RU2366047C1 - Adaptive antenna array - Google Patents
Adaptive antenna array Download PDFInfo
- Publication number
- RU2366047C1 RU2366047C1 RU2008126596/09A RU2008126596A RU2366047C1 RU 2366047 C1 RU2366047 C1 RU 2366047C1 RU 2008126596/09 A RU2008126596/09 A RU 2008126596/09A RU 2008126596 A RU2008126596 A RU 2008126596A RU 2366047 C1 RU2366047 C1 RU 2366047C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- outputs
- unit
- inputs
- signal
- vector
- Prior art date
Links
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 title claims description 24
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims abstract description 41
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 24
- 238000007405 data analysis Methods 0.000 claims description 18
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 10
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 6
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 claims description 4
- 238000004891 communication Methods 0.000 abstract description 17
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 abstract description 2
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 15
- 230000036039 immunity Effects 0.000 description 10
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 8
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 7
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 6
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 6
- 238000003491 array Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 230000017105 transposition Effects 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 3
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 3
- 101000738757 Homo sapiens Phosphatidylglycerophosphatase and protein-tyrosine phosphatase 1 Proteins 0.000 description 2
- 102100037408 Phosphatidylglycerophosphatase and protein-tyrosine phosphatase 1 Human genes 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000010295 mobile communication Methods 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 2
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000010606 normalization Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в системах радиолокации, радионавигации и радиосвязи, функционирующих в сложной помеховой обстановке, например в системах радиосвязи с подвижными объектами.The invention relates to the field of radio engineering and communications and can be used in radar, radio navigation and radio communication systems operating in a complex jamming environment, for example, in radio communication systems with moving objects.
В ТИИЭР, 1967, т.55, №12, с.78-95 приводится схема адаптивной антенной решетки (ААР), реализующей алгоритм минимизации среднеквадратического отклонения принимаемого сигнала от эталонного. Для работы алгоритма в устройстве необходимо формировать эталонный сигнал. Это возможно при наличии априорной информации о полезном сигнале. А поскольку такая информация никогда не является полной, так как терялся бы смысл в передаче полезного сигнала, то эталонный сигнал может значительно отличаться от полезного, что вызывает существенное снижение помехозащищенности ААР.In TIIER, 1967, vol. 55, No. 12, pp. 78-95, a diagram of an adaptive antenna array (AAR) is presented that implements an algorithm to minimize the standard deviation of the received signal from the reference. For the algorithm to work in the device, it is necessary to form a reference signal. This is possible if there is a priori information about the useful signal. And since such information is never complete, since the meaning in the transmission of the useful signal would be lost, the reference signal may differ significantly from the useful one, which causes a significant decrease in the noise immunity of AAR.
Адаптивная антенная решетка, конструкция которой описана в журнале "IEEE Trans. Antennas and Propag.", vol.AP-26, 1978, №2, p.228-235, реализует алгоритм минимизации выходной мощности и обладает сравнительно хорошими характеристиками по помехозащищенности. Однако в том случае, когда помеха отсутствует или ее мощность меньше мощности полезного сигнала, то вследствие минимизации полной выходной мощности может произойти подавление полезного сигнала.The adaptive antenna array, whose design is described in the journal "IEEE Trans. Antennas and Propag.", Vol.AP-26, 1978, No. 2, p.228-235, implements an algorithm for minimizing the output power and has relatively good noise immunity characteristics. However, in the case when there is no interference or its power is less than the power of the useful signal, the useful signal can be suppressed due to minimization of the total output power.
Известны схемы адаптивных антенных решеток, реализующих алгоритм максимизации выходного отношения мощности полезного сигнала к сумме мощностей помех и шума (см. Р.А.Монзинго, Т.У. Миллер. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. - М.: Радио и связь, 1986, с.80-86, 179-240). Для работы ААР такого типа необходима точная априорная информация о направлении прихода полезного сигнала. Поэтому ААР такой конструкции неприменимы в радиотехнических системах, где подобная информация отсутствует либо является неточной (например, в системах радиосвязи с подвижными объектами).Known circuits for adaptive antenna arrays that implement the algorithm to maximize the output ratio of the useful signal power to the sum of the interference and noise powers (see R. A. Monzingo, T.U. Miller. Adaptive antenna arrays. Introduction to theory. - M.: Radio and communication 1986, pp. 80-86, 179-240). For the operation of AAR of this type, accurate a priori information is needed on the direction of arrival of the useful signal. Therefore, AAR of this design is not applicable in radio engineering systems where such information is absent or inaccurate (for example, in radio communication systems with moving objects).
