На правах рукописи

Чиркунова Жанна Владимировна

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ В

ЦИФРОВЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТКАХ

Специальность 05.12.07 Антенны, СВЧ-устройства и их технологии"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2009

Работа выполнена на кафедре "Микроэлектронные радиотехнические устройства и системы" Московского государственного института электронной техники (Технического университета).

Научный руководитель: кандидат физико-математических наук, доцент Лялин Константин Сергеевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, главный научный сотрудник ГУП НПЦ “ЭЛВИС” Джиган Виктор Иванович, кандидат технических наук, зам. директора ГУП НПЦ "ЭЛСОВ" Ширяев Андрей Михайлович

Ведущая организация: ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН.

Защита состоится "30" октября 2009 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 850.012.01 ГУП НПЦ “СПУРТ” по адресу: 124460, г. Москва, Зеленоград, 1-й Западный проезд, д. 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУП НПЦ “СПУРТ”.

Автореферат разослан "30" сентября 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. т. н., с.н.с. Петров В.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы На сегодняшний день актуальным является вопрос улучшения качества и эффективности работы современных информационнотелекоммуникационных и радиотехнических систем, к которым предъявляются жесткие требования по увеличению информационной емкости каналов связи, помехозащищенности, скорости обработки больших потоков информации и другие. Для выполнения данных требований необходимо постоянно искать новые методы обработки сигналов, позволяющие максимально эффективно принимать нужный сигнал и бороться с активными помехами в радиоканале.

В связи с этим одним из наиболее перспективных подходов является применение в современных системах связи цифровых антенных решеток (ЦАР) с возможностью пространственной фильтрации на базе цифрового диаграммообразования. Цифровое диаграммообразование обеспечивает прецизионную селекцию сигналов по направлениям прихода, в том числе в пределах одного луча диаграммы направленности (ДН). В результате возрастают число работоспособных каналов и емкость сети. Современные системы с адаптивными цифровыми антенными решетками позволяют множеству пользователей работать на одном частотном канале за счет учета их пространственного разнесения.

Анализ литературы показывает, что применение ЦАР в современных системах является востребованным и перспективным, поскольку данные антенны обладают рядом уникальных возможностей по сравнению с традиционными антенными системами. Алгоритмы работы адаптивных решеток формировались и исследовались, начиная еще с середины 60-х годов прошлого века, однако, принципиально новые возможности по созданию ЦАР возникли только благодаря современным достижениям сверхбыстродействующей цифровой, компьютерной, а также СВЧ-электронике.

Основной задачей ЦАР является обеспечение наилучшего приема полезного сигнала на фоне помех. Достигается это суммированием сигналов с элементов решетки с такими амплитудами и фазами, которые обеспечивают формирование провалов в диаграмме решетки в направлениях на помехи, с минимально возможными искажениями главного лепестка диаграммы, установленного в направлении приема полезного сигнала. Таким образом, ЦАР осуществляет пространственную фильтрацию полезного сигнала на фоне помех, используя для этого методы пространственной фильтрации и методы определения направления прихода сигналов.

В настоящее время создан ряд таких алгоритмов с многочисленными вариантами и модификациями, которые теоретически должны справляться с основными задачами пространственной обработки сигналов в ЦАР. Однако, несмотря на значительное количество работ по данной тематике, эффективность применения алгоритмов на практике в реальных системах недостаточно широко изучена, нет конкретных рекомендаций с указанием их ограничений, достоинств и недостатков. В связи с этим, становится актуальным вопрос о возможности практической реализации данных методов.

Объектом диссертационного исследования являются цифровые антенные решетки.

Предметом диссертационного исследования являются алгоритмы пространственной обработки сигналов для применения в ЦАР.

Цель и задачи работы Настоящая диссертационная работа посвящена исследованию и разработке эффективных алгоритмов пространственной обработки сигналов для практического применения в цифровых антенных решетках.

Данные алгоритмы должны позволять реализовывать многолучевые антенные системы с возможностью формирования и управления диаграммой направленности заданной формы.

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач:

- Построение математической модели цифровой антенной решетки и на ее основе исследование различных методов пространственной фильтрации сигналов.

- Разработка эффективного метода формирования диаграммы направленности заданной формы, а также численное моделирование разработанного метода путем вариации различных исходных параметров.

- Моделирование и исследование алгоритмов определения направления прихода сигналов со сверхразрешением как для некоррелированных, так и для коррелированных приходящих сигналов.

