Способ компенсационного подавления помех в многоканальной антенной системе

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах связи. Техническим результатом является повышение отношения сигнал/помеха при приеме за счет подавления помех, направления приема которых известны. Способ заключается в том, что осуществляют прием падающей электромагнитной волны с помощью двух компенсационных антенн и N излучателей основной антенны, амплитуду и фазу принятого сигнала первой компенсационной антенны преобразуют так, чтобы при отсутствии помех амплитуда и фаза преобразованного сигнала были равны амплитуде и фазе сигнала, принятого второй компенсационной антенной, производят вычитание указанных сигналов, формируя выходной компенсационный сигнал. Выходные сигналы N излучателей основной антенны суммируют с весовыми коэффициентами, формируя при этом преобразованный сигнал основной антенны. Амплитуду и фазу выходного компенсационного сигнала преобразуют, после чего вычитают выходной компенсационный сигнал из преобразованного сигнала основной антенны, формируя выходной сигнал многоканальной антенной системы. 2 ил.

 

Изобретение относится к антенной технике и может быть использовано в радиотехнических системах связи при приеме электромагнитных волн многоканальной антенной системой в условиях воздействия нескольких помех, направления приема которых известны.

Известны способы активной борьбы с помехами, в частности способы череспериодной компенсации помех. В подобном способе [1, с.234] для приема сигнала и помехи используется одна антенна и один радиоприемник. Способ позволяет осуществить компенсацию помехи, которая представляет собой периодически следующие не перекрывающиеся между собой импульсы. Обязательным условием при этом является то, что сигнал и помеха представляют собой импульсы с периодом следования T, возникающие на этом интервале в разное время. Способ основан на том, что принятую при отсутствии сигнала последовательность импульсов помехи задерживают на время, кратное Т, и затем вычитают из смеси сигнала и помехи. К недостаткам этого способа относится то, что для его использования необходимо знать временную структуру сигнала и помехи, а уровни сигнала и помехи должны оставаться постоянными.

Известны способы компенсации помех путем их декорреляции [1, с.136], в которых на выходе приемника формируют несколько линейно независимых напряжений:

u_i(t)=u_ci(t)+u_ni(t); i=1,2, ..., N,

где u_ci(t) - составляющие сигнала на выходе основного приемника, связанные между собой; u_ni(t) - составляющие помехи на выходе основного приемника; число N может принимать различные значения, так в [1, с.136] N=3, a в[4] N=10.

Затем преобразуют напряжения u_i(t) таким образом, чтобы, исключив из них составляющие сигнала u_ci(t), определить неизвестные составляющие помехи u_ni(t) для их последующей компенсации. Недостатком этого способа является необходимость формирования линейно независимых напряжений u_i(t).

Известен способ амплитудной компенсации помех [1, с.214], в котором требуется использование основного и компенсационного приемников, причем на вход компенсационного приемника поступают только помехи с направлений, соответствующих боковым лепесткам диаграммы направленности основной антенны. Для основного приемника используется остронаправленная антенна, а для компенсационного приемника - слабонаправленная антенна. Сущность способа компенсации помех состоит в том, что теми или иными средствами обеспечивают формирование помеховых сигналов, имеющих одинаковые длительности и огибающие и появляющихся одновременно на выходах детекторов в основном и компенсационном приемниках, а затем производят вычитание сигналов основного и компенсационного приемника. Недостатками данного способа является то, что для полной компенсации помех необходимо совпадение диаграмм направленности основной и компенсационной антенны в области боковых лепестков, а также наличие нелинейных искажений сигнала после детектирования.

Известен способ амплитудно-фазовой компенсации помех [1, с.220], в котором для устранения нелинейных искажений сигнала компенсация помех производится на выходах высокочастотных усилителей или усилителей промежуточной частоты основного и компенсационного приемников. Как и в случае амплитудной компенсации помех, для полной компенсации помех требуется совпадение диаграмм направленности основной и компенсационной антенн в области боковых лепестков, что является ограничением способа.

Более близким по технической сущности к заявляемому способу является способ компенсационного подавления помех в двухканальной антенной системе, предложенный в [3, с.344]. Он состоит в том, что осуществляют прием падающей электромагнитной волны основной остронаправленной антенной и компенсационной слабонаправленной антенной. Затем преобразуют амплитуды и фазы сигналов, принятых основной и компенсационной антеннами, таким образом, чтобы при отсутствии сигнала составляющие помехи имели равные амплитуды и фазы, после чего вычитают преобразованный сигнал компенсационной антенны из преобразованного сигнала основной антенны, формируя выходной сигнал двухканальной антенной системы.

