ПРИМЕНЕНИЕ АДАПТИВНОЙ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ В АНТЕННЫХ КОМПЕНСАТОРАХ ПОМЕХ

THE USE OF ADAPTIVE SPATIAL SIGNAL PROCESSING IN ANTENNA NOISE COMPENSATORS

Evgeny Zenov

Academy of the Federal Security Service, Russia, Oryol

Alexander Kolinko

Scientific adviser, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Academy of the Federal Security Service, Russia, Oryol

Аннотация. В статье рассматривается применение адаптивно-пространственной обработки сигналов в антенных компенсаторах помех. Описываются принципы работы и преимущества использования такой обработки для повышения эффективности работы антенн и снижения уровня помех. Исследование представляет интерес для специалистов в области радиотехники и телекоммуникаций, а также для разработчиков антенных систем. Результаты исследования могут быть использованы при проектировании новых антенных систем и модернизации существующих.

Abstract. The article discusses the use of adaptive spatial signal processing in antenna noise compensators. It describes the principles of operation and the advantages of using such processing to improve the efficiency of antennas and reduce the noise level. The research is of interest to specialists in the field of radio engineering and telecommunications, as well as to developers of antenna systems. The results of the study can be used in the design of new antenna systems and the modernization of existing ones.

Ключевые слова: антенная компенсация помех; адаптивно пространственная обработка сигналов; алгоритм минимизации мощности на выходе; компенсация помех.

Keywords: antenna noise compensation; adaptive spatial signal processing; output power minimization algorithm; noise compensation.

В современном мире, где радиочастотные средства играют все более существенную роль, возрастает и вероятность деструктивного воздействия помех на радиорелейные линии. Для обеспечения надежной передачи сигналов в условиях нарастающего электромагнитного шума, инженеры и исследователи активно ищут эффективные методы борьбы с помехами. Традиционно для этой цели применяются несколько методов, включая использование широкополосных сигналов, адаптивных антенных решеток и антенных компенсаторов помех. Однако каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки. Широкополосные сигналы, хотя и обладают высокой степенью устойчивости к помехам, имеют существенные недостатки, такие как большие требования к спектральной пропускной способности и сложность в реализации. Адаптивные антенные решетки представляют собой эффективный способ управления направленностью сигнала и подавления помех, однако они также имеют свои ограничения. Например, они могут оказаться неэффективными в условиях быстро изменяющихся параметров окружающей среды. В свете этих ограничений, наиболее перспективным является применение антенных компенсаторов помех, представленных на схеме, показанной на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема компенсатора помех при помощи дополнительной антенны

Они обладают дополнительным высокочастотным трактом приема помех, что позволяет компенсировать помехи в основном тракте приема сигнала. Однако, основным недостатком этой схемы является невозможность оперативной реакции на появление помех с других направлений. Для решения этой проблемы предлагается использовать антенный компенсатор помех на основе адаптивной пространственной обработки сигналов, как показано на рисунке 2.

В такой схеме основной антенной служит антенна радиорелейной станции, направленная на корреспондента, в то время как в качестве компенсационной антенны используется антенна с диаграммой направленности в форме кардиоиды, с минимумом в направлении приема полезного сигнала. Таким образом, разработка и применение современных методов борьбы с помехами в радиорелейных линиях представляет собой сложную инженерную задачу, требующую учета различных факторов, включая эффективность, скорость реакции и техническую реализуемость.

Очевидно, что для подавления помехи на выходе антенного компенсатора помех (АКП), представленного на рисунке 2 необходимо минимизировать мощность суммарного сигнала на выходе компенсатора. Реализацию этого можно осуществить с использованием адаптивной пространственной обработки сигналов (АПОС) путем формирования (вычисления) на основе соответствующих алгоритмов вектора весовых коэффициентов (ВВК) W= [1 2]т (т – знак транспонирования) с последующим взвешенным суммированием сигналов с выходов антенных элементов (АЭ) (рисунок 2). При этом следует учитывать, что каждый элемент ВВК , т.е. позволяет изменять как амплитуду, так и фазу принимаемых сигналов.

Рисунок 2. Структура адаптивной антенной решетки

Вследствие того, что АПОС непосредственно не связана с демодуляцией сигналов, критерии оптимальности ВВК имеют энергетический характер. В общем виде задача синтеза алгоритмов АПОС формулируется как задача оптимизации некоторой целевой функции F(W), где ВВК W будет определять амплитудно-фазовое распределение токов в каналах АКП.

Целевая функция (ЦФ) в задачах АПОС, как правило, нелинейно зависит от W. Вследствие этого, синтез алгоритмов АПОС базируются на теории нелинейного программирования [5]. При этом адаптивные свойства алгоритмов заключаются в том, что оптимизация осуществляется в условиях априорно неизвестной (либо частично известной) и изменяющейся во времени сигнально-помеховой обстановки (СПО) с использованием вместо неизвестных параметров их выборочных оценок.

Алгоритмы АПОС минимизирующие мощность на выходе АКП (ММВ) получают путем решения оптимизационной задачи [4]

 Фммв(W)=W + RxxW,                                                                                         (1)

где + – знак эрмитового сопряжения;

Rхх= XX+=Rсс+Rпп+Rшш – корреляционная матрица (КМ) сигнала, помех и шума на входе АКП; Rсс= SS+ – КМ сигнала; Rпп= PP+ – КМ помех; Rшш= ШШ+ – КМ шума;

S = [1 2]т – вектор сигнала; P = [1 2]т – вектор помехи;

Ш =[1  2]т – вектор шума с выходов элементов АКП. При этом каждый элемент вектора сигнала , вектора помехи  , вектора шума  имеют свои амплитуды и фазы.