- Численная оценка и сравнительный анализ эффективности работы алгоритмов пространственной обработки сигналов в ЦАР на основе полученных моделей.

- Практическая реализация рассмотренных методов в ЦАР, для чего предварительно необходимо провести проектирование блока цифровой обработки сигналов и разработку программного обеспечения для цифровой антенной решетки.

- Исследование характеристик реализованных алгоритмов пространственной обработки сигналов на основе экспериментального образца ЦАР.

- Выработка рекомендаций по применению изученных методов с указанием особенностей и ограничений практической реализации.

Методы исследования В качестве основных методов решения перечисленных выше задач в диссертации были приняты аналитические методы как дающие точный и поддающийся прямой проверке результат в виде математических зависимостей, связывающих основные параметры разрабатываемых моделей с исходными данными, а также численное моделирование и анализ результатов работы существующих и разработанных методов пространственной обработки сигналов.

Дополнительная проверка адекватности полученных при моделировании результатов осуществлялась путем сравнения с экспериментальными результатами, полученными при реализации разработанных методов в созданных экспериментальных образцах ЦАР.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1. Впервые разработан алгоритм пространственной фильтрации сигналов на основе построения диаграммы направленности заданной формы, отличающийся тем, что позволяет ЦАР формировать "нули" ДН в направлениях прихода помех (в том числе и в главном лепестке), а также сканировать основным лучом в заданной области без существенных потерь мощности. В основе предлагаемого метода лежит вычисление весовых коэффициентов непосредственно, исходя из направлений на сигнал и помеху, путем решения системы нелинейных уравнений.

Результаты математического моделирования метода показывают, что он может быть применен для линейных антенных решеток любой конфигурации, в том числе и при создании многолучевых ЦАР.

2. Впервые разработан алгоритм адаптивного приема сигналов в условиях многолучевого распространения, основанный на способности ЦАР "уравнивать" между собой по фазе и амплитуде все каналы таким образом, чтобы на выходе решетки наблюдался максимальный результирующий сигнал. При этом оптимальные весовые коэффициенты для каждого канала вычисляются параллельно, что позволяет предлагаемому методу работать в режиме реального времени.

3. Проведено исследование двух наиболее перспективных из ряда существующих на сегодняшний день методов определения направления прихода сигналов - классического и пространственно сглаженного MUSIC-алгоритма (Multiple Signal Classification). Впервые получены ограничения и выработаны рекомендации по практическому применению данных методов в ЦАР. Обнаружен неустранимый недостаток обоих методов для решеток с межэлементным расстоянием более 0,5, заключающийся в ложном обнаружении сигналов с направлений на дифракционные максимумы ДН.

4. Получены результаты практической реализации разработанных алгоритмов пространственной обработки сигналов в созданных экспериментальных образцах 4-х элементной и модульной многолучевой 12ти элементной ЦАР диапазона 2,4 ГГц. При этом на базе многолучевой ЦАР успешно реализовано построение системы множественного доступа с пространственным разделением пользователей.

Достоверность результатов обеспечивается:

- результатами математического моделирования рассматриваемых методов;

- успешной экспериментальной проверкой теоретических Практическая значимость работы заключается в возможности создания радиотехнических систем и систем связи на базе ЦАР с улучшенными характеристиками по отношению к существующим системам, за счет возможности реализации адаптивной пространственной обработки сигналов в режиме реального времени. Подобные системы обладают следующими основными преимуществами:

- отсутствие энергетических потерь сигнала, вызываемых необходимостью применения аттенюаторов в аналоговых антенных системах;

- формирование и управление диаграммой направленности в реальном масштабе времени;

- возможность применения цифровых методов пространственной обработки сигналов, позволяющих определять направления прихода сигналов (в том числе коррелированных) и формировать "нули" ДН в направлениях на помехи с глубиной реального дополнительного ослабления до 20-30 дБ;

- подавление помехи в основном луче с сохранением приемлемого уровня мощности;

- возможность формирования N–2-лучевых ДН с независимым управлением каждым лучом (где N - количество элементов в решетке);

- возможность создания модульных антенных систем.

Реализация работы.

Основные результаты работы внедрены на предприятиях ГУП НПЦ "СПУРТ" в рамках выполнения НИР "Изготовление и исследование характеристик макета приемной цифровой антенной решетки (ЦАР) диапазона 2,4 ГГц", а также в ОАО "РТИ им. А.Л. Минца" при выполнении составной части ОКР "Разработка программных модулей диаграммообразования и помехозащиты", что подтверждается соответствующими Актами о внедрении.

