автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.14, диссертация на тему:Исследование принципов построения цифровой пространственной и частотно-временной обработки сигналов в современных радиотехнических системах на базе антенным управлением лучами

Введение

Глава 1. Синтез общего алгоритма оптимальной пространственно-временной обработки сигналов при обнаружении и измерении координат целей в радиолокационных станциях (РЛС) с фазированной антенной решеткой (ФАР) и цифровой обработкой сигналов.

1.1. Постановка задачи.

1.2. Модели сигнала и помехи.

1.3. Синтез алгоритма пространственно-временной обработки сигнала

1.3.1. Синтез алгоритма пространственно- временной обработки сигналов в режиме сопровождения РЛС с ФАР.

1.3.2. Построение алгоритма пространственно- временной обработки сигналов в режиме обнаружения многофункциональной РЛС с ФАР.

Выводы по главе

Глава 2. Исследование принципов построения и оптимизация трактов приема и цифрового преобразования сигналов.

2.1. Обобщенный анализ существующих схемотехнических решений трактов приема и цифрового преобразования сигналов.

2.1.1. Схема двухквадратурного преобразования сигнала со сбросом спектра сигнала в область нулевых частот.

2.1.2.0сновные погрешности в тракте квадратурного разложения и их влияние на качество обработки сигнала.

2.1.3. Схема преобразования в цифровую форму с измерением модуля и фазы сигнала.

2.1.4. Схема с оцифровкой сигнала на радиочастоте.

2.2. Анализ влияния погрешностей в трактах приема и аналого-цифрового преобразования сигналов на качество многоканальной обработки сигналов.

2.2.1.Погрешности, влияющие на уровень фона технических боковых лепестков.

2.2.2. Погрешности, которые приводят к декорреляции сигналов помех в каналах приема и «заплыванию» нулей ДН.

Выводы по главе 2.

Глава 3. Исследование методов контроля и устранения влияния погрешностей трактов приема и цифрового преобразования сигналов на качество обработки сигналов.

3.1. Методы контроля и коррекции неидентичности характеристик трактов.

3.1.1.Методы контроля неортогональности квадратурного разложения в тракте аналого-цифрового преобразования сигналов.

3.1.2. Коррекция неортогональности квадратурного разложения сигналов.

3.1.3. Контроль качества работы аналого-цифрового преобразователя сигналов.

3.1.4. Моделирование алгоритма оценки качества тракта АЦП.

3.1.5. Контроль и коррекция неидентичности комплексных коэффициентов передачи многоканальной системы приемных трактов ЦИФАР.

3.2. Исследование влияния уровня и числа уровней квантования АЦП на качество обработки сигнала.

3.2.1. Анализ энергетических потерь при квантовании сигнала в АЦП.

3.2.2. Анализ требований к числу уровней квантования в АЦП.

Выводы к главе 3.

Широкое применение цифровых методов обработки сигналов в значительной мере обусловлено интенсивной разработкой и созданием цифровых алгоритмов обработки сигналов, описанию которых посвящено огромное число публикаций, основной объем которых посвящен частотно-временной обработке [1,4,6 и др.]. В последние годы все большое место в литературе отводится пространственной обработке сигналов и, в первую очередь, адаптивной пространственной обработке в антенных решетках с электронным управлением лучами [2, 3, 7, 8]. В настоящее время наиболее совершенные по своим характеристикам радиотехнические системы, и, в первую очередь радиолокационные станции (РЛС) создаются на основе фазированных антенных решеток (ФАР) и устройств цифровой обработки сигналов.

Основой перспективных радиолокационных и радиоинформационных комплексов являются адаптивные антенные системы на базе фазированных антенных решеток (ФАР). Такие ФАР позволяют создавать многолучевые приемные структуры, гибкие в управлении своими режимами работы и хорошо адаптирующиеся в условиях различного рода помех и изменяющейся электромагнитной обстановки. Кроме того, в таких антенных системах одновременно может производиться обработка сложных широкополосных сигналов.

В зарубежной литературе [21, 23] такие антенные системы получили название «интеллектуальные антенны» («intelligent antennas»). Военная радиолокация [22] и радиоинформационные комплексы в 80-90 годах уже успешно используют адаптивные ФАР. Однако эти ФАР создаются на основе аналоговых СВЧ технологий или гибридных технических решений, использующих сложные и малостабильные диаграммообразующие схемы ФАР с тысячами ферритовых или полупроводниковых фазовращателей и 5 громадным числом делителей и сумматоров СВЧ сигналов. Такие схемотехнические решения неизбежно приводят к прямым потерям энергии полезных сигналов в антенне, особенно при увеличении апертуры антенны и числа формируемых лучей, а также способствуют нестабильности антенных трактов, что сказывается на точности измерений и эффективности помехозащиты. Радиолокационные и радиоинформационные системы будущего, которые будут применяться в начале XXI века, должны создаваться на основе интеллектуальных ФАР с более эффективными техническими и экономическими характеристиками [ 23].

