Способ адаптивной пространственно-временной фильтрации сигнала в антенной решетке
METHOD FOR ADAPTIVE SPATIO-TEMPORAL SIGNAL FILTERING IN THE ANTENNA ARRAY

Изобретение относится к области радиотехники и связи и может быть использовано в системах радиосвязи, функционирующих в сложной помеховой обстановке.
Современные способы и устройства борьбы с помехами основаны на пространственной обработке сигналов с использованием адаптивных антенных решеток (ААР), диаграмму направленности которых формируют таким образом, чтобы максимально ослабить помехи.
Известные способы формирования диаграммы направленности ААР основаны либо на алгоритме максимизации выходного отношения мощности полезного сигнала к сумме мощностей помех и шума [1], либо на алгоритмах вычисления весовых коэффициентов по критерию минимума среднеквадратической ошибки (МСКО) [2].
Для работы адаптивной антенной решетки, описанной в [1], должна быть известна информация о направлении прихода полезного сигнала. Неточное задание направления прихода сигнала, а также неточности в цифровой системе коррекции характеристик приемных каналов приводят к подавлению составляющей полезного сигнала.
Адаптивная антенная решетка, представленная в [2], реализует алгоритм минимизации выходной мощности и обладает достаточно хорошими характеристиками по помехоустойчивости. Однако данная реализация адаптивной антенной решетки имеет ряд недостатков: эффективность работы адаптивной антенной решетки существенно снижается в случае отсутствия помехи или незначительного превышения мощности помехи над мощностью сигнала на входе антенных элементов. Минимизация общей выходной мощности адаптивной антенной решетки ведет к подавлению не только помех, но и полезного сигнала.
В [3] представлена адаптивная антенная решетка, в которой вместо блока максимизации выходной мощности введен блок вычисления множителя Лагранжа с управляющим входом, через который поступает информация о направлении прихода полезного сигнала. Данная конструкция адаптивной антенной решетки имеет более высокую помехозащищенность приема сигналов в условиях частичной неопределенности информации о пространственных параметрах источника сигнала.
Общим недостатком перечисленных выше технических решений является относительно низкая степень ослабления помех, угол прихода которых незначительно отличается от угла прихода полезного сигнала.
Наиболее близким аналогом по технической сущности к предлагаемому является способ формирования лучей, описанный в [4] стр. 380 рис. 14.4, принятый за прототип.
Способ-прототип заключается в следующем.
С помощью задержек синхронизируются составляющие, приходящие по направлению приема полезного сигнала, которые затем суммируются, формируя входной сигнал, состоящий из суммы полезного сигнала и помех. Синфазные сигналы, поступающие с отдельных ненаправленных элементов попарно, вычитаются, формируя эталонные сигналы, содержащие только помеху, которые подаются на ряд адаптивных фильтров, затем суммируются, и результат вычитается из входного сигнала. Таким образом способ осуществляет пространственную фильтрацию полезного сигнала, приходящего по направлению приёма, формируя оценку полезного сигнала с минимальным среднеквадратическим отклонением.
Недостатком способа-прототипа является его чувствительность к ошибкам, связанным с несоответствием используемой модели антенной решетки и реальной системы. При высоких отношениях сигнал/шум и сигнал/помеха из-за неточности определения направления прихода полезного сигнала, неточности выравнивания характеристик приемных каналов по амплитуде и фазе, взаимного влияния антенных элементов решетки, а также других дестабилизирующих факторов подавляется составляющая полезного сигнала. Перечисленные системные ошибки приводят также к ухудшению характеристик способа-прототипа при воздействии помехи в основном лепестке диаграммы направленности.
Задачей предлагаемого способа является повышение помехоустойчивости приемного устройства на основе адаптивной антенной решетки в условиях частичной неопределенности о пространственных параметрах источников сигнала и помех путем реализации комбинированного способа адаптивного формирования диаграммы направленности.
Для решения поставленной задачи в способе адаптивной пространственно-временной фильтрации сигнала в антенной решетке, основанному на методах цифрового формирования диаграммы направленности и фильтрации сигналов во временной области, согласно которому из оцифрованных квадратурных сигналов приемных каналов антенной решетки выделяется помеховая составляющая, которая вычитается из сигнала антенной решетки, сфазированной в ожидаемом направлении прихода полезного сигнала, согласно изобретению, полученный разностный сигнал обрабатывается многоканальным адаптивным фильтром, по другим каналам которого поступают оцифрованные квадратурные сигналы приемных каналов антенной решетки, при этом в качестве алгоритма адаптации применяется метод стохастического градиента.
