МНОГОКАНАЛЬНОЕ АДАПТИВНОЕ РАДИОПРИЕМНОЕ УСТРОЙСТВО
MULTICHANNEL ADAPTIVE RADIO-RECEIVING DEVICE

Изобретение относится к области радиотехники, в частности к многоканальным адаптивным радиоприемным устройствам, и может быть использовано в системах радиосвязи, радиолокации, функционирующих в сложной сигнально-помеховой обстановке.
Известны различные типы многоканальных адаптивных радиоприемных устройств, базирующихся на адаптивных антенных системах (ААС): с управлением вперед, с использованием корреляционных обратных связей, модуляционного типа и др. Адаптивные антенные системы модуляционного типа, обладающие рядом преимуществ, содержат антенную решетку, блок взвешенного сложения (БВС), блок формирования весовых коэффициентов (БФВК) и блок частотно-временной обработки (БЧВО) (см. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию. - М.: Радио и связь, 1986, с.448). Эти системы обеспечивают формирование двух напряжений, пропорциональных уровням сигнала и помехи. Недостатком данных устройств является их недостаточное быстродействие при использовании сигналов с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты (ППРЧ).
Известно многоканальное адаптивное радиоприемное устройство (см. Пат. РФ №2066925, МПК H04B 1/06, опубл. 20.09.1996 г.), содержащее блок взвешенного сложения, блок частотно-временной обработки, информационный вход которого соединен с информационным выходом блока взвешенного сложения, а группа информационных выходов является выходной шиной устройства, антенную решетку, выполненную из N>2 идентичных ненаправленных антенных элементов, выходы которых соединены с первой группой информационных входов блока взвешенного сложения, блок формирования весовых коэффициентов, группа информационных выходов которого соединена со второй группой информационных входов блока взвешенного сложения, а входы оценки полезной и помеховой составляющих сигнала соединены с соответствующими выходами полезной и помеховой составляющих сигнала блока частотно-временной обработки.
Устройство-аналог обеспечивает прием сигналов всех радиостанций с ППРЧ, использующих общие частоты. Для селекции сигналов различных источников радиоизлучений (ИРИ) в нем используется информация о фазе цикловой синхронизации различных радиосредств (см. Никитченко В.В., Смирнов П.Л. Комбинированные методы помехозащиты (использование адаптивных антенных систем и сигналов с псевдослучайной перестройкой частоты). - Зарубежная радиоэлектроника, 1988, №5, с.24-31).
Недостатком аналога является его длительное вхождение в связь в силу того, что диаграмма направленности ААС является частотно-зависимой. Высокая скорость изменения частот, на которых осуществляется передача информации, предполагает использование быстродействующего алгоритма адаптации. В противном случае ААС постоянно будет находиться в переходном режиме.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является многоканальное адаптивное радиоприемное устройство (см. Пат. РФ №2107394, МПК H04B 7/02, H01Q 21/00, опубл. 20.03.1998 г.). Оно содержит блок взвешенного сложения, блок частотно-временной обработки, информационный вход которого соединен с информационным выходом блока взвешенного сложения, а информационный выход является выходной шиной устройства, антенную решетку, выполненную из N>2 идентичных ненаправленных антенных элементов, выходы которых соединены с первой группой информационных входов блока взвешенного сложения, блок формирования весовых коэффициентов, первая группа информационных выходов которого соединена со второй группой информационных входов блока взвешенного сложения, а входы оценки полезной и помеховой составляющих сигнала соединены с соответствующими выходами полезной и помеховой составляющих сигнала блока частотно-временной обработки, блок фиксации весовых коэффициентов, группа адресных входов которого соединена с группой адресных выходов блока частотно-временной обработки, первая группа информационных входов соединена со второй группой информационных выходов блока формирования весовых коэффициентов, группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов блока фиксирования весовых коэффициентов, а первый и второй управляющие входы соединены соответственно с первым и вторым управляющими выходами блока фиксации весовых коэффициентов.
Устройство-прототип обеспечивает высокое быстродействие алгоритма адаптации, что в конечном счете позволяет осуществить более качественный прием сигналов ИРИ с ППРЧ. Последнее стало возможным благодаря учету априорной информации о сигнально-помеховой обстановке на используемых частотах в предшествующие моменты времени. При этом оно представляет собой ААС, реализующую минимаксный алгоритм пространственной обработки сигналов. Устройство обеспечивает формирование диаграммы направленности, максимум которой отслеживает направление на корреспондента, а минимумы ориентированы в направлении источников помех. Следовательно, использование данных о сигнально-помеховой обстановке позволяет в устройстве-прототипе увеличивать соотношение η=сигнал/(помеха + шум) на его выходе.
Однако устройству-прототипу также присущ недостаток, связанный с относительно низким качеством приема сигналов ИРИ, работающих в режиме ППРЧ. Здесь качество приема характеризуется вероятностью безошибочной селекции (собирания) сигналов заданного источника, передаваемых на различных частотах, из их совокупности. В свою очередь, вероятность правильной селекции существенно зависит от:
загрузки общей полосы рабочих частот (количества ИРИ с ППРЧ, работающих на общих частотах);
особенностей распространения радиоволн в районе развертывания (наличия пересеченного или горного рельефа местности, городской застройки и т.п., приводящих к многолучевости распространения радиоволн).
Названные причины приводят к ошибкам селекции сигналов заданного ИРИ с ППРЧ, а следовательно, и к снижению качества приема сигналов η. В ряде случаев для уменьшения внутрисистемных помех используются системы связи с ППРЧ, в которых обеспечивается общая синхронизация радиосетей (ортогональные сети связи с ППРЧ), работающих на общих частотах (см. Клименко Н.Н. Радиостанции УКВ диапазона: состояние, перспективы развития, особенности применения режима скачкообразного изменения частоты. - Зарубежная электроника, №8, 1990, с.20-32). В этих условиях прототип теряет свою работоспособность.
