СПОСОБ УСТРАНЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ПОМЕХ

Способ устранения пространственных помех относится к методам цифровых вычислений, специально предназначенных для специфических функций, а именно к комплексным математическим операциям для матричных или векторных вычислений. Способ предназначен для помехоустойчивого приема радиосигналов с использованием антенных систем при воздействии помех, поступающих с различных направлений.

Известен способ компенсации помех, действующих по боковым лепесткам диаграммы направленности антенной системы [1]. Описанный принцип лежит в основе всех устройств повышения помехоустойчивости аппаратуры с использованием антенных систем. Данный способ пригоден для использования в системах связи.

Существенным недостатком является потеря информации о пространственном положении источников полезного сигнала, так как выходной сигнал представляет собой взвешенную сумму сигналов элементов антенной системы, а также влияние взаимного расположения элементов антенной системы на ширину провала диаграммы направленности в направлении на источник помехи.

Предлагаемое изобретение нацелено на повышение помехоустойчивости аппаратуры, работающей по сигналам, не превышающим уровень собственных шумов. Информация о пространственном положении не теряется, что позволяет использовать устройства, основанные на данном способе, для формирования повышенного коэффициента усиления антенной системы в направлении на источники полезного сигнала.

Способ устранения пространственных помех обеспечивает удаление помеховой составляющей из каждого приемного канала используемого устройства, обеспечивая сохранение полезной информации в каждом канале. К тому же данный способ является нечувствительным к близкому взаимному расположению элементов антенной системы, что позволяет создать малогабаритную помехоустойчивую аппаратуру.

Предлагаемый способ устранения пространственных помех, в котором сигналы, поступающие с выходов N-элементной антенной системы (где N является любым целым числом, N≥2), оцифровывают в N аналого-цифровых преобразователях (АЦП), обрабатывают в цифровом вычислителе (ЦВ), где рассчитывают ковариационную матрицу (КМ), производят ее спектральное разложение с целью определения множества мощных коррелированных сигналов для их дальнейшего исключения, далее N сигналов, свободные от J мощных некоррелированных помех, при условии N>J, передают на входы устройств, предназначенных для извлечения полезной информации.

Способ устранения пространственных помех предназначен для очистки полезного сигнала от J помех, приходящих с разных направлений на N-элементную антенную систему, при условии N>J.

Реализация предложенного способа поясняется работой устройства, представленного структурной схемой на фиг. 1, где показано:

1 - антенная система;

2 - ВЧ-тракт (усилители, полосовые фильтры);

3 - супергетеродинный приемник;

4 - канал приема;

5 - аналого-цифровой преобразователь;

6 - программируемая логическая интегральная схема;

7 - цифровой вычислитель;

8 - цифровой сигнальный процессор.

Реализация предложенного способа на цифровом вычислителе представлена на фиг. 2, где показано:

9 - элемент задержки входного отсчета на T тактов;

10 - преобразователь Гильберта;

11 - комплексный перемножитель матриц;

12 - комплексный перемножитель векторов;

13 - аккумулятор;

14 - блок запуска;

15 - делитель;

16 - блок спектрального разложения матрицы;

17 - формирователь матрицы.

Реализация предложенного способа для работы в системах с расширенным спектром на цифровом вычислителе представлена на фиг. 3, где показано:

18 - вектор, состоящий из отчетов АЦП, взятых в последовательные моменты времени;

19 - элемент задержки входного отсчета на 1 такт;

20 - канал обработки цифровых данных.

Устранение помех производится на видеочастоте. Для этого выходной сигнал каждого элемента N-элементной антенной системы, после прохождения ВЧ-тракта (2), выделяющего полосу полезного сигнала, преобразуется в сигнал промежуточной частоты супергетеродинным приемником (3) (СГП), после чего подвергается оцифровке в АЦП. Полученные сигналы s₁ … s_N используются ЦВ (7), состоящим, например, из программируемой логической интегральной схемы (6) (ПЛИС) и цифрового сигнального процессора (8) (ЦСП). В ПЛИС (6) сигналы представляются в виде вектор-строки s=(s₁, …, s_N) и преобразуются в комплексную форму и помещаются в новый вектор-строку x=(x₁, …, x_N) для расчета КМ. КМ рассчитывается путем перемножения K таких векторов (где K является любым целым числом >1), взятых последовательно в моменты времени , по формуле

,

где ΔR_xx(k) - скалярное произведение векторов в момент времени t_k;

Н - символ транспонирования и комплексного сопряжения.

Далее производят усреднение результатов по K выборкам, т.е.

,

где R_xx - ковариационная матрица.

