RU2766536C1 - Method of beam formation in aperture digital antenna array - Google Patents

Method of beam formation in aperture digital antenna array Download PDF

Info

Publication number
RU2766536C1
RU2766536C1 RU2021108461A RU2021108461A RU2766536C1 RU 2766536 C1 RU2766536 C1 RU 2766536C1 RU 2021108461 A RU2021108461 A RU 2021108461A RU 2021108461 A RU2021108461 A RU 2021108461A RU 2766536 C1 RU2766536 C1 RU 2766536C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
digital
quadrature
phase
time
quadrature components
Prior art date
Application number
RU2021108461A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2766536C9 (en
Inventor
Евгений Николаевич Мищенко
Сергей Евгеньевич Мищенко
Николай Витальевич Шацкий
Original Assignee
Евгений Николаевич Мищенко
Сергей Евгеньевич Мищенко
Николай Витальевич Шацкий
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Евгений Николаевич Мищенко, Сергей Евгеньевич Мищенко, Николай Витальевич Шацкий filed Critical Евгений Николаевич Мищенко
Priority to RU2021108461A priority Critical patent/RU2766536C9/en
Priority claimed from RU2021108461A external-priority patent/RU2766536C9/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2766536C1 publication Critical patent/RU2766536C1/en
Publication of RU2766536C9 publication Critical patent/RU2766536C9/en

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01SRADIO 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
    • G01S3/00Direction-finders for determining the direction from which infrasonic, sonic, ultrasonic, or electromagnetic waves, or particle emission, not having a directional significance, are being received
    • G01S3/02Direction-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
    • G01S3/14Systems for determining direction or deviation from predetermined direction
    • G01S3/38Systems for determining direction or deviation from predetermined direction using adjustment of real or effective orientation of directivity characteristic of an antenna or an antenna system to give a desired condition of signal derived from that antenna or antenna system, e.g. to give a maximum or minimum signal
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26Arrangements 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
    • H01Q3/30Arrangements 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 varying the relative phase between the radiating elements of an array
    • H01Q3/34Arrangements 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 varying the relative phase between the radiating elements of an array by electrical means

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Radar Systems Or Details Thereof (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to antenna engineering and specifically to methods of beam formation of receiving digital antenna arrays (AA) for communication and radar systems. Summary: in the method of generating a multibeam pattern, the received complex signal from each of the M AA modules is divided into two quadrature components which form M pairs of signals. Using ADC, quadrature components are digitized and time sequences are formed from them. For the formation of the beam pattern in each receiving module using the device for digital formation of the beam pattern in each receiving module and under the control of the device for generating coefficients for forming the beam pattern in the receiving module corresponding digital signals are mixed into corresponding quadrature pairs. Each pair of quadrature components is multiplied into N groups according to the number of beams and combined according to the attribute of belonging to the beam pattern of separate beams. To form a multi-beam antenna array pattern using a device for digital formation of a multi-beam pattern antenna array and under control of a device for generating coefficients for forming a multi-beam pattern antenna array corresponding digital signals are added to the corresponding quadrature pairs of each group according to the number of beams. Each quadrature component of each channel, obtained after digitization, is additionally refined in accordance with the expressions:
Figure 00000048
,
where I0, Q0 are specified in-phase and out-of-phase quadrature components at the current moment of time;
Figure 00000049
is digitized in-phase and out-of-phase quadrature components of time sequence at corresponding moments of time; L is the sliding window duration, which is a multiple of the signal carrier period and the sampling period; 2l is a moment in time within the sliding window duration.
EFFECT: lowering the level of side lobes of the multibeam beam pattern (BP).
1 cl, 1 tbl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к антенной технике, а именно к способам диаграммообразования приемных цифровых антенных решеток (ЦАР) для систем связи и радиолокации.The invention relates to antenna technology, and in particular to methods of beamforming receiving digital antenna arrays (DA) for communication and radar systems.

Известен антенный пост радиолокационной станции с приемной антенной решеткой (АР), содержащей М приемных антенных модулей, выходы которых соединены со входами устройства преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму (оцифровки сигналов) приемной антенной решетки, цифровое устройство выработки коэффициентов для формирования амплитудно-фазового распределения в раскрыве приемной антенной решетки по каждому из сканирующих лучей - диаграмм направленности (ДН), соединенное с устройством цифрового формирования K сканирующих лучей ([1], RU 2395140 С2, МПК G01S 13/42; 27.01.2010).Known antenna post of a radar station with a receiving antenna array (AR) containing M receiving antenna modules, the outputs of which are connected to the inputs of the device for converting analog signals into digital form (signal digitization) of the receiving antenna array, a digital device for generating coefficients for generating amplitude-phase distribution in opening of the receiving antenna array for each of the scanning beams - radiation patterns (DN) connected to the device for digital formation of K scanning beams ([1], RU 2395140 C2, IPC G01S 13/42; 27.01.2010).

Недостатки способа реализуемого данным устройством, характерны для всех антенных решеток с непосредственным преобразованием сигналов в пространственных каналах в цифровую форму. Обеспечение когерентности сигналов на выходе каждого из каналов возможно лишь при очень малом джиттере опорного сигнала аналого-цифрового преобразователя (АЦП) (доли пикосекунд), что для высокоскоростных цифровых сигналов является задачей едва ли не более трудной, чем разводка СВЧ колебания. При этом мощность, потребляемая АЦП, существенно возрастает с увеличением частоты дискретизации (например для 2-2,5 ГГц потребляемая мощность составляет около 1 Вт ([2], стр. 37). Объем цифровых данных даже при использовании субдискретизации является избыточным и требует децимации (прореживания). Это ведет к нерациональному использованию скоростных свойств АЦП. В связи с этим непосредственное преобразование аналогового сигнала СВЧ в цифровую форму является нецелесообразным. Кроме того, процесс преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму связан с порождением ошибок дискретизации и квантования, которые, в конечном итоге, в совокупности с естественными шумами на входе АЦП и ошибками джиттера, в процессе формировании ДН ЦАР приводят к дополнительному росту уровня боковых лепестков.The disadvantages of the method implemented by this device are typical for all antenna arrays with direct conversion of signals in spatial channels into digital form. Ensuring the coherence of the signals at the output of each of the channels is possible only with a very small jitter of the reference signal of the analog-to-digital converter (ADC) (fractions of picoseconds), which for high-speed digital signals is almost more difficult than the wiring of microwave oscillations. At the same time, the power consumed by the ADC increases significantly with increasing sampling frequency (for example, for 2-2.5 GHz, the power consumption is about 1 W ([2], p. 37). The amount of digital data, even when using subsampling, is excessive and requires decimation (decimation).This leads to irrational use of the speed properties of the ADC.In this regard, the direct conversion of the analog microwave signal into digital form is impractical.In addition, the process of converting analog signals into digital form is associated with the generation of sampling and quantization errors, which, in the end, As a result, in combination with natural noise at the ADC input and jitter errors, in the process of forming the CAR pattern, they lead to an additional increase in the level of side lobes.

Известен способ, согласно которому принимают сигналы посредством антенной решетки, состоящей из М антенных элементов. Вычисляют весовые коэффициенты для каждого приемного канала в азимутальной и угломестной плоскостях, по числу формируемых лучей (1,…k, …, K), где K - число формируемых лучей. Производят синхронную дискретизацию и квантование каждого сигнала с выхода каждого из антенных элементов. Преобразуют последовательность отсчетов с выхода каждого АЦП в последовательность квадратурных отсчетов, выполняют фильтрацию и децимацию частоты следования цифровой последовательности в K раз. Для каждого приемного канала формируют последовательность взвешенных отсчетов путем умножения каждого квадратурного отсчета на весовые коэффициенты, раздельно для азимутальной и угломестной плоскостей. Формируют результирующую последовательность отсчетов K лучей диаграммы направленности путем суммирования взвешенных отсчетов для каждого k-го луча, относящихся к одинаковым моментам дискретизации ([3], RU 2495447 С2, МПК G01S 3/80; 20.05.2013).There is a method according to which signals are received by means of an antenna array consisting of M antenna elements. The weight coefficients are calculated for each receiving channel in the azimuth and elevation planes, according to the number of generated beams (1,...k,...,K), where K is the number of generated beams. Produce synchronous sampling and quantization of each signal from the output of each of the antenna elements. The sequence of samples from the output of each ADC is converted into a sequence of quadrature samples, filtering and decimation of the frequency of the digital sequence by K times are performed. For each receiving channel, a sequence of weighted readings is formed by multiplying each quadrature reading by weight coefficients, separately for the azimuth and elevation planes. The resulting sequence of readings of K beams of the radiation pattern is formed by summing the weighted readings for each k-th beam related to the same sampling times ([3], RU 2495447 C2, IPC G01S 3/80; 20.05.2013).

