SE463286B

SE463286B - ADAPTIVE ANTENNA DEVICE

Info

Publication number: SE463286B
Application number: SE8903349A
Authority: SE
Inventors: P Barton
Original assignee: Stc Plc
Priority date: 1984-09-29
Filing date: 1989-10-12
Publication date: 1990-10-29
Also published as: SE8903349D0; GB2219140B; GB2219140A; SE8903349A; GB8424643D0

Description

korrelationsnoder anordnade i grupper, varvid varje grupp innefattar ett mindre dekorrelationssteg än föregående grupp och den första gruppen innefattar en nod mindre än antalet antennelement. varvid varje nod i den första gruppen är kopp- lad att som en huvudsignal mottaga en signal från ett antenn- element som skiljer sig från övriga antennelement och som en hjälpsignal den signal, som erhålles frán de àterstâende elementen, samt att alstra en utsignal, medan varje dekorrela- tionsnod nos varje efterföljande grupp är kopplad att sàsom huvudsignal mottaga en utsignal fràn respektive dekorrela- tionsnod i en föregående grupp och sásom hjälpsignal den àterstáende utsignalen frán den föregående gruppen och alstra en utsignal, varvid varje grupp utom den sista har en förinställd dekorrelationsnod, vars utsignal dekorreleras med avseende pá en eller flera av samtliga utom ett antenn- elements insignaler och där anordningen innefattar avsök- ningsorgan, varvid utsignalerna frán samtliga noder i varje grupp matas pà tidsfördelat sätt till en processor som även matas med en signal som gäller för det antennelement som skiljer sig frán övriga antennelement, vilken processor successivt genererar uppdaterade vikter för inmatning pà noderna, varvid varje sàdan vikt inmatas pà en ingång av dess .nod för dekorreleringen. correlation nodes arranged in groups, each group comprising a smaller decorrelation step than the previous group and the first group comprising a node smaller than the number of antenna elements. each node in the first group being connected to receive as a main signal a signal from an antenna element different from the other antenna elements and as an auxiliary signal the signal obtained from the remaining elements, and to generate an output signal, while each decorrelation node nos each subsequent group is connected to receive as a main signal an output signal from the respective decorrelation node in a previous group and as an auxiliary signal the remaining output signal from the previous group and generate an output signal, each group except the last having a preset decoration , the output signal of which is decorrelated with respect to one or more of all but one input signal of an antenna element and wherein the device comprises scanning means, the output signals from all nodes in each group being fed in a time-divided manner to a processor which is also fed with a signal the antenna element which differs from the other antenna elements, which processor is successive t generates updated weights for input to the nodes, each such weight being input to an input of its .node for the decorrelation.

Uppfinningen hänför sig sålunda till ett speciellt sätt att förverkliga en bearbetningsstruktur som är känd som sek- vensvis dekorrelering, vilket möjliggör att snabbare kon- vergens kan uppnàs vid flerfaldiga störcenarier än vad som är möjligt vid den enkla ordnngsdekorrelerande lösningen och samtidigt är mindre komplicerad att förverkliga än lös- ningen med matematisk direktberäkning.The invention thus relates to a special way of realizing a processing structure known as sequential decorrelation, which enables faster convergence to be achieved in multiple disturbance scenarios than is possible with the simple order decorrelating solution and at the same time is less complicated to realize. than the solution with mathematical direct calculation.

Föredragna utföringsformer Uppfinningen kommer nedan att beskrivas i samband med utföringsformer som àskàdliggörs pà bifogade ritningar, där fig. 1 visar (såsom inledningsvis angivits) en känd krets för enkel ordningsdekorrelering, fig. 2 och 3 visar grundprinciperna för sekvensvis de- korrelering enligt den föreliggande uppfinningen, JZ* CF: bl BJ Cr) ON fig. 4 den 5 visar tvâ lösningar till förverkligande av en cell i anordningen enligt fig. 3 och fig. 6, 7 och B visar blockschemor över föredragna utföringsformer av uppfinningen.Preferred Embodiments The invention will be described below in connection with embodiments illustrated in the accompanying drawings, in which Fig. 1 shows (as initially indicated) a known circuit for simple order decorrelation, Figs. 2 and 3 show the basic principles of sequential decorrelation according to the present invention. Fig. 4 on 5 shows two solutions for realizing a cell in the device according to Fig. 3 and Figs. 6, 7 and B show block diagrams of preferred embodiments of the invention.