Далее КМ передается в ЦСП (8), где производится ее спектральное разложение R_xx=QΛQ^H для получения матрицы собственных значений Λ=diag(λ₁, λ₂, …, λ_N) и матрицы соответствующих им собственных векторов Q=(q₁, q₂, …, q_N). При наличии на входе N-элементной антенной системы J мощных некоррелированных помех имеется набор из N-J собственных значений, не превосходящих некоторого известного минимального собственного значения λ_пор, которое равно сумме дисперсии собственного шума приемника и максимально возможной мощности полезного сигнала. Также имеется соответствующий набор из N-J собственных векторов . К тому же имеется набор из J собственных значений, существенно превосходящих λ_пор, и соответствующий ему набор из J собственных векторов .

Матрица собственных векторов передается обратно в ПЛИС (6), где происходит перемножение вектор-строки x комплексных цифровых сигналов сначала на матрицу , а потом на по формуле

,

где - вектор-строка комплексных цифровых сигналов, свободных от помех, той же размерности, что и х.

Структурная схема практической реализации N-канального устройства устранения помех, работающего по сигналам спутниковой радионавигационной системы Глонасс, приведена на фиг. 2.

Сигналы, оцифрованные с частотой дискретизации f_s, поступают в ПЛИС (6), где все операции являются целочисленными. При помощи ПГ (10) формируется мнимая часть вектор-строки x, а действительная часть представляет собой копию входных сигналов, задержанную элементом Z^-T (элемент задержки) (18) на количество тактов T, необходимое для выполнения преобразования Гильберта в ПГ (10). Полученный вектор поступает на комплексный перемножитель матриц (11) (КПМ), который в первый момент времени после включения инициализируется единичной матрицей I размерностью N×N

Таким образом, КПМ (11) выступает как повторитель. Одновременно с этим вектор x поступает на комплексный перемножитель векторов (12) (КПВ), где вычисляется матрица ΔR_xx. Далее матрица ΔR_xx суммируется в аккумуляторе (13) (Акк). Эта процедура повторяется К раз. После чего ПЛИС (6) формирует в ЦСП (8) сигнал готовности (rdy) на блок запуска (14) (на Фиг. 2 - Запуск). ЦСП (8) считывает значения Акк (13), прошедшие через делитель (15) (на фиг. 2 - ÷K), для формирования ковариационной матрицы, в блок спектрального разложения матрицы (16) (на фиг. 2 - СРМ), где вычисляются собственные векторы и собственные значения с использованием сопроцессора с плавающей запятой. После чего ПЛИС (6) обнуляет Акк (13) и снова начинает процедуру наполнения Акк (13). В блоке ФМ (17) формируется матрица с урезанной дробной частью, которая передается в ПЛИС (6) в блок КПМ (11), где происходит перемножение текущего вектора x на матрицу . Результат обработки передают на входы устройств, предназначенных для извлечения полезной информации.

Схема на фиг. 2 пригодна для использования в системах с узкополосными сигналами. На фиг. 3 представлена усовершенствованная схема для работы в системах с расширенным спектром в условиях широкополосных помех. Здесь в каждом канале (20) вводится линия задержки с отводами, состоящая из L элементов задержки на один такт Z^-1 (19). Комплексный вектор-строка x формируется из векторов-строк x_i (18), которые представляют собой набор отсчетов i-го канала (20) , взятых в последовательные моменты времени и имеющих длину L+1. Таким образом, длина вектор-строки x равна N(L+1). Количество выходных сигналов также равно N(L+1).

Операции ПГ (10), задержки на такт (12) и на T тактов (9), формирование вектор-строки входных данных x, вычисление ковариационной матрицы и перемножение вектор-строки x на матрицу осуществляется в ПЛИС (6) (например, ЕР3С120 фирмы «Altera», относящаяся к семейству Cyclone III). Операции спектрального разложения КМ и формирование матрицы осуществляется в ЦСП (8) (например, 1879ВМ5Я фирмы ЗАО НТЦ «Модуль»). Данный процессор представляет собой высокопроизводительный микропроцессор цифровой обработки сигналов с векторно-конвейерной VLIW/SIMD архитектурой на базе запатентованного 64-разрядного процессорного ядра NeuroMatrix. Частота следования отсчетов s_i 25 МГц. Частота работы ПЛИС (6) и ЦСП (8) 250 МГц. ПГ представляет собой дискретный нерекурсивный фильтр 12 порядка с конечной импульсной характеристикой.

Вышеописанный способ позволяет значительно повысить помехоустойчивость аппаратуры, работающей по сигналам, не превышающим уровень собственных шумов. Сохранность информации о пространственном положении источника полезного сигнала позволяет использовать устройства, основанные на данном способе, для формирования повышенного коэффициента усиления антенной системы в направлении на источники полезного сигнала.

Промышленная применимость в вышеописанном способе подтверждается известными из уровня техники элементами и устройствами, которые широко используется в радиоэлектронике.

Источники информации

1. Монзинго Р.А., Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. / Пер. с англ. под ред. В.А. Лексаченко. - М.: Радио и связь, 1986. - 448 с.