соответствующими вхо дами сумматора, а соответствующие управл ющие бходы подключены соответствующим выходам адаптивного процессора, последовательно соединенные гетеродин и смеситель свертки сигналов, блок синхронизации, выполнена сферической, а

антенные элементы - направленными, сумматор выполнен в виде N-1 управл емых весовых сумматоров, объединенных в двоично-этажную схему, при этом выход сумматора соединен с вторым входом смесител  свертки сигналов, а выходы антенных элементов соединены с входами соответствующих комплексных регул торов весовых коэффициентов, блок взвешивани , блокуп0 равлёни  весовыми сумматорами, генератор поисковых ортогональных колебаний, блок выделени  дискретной информации, I выход которого  вл етс  выходом устройства и соединен с входом гетеродина через

5 блок синхронизации, последовательно соединенные , перестраиваемый полосно-про- пускающий фильтр, блок определени  наличи  свертки, блок задержки и перестраиваемый режекторный фильтр, второй вход

0 которого подключен к выходу смесител  свертки сигналов и к входу перестраиваемого полосно пропускающего фильтра, втйрой вход которого подключен к выходу блока задержки, а выход соединен с входом блока

5 выделени  дискретной информации и первым входом блока взвешивани , второй : вход которого подключен к выходу перестраиваемого режекторного фильтра, а пер- вый и второй выходы соединены

0 соответственно с объединенными первыми и вторыми входами адаптивного процессора и блока управлени  весовыми сумматора- . ми, третий вход которого, объединенный с третьим входом адаптивного процессора,

5 подключен ко второму выходу блока определени  наличи  свертки, третий выход блока взвешивани  соединен с четвертым входом адаптивного процессора, соответствующие п тые входы которого подключены к соот0 ветствующим первым выходам генератора поисковых ортогональных колебаний, вторые выходы которого соединены с соответствующими четвертыми входами блока управлени  весовыми сумматорами, выхо5 ды которого соединены с управл ющими входами соответствующих управл емых весовых сумматоров. При этом блок взвеиЫва- ни  состоит из последовательно соединенных первого детектора и первого

0 управл емого аттенюатора, последовательно соединенных второго детектора и второго управл емого а ттенюатора, вторые входы первого и второго управл емых аттенюаторов подключены соответственно к вторым

5 выходам второго и первого детектора, при этом первым и вторым входами блока взвешивани   вл ютс  соответственно вход первого и .второго детекторов, а первым, вторым и третьим выходами  вл ютс  ды соответственно первого, второго управл емых аттенюаторов и второй выход второго детектора.

Сравнение за вл емого технического решени  не только с прототипом, но и с другими техническими решени ми в области адаптивных антенных решеток не позволило вы вить в них признаки, сходные с существенными отличительными признаками за вл емом техническом решении - управл емыми сумматорами, блоком управлени  сумматорами, параллельным управлением адаптивным процессором и блоком управлени  сумматорами по раздельным трактам помехи и сигнала. При этом полоса пропускани  полосового фильтра сигнала равна полосе режекции режекторного фильтра помехи, согласована с полосой инфор- мационного сигнала и имеет два перестраиваемых значейи : узка  полоса в режиме вхождени  в св зь и синхронизации и широка  полоса, соответствующа  приему информационного сигнала, а также блоком определени  наличи  свертки, блоком задержки и блоком взвешивани . Указанные признаки совместно дают новый положи- те льный эффект: повышение скорости адаптации при приеме на изотропную антенну сигнала с ПОРЧ из любой точки полной сферической области, направление прихода которого априорно неизвестно и быстро мен етс , и подавление помех в остальной области-. .. . / ... . .... ,..-, -. .. , ...

В предлагаемом решении ДОС имеет принципиальные отличи  от ФАР и МЛА; заключающиес  в том, что если в ФАР и МЛА управл емые сумматоры объедин ютс  совместно с фазовращател ми дл  созда- ни  нужного амплитудно-фазового распределени , то в предлагаемом решении управл емые сумматоры объединены с комплексными регул торами весовых коэффициентов , которые формируют нули в направлени х на помехи, а управл емые сумматоры обеспечивают увеличение усилени  в направлении на сигнал и самофокусировку по сигналу. Управление комплексными регул торами весовых коэффициентов и управл емыми сумматорами осуществл етс  раздельными процессорами параллельно по двухконтурной схеме (свернутому отфильтрованному сигналу и преобразованной при свертке сигнала с ППРЧ помехе с рёжектированным свернутым сигналом). Таким образом, указанные признаки не только не совпадают с признаками прототипа и аналогов по выполн емой функции и форме выполнени , но и неэквивалентны , т.к. у них разный достигаемый эффект, следовательно, в соответствии с п,п, 6.03 и 6.05 Инструкции ЭЗ-2-74 они

обеспечивают соответствие критерию существенные отличи .

