Исследование характеристик многоканального цифрового приемника с фазированной антенной решеткой при малом отношении сигнал-шум тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

ВЕДЕНИЕ.

Глава I. АДАПТИВНЫЕ АНТЕННЫЕ РЕШЕТКИ И АНАЛОГО

ЦИФРОВЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ.

§. 1.1. Преимущества применения адаптивных решеток.

§. 1.2. Основные элементы адаптивной антенной решетки.

§.1.3. Применение адаптивной антенной решетки в области радиолокационной техники.1.

§. 1.4. Аналого-цифровые преобразователи.

§.1.5. Характеристики аналого-цифровых преобразователей.

§.1.6. Типы погрешностей аналого-цифровых преобразователей.

Глава И. ОБРАБОТКА РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ НА

АЦП ПРИ МАЛЫХ ПРИНЯТЫХ СИГНАЛАХ.

§ 2.1. Сигналы на входе приемника в радиолокационных системах.

§.2.2. Оценка параметров выходного сигнала квадратурной схемы обработки при использовании сигналов радиолокационного обнаружения и сопровожения.'.1.

Глава III. ХАРАКТЕРИСТИКИ ИДЕАЛЬНЫХ АЦП ПРИ МАЛЫХ

ПРИНЯТЫХ СИГНАЛАХ НА ИХ ВХОДЕ.

§.3.1. Характеристики идеального АЦП N-ro типа.

§.3.2. Характеристики идеального АЦП S-ro типа.

§.3.3. Характеристики обнаружения для АЦП N-ro и S-ro типа.

§.3.4. Характеристики идеальных АЦП при неслучайном входном сигнале.

Глава IV. ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕИДЕАЛЬНЫХ АЦП ПРИ

МАЛЫХ ПРИНЯТЫХ СИГНАЛАХ НА ИХ ВХОДЕ.

§.4.1. АЦП с независимыми флуктуациями уровней квантования.

§.4.2. АЦП с дружными флуктуациями уровней квантования.

§.4.3. Влияние неортогональности квадратурных каналов АЦП на его выходные характеристики.

Глава V. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОХОЖДЕНИЯ СЛАБОГО

СИГНАЛА ЧЕРЕЗ АЦП.

§.5.1. Исследование процесса прохождения слабого сигнала через идеальные АЦП (S-ro и N-ro типа)и определение характеристик сигнала на выходе АЦП.

§.5.2. Создание модели основных погрешностей АЦП, модели учета различных факторов неидеальных АЦП.

§.5.3. Исследование процесса прохождения слабого сигнала через неидеальные АЦП (S-ro и N-ro типа).

§.5.4. Исследование характеристик обнаружения для схемы многоканальной цифровой квадратурной обработки радиолокационых сигналов с использованием идеальных и неидеальных АЦП.

§ 5.5. Сравнение полученных характеристик между собой и с аналогичными характеристиками аналоговой квадратурной обработки радиолокационых сигналов.

Актуальность темы диссертации

В настоящее время в современных устройствах применяются разные методы обработки принимаемых сигналов с целью оптимизации работы антенны. При этом антенна вместе с различными устройствами обработки сигналов рассматривается как одно звено приемных устройств, которое является пространственно-частотным фильтром. Процесс оптимизации работы антенн заключается в увеличении обьема принимаемой информации за определенное время обнаружения.

Фазированные антенные решетки (ФАР) среди антенн прочих типов занимают особое место: они позволяют практически мгновенно переводить луч из одного направления в другое, целенаправленно изменять форму диаграммы направленности (ДН) в оперативном режиме .

Прием сигнала с помощью многоэлементных антенных решеток в течении длительного времени остается одним из основных методов решения сложных задач обнаружения и оценивания, так как в отношении формируемой ДН система с решеткой обладает преимуществами перед системой с одноэлементным антенным датчиком. Создание систем с антенными решетками, осуществляющих автоматическую подстройку характеристик в соответствии с изменяющимися условиями приема сигнала, стало возможным при появлении недорогих мини ЭВМ, позволяющих реализовать на их основе известные результаты теории обнаружения, оценивания и управления. Способность к адаптации делает работу систем с антенными решетками более гибкой и (что более важно) позволяет повысить эффективность приема, что зачастую сложно осуществить другими путями.

Фазированная антенная решетка состоит из конечного множества излучающих или принимающих элементов (излучателей), соответствующим образом расположенных в пространстве. Сигналы в ФАР векторные, операции над этими сигналами (в простейшем случае - взвешеное суммирование) обычно линейные [42].