По аналогии с терминологией «интеллектуальные антенны», используемой в зарубежной литературе, будем называть такие цифровые адаптивные ФАР - цифровыми интеллектуальными ФАР или сокращенно ЦИФАР. Таким образом ЦИФАР является новым научно-техническим направлением в радиоинформационной системотехнике, результаты развития которого создают основу для резкого, скачкообразного увеличения эффективности наземных и космических систем радиолокации, радиосвязи, радионавигации, радиоразведки и средств радиоэлектронной борьбы.

Хотя идеи адаптивных цифровых ФАР и цифровой обработки сигналов известны давно, но сейчас, благодаря фантастическим достижениям в области СВЧ электроники, монокристальной электроники АЦП и ЦАП, сверхбыстродействующей цифровой и компьютерной электронике, создаются принципиально новые возможности создания ЦИФАР и на их основе высокоэффективных радиоинформационных систем. Обладая свойствами гибкой программной перестройки режимов и структуры работы, ЦИФАР создают также новые возможности для реализации принципов технологий двойного применения для радиоинформационных систем, решающих различного рода коммерческие и военные задачи. 6

В принципе использование этих средств позволяет реализовать оптимальные методы пространственно-временной обработки сигналов и обеспечить характеристики таких систем, близкие к потенциально достижимым. Однако на практике вышеупомянутые возможности используются далеко не в полной мере , что обусловлено , по мнению автора, двумя основными причинами:

1)Инерция старых технических решений, когда алгоритм пространственной или частотно-временной обработки строится по аналоговому прототипу. При этом автоматически в новую разработку переносятся присущие аналоговым методам ограничения и недостатки.

2)Отсутствие достаточно четких теоретических рекомендаций по построению общего алгоритма пространственно-временной обработки сигналов в многофункциональной РЛС с ФАР. Дело в том, что даже корректная (и при этом имеющая практическую ценность) статистическая постановка задачи совместного обнаружения и оценки координат целей в РЛС с ФАР (начиная с каждого элемента антенной решетки и включая всю совокупность временных отчетов процессов на выходах всех элементов ФАР) вызывает серьезные трудности. Поэтому статистический синтез оптимального общего алгоритма пространственно-временной обработки сигналов в такой системе представляет собой сложную и в настоящее время не решенную задачу.

Однако не только алгоритмы и сигнальные процессоры определяют возможности и эффективность применения цифровой обработки сигналов. Обработка сигналов в любом устройстве, системе или изделии представляет собой единый процесс, все компоненты которого и аналоговые, и цифровые, и аналого-цифровые должны быть определенным образом и весьма тщательно согласованы. К сожалению, глубокое понимание всего комплекса перечисленных вопросов не является повсеместно распространенным явлением, скорее наоборот. В лучшем случае научные сотрудники и инженеры, 7 специализирующиеся в области цифровой обработки сигналов хорошо представляют себе элементную базу и алгоритмы цифровой обработки, но слабо представляют решение задачи в целом. При этом характеристики трактов приема и аналого-цифрового преобразования в ряде случаев оказывают решающее влияние и определяют характеристики системы в целом. Тем не менее, эти вопросы остаются наименее изученными, и в литературе практически отсутствует систематическое изложение вопросов теории построения трактов приема и аналого-цифрового преобразования сигналов.

Существенное влияние на качество цифровой обработки сигналов оказывают погрешности в трактах приема аналого-цифрового преобразования сигналов. Поэтому в настоящее время весьма важными являются анализ влияния этих погрешностей и исследование методов устранения влияния погрешностей трактов приема и цифрового преобразования сигналов на качество обработки сигналов, а также поиск и применение схемотехнических решений, позволяющих существенно снизить влияние погрешностей в трактах приема и цифрового преобразования сигналов на качество обработки сигналов.

Недостаточная разработанность перечисленных выше и ряда смежных вопросов, их актуальность и большая практическая значимость определили выбор темы настоящего диссертационного исследования.

Цель работы. Целью настоящей работы является повышение эффективности цифровой пространственной и частотно-временной обработки сигналов в современных радиотехнических системах, использующих антенные решетки с электронным управлением лучами.