На фиг.1 дана структурна  схема предлагаемой адаптивной антенной решетки; на фиг.2 -структурна  схема адаптивного про- 5 цессора, на фиг.З - структурна  схема блока управлени  сумматорами.

Адаптивна  антенна  решетка содержит (фиг.1) N идентичных излучателей 1 с коэффициентом усилени  каждого Gi, co- 10 вместно перекрывающих полную сферическую область за счет размещени  в вершинах и на гран х икосаэдра или на гран х двух усечённых многогранных пирамид, соединенных плоскост ми оснований, так 5 что все излучатели с помощью диаграммо- образующей схемы (ДОС) образуют сферическую изотропную диаграмму направленности с коэффициентом усилени  Go 0 дБ. N-выходов излучателей (фиг.1)

0 соединены с N-входами комплексных регул торов весовых коэффициентов (КРВК) 2, выходы которых соединены с входами N-1 управл емых весовых сумматоров 3, объединенных в двоично-этажную схему елоч-5 ка, выход которой через последовательно соединенные смеситель 4 свертки сигнала и перестраиваемый полосно-пропускаю- щий фильтр 5 подключен к входу блока 6 выделени  дискретной информации, выход

0 которого  вл етс  выходом решетки и одновременно соединен с входом блока 7 синх- . ронизации, выход которого подключен к входу гетеродина 8; Выход перестраиваемого полосно-пропускающего фильтра 5 под5 ключей также к входу блока 9 определени  наличи  свертки, первый управл ющий выход которого через блок 10 задержки подключен к управл ющим входам перестрйи- вае мого режекторного фильтра 11- и

0 перестраиваемого полосно-пропускающего фильтра 5, а второй управл ющий выход - . параллельно к соответствующим входам адаптивного процессора 12 и блока 13 управлени  сумматорами, сигнальные входы

5 которых параллельно через первый детектор 15, второй детектор 14 и первый и второй управл емые аттенюаторы 16 блока 17 взвешивани  подключены к выходам перестраиваемого полосно-пропускающего

0 фильтра и перестраиваемого режекторного фильтра, опорные входы соединены с выходами генератора 18 поисковых ортогональных колебаний, а управл ющие выходы подключены к управл ющим входам комп5 лексных регул торов весовых коэффициентов и управл емых весовых сумматоров.

Адаптивный процессор 12 (фиг.2) содержит N идентичных каналов 19 адаптации, Опорные входы которых соединены с N-выходами генератора поисковых колебаний. Каждый канал адаптации содержит четыре коррел тора 20, попарно объединенных в управл емых сумматорах 21, выходы которых  вл ютс  выходами канала адаптации дл  каждой координаты комплексных регул торов весовых коэффициентов. На входы коррел торов подаютс  взвешенные огибающие сигнала и помехи через ключи Ki с выхода взвешивающего блока 17, на опорные входы коррел торов подаютс  ортогональные колебани  от генератора 18 на одну пару непосредственно, а на вторую пару через инверторы 22 одновременно поисковые колебани  подаютс  на опорные входы управл емых аттенюаторов 23, выходы которых подключены к управл ющим входам сумматоров 21, а объединённые управл ющие входы через интегратор 14 соединены с выходом посто нной составл ющей помехи квадратичного амп: литудного детектора помехи 14 через ключ К2, который как и ключи Ki управл ютс  сиг-, налом с выхода блока 9.. .;-. ;: :; :: ;

Блок 13 управлени  сумматорами (фиг.З) содержит N-.1 идентичных каналов 25 управлени , каждый из которых содержит два коррел тора 26, объединенных в сумматоре 27, на опорный вход которого, а также на опорные входыГ коррел торов подаютс  колебани  от генератора 18 на один вход непосредственно, а на второй вхбд через сумматор 27. Си гнал ьй ые входы коррел торов через ключи Кз, управл емые блоком 9 наличи  свертки, соединены с выходами огибающей сигнала и гюмехй управл емых аттенюаторов 16 взвешйвающе- го блоке 17. . ;.. -,- .. .; . ; / -V .