Из известных ААР наиболее близкой по технической сущности является решетка, описанная в авторском свидетельстве Российской Федерации №02207680, МПК7 Н01Q 21/00 (заявлено 08.12.2000 г., опубликовано 27.06.2003 г.). Это устройство содержит N антенных элементов, соединенных через комплексные весовые умножители с соответствующими входами общего сумматора, N адаптивных контуров с управляющими входами, каждый из адаптивных контуров состоит из первого умножителя, N вторых умножителей, сумматора, третьего умножителя, блока вычитания, усилителя, интегратора, причем первый вход первого умножителя соединен с выходом соответствующего антенного элемента, второй вход первого умножителя соединен с выходом общего сумматора, выход первого умножителя подключен к первому входу блока вычитания, первые входы вторых умножителей подключены ко вторым выходам блока вычисления множителя Лагранжа, вторые входы вторых умножителей подключены к выходам соответствующих адаптивных контуров, выходы вторых умножителей подключены к соответствующим входам сумматора, выход сумматора подключен к второму входу третьего умножителя, к первому входу которого подключен первый выход блока вычисления множителя Лагранжа, выход третьего умножителя подключен к второму входу блока вычитания, выход блока вычитания подключен к входу усилителя, выход усилителя подключен к входу интегратора, выход которого соединен с управляющим входом соответствующего комплексного весового умножителя, причем первый вход первого умножителя, второй вход первого умножителя, первые входы вторых умножителей, первый вход третьего умножителя, вторые входы вторых умножителей являются соответственно первым, вторым, третьими, четвертым и пятыми входами, а выход интегратора - выходом адаптивного контура, блок формирования множителя Лагранжа состоящий из N блоков комплексного сопряжения, N×N первых умножителей, N×N вторых умножителей, блока вычисления матрицы А, сумматора, блока формирования параметра α, блока вычитания, усилителя, интегратора, причем первые выходы адаптивных контуров соединены со входами соответствующих блоков комплексного сопряжения, выходы которых подключены к первым входам соответствующих первых умножителей, входы блоков комплексного сопряжения подключены к вторым входам соответствующих первых умножителей, выходы первых умножителей подключены к вторым входам соответствующих вторых умножителей, первые входы которых соединены с соответствующими выходами блока вычисления матрицы, вход которого соединен с устройством ввода информации о секторе возможных направлений прихода сигнала от внешнего устройства, выходы вторых умножителей подключены к соответствующим входам сумматора, выход блока формирования параметра α подключен к первому входу блока вычитания, выход сумматора подключен к второму входу блока вычитания, выход блока вычитания подключен ко входу усилителя, выход усилителя подключен к входу интегратора, выход которого подключен к четвертому входу блока адаптивных контуров причем входы блоков комплексного сопряжения являются первыми входами, вход блока вычисления матрицы А - управляющим входом, а выход интегратора и выходы блока вычисления матрицы А - соответственно первым и вторыми выходами блока формирования множителя Лагранжа.Of the known AARs, the closest in technical essence is the lattice described in the copyright certificate of the Russian Federation No. 02207680, IPC 7 H01Q 21/00 (announced on December 8, 2000, published on June 27, 2003). This device contains N antenna elements connected through complex weight multipliers with the corresponding inputs of a common adder, N adaptive circuits with control inputs, each of the adaptive circuits consists of a first multiplier, N second multipliers, an adder, a third multiplier, a subtraction unit, an amplifier, an integrator, moreover, the first input of the first multiplier is connected to the output of the corresponding antenna element, the second input of the first multiplier is connected to the output of the common adder, the output of the first multiplier is connected the first input of the subtraction unit, the first inputs of the second multipliers are connected to the second outputs of the calculation unit of the Lagrange multiplier, the second inputs of the second multipliers are connected to the outputs of the corresponding adaptive circuits, the outputs of the second multipliers are connected to the corresponding inputs of the adder, the output of the adder is connected to the second input of the third multiplier, to the first input which the first output of the Lagrange multiplier calculation block is connected, the output of the third multiplier is connected to the second input of the subtraction block, the output of the subtraction block is sub is connected to the input of the amplifier, the output of the amplifier is connected to the input of the integrator, the output of which is connected to the control input of the corresponding complex weight multiplier, the first input of the first multiplier, the second input of the first multiplier, the first inputs of the second multipliers, the first input of the third multiplier, the second inputs of the second multipliers, respectively the first, second, third, fourth and fifth inputs, and the integrator output - the output of the adaptive circuit, the Lagrange multiplier forming unit consisting of N blocks of complex with voltage, N × N of the first multipliers, N × N of the second multipliers, matrix A calculation unit, adder, parameter formation unit α, subtraction unit, amplifier, integrator, and the first outputs of the adaptive circuits are connected to the inputs of the corresponding complex conjugation blocks, the outputs of which are connected to the first inputs of the corresponding first multipliers, the inputs of the complex conjugation blocks are connected to the second inputs of the corresponding first multipliers, the outputs of the first multipliers are connected to the second inputs of the corresponding second amplifiers, the first inputs of which are connected to the corresponding outputs of the matrix calculation unit, the input of which is connected to the input device for information on the sector of possible directions of signal arrival from an external device, the outputs of the second multipliers are connected to the corresponding inputs of the adder, the output of the parameter formation unit α is connected to the first input of the subtraction , the output of the adder is connected to the second input of the subtraction unit, the output of the subtraction unit is connected to the input of the amplifier, the output of the amplifier is connected to the input of the integrator, the output to torogo connected to the fourth input of the adaptive circuits and complex conjugation block inputs are first inputs, the input unit matrix calculation A - control input, and the output of the integrator and outputs calculation unit matrix A - respectively, the first and second outputs forming unit Lagrange multiplier.
Устройство обеспечивает хорошую помехозащищенность приема сигналов с непрерывной структурой (не имеющих пауз в ходе их передачи) в условиях частичной априорной неопределенности о пространственных параметрах источников сигналов, когда направления прихода сигналов от передатчика известно с точностью до определенного углового сектора (например, в системах радиосвязи с подвижными объектами), по отношению к помеховым сигналам независимо от их полосы частот и мощности при любой сигнально-помеховой обстановке.The device provides good noise immunity of reception of signals with a continuous structure (without pauses during transmission) under conditions of partial a priori uncertainty about the spatial parameters of signal sources, when the directions of arrival of signals from the transmitter are known to within a certain angular sector (for example, in radio communication systems with mobile objects), in relation to interfering signals, regardless of their frequency band and power in any signal-noise situation.
Однако данная конструкция ААР не обеспечивает должного подавления помех в условиях полной априорной неопределенности о направлении прихода сигналов.However, this design of the AAR does not provide adequate suppression of interference in conditions of complete a priori uncertainty about the direction of arrival of the signals.
