RU2722413C1 - Устройство пространственного разделения сигналов - Google Patents
Устройство пространственного разделения сигналов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2722413C1 RU2722413C1 RU2019132703A RU2019132703A RU2722413C1 RU 2722413 C1 RU2722413 C1 RU 2722413C1 RU 2019132703 A RU2019132703 A RU 2019132703A RU 2019132703 A RU2019132703 A RU 2019132703A RU 2722413 C1 RU2722413 C1 RU 2722413C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- matrix
- signals
- antenna array
- outputs
- inputs
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
- G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
- G01S3/14—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
- G01S3/28—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using amplitude comparison of signals derived simultaneously from receiving antennas or antenna systems having differently-oriented directivity characteristics
- G01S3/32—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using amplitude comparison of signals derived simultaneously from receiving antennas or antenna systems having differently-oriented directivity characteristics derived from different combinations of signals from separate antennas, e.g. comparing sum with difference
- G01S3/36—Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using amplitude comparison of signals derived simultaneously from receiving antennas or antenna systems having differently-oriented directivity characteristics derived from different combinations of signals from separate antennas, e.g. comparing sum with difference the separate antennas having differently-oriented directivity characteristics
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S3/00—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
- G01S3/02—Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received using radio waves
- G01S3/74—Multi-channel systems specially adapted for direction-finding, i.e. having a single antenna system capable of giving simultaneous indications of the directions of different signals
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в аппаратуре потребителей для разделения сигналов, излучаемых с различных направлений. Целью предлагаемого изобретения является разработка устройства пространственного разделения нескольких сигналов с известными направлениями на их источники. Поставленная цель выполняется устройством пространственного разделения сигналов, содержащим антенную решетку, имеющую К антенных элементов, пеленгатор, формирователь матрицы направленности, формирователь псевдообратной матрицы, матричный умножитель, которые имеют между собой связи в виде выходов антенных элементов антенной решетки, соединенных с одними входами матричного умножителя и с входами пеленгатора, выходы которого соединены с входами формирователя матрицы направленности, имеющей выходы, соединенные с входами формирователя псевдообратной матрицы, выходы которой соединены с другими входами матричного умножителя, имеющего выходы к потребителям, обеспечивающие: антенной решеткой прием сигналов от пространственно разнесенных источников, формируя вектор
где AN=[А(θ1), А(θ2), …, А(θМ)] - матрица, состоящая из М векторов
соответствующих направлениям θ1, θ2, …, θМ прихода М сигналов, где λ - длина волны, dk - расстояние от k-го (k=1, 2 …, K) антенного элемента до фазового центра антенной решетки, ϕk - направление на k-й (k=1, 2, …, K) антенный элемент из фазового центра антенной решетки; пеленгатором определение направлений θ1, θ2, …, θМ прихода сигналов; формирователем матрицы направленности формирование матрицы AN=[А(θ1), А(θ2), …, А(θМ)] по определенным направлениям θ1, θ2, …, θМ, где
формирователем псевдообратной матрицы расчет псевдообратной матицы AP=[ANHAN]-1ANH, где «Н» - индекс транспонирования и комплексного сопряжения; матричным умножителем оценку вектора входных сигналов
содержащего оценки входных сигналов s1(t), s2(t), …, sM(t),
соответствующих заданным направлениям прихода θ1, θ2, …, θМ, то есть разделение сигналов, поступающих от различных источников. Здесь aPmk (m=1, 2, …, М, k=1, 2, …, K) - элементы матрицы АР. Техническим результатом при реализации заявленного решения выступает создание устройства пространственного разделения сигналов, позволяющего разделить поступающие сигналы. При этом сигналы имеют одну и ту же несущую частоту, то есть функционируют в одной полосе частот. Это позволяет повысить эффективность использования частотных ресурсов, с одной стороны, либо разделить полезный сигнал и помехи, поступающие на антенную решетку, с другой стороны. 4 ил.
Description
Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в аппаратуре потребителей для разделения сигналов, излучаемых с различных направлений.
Известен способ разделения сигналов [1], включающий рекурсивный алгоритм наименьших квадратов для слепого разделения сигналов, в котором наблюдаемая смесь сигналов предварительно отбеливается, затем с помощью адаптивного рекурсивного алгоритма осуществляется разделение сигналов.
Недостатком данного способа является то, что предварительное отбеливание требует сложных вычислений и его трудно использовать при обработке сигналов в реальном времени.