Целевая функция Фммв(W), является эрмитовой (квадратичной) формой [1], следовательно, для решения оптимизационной задачи (1) можно применить градиентный метод [3] вычисления значения ВВК:

Wk+1= Wk – 2mkRххWk .                                                                                            (2)

Условие устойчивой сходимости алгоритма (2) имеет вид [4]: 0<mk<1/Pвх (Pвх – суммарная мощность сигнала, помех и шума на входе АКП).

Заменяя в (2) КМ Rxx ее “мгновенной” оценкой, полученной по одному выборочному отсчету Xk (= XkXk+) [6], получим стохастический рекуррентный алгоритм для вычисления ВВК по отсчетам сигналов на входе и выходе АКП (алгоритм с обратной связью):

Wk+1= Wk – 2mk yk Xk,                                                                                         (3)

где yk=Xk+Wk - k-й отсчет сигнала на выходе АКП. Алгоритм (3) процедура стохастического типа. Сходимость такого типа процедур доказывается методами стохастической аппроксимации [2].

Одним из существенных недостатков алгоритма ММВ является возможность непреднамеренного подавления полезного сигнала, особенно в случаях, когда полезный сигнал и помеха соизмеримы по мощности [3]. Поэтому для предотвращения такой ситуации предлагается величину весового коэффициента 1 в тракте приема полезного сигнала выбрать равным единице, т.е. ВВК в АПОС антенного компенсатора помех будет иметь вид: W= [1 2]т. Таким образом, в тракте приема сигнала (на выходе основной антенны) будут присутствовать как сигнал, так и помеха, а в тракте приема помехи (на выходе компенсационной антенны) будет присутствовать практически только помеха, т.к. минимум диаграммы направленности компенсационной помехи будет совпадать с направлением прихода полезного сигнала. Следовательно, на выходе АКП, при использовании алгоритма АПОС, минимизирующего мощность на выходе АКП, будет отсутствовать непреднамеренное подавление сигнала, тогда как помеха будет подавлена.

Для оценки качества алгоритма антенной компенсации, реализующего критерий ММВ было проведено имитационное моделирование работы антенного компенсатора на ПЭВМ. Моделирование проводилось для различных условий сигнально-помеховой обстановки, являющихся наиболее характерными и показательными для организации радиорелейной связи:

– основная антенна (ОА) является остронаправленной с большим коэффициентом усиления, компенсационная антенна (КА) является слабонаправленной с меньшим коэффициентом усиления и минимумом диаграммы направленности в направлении прихода полезного сигнала;

– мощность входного сигнала (на выходе ОА) является достаточной для обеспечения требуемого качества связи в условиях отсутствия помех (в таблице 1 представлены результаты расчета для средней мощности сигнала 20 дБ относительно пороговой чувствительности приемника);

– полезный сигнал на выходе компенсационной антенны существенно меньше полезного сигнала на выходе основной антенны, и помех на выходах обоих антенн, поэтому им на выходе компенсационной антенны можно пренебречь;

– средние мощности помехи на выходе основной и компенсационной антенн произвольные (при моделировании использовались значения от минус 10 до 60 дБ) и имеют нормальный закон распределения;

– начальные фазы сигнала и помехи в обоих каналах случайны и равномерно распределены в диапазоне от 0 до 360°;

– моделирование проводилось как с учетом внешних шумов (с уровнями минус 10 и 0 дБ), так и без их учета (минус ∞ дБ).

На рисунке 3 представлен фрагмент записанных сигналов и помех на входах и выходах антенного компенсатора. Из рисунка видно практически полное совпадение исходного и результирующего сигналов. При представленных на рисунке данных выигрыш составил около 30 дБ. Основные результаты моделирования работы антенного компенсатора сведены в таблицу 1.

Рисунок 3. Фрагмент записанных сигналов и помех на входах и выходах антенного компенсатора

Таблица 1

Выигрыш по помехозащищенности от реализации антенной компенсации

В таблице 1 по столбцам представлены: средняя мощность сигнала; средняя мощность помехи в основном канале; средняя мощность помехи в компенсационном канале; средняя мощность входных шумов; входное отношение средней мощности сигнала к суммарной мощности помехи и шумов (ОСПШ) в основном канале; ОСПШ на выходе антенного компенсатора, получаемый выигрыш в ОСПШ. В последней строке представлены результаты моделирования ситуации работы в условиях отсутствия помехи, только при наличии сигнала и внешних шумов.

Из представленных результатов видно, что методами антенной компенсации с использованием АПОС по критерию ММВ можно обеспечить практически полную компенсацию помехи. Так, в условиях отсутствия внешних шумов расчетный выигрыш от антенной компенсации составил почти 80 дБ, что превышает суммарный выигрыш, который может быть обеспечен сигнальными (помехоустойчивое кодирование, виды модуляции с меньшей кратностью и др.) и энергетическими (повышение энергетического потенциала радиолинии) методами.

В условиях наличия и помехи, и внешних шумов выходное отношение средней мощности сигнала к суммарной мощности помехи и шума (ОСПШ) практически равно отношению мощности сигнала к мощности шума, т. е. также наблюдается практически полное подавление помехи.

При отсутствии помех на входе антенный компенсатор минимизирует мощность внешних шумов путем их взвешенного противофазного сложения, тем самым обеспечивая дополнительный выигрыш в результирующем ОСПШ.