В этом случае недостатки совершенно аналогичны недостаткам предыдущего способа.In this case, the disadvantages are completely similar to the disadvantages of the previous method.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) предлагаемого способа является способ диаграммообразования, реализуемый цифровой приемной АР для радиолокационной станции, в котором для формирования многолучевой ДН используют АР, содержащую М приемных антенных модулей. Принимаемый комплексный сигнал с каждого модуля разбивают на две квадратурные составляющие, образующие М пар сигналов. Путем синхронной дискретизации по времени и квантования по уровню квадратурные составляющие оцифровывают и формируют из них временные последовательности. Затем для формирования ДН в каждом приемном модуле с помощью устройства цифрового формирования ДН в приемном модуле и под управлением устройства выработки весовых коэффициентов для формирования ДН в приемном модуле к соответствующим квадратурным парам подмешивают соответствующие цифровые сигналы, каждую пару из которых потом размножают на K групп по числу лучей и объединяют по признаку принадлежности к ДН отдельных лучей. А для формирования многолучевой ДН АР с помощью устройства цифрового формирования многолучевой ДН АР и под управлением устройства выработки весовых коэффициентов для формирования многолучевой ДН АР к соответствующим квадратурным парам каждой группы по числу лучей вновь подмешивают соответствующие цифровые сигналы. Все квадратурные сигналы каждого луча попарно суммируют, образуя K пар выходных квадратурных сигналов по числу формируемых лучей ([4], RU 2584458 C1, G01Q 3/00; 20.05.2016).The closest in technical essence (prototype) of the proposed method is a method of diagram formation, implemented by a digital receiving AR for a radar station, in which an AR containing M receiving antenna modules is used to form a multibeam DN. The received complex signal from each module is divided into two quadrature components forming M pairs of signals. By synchronous time sampling and level quantization, the quadrature components are digitized and time sequences are formed from them. Then, to form a pattern in each receiving module, using a device for digital pattern formation in the receiver module and under the control of a device for generating weight coefficients to form a pattern in the receiver module, corresponding digital signals are mixed to the corresponding quadrature pairs, each pair of which is then multiplied by K groups by the number rays and unite on the basis of belonging to the pattern of individual rays. And to form a multipath AP AP using a device for digital formation of a multipath AP AP and under the control of a device for generating weight coefficients for generating a multipath AP AP, corresponding digital signals are mixed again to the corresponding quadrature pairs of each group according to the number of beams. All quadrature signals of each beam are summed in pairs, forming K pairs of output quadrature signals according to the number of generated beams ([4], RU 2584458 C1, G01Q 3/00; 05/20/2016).

Недостатком прототипа является повышенный уровень боковых лепестков многолучевой ДН в сравнении с уровнем, соответствующим отсутствию шумов, обусловленных ошибками дискретизации и квантования, действующими в совокупности с естественными шумами и шумом джиттера на входе АЦП.The disadvantage of the prototype is the increased level of side lobes of the multipath DN in comparison with the level corresponding to the absence of noise due to sampling and quantization errors acting in conjunction with natural noise and jitter noise at the input of the ADC.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является повышенный уровень боковых лепестков многолучевой ДН в сравнении с уровнем соответствующим отсутствию шумов, обусловленных ошибками дискретизации и квантования, действующими в совокупности с естественными шумами и шумом джиттера на входе АЦП.The technical problem to be solved by the present invention is the increased level of side lobes of the multipath DN in comparison with the level corresponding to the absence of noise due to sampling and quantization errors acting in combination with natural noise and jitter noise at the input of the ADC.

Для решения указанной технической проблемы предлагается способ диаграммообразования в приемной цифровой АР, состоящий в том, что для формирования многолучевой ДН используют АР, содержащую М приемных антенных модулей. Принимаемый комплексный сигнал с каждого модуля разбивают на две квадратурные составляющие, образующие М пар сигналов. Путем синхронной дискретизации по времени и квантования по уровню квадратурные составляющие с помощью АЦП оцифровывают и формируют из них временные последовательности. Затем для формирования ДН в каждом приемном модуле с помощью устройства цифрового формирования ДН в приемном модуле и под управлением устройства выработки коэффициентов для формирования ДН в приемном модуле к соответствующим квадратурным парам подмешивают соответствующие цифровые сигналы, каждую пару из которых потом размножают на K групп по числу лучей и объединяют по признаку принадлежности к ДН отдельных лучей. Для формирования многолучевой ДН АР с помощью устройства цифрового формирования многолучевой ДН АР и под управлением устройства выработки коэффициентов для формирования многолучевой ДН АР к соответствующим квадратурным парам каждой группы по числу лучей вновь подмешивают соответствующие цифровые сигналы. Все квадратурные сигналы каждого луча попарно суммируют, образуя K пар выходных квадратурных сигналов по числу формируемых лучей.To solve this technical problem, a method for beamforming in a receiving digital array is proposed, consisting in the fact that an array containing M receiving antenna modules is used to form a multipath RP. The received complex signal from each module is divided into two quadrature components forming M pairs of signals. By synchronous time sampling and level quantization, the quadrature components are digitized with the help of an ADC and time sequences are formed from them. Then, to form a pattern in each receiving module, using a digital pattern generator in the receiver module and under the control of a coefficient generator for generating pattern in the receiver module, corresponding digital signals are mixed to the corresponding quadrature pairs, each pair of which is then multiplied into K groups according to the number of beams and combined on the basis of belonging to the pattern of individual beams. To form a multipath AP AP using a device for digital formation of a multipath AP AP and under the control of a device for generating coefficients for generating a multipath AP AP, corresponding digital signals are mixed again with the corresponding quadrature pairs of each group according to the number of beams. All quadrature signals of each beam are summed in pairs, forming K pairs of output quadrature signals according to the number of generated beams.

Согласно изобретению оцифрованные квадратурные составляющие сигнала каждого приемного модуля с помощью цифровых фильтров дополнительно уточняют в соответствии с выражениями:According to the invention, the digitized quadrature signal components of each receiving module are further refined using digital filters in accordance with the expressions:

Figure 00000001
Figure 00000001

где I, Q - уточненные синфазная и несинфазная квадратурные составляющие на текущий момент времени;where I, Q - updated in-phase and out-of-phase quadrature components at the current moment of time;

Figure 00000002
- оцифрованные синфазная и несинфазная квадратурные составляющие временной последовательности на соответствующие моменты времени;
Figure 00000002
- digitized in-phase and out-of-phase quadrature components of the time sequence at the corresponding points in time;

2l - момент времени в пределах длительности следящего окна L.2l - moment of time within the duration of the tracking window L.

Таким образом, предлагаемый способ имеет следующие отличительные признаки в последовательности его реализации от способа-прототипа, приведенные в таблице 1.Thus, the proposed method has the following distinguishing features in the sequence of its implementation from the prototype method shown in table 1.

Figure 00000003
Figure 00000003

Figure 00000004
Figure 00000004

Из представленной таблицы сравнения последовательностей реализации способа-прототипа и предлагаемого способа видно, что введена следующая новая операция: оцифрованную квадратурную составляющую сигнала каждого канала дополнительно уточняют в соответствии с выражениями:From the presented comparison table of the implementation sequences of the prototype method and the proposed method, it can be seen that the following new operation has been introduced: the digitized quadrature component of the signal of each channel is further refined in accordance with the expressions:

Figure 00000005
Figure 00000005

где I, Q - уточненные синфазная и несинфазная квадратурные составляющие на текущий момент времени;where I, Q - updated in-phase and out-of-phase quadrature components at the current moment of time;

Figure 00000002
- оцифрованные синфазная и несинфазная квадратурные составляющие временной последовательности на соответствующие моменты времени;
Figure 00000002
- digitized in-phase and out-of-phase quadrature components of the time sequence at the corresponding points in time;

2l - момент времени в пределах длительности следящего окна L.2l - moment of time within the duration of the tracking window L.

