Устройство пространственного разделения сигналов
DEVICE FOR SPATIAL SEPARATION OF SIGNALS

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в аппаратуре потребителей для разделения сигналов, излучаемых с различных направлений.
Известен способ разделения сигналов [1], включающий рекурсивный алгоритм наименьших квадратов для слепого разделения сигналов, в котором наблюдаемая смесь сигналов предварительно отбеливается, затем с помощью адаптивного рекурсивного алгоритма осуществляется разделение сигналов.
Недостатком данного способа является то, что предварительное отбеливание требует сложных вычислений и его трудно использовать при обработке сигналов в реальном времени.
Известен способ разделения сигналов [2, 3, 4], включающий алгоритмы разделения смеси сигналов, использующие нейронные сети с применением кумулянтного анализа.
Недостатком данного способа является то, что требуются серьезные вычислительные затраты, сопровождаемые большим временем выполнения и погрешностями в разделении сигналов.
Наиболее близким по технической сущности является устройство, предложенное Фростом [5], включающее выделение сигнала с известным направлением прихода на фоне помех с использованием адаптивной антенной решетки.
Недостатком данного устройства является то, что происходит выделение только одного сигнала.
Целью предлагаемого изобретения является разработка устройства пространственного разделения нескольких сигналов, с известными направлениями на их источники.
Поставленная цель выполняется устройством пространственного разделения сигналов, содержащим антенную решетку, имеющую К антенных элементов, пеленгатор, формирователь матрицы направленности, формирователь псевдообратной матрицы, матричный умножитель, которые имеют между собой связи в виде выходов антенных элементов антенной решетки, соединенных с одними входами матричного умножителя и с входами пеленгатора, выходы которого соединены с входами формирователя матрицы направленности, имеющей выходы соединенные с входами формирователя псевдообратной матрицы, выходы которой соединенны с другими входами матричного умножителя, имеющего выходы к потребителям, обеспечивающие:
- антенной решеткой прием сигналов от пространственно разнесенных источников, формируя вектор
1
2
M
где AN=[A(θ), А(θ), …, A(θ)] - матрица, состоящая из М векторов
1
2
М
соответствующих направлениям θ, θ, …, θ прихода М сигналов, где λ - длина волны,
k
d - расстояние от k-го (k=1, 2 …, K) антенного элемента до фазового центра антенной решетки,
k
ϕ - направление на k-й (k=1, 2, …, K) антенный элемент из фазового центра антенной решетки,
1
2
М
- пеленгатором определение направлений θ, θ, …, θ прихода сигналов;
1
2
М
1
2
М
- формирователем матрицы направленности формирование матрицы AN=[A(θ), А(θ), …, А(θ)] по определенным направлениям θ, θ, …, θ, где
H
-1
H
Н
- формирователем псевдообратной матрицы расчет псевдообратной матицы AP=[ANAN]AN, где «» - индекс транспонирования и комплексного сопряжения,
- матричным умножителем оценку вектора входных сигналов
1
2
M
содержащего оценки входных сигналов s(t), s(t), …, s(t),
1
2
М
mk
a
соответствующих заданным направлениям прихода θ, θ, …, θ,, то есть разделение сигналов, поступающих от различных источников. Здесь P (m=1, 2, …, М, k=1, 2, …, K) - элементы матрицы АР.
На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства пространственного разделения сигналов, на фиг. 2 показан пространственный спектр входных сигналов, на фиг. 3 показаны входные сигналы, на фиг. 4 показаны сигналы на выходе устройства разделения при различных значениях аддитивных внутренних шумов в каналах антенной решетки.
Устройство пространственного разделения сигналов содержит антенную решетку 1, имеющую К пространственно разнесенных антенных элементов, пеленгатор 2, формирователь матрицы направленности 3, формирователь псевдообратной матрицы 4, матричный умножитель 5. Выходы антенных элементов антенной решетки 1 соединены с соответствующими входами пеленгатора 2 и матричного умножителя 5. Выходы пеленгатора 2 соединены с соответствующими входами формирователя матрицы направленности 3, выходы которого соединены с входами формирователя псевдообратной матрицы 4. Выходы формирователя псевдообратной матрицы 4 подключены к соответствующим входам матричного умножителя 5, выходы которого являются выходами устройства пространственного разделения сигналов.
Работает устройство следующим образом:
1
2
К
Антенная решетка 1, имеющая К антенных элементов 1, 1, …, 1, принимает сигналы, приходящие с различных направлений, формируя из них вектор сигналов
1
2
M
где AN=[А(θ), А(θ), …, A(θ)] - матрица размерности K×М, состоящая из М векторов
1
2
М
соответствующих направлениям θ, θ, …, θ прихода М сигналов,
H
«» - индекс транспонирования и комплексного сопряжения,
λ - длина волны,
k
d - расстояние от k-го (k=1, 2, …, K) антенного элемента до фазового центра антенной решетки,
k
ϕ - направление на k-й (k=1, 2, …, K) антенный элемент из фазового центра антенной решетки.
1
2
K
Сигналы x(t), x(t), …, x(t) поступают в пеленгатор 2, который с использованием алгоритма Кейпона [7] по максимумам пространственного спектра
1
2
М
1
2
M
1
2
K
Н
T
определяет направления прихода θ, θ, …, θ сигналов s(t), s(t), …, s(t). Здесь индекс «» означает транспонирование и комплексное сопряжение, R=E[XX] - корреляционная матрица сигналов x(t), x(t), …, x(t).