Технический результат, на достижение которого направлено изобретение, заключается в разработке адаптивной антенной решетки, обеспечивающей повышение помехозащищенности приема сигналов в условиях полной априорной неопределенности о пространственных параметрах источников сигналов и помех, за счет применения двухэтапной обработки принимаемых сигналов. На первом этапе определяются направления на источники радиоизлучений, а на втором - непосредственно пространственная фильтрация полезного сигнала и помех.The technical result to which the invention is directed is to develop an adaptive antenna array that provides increased noise immunity of signal reception under conditions of complete a priori uncertainty about the spatial parameters of signal sources and noise due to the use of two-stage processing of the received signals. At the first stage, directions to sources of radio emissions are determined, and at the second stage, spatial filtering of the useful signal and interference is performed directly.
Для достижения этого технического результата в известной адаптивной антенной решетке, содержащей N антенных элементов, соединенных через комплексные весовые умножители с соответствующими входами общего сумматора, N адаптивных контуров с управляющими входами, первые входы которых соединены с выходами соответствующих антенных элементов, вторые входы соединены с выходом общего сумматора, третьи и четвертые входы соединены соответственно со вторым и первым выходом блока вычисления множителя Лагранжа, первые выходы подключены к пятым входам адаптивных контуров и управляющим входам соответствующих комплексных весовых умножителей, вместо блока вычисления множителя Лагранжа и N адаптивных контуров введен блок формирования вектора весовых коэффициентов (ВВК) с управляющим входом, соединенный с устройством ввода информации о возможном направлении прихода сигнала, входы блока формирования вектора весовых коэффициентов соединены с выходами соответствующих антенных элементов, выходы блока формирования вектора весовых коэффициентов подключены к управляющим входам соответствующих комплексных весовых умножителей.To achieve this technical result, in the known adaptive antenna array containing N antenna elements connected via complex weight multipliers with the corresponding inputs of the common adder, N adaptive circuits with control inputs, the first inputs of which are connected to the outputs of the corresponding antenna elements, the second inputs are connected to the output of the common the adder, the third and fourth inputs are connected respectively to the second and first output of the unit for calculating the Lagrange multiplier, the first outputs are connected to the fifth input I will give adaptive circuits and control inputs of the corresponding complex weight multipliers, instead of the Lagrange multiplier calculation unit and N adaptive circuits, a weight vector (VVK) vector generation unit with a control input connected to an input device for inputting information about the possible signal arrival direction, inputs of the weight vector vector generation unit is introduced connected to the outputs of the corresponding antenna elements, the outputs of the vector weighting unit are connected to the control inputs respectively favoring complex weighting multipliers.
При этом блок формирования вектора весовых коэффициентов состоит из аналого-цифрового преобразователя, конвертора, блока комплексного умножения, блока вычисления собственного вектора, блока формирования тестового сигнала, блока вычисления направлений на источник радиоизлучения, блока анализа данных, причем выходы блока антенных элементов соединены с соответствующими входами аналого-цифрового преобразователя, выходы которого подключены к соответствующим входам конвертора, выходы конвертора соединены с соответствующими входами блока комплексного умножения, выходы которого подключены к соответствующим входам блока вычисления собственного вектора, выходы блока формирования тестового сигнала подключены к соответствующим входам блока вычисления направлений на источник радиоизлучения и блока анализа данных, выходы блока вычисления собственного вектора подключены к соответствующим входам блока вычисления направлений на источник радиоизлучения, выход которого подключен к соответствующему входу блока анализа данных, вход которого соединен с устройством ввода информации о секторе возможных направлений прихода сигнала, выходы блока анализа данных подключены к управляющим входам соответствующих комплексных весовых умножителей блока комплексных весовых умножителей, причем входы аналого-цифрового преобразователя являются входами, вход блока анализа данных - управляющим входом, а выходы блока анализа данных соответственно выходами блока формирования вектора весовых коэффициентов.In this case, the weighting vector formation unit consists of an analog-to-digital converter, converter, complex multiplication unit, eigenvector calculation unit, test signal generation unit, direction calculation unit for a radio emission source, data analysis unit, the outputs of the antenna element unit being connected to the corresponding inputs an analog-to-digital converter, the outputs of which are connected to the corresponding inputs of the converter, the outputs of the converter are connected to the corresponding inputs of the complex multiplication, the outputs of which are connected to the corresponding inputs of the eigenvector calculation unit, the outputs of the test signal generation unit are connected to the corresponding inputs of the direction calculation unit to the radio emission source and data analysis unit, the outputs of the eigenvector calculation unit are connected to the corresponding inputs of the eigenvector calculation unit whose output is connected to the corresponding input of the data analysis unit, the input of which is connected to the input device formations about the sector of possible directions of signal arrival, the outputs of the data analysis unit are connected to the control inputs of the corresponding complex weight multipliers of the complex weight multipliers block, the inputs of the analog-to-digital converter are inputs, the input of the data analysis unit is the control input, and the outputs of the data analysis unit are outputs of the block the formation of the vector of weights.
Благодаря введению блока формирования ВВК достигается более высокая помехозащищенность приема сигналов в условиях полной априорной неопределенности о пространственных параметрах источников сигналов (например, в системах радиосвязи с подвижными объектами без псевдослучайной перестройки рабочей частоты) за счет пространственной фильтрации полезного сигнала на основании полученных данных о пространственных параметрах источников радиоизлучений. Кроме того, предлагаемая ААР обеспечивает высокую помехозащищенность приема не только для сигналов с непрерывной структурой, но и для сигналов с дискретной прерывистой структурой.Thanks to the introduction of the IHC generation unit, a higher noise immunity of signal reception is achieved under conditions of complete a priori uncertainty about the spatial parameters of signal sources (for example, in radio communication systems with moving objects without pseudo-random tuning of the operating frequency) due to spatial filtering of the useful signal based on the obtained data on the spatial parameters of the sources radio emissions. In addition, the proposed AAR provides high reception noise immunity not only for signals with a continuous structure, but also for signals with a discrete discontinuous structure.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественной всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности "новизна". Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".The analysis of the prior art made it possible to establish that analogues that are characterized by a combination of features identical to all the features of the claimed technical solution are absent, which indicates the compliance of the claimed device with the patentability condition of "novelty". Search results for known solutions in this and related fields of technology in order to identify features that match the distinctive features of the claimed object from the prototype showed that they do not follow explicitly from the prior art. The prior art also did not reveal the popularity of the impact provided by the essential features of the claimed invention, the transformations on the achievement of the specified technical result. Therefore, the claimed invention meets the condition of patentability "inventive step".