Объект исследования. Объектом исследования являются устройства и системы цифровой пространственной и частотно-временной обработки сигналов, функционирующие автономно или в составе других устройств и систем, таких как 8 многофункциональные радиолокационные станции с фазированной антенной решеткой, станции и системы наземной и спутниковой связи, бортовые ретрансляторы и другие системы.

Предмет исследования. Предметом исследования является структура и общий алгоритм работы устройств и систем цифровой пространственной и частотно-временной обработки сигналов, использующих фазированные антенные решетки.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации осуществляется решение следующих основных задач:

1. Статистический синтез оптимальной процедуры цифровой пространственной и частотно-временной обработки сигналов.

2. Обоснование декомпозиции обработки на пространственную и частотно-временную.

3. Статистический синтез оптимальных алгоритмов и структуры цифровой пространственной и частотно-временной обработки сигналов для задач обнаружения, измерения параметров и разрешения сигналов в многофункциональных радиолокационных станциях с фазированной антенной решеткой.

4. Обоснование типовой структурной схемы цифровой обработки сигналов.

5. Оптимизация построения трактов приема и цифрового преобразования сигналов.

6. Обобщенный анализ существующих схемотехнических решений трактов приема и цифрового преобразования сигналов.

7. Анализ влияния погрешностей в трактах приема и аналого-цифрового преобразования сигналов на качество многоканальной обработки сигналов.

8. Исследование методов устранения и подавления влияния погрешностей трактов приема и цифрового преобразования сигналов на качество обработки сигналов. 9

9. Разработка схемотехнических решений, позволяющих существенно снизить влияние погрешностей в трактах приема и цифрового преобразования сигналов на качество обработки сигналов.

Методы исследования. Для решения поставленных задач в работе используются методы теории статистических решений, статистического анализа и синтеза радиотехнических систем и устройств, спектрального анализа, математический аппарат линейной алгебры, а также математическое моделирование на базе программного пакета МаШсас! 7.

Научная новизна. Научную новизну определяют следующие результаты проведенных в диссертационной работе исследований:

1. На основе и в рамках оптимальных методов теории статистических решений проведена постановка и получены решения задачи синтеза оптимального алгоритма цифровой пространственно-временной обработки сигналов в режимах обнаружения и сопровождения многофункциональной РЛС с ФАР в условиях воздействия внешних помех.

2. Принципиально важным новым результатом, полученным в рамках упомянутого выше решения, является вывод о том, что привычный подход к построению алгоритма с разделяющейся и независимо оптимизируемой пространственной и частотно-временной обработкой сигнала в общем случае является некорректным даже в условиях, когда групповое запаздывание сигнала на раскрыве апертуры антенной решетки пренебрежимо мало по сравнению с разрешающей способностью сигнала по этому параметру, составляющей, как известно ( где V/ - эффективная ширина спектра принимаемого сигнала или помехи). Пространственно-временная обработка строго разделяется на пространственную и частотно-временную лишь в частном случае - в отсутствие

10 внешних помех , а при большом отношении помеха \ шум , то есть при N ^ / N 0 »1 , раздельная пространственная и частотно-временная обработка сигналов лишь приближенно реализуют оптимальный алгоритм обработки.

3. При построении оптимального алгоритма обработки сигналов в режиме сопровождения многофункциональной РЛС на основе метода максимума правдоподобия в условиях и допустимых приближениях, когда пространственная и частотно-временная обработка могут быть выполнены раздельно, синтезирован алгоритм, формирующий вектор достаточной статистики = \ Ъ и ^ , 2 р ]1 , на основе которого дискриминационными методами вычисляются оценки координат и , V , т и Бд , а также комплексной амплитуды сигнала А , используемой также для оценки интенсивности и обнаружения сигнала.

4. В режиме поиска и обнаружения многофункциональной РЛС также на основе метода максимума правдоподобия в условиях разделяющейся пространственной и частотно-временной обработки синтезированный алгоритм формирует матрицу выходных сигналов Z = А размерности Мх р х содержащую ]Ч1У угловых каналов, каждый из которых содержит 1М"Т р элементов разрешения по координатам т и Гд.

5. Рассмотрены основные погрешности в тракте квадратурного разложения сигнала, их влияние на качество обработки сигнала, а также предложены методы коррекции этих искажений, в том числе:

• Дрейф нуля фазового детектора.

• Неортогональность квадратурного разложения.

6. Предложены схемотехнические решения, которые снижают или даже полностью исключают появление неидентичности каналов квадратурного разложения сигнала.