Введение одной операции позволяет, по сравнению со способом-прототипом, обеспечить достижение технического результата, состоящего в понижении уровня боковых лепестков многолучевой ДН, обусловленного ошибками дискретизации и квантования, действующими в совокупности с естественными шумами и шумом джиттера на входе АЦП за счет уменьшения их влияния на процесс диаграммообразования.The introduction of one operation allows, in comparison with the prototype method, to ensure the achievement of a technical result consisting in lowering the level of side lobes of a multipath DN due to sampling and quantization errors acting in conjunction with natural noise and jitter noise at the input of the ADC by reducing their influence on diagramming process.

Проведенный анализ технических решений позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют в известных источниках из уровня техники, что указывает на соответствие заявляемого способа условию патентоспособности "новизна".The analysis of technical solutions made it possible to establish that analogues, characterized by a set of features identical to all the features of the proposed technical solution, are absent in known sources from the prior art, which indicates that the proposed method complies with the condition of patentability "novelty".

Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".The results of the search for known solutions in this and related fields of technology in order to identify features that match the distinguishing features from the prototype showed that they do not follow explicitly from the prior art. From the prior art, the influence of the transformations envisaged by the essential features on the achievement of the specified technical result has not been revealed either. Therefore, the claimed technical solution meets the condition of patentability "inventive step".

Изобретение поясняется графически фигурами 1-5.The invention is illustrated graphically with figures 1-5.

На фиг. 1 показана схема устройства, реализующего предлагаемый способ.In FIG. 1 shows a diagram of a device that implements the proposed method.

На фиг. 2 показана схема цифрового фильтра.In FIG. 2 shows a digital filter circuit.

На фиг. 3 приведены спектры квадратурных составляющих сигнала.In FIG. Figure 3 shows the spectra of the quadrature components of the signal.

На фиг. 4 приведены оценки отношения сигнал/шум (ОСШ) при реализации предлагаемого способа и при реализации прототипа.In FIG. 4 shows estimates of the signal-to-noise ratio (SNR) in the implementation of the proposed method and in the implementation of the prototype.

На фиг 5 показана ДН АР с учетом влияния шумов.Figure 5 shows the pattern of the AR, taking into account the influence of noise.

Способ диаграммообразования в приемной цифровой АР включает следующие операции:The method of diagram formation in the receiving digital AA includes the following operations:

- для формирования многолучевой ДН используют АР, содержащую М приемных антенных модулей - 1;- for the formation of multipath DN use AR containing M receiving antenna modules - 1;

- принимаемый комплексный сигнал с каждого модуля разбивают на две квадратурные составляющие, образующие М пар сигналов - 2;- the received complex signal from each module is divided into two quadrature components, forming M pairs of signals - 2;

- путем синхронной дискретизации по времени и квантования по уровню квадратурные составляющие оцифровывают и формируют из них временные последовательности - 3;- by synchronous time sampling and level quantization, the quadrature components are digitized and time sequences are formed from them - 3;

- оцифрованную квадратурную составляющую сигнала каждого канала дополнительно уточняют в соответствии с выражениями:- the digitized quadrature component of the signal of each channel is additionally refined in accordance with the expressions:

Figure 00000005
Figure 00000005

где I, Q - уточненные синфазная и несинфазная квадратурные составляющие на текущий момент времени;where I, Q - updated in-phase and out-of-phase quadrature components at the current moment of time;

Figure 00000002
- оцифрованные синфазная и несинфазная квадратурные составляющие временной последовательности на соответствующие моменты времени;
Figure 00000002
- digitized in-phase and out-of-phase quadrature components of the time sequence at the corresponding points in time;

2l - момент времени в пределах длительности следящего окна L - 4;2l - time point within the duration of the tracking window L - 4;

- затем для формирования ДН в каждом приемном модуле с помощью устройства цифрового формирования ДН в приемном модуле и под управлением устройства выработки коэффициентов для формирования ДН в приемном модуле к соответствующим квадратурным парам подмешивают соответствующие цифровые сигналы, каждую пару из которых потом размножают на K групп по числу лучей и объединяют по признаку принадлежности к ДН отдельным лучам - 5;- then, to form a pattern in each receiving module, using a device for digital pattern formation in the receiver module and under the control of a device for generating coefficients for forming a pattern in the receiver module, corresponding digital signals are mixed to the corresponding quadrature pairs, each pair of which is then multiplied into K groups by the number rays and unite on the basis of belonging to the DN individual rays - 5;

- а для формирования многолучевой ДН АР с помощью устройства цифрового формирования многолучевой ДН АР и под управлением устройства выработки весовых коэффициентов для формирования многолучевой ДН АР к соответствующим квадратурным парам каждой группы по числу лучей вновь подмешивают соответствующие цифровые сигналы - 6;- and for the formation of a multipath DN AR using a device for digital formation of a multipath DN AR and under the control of a device for generating weight coefficients for the formation of a multipath DN AR, the corresponding digital signals are again mixed into the corresponding quadrature pairs of each group according to the number of beams - 6;

- все квадратурные сигналы каждого луча попарно суммируют, образуя K пар выходных квадратурных сигналов по числу формируемых лучей - 7.- all quadrature signals of each beam are summed in pairs, forming K pairs of output quadrature signals according to the number of generated beams - 7.

Структурная схема устройства, осуществляющего способ диаграммообразования в приемной цифровой АР, приведена на фиг. 1 (возможный вариант выполнения).The block diagram of the device that implements the beamforming method in the receiving digital AA is shown in Fig. 1 (possible implementation).

Устройство по фиг. 1 содержит:The device according to Fig. 1 contains:

- антенную решетку 1 из М приемных антенных модулей, каждый из модулей, в свою очередь, содержит: линейную часть - 1.1.1-1.1.М; преобразователь частоты - 1.2.1-1.2.М;- antenna array 1 of M receiving antenna modules, each of the modules, in turn, contains: a linear part - 1.1.1-1.1.M; frequency converter - 1.2.1-1.2.M;

- опорный синтезатор частот - 2;- reference frequency synthesizer - 2;

- М синхронных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) - 3.1-3.М;- M synchronous analog-to-digital converters (ADC) - 3.1-3.M;

- М пар цифровых фильтров для квадратурных компонент I и Q в каждой паре - 4.1.I-4.M.I и 4.1.Q-4.M.Q соответственно;- M pairs of digital filters for the I and Q quadrature components in each pair - 4.1.I-4.M.I and 4.1.Q-4.M.Q, respectively;

- М устройств цифрового формирования ДН в приемном модуле - 5.1-5.М;- M devices for digital pattern formation in the receiving module - 5.1-5.M;

- устройство выработки коэффициентов для формирования ДН в приемном модуле - 6;- device for generating coefficients for the formation of RP in the receiving module - 6;

- М×K устройств цифрового формирования многолучевой ДН АР - 7.m.k. (m=1,2,…,M;k=1,2,…,K);- M×K devices for digital formation of multibeam AP AP - 7.m.k. (m=1,2,…,M;k=1,2,…,K);

- устройство выработки коэффициентов для формирования многолучевой ДН АР - 8;- a device for generating coefficients for the formation of a multibeam AP AR - 8;

- K сумматоров - 9.1-9.K.- K totalizers - 9.1-9.K.