Заявляемое устройство поясняется чертежами, на которых:The inventive device is illustrated by drawings, in which:
- на фиг.1 представлена функциональная схема адаптивной антенной решетки;- figure 1 presents a functional diagram of an adaptive antenna array;
- на фиг.2 - схема блока формирования вектора весовых коэффициентов;- figure 2 is a block diagram of the formation of the vector of weights;
- на фиг.3 - схема общего сумматора;- figure 3 is a diagram of a common adder;
- на фиг.4 - представлены вычисленные направления на источники радиоизлучения;- figure 4 - presents the calculated directions to the sources of radio emission;
- на фиг.5 - представлен результат работы заявляемой ААР;- figure 5 - presents the result of the claimed AAR;
- на фиг.6 - представлен результат работы прототипа при тех же исходных данных с учетом секторного подхода к предполагаемому месту нахождения источника полезного сигнала.- figure 6 - presents the result of the prototype with the same initial data, taking into account the sector approach to the proposed location of the source of the useful signal.
Заявляемое устройство, показанное на фиг.1, состоит из блока антенных элементов 1, блока комплексных весовых умножителей 2, общего сумматора 3, блока формирования вектора весовых коэффициентов 4 с управляющим входом, причем выходы N антенных элементов блока антенных элементов 1 через N комплексных весовых умножителей блока комплексных весовых умножителей 2 соединены с N входами общего сумматора 3, выход которого является выходом ААР, входы блока формирования вектора весовых коэффициентов 4 соединены с соответствующими выходами антенных элементов блока антенных элементов 1, выходы блока формирования вектора весовых коэффициентов 4 соединены с управляющими входами соответствующих комплексных весовых умножителей блока комплексных весовых умножителей 2.The inventive device shown in Fig. 1 consists of a block of
Блок формирования вектора весовых коэффициентов 4, показанный на фиг.2, состоит из аналого-цифрового преобразователя 2.1, конвертора 2.2, блока комплексного умножения 2.3, блока вычисления собственного вектора 2.4, блока формирования тестового сигнала 2.5, блока вычисления направлений на источник радиоизлучения 2.6, блока анализа данных 2.7, причем выходы блока антенных элементов 1 соединены с соответствующими входами аналого-цифрового преобразователя 2.1, выходы которого подключены к соответствующим входам конвертора 2.2, выходы конвертора 2.2 соединены с соответствующими входами блока комплексного умножения 2.3, выходы которого подключены к соответствующим входам блока вычисления собственного вектора 2.4, выходы блока формирования тестового сигнала 2.5 подключены к соответствующим входам блока вычисления направлений на источник радиоизлучения 2.6 и блока анализа данных 2.7, выходы блока вычисления собственного вектора 2.4 подключены к соответствующим входам блока вычисления направлений на источник радиоизлучения 2.6, выход которого подключен к соответствующему входу блока анализа данных 2.7, вход которого соединен с устройством ввода информации о секторе возможных направлений прихода сигнала, выходы блока анализа данных 2.7 подключены к управляющим входам соответствующих комплексных весовых умножителей блока комплексных весовых умножителей 2, причем входы аналого-цифрового преобразователя 2.1 являются входами, вход блока анализа данных 2.7 - управляющим входом, а выходы блока анализа данных 2.7 соответственно выходами блока формирования вектора весовых коэффициентов 4.The block for generating the vector of weighting coefficients 4, shown in FIG. 2, consists of an analog-to-digital converter 2.1, a converter 2.2, a block of complex multiplication 2.3, a block for calculating an eigenvector 2.4, a block for generating a test signal 2.5, a block for calculating directions to a radio emission source 2.6, a block data analysis 2.7, and the outputs of the block of
Блок антенных элементов 1 состоит из N идентичных антенных элементов и представляет собой многоэлементную антенную решетку (см. Шиллер, Йоган. Мобильные коммуникации: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2002).The array of
Блок комплексных весовых умножителей 2 состоит из N комплексных весовых умножителей (см. Р.А.Монзинго, Т.У.Миллер. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. - М.: Радио и связь, 1986).The block of
Общий сумматор 3 может быть выполнен в виде высокочастотных трансформаторов на коаксиальных или микрополосковых линиях в зависимости от диапазона частот (см. Справочник по радиоэлектронным устройствам: в 2-х томах. T.1. / Бурин Л.И., Васильев В.П., Каганов В.И и др., под ред. Д.П.Линде. - М.: Энергия, 1978).The total adder 3 can be made in the form of high-frequency transformers on coaxial or microstrip lines depending on the frequency range (see the Handbook of electronic devices: in 2 volumes. T.1. / Burin L.I., Vasiliev V.P. , Kaganov V.I. and others, under the editorship of D.P. Linde. - M .: Energy, 1978).
