RU2683140C1 - Adaptive antenna array - Google Patents
Adaptive antenna array Download PDFInfo
- Publication number
- RU2683140C1 RU2683140C1 RU2018120194A RU2018120194A RU2683140C1 RU 2683140 C1 RU2683140 C1 RU 2683140C1 RU 2018120194 A RU2018120194 A RU 2018120194A RU 2018120194 A RU2018120194 A RU 2018120194A RU 2683140 C1 RU2683140 C1 RU 2683140C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- vector
- inputs
- output
- computing module
- unit
- Prior art date
Links
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 title claims abstract description 67
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 27
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 20
- 238000005303 weighing Methods 0.000 claims description 5
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 abstract description 26
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 15
- 238000013459 approach Methods 0.000 abstract description 7
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 abstract 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 11
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 6
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000001052 transient effect Effects 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
- 230000017105 transposition Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
- H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
- H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в системах радиосвязи при приеме сигналов в условиях воздействия помех, источники которых находятся в движении.The invention relates to antenna technology and can be used in radio communication systems when receiving signals under the influence of interference, the sources of which are in motion.
Известна адаптивная антенная решетка [1, с. 56, 2], содержащая N антенных элементов. В канал каждого антенного элемента введено устройство с квадратурными каналами, с помощью которого сигнал разделяется на синфазную и квадратурную составляющие, а каждая из составляющих подвергается операции умножения на весовой коэффициент. Получаемые после такой обработки сигналы складываются в сумматоре. Управление величинами весовых коэффициентов осуществляется с помощью сигнального процессора.Known adaptive antenna array [1, p. 56, 2] containing N antenna elements. A device with quadrature channels is introduced into the channel of each antenna element, with the help of which the signal is divided into in-phase and quadrature components, and each of the components is subjected to the operation of multiplication by the weight coefficient. The signals obtained after such processing are added to the adder. The management of the values of weights is carried out using a signal processor.
Однако функционирование данной адаптивной антенной решетки при изменении направления прихода полезного и помеховых сигналов связано с большими вычислительными и временными затратами.However, the functioning of this adaptive antenna array when changing the direction of arrival of the useful and interference signals is associated with large computational and time costs.
Известна адаптивная антенная решетка [3], содержащая антенные элементы, гибридные устройства, обеспечивающие разделение сигналов на синфазные и квадратурные составляющие, весовые умножители, общий сумматор, адаптивные контуры, полосовой и заградительный фильтры, блоки измерения мощности, блок сравнения и блок управления. С помощью фильтров, блоков измерения мощности, блока сравнения и блока управления обеспечивается минимизация и максимизация выходной мощности общего сумматора в режимах подавления помехи и выделения полезного сигнала.Known adaptive antenna array [3], containing antenna elements, hybrid devices that provide separation of signals into in-phase and quadrature components, weight multipliers, a common adder, adaptive circuits, band-pass and barrage filters, power measurement units, a comparison unit and a control unit. Using filters, power measurement units, a comparison unit, and a control unit, the output power of the total adder is minimized and maximized in the modes of suppressing interference and extracting a useful signal.
Недостатком данной адаптивной антенной решетки является усложнение схемы и необходимость раздельного выполнения режимов минимизации помехи и максимизации мощности полезного сигнала, что приводит к увеличению вычислительных затрат и снижению быстродействия.The disadvantage of this adaptive antenna array is the complexity of the circuit and the need for separate execution of the modes of minimizing interference and maximizing the power of the useful signal, which leads to an increase in computational costs and a decrease in speed.
Известна адаптивная антенная решетка [4], содержащая N антенных элементов, соединенных через комплексные весовые умножители с входами общего сумматора, N адаптивных контуров, первые входы которых соединены с выходами соответствующих антенных элементов, а вторые входы - с выходами общего сумматора. Первые выходы адаптивных контуров подключены к соответствующим входам комплексных весовых умножителей. Первые и вторые входы блока максимизации выходной мощности соединены соответственно с первыми и вторыми выходами адаптивных контуров, а выходы - с соответствующими входами адаптивных контуров. Адаптивная антенная решетка обладает большей помехозащищенностью по отношению к помеховым сигналам независимо от их полосы частот.Known adaptive antenna array [4], containing N antenna elements connected through complex weight multipliers with inputs of a common adder, N adaptive circuits, the first inputs of which are connected to the outputs of the corresponding antenna elements, and the second inputs - with the outputs of the common adder. The first outputs of adaptive circuits are connected to the corresponding inputs of complex weight multipliers. The first and second inputs of the output power maximization unit are connected respectively to the first and second outputs of the adaptive circuits, and the outputs are connected to the corresponding inputs of the adaptive circuits. The adaptive antenna array has greater noise immunity with respect to interfering signals, regardless of their frequency band.