Кроме того, основные результаты диссертации были использованы при выполнении следующих научно-исследовательских работ, а также вошли в состав научно-технических отчетов по данным НИР:

- "Исследование возможностей создания аппаратно - программного комплекса сбора и передачи с высокой достоверностью телеметрической информации по радиоканалу" [17].

- "Исследование возможности создания комплекса адаптивного приёма радиосигналов (КАП)" [18].

- "Исследование принципов построения цифровых антенных решеток для систем передачи данных с множественным доступом " [19].

Создан экспериментальный образец модульной 12-ти элементной 10-тилучевой ЦАР, в составе ПО которого успешно реализованы разработанные алгоритмы пространственной обработки сигналов.

Получен патент на полезную модель "Устройство множественного доступа с пространственным разделением пользователей" от 27 августа 2008 года №75898 [3].

На базе диссертационной работы построен спецкурс магистерской подготовки на кафедре МРТУС МИЭТ - "Адаптивные и цифровые антенные решетки", а также в рамках национального проекта «Образование» по данному курсу подготовлено к печати учебное пособие. Кроме того, теоретические результаты данной работы могут быть включены в качестве материала в учебные курсы "Антенно-фидерные устройства" и "Цифровая обработка сигналов".

На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

1. Алгоритм пространственной фильтрации сигналов на основе построения диаграммы направленности заданной формы.

2. Алгоритм адаптивного приема сигналов в условиях многолучевого распространения.

3. Количественные результаты математического моделирования разработанных методов пространственной обработки сигналов.

4. Рекомендации по практическому применению классического и пространственно сглаженного MUSIC-алгоритмов в цифровых антенных решетках с указанием основных ограничений методов.

5. Результаты разработки и экспериментальных исследований созданных образцов ЦАР, на базе которых реализованы алгоритмы пространственной обработки сигналов.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на:

- 12-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов “Микроэлектроника и Информатика Москва. МИЭТ, 2005г;

- 13-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов “Микроэлектроника и Информатика Москва. МИЭТ, 2006г;

- 49-ой научной конференции МФТИ – Долгопрудный, МФТИ, 2006г.;

- Всероссийском молодежном научно-инновационном конкурсеконференции "Электроника – 2006" - Москва, МИЭТ, 2006г;

- 14-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и Информатика – 2007" - Москва, МИЭТ, 2007г.;

- 13-ой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика Москва, МЭИ, 2007г.;

- 50-ой научной конференции МФТИ "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук" - Москва-Долгопрудный, 2007г.;

- 15-ой Всероссийской межвузовской научно-технической конференции студентов и аспирантов "Микроэлектроника и Информатика – 2008" – Москва, МИЭТ, 2008г, - 3-ем Международном радиоэлектронном форуме "Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития (МРФ-2008)" – Украина, г. Харьков, 2008г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано работ, в том числе 2 статьи в журналах перечня ВАК, патент на полезную модель и 5 научно-технических отчетов о выполнении НИОКР.

Личный вклад. Все выносимые на защиту результаты, составляющие основное содержание диссертационной работы, получены лично автором или при его непосредственном участии. Интерпретация основных научных результатов осуществлялась вместе с соавторами публикаций.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Содержание работы изложено на 158 страницах, включает 67 рисунков и 3 таблицы. Библиографический список литературы состоит из 126 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика предмета исследования и выполненной работы, обоснована актуальность проблемы исследования, определены практическая ценность результатов и область их применения, сформулированы цель и основные задачи диссертации, кратко изложено содержание работы.

В первой главе на основании имеющихся публикаций представлен краткий обзор существующих методов пространственной обработки сигналов в ЦАР, которые подразделяются на методы адаптивной пространственной фильтрации и методы определения направления прихода сигналов. Обзор включает рассмотрение принципов работы алгоритмов, их классификацию, а также проведение сравнительного анализа эффективности рассматриваемых методов.

Применение методов пространственной фильтрации позволяет осуществить подавление помеховых сигналов за счет отличия их от полезных сигналов по направлениям прихода. При использовании таких алгоритмов происходит максимальное увеличение отношения сигнал/(шум+помеха), которое является объективной оценкой работы антенной системы в целом. Поскольку для этого необходимо обеспечить формирование провалов в диаграмме решетки в направлениях на помехи и установить главный луч в направлении приема полезного сигнала, методы пространственной фильтрации направлены на поиск необходимых амплитуд и фаз на каждом излучающем элементе. Исходя из этого, в начале главы описывается модель оптимального весового вектора, элементами которого являются искомые весовые коэффициенты для каждого канала решетки.