Известен способ разделения сигналов [2, 3, 4], включающий алгоритмы разделения смеси сигналов, использующие нейронные сети с применением кумулянтного анализа.
Недостатком данного способа является то, что требуются серьезные вычислительные затраты, сопровождаемые большим временем выполнения и погрешностями в разделении сигналов.
Наиболее близким по технической сущности является устройство, предложенное Фростом [5], включающее выделение сигнала с известным направлением прихода на фоне помех с использованием адаптивной антенной решетки.
Недостатком данного устройства является то, что происходит выделение только одного сигнала.
Целью предлагаемого изобретения является разработка устройства пространственного разделения нескольких сигналов, с известными направлениями на их источники.
Поставленная цель выполняется устройством пространственного разделения сигналов, содержащим антенную решетку, имеющую К антенных элементов, пеленгатор, формирователь матрицы направленности, формирователь псевдообратной матрицы, матричный умножитель, которые имеют между собой связи в виде выходов антенных элементов антенной решетки, соединенных с одними входами матричного умножителя и с входами пеленгатора, выходы которого соединены с входами формирователя матрицы направленности, имеющей выходы соединенные с входами формирователя псевдообратной матрицы, выходы которой соединенны с другими входами матричного умножителя, имеющего выходы к потребителям, обеспечивающие:
- антенной решеткой прием сигналов от пространственно разнесенных источников, формируя вектор
где AN=[A(θ1), А(θ2), …, A(θM)] - матрица, состоящая из М векторов
соответствующих направлениям θ1, θ2, …, θМ прихода М сигналов, где λ - длина волны,
dk - расстояние от k-го (k=1, 2 …, K) антенного элемента до фазового центра антенной решетки,
ϕk - направление на k-й (k=1, 2, …, K) антенный элемент из фазового центра антенной решетки,
- пеленгатором определение направлений θ1, θ2, …, θМ прихода сигналов;
- формирователем матрицы направленности формирование матрицы AN=[A(θ1), А(θ2), …, А(θМ)] по определенным направлениям θ1, θ2, …, θМ, где
- формирователем псевдообратной матрицы расчет псевдообратной матицы AP=[ANHAN]-1ANH, где «Н» - индекс транспонирования и комплексного сопряжения,
- матричным умножителем оценку вектора входных сигналов
содержащего оценки входных сигналов s1(t), s2(t), …, sM(t),
соответствующих заданным направлениям прихода θ1, θ2, …, θМ,, то есть разделение сигналов, поступающих от различных источников. Здесь aPmk (m=1, 2, …, М, k=1, 2, …, K) - элементы матрицы АР.
На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства пространственного разделения сигналов, на фиг. 2 показан пространственный спектр входных сигналов, на фиг. 3 показаны входные сигналы, на фиг. 4 показаны сигналы на выходе устройства разделения при различных значениях аддитивных внутренних шумов в каналах антенной решетки.
Устройство пространственного разделения сигналов содержит антенную решетку 1, имеющую К пространственно разнесенных антенных элементов, пеленгатор 2, формирователь матрицы направленности 3, формирователь псевдообратной матрицы 4, матричный умножитель 5. Выходы антенных элементов антенной решетки 1 соединены с соответствующими входами пеленгатора 2 и матричного умножителя 5. Выходы пеленгатора 2 соединены с соответствующими входами формирователя матрицы направленности 3, выходы которого соединены с входами формирователя псевдообратной матрицы 4. Выходы формирователя псевдообратной матрицы 4 подключены к соответствующим входам матричного умножителя 5, выходы которого являются выходами устройства пространственного разделения сигналов.
Работает устройство следующим образом:
Антенная решетка 1, имеющая К антенных элементов 11, 12, …, 1К, принимает сигналы, приходящие с различных направлений, формируя из них вектор сигналов
где AN=[А(θ1), А(θ2), …, A(θM)] - матрица размерности K×М, состоящая из М векторов
соответствующих направлениям θ1, θ2, …, θМ прихода М сигналов,
«H» - индекс транспонирования и комплексного сопряжения,
λ - длина волны,
dk - расстояние от k-го (k=1, 2, …, K) антенного элемента до фазового центра антенной решетки,
ϕk - направление на k-й (k=1, 2, …, K) антенный элемент из фазового центра антенной решетки.