Недостатком известного способа является то, что он позволяет осуществлять компенсацию только одной помехи, направление приема которой известно. Кроме того, в результате работы двухканальной антенной системы может понижаться уровень сигнала, вследствие того, что сигнал принимает не только основная, но и компенсационная антенна.

Предлагаемый способ направлен на устранение перечисленных недостатков известных способов и повышение отношения сигнал/помеха при приеме падающей электромагнитной волны за счет подавления помех в многоканальных антенных системах.

Рассмотрим существо предлагаемого способа.

Как и в прототипе, осуществляют прием падающей электромагнитной волны с помощью многоканальной антенной системы и преобразование принятых сигналов. Однако, в отличие от способа-прототипа, падающую электромагнитную волну принимают с помощью двух компенсационных антенн и N излучателей основной антенны, амплитуду и фазу принятого сигнала первой компенсационной антенны преобразуют таким образом, чтобы при отсутствии помех амплитуда и фаза преобразованного принятого сигнала первой компенсационной антенны была равна амплитуде и фазе сигнала, принятого второй компенсационной антенной. Затем производят вычитание преобразованного сигнала первой компенсационной антенны из сигнала, принятого второй компенсационной антенной, формируя выходной компенсационный сигнал. Выходные сигналы N излучателей основной антенны суммируют с весовыми коэффициентами w_n (n=1,2, ..., N), удовлетворяющими критерию:

;

где f_n(θ) - диаграмма направленности n-го излучателя основной антенны;

θ₀ - направление приема полезного сигнала; θ_m - направление приема m-ой помехи (m=1,2, ..., М);

;

;

F_k1(θ) и F_k2(θ) - диаграммы направленности первой и второй компенсационной антенн соответственно; формируя при этом преобразованный сигнал основной антенны. После этого преобразуют амплитуду и фазу выходного компенсационного сигнала, вычитают выходной компенсационный сигнал из преобразованного сигнала основной антенны, формируя выходной сигнал многоканальной антенной системы.

Проведенный сравнительный анализ заявленного способа и прототипа показывает, что заявленный способ отличается тем, что изменена совокупность действий:

введено действие, связанное с приемом электромагнитной волны двумя компенсационными антеннами;

введено действие, связанное с формированием двух выходных сигналов компенсационных антенн;

введено действие, связанное с преобразованием выходного компенсационного сигнала.

Кроме того, изменен порядок выполнения действия: преобразования сигнала основной антенны.

Структурная схема устройства, функционирующего по предлагаемому способу, представлена на фигуре 1.

На фигуре 2 показана зависимость отношения сигнал/помеха от направления прихода помехи, характеризующая выигрыш, достигаемый при реализации предлагаемого способа.

Рассмотрим предлагаемый способ компенсационного подавления помех в многоканальной антенной системе. С учетом структурной схемы устройства подавления помех, представленной на фигуре 1, проведем теоретическое обоснование предлагаемого способа.

Создаваемое источниками сигнала и помех вблизи приемной антенны электромагнитное поле возбуждает на ее выходе переменную во времени ЭДС, амплитуда и фаза которой с точностью до постоянного множителя пропорциональна напряженности электрического поля. В соответствии с принципом суперпозиции электромагнитные поля от различных источников в свободном пространстве складываются, что позволяет представить напряжения на выходах первой, второй компенсационных антенн и n-го излучателя основной антенны соответственно в виде:

где s₀ временная зависимость сигнала, принимаемого с заданного направления θ₀; n_m - временная зависимость m-ой помехи, приходящей с некоторого известного направления θ_m (m=1,2, ..., М); F_k1(θ), F_k2(θ) и f_n(θ) - диаграммы направленности (ДН) первой, второй компенсационной антенн и n-го излучателя N-элементной основной антенны.

Сформируем выходной компенсационный сигнал Δu_k таким образом, чтобы исключить из него информацию о полезном сигнале s₀.

Для этого сначала получим преобразованный выходной сигнал первой компенсационной антенны в виде:

где

Коэффициент С_k1 определяет преобразование амплитуды и фазы выходного сигнала первой компенсационной антенны u_k1.