Однако подобную адаптивную антенную решетку целесообразно использовать при приеме сигналов, имеющих паузу в ходе их передачи, например сигналов с псевдослучайной перестройкой частоты. Кроме того, введение блока максимизации выходной мощности и изменение связей, обусловленных этим введением, существенно усложняет адаптивную антенную решетку.However, it is advisable to use such an adaptive antenna array when receiving signals that have a pause during transmission, for example, signals with pseudo-random frequency tuning. In addition, the introduction of a unit for maximizing the output power and changing the connections due to this introduction significantly complicates the adaptive antenna array.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является многофункциональная адаптивная антенная решетка [5], в состав которой входят N антенных элементов, N блоков комплексного взвешивания сигналов, общий сумматор, адаптивный процессор, содержащий блок формирования управляющего вектора, блок формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, блок обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов, блок формирования вектора весовых коэффициентов. Выходы антенных элементов подключены к соответствующим входам блоков комплексного взвешивания сигналов и к входам блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, являющимися соответствующими входами адаптивного процессора. Выходы блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов подключены к соответствующим входам блока обращения ковариационной матрицы помеховых сигналов, выходы которого подключены к входами блока формирования вектора весовых коэффициентов. Выходы блока формирования вектора весовых коэффициентов, являющиеся выходами адаптивного процессора, подключены к управляющим входам блоков комплексного взвешивания, выходы которых подключены к общему сумматору.The closest analogue (prototype) is a multifunctional adaptive antenna array [5], which includes N antenna elements, N blocks of complex signal weighting, a common adder, an adaptive processor containing a control vector generating unit, a covariance matrix generating unit for interfering signals, and a reversing unit covariance matrix of interfering signals, a unit for generating a vector of weight coefficients. The outputs of the antenna elements are connected to the corresponding inputs of the integrated signal weighting units and to the inputs of the covariance matrix generation block of the interference signals, which are the corresponding inputs of the adaptive processor. The outputs of the unit for generating the covariance matrix of interfering signals are connected to the corresponding inputs of the unit for reversing the covariance matrix of interfering signals, the outputs of which are connected to the inputs of the unit for generating the vector of weighting coefficients. The outputs of the unit for generating the vector of weighting coefficients, which are the outputs of the adaptive processor, are connected to the control inputs of the integrated weighing units, the outputs of which are connected to a common adder.
Недостатками данного устройства, как и аналогов, являются большие вычислительные затраты и низкое быстродействие при формировании «нулей» диаграммы направленности антенной решетки в направлении прихода помеховых сигналов в случае быстрого изменения местоположения их источников.The disadvantages of this device, as well as analogues, are the large computational costs and low performance when forming the "zeros" of the antenna array in the direction of arrival of the interfering signals in case of a rapid change in the location of their sources.
Предлагаемая адаптивная антенная решетка направлена на достижение технического результата - повышение быстродействия функционирования адаптивной антенной решетки при приеме полезного сигнала и подавлении помеховых сигналов в случае быстрого изменения местоположения их источников за счет подстройки вектора весовых коэффициентов на основе градиентного подхода.The proposed adaptive antenna array is aimed at achieving a technical result - improving the performance of the adaptive antenna array when receiving a useful signal and suppressing interference signals in the case of a rapid change in the location of their sources by adjusting the weight vector based on the gradient approach.
Для достижения указанного технического результата в адаптивный процессор, содержащий блок формирования управляющего вектора, блок формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, блок формирования вектора весовых коэффициентов, многофункциональной адаптивной антенной решетки, являющейся наиболее близким аналогом (прототипом), содержащей N антенных элементов, N блоков комплексного взвешивания сигналов, общий сумматор, дополнительно введен блок измерения отношения сигнал / (помеха + шум). Также изменена структура блока формирования вектора весовых коэффициентов, состоящего из блока формирования шага, четырех вычислительных модулей и блока хранения вектора весовых коэффициентов. Выходы N антенных элементов подключены к информационным входам N блоков комплексного взвешивания сигналов и к входам блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, являющимися соответствующими входами адаптивного процессора. Выходы блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов подключены к соответствующим входам блока формирования вектора весовых коэффициентов, а именно к первым входам первого вычислительного модуля блока формирования вектора весовых коэффициентов, ко второму входу первого вычислительного модуля подключен первый выход блока формирования шага. Выходы первого вычислительного модуля подключены к первым входам третьего вычислительного модуля, второй выход блока формирования шага подключен к входу второго вычислительного модуля, выходы которого подключены ко вторым входам третьего вычислительного модуля, выходы которого подключены к первым входам четвертого вычислительного модуля, второй вход которого подключен к выходу блока формирования управляющего вектора, информационный вход которого подключен к внешнему источнику. Третий вход четвертого вычислительного модуля подключен к выходу блока хранения вектора весовых коэффициентов. Выход четвертого вычислительного модуля, являясь выходом блока формирования вектора весовых коэффициентов и адаптивного процессора, подключен к управляющим входам блоков комплексного взвешивания, а также ко второму входу блока хранения вектора весовых коэффициентов. Входы N блоков комплексного взвешивания подключены к общему сумматору, выход которого подключен к входу блока измерения отношения сигнал / (помеха + шум) адаптивного процессора, выход которого подключен к входу блока формирования шага и к первому входу блока хранения вектора весовых коэффициентов. Выход общего сумматора также является выходом устройства.To achieve the specified technical result, an adaptive processor comprising a control vector generation unit, a covariance matrix generating unit for interference signals, a weighting coefficient vector generating unit, a multifunctional adaptive antenna array, which is the closest analogue (prototype) containing N antenna elements, N complex weighting units signals, a common adder, an additional block is introduced for measuring the signal / (noise + noise) ratio. Also, the structure of the block for generating the vector of weighting coefficients, consisting of the block for forming the step, four computing modules, and the storage unit for the vector of weighting coefficients, has been changed. The outputs of the N antenna elements are connected to the information inputs of the N blocks of complex signal weighting and to the inputs of the covariance matrix generation block of the interference signals, which are the corresponding inputs of the adaptive processor. The outputs of the block for generating the covariance matrix of the interference signals are connected to the corresponding inputs of the block for generating the vector of weights, namely, to the first inputs of the first computing module of the block for generating the vector of weights, the first output of the block for forming the step is connected to the second input of the first computing module. The outputs of the first computing module are connected to the first inputs of the third computing module, the second output of the step forming unit is connected to the input of the second computing module, the outputs of which are connected to the second inputs of the third computing module, the outputs of which are connected to the first inputs of the fourth computing module, the second input of which is connected to the output block forming the control vector, the information input of which is connected to an external source. The third input of the fourth computing module is connected to the output of the storage unit of the vector of weights. The output of the fourth computing module, being the output of the weighting vector forming unit and the adaptive processor, is connected to the control inputs of the complex weighting units, as well as to the second input of the weighting vector storage unit. The inputs of the N blocks of complex weighing are connected to a common adder, the output of which is connected to the input of the signal / (noise + noise) ratio measuring unit of the adaptive processor, the output of which is connected to the input of the step forming unit and to the first input of the storage unit of the weight vector. The output of the total adder is also the output of the device.