Современные методы обработки сигналов в ФАР рассчитаны в основном на цифровую реализацию. Это особенно справедливо применительно к адаптивным ФАР, в которых реализация практически всех алгоритмов обработки сигналов требует использования цифровой техники.

При этом обычно оцифровку сигнала производят на уровне лучей, т. е. после сложения (фазирования) сигналов со всех приемных элементов решетки, что обеспечивает достаточно высокое отношение сигнал-шум на входе АЦП. Однако представляется перспективным оцифровывать сигнал еще до фазирования, т. е. на выходе каждого приемного элемента антенны. Такой подход сулит ряд преимуществ, хотя и таит в себе немало «подводных камней». К преимуществам этого подхода следует отнести упрощение конструкции приемной антенны, так как при этом исключаются многие аналоговые элементы устройства обработки (фидерные линии, огромное число фазовращателей, делителей и сумматоров сверхвысокочастотных сигналов (СВЧ-сигналов) и др.). Это приводит к снижению потерь энергии полезных сигналов в антенне, повышению стабильности антенных трактов и в конечном итоге к повышению точности измерений и эффективности помехозащиты. Кроме того, при такой оцифровке увеличивается число степеней свободы при обработке сигнала, что увеличивает возможность более точного подавления источников активных помех в адаптивных ФАР и эффективного управления. Перспективность такой схемы построения адаптивных ФАР отмечается в [20] и главе 4 [48].

Вместе с тем при таком подходе широко используемые в настоящее время аналого-цифровые преобразователи (АЦП) оказываются вынужденными работать в непривычном для них режиме, когда уровень полезного сигнала на входе много меньше уровня шума. В связи с этим возникает ряд вопросов: каковы в этом случае выходные характеристики приемника, зависят ли они от типа АЦП, насколько устойчивы они к нестабильностям его параметров и т. п.? Подробно эти вопросы нигде ранее не рассматривались. Данная работа как раз и посвящена подробному исследованию этой проблемы, в связи с чем- тема диссертации представляется весьма актуальной. * Результаты проведенных исследований позволят дать рекомендации по созданию новых устройств, применения которых перспективно как для военных, так и для гражданских целей.

Цель и задачи работы

Целью диссертационной работы является исследование характеристик АЦП в приемных элементах ФАР при малых отношениях сигнал-шум (с/ш«1) на входе. На практике подобные ФАР еще не применялись, поэтому необходимы детальние теоретические исследования возникающих при этом проблем. Исследование этих характеристик необходимо для выбора 4, шага квантования АЦП, чтобы уменьшить потери полезного сигнала и повысить вероятность правильного обнаружения. Результаты проведенных исследований позволят оценить характеристики многоканального цифрового приемника с оцифровкой сигнала на каждом элементе решетки и дать рекомендации по выбору типа АЦП и его параметров. В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решены следующие задачи:

• Определены характеристики идеальных АЦП N-ro и S-ro типов при малом отношении сигнал-шум;

• Проведено исследование влияния нестабильностей параметров АЦП (независимых и дружных флуктуаций уровней квантования, нарушения ортогональности квадратурных каналов) на его характеристики;

• Определены оптимальные числа уровней квантования и размер шага квантования для АЦП N-ro и S-ro типов.

• Определены характеристики обнаружения многоканального цифрового приемника при оцифровке сигнала на каждом элементе решетки;

• Проведено моделирование работы АЦП и многоканального приемника, подтвердившее результаты теоретических исследований;

Методы исследования

Теоретические исследования выполнены на основе теории статистической радиофизики и радиолокации. Проанализированы полученные результаты на основе статистического моделирования.

Научная новизна работы состоит в следющем:

- обоснован выбор шага квантования по уровню в условиях слабого сигнала и показано, что, как и для сильного сигнала, его можно считать равным среднеквадратичному значению шума;

- оценено и обосновано целесообразное число уровней квантования при малом отношении сигнал-шум на входе АЦП;

- проведено сравнение работы АЦП двух типов (N-ro и S-ro типов) в условиях слабых сигналов и установлено, что меньшими потерями в выходном отношении сигнал-шум обладает АЦП S-ro типа;

- исследовано влияние нестабильности параметров АЦП на характеристики обнаружения многоканального приемника и выявлены наиболее опасные виды нестабильностей, для борьбы с которыми следует предпринимать специальные меры;

- разработана методика и проведено компьютерное моделирование многоканального цифрового приема, подтвердившее полученные выводы и результаты работы.

Практическая ценность результатов работы

Заключается в том, что они позволяют дать рекомендации по выбору типа АЦП, сформулировать требования к его параметрам и условиям функционирования, оценить степень деградации характеристик из-за различного рода нестабильностей.