11

7. Проведен детальный сравнительный анализ возможных вариантов построения схем приемо-преобразующего тракта с оцифровкой сигнала и определены наиболее перспективные схемотехнические решения для многоканальных систем цифровой интеллектуальной ФАР (ЦИФАР).

8. Проведен анализ влияния следующих погрешностей в трактах приема и аналого-цифрового преобразования сигналов на качество многоканальной пространственной обработки сигналов ЦИФАР:

• погрешности разводки сигналов синхронизации;

• погрешности разводки сигналов гетеродинов;

• неидентичность коэффициентов передачи трактов (по модулю и по фазе);

• неидентичность частотных характеристик трактов.

9. Предложен метод высокоточного контроля и коррекции неортогональности квадратурного разложения в тракте аналого-цифрового преобразования сигналов по данным собственных отсчетов устройства АЦП.

Основными научными положениями, сформулированными в диссертации и выносимыми на защиту, являются:

1. Обоснование оптимальной структуры и алгоритмов пространственной и частотно-временной обработки сигналов в системе с цифровой интеллектуальной фазированной антенной решеткой - ЦИФАР. Определена обобщенная схема построения многомерной системы для решения задач обнаружения, разрешения и оценки координат источников сигналов и оценки их параметров.

2. Оптимизация многоканальной системы трактов приема и цифрового преобразования сигналов ЦИФАР с позиций критериев качества решения задачи выделения полезного сигнала на фоне мешающих сигналов и помех. Определение методики анализа влияния различных факторов и характеристик

12 аппаратуры на основные характеристики ЦИФАР. Полученные в работе результаты позволяют правильно сформировать и оптимизировать структурную схему трактов приема и аналого-цифрового преобразования сигналов, сформулировать основные допусковые требования к основным характеристикам тракта и оценить влияние различных видов погрешностей на основные характеристики многоканальной системы на качество цифровой пространственной и частотно-временной обработки сигнала.

3. Метод измерения и коррекции неортогональности квадратурного разложения сигналов в тракте приема и аналого-цифрового преобразования сигналов, а также поразрядного контроля точности устройства АЦП, базирующийся на данных собственных измерений устройства АЦП, непосредственно используемого б упомянутом тракте. Данный метод позволяет достигнуть высокой точности измерения, недостижимой для любых известных измерительных средств и приборов, без использования дополнительной контрольно-измерительной аппаратуры, в том числе в приемных трактах ,недоступных для ее подключения.

Практическая значимость. Практическая значимость работы определяется, прежде всего, ее направленностью на решение весьма актуальных в настоящее время прикладных задач разработки и создания многоканальных систем цифровой пространственной и частотно-временной обработки сигналов, создание которых является весьма перспективным направлением развития радиотехнических систем радиолокации и связи XXI века. Практическая ценность работы подтверждается актом о внедрении.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы прошли апробацию в Радиотехническом институте им. акад. А.Л. Минца в рамках НИР «УНИРАДАР».

13

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 научные работы, в том числе 3 статьи и раздел отчета по НИР.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения.

Выводы к главе 3.

1. Предложены эффективный метод и алгоритмы калибровки многоканальных трактов приема и аналого-цифрового преобразования сигналов ЦИФАР и их элементов, позволяющие с высокой точностью измерять и корректировать различные искажения и погрешности, возникающие в процессе приема и преобразования сигнала, в том числе: неортогональность квадратурного разложения сигналов; качество работы аналого-цифрового преобразователя сигналов; неидентичность комплексных коэффициентов передачи многоканальной системы приемных трактов ЦИФАР;

2. Проведенное математическое моделирование показало высокую точность, достигаемую при измерении погрешностей в трактах при использовании гармонического контрольного сигнала, и подтвердило возможность создания ЦИФАР с использованием предложенных алгоритмов калибровки.

91

3. Аналитически и методом математического моделирования проведено исследование влияния уровня квантования АЦП, а также вида амплитудной характеристики АЦП на качество обработки сигнала (анализ энергетических потерь), которое показало:

Сравнение работы АЦП с Б-образной и Ы-образной характеристиками показывает, что при цене младшего разряда А < (Тш, можно сделать вывод о том, что характеристики их качества практически идентичны. Этот вывод является весьма важным, так как в случае АЦП с Б-образной характеристикой при обработке требуется дополнительный разряд для добавления величины, равной 0,5 А, что приводит к соответствующему увеличению объема аппаратуры цифровой обработки сигнала по сравнению со случаем использования АЦП с 14-образной характеристикой.