Целью заявляемого технического решения является разработка устройства, обеспечивающего повышение качества приема сигналов заданного ИРИ с ППРЧ, за счет увеличения вероятности правильной селекции входного потока сигналов путем учета его пространственных параметров.
Поставленная цель достигается тем, что в многоканальное адаптивное радиоприемное устройство, содержащее блок взвешенного сложения, блок частотно-временной обработки, первый информационный вход которого соединен с информационным выходом блока взвешенного сложения, а информационный выход является выходной шиной устройства, антенную решетку, выполненную из N>2 идентичных ненаправленных антенных элементов, выходы которых соединены с первой группой информационных входов блока взвешенного сложения, блок формирования весовых коэффициентов, первая группа информационных выходов которого соединена со второй группой информационных входов блока взвешенного сложения, а входы оценки полезной и помеховой составляющих сигнала соединены с соответствующими выходами полезной и помеховой составляющих сигнала блока частотно-временной обработки, блок фиксации весовых коэффициентов, первая группа информационных входов которого соединена со второй группой информационных выходов блока формирования весовых коэффициентов, группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов блока фиксирования весовых коэффициентов, а первый и второй управляющие входы соединены соответственно с первым и вторым управляющими выходами блока фиксации весовых коэффициентов, группа адресных входов которого соединена с группой адресных выходов блока частотно-временной обработки, дополнительно введен блок оценки пространственных параметров, первая группа информационных входов которого объединена с первой группой информационных входов блока взвешенного сложения, группа адресных выходов соединена с группой адресных входов блока частотно-временной обработки, вторая группа информационных входов которого является второй входной установочной шиной устройства, а вторая группа информационных входов блока оценки пространственных параметров является первой входной установочной шиной устройства, при этом блок частотно-временной обработки содержит первый сумматор, выход которого является группой информационным выходом блока, второй сумматор, выход которого является выходом полезной составляющей сигнала блока, третий сумматор, выход которого является выходом помеховой составляющей сигнала блока, преобразователь кода, первая группа информационных входов которого является группой адресных входов блока, вторая группа информационных входов является второй группой информационных входов блока и, K приемных каналов, информационные входы которых объединены и являются информационным входом блока, информационный выход каждого из приемных каналов соединен с соответствующим входом первого сумматора, выходы полезной составляющей K приемных каналов соединены с соответствующими входами второго сумматора, выходы помеховой составляющей K приемных каналов соединены с соответствующими входами третьего сумматора, адресные выходы K приемных каналов являются группой адресных выходов блока, входы управления K приемных каналов соединены с соответствующими выходами преобразователя кода, при этом каждый приемный канал содержит последовательно подключенные полосовой фильтр, элемент задержки и ключ, выход которого является информационным выходом приемного канала, а вход полосового фильтра - информационным входом приемного канала, коммутатор, последовательно соединенные амплитудный детектор, пороговое устройство, второй формирователь импульсов, переключатель и RS-триггер, выход которого соединен с входами управления ключа и коммутатора и одновременно является адресным выходом приемного канала, первый выход коммутатора является выходом полезной составляющей сигнала канала приема, второй выход является помеховой составляющей сигнала канала приема, информационный вход коммутатора соединен с выходом амплитудного детектора, вход которого соединен с выходом полосового фильтра, первый формирователь импульсов и ждущий мультивибратор, вход которого объединен со вторым входом RS-триггера и является входом управления канала приема, а выход соединен со входом первого формирователя импульсов, выход которого соединен со вторым входом переключателя.
Перечисленная новая совокупность существенных признаков за счет того, что вводятся новые блоки и связи, позволяет достичь цели изобретения: обеспечить повышение качества приема сигналов заданного ИРИ с ППРЧ за счет увеличения вероятности правильной селекции входного потока сигналов путем учета их пространственных параметров.
Заявляемое устройство поясняется чертежами, на которых:
на фиг.1 приведена структурная схема многоканального адаптивного радиоприемного устройства и блока частотно-временной обработки;
на фиг.2 представлена структурная схема блока оценки пространственных параметров;
на фиг.3 иллюстрируется частотно-пеленговая панорама;
на фиг.4 приведена структурная схема блока формирования весовых коэффициентов;
на фиг.5 приведена структурная схема блока фиксации весовых коэффициентов;
на фиг.6 представлена структурная схема преобразователя кода.
Сущность изобретения заключается в том, что селекцию сигналов ИРИ с ППРЧ, работающих на общих частотах, предлагается осуществлять с использованием их пространственных параметров, например по направлению их прихода (пеленгу θ). В настоящее время известны измерители пространственных параметров (см. Пат. РФ №2341811, МПК G01S 3/14, опубл. 20.12.2008; Пат. РФ №2263327, МПК G01S 3/14, опубл. 27.10.2005), позволяющие с достаточно высокой точностью осуществлять измерение θ для различных условий с погрешностью в пределах двух градусов. Поэтому при работе с корреспондентами даже в ограниченном секторе, например 100°, предлагаемое устройство в состоянии осуществить селекцию сигналов заданного ИРИ и качественный их прием при одновременной работе до 50 ИРИ с равномерным рассосредоточением по азимуту. При этом размерность антенной системы N должна составлять не менее 51 антенного элемента. Обеспечение качественного приема сигналов заданного ИРИ с ППРЧ на общих с другими ИРИ частотах потребовало внесение изменений в БЧВО. При этом в заявляемом устройстве сохранена важнейшая характеристика прототипа - скорость адаптации к сигнально-помеховой обстановке.