Principerna för sekvensvis dekorrelering, som i sig är kända genom patentansökan B 316 658 (J.G. Searte m.fl.), är att adaptivt kombinera tvâ signaler i taget i en nod- struktur av det slag som illustreras i fig. 2. Varje nod, som har två ingångar A, B anslutna såsom visas till anten- nerna A1-A4 samt en utgång 0, kan anses utgöra en tvåkanalig adaptiv kombinerare vars bottenkanalsignal är viktad med ett värde som är lika med korskorrelationen mellan de båda in- signalerna dividerad med storleken på signalen i botten- kanalen. Det viktade värdet kan erhållas genom att mate- matisk lösning, fig. 4, där beräkningen utförs i en be- räkningsenhet CU, som såsom framgår utför den ovan angivna beräkningen med invertering eftersom dekorrelering är aktu- ell. Alternativt kan det viktade värdet erhållas medelst en korrelationsslinga, fig. 5, som såsom framgår ger samma re- sultat. I det förstnämnda fallet måste såväl viktberäkningen som inmatningen vara exakt och ett digitalt förverkligande är obigatoriskt. I det senare fallet föreligger känneteck- nen på robusthet och enkelhet för korrelationsslingan.The principles of sequential decorrelation, known per se from patent application B 316 658 (JG Searte et al.), Are to adaptively combine two signals at a time in a node structure of the type illustrated in Fig. 2. Each node, which has two inputs A, B connected as shown to the antennas A1-A4 and an output 0, can be considered to be a two-channel adaptive combiner whose bottom channel signal is weighted by a value equal to the cross-correlation between the two inputs divided by the size on the signal in the bottom channel. The weighted value can be obtained by mathematical solution, Fig. 4, where the calculation is performed in a calculation unit CU, which as can be seen performs the above calculation with inversion since decorrelation is current. Alternatively, the weighted value can be obtained by means of a correlation loop, Fig. 5, which, as can be seen, gives the same result. In the former case, both the weight calculation and the input must be accurate and a digital realization is mandatory. In the latter case, the characteristics of robustness and simplicity of the correlation loop exist.

Den inneboende begränsningen av korrelationsslings- lösningen som visar sig i tendensen till långsamt svar vid omgivningar med flerfaldiga störningar är ej särskilt på- taglig här eftersom varje tvåelementskombinerare endast kan beakta den starkaste störsignalen som den uppfattar. Det föreligger ej några grader av fria reserver ens till att försöka att undanröja sekundära störsignaler. Således före- ligger mycket liten förlängning av konvergeringstiden inom varje nod när antalet störkällor ökar. Mångfaldsstörningar behandlas i stället medelst successiva spalter av noder i den triangelform som illustreras i fig. 2.The inherent limitation of the correlation loop solution that manifests itself in the tendency to respond slowly in environments with multiple disturbances is not very noticeable here, since each two-element combiner can only consider the strongest disturbance signal that it perceives. There are no degrees of free reserves even to try to eliminate secondary interference signals. Thus, there is very little extension of the convergence time within each node when the number of interference sources increases. Diversity disturbances are instead treated by means of successive columns of nodes in the triangular shape illustrated in Fig. 2.

I all sin enkelhet kommer därför varje ordningskaskad att ta ungefär lika lång tid att omvandla som det tar för en enda ordningsadaptiv kombinerare att räkna en enda stör- ning. 463 286 En föredragen utfüringsform av uppfinningen visas i fig. 6 och den utnyttjar en nodstruktur där varje nod om- fattar en oviktad insignalkanal, en komplexviktad insignal- kanal och en kombinerarkrets. I vardera fallet är den ovik- tade kanalen den som ligger överst av de tvà inom en nod.In all its simplicity, therefore, each order cascade will take about as long to convert as it takes for a single order-adaptive combiner to count a single disturbance. 463 286 A preferred embodiment of the invention is shown in Fig. 6 and it utilizes a node structure where each node comprises an unweighted input signal channel, a complex weighted input signal channel and a combiner circuit. In each case, the unweighted channel is the one at the top of the two within a node.

Ingàngarna pa vänster sida kommer fràn antennelementen.The inputs on the left side come from the antenna elements.

