СПОСОБ УПЛОТНЕНИЯ СИГНАЛОВ ЭЛЕМЕНТОВ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ В ОБЩИЙ ТРАКТ АНАЛОГО-ЦИФРОВОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ
METHOD FOR COMPLEXING SIGNALS OF ELEMENTS OF A PHASED ANTENNA ARRAY INTO A GENERAL ANALOGUE-DIGITAL CONVERSION TRAIL

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах связи, радиолокации и навигации для улучшения энергетических, массогабаритных и стоимостных характеристик фазированных антенных решеток с цифровым формированием диаграммы направленности.
Повышение помехозащищенности и точности радиолокационных станций и спутниковой навигационной аппаратуры потребителей, а также пропускной способности радиотехнических систем связи, достигается применением антенных терминалов на базе фазированных антенных решеток (ФАР). Широкое применение нашли ФАР с цифровым формированием диаграммы направленности, которые позволяют одновременно создать и независимо управлять несколькими основными лепестками диаграммы направленности. Известным недостатком подобных систем является необходимость использования N трактов аналого-цифрового преобразования (АЦП) в приемниках с ФАР, а также N трактов преобразования частоты и усиления сигнала, где N - число элементов полотна ФАР, см., например, [1] - Цифровые антенные решетки и скоростные аналого-цифровые преобразователи / Е.М. Добычина, Ю.В. Кольцов // М: МАИ, 2012. - с. 168.
Это обстоятельство существенно увеличивает энергопотребление и стоимость антенной решетки и обуславливает актуальность задачи сокращения числа электронных компонентов, используемых в антенне. Одним из способов решения задачи является уплотнение L сигналов элементарных излучателей ФАР в один тракт аналого-цифрового преобразования с последующим выделением L исходных сигналов.
Среди сигналов, используемых в радионавигационных системах, распространены сигналы с прямым расширением спектра путем модулирования несущей шумоподобными сигналами ([2] - ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. Изд. 4-е, перераб. и доп. // М: Радиотехника, 2010. 800 с.).
1…4
1…4
1…4
1…4
k
a
k
k
Известен способ приема радионавигационных сигналов с использованием ФАР без уплотнения сигналов в тракте АЦП ([3] - Цифровые антенные решетки в мобильной спутниковой связи / В.И. Слюсар // Первая миля, 2008. No 4 - с. 10-15). В схеме, реализующей указанный способ и изображенной на Фиг. 1, электромагнитная волна падает на приемные элементы 1 антенной решетки. На их выходе формируют высокочастотные сигналы, которые подают на устройства преобразования частоты 2, в которых осуществляют частотную селекцию, усиление сигналов, перенос спектров сигналов на промежуточную частоту (ПЧ). Сигналы на ПЧ подают на вход аналого-цифровых преобразователей 3, с выхода которых цифровые отсчеты сигналов ПЧ подают на фазовращатели 4 и сумматор 5 из состава диаграммообразующей системы 6. Сигнал диаграммообразующей системы 6 подают на вход блока корреляционной обработки 7, подключенного к входу смесителя 8, на второй вход которого подают цифровые отсчеты сигнала промежуточной частоты с генератора ПЧ 9. При соответствующем выборе начальной фазы и частоты генератора ПЧ 9 на выходе смесителя 8 формируются отсчеты смеси периодической псевдослучайной последовательности (ПСП) импульсов положительной и отрицательной полярности («чипов») A(t) и шума n(t), где t - дискретное время, которые подают на вход коррелятора 10. На второй вход коррелятора 10 с выхода генератора ПСП 11 подают локальную реплику ПСП А(t-τ), задержанную относительно входного сигнала на неизвестную величину τ. На выходе коррелятора 10 формируются результаты накоплений
0
которые используют в цепи слежения за задержкой 12 для определения времени t - момента прихода сигнала на вход приемника. Количество отсчетов K в корреляторе 10 выбирают таким, чтобы одновременно обработать целое число S периодов ПСП:
K
0
ч
t-t=S⋅M⋅T,
где М - число чипов в одном периоде ПСП,
ч
Т - длительность чипа,
ч
М⋅Т - длина одного периода ПСП.
1…4
Известен способ уплотнения сигналов L антенных элементов в один АЦП приемника (см. патент [4] - KR 101327163 (B1), Н04В 7/04, H04J 11/00, опубл. 06.11.2013.). В схеме, реализующей указанный способ и изображенной на Фиг. 2 уплотнение сигналов в один тракт АЦП приемника осуществляется последовательным подключением с помощью коммутатора 13 входа АЦП 3 к выходам L устройств преобразования частоты 2 (на Фиг. 2 L=4). Недостатком способа является необходимость применения АЦП с временем преобразования в L раз меньше, чем в схеме, описанной ранее для приемника (Фиг. 1). Это существенно ужесточает требования к частоте дискретизации и полосе пропускания АЦП, предельная реализуемая величина которой ограничивает достижимую величину L.