Заявляемое устройство (см. фиг.1) содержит блок взвешенного сложения 1, блок частотно-временной обработки 6, первый информационный вход которого соединен с информационным выходом блока взвешенного сложения 1, а информационный выход является выходной шиной устройства 8, антенную решетку 2, выполненную из N>2 идентичных ненаправленных антенных элементов, выходы которых соединены с первой группой информационных входов блока взвешенного сложения 1, блок формирования весовых коэффициентов 3, первая группа информационных выходов которого соединена со второй группой информационных входов блока взвешенного сложения 1, а входы оценки полезной и помеховой составляющих сигнала соединены с соответствующими выходами полезной и помеховой составляющих сигнала блока частотно-временной обработки 6, блок фиксации весовых коэффициентов 4, группа информационных входов которого соединена со второй группой информационных выходов блока формирования весовых коэффициентов 3, группа информационных входов которого соединена с группой информационных выходов блока фиксирования весовых коэффициентов 4, а первый и второй управляющие входы соединены соответственно с первым и вторым управляющими выходами блока фиксации весовых коэффициентов 4, группа адресных входов которого соединена с группой адресных выходов блока частотно-временной обработки 6.
Для обеспечения повышения качества приема сигналов заданного ИРИ с ППРЧ, с одновременным сокращением времени вхождения в связь за счет увеличения вероятности правильной селекции входного потока сигналов путем учета их пространственных параметров, дополнительно введен блок оценки пространственных параметров 5, первая группа информационных входов которого объединена с первой группой информационных входов блока взвешенного сложения 1. Группа адресных выходов блока 5 соединена с группой адресных входов блока частотно-временной обработки 6, вторая группа информационных входов которого является второй входной установочной шиной устройства 9. Вторая группа информационных входов блока 5 является первой входной установочной шиной устройства 7.
Кроме того, блок частотно-временной обработки 6 содержит первый сумматор 10, выход которого является информационным выходом блока 6, второй сумматор 11, выход которого является выходом полезной составляющей сигнала блока 6, третий сумматор 12, выход которого является выходом помеховой составляющей сигнала блок 6. Преобразователь кода 13, первая группа информационных входов которого является группой адресных входов блока 6, а вторая группа информационных входов является второй группой информационных входов блока 9. Кроме того, блок 6 имеет K приемных каналов 14.1-14.K, информационные входы которых объединены и являются информационным входом блока 6, а информационный выход каждого из приемных каналов 14.1-14.K соединен с соответствующим входом первого сумматора 10. Выходы полезной составляющей сигнала К приемных каналов 14.1-14.K соединены с соответствующими входами второго сумматора 11. Выходы помеховой составляющей сигнала K приемных каналов 14.1-14.K соединены с соответствующими входами третьего сумматора 12. Адресные выходы K приемных каналов 14.1-14.K являются группой адресных выходов блока 6. Входы управления K приемных каналов 6 соединены с соответствующими выходами преобразователя кода 13. При этом каждый приемный канал 14.1-14.K содержит последовательно подключенные полосовой фильтр 15, элемент задержки 16 и ключ 17, выход которого является информационными выходом каждого приемного канала 14.1-14.K, а вход полосового фильтра 15 - информационным входом каждого приемного канала 14.1-14.K. Коммутатор 20, а также последовательно соединенные амплитудный детектор 19, пороговое устройство 23, второй формирователь импульсов 24, переключатель 21 и RS-триггер 18, выход которого соединен с входами управления ключа 17 и коммутатора 20 и одновременно является адресным выходом приемного канала 14.1-14.K. Первый выход блока 20 является выходом полезной составляющей сигнала канала приема 14.1-14.K, а второй выход - помеховой составляющей сигнала канала приема 14.1-14.K. Информационный вход блока 20 соединен с выходом амплитудного детектора 19, вход которого соединен с выходом полосового фильтра 15. Кроме того, в состав блока 6 входят первый формирователь импульсов 22 и ждущий мультивибратор 25, вход которого объединен со входом RS-триггера 18 и является входом управления канала приема 14.1-14.K. Выход блока 25 соединен со входом первого формирователя импульсов 22, выход которого соединен со вторым входом переключателя 21.
Многоканальное адаптивное радиоприемное устройство (см. фиг.1) работает следующим образом.
i
j
i
j
j
j
c
П
i
j
C
П
i
j
i
j
Аддитивная смесь сигналов с ППРЧ, помех и шумов с выхода антенной решетки 2 поступает на входы БВС 1. В блоке 1 осуществляют взвешивание принимаемых сигналов в полосе ΔF и их сложение. Далее они следуют в БЧВО 6. В блоке 6 выполняют расфильтровку принимаемых сигналов по К частотным каналам и их задержку на Δτ. Последняя операция необходима для компенсации временных потерь в блоке 5 на определение в текущий момент времени направлений прихода сигналов ИРИ и номиналов частот, на которых выявлена их работа. По истечении времени Δτ на группе выходов блока 5 появляется информация о параметрах f и θ M работающих ИРИ с ППРЧ, которая поступает на адресные входы блока 6. Значения f и θ используют в БЧВО 6 для селекции входного потока сигналов ИРИ с ППРЧ (для выделения сигналов назначенного корреспондента). Данную операцию осуществляют по значению параметра θ, которое задается в блоке 6 по второй установочной шине 9 перед началом работы устройства. В противном случае, если значение θ априорно неизвестно, эта операция выполняется методом перебора сигналов работающих ИРИ с ППРЧ. В результате на выходной шине 8 блока 6 появляются "собранные" на разных частотах отрезки излучений только заданного ИРИ. Кроме того, БЧВО 6 формирует два показателя качества U и U, которые поступают на соответствующие входы БФВК 3. Эти напряжения используют в блоке 3 для уточнения весовых коэффициентов, поступивших с группы выходов блока 4 (по аналогичному алгоритму, реализованному в устройстве-прототипе). Уточненные в блоке 3 значения W(f, θ) в блок 1 для максимизации значения сигнального показателя качества U и минимизации помехового U. В результате достигается более быстрая (по сравнению с аналогами) и точная компенсация мешающих сигналов и согласованный прием сигналов. Кроме того, уточненные значения W(f, θ) с выхода блока 3 поступают в блок 4 и обновляют хранящуюся информацию о сигнально-помеховой обстановке по соответствующим адресам {f}. Таким образом, заявленное устройство формирует такую диаграмму направленности в полосе ППРЧ ΔF, у которой минимумы соответствуют направлениям на источники помех, а максимум ориентирован в направлении θ ИРИ с ППРЧ. В результате достигается многоканальный помехозащищенный прием сигналов заданного источника с ППРЧ.