Kretsarnas detaljer och en skiss till den adaptiva pro- cessorn illustreras i fig. 7 resp. 8. Värdet pá den viktning som skall inmatas alstras medelst en tiduppdelad adaptiv processor och den multiplexa korrelatorn förverkligas bäst med anordnandet av ett effektnormaliserat svar med brett dynamiskt omràde, sä att konvergenshastigheten relativt den starkast avkända signalen på varje steg är oberoende av dess absolutnivä ovanför en styrbar tröskel. Det senare anordnandet av en tröskel hindrar obehövlig adaptering och efterföljande viktningshopp i de senare kretsanordningar, när antalet störningssändare är färre än antalet ordningar i bearbetningsanordningen.The details of the circuits and a sketch of the adaptive processor are illustrated in Figs. The value of the weight to be input is generated by a time division adaptive processor and the multiplex correlator is best realized by arranging a power normalized response with wide dynamic range, so that the convergence rate relative to the strongest sensed signal at each stage is independent of its absolute level above a controllable threshold. The latter arrangement of a threshold prevents unnecessary adaptation and subsequent weighting jumps in the latter circuit devices, when the number of interference transmitters is less than the number of arrangements in the processing device.

För att utjämna förstärkningsbalansen i kretsen pla- ceras förstärkare och effektdelare i lägen som visas i fig. 6 för en anordning med fyra element. I princip kan vilken som helst driftsfrekvens användas, men i praktiken är utförandet för frekvenser inom omradet 100-400 Hz spe- ciellt lämpliga.To equalize the gain balance in the circuit, amplifiers and power dividers are placed in positions shown in Fig. 6 for a device with four elements. In principle, any operating frequency can be used, but in practice the design for frequencies in the range 100-400 Hz is especially suitable.

Olika sekvenser är möjliga för att uppdatera viktning- arna och tvà kommer att beskrivas nedan. I alla fall kan en enda viktuppdatering sägas reglera en komplex viktkomponent med ett värde som reducerar den starkast "synliga" signalen i just den tvákanaliga kombineraren med mellan 1 och 2 dB.Different sequences are possible to update the weights and two will be described below. In any case, a single weight update can be said to regulate a complex weight component with a value that reduces the strongest "visible" signal in the two-channel combiner by between 1 and 2 dB.

I) Varje viktkomponent ges genom hela kretsen en enda upp- datering för varje multiplexcykel, exempelvis en sekvens med formen Wii, Wla, Wie, Wai, Waz, N31 i ett fyrkanal- system.I) Each weight component is given throughout the circuit a single update for each multiplex cycle, for example a sequence of the form Wii, Wla, Wie, Wai, Waz, N31 in a four-channel system.

II) En subcykel för att anpassa den första anordningen av vikter, exempelvis Wii, Wla, Was, följes av en subcykel för att anpassa den andra anordningen av vikter osv. Varje subcykel innefattar flera uppdateringar av individuella 'n 463 286 viktningskomponenter för den för handen varande ordningen, så att ett närmande av fullständig anpassning uppnas inom en subcykel. Pâ detta sätt kan växelverkan av anpassning mellan olika bearbetningsordnlngar göras minimal och följ- aktligen blir konvergenstiden minimerad.II) A subcycle for adjusting the first arrangement of weights, for example Wii, Wla, Was, is followed by a subcycle for adjusting the second arrangement of weights, etc. Each subcycle includes several updates of individual 463,286 weighting components for the present order, so that a complete fit approach is achieved within a subcycle. In this way, the interaction of adaptation between different processing arrangements can be minimized and consequently the convergence time is minimized.

Det kan inträffa att olika multiplexeringssekvenser kommer att vara optimala för olika typer av interferens- situationer, exempelvis kontinuerliga hopp, pulsade hopp.It may happen that different multiplexing sequences will be optimal for different types of interference situations, for example continuous jumps, pulsed jumps.

Fig. 6 skall nu behandlas något mer i detalj än vad som skett ovan. Vid denna anordning dekorreleras signalen från en antenn, den nedersta, med samtliga de övriga sig- nalerna i det första steget. Denna signal förstärkes allt- så medelst en förstärkare A1 och den förstärkta signalen divideras med fyra medelst en effektdividerare PD1, vars tre utsignaler matas till dekorrelationsnoderna i det första skiktet. Den fjärde utsignalen Y4 från divideraren utgör slututsignalen från detta antennelement till bear- betningsanordningarna som användes för viktningsuppdatering.Fig. 6 will now be treated in somewhat more detail than what happened above. In this device, the signal from one antenna, the bottom one, is decorrelated with all the other signals in the first step. This signal is thus amplified by means of an amplifier A1 and the amplified signal is divided by four by means of a power divider PD1, the three output signals of which are fed to the decorrelation nodes in the first layer. The fourth output signal Y4 from the divider constitutes the final output signal from this antenna element to the processing devices used for weighting update.