Заявляемый способ адаптивной пространственно-временной фильтрации сигнала основан на методах цифрового формирования диаграммы направленности антенной системы и фильтрации во временной области, согласно которому из оцифрованных квадратурных сигналов приемных каналов антенной решетки, состоящих из суммы сигнала и помех, выделяется помеховая составляющая, которая вычитается из сигнала антенной решетки, сфазированной в ожидаемом направлении прихода полезного сигнала. Затем полученный разностный сигнал обрабатывается в соответствующем канале многоканального адаптивного фильтра, описанного, например, в [5]. При этом на другие каналы многоканального адаптивного фильтра поступают оцифрованные квадратурные сигналы приемных каналов антенной решетки, причем в качестве алгоритма адаптации используется метод стохастического градиента.
На фиг. 1 приведена блок-схема устройства, реализующего заявляемый способ, где обозначено:
1 - n-элементная антенная решетка;
2 - блок приема и формирования цифрового квадратурного сигнала;
3 - блок фазирования антенной решетки в направлении полезного сигнала;
4 - сумматор сфазированных квадратурных сигналов;
5 - блок выделения помеховых составляющих из синфазных сигналов, их взвешивания, суммирования и адаптивной подстройки весовых коэффициентов;
6 - блок вычитания помехи из сигнала;
7 - многоканальный фильтр с настраиваемыми коэффициентами импульсной характеристики;
8 - адаптивный процессор, реализующий алгоритм минимизации среднеквадратической ошибки;
9 - блок формирования опорного сигнала и вычисления разности принятого и опорного сигналов.
Устройство содержит последовательно соединенные антенную решетку 1 и блок приема и формирования цифрового квадратурного сигнала 2, выход которого соединен с первыми входами многоканального фильтра с настраиваемыми коэффициентами 7 и адаптивным процессором, реализующим алгоритм минимизации среднеквадратической ошибки 8. Кроме того, выход блока приема и формирования цифрового квадратурного сигнала 2 через последовательно соединенные блок фазирования антенной решетки в направлении полезного сигнала 3, сумматор сфазированных квадратурных сигналов 4 и блок вычитания помехи из сигнала 6 соединен со вторыми входами многоканального фильтра с настраиваемыми коэффициентами импульсной характеристики 7 и адаптивным процессором, реализующим алгоритм минимизации среднеквадратической ошибки 8. При этом выход блока фазирования антенной решетки в направлении полезного сигнала 3 соединен с первым входом блока выделения помеховых составляющих из синфазных сигналов, их взвешивания, суммирования и адаптивной подстройки весовых коэффициентов 5, выход которого соединен со вторым входом блока вычитания помехи из сигнала 6, выход которого соединен со вторым входом блока 5. Выход многоканального фильтра 7 соединен с входом блока формирования опорного сигнала и вычисления разности принятого и опорного сигнала  9, выход которого соединен с третьим входом адаптивного процессора 8, выход которого соединен с третьим входом многоканального фильтра 7, выход которого является выходом устройства.
Работа устройства заключается в следующем.
Сигналы с элементов антенной решетки 1 обрабатываются в блоке приема и формирования цифрового квадратурного сигнала 2. Оцифрованные квадратурные сигналы поступают в блок фазирования антенной решетки 3, затем в сумматор 4, где формируется сигнал антенной решетки, сфазированной в ожидаемом направлении прихода полезного сигнала, и в блок выделения помеховых составляющих 5. Выделенные помеховые составляющие взвешиваются и суммируются, формируя помеховый сигнал, который вычитается в блоке 6 из сигнала антенной решетки, сфазированной в ожидаемом направлении прихода полезного сигнала, осуществляя пространственную фильтрацию сигнала, поступающего с интересующего направления. Сигнал с выхода блока 6 имеет вид:
(1)
i
где x(k) – фазированный сигнал i-го элемента антенной решетки,
i
w(k) – адаптивный весовой коэффициент, k – временной индекс отсчётов сигнала, N – количество элементов антенной решетки, знак * означает комплексное сопряжение.
Далее этот сигнал вместе с сигналами с выхода блока 2 обрабатывается многоканальным фильтром 7, выходной сигнал которого имеет вид:
(2)
i=1,…N
N+1
где y сигналы с выхода блока 2, y – сигнал с выхода блока 6,
i
h – импульсная характеристика i-го канала многоканального фильтра,
n – временной индекс, M – длина линий задержек многоканального фильтра.
В блоке 9 формируется опорный сигнал и вычисляется сигнал ошибки, который используется блоком 8 для адаптивной подстройки коэффициентов многоканального фильтра 7.
Расчет весовых коэффициентов в блоке 5 производится путем минимизации среднего квадрата разности между сигналом антенной решетки, сфазированной в ожидаемом направлении прихода полезного сигнала, и помеховым сигналом, поступающим с выхода блока 6. Расчет импульсной характеристики многоканального фильтра 7 осуществляется блоком 8 путем минимизации среднего квадрата разности выхода блока 7 и опорного сигнала, формируемого блоком 9. Описанные процедуры выполняются одновременно и независимо друг от друга.