Сигналы x1(t), x2(t), …, xK(t) поступают в пеленгатор 2, который с использованием алгоритма Кейпона [7] по максимумам пространственного спектра
определяет направления прихода θ1, θ2, …, θМ сигналов s1(t), s2(t), …, sM(t). Здесь индекс «Н» означает транспонирование и комплексное сопряжение, R=E[XXT] - корреляционная матрица сигналов x1(t), x2(t), …, xK(t).
Формирователь матрицы направлений 3, получив направления прихода θ1, θ2, …, θМ с использованием равенств (1) и (2) определяет вектор входных сигналов S(t). Для этого правую и левую часть уравнения (1) умножает на транспонированную матрицу ANH и получает
Произведение ANTAN представляет собой квадратную матрицу. Умножая обе части системы (4) на обратную матрицу [ANTAN]-1 вектор входных сигналов S(t) получает вид
В формулу для расчета вектора сигналов S(t) входит произведение матриц
Матрица АР называется псевдообратной матрицей [6].
Зная матрицу АР и сигналы x1(t), x2(t), …, xK(t) в каналах антенной решетки, с помощью (4) определяет сигналы s1(t), s2(t), …, sM(t), принимаемые антенной решеткой 1.
Матрица АР вычисляется в формирователе псевдообратной матрицы 4 с помощью матрицы направленности AN, которая содержат вектора A(θ1), А(θ2), …, А(θМ) и определяется в формирователе матрицы направленности 3. Определение векторов A(θ1), А(θ2), …, А(θМ) осуществляется с помощью (3) по известным направлениям θ1, θ2, …, θМ на источники М сигналов, поступающих на антенную решетку 1.
Сформированная в формирователе псевдообратной матрицы 4 матрица АР, передается в матричный умножитель 5. Матричный умножитель 5, получив от антенной решетки 1 вектор сигналов X(t) и от формирователя псевдообратной матрицы 4 псевдообратую матрицу АР формирует оценку вектора входных сигналов
соответствующих направлениям θ1, θ2, …, θМ прихода М сигналов, то есть обеспечивает их разделение. Здесь aPmk (m=1, 2, …, М, k=1, 2, …, K) - элементы матрицы АР.
Таким образом, в предложенном устройстве и способе обеспечивается разделение сигналов, поступающих на антенную решетку от различных источников.
Для примера рассмотрим результаты разделения двух сигналов, поступающих на 7 элементную линейную антенную решетку.
Линейная антенная решетка содержит семь антенных элементов расположенных равномерно на расстоянии 0,5 м друг от друга.
На антенную решетку с двух направлений ϕ1=80°, ϕ2=60° поступают: частотно модулированный (ЧМ) и фазоманипулированный (ФМ) сигналы.
Частотно модулированный сигнал
где A1=2 - амплитуда сигнала, ω1=300 МГц - несущая частота, Ω=6 МГц - частота модуляции, mf=0.2 - индекс частотной модуляции.
Фазоманипулированный сигнал
где ω2=300 МГц - несущая частота, A2(t) - знакопеременная амплитуда, принимающая значения ±1 каждые 5 периодов сигнала,.
На Фиг. 2 приведены результаты пеленгации (пространственный спектр сигналов) с использованием алгоритма Кейпона [7]. Оцененные направления на источники ЧМ и ФМ сигналов соответственно равны 80° и 60° (совпадают с исходными).
На Фиг. 3 приведены графики s1 ЧМ сигнала и s2 ФМ сигнала на входе антенной решетки.
Для сравнения на Фиг. 4 приведены графики ЧМ и ФМ сигналов на выходе схемы разделения при различных значениях аддитивных внутренних шумов в каналах антенной решетки.
На Фиг 4а), Фиг. 4.б) и Фиг. 4в) приведены графики сигналов на выходе схемы разделения при наличии в каналах антенной решетки гауссовых шумов с среднеквадратическими значениями σ=0,1, σ=0,2 и σ=0,4 соответственно.
Как видно из сравнения рисунков Фиг. 3 и Фиг. 4.а) сигналы на входе антенной решетки и сигналы на выходе схемы разделения практически совпадают.
Из Фиг 4.б) и Фиг. 4.в) видно, что с ростом уровней внутренних шумов в сигналах на выходе схемы разделения проявляются незначительные искажения, которые являются естественным результатом воздействия шумов.