Блок формирования вектора весовых коэффициентов 4 может быть выполнен на цифровом процессоре обработки сигналов, например микросхема TMS320C30 (см. Цифровые процессоры обработки сигналов: Справочник. / А.Г.Остапенко, С.И.Лавлинский, А.Б.Сушков и др., Под ред. А.Г.Остапенко. - М.: Радио и связь, 1994. - с.88). Кроме того, в настоящее время производятся специализированные модули цифровой обработки сигналов, позволяющие реализовать заявляемую адаптивную антенную решетку в виде программно аппаратных средств (Субмодуль цифрового приема ADMDDC8WBL, установленный на базовом модуле AMBPCI, выпускаемый ЗАО «Инструментальные Системы», www.insys.ru, mfo@msys.rn. Тел. (495)781-27-50, факс (495)781-27-51).The vector weighting unit 4 can be performed on a digital signal processing processor, for example, the TMS320C30 microcircuit (see Digital signal processing processors: Reference book / A.G. Ostapenko, S.I. Lavlinsky, A.B.Sushkov, etc., Edited by A.G. Ostapenko. - M.: Radio and Communications, 1994. - p. 88). In addition, specialized digital signal processing modules are currently being produced that allow implementing the inventive adaptive antenna array in the form of software and hardware (ADMDDC8WBL digital reception submodule installed on the AMBPCI base module manufactured by Instrumental Systems CJSC, www.insys.ru, mfo @ msys.rn. Tel. (495) 781-27-50, fax (495) 781-27-51).
В качестве внешнего устройства используется устройство формирования и выдачи информации о направлении прихода сигнала (место формирования управляющего сигнала находится вне ААР и зависит от конкретной радиотехнической системы).As an external device, a device for generating and issuing information about the direction of arrival of the signal is used (the place for generating the control signal is outside the AAP and depends on the particular radio system).
Так, например, в системах связи с подвижными объектами на этапе установления соединения мобильная станция посылает запрос на установление соединения. Подсистема BSS переадресовывает этот запрос центру MSC. Центр MSC проверяет, может ли данный абонент пользоваться требуемой службой, кроме того, этот сигнал может быть использован в качестве управляющего сигнала для ААР (см. Шиллер, Йоган. Мобильные коммуникации: Пер. с англ. - М.: Издательский дом «Вильямс», 2002).So, for example, in communication systems with mobile objects at the stage of establishing a connection, the mobile station sends a request to establish a connection. The BSS subsystem forwards this request to the MSC. The MSC checks whether the subscriber can use the required service, in addition, this signal can be used as a control signal for the AAR (see Schiller, Johann. Mobile Communications: Translated from English. - M.: Williams Publishing House , 2002).
Адаптивная антенная решетка работает следующим образом.Adaptive antenna array operates as follows.
Радиосигналы принимаются антенными элементами 1, взвешиваются комплексными весовыми умножителями 2 и суммируются в общем сумматоре 3, выход которого и является выходом устройства. При помощи блока формирования вектора весовых коэффициентов 4 осуществляется настройка комплексных весовых умножителей с целью повышения отношения сигнал/(помеха плюс шум) на выходе устройства. На основе управляющей информации о возможном направлении прихода сигнала, поступающей от внешнего устройства, в блоке формирования вектора весовых коэффициентов 4 производится цифровая обработка сигналов с выходов антенных элементов, определяются пространственные параметры источников радиоизлучения и на основе данных о направлении прихода полезного сигнала рассчитываются весовые коэффициенты (N-мерный вектор), по значениям которых в блоке комплексных весовых умножителей 2 производится взвешивание элементов сигнала.The radio signals are received by the
В общем случае в блоке формирования вектора весовых коэффициентов 4 решаются три основные задачи:In the general case, in the block for generating the vector of weight coefficients 4 three main tasks are solved:
1. Преобразование сигналов поступающих с блока антенных элементов в цифровую форму, что существенно облегчает дальнейшую работу по определению направлений на источники радиоизлучений и формирование вектора весовых коэффициентов.1. The conversion of the signals coming from the block of antenna elements into digital form, which greatly facilitates further work on determining directions to sources of radio emissions and the formation of a vector of weight coefficients.
2. Определение направлений на источники радиоизлучений.2. Determination of directions to sources of radio emissions.
3. Формирование вектора весовых коэффициентов на основании данных предыдущего этапа и управляющего сигнала от внешнего устройства.3. The formation of the vector of weights based on the data of the previous stage and the control signal from an external device.
Преобразование принимаемых сигналов в цифровой вид осуществляется в блоке N канального АЦП соответствующие входы которого соединены с выходами антенных элементов. Выходы АЦП соединены со входами конвертера, в котором производится перенос принимаемого сигнала на нулевую частоту, децимация и фильтрация. Далее в блоке комплексного умножения производится формирование матрицы принимаемых сигналов и помех RXX:The conversion of the received signals into digital form is carried out in the block N of the channel ADC, the corresponding inputs of which are connected to the outputs of the antenna elements. The ADC outputs are connected to the inputs of the converter, in which the received signal is transferred to the zero frequency, decimation, and filtering. Next, in the complex multiplication block, the matrix of received signals and interference R XX is formed :
где RXX - корреляционная матрица сигнала, помех и шума; Х - вектор принимаемого сигнала, помех и шума на выходе блока антенных элементов; + - операция комплексного сопряжения и транспонирования; RCC(Θ) - корреляционная матрица принимаемого сигнала; Θ - направление прихода сигнала; RПШ - корреляционная матрица помех и шума.where R XX is the correlation matrix of the signal, interference and noise; X is the vector of the received signal, interference and noise at the output of the block of antenna elements; + - operation of complex conjugation and transposition; R CC (Θ) is the correlation matrix of the received signal; Θ - direction of signal arrival; R PN - correlation matrix of interference and noise.