При этом АР 1 приемных антенных модулей, содержит последовательно связанные между собой по выходу и входу, М линейных частей 1.1.1-1.1.М и М преобразователей частоты 1.2.1-1.2.М. Парные квадратурные выходы преобразователей частоты 1.2.1-1.2.М также последовательно связаны по выходу и входу с соответствующими АЦП 3.1-3.М, цифровыми фильтрами для квадратурных компонент 4.1.I-4.М.I и 4.1.Q-4.M.Q и устройствами цифрового формирования ДН в приемном модуле 5.1-5.М. Вторые входы преобразователей частоты 1.2.1-1.2.М и вторые входы АЦП 3.1-3.М связаны с соответствующими им выходами опорного синтезатора частот 2. Вторые входы устройств цифрового формирования ДН в приемном модуле 5.1-5.М подключены к соответствующим им выходам устройства выработки коэффициентов для формирования ДН в приемном модуле 6. Парные выходы каждого из М устройств цифрового формирования ДН в приемном модуле 5.1-5.М подключены к соответствующим К входам (по числу К формируемых лучей) устройств цифрового формирования многолучевой ДН АР 7.m.k (m=1,2,…,M; k=1,2,…,K), парные выходы которых сгруппированные по признаку принадлежности к одному из K лучей, подсоединены к соответствующим К входам сумматоров 9.1-9.K. Вторые входы устройств цифрового формирования многолучевой ДН АР 7.m,k подключены к выходу устройства выработки коэффициентов для формирования многолучевой ДН АР 8. Парные выходы K сумматоров 9 являются выходами многолучевой приемной АР.At the same time, the AR 1 of the receiving antenna modules contains serially interconnected output and input, M linear parts 1.1.1-1.1.M and M frequency converters 1.2.1-1.2.M. Pair quadrature outputs of frequency converters 1.2.1-1.2.M are also connected in series at the output and input with the corresponding ADC 3.1-3.M, digital filters for quadrature components 4.1.I-4.M.I and 4.1.Q-4.MQ and devices for digital formation of pattern in the receiving module 5.1-5.M. The second inputs of the frequency converters 1.2.1-1.2.M and the second inputs of the ADC 3.1-3.M are connected to the corresponding outputs of the reference frequency synthesizer 2. The second inputs of the digital DN formation devices in the receiving module 5.1-5.M are connected to the corresponding outputs of the device generation of coefficients for the formation of RP in the receiving module 6. Paired outputs of each of the M devices for digital formation of RP in the receiving module 5.1-5.M are connected to the corresponding K inputs (according to the number K of the generated beams) of the digital formation devices for multibeam RP AP 7.mk (m =1,2,…,M; k=1,2,…,K), the paired outputs of which, grouped according to the attribute of belonging to one of the K beams, are connected to the corresponding K inputs of the adders 9.1-9.K. The second inputs of devices for digital formation of multipath DN AR 7.m,k connected to the output of the device for generating coefficients for the formation of multipath DN AR 8. Paired outputs K adders 9 are the outputs of the multipath receiving AR.

Рассмотрим работу устройства диаграммообразования в приемной цифровой АР. АР 1 содержит: М приемных антенных модулей. Линейная часть приемных модулей 1.1.1-1.1.М обеспечивает необходимое усиление радиосигнала, а преобразователи частоты 1.2.1-1.2.М - понижение несущей частоты до промежуточной и формирование квадратурных составляющих сигнала на промежуточной частоте. Для синхронизации работы приемных модулей в качестве опорного генератора преобразователей частоты используют опорный синтезатор частот 2. Квадратурные составляющие с каждого приемного модуля поступают на входы соответствующих синхронных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 3.1-3.М. При этом частоту дискретизации для АЦП 3.1-3.М задают также с помощью опорного синтезатора частот 2. Промежуточную частоту и частоту дискретизации выбирают так, чтобы обеспечить наиболее рациональное использование скоростных свойств АЦП 3.1-3.М при минимизации потребляемой мощности. Любое увеличение потребляемой мощности крайне нежелательно, так как при этом, с учетом большого количества модулей АР 1 и ограниченных габаритов, часто возникают проблемы с отводом избыточного тепла. Если спектр полезного сигнала достаточно узкополосен, то для понижения частоты дискретизации следует использовать принцип субдискретизации, выбрав частоту дискретизации сопоставимой с промежуточной частотой или даже меньше ее. Используя этот принцип, путем синхронной дискретизации по времени и квантования по уровню квадратурные составляющие оцифровывают с помощью АЦП 3.1-3.М и формируют из них временные последовательности, которые с целью понижения влияния естественного шума, ошибок джиттера, дискретизации и квантования подвергаются дополнительной обработке введенными, согласно изобретению, цифровыми фильтрами для квадратурных компонент 4.1.I-4.M.I и 4.1.Q-4.M.Q. Цифровые фильтры для квадратурных компонент 4.1.I-4.M.I и 4.1.Q-4.M.Q представляют собой дискретные оптимальные фильтры интегрирующего типа, согласованные с потоком оцифрованных колебаний промежуточной частоты. При этом содержащиеся в цифровом сигнале шумы подвергаются осреднению. Благодаря этому достигают эффекта понижения влияния естественного шума, ошибок джиттера, дискретизации и квантования на уровень боковых лепестков многолучевой ДН. Уточненные таким образом квадратурные составляющие поступают на входы устройства цифрового формирования ДН в каждом модуле 5.1-5.М, которые по аналогии с прототипом функционируют под управлением устройств выработки весовых коэффициентов для формирования ДН в каждом модуле 6. Выходы устройств 5.1-5.М по аналогии с прототипом попарно соединены со входами устройства цифрового формирования многолучевой ДН антенной решетки 7.m.k (m=1,2,…,M; k=1,2,…,K). Управляющие входы последних соединены с устройством выработки весовых коэффициентов для формирования многолучевой ДН антенной решетки 8. Выходы устройств 7.m.k, сгруппированные с помощью сумматоров 9.1-9.K по признаку принадлежности к одному из K лучей многолучевой ДН, являются выходами для сигналов в виде пар квадратурных составляющих, которые в дальнейшем используют для первичной радиолокационной обработки.Let us consider the operation of the diagram-forming device in the receiving digital antenna array. AP 1 contains: M receiving antenna modules. The linear part of the receiving modules 1.1.1-1.1.M provides the necessary amplification of the radio signal, and the frequency converters 1.2.1-1.2.M - lowering the carrier frequency to an intermediate one and forming the quadrature components of the signal at an intermediate frequency. To synchronize the operation of the receiving modules, a reference frequency synthesizer 2 is used as a reference oscillator of the frequency converters. The quadrature components from each receiving module are fed to the inputs of the corresponding synchronous analog-to-digital converters (ADC) 3.1-3.M. In this case, the sampling rate for the ADC 3.1-3.M is also set using the reference frequency synthesizer 2. The intermediate frequency and sampling rate are chosen so as to ensure the most rational use of the speed properties of the ADC 3.1-3.M while minimizing power consumption. Any increase in power consumption is highly undesirable, since in this case, given the large number of AP 1 modules and limited dimensions, problems often arise with the removal of excess heat. If the spectrum of the useful signal is sufficiently narrowband, then the subsampling principle should be used to lower the sampling frequency, choosing a sampling frequency comparable to the intermediate frequency or even less than it. Using this principle, by means of synchronous time sampling and level quantization, the quadrature components are digitized using ADC 3.1-3.M and time sequences are formed from them, which, in order to reduce the influence of natural noise, jitter errors, sampling and quantization, are subjected to additional processing by the introduced, according to the invention, digital filters for quadrature components 4.1.I-4.MI and 4.1.Q-4.MQ Digital filters for quadrature components 4.1.I-4.M.I and 4.1.Q-4.M.Q are discrete optimal filters of the integrating type, consistent with the flow of digitized intermediate frequency oscillations. In this case, the noise contained in the digital signal is averaged. Due to this, the effect of reducing the influence of natural noise, jitter errors, sampling and quantization on the level of side lobes of a multipath DN is achieved. Quadrature components refined in this way are fed to the inputs of the device for digital formation of DN in each module 5.1-5.M, which, by analogy with the prototype, operate under the control of devices for generating weight coefficients for generating DN in each module 6. Device outputs 5.1-5.M by analogy with the prototype are connected in pairs with the inputs of the device for digital formation of multibeam DN of the antenna array 7.mk (m=1,2,…,M; k=1,2,…,K). The control inputs of the latter are connected to the device for generating weight coefficients for the formation of a multibeam pattern of the antenna array 8. The outputs of the devices 7.mk, grouped by means of adders 9.1-9.K according to belonging to one of the K beams of the multipath pattern, are the outputs for signals in the form of pairs quadrature components, which are further used for primary radar processing.

Выполнение блоков и узлов, приведенных на фиг. 1, возможно с использованием современной элементной базы цифровых АР.The execution of the blocks and nodes shown in Fig. 1, possibly using a modern element base of digital AA.

Предлагаемый алгоритм работы цифровых фильтров описывают выражения:The proposed algorithm for the operation of digital filters is described by the expressions:

Figure 00000005
Figure 00000005

Он может быть реализован с помощью специализированных вычислительных средств, или аппаратно: в виде дискретного цифрового фильтра, представленного на фиг. 2.It can be implemented using specialized computing tools, or in hardware: in the form of a discrete digital filter, shown in Fig. 2.