Проведенный сравнительный анализ заявленного устройства и прототипа показывает, что заявленное устройство отличается тем, что:A comparative analysis of the claimed device and prototype shows that the claimed device is characterized in that:
в адаптивный процессор введен блок измерения отношения сигнал / (помеха + шум);a unit for measuring the signal / (noise + noise) ratio is introduced into the adaptive processor;
изменены связи между блоками: выход общего сумматора подключен к адаптивному процессору, а именно, к блоку измерения отношения сигнал / (помеха + шум); выход блока измерения отношения сигнал / (помеха + шум) подключен к блоку формирования вектора весовых коэффициентов; выходы блока формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов подключены к входам блока формирования вектора весовых коэффициентов;communication between the blocks has been changed: the output of the common adder is connected to an adaptive processor, namely, to the signal / (ratio + noise) measuring unit; the output of the signal / (noise + noise) measuring unit is connected to the weighting vector generation unit; the outputs of the block forming the covariance matrix of the interference signals are connected to the inputs of the block forming the vector of weights;
изменена структура блока формирования вектора весовых коэффициентов.the structure of the block for the formation of the vector of weighting coefficients is changed.
Сочетание отличительных признаков предложенной адаптивной антенной решетки из доступной литературы неизвестно, поэтому она соответствует критерию изобретения «новизна».The combination of distinguishing features of the proposed adaptive antenna array from the available literature is unknown, therefore, it meets the criteria of the invention of "novelty."
Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой области и смежной с ней областях позволяет сделать вывод, что введенные элементы в указанной совокупности неизвестны, и их введение в адаптивную антенную решетку указанным образом и с указанными связями позволяет обеспечить ей новое свойство - осуществлять подстройку вектора весовых коэффициентов на основе градиентного метода с целью оперативного изменения направления «нулей» диаграммы направленности. Данное свойство позволяет эффективно подавлять помеховые сигналы, источники которых находятся в движении. В целом это обеспечивает заявляемому решению соответствие критерию «изобретательский уровень».An analysis of the known technical solutions (analogues) in the studied area and its adjacent areas allows us to conclude that the elements introduced in the indicated population are unknown, and their introduction into the adaptive antenna array in the indicated manner and with the indicated connections allows us to provide it with a new property - to adjust the weight vector coefficients based on the gradient method in order to quickly change the direction of the "zeros" of the radiation pattern. This property allows you to effectively suppress interference signals whose sources are in motion. In general, this ensures the claimed solution meets the criterion of "inventive step".
На фигуре 1 приведена структурная схема адаптивной антенной решетки.The figure 1 shows the structural diagram of an adaptive antenna array.
На фигуре 2 представлен вариант выполнения адаптивного процессора.The figure 2 presents an embodiment of an adaptive processor.
На фигуре 3 приведена схема блока формирования вектора весовых коэффициентов.The figure 3 shows a block diagram of the formation of the vector of weights.
На фигуре 4 приведены графики переходных характеристик при формировании вектора весовых коэффициентов на основе градиентного подхода для случаев, когда за начальные значения вектора весовых коэффициентов берется вектор S0 (кривая 1) и значение вектора весовых коэффициентов, полученное на предыдущем этапе подстройки (кривая 2).The figure 4 shows the graphs of the transition characteristics during the formation of the vector of weights based on the gradient approach for cases when the vector S 0 (curve 1) and the value of the vector of weights obtained at the previous adjustment stage (curve 2) are taken as the initial values of the vector of weights.
На фигуре 5 приведен график изменения амплитуды вектора весовых коэффициентов в 7 канале обработки за период подстройки для случая, когда за начальное значение вектора весовых коэффициентов берется значение вектора S0.Figure 5 shows a graph of the amplitude variation of the vector of weighting coefficients in the 7th processing channel for the adjustment period for the case when the value of the vector S 0 is taken as the initial value of the vector of weighting coefficients.
На фигуре 6 приведен график изменения фазы вектора весовых коэффициентов в 7 канале обработки за период подстройки для случая, когда за начальное значение вектора весовых коэффициентов берется значение вектора S0.The figure 6 shows a graph of the phase change of the vector of weights in the 7th processing channel for the adjustment period for the case when the value of the vector S 0 is taken as the initial value of the vector of weights.
На фигуре 7 приведен график изменения амплитуды вектора весовых коэффициентов в 7 канале обработки за период подстройки для случая, когда за начальное значение вектора весовых коэффициентов берется значение, полученное на предыдущем этапе подстройки.The figure 7 shows a graph of the amplitude of the vector of weighting coefficients in the 7th processing channel for the period of adjustment for the case when the value obtained at the previous stage of adjustment is taken as the initial value of the vector of weighting coefficients.
