Способ устранения пространственных помех

Авторы патента:

Соколов Иван Михайлович (RU)

Кинкулькин Исаак Ефимович (RU)

Калмыков Павел Викторович (RU)

G06F17/16 - матричные или векторные вычисления

Владельцы патента RU 2575973:

Открытое акционерное общество "Московское конструкторское бюро "Компас" (RU)

Изобретение относится к методам цифровых вычислений, предназначенных для специфических функций, а именно к комплексным математическим операциям для матричных или векторных вычислений. Согласно способу сигналы, поступающие с выходов N-элементной антенной системы, оцифровывают в N аналого-цифровых преобразователях, обрабатывают в цифровом вычислителе, где формируют ковариационную матрицу, раскладывают ее на собственные векторы и собственные значения. Далее N сигналов, свободных от J мощных некоррелированных помех, при условии N>J, передают на входы устройств, предназначенных для извлечения полезной информации. Технический результат заключается в удалении помеховой составляющей из каждого приемного канала используемого устройства, обеспечивая сохранение полезной информации в каждом канале. 3 ил.

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.

Способ устранения пространственных помех, в котором сигналы, поступающие с выходов N-элементной антенной системы, оцифровывают в N аналого-цифровых преобразователях, обрабатывают в цифровом вычислителе, где формируют ковариационную матрицу, раскладывают ее на собственные векторы и собственные значения с целью определения множества мощных коррелированных сигналов для их дальнейшего исключения, далее N сигналов, свободных от J мощных некоррелированных помех, при условии N>J, передают на входы устройств, предназначенных для извлечения полезной информации.

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано в высокопроизводительных специализированных вычислительных машинах и устройствах обработки сигналов для обращения ковариационных матриц помеховых сигналов.

Способ и система для определения границ защиты с полной экстраполяцией на протяжении заданного временного горизонта // 2552160

Изобретение относится к вычислительной технике. Технический результат заключается в упрощении определения пределов защиты при помощи полной экстраполяции пределов защиты.

Способ организации арифметического ускорителя для решения больших систем линейных уравнений // 2547618

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано для создания арифметического ускорителя для решения больших систем линейных уравнений. Техническим результатом является уменьшение числа арифметических операций.

Устройство для моделирования процесса принятия решения в условиях неопределенности // 2534924

Изобретение относится к устройствам принятия решения в условиях неопределенности. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности ранжирования вариантов принятия решения.

Способ оптимизации алгоритма управления конкретным объектом и/или процессом // 2479864

Изобретение относится к области управления и может быть использовано для оптимизации эксплуатационных расходов при работе автоматизированных систем управления различными реальными процессами, систем поддержки принятия решений, моделирования реальных объектов.

Устройство вращения вектора // 2475830

Изобретение относится к вычислительной технике и может быть использовано:1) в высокопроизводительных вычислительных системах, в частности в системах цифровой обработки сигналов, работающих в режиме реального времени, 2) в системах управления скоротечными процессами, 3) в качестве средства повышения производительности персональных компьютеров при решении задач, связанных с упрощением вида матриц систем линейных уравнений (алгебраических и дифференциальных), реализуемого как подсхема в составе арифметического процессора или же в составе отдельного устройства (спецпроцессора).

Устройство нормировки вектора // 2473961

Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для использования в высокопроизводительных вычислительных системах, в частности в системах цифровой обработки сигналов, работающих в режиме реального времени, в системах управления быстро протекающими процессами, в персональных компьютерах в качестве средства повышения их производительности, реализуемого как подсхема в составе арифметического процессора или же в составе отдельного устройства (спецпроцессора).

Устройство для моделирования процесса принятия решения в условиях неопределенности // 2468423

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике. .

Ячейка однородной вычислительной среды и устройство для сжатия двоичных векторов на базе ячеек однородной вычислительной среды // 2450327

Изобретение относится к вычислительной технике и предназначено для построения однородных вычислительных сред, выполняющих сжатие массивов двоичных векторов в конвейерном режиме.