В свою очередь, для адаптивных антенных решеток, состоящих из идентичных и невзаимодействующих антенных элементов, при пренебрежении межэлементной декорреляцией комплексных огибающих сигналов можно записать:In turn, for adaptive antenna arrays consisting of identical and non-interacting antenna elements, neglecting the inter-element decorrelation of complex envelopes of signals can be written:
где РС - мощность принимаемого сигнала;
Очевидно, что в (2) от Θ зависят только фазовые сдвиги
где φj - фазовый сдвиг сигнала, принимаемого j-м антенным элементом по отношению к первому; dj - расстояние между j-м и первым антенными элементами; λ - длина волны принимаемого сигнала; Θ - направление прихода принимаемого сигнала.where φ j is the phase shift of the signal received by the jth antenna element with respect to the first; d j is the distance between the jth and first antenna elements; λ is the wavelength of the received signal; Θ - direction of arrival of the received signal.
Повышение помехозащищенности приема сигналов можно обеспечить путем применения двухэтапной обработки принимаемых сигналов.An increase in the noise immunity of signal reception can be achieved through the use of two-stage processing of the received signals.
На первом этапе производится минимизации мощности суммарного сигнала (полезный сигнал плюс помеха плюс шум) на выходе ААР. При этом необходимо решить задачу Куна-Такера (см. Алексеев В.М., Тихомиров В.М., Фомин С.В. Оптимальное управление. - М.: Наука, Главная редакция физико-математической литературы, 1979, с.52-56), и ее общее решение можно представить в виде:At the first stage, the total signal power (useful signal plus interference plus noise) is minimized at the AAR output. In this case, it is necessary to solve the Kuhn-Tucker problem (see Alekseev V.M., Tikhomirov V.M., Fomin S.V. Optimal Control. - M .: Nauka, Main Edition of Physics and Mathematics, 1979, p. 52- 56), and its general solution can be represented as:
где W - вектор весовых коэффициентов; Q(λmin(RXX)) - собственный вектор, соответствующий минимальному собственному числу матрицы RХХ; λmin - минимальное собственное число.where W is the vector of weights; Q (λ min (R XX )) is the eigenvector corresponding to the minimum eigenvalue of the matrix R XX ; λ min is the minimum eigenvalue.
Данная операция выполняется в блоке вычисления собственного вектора, блока формирования вектора весовых коэффициентов (блок 2.4, фиг.2).This operation is performed in the unit for calculating the eigenvector, the unit for generating the vector of weights (block 2.4, figure 2).
Зная структуру ААР, можно сформировать вектор как функцию пространственных параметров V(θ) (блок 2.5, фиг.2). Сканируя этим вектором в пространственной области при совпадении текущих значений направления θ с источниками радиоизлучений, выражение (5) обращается в ноль, а при использовании логарифмической шкалы стремится к минус бесконечности (Марчук Л.А. Пространственно-временная обработка сигналов в линиях радиосвязи. - Л.: ВАС, 1991. 136 с.).Knowing the structure of AAP, it is possible to form a vector as a function of spatial parameters V (θ) (block 2.5, figure 2). Scanning this vector in the spatial domain when the current values of the θ direction coincide with the sources of radio emissions, expression (5) vanishes, and when using the logarithmic scale, it tends to minus infinity (Marchuk L.A. Spatial-temporal processing of signals in radio lines. - L .: YOU, 1991.136 s.).
где Q(λmin(RХХ)) - собственный вектор, соответствующий минимальному собственному числу матрицы RХХ; λmin - минимальное собственное число;
На втором этапе осуществляется максимизация мощности сигнала на основе данных о пространственных параметрах источников радиоизлучений, полученных на первом этапе, т.е. формирование диаграммы направленности по критерию максимум выходного отношения сигнал/(помеха + шум) (МОСП) (блок 2.6, фиг.2).At the second stage, the signal power is maximized based on data on the spatial parameters of the sources of radio emissions obtained at the first stage, i.e. beamforming according to the criterion of the maximum output signal / (noise + noise) ratio (MOSP) (block 2.6, figure 2).
где
Вектор весовых коэффициентов, оптимальный по критерию МОСП - выражение (6), формируется корреляционной матрицей помех и шума RПШ, а пространство, свободное от помех - вектором волнового фронта VC. Таким образом, вектор весовых коэффициентов формирует N-мерное подпространство, ортогональное пространству мешающих сигналов (RПШ) и синфазное свободному от помех пространству (VC).The vector of weighting coefficients, optimal according to the MOSP criterion - expression (6), is formed by the correlation matrix of interference and noise R PN , and the space free from interference is formed by the wavefront vector V C. Thus, the vector of weights forms an N-dimensional subspace orthogonal to the space of interfering signals (R PN ) and in-phase interference-free space (V C ).
Реализация выражения (6) осуществляется в блоке анализа данных (блок 2.7, фиг.2). При этом Н(θ)=0 указывает на наличие источника радиоизлучения в направлении θ. Совокупность θ, при которых Н(θ)=0, позволяет сформировать массив угловых параметров источников радиоизлучений - S(θ1,θ2,…θN-1), где N - количество антенных элементов.The implementation of the expression (6) is carried out in the data analysis unit (block 2.7, figure 2). In this case, H (θ) = 0 indicates the presence of a radio source in the θ direction. The set θ, for which H (θ) = 0, allows you to form an array of angular parameters of radio sources - S (θ 1 , θ 2 , ... θ N-1 ), where N is the number of antenna elements.