i
i
j
m
i
i
j
m
j
j
j
По окончании работы m-го ИРИ на частотной позиции f уточненное значение вектора весовых коэффициентов W(f, θ) запоминают в блоке 4 по соответствующему {f} адресу. В очередном цикле работы m-го ИРИ с ППРЧ на i-й частоте будут использованы уточненные значения векторов W(f, θ). При этом алгоритм работы заявляемого устройства допускает постепенное (плавное) изменение азимутального параметра сигналов ИРИ с ППРЧ (вызванное, например, перемещением последнего). В этом случае в блоке 6 уточняется значение пространственного параметра θ m-го ИРИ. Это стало возможным благодаря тому, что значение θ задается как , где Δθ - величина, определяемая точностными характеристиками блока 5, и может составлять, например, 1 или 2 градуса. По окончании работ ИРИ на i-й частоте в блоке 6 уточняется значение . Однако резкие изменения пространственного параметра θ m-го ИРИ с ППРЧ, вызванные, например, перемещениями его между сеансами связи, приведут к проблемам, связанным со значительными временными затратами на процессы адаптации и, как следствие, - к потерям передаваемой информации в начале сеанса связи.
В предлагаемом устройстве временные затраты на адаптацию к сигнально-помеховой обстановке (СПО) аналогичны затратам прототипа и значительно ниже, чем у известных аналогов. Положительный эффект по быстродействию в заявляемом устройстве и прототипе достигается благодаря учету априорной информации о СПО на используемых частотах в предшествующие интервалы времени (см. Никитченко В.В., Смирнов П.Л. Оценка пространственно-поляризационных параметров сигналов и помех при приеме излучений с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты. - Радиотехника и электроника, 1990 г., т.35, №4, с.767-774).
i
j
c
П
j
j
j
Блок частотно-временной обработки 6 (см. фиг.1) реализован в виде K - канального приемного устройства. Приемные каналы 14.1-14.K настраивают на частотные позиции сигналов с ППРЧ f, i=1, 2, …, K. Априорное знание направлений прихода сигнала ИРИ с ППРЧ θ обеспечивает бесподстроечное вхождение в связь с заданными корреспондентами и формирование показателей качества U и U. Здесь под априорным знанием значения параметра θ, j=1, 2, …, М, также понимается регулярность (стабильность) проявления азимутального угла θ излучения m-го ИРИ с ППРЧ на разных частотах в течение сеанса связи (справедливо для ситуации, когда значение θ априорно неизвестно).
i
j
i
j
i
j
1
j
j
Суммарный сигнал с выхода блока 1 поступает на входы приемных каналов 14.1-14.K БЧВО 6. Пройдя через полосовой фильтр 15, он задерживается на время Δτ в элементе задержки 16. Данная операция необходима для компенсации временных затрат в блоке 5 на измерение параметров f и θ. Измеренные в БОПП 5 значения {f, θ} поступают на входы преобразователя кода 13. В функции блока 13 входит определение номера приемного канала 14.1-14.K (по значениям f и θ), выход которого будет подключен к соответствующему входу первого (сигнального) сумматора 10. Пусть излучение заданного ИРИ появилось на K-й частоте, i=K. На K-м выходе блока 13 формируется управляющий сигнал, который поступает на второй вход RS-триггера 18 и вход ждущего мультивибратора 25 выбранного K-го канала приема 14.K. Данным импульсом RS-триггер 18 переводится во второе устойчивое состояние. В результате на его выходе в момент времени t формируется сигнал управления, который открывает ключ 17. Принятый с направления θ сигнал m-го ИРИ с ППРЧ и задержанный в блоке 16 проходит через блок 17 на K-й вход первого (сигнального) сумматора 10 и далее на выходную шину устройства 8. При переходе m-го ИРИ на другую рабочую частоту к работе подключается другой канал приема 14, а сигнал с его выхода также поступает на соответствующий вход сумматора 10 в связи с тем, что направление его прихода θ остается прежним. Одновременно с приемом сигналов заданного m-го ИРИ на i-й частоте в блоке 13 уточняют среднее значение параметра . На очередной частной позиции m-го ИРИ используют уточненное значение .
1
с
1
K
Кроме того, сигнал управления, сформированный на выходе RS-триггера 18 в момент времени t, переключает коммутатор 20. Входной сигнал канала приема 14.K детектируют в блоке 19 и далее его огибающая через коммутатор 20 поступает на соответствующий K-й вход второго сумматора 11 полезной составляющей сигнала. В результате суммирования в блоке 11 подобных сигналов всех K каналов приема 14.K формируют сигнальный показатель качества U для всех используемых в работе ИРИ частот. Дополнительно в момент времени t выходной сигнал блока 18 поступает на выход канала приема 14.K и БЧВО 6. В заявляемом устройстве он используется в качестве выходного сигнала, несущего информацию о номере канала приема (а иначе - о частоте f), в котором в текущий момент времени осуществляется прием сигналов заданного корреспондента.