Рассмотрим обоснование предлагаемого способа диаграммообразования в приемной цифровой АР. Цифровая АР представляет собой совокупность цифровых пространственных каналов-модулей, на выходе каждого из которых существует свой цифровой сигнал. ДН формируют путем установки необходимого фазового распределения вдоль раскрыва АР. При этом в радиочастотной линейной и преобразующих частях приемников могут возникнуть ошибки, связанные с разбросом фаз активных элементов и фазовращателей. Для компенсации этих фазовых ошибок применяют дополнительные фазовращатели, например, в виде отрезков линий передачи, диэлектрических вставок, фильтров и т.д. ([5], стр. 486, 487). Однако с переходом на цифровые методы обработки сигналов, при эксплуатации цифровых АР могут появится случайные (неконтролируемые) фазовые ошибки, вызванные процессами квантования, дискретизации, шумом джиттера и шумами во входном аналоговом сигнале АЦП. Эти ошибки будут приводить к существенным амплитудным и фазовым ошибкам в пространственном цифровом сигнале, что приводит к нарушению синфазности и, следовательно, к повышенному уровню боковых липестков многолучевой ДН в сравнении с уровнем соответствующим отсутствию шумов.Let us consider the rationale for the proposed method of diagram formation in the receiving digital antenna array. Digital AR is a set of digital spatial channels-modules, each of which has its own digital signal at the output. DN is formed by setting the required phase distribution along the AR opening. In this case, in the radio-frequency linear and converting parts of the receivers, errors may occur due to the spread of the phases of the active elements and phase shifters. To compensate for these phase errors, additional phase shifters are used, for example, in the form of segments of transmission lines, dielectric inserts, filters, etc. ([5], pp. 486, 487). However, with the transition to digital signal processing methods, during the operation of digital arrays, random (uncontrolled) phase errors may appear, caused by quantization, sampling, jitter noise and noise in the input analog signal of the ADC. These errors will lead to significant amplitude and phase errors in the spatial digital signal, which leads to in-phase distortion and, consequently, to an increased level of multipath sidelobes in comparison with the level corresponding to the absence of noise.

Как известно из статистической теории антенн, ошибки по апертуре имеют равномерное распределение и статистически независимы. Суммарная фазовая ошибка цифровой обработки сигналов (ЦОС) определяется следующим образом ([5], стр. 10, 11):As is known from the statistical theory of antennas, aperture errors have a uniform distribution and are statistically independent. The total phase error of digital signal processing (DSP) is defined as follows ([5], pp. 10, 11):

Figure 00000006
Figure 00000006

где Δϕd - фазовая ошибка, вызванная процессом дискретизации;where Δϕ d is the phase error caused by the sampling process;

Δϕj - фазовая ошибка, вносимая шумом джиттера (джиггер (англ. jitter - дрожание) или фазовое дрожание цифрового сигнала данных);Δϕ j - phase error introduced by jitter noise (jigger (English jitter - jitter) or phase jitter of a digital data signal);

Δϕk - фазовая ошибка, возникающая в процессе квантования;Δϕ k - phase error arising in the process of quantization;

ΔϕN - фазовая ошибка, возникающая под действием шума во входном аналоговом сигнале.Δϕ N is the phase error caused by noise in the input analog signal.

Фазовая ошибка дискретизации находится через период (частоту) дискретизации и период (частоту) сигнала:The phase error of the sampling is found through the period (frequency) of the sampling and the period (frequency) of the signal:

Figure 00000007
Figure 00000007

где Δtd - период дискретизации;where Δt d - sampling period;

Fmax - максимальная частота в спектре сигнала.F max - maximum frequency in the signal spectrum.

Фазовая ошибка шума джиттера может быть выражена аналогичным образом:The jitter noise phase error can be expressed in a similar way:

Figure 00000008
Figure 00000008

Фазовая ошибка квантования возникает вследствие округления амплитуды квантуемого сигнала - появления шума квантования. Она может быть найдена через число n разрядов кода АЦП:The quantization phase error occurs due to the rounding of the amplitude of the quantized signal - the appearance of quantization noise. It can be found through the number n of bits of the ADC code:

Figure 00000009
Figure 00000009

Фазовая ошибка, вызванная наличием шума во входном аналоговом сигнале, выражается аналогично фазовой ошибке квантования: через ширину шумовой дорожки в среднем за период гармонического процесса:The phase error caused by the presence of noise in the input analog signal is expressed similarly to the quantization phase error: through the width of the noise track on average over the period of the harmonic process:

Figure 00000010
Figure 00000010

где q - отношение сигнал/шум.where q is the signal-to-noise ratio.

Таким образом, суммарная фазовая ошибка будет зависеть от частоты дискретизации, величины шума джиттера, числа разрядов кода АЦП и отношения мощности сигнала к мощности шума. Если учесть, что процессы, протекающие в устройстве обработки, аналогичны процессам в диаграммообразующей схеме коммутации антенн, то для оценки направленных свойств цифровой АР, в данном случае, можно применить известное из статистической теории антенн соотношение с использованием найденных выше фазовых ошибок:Thus, the total phase error will depend on the sampling rate, the amount of jitter noise, the number of ADC code bits, and the ratio of signal power to noise power. If we take into account that the processes occurring in the processing device are similar to the processes in the beam-forming antenna switching circuit, then to assess the directional properties of a digital array, in this case, we can apply the relation known from the statistical theory of antennas using the phase errors found above:

Figure 00000011
Figure 00000011

где D - КНД антенной решетки при наличии фазовых ошибок;where D is the gain of the antenna array in the presence of phase errors;

D0 - КНД идеальной апертуры;D 0 - KND ideal aperture;

Figure 00000012
- величина фазовой ошибки ЦОС в апертуре решетки.
Figure 00000012
- the value of the phase error of the DSP in the array aperture.

Как правило, преобразование сигналов в цифровую форму производят на некоторой промежуточной частоте с периодом Т.As a rule, the conversion of signals into digital form is carried out at some intermediate frequency with a period T.

Сигналы на входе АЦП каждого i-го приемного модуля (в дальнейшем канала обработки) могут быть представлены в виде:The signals at the ADC input of each i-th receiving module (hereinafter, the processing channel) can be represented as:

Figure 00000013
Figure 00000013

где

Figure 00000002
- квадратурные составляющие, содержащие фазовый шум, l-го временного отсчета
Figure 00000014
в i-ом канале (i=0…N);where
Figure 00000002
- quadrature components containing phase noise, l-th time reference
Figure 00000014
in the i-th channel (i=0…N);

Figure 00000015
- случайные фазы квадратурных составляющих, приведенные ко входу АЦП, в i-ом канале антенной решетки;
Figure 00000015
- random phases of the quadrature components, reduced to the input of the ADC, in the i-th channel of the antenna array;

Т - период колебания:

Figure 00000016
- промежуточная частота;T - oscillation period:
Figure 00000016
- intermediate frequency;

Δt - период дискретизации:

Figure 00000017
- частота дискретизации;Δt - sampling period:
Figure 00000017
- sampling frequency;

Ai - комплексная амплитуда сигнала в канале, учитывающая положение фазового центра антенного элемента i-го канала и начальную фазу сигнала источника.A i - complex amplitude of the signal in the channel, taking into account the position of the phase center of the antenna element of the i-th channel and the initial phase of the source signal.

Частота дискретизации АЦП определяется шириной спектра принимаемого сигнала и требуемой скоростью управления амплитудно-фазовым распределением. Если сигнал достаточно узкополосный, то может быть использован принцип субдискретизации, когда частота дискретизации сопоставима или даже ниже несущей частоты. Это упрощает техническую реализацию АЦП при необходимости преобразования высокочастотного аналогового сигнала. В реальных цифровых АР обычно достаточной является частота дискретизации порядка 100-200 МГц ([5], стр. 24). Например, для фирмы «Texas Instruments)) характерно использование следующего сочетания частот: входная промежуточная частота аналогового сигнала - 75 МГц; частота дискретизации 100 МГц. Возьмем это сочетание частот в качестве опорного при моделировании. Проверим условие реализуемости принципа субдискретизации. Оно имеет вид:The sampling frequency of the ADC is determined by the width of the spectrum of the received signal and the required rate of control of the amplitude-phase distribution. If the signal is sufficiently narrowband, then the principle of subsampling can be used, when the sampling rate is comparable to or even lower than the carrier frequency. This simplifies the technical implementation of the ADC when it is necessary to convert a high-frequency analog signal. In real digital arrays, a sampling frequency of the order of 100-200 MHz is usually sufficient ([5], p. 24). For example, for the company "Texas Instruments)) it is typical to use the following combination of frequencies: the input intermediate frequency of the analog signal is 75 MHz; sampling rate 100 MHz. Let's take this combination of frequencies as a reference in the simulation. Let us check the condition for the realizability of the subsampling principle. It looks like:

Figure 00000018
Figure 00000018

где 2Δƒ - ширина спектра принимаемого сигнала;where 2Δƒ is the width of the spectrum of the received signal;

m - порядок субдискретизации.m is the subsampling order.