Далее приводится классификация алгоритмов пространственной фильтрации и сравнительный анализ их эффективности. Кроме того, рассмотрены основные ограничения методов, связанные с практической реализацией. Прежде всего, ограничивающими факторами являются декорреляция сигналов в каналах решетки, конечная разрядность аналого-цифровых преобразователей и вычислений, амплитудно-фазовые ошибки и другие факторы, приводящие, в основном, к уменьшению глубины подавления помех в реальных решетках по сравнению с потенциальными возможностями ЦАР.

В работе рассмотрены методы определения направления прихода сигналов. Приведено понятие пеленгации источника помехи, пеленгационного рельефа (или пространственного спектра) и показана связь между этими понятиями и подавлением помехи в адаптивной ЦАР. Показано, что наиболее очевидное решение поставленной задачи заключается в определении числа собственных значений корреляционной матрицы, превышающих шумовые собственные значения, т. е. в определении размерности сигнального подпространства корреляционной матрицы.

Также в первой главе приведена классификация рассматриваемых методов по Никелю и взаимосвязь между ними. Представлены алгоритмы линейного предсказания, Капона, адаптивного углового отклика, MUSIC-алгоритм и другие.

Проведенный в первой главе анализ показывает, что существует большое количество разнообразных методов, которые теоретически должны справляться с основными задачами пространственной обработки сигналов в цифровых антенных решетках, но эффективность их работы в реальных системах недостаточно широко изучена, поэтому последующие главы настоящей работы посвящены дополнительному исследованию и разработке новых алгоритмов, а также выработке рекомендаций по практическому применению рассмотренных методов.

Вторая глава посвящена исследованию методов пространственной фильтрации сигналов, одним из возможных способов осуществления которой является построение диаграммы направленности заданной формы по известным направлениям прихода сигналов и помех. Такой метод должен обеспечивать:

- сканирование основным лучом во всем секторе обзора;

- установку нулей ДН в заданных направлениях прихода помеховых сигналов;

- подавление помехи в главном лепестке ДН;

- возможность построения многолучевой диаграммы направленности с независимым управлением для каждого луча.

Исходя из этого, необходимо создать модель антенной решетки и на ее основе провести анализ рассматриваемых методов на предмет соответствия указанным требованиям.

Таким образом, в данной главе приведено описание подробной математической модели ЦАР на основе базисных уравнений теории антенных решеток, а также результаты расчета ряда тестовых задач, позволяющих оценить правильность выбранного метода математического представления антенной решетки. В качестве модели использовалась линейная эквидистантная ЦАР, поскольку такая структура часто встречается на практике и при необходимости ее можно легко модифицировать для построения плоской прямоугольной решетки. В результате за основу модели принято широко известное выражение где N - количество элементов решетки, dx - межэлементное расстояние, Ji - амплитудно-фазовый множитель, характеризующий значения амплитуды и фазы на излучателях, f i ( ) - ДН i-го излучателя, k = 2 волновое число, j - мнимая единица, - угол наблюдения.

Далее рассматриваются алгоритмы формирования диаграммы направленности заданной формы, среди которых методы Щелкунова и метод "линейной системы". Результаты моделирования показали, что при использовании метода Щелкунова невозможно осуществить сканирование лучом с сохранением положений нулей, а также невозможно подавить помеху, попадающую в главный лепесток. Метод "линейной системы" также не позволяет сканировать основным лучом ДН.

Следовательно, оба рассмотренных алгоритма неприменимы для построения диаграмм направленности заданной формы в ЦАР.

Задача формирования ДН заданной формы была решена разработкой нового метода "нелинейной системы". Для этого, весовые коэффициенты вычислялись непосредственно, исходя из направления на сигнал и помеху, путем решения системы уравнений. Основной идеей этого метода является представление о том, что в направлении главного максимума ДН модуль взвешенной суммы комплексных чисел равен сумме модулей этих же чисел. При этом в направлениях на нули ДН эти взвешенные суммы равняются нулю:

Здесь J i - комплексная амплитуда тока на каждом элементе;

z i = e jkdx sin (null i ), где nulli - угловое направление нуля ДН, 1 < i < N 2 ; z Scan = e jkdx sin ( Scan ), где Scan - угловое направление на главный максимум диаграммы направленности; - уменьшение амплитуды главного лепестка ДН.

