Исследование характеристик многоканального цифрового приемника с фазированной антенной решеткой при малом отношении сигнал-шум

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 чемтема 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).

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.