На фигуре 8 приведен график изменения фазы вектора весовых коэффициентов в 7 канале обработки за период подстройки для случая, когда за начальное значение вектора весовых коэффициентов берется значение, полученное на предыдущем этапе подстройки.The figure 8 shows a graph of the phase change of the vector of weighting coefficients in the 7th processing channel for the adjustment period for the case when the value obtained at the previous adjustment step is taken as the initial value of the weighting vector.
На фигуре 9 представлены диаграммы направленности адаптивной антенной решетки в начальный момент времени Т=0 при изменении углового положения источников помеховых сигналов.The figure 9 presents the radiation patterns of the adaptive antenna array at the initial time T = 0 when changing the angular position of the sources of interfering signals.
На фигуре 10 представлены диаграммы направленности адаптивной антенной решетки в середине процесса подстройки вектора весовых коэффициентов Т/2 при изменении углового положения источников помеховых сигналов.The figure 10 presents the radiation patterns of the adaptive antenna array in the middle of the process of adjusting the vector of weight coefficients T / 2 when changing the angular position of the sources of interfering signals.
На фигуре 11 представлены диаграммы направленности адаптивной антенной решетки в установившемся режиме.The figure 11 presents the radiation patterns of the adaptive antenna array in steady state.
В состав адаптивной антенной решетки (фиг. 1) входят антенные элементы 1, образующие N-элементную антенную решетку, адаптивный процессор 2, выходы которого подключены к входам N блоков 3 комплексного взвешивания сигналов, общий сумматор 4, к которому подключены выходы блоков 3 комплексного взвешивания сигналов, выход общего сумматора 4 подключен к адаптивному процессору 2, а также является выходом устройства.The adaptive antenna array (Fig. 1) includes
Адаптивный процессор 2 (фиг. 2) включает в свой состав блок 5 формирования управляющего вектора, блок 6 формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, блок 7 формирования вектора весовых коэффициентов, блок 8 измерения отношения сигнал / (помеха + шум). Выходы блока 6 формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов подключены к соответствующим входам блока 7 формирования вектора весовых коэффициентов, второй вход которого подключен к выходу блока 5 формирования управляющего вектора. Информационный вход блока 5 формирования управляющего вектора подключен к внешнему источнику. Выход блока 7 формирования вектора весовых коэффициентов является выходом адаптивного процессора 2. Выход блока 8 измерения отношения сигнал / (помеха + шум) подключен к блоку 7 формирования вектора весовых коэффициентов.Adaptive processor 2 (Fig. 2) includes a control
Блок 7 формирования вектора весовых коэффициентов (фиг. 3) включает в свой состав блок 9 формирования шага, четыре вычислительных модуля 10-13 и блок 14 хранения вектора весовых коэффициентов. Выходы блока 9 формирования шага подключены к входам первого и второго вычислительных модулей 10 и 11. Выходы первого и второго вычислительных модулей 10 и 11 подключены к соответствующим входам третьего вычислительного модуля 12. К соответствующим входам четвертого вычислительного модуля 13 подключены выходы третьего вычислительного модуля 12 и блока 14 хранения вектора весовых коэффициентов. Выход четвертого вычислительного модуля 13 подключен к входу блока 14 хранения вектора весовых коэффициентов и является выходом блока 7 формирования вектора весовых коэффициентов.
Прежде чем рассмотреть функционирование предлагаемой адаптивной антенной решетки, проведем теоретическое обоснование приема полезного сигнала, реализованного в предлагаемом устройстве при воздействии различных помеховых сигналов, источники которых постоянно изменяют свое положение в пространстве.Before considering the functioning of the proposed adaptive antenna array, we carry out a theoretical justification for the reception of a useful signal implemented in the proposed device when exposed to various interference signals whose sources constantly change their position in space.
Рассмотрим N-элементную антенную решетку с известной геометрией излучающего раскрыва, осуществляющую прием полезного сигнала с направления θ0, ϕ0 и подавление помеховых сигналов, приходящих с неизвестных направлений , , (), источники которых постоянно изменяют свое положение в пространстве. Требуется определить и реализовать набор весовых коэффициентов в каналах адаптивной антенной решетки, обеспечивающих максимум отношения сигнал / (помеха + шум) на выходе адаптивной антенной решетки.Consider an N-element antenna array with known emitting aperture geometry, which receives a useful signal from the θ 0 , ϕ 0 direction and suppresses interference signals coming from unknown directions , , ( ) whose sources are constantly changing their position in space. It is required to determine and implement a set of weighting coefficients in the channels of the adaptive antenna array, providing a maximum signal / (noise + noise) ratio at the output of the adaptive antenna array.
Целевой функцией является максимум ОСПШThe objective function is the maximum SINR
где W - вектор весовых коэффициентов;where W is the vector of weights;
Rss - ковариационная матрица полезного сигнала;R ss - covariance matrix of the useful signal;
Rnn - ковариационная матрица помеховых сигналов;R nn is the covariance matrix of interference signals;
+ - операция комплексного сопряжения и транспонирования.+ - operation of complex conjugation and transposition.
Для максимизации выражения (1) необходимо, чтобы вектор весовых коэффициентов принял оптимальное значениеTo maximize the expression (1), it is necessary that the vector of weight coefficients takes an optimal value
где S0 - вектор, отвечающий за формирование диаграммы направленности адаптивной антенной решетки в направлении прихода полезного сигнала в отсутствии помех.where S 0 is the vector responsible for the formation of the radiation pattern of the adaptive antenna array in the direction of arrival of the useful signal in the absence of interference.
* - операция комплексного сопряжения.* - operation of complex pairing.