Таким образом, предложенные устройство пространственного разделения сигналов позволяет разделить сигналы, поступающие на устройство. При этом сигналы имеют одну и ту же несущую частоту, то есть функционируют в одной полосе частот. Это позволяет повысить эффективность использования частотных ресурсов, с одной стороны, либо разделить полезный сигнал и помехи, поступающие на антенную решетку другой стороны.
Литература.
1. Zhu Xiaolong, Zhang Xianda & Ye Jimin. Natural gradient-based recursive least-squares algorithm or adaptive blind source separation. Science in China Ser. F Information Sciences 2004, Vol. 47, No. 1 p.p. 55-65.
2. Малыхин В.M., Меркушева А.В. Адаптивные методы и алгоритмы разделения смеси сигналов с независимыми компонентами. Научное приборостроение, 2010, том 20, №3, с. 35-48.
3. Меркушева А.В., Малыхина Г.Ф. Методы и алгоритмы разделения смеси сигналов. I. Применение декорреляции и статистик второго порядка. Научное приборостроение, 2009, том 19, №2, с. 90-103.
4. В.М. Малыхин, А.В. Меркушева. Методы и алгоритмы разделения смеси сигналов. II. Применение М-градиента к анализу независимых компонент. Научное приборостроение, 2009, том 19, №4, с. 83-95.
5. Фрост III. Алгоритм линейно-ограниченной обработки сигналов в адаптивной решетке. - ТИИЭР, 1972, т. 60. №8, с. 5-14.
6. Беклемишев Д.В. Дополнительные главы линейной алгебры. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1983. 336 с.
7. Петров В.П. Алгоритмы оценки пространственного спектра в адаптивных цифровых антенных решетках. Вестник СибГУТИ. 2011, №, с. 60-70.
Claims (19)
- Устройство пространственного разделения сигналов, содержащее антенную решетку, имеющую К антенных элементов, пеленгатор, формирователь матрицы направленности, формирователь псевдообратной матрицы, матричный умножитель, имеющие между собой связи в виде выходов антенных элементов антенной решетки, соединенных с одними входами матричного умножителя и входами пеленгатора, выходы которого соединены с входами формирователя матрицы направленности, имеющей выходы, соединенные с входами формирователя псевдообратной матрицы, выходы которого соединены с другими входами матричного умножителя, имеющего выходы к потребителям, обеспечивающие:
- - антенной решеткой прием сигналов от пространственно разнесенных источников, формируя вектор
- где AN=[А(θ1), А(θ2), …, А(θM)] - матрица, состоящая из М векторов
- соответствующих направлениям θ1, θ2, …, θМ прихода М сигналов,
- где λ - длина волны,
- dk - расстояние от k-го (k=1, 2 …, K) антенного элемента до фазового центра антенной решетки,
- ϕk - направление на k-й (k=1, 2, …, K) антенный элемент из фазового центра антенной решетки;
- - пеленгатором определение направлений θ1, θ2, …, θМ прихода сигналов;
- - формирователем матрицы направленности формирование матрицы AN=[А(θ1), А(θ2), …, А(θМ)] по заданным направлениям прихода М сигналов θ1, θ2, …, θМ, где
- - формирователем псевдообратной матрицы расчет псевдообратной матицы AP=[ANHAN]-1ANH, где «Н» - индекс транспонирования и комплексного сопряжения;
- - матричным умножителем оценку вектора входных сигналов
- где aPmk (m=1, 2, …, M, k=1, 2, …, K) - элементы матрицы АР,
- соответствующих определенным направлениям прихода θ1, θ2, …, θМ, то есть разделение сигналов, поступающих от различных источников.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019132703A RU2722413C1 (ru) | 2019-10-16 | 2019-10-16 | Устройство пространственного разделения сигналов |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019132703A RU2722413C1 (ru) | 2019-10-16 | 2019-10-16 | Устройство пространственного разделения сигналов |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2722413C1 true RU2722413C1 (ru) | 2020-05-29 |
Family
ID=71067597
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019132703A RU2722413C1 (ru) | 2019-10-16 | 2019-10-16 | Устройство пространственного разделения сигналов |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2722413C1 (ru) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2818856C1 (ru) * | 2024-02-16 | 2024-05-06 | Акционерное общество научно-внедренческое предприятие "ПРОТЕК" | Устройство измерения параметров радиосигналов пространственно-распределенной системы радиопередатчиков с использованием беспилотного летательного аппарата |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2233028C2 (ru) * | 2002-04-08 | 2004-07-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Воронежский научно-исследовательский институт связи" | Радиолиния связи с пространственным разделением сигнала |