1
П
В большинстве известных систем связи с ППРЧ длительность излучений на используемых частотах постоянна и априорно известна. Это позволило использовать ждущий мультивибратор 25 и первый формирователь импульсов 22 для возвращения RS-триггера 18 в исходное состояние. С помощью импульса, сформированного блоком 13 в момент времени t и поступающего на вход блока 25, формируют управляющий сигнал, длительность которого совпадает со временем пребывания ИРИ с ППРЧ на частотной позиции. Импульсом (соответствующим заднему фронту этого сигнала), сформированным блоком 22 и прошедшим через переключатель 21, RS-триггер 18 возвращают в исходное состояние. В результате запрещается прохождение сигналов через ключ 17, а коммутатор 20 возвращается в исходное состояние. Сигналы, поступающие на вход канала приема 14.K, начинают восприниматься как помеховые. Продетектированные в блоке 19 излучения (их огибающая) через коммутатор 20 поступают на соответствующий K-й вход третьего сумматора помеховой составляющей сигнала 12. В результате суммирования в блоке 12 подобных сигналов всех каналов приема формируют помеховый показатель качества U для всех используемых в работе частот.
При приеме сигналов ИРИ с ППРЧ типа TH/FH (прыгающее время/прыгающая частота) время окончания работы ИРИ на частотной позиции априорно неизвестно. В связи с этим переключатели 21 всех K каналов приема 14 устанавливают во второе положение. Продетектированный сигнал с выхода блока 19 поступает на вход порогового устройства 23. В его задачу входит формирование импульса, передний и задний фронты которого соответствуют началу и концу работы ИРИ на частотной позиции. Названный импульс с выхода блока 23 поступает на вход второго формирователя импульсов 24. В задачу последнего входит формирование короткого импульса по заданному фронту сигнала блока 23. Этот импульс через переключатель 21 поступает на первый вход RS-триггера 18, возвращая его в исходное состояние. В этом режиме становится возможным адаптивный прием сигналов ИРИ, работающих также и на фиксированных частотах в заданной полосе ΔF.
На фиг.2 приведена структурная схема блока оценки пространственных параметров. Он содержит генератор синхроимпульсов 26, блок формирования эталонных разностей фаз 27, первое запоминающее устройство 28, антенный коммутатор 29, радиоприемное устройство 30, блок аналого-цифрового преобразования 31, блок преобразования Фурье 32, блок вычисления разностей фаз 33, второе запоминающее устройство 34, блок вычитания 35, умножитель 36, сумматор 37, третье запоминающее устройство 38 и блок определения азимута 39. Кроме того, непосредственное участие в измерении пространственных параметров сигналов принимает антенная решетка 2. С помощью блоков 2 и 5 реализуется фазовый интерферометр (см. Пат. РФ №2283505, МПК 7 G01S 13/46, опубл. 10.09.2006 г., бюл. №25; Пат. РФ №2263328, опубл. 24.05.2004 г., №30).
l,h
i
i
l,h
l,h
l,h
l,h
l
h
l,h,эm
i
скл
На подготовительном этапе многоканального адаптивного радиоприемного устройства рассчитывают эталонные значения первичных пространственно-информационных параметров (ППИП) Δφ(f) для средних значений рабочих частот ИРИ с ППРЧ f=Δf(2i-1)/2. Значение Δf определяется минимальной шириной пропускания приемных трактов БОПП 5 и БЧВО 6. Для этого предварительно осуществляют описание пространственных характеристик антенной решетки 2 заявляемого устройства. С этой целью измеряют взаимные расстояния между антенными элементами (АЭ) A решетки 2 при их размещении на горизонтальной плоскости. В общем случае (Z≠0) используют расстояния между проекциями пространственного размещения АЭ на горизонтальную плоскость, проходящую через первый элемент. В этом случае для каждого АЭ дополнительно измеряют значения {Z} как {Z}={Z}-{Z}. Результат измерений по первой входной установочной шине 7 (см. фиг.1 и 2) поступают на вход блока формирования эталонных значений ППИП 27. Здесь по известному алгоритму (см. Пат. РФ 2283505, МПК7 G01S 13/46, опубл. 10.09.2006 г., бюл. №25) вычисляют значения Δφ(f), которые в дальнейшем хранятся в первом запоминающем устройстве 28 (см. фиг.2). Вводится склонение (при необходимости) θ антенной решетки 2 относительно направления на север, например, как угол между векторами, проходящими через первый и второй АЭ и центр решетки в направлении на север.
i
В процессе работы заявляемого устройства с помощью блоков 2, 29-39 (см. фиг.2) осуществляют поиск и обнаружение сигналов ИРИ с ППРЧ в заданной полосе частот ΔF. Принятые антенной решеткой 2 сигналы на частоте f поступают на соответствующие входы антенного коммутатора 29. В задачу последнего входит обеспечение синхронного подключения в едином промежутке времени любых пар АЭ к опорному и сигнальному выходам. В результате последовательно во времени на оба сигнальных входа двухканального радиоприемного устройства 30 поступают сигналы со всех возможных АЭ решетки 2. При этом все АЭ периодически выступают как в качестве сигнальных, так и в качестве опорных (при условии использования полнодоступного коммутатора 29). Этим достигается максимальный набор статистики о пространственных параметрах электромагнитного поля.