Результирующая диаграмма направленности формируется по команде внешнего устройства на основе уже имеющихся данных об угловых параметрах всех источников радиоизлучений S(θ1,θ2,…θN-1). При этом один из источников радиоизлучений (ИРИ) - полезный сигнал, а все остальные - помехи, а само значение вектора весовых коэффициентов будет являться функцией от векторов волновых фронтов одного полезного сигнала и (N-2) помех:The resulting radiation pattern is formed by the command of an external device based on already available data on the angular parameters of all sources of radio emission S (θ 1 , θ 2 , ... θ N-1 ). In this case, one of the sources of radio emission (IRI) is a useful signal, and all the rest are interference, and the value of the vector of weighting coefficients will be a function of the wavefront vectors of one useful signal and (N-2) interference:
Детальное сопоставление характеристик алгоритмов ААР прототипа и заявляемой ААР было проведено с использованием метода имитационного моделирования. При моделировании использовалась 8-элементная кольцевая ААР, состоящая из изотропных невзаимодействующих антенных элементов, разнесенных в пространстве на d12=d23=m0/2 (m0 - длина волны сигнала), и следующие предположения о сигнально-помеховой обстановке:A detailed comparison of the characteristics of the prototype AAP algorithms and the claimed AAP was carried out using the simulation method. In the simulation, we used an 8-element ring AAR, consisting of isotropic non-interacting antenna elements spaced in space by d 12 = d 23 = m 0/2 (m 0 is the signal wavelength), and the following assumptions about the signal-noise situation:
- количество сигналов - 1, помех - 2;- the number of signals - 1, interference - 2;
- несущие частоты сигнала и помех тождественны (fС=fП1=fП2=f0);- the carrier frequencies of the signal and interference are identical (f C = f P1 = f P2 = f 0 );
- соотношение мощностей сигнала, помех и дисперсии теплового шума:- the ratio of signal power, interference and dispersion of thermal noise:
- углы прихода сигналов (относительно условного направления на север) ΘС=50°,- angles of arrival of signals (relative to the conventional direction to the north) Θ С = 50 °,
ΘП1=35°, ΘП2=70° (учитывались только углы в азимутальной плоскости).Θ П1 = 35 °, Θ П2 = 70 ° (only angles in the azimuthal plane were taken into account).
Результаты расчетов зависимости отношения сигнал/(помеха плюс шум) от ошибки в определении направления прихода сигнала применительно к восьмиэлементной ААР представлены на фиг.4-6. При этом на фиг.4 показаны вычисленные направления на источники радиоизлучения (вычисления производятся в блоке вычисления направлений на ИРИ заявляемой ААР). На фиг.4 видно, что ошибки в определении азимутальных параметров ИРИ составляют единицы градусов. Следует отметить, что качество работы заявляемой ААР помимо заложенного в нее алгоритма напрямую зависит от качества реализации всех составляющих элементов. Поэтому необходимо иметь в виду, что приведенные здесь значения являются почти потенциально достижимыми. Реальные же значения величины подавления помех будут непосредственно определяться самой реализацией ААР. На фиг.5 показан результат работы заявляемой ААР, т.е. сформирована ДН ААР с учетом результатов определения направления на ИРИ и информации о предполагаемом направлении источника полезного сигнала. На фиг.6 показан результат работы (ДН ААР) прототипа при тех же исходных данных с учетом секторного подхода к предполагаемому месту нахождения источника полезного сигнала.The calculation results of the dependence of the signal / (interference plus noise) dependence on the error in determining the direction of arrival of the signal as applied to the eight-element AAP are presented in Figs. In this case, Fig. 4 shows the calculated directions to the sources of radio emission (calculations are performed in the direction calculation unit in the IRI of the claimed AAR). Figure 4 shows that the errors in determining the azimuthal parameters of the IRI are units of degrees. It should be noted that the quality of the claimed AAR in addition to the algorithm laid down in it directly depends on the quality of implementation of all constituent elements. Therefore, it must be borne in mind that the values given here are almost potentially achievable. Actual values of the amount of interference suppression will be directly determined by the implementation of the AAR. Figure 5 shows the result of the claimed AAP, i.e. AAR AAR was formed taking into account the results of determining the direction to the IRI and information on the estimated direction of the source of the useful signal. Figure 6 shows the result of the work (NAM AAR) of the prototype with the same initial data, taking into account the sector approach to the proposed location of the source of the useful signal.