Основные положения, выносимые кг защиту

- Методика расчета выходных характеристик идеальных и неидеальных АЦП S-ro и N-ro типов при малом уровне отношения сигнал-шум на входе АЦП, а также характеристик многоканального цифрового приемника.

- Результаты теоретических исследований характеристик идеальных и неидеальных АЦП при малом уровне отношения сигнал-шум на входе.

- Результаты статистического моделирования работы АЦП и многоканального цифрового приемника.

- Выводы относительно оптимального выбора параметров АЦП.

Достоверность полученных результатов рабты

Подтверждается результатами статистического моделирования системы.

Апробация результатов работы и публикации

Основные результаты работы докладывались на четырех Международных конференциях, двух научных конференциях Московского физико-технического института, опубликованы в Трудах этих конференций и в двух статьях. [31, 36-39, 43-45].

Обьем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 138 страниц, 21 рисунок и 24 таблицы. Список литературы содержит 62 наименований на 7 страницах.

Выводы

Результаты, полученные при моделирования системы, соответствуют результатам теоретического анализа, которые мы получили в главах III и IV. л . ■ • i

7 Аналитические методы при использовании цифровой обработки позволили получить в явном виде характеристики обнаружения и провести их сравнение с аналогичными зависимостями для аналоговой обработки.

На основе предложенной в работе вычислительной схемы были получены функции распределения сумм сигналов, оцифрованных при шаге квантования, равного стандартному отклонению шума, с помощью многоуровневых АЦП в каждом из квадратурных каналов. Численно показано, что средние значения накопленной суммарной величины в каждом из квадратурных каналов как при наличии сигнала на входе приемных элементов антенной решетки, так при его отсутствии соответствуют аналоговой идеальной обработке. Среднеквадратическое значение для суммарного сигнала при цифровой обработке превосходит стандарное для аналогового случая не более, чем в 1,0408 раза (0,35дБ).

Из двух типов рассматриваемых погрешностей АЦП (шумовые и статические ошибки) наиболее существенное вляние в многоканальных цифровых схемах обработки сигналов оказывают неустраниемые статические ошибки.

При определении характеристик обнаружения для цифровой многоканальной схемы с использованием многоуровнего АЦП (S-ro типа) были получены следующие результаты. Характеристики обнаружения для цифровой обработки уступают по качеству характеристикам при аналоговой Обработке. Потери, присущие цифровой обработке по сравнению с идеальной аналоговой обработкой, составляют не более 1,07 (0,59 дБ).

131

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена исследованию характеристик АЦП при малом отношении сигнал-шум на его входе и характеристик многоканального цифрового приемника с ФАР, на выходе каждого элемента которой установлен АЦП. Основные результаты, полученные в работе, заключается в следующем:

1. Предположение о том, что уровень сигнала существенно меньше уровня шума, не вносит корректив в правило выбора оптимального уровня квантования: он по-прежнему остается равным среднеквадратическому значению шума.

2. При малом отношении сигнал-шум оптимальное число уровней квантования равно 5-6. Дальнейшее увеличение числа уровней приводит лишь к незначительному повышению отношения сигнал-шум на выходе АЦП.

3. При малом отношении сигнал-шум АЦП S-ro типа имеет незначительное преимущество перед АЦП N-ro типа, т.к. обладает меньшими потерями в выходном отношении сигнал-шум.

4. Нестабильности параметров АЦП, в частности, флуктуации уровней квантования и нарушение ортогональности квадратурных каналов могут привести к заметному снижению характеристик обнаружения. Особенно критичны выходные характеристик АЦП к медленным техническим уходам уровней квантования, вызывающим дрейф «нуля» компаратора. Для предотвращения этого эффекта в схеме обработки необходимо проводить коррекцию (автоподстройку) порога компаратора.

5. Математическое моделирование подтвердило результаты теоретического анализа.

6. Результаты проведенных исследований подтвердают перспективность применения цифровых ФАР с оцифровкой сигнала на каждом элементе решетки.

1. Абрамович Ю. И., Крючков В. В., Михайлюков В. Н., Сарычев В. А. Цифровые адаптивные обработки сигналов. «Радиотехника и электроника», 1982, Т.27, № 10, с. 1916-1922.

2. Архангельский А. Я. Язык Pascal и основы программирование в Delphi. М.: ООО «Бином-Пресс», 2004-496 с.ff 3. Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. М. Изд-во «Вышаяшкола», 2003-464 с.