Минимизируемые функции могут быть записаны следующим образом:
(3)
где d(k) – опорный сигнал, формируемый в блоке 9; s – определяется по формуле (2); угловые скобки < > означают усреднение.
Минимизацию можно проводить методом стохастического градиента, характеризующегося линейной, относительно числа параметров, вычислительной сложностью и хорошо изученными свойствами устойчивости и сходимости.
Выражения для итерационного обновления параметров примут вид:
(4)
1
2
где μ, μ - параметры сходимости алгоритма.
Сопоставление характеристик алгоритмов способа-прототипа и предлагаемого способа было проведено с использованием имитационного моделирования. При моделировании использовалась 8-элементная эквидистантная кольцевая антенная решетка, при этом учитывалось взаимное влияние элементов антенной решетки, угол прихода сигнала отличался от ожидаемого на 5°, коэффициенты передачи каналов решетки имеют разброс 1 дБ по амплитуде и 2.5° по углу.
На фиг.2 изображены зависимости выходного отношения сигнал/(помеха+шум) (ОСПШ) от входного отношения сигнал/помеха (ОСП), угол прихода сигнала -5°, ожидаемый угол прихода сигнала 0°, угол прихода помехи 10°, отношение сигнал/шум (ОСШ) на входе решетки фиксировано и равно 5 дБ. Таким образом, помеха действует в основном лепестке диаграммы направленности. Из рисунка видно, что при входном ОСП более -12дБ, предлагаемый способ обеспечивает большее выходное ОСПШ. Из рисунка также видно, что с увеличением входного ОСП, выходное ОСПШ практически совпадает с теоретическим пределом.
На фиг. 3 изображены зависимости выходного ОСПШ от входного ОСП, для случая, когда помеха действует с угла 75° вне основного лепестка диаграммы направленности. Параметры моделирования выбраны такими же, как в предыдущем случае. Из рисунка видно, что при входных ОСП <-20 предложенный способ обеспечивает выходное ОСПШ на уровне способа-прототипа, тогда как при более высоких входных ОСП обеспечивается выигрыш в выходном ОСПШ.
Результаты моделирования показывают, что в случае частичной неопределенности задания направления прихода полезного сигнала, а также наличия неравномерности коэффициентов передачи приемных каналов антенной решетки предлагаемый способ более эффективно подавляет помеху, чем способ-прототип, как при попадании помехи в основной лепесток диаграммы направленности, так и вне основного лепестка ДН.
На фиг.4 изображена диаграмма направленности при приходе сигнала с направления 0° и помехи с направления 10°. Отношение сигнал/помеха -6 дБ, отношение сигнал/шум 20 дБ.
На фиг.5 изображена диаграмма направленности при приходе сигнала с направления 0° и помехи с направления 75°. Отношение сигнал/помеха 10 дБ, отношение сигнал/шум 20 дБ.
На фиг.6 изображена диаграмма направленности при приходе сигнала с направления -5° и помехи с направления 10°. Ожидаемое направление прихода сигнала 0°. Отношение сигнал/помеха 10 дБ.
На фиг.7 представлена диаграмма направленности при приходе полезного сигнала с направления 0° и двух помех: помеха 1 с направления 15°, отношение сигнал/помеха 0 дБ, помеха 2 с направления 75°, отношение сигнал/помеха -10 дБ.
Из полученных результатов видно, что предлагаемый способ обеспечивает более эффективное, относительно способа-прототипа, подавление помехи в основном лепестке диаграммы направленности, сохраняет направление на сигнал и формирует глубокий нуль диаграммы направленности в направлении помех при работе в условиях, когда соотношение сигнал/помеха близко к нулю и выше, а также обладает большей устойчивостью к системным ошибкам, обусловленным неточностью задания направления прихода полезного сигнала, межканальной неидентичностью амплитудно-частотных характеристик приемных каналов и других дестабилизирующих факторов. Данные преимущества заявляемого способа пространственно-временной фильтрации сигнала в адаптивной антенной решетке способствуют повышению помехозащищенности систем радиосвязи, функционирующих в сложной, динамически меняющейся сигнально-помеховой обстановке.
Источники информации
[1] Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. М.: Радио и связь, 1986, с. 80-86, 179-240.
[2] IEEE Trans Antennas and Propag., vol. AP-26, 1978, №2, p. 228-235.
[3] Заявка на изобретение 2000130838/09 от 08.12.2000 «Адаптивная антенная решетка».
[4] Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов. М.: Радио и связь, 1989, с. 375-381.
[5] Джиган В.И. Адаптивная фильтрация сигналов: теория и алгоритмы. М.: Техносфера, 2013, с. 27.