För att beakta en mod som ett exempel framgår att sig- nalen från det översta antennelementet matas till en ingång på en summerare S1, till vars andra ingång en av utsignal- erna från effektdivideraren PD1 inmatas. Denna insignal matas via en viktningskrets Wii som har två viktingångar betecknade W: och Wo. Dessa erhålles från bearbetnings- anordningarna som just nämnts. Utsignalen från summeraren S2 går till en annan effektdelare PD2 som delar upp sig- nalen mellan en ingång till nästa stegs nod och en utgång Zz till viktningsuppdaterande bearbetningsanordningar.To consider a mode as an example, it appears that the signal from the uppermost antenna element is fed to an input of a summer S1, to the other input of which one of the output signals from the power divider PD1 is input. This input signal is supplied via a weighting circuit Wii which has two weighting inputs designated W: and Wo. These are obtained from the processing devices just mentioned. The output signal from the summer S2 goes to another power divider PD2 which divides the signal between an input of the next stage node and an output Zz of weight updating processing devices.

De ovan angivna förstärkarna, som ingår för balan- seringsändamål, är indikerade vid A2 och A3.The above-mentioned amplifiers, which are included for balancing purposes, are indicated at A2 and A3.

Utsignalerna till uppdateringsanordningarna frán de olika noderna anges vid Y1, Y2, Y3, Y4, Zl, ZZ och Z3 och matas till två omkopplare SW1, SW2, via vilka de matas till den adaptiva processorn som genomför lämpliga be- räkningar för dem för att alstra de erforderliga vikt- ningsuppdateringarna. 4-65 286 Med hänvisning till fig. 7 framgår detaljer i en kom- plicerad viktningskrets, varvid den som valts är Wai tfig. 6).The outputs of the updating devices from the different nodes are indicated at Y1, Y2, Y3, Y4, Z1, ZZ and Z3 and are fed to two switches SW1, SW2, via which they are fed to the adaptive processor which performs suitable calculations for them to generate the required weighting updates. 4-65 286 Referring to Fig. 7, details appear in a complex weighting circuit, the one selected being Wai tfig. 6).

De övriga är likartade men använder olika vikter. Här in- matas insignalen till en effektdlvlderare PD5 med två ut- signaler vid 0° och 90” fas. Därifrån går de till två viktningskretsar WA1 och WA2, vilkas utsignaler är summe- rade av summerare SA. Som resultat av denna viktningskrets funktion erhålles: Utsignalen = (1/2)°(W= cos wt + WO sin wt) = = É cos(wt - 0) där W: = a cos 0 WQ = a sin 0 Insignalen kommer antingen från ett antennelement i fal- let med det första steget i anordningen eller från en nod i fallet med senare steg.The others are similar but use different weights. Here the input signal is input to a power generator PD5 with two output signals at 0 ° and 90 ”phase. From there they go to two weighting circuits WA1 and WA2, the output signals of which are summed by summer SA. As a result of the function of this weighting circuit is obtained: The output signal = (1/2) ° (W = cos wt + WO sin wt) = = É cos (wt - 0) where W: = a cos 0 WQ = a sin 0 The input signal comes either from an antenna element in the case of the first stage of the device or from a node in the case of later stages.

Fig. 8 är ett exempel pà en tiddelande adaptiv proces- sor, sàsom en sådan som användes i kretsen enligt fig. 6 för uppdatering av de vikter som användes vid de olika ste- gen i anordningen. Vid detta arrangemnag är insignalerna till processorn från omkopplarna lika, varför endast den från omkoplaren SW1 kommer att beskrivas.Fig. 8 is an example of a ten-part adaptive processor, such as one used in the circuit of Fig. 6, for updating the weights used in the various steps of the device. In this arrangement, the input signals to the processor from the switches are the same, so only that from the switch SW1 will be described.