Предлагаема  ААР работает по принципу экстрёмальнбго регулирована с использованием поисковых колебаний, В качестве критери  оптимальности экстремального регулировани  выбран критерий максимума отношений сигнал/помеха + шум. Условием оптимальности настройки по этому критерию  вл етс 

d(

PC

Рп+Р

ш

)/dw

или

(Рп+Рш)d w d(Pn + P

}

d w

Iw w1

где PC - мощность полезного сигнала на выходе блока 6;

0

5

0

Рп - мощность помехи на выходе блока 6;

Рш мощность, собственных шумов приемного тракта;

w - вектбр весовых коэффициентов.

Из формулы (1) следует, что дл  настройки по максимуму отношени  сигнал/помеха + шум необходимо разделить полезный сигнал и помеху с шумом, оценить мощность сигнала и смеси помехи с шумом, определить их производные и произвести нормировку . С учетом этого в предлагаемой ААР перестраиваемый полосно-пропускающий фильтр 5 выдел ет свернутый и отфильтрованный сигнал с ППРЧ, а перестраиваемый режекторный фильтр 11 пропускает преЬб- раэоеанную при свертке помеху во всей полосе сигнала с ППРЧ до свертки, небольша  часть которой вырезана в полЬсе свернутого сигнала. Это позвол ет вычислить градиенты по мощности полезного сигd PCd Р п и мощности помехи , . ,

нала

отйормировать их во взвешивающем блоке 17 По отношению к мощност м соответствённо Рс и Рп + РШ и с помощью адаптивнЬго процессора 12 организовать управление комплексными регул торами весовых коэффициентов 2 (фиг.1) в соответствии с разностью ртнормированных значений

градиентов по полезному сигналу и помехе втекущий момент времени, т.е. осуществить управление комплексными регул торами весовых коэффициентов 2 в направлении градиента дл  сигнала и антиградиента дл 

прмех, в результате чего выполн етс  формула (1); ;.,-х; ..:,. ....;

Сеанс св зи начинаетс  с приема-слу- жебнрг б ракета с минимальной длительностыо : .-. ,

Тел Тех

ад

(2)

где Тех - врем  синхронизации ППРЧ; Гад - врем  адаптации ААР.

45 Служебный пакет представл ет соЬой пилот-тон с низкой информационной скс|ро- стью (полоса перестраиваемого полос|но- пропускающего фильтра 5 составл ет 4-5 Гц) и, следовательно, большой базой, обес50 печивающей гарантированную свертку сигнала смесител  4 свертки. В этот период коэффициенты передачи каждого управЛ е- мого весового сумматора 3 по обоим входам равны, так что Кч2 +.Ка2 1, и сформирована

55 изотроИна  диаграмма направленности с коэффициентом усилени  Go 0. Свернутый сигнал с.ППРЧ проходит через фильтр с полосой 4-5 Гц, соответствующей скорс сти

пилот-тона, и поступает на первый детектор 15, с выходов которого снимаютс  сигналы, пропорциональные квадрату посто нной составл ющей Рс и огибающей U2CN . Одновременно с выхода блока 9 сигнал наличие свертки поступает в процессор 12 и блок 13, замыка  ключи Ki и К2 адаптивного процессора 12 и ключи Кз блока 13 управлени  сумматорами, и через блок задержки 10 с - на управл ющие входы фильтров 5и 11.

Сигнал огибающей U2CN , пропорцио- d P с

нальныи . , , через замкнутые ключи Ki a w

и Кз поступает на коррел торы 20 процессе- ра 12 и коррел торы 26 блока 13 всех каналов адаптации. В коррел торах 20 и 26 сигнал огибающей перемножаетс  на соответствующие опорные ортогональные колебани  от генератора 18..

Сигналы с выходов коррел торов через сумматоры 21 процессора 12 и сумматоры 27 блока 13 поступают на КРВК 2 и управл емые сумматоры 3 соответственно. Под дей- ствием поисковых ортогональных колебаний сигнал в КРВК 2 и управл емых сумматорах 3 получает амплитудную модул цию в соответствии с законом тех ортогональных колебаний, которые совпадают с направлением, привода сигнала (соответствующими антенными элементами N). На выходе коррел торов 20 и 26 блоков 12 и 13 формируютс  сигналы ошибки, величины и знаки которых характеризуют отклонени  координат КРВК 2 от тех значений, при которых обеспечиваетс  максимум мощности полезного сигнала, т.е. определ ютс  гра- d PC -- d w i

диенты

i 1,N. Сигналы ошибок,

складыва сь с опорными колебани ми своих каналов в сумматорах 21 и 27, поступают на управл ющие входы соответствующих КРВК 2. Под действием этих сигналов координаты КРВК 2 измен ютс  так, чтобы све- сти к нулю сигналы ошибки. Одновременно коэффициенты передачи цепочки тех управл емых сумматоров 3, которые соответствуют антенному элементу, в направлении которого приходит сигнал, устанавливаютс  равными 1, в результате формируетс  диаграмма направленности с коэффициентом усилени 

,

где GI - коэффициент усилени  одного излучател .