Несложно убедиться, что это условие для принятого сочетания частот выполняется при m=1 и при 2Δƒ<50 МГц. Например, при 2Δƒ=40 МГц неравенство принимает вид: 95 МГц<100 МГц<110 МГц.It is easy to verify that this condition for the adopted combination of frequencies is satisfied at m=1 and at 2Δƒ<50 MHz. For example, at 2Δƒ=40 MHz, the inequality becomes: 95 MHz<100 MHz<110 MHz.

Для каждого i-го канала выделим две временные числовые последовательности размера L соответствующие синфазной

Figure 00000019
и квадратурной
Figure 00000020
частям элемента пространственного поля. Первый номер последовательности соответствует текущему моменту времени (l=0). L - 1-й номер последовательности соответствует временному положению на L элементов в прошлое. Таким образом, процесс выборки данных соответствует принципу скользящего окна. С целью обеспечения равных условий осреднения длительность временной числовой последовательности L должна быть кратна периоду сигнальной несущей и периоду дискретизации.:
Figure 00000021
и
Figure 00000022
, где kPR и kD - целые. В частности для частот взятых в качестве примера эти коэффициенты могут быть взяты в наборах: kPR=3, kD=4; kPR=6, kD=8; kPR=9, kD=12 и т.д.For each i-th channel, we select two time numerical sequences of size L corresponding to the in-phase
Figure 00000019
and quadrature
Figure 00000020
parts of the element of the spatial field. The first sequence number corresponds to the current time (l=0). L - the 1st sequence number corresponds to the time position L elements in the past. Thus, the data sampling process follows the sliding window principle. In order to ensure equal averaging conditions, the duration of the time sequence L must be a multiple of the period of the signal carrier and the sampling period.:
Figure 00000021
And
Figure 00000022
, where k PR and k D are integers. In particular, for frequencies taken as an example, these coefficients can be taken in sets: k PR =3, k D =4; kPR =6, kD =8; k PR =9, k D =12, etc.

Полученные две числовые последовательности для синфазной

Figure 00000019
и квадратурной
Figure 00000020
компонент в каждом канале обрабатываются совершенно одинаково, путем спектрального разложения этих компонент на интервале L - F (I*) и F(Q*). В силу конечного числа элементов на интервале спектр будет носить линейчатый характер с ярко выраженными максимумами модулей спектральных составляющих, так как числовые последовательности
Figure 00000019
и
Figure 00000020
получены путем оцифровки периодического сигнала. Максимальные значения по модулю этих спектральных составляющих характеризуют энергию несущей сигнала. Эти спектральные составляющие являются комплексно сопряженными и расположенными в положительной и отрицательной частотных областях. Остальные обусловлены шумовой компонентой и могут быть исключены из рассмотрения. Сумма оставшихся является действительным числом и равна квадратурной компоненте на данный момент времени.The resulting two numeric sequences for in-phase
Figure 00000019
and quadrature
Figure 00000020
the components in each channel are treated in exactly the same way, by spectral decomposition of these components on the interval L - F (I * ) and F(Q * ). Due to the finite number of elements in the interval, the spectrum will have a line character with pronounced maxima of the moduli of the spectral components, since the numerical sequences
Figure 00000019
And
Figure 00000020
obtained by digitizing a periodic signal. The maximum modulo values of these spectral components characterize the signal carrier energy. These spectral components are complex conjugate and located in the positive and negative frequency regions. The rest are due to the noise component and can be excluded from consideration. The sum of the remaining ones is a real number and is equal to the quadrature component at this point in time.

При выбранном интервале L сумма спектральных составляющих, характеризующих энергию сигнала, описывается соотношениямиWith the chosen interval L, the sum of the spectral components characterizing the signal energy is described by the relations

Figure 00000023
Figure 00000023

определяющих алгоритм работы предлагаемого цифрового фильтра.determining the operation algorithm of the proposed digital filter.

В качестве примера на фиг. 3, а и 3, б приведены спектры квадратурных составляющих от гармонического сигнала с амплитудой несущей А=10 при выборе kPR=9 и kD=12 соответственно.As an example, in FIG. 3, a and 3, b shows the spectra of quadrature components from a harmonic signal with a carrier amplitude A=10 when choosing k PR = 9 and k D = 12, respectively.

Из результатов на фиг. 3 следует, что заданное значение амплитуды А=10 и рассчитанное через амплитуды квадратурных составляющих совпадает с точностью, принятой при округлении. Погрешность достаточно мала и обусловлена влиянием шума в узком диапазоне - в окрестности частот

Figure 00000024
. Таким образом, отфильтровывая спектральные составляющие под номерами №3 и №9, можно существенно уменьшить влияние шума на квадратурные компоненты.From the results in FIG. 3 it follows that the specified value of the amplitude A=10 and calculated through the amplitudes of the quadrature components coincides with the accuracy adopted during rounding. The error is quite small and is due to the influence of noise in a narrow range - in the vicinity of frequencies
Figure 00000024
. Thus, by filtering out the spectral components numbered #3 and #9, it is possible to significantly reduce the effect of noise on the quadrature components.

В аналитическом выражении для синфазной компоненты произвольно взятого канала это действие будет иметь вид:In an analytical expression for the in-phase component of an arbitrary channel, this action will look like:

Figure 00000025
Figure 00000025

где I - уточненное значение синфазной компоненты на выходе фильтра в текущий момент времени.where I is the updated value of the in-phase component at the filter output at the current time.

После раскрытия скобок и приведения подобных выражение (11) существенно упростится:After opening the brackets and bringing similar expressions, expression (11) will be significantly simplified:

Figure 00000026
Figure 00000026

Выражение для квадратурной компоненты Q0 будет совершенно аналогично:The expression for the quadrature component Q 0 will be exactly the same:

Figure 00000027
Figure 00000027

Соотношениями (12) и (13) задается алгоритм работы цифрового фильтра.Relations (12) and (13) define the digital filter operation algorithm.

В качестве примера были получены оценки полезного эффекта, достигаемого при использовании соотношений (12) и (13) в процессе диаграммообразования по сравнению с прототипом.As an example, estimates were obtained of the beneficial effect achieved by using the relations (12) and (13) in the process of diagram formation in comparison with the prototype.

При выполнении численных исследований были использованы следующие исходные данные:When performing numerical studies, the following initial data were used:

- амплитуда гармонического сигнала на промежуточной частоте - 10;- the amplitude of the harmonic signal at the intermediate frequency - 10;

- промежуточная частота, МГц - fPR=75⋅106 Гц;- intermediate frequency, MHz - f PR =75⋅10 6 Hz;

- шаг дискретизации при моделировании несущей на промежуточной частоте

Figure 00000028
;- sampling step when modeling a carrier at an intermediate frequency
Figure 00000028
;

- частота дискретизации АЦП - fD=108 Гц;- ADC sampling frequency - f D =10 8 Hz;

- ширина спектра принимаемого сигнала Δƒ=20⋅106 МГц;- spectrum width of the received signal Δƒ=20⋅10 6 MHz;

- порядок субдискретизации m=1;- subsampling order m=1;

- приведенная частота дискретизации и приведенная промежуточная частота -

Figure 00000029
;- reduced sampling frequency and reduced intermediate frequency -
Figure 00000029
;

- длина окна

Figure 00000030
.- window length
Figure 00000030
.

На фиг. 4 приведены оценки отношения сигнал/шум (ОСШ) при реализации предлагаемого способа и при реализации прототипа. По оси абсцисс отложены значения девиации фазовых шумов каналах цифровой АР Δϕ в радианах, а по оси ординат - значения ОСШ на выходах каналов цифровой АР. Символы «□» соответствуют результатам численного эксперимента при реализации способа прототипа, а символы «х» - при реализации предлагаемого способа. Для удобства по результатам эксперимента получены аппроксимирующие зависимости, которые обозначены штриховой и сплошной кривой соответственно.In FIG. 4 shows estimates of the signal-to-noise ratio (SNR) in the implementation of the proposed method and in the implementation of the prototype. The abscissa shows the values of the phase noise deviation in the channels of the digital array Δϕ in radians, and the ordinate shows the SNR values at the outputs of the channels of the digital array. The symbols "□" correspond to the results of a numerical experiment when implementing the prototype method, and the symbols "x" - when implementing the proposed method. For convenience, according to the results of the experiment, approximating dependences were obtained, which are indicated by the dashed and solid curves, respectively.