i
Сигналы, поступившие на входы радиоприемного устройства 30, усиливают, фильтруют и переносят на промежуточную частоту, например 10,7 МГц. С опорного и сигнального выходов промежуточной частоты блока 30 сигналы поступают на соответствующие входы двухканального блока аналого-цифрового преобразования (БАЦП) 31, где синхронно преобразуются в цифровую форму. Кроме того, код частоты настройки f блока 30 с его адресного выхода поступает на выход БОПП 5.
l
h
l
h
Полученные цифровые отсчеты сигналов АЭ A и A в блоке 31 перемножают на цифровые отсчеты двух гармонических сигналов одной и той же частоты, сдвинутые относительно друг друга на π/2. В результате в блоке 31 формируют четыре последовательности отчетов (квадратурные составляющие сигналов от двух АЭ A и A). Для реализации необходимой импульсной характеристики цифровых фильтров в блоке 31 выполняют операцию перемножения каждой квадратурной составляющей сигнала на соответствующие отсчеты временного окна. Порядок выполнения этих операция подробно рассмотрен в Пат. РФ №2263328 и Пат. РФ №2283505. На завершающем этапе в блоке 31 формируют две комплексные последовательности отсчетов.
l
h
l,h
i
l
h
Сигналы с выхода БАЦП 31 поступают на соответствующие входы блока преобразования Фурье 32. В результате выполнения в блоке 32 операции в соответствии с выражением  получают две преобразованные последовательности, характеризующие спектры сигналов в АЭ A и A, а следовательно, и их фазовые характеристики. Измерение разности фаз Δφ(f) в парах A и A предполагает вычисление функции взаимной корреляции сигналов в соответствии с выражением
,
l,h
i
где l, h=1, 2, …, N, l≠h - номер АЭ. На его основе Δφ(f) определяется как
l,h
i
c
i
s
i
Δφ(f)=arctg(U(f)/U(f)).
l,h
i
l,h,изм
i
Эта функция выполняется блоком 33. Измеренное значение Δφ(f) очередным импульсом генератора 26 записывают во второе запоминающее устройство 34. Данная операция выполняется до тех пор, пока не будут записаны в эти блоки значения ППИП для всех возможных сочетаний пар АЭ. Выполнение этой операции соответствует формированию массива измеренных ППИП Δφ(f).
l,h,изм
i
j
j
Основное назначение блоков 35, 36, 37, 38 и 27, 28 состоит в том, чтобы оценить степень отличия измеренных параметров Δφ(f) от эталонных значений, измеренных для всех направлений прихода сигнала Δθ и всех частот Δf
где j=1, 2, …, J; JΔθ=360°, i=1, 2, …, I; IΔf=ΔF.
θ
i
j
θ
i
θ
i
j
j
j
В результате в третьем запоминающем устройстве 38 формируется массив данных H(f), на основе которых находится искомый параметр θ. Эта операция осуществляется в блоке 39 путем поиска минимальной суммы H(f) в массиве данных H(f). Результаты измерения θ поступают на выход БОПП 5. Следует отметить, что БОПП 5 в состоянии измерять и угол места β прихода радиосигналов. Однако в предлагаемом устройстве для селекции сигналов различных ИРИ с ППРЧ используется лишь значение θ как наиболее информативный параметр. Угол места β в большинстве практических случаев близок к нулю и поэтому малоинформативен. Кроме того, точность измерения угла места β, как правило, ниже точности измерения пеленга в θ в силу реализационных особенностей используемых антенных решеток.
j
j
В качестве критерия для принятия решения по селекции сигналов ИРИ с ППРЧ в предлагаемом устройстве выступает свойство примерного равенства параметра θ для всех используемых частот и всех составляющих спектра сигнала одного источника (см. фиг.3). При этом допускается разброс значений пеленга θ для различных рабочих частот в небольших пределах Δθ=2°-4°, обусловленных погрешностями измерений в силу ряда известных причин (см. фиг.3). Имеющие место шумовые и прочие выбросы носят нерегулярный характер и на работоспособность заявляемого устройства влияния не оказывают.
В случае недостаточного быстродействия БОПП 5 может быть выполнен N-канальным (по числу АЭ), например восьми или шестнадцати канальным. В этом случае необходимость в антенном коммутаторе 29 отпадает, а элементы 30, 31, 32, 33, 35, 36 и 39 выполняют N-канальными.
Блок 3 (см. фиг.4) предназначен для формирования таких весовых коэффициентов, которые обеспечили бы формирование диаграммы направленности с максимумом в направлении заданного корреспондента и минимумами в направлениях, мешающих сигналов и помех. Блок 3 содержит N·K трактов формирования весовых коэффициентов 40.1-40.K и первый сумматор 49. Каждый тракт 40, в свою очередь, содержит цифроаналоговый преобразователь 41, первый и второй ключи 42 и 45 соответственно, второй сумматор 43, интегратор 46, умножитель 48, генератор пертурбационной последовательности 47 и аналого-цифровой преобразователь 44.
i
1
2
NK
i
При обнаружении заданного m-го ИРИ с ППРЧ на i-й частоте f (см. фиг.4) с группы информационных выходов блока 4 на соответствующие группы информационных входов трактов формирования весовых коэффициентов 40.1-40.NK поступают весовые коэффициенты W, W, … W. Эти значения были сформированы блоком 3 и зафиксированы в блоке 4 на предыдущем цикле выхода m-го ИРИ на i-й частоте f и отражающие СПО на тот момент времени. В каждом тракте 40 поступившие весовые коэффициенты преобразуют в аналоговый вид в блоках 41 и через ключ 42 подают на третий вход второго сумматора 43. Прохождение весовых коэффициентов через ключи 42 всех трактов 40 регулируется первым сигналом управления, поступившим на первый управляющий вход блока 3 с первого управляющего выхода блока 4.