Весовые коэффициенты, полученные на основе выражения (2), позволяют сформировать «нули» диаграммы направленности адаптивной антенной решетки в направлениях на источники помеховых сигналов и подавить их. Однако, если источники помеховых сигналов находятся в движении, необходимо постоянно вычислять обратную ковариационную матрицу помеховых сигналов, что связано с большими временными и вычислительными затратами. В связи с этим, данный подход целесообразнее применять для случая стационарных источников помех.Weighting coefficients obtained on the basis of expression (2) make it possible to form “zeros” of the radiation pattern of the adaptive antenna array in the directions to the sources of interfering signals and suppress them. However, if the sources of the interfering signals are in motion, it is necessary to constantly calculate the inverse covariance matrix of the interfering signals, which is associated with large time and computational costs. In this regard, this approach is more appropriate to apply for stationary sources of interference.
Так как целевой функции (1) соответствует только один глобальный максимум, то для его поиска возможно применение градиентного метода, описанного в [1]Since the objective function (1) corresponds to only one global maximum, it is possible to use the gradient method described in [1] to search for it
где W(j+1) - значение вектора весовых коэффициентов на j+1 итерации ();where W (j + 1) is the value of the vector of weights at j + 1 iterations ( );
W(j) - значение вектора весовых коэффициентов на j-ой итерации;W (j) is the value of the vector of weighting coefficients at the jth iteration;
α(j) - число, определяющее направление и шаг адаптации на j-ой итерации;α (j) is a number that determines the direction and step of adaptation at the jth iteration;
∇w(Q) - градиент целевой функции.∇ w (Q) is the gradient of the objective function.
Выражение (3) после несложных математических преобразований примет видExpression (3) after simple mathematical transformations takes the form
где Е - единичная матрица;where E is the identity matrix;
dt - шаг итерации;dt is the iteration step;
γ - коэффициент, характеризующий интенсивность адаптации;γ is a coefficient characterizing the intensity of adaptation;
ΔW(j) - вектор, характеризующий шумы адаптации.ΔW (j) is a vector characterizing adaptation noise.
Следует отметить, что в начальный момент времени при первой итерации значение W(j) равно W(0)=S0. Далее с каждым шагом W(j) будет стремиться к Wopt. Основным достоинством данного метода является то, что отпадает необходимость в прямом обращении ковариационной матрицы помеховых сигналов. Однако выражение (4) эффективно для случая, когда источники сигналов не перемещаются в пространстве. Это связано с тем, что в случае изменения направления излучения хотя бы одного из источников помеховых сигналов необходимо производить подстройку вектора весовых коэффициентов, опять начиная с W(0)=S0 (фиг. 5-6), хотя сам вектор весовых коэффициентов изменяется незначительно. Данный подход приводит к увеличению времени переходного процесса (фиг. 4 кривая 1) при подстройке вектора весовых коэффициентов в каналах обработки и снижению быстродействия функционирования адаптивной антенной решетки при формировании «нулей» диаграммы направленности в направлении на источники помеховых сигналов, находящихся в движении (фиг. 9-11 пунктирная кривая).It should be noted that at the initial moment of time at the first iteration, the value of W (j) is equal to W (0) = S 0 . Further, with each step, W (j) will tend to W opt . The main advantage of this method is that there is no need for direct inversion of the covariance matrix of interfering signals. However, expression (4) is effective for the case when the signal sources do not move in space. This is due to the fact that in the case of a change in the radiation direction of at least one of the sources of interfering signals, it is necessary to adjust the weight vector, again starting with W (0) = S 0 (Fig. 5-6), although the weight vector itself changes slightly . This approach leads to an increase in the transient time (Fig. 4 curve 1) when adjusting the vector of weight coefficients in the processing channels and to reduce the performance of the adaptive antenna array when forming “zeros” of the radiation pattern in the direction of the sources of interfering signals in motion (Fig. 9-11 dashed curve).
Для сокращения время переходного процесса при подстройке вектора весовых коэффициентов в каналах обработки и повышения быстродействия функционирования адаптивная антенная решетка при формировании «нулей» диаграммы направленности в направлении на помеховые сигналы, источники которых находятся в движении, необходимо, чтобы при каждом изменении ковариационной матрицы Rnn производился пересчет вектора весовых коэффициентов на основе выражения (4), но уже с учетом предыдущего значения, так как его амплитудные и фазовые характеристики изменяются незначительно (фиг. 7-8). Скорость пересчета вектора весовых коэффициентов должна быть в разы больше скорости изменения направления на источник полезного сигнала и помех.To reduce the transient time when adjusting the vector of weight coefficients in the processing channels and to increase the operating speed of the adaptive antenna array when forming the “zeros” of the radiation pattern in the direction of the interference signals whose sources are in motion, it is necessary that for every change in the covariance matrix R nn recalculation of the vector of weight coefficients based on expression (4), but already taking into account the previous value, since its amplitude and phase characteristics from enyayutsya slightly (FIG. 7-8). The rate of conversion of the vector of weighting coefficients should be several times greater than the rate of change of direction to the source of the useful signal and interference.
С учетом вышесказанного, выражение (3) примет видIn view of the above, expression (3) will take the form
В выражении (5) индекс обозначает изменение углового положения источников излучения помеховых сигналов.In expression (5), the index denotes a change in the angular position of the radiation sources of interfering signals.