Анализ данных, представленных на фиг.4-6, показывает, что помехозащищенность (отношение сигнал/(помеха плюс шум) на выходе ААР) приема в условиях полной априорной неопределенности о пространственных параметрах источников радиосигналов (например, в системах радиосвязи с подвижными объектами) заявляемой ААР выше, чем ААР прототипа, в рассматриваемых сигнально-помеховых ситуациях. При этом в заявляемой ААР отсутствует эффект непреднамеренного подавления полезного сигнала и обеспечивается повышение помехозащищенности по отношению к помеховым сигналам независимо от их полосы частот и мощности при любой сигнально-помеховой обстановке. Данные преимущества заявляемой ААР будут способствовать повышению помехозащищенности систем радиолокации, радионавигации и радиосвязи, функционирующих в сложной сигнально-помеховой обстановке, в частности в системах радиосвязи с подвижными объектами, и, в конечном счете, будут способствовать внедрению ААР в эти системы.An analysis of the data presented in figures 4-6 shows that the noise immunity (signal / (noise plus noise) at the output of the AAR) reception under conditions of complete a priori uncertainty about the spatial parameters of the sources of radio signals (for example, in radio communication systems with moving objects) claimed AAA is higher than the AAA of the prototype in the considered signal-jamming situations. Moreover, in the claimed AAR there is no effect of inadvertently suppressing a useful signal and provides increased noise immunity with respect to interfering signals regardless of their frequency band and power in any signal-noise situation. These advantages of the claimed AAR will help to increase the noise immunity of radar, radio navigation and radio communication systems operating in a complex signal-jamming environment, in particular in radio communication systems with moving objects, and, ultimately, will contribute to the implementation of AAR in these systems.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008126596/09A RU2366047C1 (en) | 2008-06-30 | 2008-06-30 | Adaptive antenna array |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008126596/09A RU2366047C1 (en) | 2008-06-30 | 2008-06-30 | Adaptive antenna array |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2366047C1 true RU2366047C1 (en) | 2009-08-27 |
Family
ID=41150034
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008126596/09A RU2366047C1 (en) | 2008-06-30 | 2008-06-30 | Adaptive antenna array |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2366047C1 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2484580C1 (en) * | 2012-02-20 | 2013-06-10 | Сергей Васильевич Богачев | System for adaptive spatial selectivity of radio receiving devices |
| RU2573787C1 (en) * | 2014-11-06 | 2016-01-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт имени академика А.И. Берга" | Multibeam adaptive antenna array |
| RU2574767C1 (en) * | 2015-01-12 | 2016-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Башкирский государственный университет" | Adsorbent for gaschromatographic separation of enantiomers |
| RU2579996C2 (en) * | 2014-01-16 | 2016-04-10 | Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ | Multifunctional adaptive antenna array |
| RU2691672C1 (en) * | 2018-06-21 | 2019-06-17 | Акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" | Receiving multiplicative paa |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6101399A (en) * | 1995-02-22 | 2000-08-08 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Jr. University | Adaptive beam forming for transmitter operation in a wireless communication system |
| US6108565A (en) * | 1997-09-15 | 2000-08-22 | Adaptive Telecom, Inc. | Practical space-time radio method for CDMA communication capacity enhancement |
| US6122260A (en) * | 1996-12-16 | 2000-09-19 | Civil Telecommunications, Inc. | Smart antenna CDMA wireless communication system |
-
2008
- 2008-06-30 RU RU2008126596/09A patent/RU2366047C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6101399A (en) * | 1995-02-22 | 2000-08-08 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Jr. University | Adaptive beam forming for transmitter operation in a wireless communication system |
| US6122260A (en) * | 1996-12-16 | 2000-09-19 | Civil Telecommunications, Inc. | Smart antenna CDMA wireless communication system |
| US6108565A (en) * | 1997-09-15 | 2000-08-22 | Adaptive Telecom, Inc. | Practical space-time radio method for CDMA communication capacity enhancement |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2484580C1 (en) * | 2012-02-20 | 2013-06-10 | Сергей Васильевич Богачев | System for adaptive spatial selectivity of radio receiving devices |
| RU2579996C2 (en) * | 2014-01-16 | 2016-04-10 | Военная академия Ракетных войск стратегического назначения имени Петра Великого МО РФ | Multifunctional adaptive antenna array |
| RU2574766C2 (en) * | 2014-06-17 | 2016-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Башкирский государственный университет" | Sorbent for gas-chromatographic separation of enantiomers (versions) and method for use thereof |
| RU2573787C1 (en) * | 2014-11-06 | 2016-01-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский радиотехнический институт имени академика А.И. Берга" | Multibeam adaptive antenna array |
| RU2574767C1 (en) * | 2015-01-12 | 2016-02-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Башкирский государственный университет" | Adsorbent for gaschromatographic separation of enantiomers |
| RU2691672C1 (en) * | 2018-06-21 | 2019-06-17 | Акционерное общество "Концерн радиостроения "Вега" | Receiving multiplicative paa |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Taillefer et al. | Direction-of-arrival estimation using radiation power pattern with an ESPAR antenna | |
| Tayem et al. | L-shape 2-dimensional arrival angle estimation with propagator method | |
| Huang et al. | Frequency-domain AoA estimation and beamforming with wideband hybrid arrays | |
| Vukmirović et al. | Position estimation with a millimeter-wave massive MIMO system based on distributed steerable phased antenna arrays | |
| US7068219B2 (en) | Communications system including phased array antenna providing nulling and related methods | |
| RU2366047C1 (en) | Adaptive antenna array | |
| Garcia et al. | Compound grin fanbeam lens antenna with wideband wide-angle beam-scanning | |
| Narbudowicz et al. | Low-cost multimode patch antenna for dual MIMO and enhanced localization use | |
| Hussein et al. | A highly efficient spectrum sensing approach based on antenna arrays beamforming | |
| Gu et al. | An effective method for the synthesis of wideband and wide-scanning sparse planar array | |
| Sun et al. | Research on multipath limiting antenna array with fixed phase center | |
| JP2006270847A (en) | Antenna device | |
| CN119852736B (en) | Ground station satellite antenna design method and system | |
| Senapati et al. | Performance of smart antenna under different fading conditions | |
| JP4072149B2 (en) | Distributed aperture antenna device | |
| Okorogu et al. | Design and simulation of a low cost digital beamforming (DBF) receiver for wireless communication | |
| Konstantinou et al. | Differential evolution-based end-fire realized gain optimization of active and parasitic arrays | |
| Chopra et al. | Design and comparative evaluation of antenna array performance using non blind LMS beamforming algorithms | |
| CN103579759B (en) | A kind of method realizing array antenna beam omnidirectional and cover | |
| RU2099838C1 (en) | Adaptive antenna array | |
| Kamio et al. | An adaptive sidelobe cancellation algorithm for high‐gain antenna arrays | |
| Yu et al. | Ultra-Wideband Frequency-Invariant Beamforming Using a Generalized Nesting Array | |
| RU2330356C1 (en) | Method of interference suppression while receiving electromagnetic circularly polarised wave by antenna array of identically oriented radiators | |
| Nechaev et al. | Study of Azimuth and Elevation Digital Beamforming for sub-1 GHz VHF Communication with Simple Vibrator Antennas | |
| Zhang et al. | Auxiliary Antenna Array Optimization for Mainlobe Interference Suppression Systems |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20100701 |