При вычитании преобразованного сигнала первой компенсационной антенны из выходного сигнала второй компенсационной антенны получим выходной компенсационный сигнал, описываемый выражением:

Здесь ΔF_k(θ) представляет собой разностную ДН компенсационных антенн.

Особенность выходного компенсационного сигнала состоит в том, что он не зависит от сигнала s₀.

Произведем теперь взвешенное суммирование выходных сигналов излучателей основной антенны и получим преобразованный сигнал основной антенны в виде:

где w_n (n=1,2, ..., N) - весовые коэффициенты.

Произведем вычитание выходного компенсационного сигнала Δu'_k из преобразованного выходного сигнала основной антенны u₀ и получим в результате выходной сигнал многоканальной антенной системы в виде:

где

- коэффициент пропорциональности;

- ДН основной антенны.

Максимальное отношение сигнал/помеха обеспечивается при условии, что весовые коэффициенты w_n удовлетворяют критерию:

Выражения (10) и (11) с учетом обозначения (9) можно представить в виде оптимизационной задачи:

где

Решение оптимизационной задачи (12) сводится к системе линейных алгебраических уравнений вида:

которая содержит N неизвестных и М+1 уравнений.

Так как координаты каждого излучателя основной антенны отличаются от остальных, то все уравнения в (14) являются линейно независимыми.

Отсюда следует, что если М+1=N, то система уравнений (14) имеет единственное решение. В случае, когда М+1<N, существует бесконечное множество решений данной системы уравнений. Если система уравнений (14) является переопределенной (т.е. М+1>N), то может быть найдено приближенное решение, которое при использовании метода наименьших квадратов будет удовлетворять критерию (12).

Работа устройства, функционирующего по предложенному способу, может быть проиллюстрирована с помощью фигуры 1. Смесь полезного сигнала и помехи принимается первой и второй компенсационными антеннами 1 и 2 соответственно. На выходе первой компенсационной антенны 1 наводится напряжение u_k1, которое поступает на вход блока 3 преобразования сигнала первой компенсационной антенны. На выходе второй компенсационной антенны наводится напряжение u_k2. На выходе блока 3 преобразования первой компенсационной антенны формируется преобразованный выходной сигнал u'_k1. Амплитуда и фаза этого сигнала преобразуется таким образом, чтобы при отсутствии помех амплитуда и фаза преобразованного сигнала первой компенсационной антенны были равны амплитуде и фазе сигнала, принятого второй компенсационной антенной. После этого преобразованный выходной сигнал первой компенсационной антенны u'_k1 и выходной сигнал второй компенсационной антенны u_k2 поступают на входы вычитающего устройства 4, в котором производится вычитание преобразованного сигнала первой компенсационной антенны из сигнала, принятого второй компенсационной антенной, и в итоге формируется выходной компенсационный сигнал Δu_k. Смесь полезного сигнала и помехи также принимается N излучателями, образующими основную антенну 5. Выходные сигналы N излучателей u₀₁, u₀₂,...,u_0N поступают в блок 6 формирования выходного сигнала основной антенны, в котором они суммируются с весовыми коэффициентами, и при этом формируется преобразованный сигнал основной антенны u₀.

Весовые коэффициенты w_n (n=1,2,...,N) должны удовлетворять критерию:

Уточним, что

;

Выходной компенсационный сигнал Δu_k поступает на вход блока 7 преобразования выходного компенсационного сигнала, в котором амплитуда и фаза выходного компенсационного сигнала Δu_k преобразовываются и на выходе блока 7 преобразования выходного компенсационного сигнала формируется выходной компенсационный сигнал Δu'_k.

Преобразованный сигнал основной антенны u₀ и выходной компенсационный сигнал Δu'_k поступают на входы вычитающего устройства 8, в котором производится вычитание выходного компенсационного сигнала Δu'_k из преобразованного сигнала основной антенны u₀ и формируется выходной сигнал многоканальной антенной системы u_вых.

Блоки 1, 2 представляют собой слабонаправленные антенны, каждая из которых состоит из одного или нескольких излучателей.

Блоки 3 и 7 преобразования выходного компенсационного сигнала представляют собой последовательно связанные управляемые фазовращатель и аттенюатор (усилитель) и могут быть реализованы аналогично прототипу.