Предложена и обоснована упрощенная оценка величины энергетических потерь путем учета увеличения дисперсии результирующего шума на выходе АЦП за счет вносимых шумов квантования Это дает возможность использовать соотношение (3.2.6) для достаточно точной оценки (при А < ош ) вносимых потерь при квантовании амплитуды сигнала в устройстве АЦП, а также при округлении в процессе дальнейшей цифровой обработки сигнала.

93

Заключение.

Основными результатами выполненных в диссертационной работе исследований являются:

1. Решена научно-техническая задача синтеза оптимальной цифровой пространственной и частотно-временной обработки сигналов в радиотехнической системе, имеющая важное практическое значение при разработке и создании многофункциональных радиолокаторов и систем наземной и космической связи на базе антенных устройств с фазированной решеткой излучателей.

2. Проведен статистический синтез оптимальной процедуры цифровой пространственной и частотно-временной обработки сигналов, включающий в себя

- обоснование декомпозиции обработки на пространственную и частотно-временную; синтез оптимальных алгоритмов и структуры цифровой пространственной и частотно-временной обработки сигналов для задач обнаружения, измерения параметров и разрешения сигналов в многофункциональных радиолокационных станциях с фазированной антенной решеткой.

3. Обоснование типовой структурной схемы цифровой обработки сигналов, в том числе:

Оптимизация построения трактов приема и цифрового преобразования сигналов на основе обобщенного анализа существующих схемотехнических решений трактов приема и цифрового преобразования сигналов.

Анализ влияния погрешностей в трактах приема и аналого-цифрового преобразования сигналов на качество многоканальной обработки сигналов.

4. Исследование влияния различных видов искажений и устранения влияния погрешностей трактов приема и цифрового преобразования сигналов на качество обработки сигналов, в том числе:

95

1. Рабинер JL, Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов. М., 1978 г.

2. Журавлев А.К. и др. Адаптивные радиотехнические системы с антенными решетками. Л., 1991 г.

3. Монзинго Р.А. Миллер Т.У. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. М., 1986 г.

4. Котельников В.А. Теория потенциальной помехоустойчивости. М., 1946 г.

5. Хургин Я.И., Яковлев В.П. "Методы теории целых функций в радиофизике, теории связи и оптике". М., Физматгиз,1962 г.

6. Слока В.К. Вопросы обработки радиолокационных сигналов. М., 1970 г.

7. Ширман Я.Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех. М., 1981 г.

8. Журавлев А.К. и др. Обработка сигналов в адаптивных антенных решетках. JI.,1991г.

9. Хелстром К. Статистическая теория обнаружения сигналов. М., 1963 г.

10. У. Прэтт. Цифровая обработка изображений. М., 1982 г.

11. Шифрин Я. 3. Статистический анализ антенных решеток., М., Сов. Радио, 1970 г.

12. Васин В.И., Каплун И.В., Пятибратов В.В. Оценка качества адаптивной пространственной обработки с учетом декорреляции сигналов в приемных каналах антенной решетки, "Радиотехника", 1990 г., № 2.

13. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника, М., Сов. Радио, 1970 г.

14. Н.Васин А.В., Васин В.И. "Оптимизация построения трактов приема цифрового преобразования сигналов, часть 1". Компьюлог, М„ 2000 г , № 1(37), Изд. КомпьюЛог,

15. Васин А.В., Васин В.И. "Оптимизация построения трактов приема цифрового преобразования сигналов, часть 2". Компьюлог, М., 2000 г , № 2(38), Изд. КомпьюЛог,

16. Промежуточный научно-технический отчет по НИР "УНИРАДАР", этап 1, РТИ им. акад. Минца А.Л., М., 1999 г. Авторский материал глава 3.

17. Васин А.В. " Методы подавления и устранения влияния погрешностей трактов приема и цифрового преобразования сигналов на качество обработки сигналов", Компьюлог, М, 2000 г , № 3(39), Изд. КомпьюЛог,

18. Г. Стренг Линейная алгебра и ее применение. М.,1980 г.

19. Воеводин В.В. Вычислительные основы линейной алгебры. М., 1977 г.

20. В.К. Слока, В.Ф. Стручев "Влияние параметров аналого-цифрового преобразования на характеристики частотно-временной обработки сигналов", препринт № 831, РЙАН СССР, М., 1983 г.

21. Intelligent antennas for future wireless communications. Modern radio sieance 1999. Oxford university press 1999.

22. Советская военная мощь от Сталина до Горбачева. М., Изд. Дом «Военный парад», 1999 г.

23. Слока В.К. «Перспективы и направления развития глобальных и низко и среднеорбитальных спутниковых ситстем мультимедийной персональной связи XXI века. Сб. "Связь в России в XXI веке", Международная академия связи, М., 1999 г.100