SE542788C2 - Metod för att med frekvenskodning öka den momentana bandbredden i ett digitalmottagarsystem - Google Patents

Abstract

SammanfattningUppfinningen utgör en metod för att med hjälp av frekvenskodning göra ett mottaga rsystem momentant bredbandigt trots att ingående digitalmottagare har begränsad bandbredd. Inkommande signaler delas upp i analoga frekvenskanaler (SI) och signalen i varje frekvenskanal splittas i två (S2, S3).Lokaloscillatorer (O1, O2, O3, O4) och blandare (M1, M2, M3, M4) används för att konvertera signalerna till en mellanfrekvens som kan samplas av en analog- digitalomvandlare (ADC) och därefter frekvensbestämmas i signalbehandling. Efter konvertering med olika lokaloscillatorfrekvenser summeras signalerna i varje frekvenskanal (C1, C2). Varje inkommande signal kommer konverteras till att bestå av ett frekvenspar. Varje frekvenskanal har dock en unik skillnadsfrekvens mellan dess oscillatorer. Alla signaler från frekvenskanalerna sammanlagras (C_1). Genom att mäta den momentana frekvensskillnaden mellan detekterade signaler kan signalbehandlingen bestämma vilken frekvenskanal signalen härrör ifrån. Metoden fungerar även med flera samtidigt inkommande signaler i samma eller olika frekvenskanaler.

Description

Metod för att med frekvenskodning öka den momentana bandbredden i ett digitalmottagarsystem Allmän beskrivning och känd teknik Uppfinningen utgör en metod för att betydligt reducera hårdvara i bredbandiga signalspaningssystem med digitala mottagare.

Signalspaning mot radar används för att karakterisera olika radarsändningar för att varna för annalkande hot (radarvarningsfunktion) eller för att bilda en taktisk lägesbild rörande omgivande emittrar (taktisk signalspaning). Signalspaning kan också användas i underrättelsesyfte för att skapa databasunderlag för olika radarsystem (sk. ELINT).

Det är ofta viktigt att signalspaningssystemet är "vidöppet" d.v.s. spanar inom hela det avsedda frekvensområdet samt rymdtäckningsområdet momentant. Detta för att inte missa signaler som kan utgöra ett hot. Det finns olika typer av mottagararkitekturer som stödjer detta men den vanligaste är den sk. IFM-mottagaren vilken i grunden är en analog mottagare som kan ges stor momentan bandbredd. IFM-mottagaren är dock behäftad med ett antal svagheter och två av dessa är: 1. IFM-mottagaren kan inte resolvera tidsöverlappande signaler på olika frekvenser. Förekomst av flera samtidiga signaler ger mätfel och indikation på endast en signal. 2. IFM-mottagaren får begränsningar i känslighet som dimensioneras av bottenbrusnivå som bestäms av RF-bandbredd tillsammans med videobandbredd enligt: Image available on "Original document" Där BB är ekvivalent brusbandbredd, BHF är RF-bandbredd och Bv är videobandbredd efter signaldetektorn. Bottenbruset vid rumstemperatur brukar anges till -114 dBm/MFIz och ovanstående formel ger som exempel ett bottenbrus på -85 dBm vid 16 GHz RF-bandbredd och 20 MHz videobandbredd. Med mottagarens brusfaktor adderad samt den signalbrus-marginal som behövs för signaldetektion hamnar känsligheten på typiskt -65 dBm.

På senare år har den snabba utvecklingen av högpresterande AD-omvandlare gjort att marknaden försöker omsätta IFM-baserade system med digitalteknikbaserade mottagare för att bl. a. frångå ovanstående problem men även p.g.a. andra fördelar som miniatyrisering. Ett digitalmottagarsystem består av analog RF-del som filtrerar och frekvenskonverterar inkommande signaler för att de ska bli lämpliga för sampling (d.v.s. sampling sker inte direkt på RF utan en lägre mellanfrekvens).

Digitalmottagare kan göras överlägsna en IFM-mottagare avseende mätprecision för radarparametrar, känslighet och hantering av tidsöverlappande signaler. Det senare är viktigt då civil kommunikationstrafik, typiskt mobilbasstationer, ökar i omfattning och kryper upp i frekvens och idag finns inom banden aktuella för radarsignalspaning.