5 0

5 0

5 0 5

0

5

5

0

По сравнению с изотропной ДН усиление возросло на величину G-Go в направлении на сигнал.

В установившемс  состо нии КРВК 2 и управл емые сумматоры 3 обеспечивают минимальное ослабление проход щих сигналов и их синфазность, максимизируетс  мощность полезного сигнала, т.е. ААР самофокусируетс  по сигналу. В св зи с увеличением усилени  от Go 0 дБ до G на соответствующую величину может быть увеличена скорость передачи информации. Это осуществл етс  переключением фильтров 5 и 11 в положение широкой полосы, соответствующей информационной скорости, управл ющим сигналом наличие свертки от блока 9 через блок 10 задержки (по окончании процесса адаптации).

При воздействии помехи, направление прихода которой соответствует сектору, закрываемому диаграммой направленности Gi одного из излучателей, в соответствующем этому излучателю комплексном регул торе весовых коэффициентов 2 и цепочке весовых сумматоров 3 под действием соответствующих опорных колебаний от генератора 18 происходит модул ци  параметров этой помехи. Огибающа  помехи с выхода квадратичного амплитудного детектора 14 помехи поступает через управл емый аттенюатор16 на перемножители коррел торов 20 через замкнутый ключ Ki всех канало в 19 адаптации адаптивного процессора 12, и одновременно на входы коррел торов 26 блока 13 управлени  сумматорами. На другие коррел торы 20 и 26 поступает огибающа  свернутого сигнала с ППРЧ с первого квадратичного детектора 15. Одновременно на входы сумматоров 21 каналов 19 адаптации адаптивного процессора 12 через управл емые аттенюаторы 23 через интегратор 24 и замкнутый ключ Кз поступает посто нна  составл юща  помехи с выхода второго квадратичного детектора 14 дл  обеспечени  нормировки. На выходах сумматоров 21 и 27 соответствующих каналов 19, 25 по вл ютс  сигналы ошибки, которые пропорциональны отклонени м координат КРВК 2 и управл емых весомых сумматоров 3 от тех значений, при которых обеспечиваетс  минимум мощности помеd PC , хи, т.е. определ етс  градиент - . , I

1.N. Под действием этих сигналов ошибки происходит изменение значений координат КРВК 2 в сторону компенсации помехи, а коэффициентов передачи цепочки управл -. емых весовых сумматоров 3 - в сторону уменьшени . В результате в установившемс  состо нии (при равенстве нулю управл ющих сигналов) обеспечиваетс  выполнение услови  (1), т.е. обеспечиваетс  максимум отношени  мощности сигнала к суммарной мощности помех и внутренних шумов

max

(3)

Максимальное число подавл емых помех равно N-1.

Таким образом, использование свёртки сигнала с ППРЧ совместно с различием в направлени х прихода сигнала и помех в предлагаемую ДАР, последующее двухкон- турное управление процессором по тракту свернутого отфильтрованного сигнала и тракту помех, преобразбванных.во всей полосе сигнала с ППРЧ до свертки С рёжёк- тированной частью, в полосе .свернутого сигналами использование дл  адаптации принципа экстремального регулировани  по градиентному алгоритму с помоа ыо поисковых колебаний и синхронного детектировани , выгодно отличает эту ААР.от прототипа, т.к, при наличии изотропной диаграммы направленности позвол ет повысить скорость адаптации в услови х быстро мен ющихс  направлений помех, действующих в сферической области,.а также одновременно увеличить усиление в сигнальном н а п р а в л ен ни, кото ро е б ы стр О м ён   етс , осуществить адаптацию к помехам, приход щим из любой точки сферической рблё- сти, в реальной. масштабе времени, а.не,с заг1Ьмйн&н.йем в есов, к6торь е в услови х динамичной сигнально-помеховой ббста- :нбвки устаревает. ;,;J ЈiU/:-- :....- :

Ф о р м у л а и з о б р е т е ни  

Claims (2)