Insignalen från omkopplaren SW1 uppdelas av effekt- divideraren PD5 påtvå kanaler, som vardera innefattar en korrelator, varvid dessa korrelatorer får signaler som representerar cos wt och sin wt inmatade. Varje kanal är lik den andra varför återigen endast en kommer att be- skrivas. I den för cos wt går korrelatorns CA utsignal via ett lågpassfilter Fl och förstärkare till en analog/digita1- omvandlare ADC. Processorn PR, som är digital korrelator som arbetar under kontroll av en algoritm för effektnorma- lisering och viktningsuppdatering mottar digital infor- mation på fyra ingångar, i varje fall på tidsdelat sätt.The input signal from the switch SW1 is divided by the power divider PD5 into two channels, each of which comprises a correlator, these correlators receiving signals representing cos wt and their wt input. Each channel is the same as the other, so again only one will be described. In the case of cos wt, the output of the correlator CA goes via a low-pass filter F1 and amplifier to an analog / digita1 converter ADC. The processor PR, which is a digital correlator that works under the control of an algorithm for power normalization and weighting updates, receives digital information on four inputs, at least in a time-divided manner.

Korrelatorn alstrar även en digitalt styrd automatisk för- stärkningsstyrning för förstärkarna via den med AGO beteck- nade anslutningen.The correlator also generates a digitally controlled automatic gain control for the amplifiers via the connection marked AGO.

De uppdaterade vikterna som alstras av korrelatorn matas till viktminnet varifrån de distribueras på rätt sätt till de olika dekorrelationsnoderna. 'v DBn ÜV-Eiﬂ glvïlâ DEEI-ZFIVIIlHQEH ﬁflf' glvltå l TLEITHIBÜHE EIV En anordning med antennelement som är direktkopplade till den adaptiva processorn. I ljuset av detta kan vilken som helst konfiguration av antennelement inbegrlpas: linjära, cirku- lära, slumpvisa eller likartade anordningar. Det föreligger tillika ytterligare konfigurationer som kan tillgodogöra sig den föreslagna strukturen, nämligen 1) 2) 3) 4) en cirkulär anordning ansluten via en Butler-matris till processorn, en radarenhet med hjälpelement eller subanordningar, vilka är adaptivt kombinerade med varandra med hjälp av processorn, den adaptiva kombinationen som använder den föreslagna processorn för utsignaler frán en fördröjningslinje med flera uttag, som till sin verkan bildar ett adaptivt filter och en adaptiv anordning enligt något av ovan angivna slag med flera utsignaler ástadkomna genom mindre föränd- ringar av kretskonfigurationen. Med denna anordning blir det möjligt att erhålla driftförbättringar genom val av den utsignal som skall användas.The updated weights generated by the correlator are fed to the weight memory from where they are properly distributed to the various decorrelation nodes. 'v DBn ÜV-Ei ﬂ glvïlâ DEEI-ZFIVIIlHQEH ﬁ flf' glvltå l TLEITHIBÜHE EIV A device with antenna elements that are directly connected to the adaptive processor. In view of this, any configuration of antenna elements can be included: linear, circular, random or similar devices. There are also additional configurations that can take advantage of the proposed structure, namely 1) 2) 3) 4) a circular device connected via a Butler matrix to the processor, a radar unit with auxiliary elements or sub-devices, which are adaptively combined with each other by means of the processor, the adaptive combination using the proposed output signal processor from a multi-terminal delay line, which in turn forms an adaptive filter and an adaptive device according to any of the above types with multiple output signals brought about by minor changes in the circuit configuration. With this device it becomes possible to obtain operational improvements by selecting the output signal to be used.

Claims

An adaptive antenna device with power inversion and comprising several antenna elements which are connected by means of decorrelation nodes (Fig. 3) arranged in groups (Fig. 2), each group comprising a smaller decorrelation step than the previous group and the first group comprising a node less than the number of antenna elements, each node in the first group being connected to receive as a main signal a signal from an antenna element (A4) which differs from the other antenna elements (A1-A3) and as an auxiliary signal the signal obtained from the remaining the elements (A1-A3), and to generate an output signal, while each decorrelation node of each subsequent group is connected to receive as output a main signal from the respective decorrelation node in a previous group and as an auxiliary signal the remaining output signal from the previous group and generating an output signal, each group except the last having a preset decorrelation node, the output signal of which is decorrelated with respect to on one or more of all but one input element of an antenna element and wherein the device comprises scanning means, characterized in that the output signals from all nodes in each group are fed in a time-divided manner to a processor (PR) which is also fed with a signal which applies for the antenna element which differs from the other antenna elements, which processor successively generates updated weights for input to the nodes, each such weight being input to an input of its node for the decorative correlation.

Device according to claim 1, characterized in that each node has a first input (A) via which a signal is arranged to be fed to a summer (Z), a second input (B) via which a second signal is arranged to be supplied to the summer via a weighting circuit (W), one of the inputs being inverted and the summer having an output (C) on which the decorrelated output signal of this node is arranged to appear.