1…8
1…8
1…8
1…8
1…8
1…8
Способ, выбранный в качестве прототипа как наиболее близкий по совокупности признаков к изобретению, описан в патенте [5] - US 9966989 (В2), Н04В 1/707, Н04В 7/06, Н04В 7/08, H04J 13/00, H04J 13/10, опубл. 08.05.2018. Работа устройства, реализующего данный способ на примере восьмиэлементной антенной решетки, поясняется с помощью функциональной схемы, приведенной на Фиг. 3. Известный способ-прототип заключается в следующем. Выходные сигналы приемных элементов 1 антенной решетки поступают на вход модуляторов 14, где подвергаются фазовой манипуляции М-последовательностями той же структуры, что и принимаемый сигнал, но задержанными по времени относительно принимаемого сигнала на несколько «чипов», которые подают на вторые входы модуляторов 14 с генераторов ПСП 1. Сигналы с выходов модуляторов 14 оказываются М-последовательностями той же структуры, но дополнительно смещенными во времени друг относительно друга на величины, кратные длительности чипа ПСП, т.е. существенно больше, чем до модуляции. Манипулированные таким образом сигналы антенных элементов оказываются квазиортогональны друг другу. Данные сигналы с помощью сумматора 5 объединяют в композитный сигнал, который подают на вход общего устройства преобразования частоты 2, с выхода которого сигнал ПЧ подают на АЦП 3. Затем осуществляют корреляционную обработку оцифрованного композитного сигнала блоками корреляционной обработки 7 с целью разделить сигналы, разделенные сигналы поступают на вход диаграммообразующей системы 6 для формирования требуемой диаграммы направленности ФАР.
Недостатками способа-прототипа являются:
1…8
- невозможность одновременного приема двух и более сигналов с различной структурой, т.к. для одного из сигналов будет нарушено требование совпадения структуры М-последовательности принимаемого сигнала и сигналов генераторов ПСП 11.
ч
- необходимость модулировать сигналы антенных элементов импульсами, следующими с частотой модуляции принимаемого сигнала. В случае широкополосных систем, длительность одного символа (чипа) Т модулирующей последовательности принимаемого сигнала может составлять величину 1-10 нс, что существенно усложняет аппаратную реализацию предложенного способа.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является снижение относительно прототипа требований к быстродействию модуляторов в фазированной антенной решетке с цифровым формированием диаграммы направленности и обеспечение возможности одновременного приема на одну ФАР нескольких различных сигналов.
i
i
j
j
Сущность изобретения заключается в следующем. В способе уплотнения сигналов элементов ФАР в общий тракт аналого-цифрового преобразования до формирования композитного сигнала осуществляют фазовую манипуляцию выходных сигналов s(f) антенных элементов ФАР (i∈[1; L], L - число АЭ), в отличие от прототипа, индивидуальными бинарными последовательностями P(t) импульсов напряжений положительной и отрицательной полярности одинаковой амплитуды, ортогональными на интервале накопления сигнала в корреляторах, а для выделения сигнала s(t) (j∈[1; L]) выполняют умножение цифрового композитного сигнала на те же индивидуальные последовательности P(t) с последующей корреляционной обработкой, при этом технический результат достигается тем, что допускается несовпадение структуры манипулирующей последовательности со структурой принимаемого сигнала и снижение частоты следования символов в манипулирующей последовательности относительно принимаемого сигнала.
Краткое описание чертежей.
На Фиг. 1 приведена типовая функциональная схема устройства, реализующего прием радионавигационного сигнала на базе ФАР без уплотнения сигналов.
На Фиг. 2 приведена типовая функциональная схема устройства, реализующего известный способ приема радионавигационного сигнала с уплотнением сигналов элементов ФАР в общий тракт аналого-цифрового преобразования.
На Фиг. 3 приведена функциональная схема устройства, реализующего известный способ-прототип на примере восьмиэлементной антенной решетки.
На Фиг. 4 приведена функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ уплотнения сигналов элементов фазированной антенной решетки в общий тракт аналого-цифрового преобразования на примере восьмиэлементной антенной решетки.
Подробное описание изобретения и его осуществимость иллюстрируются приведенной на Фиг. 4 функциональной схемой устройства, реализующего заявляемый способ в одном из возможных вариантов выполнения на примере восьмиэлементной антенной решетки.