Таким образом, мы имеем полную систему из N нелинейных уравнений. Поскольку первые два уравнения определяют положение главного максимума, появляется возможность формирования N – 2 нулей в требуемых направлениях для подавления помехи, а также могут быть получены выражения для весовых коэффициентов.

Далее было проведено исследование разработанного метода на соответствие обозначенным в начале главы требованиям. Анализ результатов показал, что метод "нелинейной системы" успешно позволяет подавлять помехи, приходящие с любых направлений, в том числе и в главном лепестке ДН (рис.1,а). Для малоразмерных решеток дополнительное ослабление помехи возможно до 20-30 дБ. Показано, что при этом практически во всем пространстве за исключением области от Scan 0,4 0,5 до Scan + 0,4 0,5 падение усиления составляет величину менее 1,5 дБ ( 0,5 - ширина луча ДН). При сканировании нули диаграммы не изменяют своего положения (рис.1,б). Продемонстрировано, что на работу метода не влияет изменение таких параметров, как межэлементное расстояние и количество элементов решетки.

Рис.1. Результаты подавления помех при использовании метода "нелинейной системы" в 4-х элементной решетке с dx = 0,8:

б - помехи приходят с направлений –39° и –18° и осуществляется Разработанный метод также хорошо подходит для использования в многолучевых ЦАР. Сформировать несколько независимых лучей можно с помощью параллельных вычислений собственных весовых коэффициентов для каждого из них. На рис.2 представлены результаты моделирования 3 лучей для 12-ти элементной ЦАР с межэлементным расстоянием 0,8. Лучи выставлены в направлениях –3, +3 и +15 градусов. Для того чтобы сигналы, приходящие с различных направлений не являлись помехами друг для друга, нули диаграммы каждого луча расположены по направлениям прихода остальных сигналов.

Рис.2. Моделирование многолучевой диаграммы направленности Таким образом, метод "нелинейной системы" может успешно применяться в ЦАР для построения ДН заданной формы и осуществления тем самым пространственной фильтрации сигналов.

Третья глава посвящена исследованию алгоритмов определения направления прихода сигналов, в качестве которых выбраны классический и пространственно сглаженный MUSIC-алгоритмы.

Оба метода основываются на вычислении собственных значений корреляционной матрицы входных сигналов, которые затем сравниваются с некоторым порогом приблизительно равным средней мощности шума. По результатам сравнения формируется матрица Vn, которая содержит шумовые собственные векторы q. После чего направления прихода могут быть определены путем нахождения максимумов пространственного спектра MUSIC алгоритма:

Здесь V - матрица размерности N D, состоящая из вектор-столбцов V j соответствующих направлению прихода j-го сигнала, N - количество элементов решетки, D - количество приходящих сигналов, H - знак эрмитова сопряжения (транспонирования и комплексного сопряжения);

Основным отличием пространственно сглаженного MUSICалгоритма, по сравнению с классическим, является разбиение исходной решетки на пересекающиеся подрешетки и формирование корреляционной матрицы входных сигналов как усредненной по пространству суммы корреляционных матриц всех подрешеток. Проведение этой операции позволяет методу обнаруживать коррелированные между собой сигналы.

Таким образом, в третьей главе описывается построение математических моделей классического и пространственно сглаженного методов. На основе полученных моделей проводится анализ разрешающей способности алгоритмов, путем изменения следующих параметров моделирования: количество приходящих сигналов; отношение сигнал/шум; количество выборок; межэлементное расстояние, применение сигналов различной формы на одинаковых частотах (в том числе коррелированных); моделирование многоэлементной ЦАР.

Пример пространственного спектра MUSIC-алгоритма представлен на рис.3. Он иллюстрирует результаты определения направлений сигналов, приходящих на решетку из 80 элементов, 10 сигналов коррелированны между собой (для наглядности они расположены в левой части графика до –20°), поэтому для их распознавания необходимо применение метода с пространственным сглаживанием. Наличие узких пиков в спектре говорит о высокой разрешающей способности рассматриваемого метода, для достижения которой в данном опыте используется 2000 выборок сигналов при отношении сигнал/шум равном 5 дБ.

Поскольку разрешающая способность MUSIC-алгоритмов обоих типов зависит от комбинации нескольких параметров, в диссертационной работе приводятся характеристики разрешения от отношения сигнал/шум на входе антенны, количества элементов решетки и корреляции приходящих сигналов.