C
П
C
П
i,j
Одновременно генератор 47 вырабатывает случайную последовательность, которая поступает на первый вход умножителя 48. На второй вход блока 48 поступают напряжения U и U, соответствующие уровням сигналов заданного ИРИ с ППРЧ и помех. Результаты перемножения названных величин поступают на вход интегратора 46. Кроме того, пертурбационная последовательность с выхода генератора 47 поступает на второй вход второго сумматора 43, на первый вход которого подается напряжение с выхода интегратора 46. В результате в блоке 43 трактов 40 осуществляют уточнение предшествующей информации о СПО с помощью текущих показателей качества U и U. Изменяющиеся сигналы генератора 47 и интегратора 46 предназначены для определения отклонения текущего значения веса относительно оптимума. В результате выполняется сканирование комплексных весовых коэффициентов относительно среднего значения 〈W〉 на величину ΔW, i=1, 2, …, N, j=1, 2,…, K. Такое сканирование необходимо для определения градиента ∇W. Таким образом, обеспечивают независимое приведение комплексных векторов весовых коэффициентов к оптимуму.
i
j
Учет значения вектора весовых коэффициентов W(f, θ), характеризующего СПО при выходе ИРИ на i-й частоте в предшествующий цикл работы, используется лишь на первом этапе формирования его очередного значения. Далее ключ 42 закрывается и блок 3 функционирует в обычном режиме. Блок 42 запирается из-за прекращения действия (окончания импульса) первого управляющего сигнала блока 4.
i
При очередном изменении m-м ИРИ рабочей частоты вторым управляющим сигналом блока 4 открывается ключ 45 каждого тракта 40, и напряжения с выходов интеграторов 46 (значения элементов вектора весовых коэффициентов) поступают на входы аналого-цифровых преобразователей 44. Блоки 44 преобразуют аналоговые напряжения в цифровую форму, которые далее поступают на группы информационных входов блока 4 и запоминаются по адресу {f}. После этого начинается очередной цикл работы блока 3.
i
j
i
Блок фиксации весовых коэффициентов 4 (см. фиг.5) предназначен для запоминания измеренных на предыдущих этапах работы устройства значений вектора весовых коэффициентов W(f, θ) для всех используемых частотных позиций f, i=1, 2, …, N. В заявляемом многоканальном адаптивном радиоприемном устройстве структурная схема блока 4 и его работа полностью совпадают с соответствующим блоком устройства-прототипа. Блок 4 содержит преобразователь кода 54, элемент ИЛИ 50, первый и второй формирователи импульсов 51 и 53 соответственно, первый и второй элементы задержки 52 и 56 соответственно и блок памяти 55.
i
j
При обнаружении излучения m-го ИРИ с ППРЧ на i-й частоте триггер 18 i-го приемного тракта 14.i блока 6 (см. фиг.1) переводится в единичное состояние. Передним фронтом этого сигнала, поступившего на i-й вход элемента ИЛИ 50 блока 4 (см. фиг.5), запускают первый формирователь импульсов 51. В задачу блока 51 входит формирование первого сигнала управления (импульса). По переднему фронту этого импульса происходит запись адреса (кода i-й частоты настройки m-го ИРИ) в блок памяти 55. Последний поступает с выхода преобразователя кода 54. В задачу блока 54 входит преобразование кодовой комбинации, снимаемой с выходов всех K триггеров 18 блока 6 (см. фиг.1), к виду, необходимому для нормальной работы блока 55. По заднему фронту этого же импульса считывается содержимое блока 55, находящееся по данному адресу. Эта информация поступает на цифроаналоговые преобразователи 41 соответствующих трактов 40.1-40.KN формирования весовых коэффициентов (см. фиг.4). Кроме того, первый управляющий сигнал с выхода блока 51 и задержанный в блоке 52 (см. фиг.5) поступает на управляющие входы первых ключей 42 трактов формирования весовых коэффициентов блока 3 (см. фиг.4), открывая их. Время задержки первого сигнала управления в блоке 52 соответствует интервалу времени, необходимому для выборки информации из блока памяти 55 и ее преобразования в блоке 41. Длительность импульса, сформированного блоком 51, определяется временем, необходимым для завершения первого этапа формирования очередного значения вектора W(f, θ), в блоке 3 (см. фиг.4).
i
j
i
i
j
В задачу второго формирователя импульсов 53 входит формирование второго управляющего сигнала по заднему фронту импульса, снимаемого с выхода триггера 18 (см. фиг.1). Передним фронтом второго управляющего сигнала открывают второй ключ 45 (см. фиг.4) каждого тракта 40. По заднему фронту этого сигнала осуществляют запись нового значения вектора W(f, θ) по i-му (f-му) адресу. После этого этим же импульсом, задержанным в блоке 56 (см. фиг.5) на время, необходимое для преобразования W(f, θ) в цифровую форму и запись в блок 55, обнуляют регистр адреса в блоке 55. Далее начинается новый цикл работы блока 4.
Реализация предлагаемого устройства трудностей не вызывает. Многоканальное адаптивное радиоприемное устройство использует известные элементы и блоки, описанные в научно-технической литературе.
Варианты реализации блока взвешенного сложения 1 широко рассмотрены в литературе (см. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию. - М.: Радио и связь, 1986, с.448; Смирнов П.Л. Методы пространственной обработки радиосигналов (использование адаптивных антенных систем и сигналов с ППРЧ). В кн. Методы пространственной обработки радиосигналов. Учебное пособие под ред. Комаровича В.Ф. - Л.: ВАС, 1989, с.27-32). БВС1 содержит N×K комплексных весовых умножителей и общий сумматор. Последний 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. Т.1 / Бурин Л.И., Васильев В.П., Коганов В.И. и др. - М.: Энергия, 1978).