Блоки 4 и 8 представляют собой сумматор, первый вход которого связан с выходом фазовращателя или фазоинвертора.

Блок 5 представляет собой антенную решетку N излучателей.

Блок 6 формирования выходного сигнала основной антенны представляет собой схему суммирования антенной решетки с управляемыми фазовращателями и аттенюаторами (усилителями).

Таким образом, устройство, реализующее предлагаемый способ, состоит из стандартных блоков, реализация которых описана в известной литературе [3, 4].

Для оценки эффективности предложенного способа были проведены численные исследования, в ходе которых сравнивались отношения сигнал/помеха на выходе линейной антенной решетки (АР) с равномерным возбуждением, сфазированной в направлении приема сигнала, и антенной системы, реализующей предлагаемый способ компенсационного подавления помех в многоканальной антенной системе. Выигрыш в помехоустойчивости оценивался с помощью показателя вида:

где F_ЛАР(θ_m) - значение ДН линейной АР в направлении m-ой помехи.

На фигуре 2 показана зависимость отношения сигнал/помеха W(θ_m) от направления прихода помехи, рассчитанная для 16-ти элементных линейной и основной АР. Выбор весовых коэффициентов осуществлялся с учетом того, что число помех М совпадает с числом точек наблюдения в области боковых лепестков ДН основной антенны. Анализ полученных результатов показывает, что для рассмотренного примера реализация предлагаемого способа обеспечивает выигрыш в отношении сигнал/помеха более 20 раз по сравнению с равномерно возбуждаемой АР для всех точек наблюдения в области боковых лепестков ДН основной антенны.

Таким образом, введение новых действий и изменение порядка выполнения действия, связанного с преобразованием сигнала основной антенны, которые обеспечивают реализацию предлагаемого способа, позволяет достичь повышения отношения сигнал/помеха при приеме падающей электромагнитной волны многоканальной антенной системой за счет подавления помех, приходящих с направлений, соответствующих области боковых лепестков основной антенны.

Источники информации

1. Максимов М.В. Защита от радиопомех. - М.: Сов. Радио. 1976, 496 с.

2. Патент 2235392 (Россия) Н01Q 3/26. Способ подавления помех при приеме электромагнитной волны круговой поляризации биортогональной антенной системой / Е.Н.Мищенко, С.Е.Мищенко, В.В.Шацкий // 2004, БИ №24.

3. Ерохин Г.А. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. - 2-е изд., испр. - М.: Горячая линия - Телеком. 2004, 491 с.

4. Воскресенский Д.И. Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток). - 2-е изд., доп.и перераб. - М.: Радио и связь. 1994, 592 с.

Способ компенсационного подавления помех в многоканальной антенной системе, основанный на том, что осуществляют прием падающей электромагнитной волны основной остронаправленной антенной и компенсационной слабонаправленной антенной, преобразуют амплитуды и фазы принятых сигналов основной и компенсационной антенны и вычитают преобразованный сигнал компенсационной антенны из преобразованного сигнала основной антенны, отличающийся тем, что падающую электромагнитную волну принимают двумя компенсационными антеннами и N излучателями основной антенны, амплитуду и фазу сигнала, принятого первой компенсационной антенной, преобразуют таким образом, чтобы при отсутствии помех амплитуда и фаза сигнала первой компенсационной антенны были равны амплитуде и фазе сигнала, принятого второй компенсационной антенной, производят вычитание преобразованного сигнала первой компенсационной антенны из сигнала, принятого второй компенсационной антенной, формируя выходной компенсационный сигнал, выходные сигналы N излучателей основной антенны суммируют с весовыми коэффициентами w_n (n=1, 2, ..., N), удовлетворяющими критерию

; ,

где f_n(0) - диаграмма направленности n-го излучателя основной антенны;

θ₀ - направление приема сигнала; θ_m - направление приема m-ой помехи (w=1, 2, ..., M);

; ;

F_k1(θ) и F_k2(θ) - диаграммы направленности первой и второй компенсационной антенн соответственно;

формируя преобразованный сигнал основной антенны, преобразуют амплитуду и фазу выходного компенсационного сигнала, после чего вычитают выходной компенсационный сигнал из преобразованного сигнала основной антенны, формируя выходной сигнал многоканальной антенной системы.