Таким образом, результаты исследования методов показали, что они с высокой разрешающей способностью справляются с задачей определения направления прихода сигналов. Классический алгоритм позволяет даже при значениях отношения сигнал/шум не более 5 дБ и количестве выборок 100 получать разрешение некоррелированных сигналов примерно в 1/4 ширины луча. Разрешающая способность сглаженного метода близка к половине ширины луча антенны по первым нулям для коррелированных и аналогична классическому методу для некоррелированных сигналов.

Рис.3. Пространственный спектр MUSIC-алгоритма Установлено, что MUSIC-алгоритм имеет неустранимый недостаток для решеток с межэлементным расстоянием dx > 0,5 - появление лишних пиков в пространственном спектре в направлениях дифракционных максимумов диаграммы направленности.

Анализ результатов, полученных во второй и третьей главах, позволяет говорить о возможности реализации в ЦАР схемы уплотнения пользователей на основе пространственного разделения каналов. Для этого необходимо совместное применение метода определения направления прихода и предложенного метода построения ДН заданной формы. Первый позволяет получить направления приходящих сигналов, а второй - построить многолучевую диаграмму с независимым управлением каждым лучом, при этом ДН формируются параллельно, что существенно уменьшает время вычислений. Кроме того, для обеспечения помехозащищенности такой схемы "нули" диаграммы, посредством которой принимается конкретный сигнал, выставляются в направлениях прихода остальных обнаруженных сигналов (как было показано на рис.2), что позволяет существенно повысить отношение сигнал/(шум+помеха). Применяя разработанный метод в 12-ти элементной решетке данный параметр можно повысить на 20-30 дБ.

Четвертая глава диссертационной работы посвящена реализации методов пространственной обработки сигналов в ЦАР, в том числе проектированию блока цифровой обработки сигналов и разработке программного обеспечения цифровой антенной решетки.

В начале главы приведено описание структуры канала ЦАР и его основных элементов. Определены задачи, решение которых позволит осуществить проектирование комплекса цифровой обработки.

Далее описан процесс создания блока цифровой обработки сигналов, который включает построение общей структурной схемы блока, выбор цифровых вычислителей, выбор схемы управления, программирование отдельных устройств блока и разработку программного обеспечения цифровой антенной решетки.

В процессе работы проводились следующие дополнительные исследования:

- определение межэлементного расстояния при условии формирования 10 лучей в 12-ти элементной решетке, - выбор схемы разделения сигнала на квадратурные составляющие, - выбор параметров аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования, - выбор алгоритма для реализации функции фазовращателя, - изучение достоинств и недостатков цифровых вычислителей, выбор для цифрового блока программируемой логической интегральной схемы XC3S4000-4FG676I фирмы XILINX и цифрового сигнального процессора ADSP-TS101SAB2-000 фирмы Analog Devices, а также определение функционального назначения каждого их них.

Отличительной особенностью разработанного блока является обеспечение модульности созданного экспериментального образца ЦАР, что позволяет при необходимости изменять количество элементов решетки, посредством объединения различного числа модулей в зависимости от назначения. Модульность обеспечивается за счет выбранной схемы реализации, при которой решетка разбивается на независимые функциональные узлы. На рис.4 представлен внешний вид антенны.

Рис.4. Внешний вид экспериментального образца ЦАР В процессе реализации программного обеспечения решетки был разработан метод "калибровки каналов", который позволяет ЦАР максимально эффективно принимать сигнал в условиях многолучевого распространения. Кроме того, данный метод может работать в режиме реального времени благодаря высокой скорости обработки данных и возможности распараллеливания вычислений (в используемом процессоре вычисление весового вектора занимает около 8 мкс). Основная идея разработанного метода заключается в "уравнивании" между собой по фазе и амплитуде всех каналов ЦАР таким образом, чтобы на выходе решетки наблюдался максимальный результирующий сигнал. Другими словами, в результате вычислений должна быть сформирована такая диаграмма, у которой основной луч настроен в направлении на источник, а боковые лепестки - на переотраженные копии сигнала. Пример ДН, полученной при использовании предлагаемого метода, показан на рис.5. В данной модели на 4-х элементную решетку с изотропными излучателями приходят два одинаковых сигнала с различными начальными фазами с направлений 0° и +20° градусов.