1…8
1…8
1
8
1…8
ч
i
К
Падающую на ФАР электромагнитную волну с помощью элементов антенной решетки 1 преобразуют в высокочастотные электрические сигналы, которые затем в модуляторах 14 манипулируют последовательностями P(t)…P(t) импульсов напряжений положительной и отрицательной полярности одинаковой амплитуды, сформированными с помощью генераторов ПСП 11, причем длительность одного импульса в последовательности может быть больше длительности чипа ПСП Т. Последовательности P(t) выбирают по критерию ортогональности на интервале накопления Т в корреляторе 10:
9…16
1
8
9…16
Манипулированные высокочастотные сигналы с помощью сумматора 5 объединяют в композитный сигнал, который усиливают и переносят на удобную промежуточную частоту, используя преобразователь частоты 2, и оцифровывают в АЦП 3. Из оцифрованного композитного сигнала на промежуточной частоте восстанавливают сигналы элементов антенной решетки, перенесенные на промежуточную частоту, путем манипуляции копий композитного сигнала с помощью модуляторов 14 импульсными последовательностями P(t)…P(t), сформированными с использованием генераторов ПСП 11. Восстановленные сигналы подают на соответствующие входы диаграммообразующей системы 6 для формирования требуемой диаграммы направленности ФАР. Восстановленные сигналы содержат побочные продукты уплотнения сигналов в общий аналого-цифровой тракт. Для подавления нежелательных составляющих и выделения сигнала из шума осуществляют корреляционную обработку сигнала диаграммообразующей системы 6 блоком корреляционной обработки 7.
Проследим прохождение сигналов с антенных элементов через устройство на Фиг. 4. Пусть принимаемый i-м антенным элементом сигнал имеет вид
где A(t) - модулирующий сигнал с бинарной фазовой манипуляцией,
РЧ
ω - круговая частота несущей радиосигнала,
i
1
t - задержка сигнала на выходе i-го антенного элемента относительно первого антенного элемента, t=0.
i
ч
Полагая, что полотно ФАР достаточно компактно (настолько, что t<<Т для i=1…L) можно записать приближенное соотношение
К
Интервал накопления Т коррелятора выбирают равным или кратным периоду повторения огибающей радиосигнала:
а сама огибающая является произвольной М-последовательностью.
1…8
К
i
i
РЧ
Сигналы генераторов ПСП 11 представляют собой набор ортогональных на интервале Т последовательностей P(t) импульсов одинаковой амплитуды положительной и отрицательной полярностей (например, функции Уолша или М-последовательности), причем, в отличие от прототипа, длительности «чипов» последовательностей P(t) много больше длительности чипа последовательности A(t). В таком случае композитный сигнал S(t) на выходе сумматора 5 имеет вид
i
Благодаря тому, что длительности «чипов» последовательностей P(t) много больше длительности чипа последовательности A(t), ширина спектра композитного сигнала равна ширине спектра исходного радиосигнала. Аналогично композитный сигнал промежуточной частоты на выходе АЦП 3 с точностью до множителя имеет вид
ПЧj
9…16
Сигналы s(t) на выходе модуляторов 14 имеют вид
j,
j
i
В диаграммообразующей системе 6 каждый сигнал умножается на весовой коэффициент B, несущая задерживается на величину t=-t, а затем все сигналы суммируются:
Первое слагаемое является полезным выходным сигналом диаграммообразующей системы 6, второе слагаемое - побочный продукт уплотнения сигналов в общий аналого-цифровой тракт. Сигнал с выхода диаграммообразующей системы 6 поступает на блок корреляционной обработки 7. В силу линейности коррелятора рассмотрим далее только прохождение побочного сигнала с выхода диаграммообразующей системы 6:
2
где учтено, что A(t)=const.
Рассмотренное показывает, что заявляемый способ уплотнения сигналов элементов фазированной антенной решетки в общий тракт аналого-цифрового преобразования осуществим и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в снижении требований к быстродействию модуляторов в ФАР с цифровым формированием диаграммы направленности и обеспечении возможности одновременного приема на одну ФАР нескольких различных сигналов.
Источники информации
1. Цифровые антенные решетки и скоростные аналого-цифровые преобразователи / Е.М. Добычина, Ю.В. Кольцов // М: МАИ, 2012. - с. 168.
2. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. Изд. 4-е, перераб. и доп. // М: Радиотехника, 2010. 800 с.
3. Цифровые антенные решетки в мобильной спутниковой связи / В.И. Слюсар // Первая миля, 2008. No 4 - с. 10-15.
4. KR 101327163 (B1), Н04В 7/04, H04J 11/00, опубл. 06.11.2013.
5. US 9966989 (В2), Н04В 1/707, Н04В 7/06, Н04В 7/08, H04J 13/00, H04J 13/10, опубл. 08.05.2018.