Тогда выражение (4) преобразуется к видуThen expression (4) is transformed to the form
Отличительной особенностью функционирования адаптивной антенной решетки на основе выражения (6) является тот факт, что вектор весовых коэффициентов W(i, j) только в начальный момент при первой итерации принимает значение W(0,0)=S0, далее, при изменении углового положения источников помех и, следовательно, ковариационной матрицы помеховых сигналов , вектор весовых коэффициентов принимает значение вектора, полученного при предыдущем угловом положении источников помех (фиг. 7-8), то есть W(i+1, 0)=W(i, J). Такой подход позволяет уже в начальный момент времени при изменении углового положения источников помеховых сигналов обеспечить формирование «нулей» диаграммы направленности в их направлении (фиг. 9-11 сплошная кривая) и значительно сократить время переходного процесса (фиг. 4 кривая 2). В случае, если изменяется направление излучения полезного сигнала, алгоритм, описанный выше, повторяется, то есть вектор весовых коэффициентов в начальный момент времени принимает значение W(0,0)=S0.A distinctive feature of the functioning of the adaptive antenna array based on expression (6) is the fact that the weight vector W (i, j) only at the initial moment at the first iteration takes the value W (0,0) = S 0 , then, when the angular positions of interference sources and, therefore, the covariance matrix of interference signals , the vector of weights takes the value of the vector obtained at the previous angular position of the interference sources (Fig. 7-8), that is, W (i + 1, 0) = W (i, J). This approach allows already at the initial time when changing the angular position of the sources of interfering signals to ensure the formation of "zeros" of the radiation pattern in their direction (Fig. 9-11 solid curve) and significantly reduce the transition process (Fig. 4 curve 2). If the direction of emission of the useful signal changes, the algorithm described above is repeated, that is, the vector of weight coefficients at the initial time takes the value W (0,0) = S 0 .
Предлагаемая адаптивная антенная решетка функционирует следующим образом.The proposed adaptive antenna array operates as follows.
Аддитивная смесь полезного сигнала, шума и помехового сигнала принимается N антенными элементами 1. Часть смеси полезного сигнала, шума и помехового сигнала поступает на входы блоков 3 комплексного взвешивания сигналов. Аналогично вторая часть смеси полезного сигнала, шума и помехового сигнала подается на соответствующие входы адаптивного процессора 2, а именно, на входы блока 6 формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов.An additive mixture of the useful signal, noise and interfering signal is received by the
Рассмотрим подробнее функционирование адаптивного процессора 2. Смесь полезного и помехового сигналов подаются на входы блока 6 формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, в которых в соответствии с приведенными соотношениями формируются коэффициенты ковариационной матрицы помеховых сигналов. Сигналы, соответствующие коэффициентам ковариационной матрицы помеховых сигналов, поступают на входы блока 7 формирования вектора весовых коэффициентов. На управляющий вход блока 7 формирования вектора весовых коэффициентов поступает также сигнал от блока 5 формирования управляющего вектора (S0=Anexp(-ik(xn sin θ0 cos ϕ0+уn sin θ0 sin ϕ0))), содержащего сведения о направлении прихода полезного сигнала и амплитудно-фазовом распределении токов в излучателях антенной решетки. Сигнал о направлении прихода полезного сигнала и изменении амплитудно-фазового распределения токов в излучателях антенной решетки поступает на информационный вход блока 5 формирования управляющего вектора от внешнего источника. По управляющей команде от блока 8 измерения отношения сигнал / (помеха + шум) в блоке 7 формирования вектора весовых коэффициентов формируются сигналы, соответствующие элементам вектора весовых коэффициентов. Формирование этих сигналов выполняется на основе градиентного метода.Let us consider in more detail the functioning of
Рассмотрим подробнее функционирование блока 7 формирования вектора весовых коэффициентов. На входы первого вычислительного модуля 10 поступают сигналы от блока 6 формирования ковариационной матрицы помеховых сигналов, а также сигнал от блока 9 формирования шага. В результате в первом вычислительном модуле 10, хранящем информацию о значении коэффициента γ, производится операция умножения γdtRnn. Сигнал от блока 9 формирования шага поступает на вход второго вычислительного модуля 11, который хранит информацию о размерности единичной матрицы Е. В результате во втором вычислительном модуле 11 производится операция (dt-1)Е. Сигналы от первого и второго вычислительных модулей 10 и 11 поступают на соответствующие входы третьего вычислительного модуля 12, где производится операция сложения [(dt-1)Е+γdtRnn]. Далее сигналы от третьего вычислительного модуля 12 поступают на входы четвертого вычислительного модуля 13. Также на входы четвертого вычислительного модуля 13 поступают сигналы блока 5 формирования управляющего вектора и от блока 14 хранения вектора весовых коэффициентов, в котором хранится значение вектора весовых коэффициентов, рассчитанное на предыдущем шаге итерации. В четвертом вычислительном модуле 13 производится формирование вектора весовых коэффициентов на основе выражения (6), значение которого записывается в блок 14 хранения вектора весовых коэффициентов. Управляющие воздействия от вычислительного модуля 13 поступают на соответствующие управляющие входы блоков 3 комплексного взвешивания сигналов. Составляющие полезного сигнала, умноженные на свои весовые коэффициенты, поступают в сумматор 4, где производится суммирование сигналов. С выхода сумматора 4 сигнал поступает на вход адаптивного процессора 2, а именно на вход блока 8 измерения отношения сигнал / (помеха + шум), где производится измерение ОСПШ и сравнение его со значением, полученным на предыдущем шаге итерации. Если значение ОСПШ больше, чем на предыдущем