Problemet med digitalmottagare är att kostnadseffektivt skapa momentan frekvenstäckning över hela det aktuella signalspaningsbandet, typiskt 2-18 GHz. Dessutom vill man ofta momentant (d.v.s. utan att använda en svepande reflektorantenn) mäta signalens ankomstriktning varför ett antal parallella mottagare behövs för att genom amplitud- eller fasjämförelse (eller kombinationer därav) skatta signalens ankomstriktning. Då den momentana digitalmottagarbandbredden idag är begränsad till ett antal GHz krävs ett mycket stort antal digitalmottagare för att täcka hela området i frekvens- och rymd med samtidig riktningsmätning. Ett exempel kan utgöras av ett 6-kanaligt system med 4 GHz breda digitalmottagare. Erforderligt antal mottagare för ett komplett momentant spanande system blir 24 st. mottagare (4 frekvenskanaler x 6 kompletta mottagare) för täckning 2-18 GHz. Detta är mycket kostnadsdrivande.

Det finns patenterade metoder för att reducera antalet digitalmottagare i ett bredbandigt system. En sådan metod (US6031869A) använder flera undersamplande mottagare som nyttjar olika samplingsfrekvens. Härvidlag kan sann frekvens bestämmas. Nackdelen här är att flera mottagare behövs.

Figurbeskrivning Figur 1 beskriver uppfinningens princip.

Figur 2 beskriver flöde för signalbehandling Specifik beskrivning Föreliggande uppfinning reducerar antalet digitalmottagare markant utan avgörande prestandasänkning. Detta görs genom analog frekvenskanalisering och frekvenskodning av signaler i varje frekvenskanal åtföljt av sampling i en digitalmottagare. Exempelvis kan en digitalmottagare täckande strax över 4 GHz användas för momentan mottagning över hela bandet 2-18 GHz. I exemplet med 6-kanalssystem kan erforderligt antal digitalmottagare således reduceras med en faktor 4. Frekvenskodningen i varje frekvenskanal är uppfinningens nyckelfunktion. Denna gör så alla signaler kan blandas ner till ett smalare band än vad det totala systemet täcker utan att förlora upptäckssannolikhet för signaler (momentan täckning). Signaler i varje frekvenskanal frekvenskodas automatiskt olika varför efterföljande signalbehandling kan identifiera vilken frekvenskanal signal härstammar ifrån genom att mäta den momentana frekvensskillnaden mellan frekvenskomponenter. Eftersom lokaloscillatorfrekvenser i systemet är kända kan signalbehandlingen extrahera sann absolutfrekvens. Uppfinningen är en del i ett komplett signalspaningssystem men övrig teknik i signalspaningssystemkonstruktion är känd av fackmannen. En helhetsbeskrivning ges dock i detta dokument för att sätta in uppfinningen i sitt sammanhang.

En genomgång av signalkedjan med referens till figur 1 ges nedan. Figur 1 exemplifierar två frekvenskanaler i en fyrkanalsarkitektur: 1. Signalen tas emot från antenn Ant. 2. Signalen bandpassfiltreras i bredbandigt bandpassfilter BF1. 3. Signalen nivåanpassas vid behov via digitalt styrd dämpare Al. 4. Signalen förstärks i förförstärkare G1.

. Signalen splittas upp i frekvenskanaler i splitter S1. 6. Signalen i varje frekvenskanal splittas upp i två grenar i splitter S2, S3... 7. Signalen i varje splittergren blandas med localoscillator O1, O2, O3, O4... Varje frekvenskanal har en unik frekvensskillnad mellan de två oscillatorerna. Oftast måste frekvenskonverteringen ske i flera steg (med flera oscillatorer) med anpassad filtrering i ett bredbandigt system. Metoder för signalren och bredbandig frekvenskonvertering är väl kända av fackmannen. Slutprodukten blir dock två signaler med en frekvensskillnad f1, f2... i varje frekvenskanal. 8. Signalerna från alla frekvenskanaler konverteras till ett och samma mellanfrekvensband för att möjliggöra bredbandig signalmottagning med endast en bandbreddsreducerad digitalmottagare. 9. Nivåanpassning med flera förstärkare och eventuellt dämpare i varje frekvenskanal är inte inritat i figur lmen tillämpas av fackmannen för att nå erforderlig nivåanpassning mot blandare och AD-omvandlare ADC.