1
2
М
H
Формирователь матрицы направлений 3, получив направления прихода θ, θ, …, θ с использованием равенств (1) и (2) определяет вектор входных сигналов S(t). Для этого правую и левую часть уравнения (1) умножает на транспонированную матрицу AN и получает
T
T
-1
Произведение ANAN представляет собой квадратную матрицу. Умножая обе части системы (4) на обратную матрицу [ANAN] вектор входных сигналов S(t) получает вид
В формулу для расчета вектора сигналов S(t) входит произведение матриц
Матрица АР называется псевдообратной матрицей [6].
1
2
K
1
2
M
Зная матрицу АР и сигналы x(t), x(t), …, x(t) в каналах антенной решетки, с помощью (4) определяет сигналы s(t), s(t), …, s(t), принимаемые антенной решеткой 1.
1
2
М
1
2
М
1
2
М
Матрица АР вычисляется в формирователе псевдообратной матрицы 4 с помощью матрицы направленности AN, которая содержат вектора A(θ), А(θ), …, А(θ) и определяется в формирователе матрицы направленности 3. Определение векторов A(θ), А(θ), …, А(θ) осуществляется с помощью (3) по известным направлениям θ, θ, …, θ на источники М сигналов, поступающих на антенную решетку 1.
Сформированная в формирователе псевдообратной матрицы 4 матрица АР, передается в матричный умножитель 5. Матричный умножитель 5, получив от антенной решетки 1 вектор сигналов X(t) и от формирователя псевдообратной матрицы 4 псевдообратую матрицу АР формирует оценку вектора входных сигналов
1
2
М
mk
a
соответствующих направлениям θ, θ, …, θ прихода М сигналов, то есть обеспечивает их разделение. Здесь P (m=1, 2, …, М, k=1, 2, …, K) - элементы матрицы АР.
Таким образом, в предложенном устройстве и способе обеспечивается разделение сигналов, поступающих на антенную решетку от различных источников.
Для примера рассмотрим результаты разделения двух сигналов, поступающих на 7 элементную линейную антенную решетку.
Линейная антенная решетка содержит семь антенных элементов расположенных равномерно на расстоянии 0,5 м друг от друга.
1
2
На антенную решетку с двух направлений ϕ=80°, ϕ=60° поступают: частотно модулированный (ЧМ) и фазоманипулированный (ФМ) сигналы.
Частотно модулированный сигнал
1
1
где A=2 - амплитуда сигнала, ω=300 МГц - несущая частота, Ω=6 МГц - частота модуляции, mf=0.2 - индекс частотной модуляции.
Фазоманипулированный сигнал
2
2
где ω=300 МГц - несущая частота, A(t) - знакопеременная амплитуда, принимающая значения ±1 каждые 5 периодов сигнала,.
На Фиг. 2 приведены результаты пеленгации (пространственный спектр сигналов) с использованием алгоритма Кейпона [7]. Оцененные направления на источники ЧМ и ФМ сигналов соответственно равны 80° и 60° (совпадают с исходными).
1
2
На Фиг. 3 приведены графики s ЧМ сигнала и s ФМ сигнала на входе антенной решетки.
Для сравнения на Фиг. 4 приведены графики ЧМ и ФМ сигналов на выходе схемы разделения при различных значениях аддитивных внутренних шумов в каналах антенной решетки.
На Фиг 4а), Фиг. 4.б) и Фиг. 4в) приведены графики сигналов на выходе схемы разделения при наличии в каналах антенной решетки гауссовых шумов с среднеквадратическими значениями σ=0,1, σ=0,2 и σ=0,4 соответственно.
Как видно из сравнения рисунков Фиг. 3 и Фиг. 4.а) сигналы на входе антенной решетки и сигналы на выходе схемы разделения практически совпадают.
Из Фиг 4.б) и Фиг. 4.в) видно, что с ростом уровней внутренних шумов в сигналах на выходе схемы разделения проявляются незначительные искажения, которые являются естественным результатом воздействия шумов.
Таким образом, предложенные устройство пространственного разделения сигналов позволяет разделить сигналы, поступающие на устройство. При этом сигналы имеют одну и ту же несущую частоту, то есть функционируют в одной полосе частот. Это позволяет повысить эффективность использования частотных ресурсов, с одной стороны, либо разделить полезный сигнал и помехи, поступающие на антенную решетку другой стороны.
Литература.
1. Zhu Xiaolong, Zhang Xianda & Ye Jimin. Natural gradient-based recursive least-squares algorithm or adaptive blind source separation. Science in China Ser. F Information Sciences 2004, Vol. 47, No. 1 p.p. 55-65.
2. Малыхин В.M., Меркушева А.В. Адаптивные методы и алгоритмы разделения смеси сигналов с независимыми компонентами. Научное приборостроение, 2010, том 20, №3, с. 35-48.
3. Меркушева А.В., Малыхина Г.Ф. Методы и алгоритмы разделения смеси сигналов. I. Применение декорреляции и статистик второго порядка. Научное приборостроение, 2009, том 19, №2, с. 90-103.
4. В.М. Малыхин, А.В. Меркушева. Методы и алгоритмы разделения смеси сигналов. II. Применение М-градиента к анализу независимых компонент. Научное приборостроение, 2009, том 19, №4, с. 83-95.
5. Фрост III. Алгоритм линейно-ограниченной обработки сигналов в адаптивной решетке. - ТИИЭР, 1972, т. 60. №8, с. 5-14.
6. Беклемишев Д.В. Дополнительные главы линейной алгебры. М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1983. 336 с.
7. Петров В.П. Алгоритмы оценки пространственного спектра в адаптивных цифровых антенных решетках. Вестник СибГУТИ. 2011, №, с. 60-70.