шаге итерации, то блок 8 измерения отношения сигнал / (помеха + шум) подает команду на блок 9 формирования шага, который формирует значение следующего шага итерации, и блок 14 хранения вектора весовых коэффициентов, который формирует сигнал, характеризующий значение вектора весовых коэффициентов, рассчитанного на предыдущем шаге итерации. Если значение ОСПШ меньше, чем на предыдущем шаге итерации, то блок 8 измерения отношения сигнал / (помеха + шум) подает команду только на блок 14 хранения вектора весовых коэффициентов, который формирует сигнал, характеризующий значение вектора весовых коэффициентов, рассчитанного на предыдущем шаге итерации. Данный сигнал поступает на четвертый вычислительный модуль 13 и далее на управляющие входы блоков 3 комплексного взвешивания сигналов, затем на сумматор 4 и на выход устройства. В случае, если источник полезного сигнала изменил свое местоположение, то в качестве значения вектора весовых коэффициентов, рассчитанного на предыдущем шаге, выступает значение управляющего вектора S0, которое поступает на четвертый вычислительный модуль 13 от блока 5 формирования управляющего вектора, сформированного на основе информационного сигнала, поступившего от внешнего источника.Let us consider in more detail the functioning of the
Исследование полученных закономерностей проведено на основе антенной решетки прямоугольного раскрыва 10×10 излучателей (N=100). Направление прихода полезного сигнала по углу θ изменяется от 0° до 10°, по углу ϕ не изменяется и равно 0°. На ААР воздействуют четыре помехи мощностью 30 дБ каждая. Направления прихода помеховых сигналов по углу ϕ не изменяются и равны 0°. Направления прихода по углу θ первой помехи изменяется от -17° до 12°, второй - от 17° до 32°, третьей - от 28° до 38°, четвертой - от 45° до 55°. Уровень шума адаптации составляет -50 дБ. Коэффициент, характеризующий интенсивность адаптации γ, принят равным 0.3.The study of the obtained patterns was carried out on the basis of an antenna array of a rectangular aperture of 10 × 10 emitters (N = 100). The direction of arrival of the useful signal in the angle θ varies from 0 ° to 10 °, in the angle ϕ it does not change and is equal to 0 °. AAR is affected by four 30 dB each interference. The directions of arrival of the interference signals along the angle ϕ do not change and are equal to 0 °. The direction of arrival along the θ angle of the first interference varies from -17 ° to 12 °, the second from 17 ° to 32 °, the third from 28 ° to 38 °, and the fourth from 45 ° to 55 °. The adaptation noise level is -50 dB. The coefficient characterizing the intensity of adaptation γ, taken equal to 0.3.
Результаты моделирования приведены на фигурах 4-11.The simulation results are shown in figures 4-11.
Адаптивная антенная решетка может быть реализована на современной элементной базе. Выполнение введенных блоков не вызывает затруднений.Adaptive antenna array can be implemented on a modern element base. The implementation of the entered blocks is straightforward.
Сказанное выше подтверждает соответствие критерию «промышленная применимость» предложенного технического решения.The foregoing confirms compliance with the criterion of "industrial applicability" of the proposed technical solution.
Из сказанного следует, что адаптивная антенная решетка обеспечивает выделение полезного сигнала из принимаемой совокупности полезного и помеховых сигналов с неизвестными параметрами, источники которых находятся в движении, в реальном масштабе времени.It follows from the foregoing that the adaptive antenna array provides the selection of the useful signal from the received set of useful and interference signals with unknown parameters, the sources of which are in motion, in real time.
Таким образом, введение нового блока измерения отношения сигнал / (помеха + шум), а также изменение структуры блока формирования вектора весовых коэффициентов позволяет получить технический результат, заключающийся в повышении быстродействия функционирования адаптивной антенной решетки при приеме полезного сигнала и подавлении помеховых сигналов в случае быстрого изменения местоположения их источников за счет подстройки вектора весовых коэффициентов на основе градиентного подхода.Thus, the introduction of a new block for measuring the signal / (noise + noise) ratio, as well as changing the structure of the block for generating the vector of weighting coefficients, allows to obtain a technical result consisting in increasing the speed of the adaptive antenna array when receiving a useful signal and suppressing interference signals in case of a quick change the location of their sources due to the adjustment of the vector of weight coefficients based on the gradient approach.
ЛитератураLiterature
1. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию: Пер. с англ. - М.: Радио и связь, 1986. - 448 с. 1. Monzingo R.A., Miller T.U. Adaptive Antenna Arrays: Introduction to Theory: Per. from English - M .: Radio and communications, 1986. - 448 p.
2. Авторское свидетельство 1506569. Устройство для приема широкополосных сигналов с адаптивной антенной решеткой / В.И. Журавлев, Т.О. Бокк. - Бюллетень изобретений №33, 25.06.1987 г. - H04L 7/02.2. Copyright certificate 1506569. Device for receiving broadband signals with an adaptive antenna array / V.I. Zhuravlev, T.O. Bock - Bulletin of inventions No. 33, 06/25/1987 -
3. Авторское свидетельство 1548820. Адаптивная антенная решетка / Л.А. Марчук, В.В. Поповский, В.И. Евдокимов, С.М. Крымов, И.В. Сергеев. - Бюллетень изобретений №9, 07.03.1990 г. - H0/Q 21/00.3. Copyright certificate 1548820. Adaptive antenna array / L.A. Marchuk, V.V. Popovsky, V.I. Evdokimov S.M. Krymov, I.V. Sergeev. - Bulletin of inventions No. 9, 03/07/1990, H0 / Q 21/00.
4. Патент 2099838 (РФ). Адаптивная антенная решетка / А.В. Колинько, В.Ф. Комарович, Марчук Л.А., Савельев А.Н. - Опубл. 20.12.97 г. - Н01021/00.4. Patent 2099838 (RF). Adaptive antenna array / A.V. Kolinko, V.F. Komarovich, Marchuk L.A., Savelyev A.N. - Publ. 12/20/97 - H01021 / 00.