1 .Адаптивна  антенна  решетка дл  систем св зи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ), содержаща  N антенных элементов, N комплексных регул торов весовых коэффициентов, выходы которых соединены с соответствующими входами сумматора, а соответствующие уп- рав/т ющиё. входы которых подключены к соответствующим выходам адаптивного процессора, последовательно соединенные гетеродин и смеситель свертки сигналов, блок синхронизации, о т л и ч а ю щ а  с   тем, что, с целью повышени  скорости адаптации в услови х быстро мен ющихс  направлений , помех, действующих в сферической области, антенна  решетка выполнена сферической, а антенные элементы выполнены направленными, сумматор выполнен в виде N управл емых весовых сумматоров , объединенных в двоично-этажную схему, при этом выход сумматора соединен С вторым входом смесител  свертки сигналов , а выход ы антенных элементов соеДине- ны с входами соответствую:щих 5 комплексных регул торов весовых коэффициентов , блок взвешивани , блок управлени  весойыми сумматорами, генерйтор поисковых ортогональных колебаний, рлок выделени  дискретной информации, выход

0 которого  вл етс  выходом устройства и соединен с входом гетеродина через блок синхронизации , последовательно соединенные перестраиваемый полосно-пропускага щий фильтр, блок определени  наличи  свертки,

5 блок задержки и перестраиваемый режек- тбрный фильтр, второй вход которого подключен к выходу смесител  свертки сигналов и к входу перестраиваемого полос; но-пропускающего фильтра, второй вход ко0 тброго подключен к выходу блока задержки, а выход соединен с входом блока выделени  дискретной информации и первым входом блока взвешивани , второй вход которого подключён к выходу перестраиваемого ре5 жёкторного фильтра, а первый и второй выходы Соединены соотвётственн|о с объёдйнёнйЫмй первыми вторыми входами адаптивного процессора и блока управлен и  весовыми сумМаторами, третий вход ко0 торого, объединенный с третьим входом адаптивного процессора, подключен к вто р бму выходу блока определени  наличи  свёртки, третий выход блока взвешивани 

сбединён с четвертым входом адаптивного

5 процёссбра, соответствующие п тые входы которого подключены к соответствующим первым входам генератора поисковых ортогональных колебаний, вторые входы которого соединены с соответствующими

0 четвертыми входами блока управлени  ве- сёвыми сумматорами, выходы кото Ого сое- дйнены с управл ющими вход ами соответствующих управл емых весе вых сумматоров, при этом блок взве шивани i со5 стоит из последовательно соединенных первого детектора и первого управл емого аттё йШа тор а, послёдбвательнб соёди ен- н ых второго детектора и второго управ л е- мбгб аттенюатора, вторые вхбды первого и

0 второго управл емых аттенюаторов Подключены соответственно к вторым выходам ёТорого и первого детекторов, при этом (первым и вторым входами блока взвешивани   вл ютс  соответственно вход первого и

5 второго детекторов, а первым, вторЦм и третьим выходами  вл ютс  выходы соответственно первого, второго управл е|мых аттенюаторов и второй выход второго Детектора .

2. Решетка по п. 1,отличающа с  тем, что адаптивный процессор содержит N каналов адаптации, каждый из которых состоит из первого и второго сумматоров, выходы которых  вл ютс  выходами адаптивного процессора, интегратора, вход которого через соответствующий управл емый ключ  вл етс  третьим входом адаптив- ного процессора, первого и второго коррел торов, первые входы которых через соответствующие управл емые ключи  вл ютс  соответственно первым и вторым входами адаптивного процессора, третьего и четвертого коррел торов, первые входы которых соединены с первыми входами первого и второго коррел торов соответственно, первого и второго инверторов, третьего и четвертого управл емых аттенюаторов, первые входы которых соединены соответ- tf

ственно с входами первого инвертора и вторым входом первого коррел тора и второго инвертора и вторым входом четвертого коррел тора и  вл ютс  соответственно п тыми входами адаптивного процессора, при

этом выход третьего и четвертого управл емых аттенюаторов подключен к первому входу первого и второго сумматоров соответственно , к первым и вторым входам которых подключены соответственно выход

первого и второго, третьего и четвертого коррел торов, выходы первого и второго инверторов соединены соответственно с входом второго и третьего коррел торов, причем первые, вторые, третьи входы всех

адаптивных каналов соответственно объединены между собой, а выходы всех управл емых ключей подключены к четвертому входу адаптивного процессора.

K jlc/самЗ

Jt-i 21