. De två signalerna i varje frekvenskanal summeras i kombinerare C1, C2... 11. Signalerna från alla frekvenskanaler summeras i kombinerare C_1. 12. Signalerna samplas och kvantiseras i AD-omvandlare ADC. Företrädesvis används komplex sampling vilket ger ett kvadraturpar, I och Q, som bestämmer belopp och fas för varje signalsampel. 13. När signal detekterats och kanalbestämts i en snabb frekvensskattningsfunktion (som Fast Fourier Transform) kopplas digitala data till en smalbandig mätkanal för parameterskattning. Mätning av ankomsttid och pulslängd görs företrädesvis i tidsplanet på konventionellt sätt. Mätning av noggrann frekvens, amplitud och modulation på signalen görs lämpligen i frekvensplanet. Metoder för parameterskattning är känd av fackmannen. 14. Signalerna signalbehandlas för att extrahera emitterparametrar, emittrar och genomföra signalidentifiering mot signaldatabas.

. Signalbehandlingen i ett komplett system tillgår enligt flöde i figur 2 med beskrivning enligt nedan.

A. Frekvensinnehåll i mottaget spektra skattas via snabb Fouriertransform (FFT) eller motsvarande algoritm. Flera parallella frekvensskattningsfunktioner med olika beräkningslängd kan nyttjas för att skapa en viss signalanpassad detektion. Längre beräkningssekvens medför smalare frekvenskanaler och därmed lägre brus i varje kanal. Längre beräkningssekvenser ger högre känslighet för längre pulslängder. Tröskling tillämpas för att sortera nyttosignaler från bottenbrus med en given falsklarmsrisk.

B. Frekvensavstånd mellan signaltoppar extraheras och matchas med förväntade frekvensavstånd för varje frekvenskanal.

C. När frekvensavstånd extraherats kan absolutfrekvensen räknas ut med hänsyn till lokaloscillatorfrekvenserna i, för frekvensavståndet, aktuell frekvenskanal.

D. En av tonerna hörande till ett frekvenspar isoleras i en digital smalbandskanal som föregås av lämplig fördröjning för att inte missa signalinnehåll.

E. I den digitala smalbandskanalen mäts tidsparametrar som ankomsttid och pulslängd men även parametrar som noggrann frekvens, modulation på puls och amplitud. Metoder för dessa typer av mätningar är kända av fackmannen.

F. När signalparametrar har mätts upp skapas ett sk. signaldeskriptorord som sammantaget innehåller alla karakteristika hörande till en signal. Metoder för bildande av signaldeskriptorord är känt av fackmannen.

G. När signaldeskriptorord har skapats sorteras signaler i fack för att sortera vilka pulser som härrör från samma sändare. För pulser beräknas sedan pulsrepetitionsintervall för signalen.

Signalsorteringsprocesser är kända för fackmannen.

H. När signalsortering och beräkning av pulsrepetitionsintervaller skett matchas all tillgänglig signaldata mot data i en signaldatabas för att försöka identifiera den aktiva emittern för att presentera en känd emitterbeteckning för operatör. Processen för signalidentifiering är känd av fackmannen.

Claims (2)

Patentkrav

1. Metod för att med hjälp av frekvenskodning göra ett mottagarsystem momentant bredbandigt trots att ingående digitalmottagare har begränsad bandbredd, kännetecknad av, en analog kanalisering där signaler i varje frekvenskanal frekvensmoduleras i frekvenskodare för att i efterföljande digitalmottagare göra det möjligt att bestämma från vilken analog frekvenskanal signal härrör trots att signaler från alla ingående frekvenskanaler nyttjar samma mellanfrekvensområde, där signalen tillhörande varje frekvenskanal splittas upp (S2, S3) i två grenar där signalen i respektive gren blandas (M1, M2, M3, M4) med varsin lokaloscillatorsignal (01, 02, 03, 04) för att skapa två frekvensförskjutna signaler på mellanfrekvenser som kan samplas för varje inkommande signal, där signalerna från alla frekvenskanaler summeras (C1, C2, C_1), samplas och kvantiseras, och varefter, genom signalbehandling, det bestäms vilken frekvenskanal signalen härrör ifrån genom att mäta frekvensskillnaden mellan de detekterade signalerna.

2. Metod enligt krav 1, kännetecknad av, att frekvensskillnaden mellan lokaloscillatorfrekvenserna i varje frekvenskanal är unik för varje frekvenskanal.