5. Патент 2579996 (РФ). Многофункциональная адаптивная антенная решетка / А.Н. Новиков, Д.С Махов. - Опубл. 10.04.16 г. - H01Q 21/00.5. Patent 2579996 (RF). Multifunctional adaptive antenna array / A.N. Novikov, D.S. Makhov. - Publ. 04/10/16 - H01Q 21/00.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018120194A RU2683140C1 (en) | 2018-05-31 | 2018-05-31 | Adaptive antenna array |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2018120194A RU2683140C1 (en) | 2018-05-31 | 2018-05-31 | Adaptive antenna array |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2683140C1 true RU2683140C1 (en) | 2019-03-26 |
Family
ID=65858729
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2018120194A RU2683140C1 (en) | 2018-05-31 | 2018-05-31 | Adaptive antenna array |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2683140C1 (en) |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2731875C1 (en) * | 2020-05-12 | 2020-09-08 | Акционерное общество научно-внедренческое предприятие "ПРОТЕК" | Adaptive antenna array for bistatic radar system |
RU2739938C1 (en) * | 2020-04-03 | 2020-12-30 | Акционерное общество научно-внедренческое предприятие "ПРОТЕК" | Method for spatial compensation of direct and reflected signals when a reflected signal from an air target is detected by a bistatic radar system |
RU2744030C1 (en) * | 2020-09-02 | 2021-03-02 | Акционерное общество научно-внедренческое предприятие "ПРОТЕК" | Combined adaptive antenna array |
RU2750858C1 (en) * | 2020-11-16 | 2021-07-05 | Акционерное общество научно-внедренческое предприятие "ПРОТЕК" | Combined adaptive antenna array |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2014680C1 (en) * | 1991-03-05 | 1994-06-15 | Военная академия связи | Adaptive array |
US20060194544A1 (en) * | 2002-08-29 | 2006-08-31 | Struckman Keith A | Method for separating interferering signals and computing arrival angles |
RU2579996C2 (en) * | 2014-01-16 | 2016-04-10 | Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ | Multifunctional adaptive antenna array |
-
2018
- 2018-05-31 RU RU2018120194A patent/RU2683140C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2014680C1 (en) * | 1991-03-05 | 1994-06-15 | Военная академия связи | Adaptive array |
US20060194544A1 (en) * | 2002-08-29 | 2006-08-31 | Struckman Keith A | Method for separating interferering signals and computing arrival angles |
RU2579996C2 (en) * | 2014-01-16 | 2016-04-10 | Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ | Multifunctional adaptive antenna array |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2739938C1 (en) * | 2020-04-03 | 2020-12-30 | Акционерное общество научно-внедренческое предприятие "ПРОТЕК" | Method for spatial compensation of direct and reflected signals when a reflected signal from an air target is detected by a bistatic radar system |
RU2731875C1 (en) * | 2020-05-12 | 2020-09-08 | Акционерное общество научно-внедренческое предприятие "ПРОТЕК" | Adaptive antenna array for bistatic radar system |
RU2744030C1 (en) * | 2020-09-02 | 2021-03-02 | Акционерное общество научно-внедренческое предприятие "ПРОТЕК" | Combined adaptive antenna array |
RU2750858C1 (en) * | 2020-11-16 | 2021-07-05 | Акционерное общество научно-внедренческое предприятие "ПРОТЕК" | Combined adaptive antenna array |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
RU2683140C1 (en) | Adaptive antenna array | |
Chan et al. | Uniform concentric circular arrays with frequency-invariant characteristics—theory, design, adaptive beamforming and DOA estimation | |
Gershman et al. | Constrained Hung-Turner adaptive beam-forming algorithm with additional robustness to wideband and moving jammers | |
RU2466482C1 (en) | Adaptive antenna array | |
Zhao et al. | A division-free and variable-regularized LMS-based generalized sidelobe canceller for adaptive beamforming and its efficient hardware realization | |
CN111487653B (en) | Null broadening method and device and terminal equipment | |
Chen et al. | Adaptive beamforming using the constrained Kalman filter | |
Hamici | Fast beamforming with fault tolerance in massive phased arrays using intelligent learning control | |
CN106549235B (en) | A kind of phased-array antenna directional diagram method for optimizing performance parameters and electronic equipment | |
Khalaf et al. | Different adaptive beamforming algorithms for performance investigation of smart antenna system | |
Ward et al. | Application of a systolic array to adaptive beamforming | |
Chen et al. | Adaptive beamforming using frequency invariant uniform concentric circular arrays | |
Nai et al. | A robust adaptive beamforming framework with beampattern shaping constraints | |
US6904444B2 (en) | Pseudo-median cascaded canceller | |
Wei et al. | Window function design for asymmetric beampattern synthesis and applications | |
RU195782U1 (en) | BROADBAND ADAPTIVE ANTENNA ARRAY | |
RU2579996C2 (en) | Multifunctional adaptive antenna array | |
Pliushch et al. | Utilization of Clipper Circuits to Improve Efficiency of the Gradient Signal Processing Algorithm for Adaptive Antenna Arrays | |
CN108828536B (en) | Broadband emission digital beam forming interference design method based on second-order cone programming | |
Wei et al. | Asymmetric beampattern synthesis for rectangular planar array via window function design | |
RU2271066C2 (en) | Method for adaptive on-line noise compensation | |
RU2609792C1 (en) | Method of processing signals in modular adaptive antenna array during reception of correlated signals and interference | |
RU2633029C1 (en) | Transmitting adaptive antenna array | |
Zaharov et al. | SMI-MVDR beamformer implementations for large antenna array and small sample size | |
RU2707985C2 (en) | Automated multifunctional adaptive antenna array |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200601 |