Варианты реализации антенных элементов решетки 2 широко рассмотрены в литературе (см. Саидов А.С. и др. Проектирование фазовых автоматических радиопеленгаторов. - М.: Радио и связь, 1997; Torrieri D.J. Principles of military communications system. Dedham. Massachusetts. Artech House, inc., 1981. - 298 p.). В заявляемом устройстве решетка 2 выполняет двойную функцию:
является элементом адаптивной антенной системы (антенной решеткой собственно многоканального адаптивного радиоприемного устройства);
антенной системой для блока определения пространственных параметров 5.
В качестве антенных элементов решетки 2 целесообразно использовать один из широко известных типов: симметричные (несимметричные) вибраторы, объемные вибраторы, дискоконусные антенны, биконические антенные элементы и др. Тип антенных элементов и их габариты определяются заданным частотным диапазоном ΔF, коэффициентом перекрытия, конструктивными особенностями решетки. Количество используемых антенных элементов N и расстояние между ними зависит от максимально возможного количества одновременно работающих ИРИ с ППРЧ, помеховых ИРИ, диапазона рабочих частот ΔF, эффекта взаимного влияния антенных элементов друг на друга, заданной точности измерения пространственных параметров сигналов (точности селекции входного потока сигналов) и др.
Для обеспечения устойчивого помехозащищенного приема сигналов в широком секторе с примерно равными характеристикам целесообразно использование антенной решетки 2 с кольцевым (эллиптическим) размещением антенных элементов (см. Кукес И.С, Старик М.Е. Основы радиопеленгации. - М.: Сов. радио, 1964. - 640 с.). Для устранения взаимного влияния между блоками 2 и 5 целесообразно поставить делители, например LVS 2Р фирмы LANS (см. http://www.lans.spb.ru).
Реализация блока формирования весовых коэффициентов 3 известна и широко освещена в литературе (см. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки: Введение в теорию. - М.: Радио и связь, 1986, с.448). Блок 3 может быть выполнен аналогично соответствующему блоку прототипа. Сумматоры 49 и 43, интеграторы 46, умножитель 48 могут быть исполнены с использованием дифференциальных усилителей, реализующих соответствующие операции над сигналами (см. Рэд Э. Справочное пособие по высокочастотной схемотехнике: Схемы, блоки, 50-омная техника: Пер. с нем. - М.: Мир, 1990, 256 с.). Блок 41 может быть реализован на микросхемах 572ПВ1, аналого-цифровой преобразователь 44 - на микросхемах 572ПА1 А.
i
Реализация блока определения пространственных параметров 5 известна и трудностей не вызывает. Блок 5 в совокупности с антенной решеткой 2 реализует фазовый интерферометр (см. Пат. РФ 2341811, МПК G01S 3/14, опубл. 20.12.2008 г.; Пат. РФ 2263327, МПК G01S 3/14, опубл. 27.10.2005 г.). Блоки с 26 по 39 реализуются аналогично соответствующим блокам названных пеленгаторов. Дополнительно из радиоприемного устройства 30 выводится значение частоты его настройки f. При реализации блока 30 на приемниках IC-R8500 фирмы ICOM с разъема "REMOTE" одного из них, расположенном на задней панели, в формате CI-V снимается кодовая комбинация о частоте его настройки (см. Связной широкодиапазонный сканирующий приемник ICOM IC-RS500. Инструкция по эксплуатации / Фирма "Сайком" - официальный авторизированный дилер ICOM Inc. - M.; тел./факс. (495)332-1115, 124-4194, с.15).
Блок частотно-временной обработки 6 содержит известные элементы, широко освещены в литературе. Блоки 10, 11, 12, 15-25 реализуют аналогично соответствующим блокам устройства-прототипа на элементарной элементной базе.
Преобразователь кода 13 (см. фиг.6) выполняет следующие функции:
jизм
сравнение измеренных пространственных параметров сигналов θ с заданным на второй входной установочной шине 9 значением ;
i
jизм
преобразование измеренного значения частоты сигнала f (при совпадении θ и ) в код номера соответствующего тракта приема 14.i;
вычисление уточненного среднего значения заданного пространственного параметра  за интервал времени пребывания ИРИ ни i-й частоте.
Преобразователь кода 13 содержит блок сравнения 57, дешифратор 58 и вычислитель 59.
Преобразователь кода 13 может быть реализован на элементарной логике ТТЛ-серии микросхем (см. Справочник по интегральным микросхемам / Б.В.Тарабрин и др.; Под ред. Б.В.Тарабрина; 2-е изд. перераб. доп. - М.: Энергия, 1980. - 816 с).
Реализация блока фиксации весовых коэффициентов 4 известна и широко освещена в литературе. Может быть реализован аналогично соответствующему блоку прототипа. Блок памяти 55 может быть выполнен на микросхемах 132 серии РУ10 или РУ20. Преобразователь кода 54 реализуется по известной схеме (см. Справочник по интегральным микросхемам / Б.В.Тарабрин, С.В.Якубовский и др. - 2-е изд., перераб. и доп. -М.: Энергия, 1980, рис.5-158, с.683). Остальное элементы выполняются на элементарной логике микросхем ТТЛ-серии (см. там же).
Блоки 1, 3 и аналоговые элементы блока 6 могут быть реализованы в цифровом виде на основе специализированных модулей цифровой обработки сигналов (субмодуле цифрового приема ADMDDC8WBL, установленном на базовом модуле AMBPCI (см. "Инструментальные системы" www.insys.ru. Тел. (495)781-27-50, факс (495)781-27-51)).