US7190308B2 (en) * | 2004-09-23 | 2007-03-13 | Interdigital Technology Corporation | Blind signal separation using signal path selection |
CN101027571B (zh) * | 2004-09-23 | 2011-05-04 | 美商内数位科技公司 | 使用展频码的盲信号分离 |
RU1841017C (ru) * | 1985-01-02 | 2015-01-27 | Государственное Предприятие "Научно-Исследовательский Институт "Квант" | Имитатор сигналов пассивного радиолокатора |
-
2019
- 2019-10-16 RU RU2019132703A patent/RU2722413C1/ru active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU1841017C (ru) * | 1985-01-02 | 2015-01-27 | Государственное Предприятие "Научно-Исследовательский Институт "Квант" | Имитатор сигналов пассивного радиолокатора |
RU2233028C2 (ru) * | 2002-04-08 | 2004-07-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Воронежский научно-исследовательский институт связи" | Радиолиния связи с пространственным разделением сигнала |
US7190308B2 (en) * | 2004-09-23 | 2007-03-13 | Interdigital Technology Corporation | Blind signal separation using signal path selection |
CN101027571B (zh) * | 2004-09-23 | 2011-05-04 | 美商内数位科技公司 | 使用展频码的盲信号分离 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2818856C1 (ru) * | 2024-02-16 | 2024-05-06 | Акционерное общество научно-внедренческое предприятие "ПРОТЕК" | Устройство измерения параметров радиосигналов пространственно-распределенной системы радиопередатчиков с использованием беспилотного летательного аппарата |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US10637520B2 (en) | Devices and methods using the hermetic transform | |
US10955542B2 (en) | Radar apparatus and direction-of-arrival estimation device | |
KR101555996B1 (ko) | 저피탐 표적 탐지를 위한 주파수 다이버시티를 이용한 공분산 행렬 합성 장치 및 방법 | |
Mao et al. | Oblique projection polarisation filtering for interference suppression in high-frequency surface wave radar | |
WO2004104620A1 (ja) | 固有値分解を利用しない信号到来方向推定手法および受信ビーム形成装置 | |
Hakam et al. | Enhanced DOA estimation algorithms using MVDR and MUSIC | |
Balabadrapatruni | Performance evaluation of direction of arrival estimation using Matlab | |
He et al. | Simultaneous interference localization and array calibration for robust adaptive beamforming with partly calibrated arrays | |
Thazeen et al. | DOA method with reduced bias and side lobe suppression | |
Fouda et al. | Efficient GLRT/DOA spectrum sensing algorithm for single primary user detection in cognitive radio systems | |
Esmaeilbeig et al. | Joint waveform and passive beamformer design in multi-IRS-aided radar | |
Lin et al. | 3D wideband mmWave localization for 5G massive MIMO systems | |
RU2722413C1 (ru) | Устройство пространственного разделения сигналов | |
Raghu | Performance evaluation & analysis of direction of arrival estimation algorithms using ULA | |
Kumar et al. | Review of Parametric Radio channel prediction schemes for MIMO system | |
Qin et al. | Cross-correlation matrix Root-MUSIC algorithm for bistatic multiple-input multiple-output radar | |
Taillefer et al. | Enhanced reactance-domain ESPRIT algorithm employing multiple beams and translational-invariance soft selection for direction-of-arrival estimation in the full azimuth | |
Wang et al. | Beamspace joint azimuth, elevation, and delay estimation for large-scale MIMO-OFDM system | |
Naors et al. | The analysis of methods for determining direction of arrival of signals in problems of space-time access | |
Azebaze et al. | Performance analysis of the LMS adaptive algorithm for adaptive beamforming | |
Chen et al. | Hybrid Convolutional Beamspace Method for mmWave MIMO Channel Estimation | |
Stoica et al. | Maximum likelihood DOA estimation for constant-modulus signal | |
Abohamra et al. | Direction of Arrival algorithms for user identification in cellular networks | |
Ruan et al. | Low-complexity robust adaptive beamforming based on shrinkage and cross-correlation | |
Djigan | Odd symmetry of weights vector of symmetrical antenna arrays with linear constraints |