3. Бахтиаров Г. Д., Малинин В. П. Аналого-цифровые преобразователи. М. Изд-во «Советское радио», 1980-280 с.

4. Богачев А. С. Очнев А. В. Оптимизация алгоритмов комплексной обработки информации при многоканальном радиопеленговании. «Радиотехника», 1990, № 1, с. 8-12.

5. Брагин А. А., Семенюк A. JI. Основы метрологического обеспечения аналого-цифровых преобразователей электрических сигналов. М. Изд-во

6. Ni «Стандартов», 1989-164 с.

7. Браммер Ю. А., Пащук И. Н. Цифровые устройства. М. Изд-во «Высшая школа»., 2004- 229 с.

8. Верешкин А. Е., Катковник В. Я. Линейные цифровые фильтры и методы их реализации. М. Изд-во «Советское радио», 1973-152 с.

9. Воскресенский Д. И. Антенны с обработкой сигнала. Выпуск 1. М. Изд-во «САЙНС-ПРЕСС», 2002-80 с.

10. Гостюхин В. Л., Тринева К. И., Трусов В. Н. Вопросы проектирования $ активных ФАР с использованием ЭВМ. М. Изд-во «Радио и связь», 1983248с.

11. Грановская Р. А., Кузмина Г. А. Мощные усилители СВЧ в активных антенных решетках. «Радиотехника», 1981, Т.4, № 2, с. 86-88.

12. Грибанов Ю. И., Мальков В. JI. Погрешности и параметры цифрового спектрально-корреляционного анализа. М. Изд. «Радио и связь», 1984-160 с.

13. Гусевский В. И. Формирование секторного провала в диаграмме направленности фазированной антенной решетки при подавлении широкополосной помехи. «Радиотехника», 1991, Т.34, № 5, с. 23-28.

14. Джунь В. И., Щесняк С. С. Адаптивные антенные системы с подавлением помех по главному лепеску диаграммы направленности. -Зарубежная радиоэлектроника, 1988, № 4, с. 3-15.

15. Дубровин А. В., Сосулин Ю. Г. Одноэтапное оценивание местоположеня источника радиоизлучения пассивной системой, состоящей из узкобазовых подсистем. «Радиотехника и электроника», 2004, Т.49, № 2, с. 156-170.

16. Журавлев А. К., Лукошкин А. П., Поддубный С.С. Обработка сигналов в адаптивных антенных решетках. JI. Изд-во «Ленингр. Ун-та», 1983-240 с.

17. Корн. Р., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров: Пер с англ. Под ред И. Г. Арамовича. М. Изд-во «Наука», 1984832 с.

18. Кузьмин С. 3. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации. М. Изд-во «Радио и связь», 1986-352 с.

19. Кузьмин С. 3. Цифровая радиолокация. Введение в теорию. Киев. Изд-во «Кв1Ц», 2000-588 с.

20. Культин Н. Б. Delphi в задачах и примерах. СПб. Изд-во «БХВ-Петербург», 2003-288 с.

21. Левин Б. Р. Теоретические основы статистической радиотехники. М. Изд-во «Радио и связь», 1989-656 с.

22. Левшин В. П., Стуручев В. Ф. Адаптивные фазированные антенные ^ решетки с ограниченным числом степеней управления. «Зарубежнаярадиоэлектроника», 1982, № 1, с. 31-42.

23. Лобов Г. Д. Устройства первичной обработки микроволновых сигналов. Изд-во «МЭИ», 1990-256 с.

24. Макаров С. Б., Цикин И. А. Передача дискретных сообщений по радиоканалам с ограниченной полосой пропускания. М. Изд-во «Радио и связь», 1988-304 с.

25. Манжос В. Н., Кокин В. Н., Камчатный Н. И. Квазиоптимальный алгоритм пространственной обработки сигналов в адптивной антеннойNрешетке больших размеров. « Радиотехника», 1986, № 9, с. 7-12.

26. Манжос В. Н., Кокин В. Н., Камчатный Н. И., Белов А. А. Квазиоптимальная обработка сигналов в адаптивной крупноапертурной антенной решетке. «Радиотехника», 1987, № 12, с. 54-58.

27. Монзинго Р. А., Миллер Т. У. Адаптивные антенные решетки: Пер. с англ. М. Изд-во «Радио и связь», 1986-446 с.

28. Нестеров Т. Т., Сазонов В. В. Прохождение слабого сигнала через , двухуровневый АЦП. Труды VIII международной научно-техническойVконференции «Радиолокация, навигация, связь», г. Воронеж, 2002 г., том 1.