Рис.5. ДН, сформированная методом "калибровки сигналов" Таким образом, программное обеспечение для управления экспериментальным образцом осуществляет следующие основные функции:

передачу информации для внешних устройств; управление отдельными устройствами цифрового блока; калибровку каналов; сканирование лучом; синтез многолучевой ДН с помощью разработанного метода "нелинейной системы"; задание значений весовых коэффициентов; синтез ДН с помощью разработанного метода "калибровки каналов"; а также получение текущих значений сигнала на входе. Последняя функция используется для формирования и обработки корреляционной матрицы с помощью MUSIC-алгоритма на персональном компьютере.

В диссертационной работе представлены результаты измерений созданного образца: экспериментальная проверка режима определения направления прихода сигналов и проверка эффективности работы методов "калибровки сигналов" и "нелинейной системы". Анализ экспериментальных результатов, представленных в четвертой главе, показывает, что они практически полностью совпадают с результатами математического моделирования, а также, что разработанные методы на практике оказались весьма эффективными для пространственной обработки сигналов в цифровых антенных решетках.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы, определена практическая значимость и дана краткая характеристика всей работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработанный метод "нелинейной системы" позволяет подавлять помехи, приходящие с любых направлений, в том числе и в главном лепестке ДН. Величина дополнительного ослабления помех составляет 20 - 30 дБ. Применение метода в многолучевых ЦАР позволяет формировать N – 2 независимых луча (N – количество элементов в решетке).

2. Исследование MUSIC-алгоритмов двух типов показало, что они с высокой разрешающей способностью определяют направления прихода сигналов. Уже при отношении сигнал/шум 5 дБ и количестве выборок 100 оба метода позволяют получать разрешение в 1/4 ширины луча для некоррелированных сигналов. Для коррелированных сигналов метод с пространственным сглаживанием имеет разрешение в половину ширины луча по первым нулям. Характеристика разрешения улучшается при повышении отношения сигнал/шум и количества выборок.

Обнаружен неустранимый недостаток обоих алгоритмов - появление лишних пиков в пространственном спектре при межэлементном расстоянии больше 0,5.

Показана возможность реализации в ЦАР схемы уплотнения пользователей на основе пространственного разделения каналов при совместном применении метода определения направления прихода и предложенного метода построения ДН заданной формы. Данный подход позволяет существенно повысить отношение сигнал/(помеха + шум) - на 20-30 дБ для 12-ти элементной решетки.

3. Разработанный метод "калибровки каналов" позволяет эффективно, с точки зрения сохранения энергии передаваемого сигнала, принимать сигналы в условиях многолучевого распространения. Благодаря возможности распараллеливания вычислений, метод способен работать в режиме реального времени.

4. Разработано программное обеспечение созданного экспериментального образца ЦАР, в составе которого реализованы предложенные методы. Представлены результаты измерений образца, которые показывают, что разработанные методы на практике оказались весьма эффективными для пространственной обработки сигналов в ЦАР.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. Лялин К.С., Орешкин В.И., Чиркунова Ж.В. Особенности проектирования цифровых антенных решеток // Изв. ВУЗов, "Электроника", №4, М., 2008г. - С.36 -41.

2. Лялин К.С., Чиркунова Ж.В., Орешкин В.И. Исследование алгоритма множественного доступа с пространственным разделением каналов в системе с цифровой антенной решеткой // Изв. ВУЗов, "Электроника", №6, М., 2008г. - С.52-57.

3. Чистюхин В.В., Лялин К.С., Кочетков В.Ю., Чиркунова Ж.В., Орешкин В.И. Устройство множественного доступа с пространственным разделением пользователей // Патент на полезную модель: Заявка №2008112569, приоритет полезной модели 03 апреля 2008г. Зарегистрировано в Государственном реестре полезных моделей РФ 27 августа 2008г. №75898.

4. Лялин К.С., Чиркунова Ж.В. Пространственная обработка сигналов в цифровых антенных решетках // Системный анализ и информационно-управляющие системы: Сборник научных трудов МИЭТ под редакцией д.т.н., профессора В.А. Бархоткина - М.:

МИЭТ, 2006 г. - С.70-78.

5. Чистюхин В.В., Лялин К.С., Чиркунова Ж.В., Орешкин В.И.

Исследование возможности создания аппаратно-программного комплекса передачи телеметрической информации // Моделирование, алгоритмизация и программирование при проектировании информационно-управляющих систем: Сборник научных трудов МИЭТ под редакцией д.т.н., профессора В.А. Бархоткина - М.:

МИЭТ, 2008. - С.52-60.