Как следует из приведенных результатов моделирования использование цифрового фильтра на выходе АЦП повышает отношение сигнал/шум. Например, при выборе коэффициент kPR=9, kD=12 отношение сигнал/шум возрастает в два-три раза. При этом цифровой фильтр является интегрирующим фильтром сужающим полосу пропускания приемника с частотой среза приблизительно равной

Figure 00000031
. При выборе иного сочетания коэффициентов kPR, kD, частоту среза можно оценить по формуле
Figure 00000032
. В любом случае требуется, чтобы частота среза была меньше максимальной частоты в полосы информационного сигнала, т.е. выполнялось условие: ƒcp<Δƒ. Для случая, взятого в качестве примера, условие выполняется: 10 МГц<20 МГц.As follows from the above simulation results, the use of a digital filter at the ADC output increases the signal-to-noise ratio. For example, when choosing the coefficient k PR =9, k D =12, the signal-to-noise ratio increases two to three times. In this case, the digital filter is an integrating filter that narrows the receiver bandwidth with a cutoff frequency approximately equal to
Figure 00000031
. When choosing a different combination of coefficients k PR , k D , the cutoff frequency can be estimated by the formula
Figure 00000032
. In any case, it is required that the cutoff frequency be less than the maximum frequency in the information signal band, i.e. the following condition was fulfilled: ƒ cp <Δƒ. For the case taken as an example, the condition is met: 10 MHz<20 MHz.

На фиг. 5, а кривая соответствует ДН в отсутствии шума ƒ0(θ) для М=128-элементной эквидистантной линейной цифровой антенной решетки с межэлементным расстоянием d=0.5λ (λ - длина волны источника сигнала). В качестве весовых коэффициентов использовано амплитудное распределение видаIn FIG. 5, and the curve corresponds to the RP in the absence of noise ƒ 0 (θ) for M=128-element equidistant linear digital antenna array with interelement spacing d=0.5λ (λ is the wavelength of the signal source). The amplitude distribution of the form

Figure 00000033
Figure 00000033

где θ0 - направление максимума формируемого луча антенной решетки.where θ 0 is the direction of the maximum of the formed beam of the antenna array.

В соответствии с известными данными и численным расчетом достижимый уровень боковых лепестков в этом случае соответствует - -40 дБ.In accordance with the known data and numerical calculation, the achievable level of side lobes in this case corresponds to -40 dB.

Для формирования ДН с учетом воздействия шумов в каждую точку наблюдения помещался точечный источник гармонического сигнала единичной амплитуды. К этому сигналу добавлялась случайная составляющая фазового шума с девиацией Δϕ=π10°/180°. При этом в каждом канале обработки АР модель принимаемого сигнала описывалась выражениемTo form a pattern taking into account the impact of noise, a point source of a harmonic signal of unit amplitude was placed at each observation point. To this signal was added a random component of the phase noise with deviation Δϕ=π10°/180°. At the same time, in each AA processing channel, the model of the received signal was described by the expression

Figure 00000034
Figure 00000034

где ξl,i∈[-Δϕ/2, Δϕ/2] - случайная составляющая шума.where ξ l,i ∈[-Δϕ/2, Δϕ/2] is the random noise component.

Формируемая ДН в каждом направлении наблюдения θ в момент времени l=0 вычислялась по формулеThe generated RP in each observation direction θ at time l=0 was calculated by the formula

Figure 00000035
Figure 00000035

На фиг. 5, б представлена кривая, полученная при расчете ДН по формуле (16) с учетом воздействия шума и без обработки цифровым фильтром (по прототипу).In FIG. 5, b shows the curve obtained by calculating the RP using the formula (16) taking into account the impact of noise and without processing with a digital filter (according to the prototype).

На фиг. 5, в приведена кривая ДН при расчете по формулеIn FIG. 5, c shows the DN curve when calculated by the formula

Figure 00000036
Figure 00000036

т.е. с учетом воздействия шума и результатов обработки цифровым фильтром (по заявляемому способу).those. taking into account the impact of noise and the results of processing by a digital filter (according to the claimed method).

Из сопоставления результатов следует, что выигрыш в уровне боковых лепестков составляет 5…6 дБ.It follows from a comparison of the results that the gain in the level of side lobes is 5...6 dB.

Проведенные исследования показали, что величина выигрыша зависит от размеров скользящего окна (числа слагаемых в выражениях (10)). Увеличение размеров скользящего окна приводит к увеличению выигрыша, однако, при этом ухудшаются динамические свойства антенной решетки. В связи с этим выбор размеров окна является компромиссом между стремлением к решению проблемы приближения к уровню боковых лепестков соответствующих отсутствию шумов и динамическими свойствами антенной решетки.The conducted studies have shown that the gain depends on the size of the sliding window (the number of terms in expressions (10)). An increase in the size of the sliding window leads to an increase in the gain, however, in this case, the dynamic properties of the antenna array deteriorate. In this regard, the choice of window sizes is a compromise between the desire to solve the problem of approaching the level of side lobes corresponding to the absence of noise and the dynamic properties of the antenna array.

Таким образом, приведенные примеры и обоснование выражений (12) и (13) демонстрируют реализуемость предложенного способа и достижение сформулированного технического результата - повышение ОСШ в каналах ЦАР на 5…6 дБ.Thus, the above examples and justification of expressions (12) and (13) demonstrate the feasibility of the proposed method and the achievement of the formulated technical result - an increase in SNR in the CAR channels by 5...6 dB.

Приведенные выше материалы о возможной реализации способа на основе известных блоков и устройств подтверждают соответствие критерию "промышленная применимость" предложенного способа.The above materials on the possible implementation of the method based on known blocks and devices confirm compliance with the criterion of "industrial applicability" of the proposed method.

Список использованных источниковList of sources used

1 Пат. №2395140, Российская Федерация, МПК G01S 13/42. Антенный пост радиолокационной станции / Л.Р. Карев, Г.А. Морозов, В.В. Самулевич, А.Н. Сергеев, Я.С. Хасин. - 2008130749, заявл. 24.07.2008; опубл. 27.01.2010, Бюл. №3;1 Pat. No. 2395140, Russian Federation, IPC G01S 13/42. Antenna post of the radar station / L.R. Karev, G.A. Morozov, V.V. Samulevich, A.N. Sergeev, Ya.S. Khasin. - 2008130749, claim. 07/24/2008; publ. 27.01.2010, Bull. No. 3;

2 Малахов, Р.Ю. Модуль цифровой бортовой антенной решетки. Диссертация на соискание ученой степени кандидат технических наук (научный руководитель Добычина Е.М.) / Р.Ю. Малахов. - М.: МАИ, 2015. - 156 с.;2 Malakhov, R.Yu. Digital onboard antenna array module. Thesis for the degree of candidate of technical sciences (supervisor Dobychina E.M.) / R.Yu. Malakhov. - M.: MAI, 2015. - 156 p.;

3 Пат. №2495447, Российская Федерация, МПК G01S 3/80. Способ формирования диаграммы направленности / В.В. Задорожный, А.Ю. Ларин, О.В. Оводов. - 2011146408, заявл. 15.11.2011; опубл. 20.05.2013 Бюл. №14;3 Pat. No. 2495447, Russian Federation, IPC G01S 3/80. The method of forming the radiation pattern / V.V. Zadorozhny, A.Yu. Larin, O.V. Ovodov. - 2011146408, Appl. 11/15/2011; publ. 05/20/2013 Bull. No. 14;

4 Пат. №2584458, Российская Федерация, МПК G01Q 3/00. Цифровая сканирующая приемная антенная решетка для радиолокационной станции / Г.А. Морозов, Т.И. Сухачева, Я.С. Хасин. - 2014141907, заявл. 17.10.2014; опубл. 20.05.2016 Бюл. №14;4 Pat. No. 2584458, Russian Federation, IPC G01Q 3/00. Digital scanning receiving antenna array for a radar station / G.A. Morozov, T.I. Sukhacheva, Ya.S. Khasin. - 2014141907, claim. 10/17/2014; publ. 05/20/2016 Bull. No. 14;

5 Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток: Учебное пособие для вузов / Под. ред. Д.И. Воскресенского. - М.: Радиотехника, 2012. -744 с.;5 Microwave devices and antennas. Design of phased antenna arrays: Textbook for universities / Pod. ed. DI. Resurrection. - M.: Radio engineering, 2012. -744 p.;

6 Шмачилин, П.А. Характеристики бортовых цифровых АФАР СВЧ Специальность 05.12.07 - «Антенны, СВЧ - устройства и их технологии». Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук / П.А. Шмачилин. - М.: МАИ, 2011. - 20 с. (Руководитель доктор технических наук, профессор Д.И. Воскресенский).6 Shmachilin, P.A. Characteristics of onboard digital AFAA microwave Specialty 05.12.07 - "Antennas, microwave devices and their technologies." Abstract of the dissertation for the degree of candidate of technical sciences / P.A. Shmachilin. - M.: MAI, 2011. - 20 p. (Head Doctor of Technical Sciences, Professor D.I. Voskresensky).