29. Перов А. И. Статистическая теория радиотехнических систем. М. Изд-во «Радиотехника», 2003-400 с.

30. Плекин В. Я. Цифровые устройства селекции движущихся целей. М. Изд-во «САЙНС-ПРЕСС», 2003, 80 с.

31. Пономарев Л. И. Математическое моделирование антенной решетки из Н-образных вибраторов. Элементы активных фазированных антенных решеток. М. Изд-во «МАИ», 1983, с. 3-14.

32. Ратынкий М. В. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. М. Изд-во «Радио и связь», 2003-200 с.

33. Сазонов В. В., Фам Т. Ж. Характеристики цифрового приемника при малом отношении сигнал-шум. Труды X Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», г. Воронеж, 2004 г., том 3, с. 1815-1821.

34. Сазонов В. В., Фам Т. Ж. Характеристики обнаружения многоканального цифрового приемника с фазированной антенной решеткой при малых отношениях сигнал-шум. «Электромагнитные волны и электронные системы», № 3, том 10,2005 г., с. 36-42.

35. Сазонов В. В., Фам Т. Ж., Чепелев В.М. Исследование характеристик АЦП при малом уровне входного сигнала. Радиотехнический институт им. акад. А.А Минца, Препринт № 502, Москва. 2005 г.

36. Сазонов Д. М. Антенны и устройства СВЧ. М. Изд-во «Вышая школа», 1988-432 с.

37. Сазонов Д. М. Основы матричной теории антенных решеток. Сб. научно-методических статей по прикладной электродинамике. М. Изд-во «Вышая школа», 1983-Вып. 6 с. 111-162.

38. Самойленко В. И., Шишов Ю. А. Управление фазированными антенными решетками. М. Изд-во «Радио и связь», 1983-240 с.

39. Фам Туан Жао. Моделирование многоканального цифрового приемника при слабом входном сигнале. Труды XI Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», г. Воронеж, 2005 г., том 1, с. 130-143.

40. Чаплин А. Ф. Анализ и синтез антенных решеток. Львов. Изд-во «ЛГУ», 1987-180 с.

41. Ширман Я. Д., Манжос В. Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М. Изд-во «Радио и связь», 1981-416 с.

42. Активные фазированные антенные решетки. Под ред. Д. И. Воскресенского и А. И. Канащенкова. М. Изд-во «Радиотехника», 2004-488 с.

43. Антенны и устройства СВЧ. Под ред. Д. II. Воскресенского. М. Изд-во «МАП», 1999- 528 с.

44. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток. Иод ред. Д. И. Воскресенского. М. Изд-во «Радио и связь», 1994592 с.

45. Защита радиолокационных систем от помех. Состояние и тенденции развития. Под ред. А. И, Канащенкова и В. И. Меркулова,- М. Изд-во «Радиотехника», 2003- 416 с. ,

46. Итоговый отчет по НИР «Исследование влияния неидеальных характеристик АЦП на параметры выходного сигнала при слабых входных сигналах». Научный руководитель проф. В. В. Сазонов. Радиотехнический институт им. акад. А. Л. Минца. Москва, 2001,

47. Обработка сигналов в радиотехнических системах; Учеб. Пособие. Далматов А. Д., Елисеев А. А., Лукошкин А. 11., иводенко А. А., Устинов Б. В. Под ред. А. П. Лукошкина.- Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1987.400с.

48. Промежуточный отчет по НИР «Исследование цифровой обработки радиолокационных сигналов». Научный руководитель проф. В. В. Сазонов. Радиотехнический институт им. акад. А. Л. Минца. Москва, 2002.

49. Радиотехнические системы. Под ред. Д. И. Воскресенского. М. Изд-во «Вышая школа», 1990-496 с.

50. Теоретические основы радиолокации. Под ред. Ширмана. М. Изд-во «Советское радио», 1970-560 с.

51. Bruner W. G., Case W. N, and Leedom R. C. Digital Control in Modern Radar. EASCON 1971 Record, ШЕЕ Electronics and Aerospace Systems Convention,\ October 6-8,1971 Washington, DC, pp. 200-207.

52. Bursky D. Digital-signal-processing chips move off the disigner's with list and into every day use. Electronic Disign. 1984. - Vol. 32. - № 10. - P. 100-122.

53. Sander W. Experimental phased-array radar ELRA: antenna system. JEE Proceedings. 1980. - Vol. 127, pt. F. - № 4. - P. 285-289.

54. Wardrop B. The role of digital processing in radar beam forming. The GEC Journal of.Research. -1985. Vol. 3. - № 1. - P. 34-35.