Устройство нормировки вектора // 2449354

Способ осуществления операции скалярного умножения произвольного вектора на загружаемый в устройство векторный коэффициент и опционального сложения со скалярным коэффициентом // 2609745

Изобретение относится к вычислительной технике и может использоваться для быстрого выполнения математических вычислений в нейронных сетях типа Multilayer Perceptron (MLP). Техническим результатом является уменьшение сложности устройства. Устройство содержит два блока, осуществляющих расчет суммы квадратов разниц компонент входного вектора и предварительно рассчитанных векторов, блок изменения знака результата и блок суммирования. 2 ил.

Способы для аппроксимации операции умножения гессиана на вектор в полной инверсии волнового поля // 2613216

Изобретение относится к области геофизической разведки и, более конкретно, к обработке сейсмических данных. Техническим результатом является повышение скорости оценки величины, известной как умножение гессиана на вектор, которая возникает в некоторых способах для численного решения дифференциальных уравнений в частных производных. Способ определения дискретной модели физических свойств области недр, представляющей собой модель или модель недр, посредством итеративного инвертирования измеренных геофизических данных, полученных из области недр, содержащий: аппроксимирование матрицы Гессе целевой функции, которая затем умножается на вектор, характеризующее умножение гессиана на вектор с использованием компьютера, с помощью одиночного смоделированного распространения прямой волны и одиночного вычисления градиента целевой функции, в модифицированной модели недр, причем необходимо использование только трех распространений прямой волны или обратной волны, причем это аппроксимирование основано на уравнении приближения для Борновского рассеянного поля давления , где умножение гессиана на вектор аппроксимируют посредством вычисления градиента с использованием в качестве искусственного остатка, затем вычисление направления в пространстве параметров модели для обновления до текущей модели посредством умножения обращения матрицы Гессе на градиент целевой функции, причем обращение матрицы Гессе вычисляют итеративно с использованием метода сопряженных градиентов, в котором приближение умножения гессиана на вектор используется для оценки умножения матрицы Гессе на вектор возмущения среды, выполнение линейного поиска для определения амплитуды обновления модели с использованием вычисленного направления, добавление обновления модели к текущей модели для формирования обновленной модели и использование обновленной модели для геофизического исследования. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

Устройство оптимизации алгоритмов адаптации и стабилизации летательного аппарата операторным методом // 2620280

Устройство оптимизации алгоритмов адаптации и стабилизации летательного аппарата операторным методом содержит блоки ввода данных продольного канала, бокового канала и канала крена, систему стабилизации, содержащую продольный канал, боковой канал и канал крена, модуль расчета перекрестных связей, модуль оптимизации системы стабилизации, модуль формирования критериев, модуль формирования результатов, модуль хранения данных, соединенные определенным образом. Обеспечивается высокая точность управляющего сигнала для стабилизации летательного аппарата с учетом компенсации действия внешних возмущений. 2 ил.

Способ автоматической реконструкции фотопортретов из скетчей и система для его осуществления // 2628125

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике. Технический результат – повышение быстродействия реконструкции фотопортретов из скетчей. Способ автоматической реконструкции фотопортретов из скетчей заключается в вычислении по исходным выборкам скетчей S и фотографий Р средних значений mS и mP; центрировании относительно средних исходных выборок S и Р, в результате чего они преобразуются в и ; выполнении анализа главных компонент по , в результате чего вычисляются собственные числа и соответствующие им собственные векторы для матрицы Грама, которые пересчитываются в собственные векторы ковариационной матрицы; вычислении для заданного скетча спектра в базисе, образованном собственными векторами ковариационной матрицы, с помощью прямого преобразования Карунена-Лоэва; причем вычисляют базис взаимной трансформации скетча в фотографию, используя собственные числа, собственные векторы для матрицы Грама и центрированную выборку исходных фотографий , модифицируют спектр заданного скетча L раз путем добавления случайного шума к каждой его компоненте, получая L модифицированных спектров, из которых формируют популяцию из L фотографий, соответствующих заданному скетчу. 2 н.п. ф-лы, 7 ил.