Claims (6)

Способ формирования многолучевой диаграммы направленности, заключающийся в том, что принимаемый комплексный сигнал с каждого из М модулей антенной решетки разбивают на две квадратурные составляющие, образующие М пар сигналов, и путем синхронной дискретизации по времени и квантования по уровню квадратурные составляющие оцифровывают и формируют из них временные последовательности, затем для формирования диаграммы направленности в каждом приемном модуле с помощью устройства цифрового формирования диаграммы направленности в приемном модуле и под управлением устройства выработки коэффициентов для формирования диаграммы направленности в приемном модуле к соответствующим квадратурным парам подмешивают соответствующие цифровые сигналы, каждую пару из которых потом размножают на N групп по числу лучей и объединяют по признаку принадлежности к диаграммам направленности отдельных лучей, а для формирования многолучевой диаграммы направленности антенной решетки с помощью устройства цифрового формирования многолучевой диаграммы направленности антенной решетки и под управлением устройства выработки коэффициентов для формирования многолучевой диаграммы направленности антенной решетки к соответствующим квадратурным парам каждой группы по числу лучей вновь подмешивают соответствующие цифровые сигналы, отличающийся тем, что каждую квадратурную составляющую каждого канала, полученную после оцифровки, дополнительно уточняют в соответствии с выражениямиA method for forming a multipath radiation pattern, which consists in the fact that the received complex signal from each of the M modules of the antenna array is divided into two quadrature components forming M pairs of signals, and by synchronous sampling in time and quantization in terms of level, the quadrature components are digitized and temporal components are formed from them sequence, then to form the beamforming in each receiving module, using the digital beamforming device in the receiving module and under the control of the device for generating beamforming coefficients in the receiving module, the corresponding digital signals are mixed to the corresponding quadrature pairs, each pair of which is then multiplied by N groups according to the number of beams and are combined on the basis of belonging to the radiation patterns of individual beams, and to form a multi-beam radiation pattern of the antenna array using a digital shaper the corresponding digital signals are again mixed to the corresponding quadrature pairs of each group according to the number of beams, characterized in that each quadrature component of each channel obtained after digitization is additionally refined in accordance with the expressions
Figure 00000037
Figure 00000037
где I0, Q0 - уточненные синфазная и несинфазная квадратурные составляющие на текущий момент времени;where I 0 , Q 0 - updated in-phase and out-of-phase quadrature components at the current time;
Figure 00000038
- оцифрованные синфазная и несинфазная квадратурные составляющие временной последовательности на соответствующие моменты времени;
Figure 00000038
- digitized in-phase and out-of-phase quadrature components of the time sequence at the corresponding points in time;
L - длительность скользящего окна, в кратное число раз большая периода сигнальной несущей и периода дискретизации;L is the duration of the sliding window, which is a multiple of the signal carrier period and the sampling period;
Figure 00000039
- момент времени в пределах длительности скользящего окна.
Figure 00000039
- the moment of time within the duration of the sliding window.
RU2021108461A 2021-03-29 Method of beam formation in receving digital antenna array RU2766536C9 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021108461A RU2766536C9 (en) 2021-03-29 Method of beam formation in receving digital antenna array

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021108461A RU2766536C9 (en) 2021-03-29 Method of beam formation in receving digital antenna array

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2766536C1 true RU2766536C1 (en) 2022-03-15
RU2766536C9 RU2766536C9 (en) 2022-06-09

Family

ID=

Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4277787A (en) * 1979-12-20 1981-07-07 General Electric Company Charge transfer device phased array beamsteering and multibeam beamformer
RU2072525C1 (en) * 1993-09-29 1997-01-27 Нижегородский государственный технический университет Directivity pattern shaping method
RU2232485C2 (en) * 2001-11-27 2004-07-10 Корпорация "Самсунг Электроникс" Procedure to form directivity pattern of antenna and device for its realization
US7609206B1 (en) * 2008-02-01 2009-10-27 Rockwell Collins, Inc. Enabling digital beamforming techniques for RF systems having short repetitive synchronization sequences
RU2449473C1 (en) * 2011-04-14 2012-04-27 Государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации Multichannel adaptive radio-receiving device
RU2495447C2 (en) * 2011-11-15 2013-10-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") Beam forming method
RU2584458C1 (en) * 2014-10-17 2016-05-20 Акционерное общество "Конструкторское бюро "Аметист" (АО"КБ"Аметист") Digital scanning receiving antenna array for radar station
WO2017153985A1 (en) * 2016-03-07 2017-09-14 Satixfy Uk Limited Digital beam forming system and method

Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4277787A (en) * 1979-12-20 1981-07-07 General Electric Company Charge transfer device phased array beamsteering and multibeam beamformer
RU2072525C1 (en) * 1993-09-29 1997-01-27 Нижегородский государственный технический университет Directivity pattern shaping method
RU2232485C2 (en) * 2001-11-27 2004-07-10 Корпорация "Самсунг Электроникс" Procedure to form directivity pattern of antenna and device for its realization
US7609206B1 (en) * 2008-02-01 2009-10-27 Rockwell Collins, Inc. Enabling digital beamforming techniques for RF systems having short repetitive synchronization sequences
RU2449473C1 (en) * 2011-04-14 2012-04-27 Государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования "ВОЕННАЯ АКАДЕМИЯ СВЯЗИ имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации Multichannel adaptive radio-receiving device
RU2495447C2 (en) * 2011-11-15 2013-10-10 Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") Beam forming method
RU2584458C1 (en) * 2014-10-17 2016-05-20 Акционерное общество "Конструкторское бюро "Аметист" (АО"КБ"Аметист") Digital scanning receiving antenna array for radar station
WO2017153985A1 (en) * 2016-03-07 2017-09-14 Satixfy Uk Limited Digital beam forming system and method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Talisa et al. Benefits of digital phased array radars
Garrod Digital modules for phased array radar
Rumyancev et al. Survey on beamforming techniques and integrated circuits for 5G systems
CN108809390B (en) Robust transmission method suitable for multicast multi-beam satellite mobile communication system
CN111370873B (en) High-efficiency phase modulation system based on time modulation array
JP2022545160A (en) Digital radio head control
Höhne et al. Phase noise in beamforming
US10181862B1 (en) Parameterizable bandpass delta-sigma modulator
RU2495447C2 (en) Beam forming method
CN109831233B (en) Multi-cell coordinated large-scale MIMO beam domain multicast power distribution method
Nusenu Development of frequency modulated array antennas for millimeter-wave communications
RU2766536C1 (en) Method of beam formation in aperture digital antenna array
Ni et al. Direction finding and performance analysis with 1 bit time modulated array
RU2766536C9 (en) Method of beam formation in receving digital antenna array
RU2713503C1 (en) Method of angular superresolution in receiving digital antenna arrays
Farid et al. Dynamic range requirements of digital vs. RF and tiled beamforming in mm-wave massive MIMO
CN106842147B (en) A kind of digital beam froming method solving graing lobe interference problem
Miyauchi et al. Development of DBF radars
Hokayem et al. A Compact Beamforming Concept Based on Element-to-Element Mixing for 5G Applications
Awwad et al. Modeling and Optimization of a Range-Selective Digital Array Radar
WO2021199719A1 (en) All-digital transmitter with wideband beamformer
Dobychina et al. Digital transceiver module for on-board communication system
Fukuda et al. A broadband phased-array antenna system employing frequency-upconverted local signals with phase difference
Chistukhin et al. A spatial interference filter system breadboard on the base of a digital beamforming antenna
Kim et al. Low-spurious wideband DDS-based Ku-band chirp generator for short-range radar application