6. Чистюхин В.В., Лялин К.С., Чиркунова Ж.В., Орешкин В.И.

Проектирование 10-тилучевой цифровой антенной решетки // Моделирование, алгоритмизация и программирование при проектировании информационно-управляющих систем: Сборник научных трудов МИЭТ под редакцией д.т.н., профессора В.А. Бархоткина – М.: МИЭТ, 2008. - С.61-68.

7. Чиркунова Ж.В. Пространственная селекция помехи в ЦАР // 12-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и Информатика – 2005": Тез. докл. - М., МИЭТ, 2005. - С.331.

8. Чиркунова Ж.В., Орешкин В.И. Подпространственные методы определения направления прихода сигнала в цифровых антенных решетках // 13-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и Информатика – 2006": Тез. докл. - М., МИЭТ, 2006. - С.296.

9. Чиркунова Ж.В. Исследование вопросов применения корреляционной обработки для определения направления прихода сигналов // 49-ая научная конференция МФТИ. Сборник трудов конференции:

- М., МФТИ, 2006. - Ч.8 - С.71-72.

10. Лялин К.С., Чиркунова Ж.В., Орешкин В.И. Реализация множественного доступа путем использования пространственного разделения каналов на базе многолучевой цифровой антенной решетки // Всероссийский молодежный научно-инновационный конкурсконференция "Электроника - 2006":

- М., МИЭТ, 2006. - С.68.

11. Чиркунова Ж.В., Орешкин В.И. Исследование вопросов построения многолучевых цифровых антенных решеток для создания беспроводных сетей связи // 14-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и Информатика - 2007":

- М., МИЭТ, 2007. - С.316.

12. Чиркунова Ж.В. Исследование вопросов сверхрелеевского разрешения в антенных решетках // 13-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика - 2007":

- М., МЭИ, 2007. - С.101-102.

13. Чиркунова Ж.В. Многолучевая цифровая антенная решетка для системы адаптивного приема сигналов // 50-ая научная конференция МФТИ "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук":

- М.-Долгопрудный, 2007. - С.45-46.

14. Чиркунова Ж.В., Орешкин В.И. Комплекс адаптивного приема на базе десятилучевой цифровой антенной решетки // 15-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и Информатика - 2008": М., МИЭТ, 2008г. С.247.

15. Чистюхин В.В., Лялин К.С., Чиркунова Ж.В., Орешкин В.И.

Проектирование модульной 10-лучевой цифровой антенной решетки // 3-ий Международный радиоэлектронный форум "Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития (МРФ-2008)" – Украина, г. Харьков, 2008. - Т.1. - Ч.2. - С.59-62.

16. Чистюхин В.В., Сизов В.И., Лялин К.С., Чиркунова Ж.В., Викторов Ю.С., Орешкин В.И. Исследование проблем построения и реализации скрытных беспроводных локальных сетей // Отчет о НИР, госрегистрация № 01200315253, М., МИЭТ, 2005. - 224 с.

17. Чистюхин В.В., Лялин К.С., Чиркунова Ж.В., Орешкин В.И., Меркулов С.С. Исследование возможностей создания аппаратно программного комплекса сбора и передачи с высокой достоверностью телеметрической информации по радиоканалу // Отчет о НИР, госрегистрация № У88683, М., МИЭТ, 2007. - 201 с.

18. Чистюхин В.В., Лялин К.С., Бахвалова С.А., Чиркунова Ж.В., Орешкин В.И., Меркулов С.С. Исследование возможности создания комплекса адаптивного приёма радиосигналов (КАП) // Отчет о НИР, госрегистрация № У88871,М., МИЭТ, 2007. - 49 с.

19. Чистюхин В.В., Лялин К.С., Чиркунова Ж.В., Орешкин В.И., Меркулов С.С. Исследование принципов построения цифровых антенных решеток для систем передачи данных с множественным доступом // Отчет о НИР, госрегистрация № 01200511441, М., МИЭТ, 2007. - 95 с.

20. Чистюхин В.В., Лялин К.С., Чиркунова Ж.В., Орешкин В.И. Разработка программного модуля диаграммообразования и помехозащиты // Отчет о СЧ ОКР, госрегистрация У90473, М., МИЭТ, Подписано в печать:

Заказ № Тираж экз. Уч.-изд.л. Формат 60х84 1/16.

Отпечатано в типографии МИЭТ.

124498, Москва, МИЭТ.