Оценка степени влияния дестабилизирующих факторов на характеристики цифровой антенной решетки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Орешкин, Виталий Иванович

  • Орешкин, Виталий Иванович
  • кандидат технических науккандидат технических наук
  • 2009, МоскваМосква
  • Специальность ВАК РФ05.12.07
  • Количество страниц 169
Орешкин, Виталий Иванович. Оценка степени влияния дестабилизирующих факторов на характеристики цифровой антенной решетки: дис. кандидат технических наук: 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии. Москва. 2009. 169 с.

Оглавление диссертации кандидат технических наук Орешкин, Виталий Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ РАЗРАБОТОК В СФЕРЕ ЦИФРОВОГО ДИАГРАММООБРАЗОВАНИЯ.

1.1 Разработки в области связи.

1.2 Разработки в области радиолокации.

1.3 Структура канала ЦАР.

1.3.1 Разделение квадратур аналоговыми средствами.

1.3.2 Разделение квадратур цифровыми средствами.

1.4 Описание MUSIC-алгоритма.

1.5 Итоги первой главы.

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ АНАЛОГОВОЙ ЧАСТИ КАНАЛА ЦАР.

2.1 Влияние нелинейных элементов канала на работу ЦАР.

2.1.1 Описание модели усилителя как нелинейного устройства.

2.1.2 Исследование влияния нелинейности на MUSIC алгоритм.

2.2 Анализ влияния амплитудно-фазового разброса на работоспособность ЦАР

2.2.1 Исследование влияния амплитудно-фазового разброса на MUSIC алгоритм.

2.2.2 Исследование влияния амплитудно-фазового разброса на диаграммообразование.

2.3 Схема калибровки ЦАР.

2.4 Зависимость точности определения направления прихода сигнала от отношения сигнал/шум.

2.5 Итоги второй главы.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕСТАБИЛИЗИРУЮЩИХ ФАКТОРОВ ЦИФРОВОЙ ЧАСТИ КАНАЛА ЦАР.

3.1 Аналого-цифровые преобразователи.

3.1.1 Требования к частоте дискретизации ЦАР.

3.1.2 Требования к уровням квантования сигналов в ЦАР.

3.1.3 Погрешности аналого-цифрового преобразования.

3.2 Моделирование работы АЦП в прототипе ЦАР.

3.2.1 Нелинейности АЦП.

3.2.2 Зависимость производительности MUSIC алгоритма от характеристик АЦП.

3.2.3 Зависимость характеристик диаграммообразования от характеристик АЦП.

3.2.4 Исследование влияния характеристик квантования на подавление помех

3.3 Исследование вносимой ошибки при разделении квадратур.

3.4 Оценка требуемой производительности цифровых вычислителей.

3.5 Скорость передачи цифровых данных.

3.6 Итоги третьей главы.

ГЛАВА 4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЦИФРОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ.

4.1 Структуры алгоритмов численного моделирования.

4.1.1 Программная модель влияния дестабилизирующих факторов на характеристики обнаружения ЦАР.

4.1.2 Программная модель влияния дестабилизирующих факторов на возможности подавления помех в ЦАР.

4.1.3 Программная модель влияния дестабилизирующих факторов на алгоритм пространственной фильтрации.

4.1.4 Перспективы дальнейшего развития созданных моделей.

4.1.5 Разработка программного модуля диаграммообразования и помехозащиты.

4.2 Создание макетного образца 12-ти элементной ЦАР.

4.2.1 Проектирование излучателей и антенного полотна ЦАР.

4.2.2 Проектирование блока аналоговой обработки сигналов.

4.2.3 Проектирование цифрового блока обработки сигналов.

4.2.4 Проектирование преобразователя частот вверх.

4.2.5 Экспериментальные исследования разработанного макета.

4.3 Итоги четвертой главы.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», 05.12.07 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка степени влияния дестабилизирующих факторов на характеристики цифровой антенной решетки»

Современный мир уже трудно представить без повсеместно распространенных систем коммуникаций, которые произвели переворот во всех сферах человеческой жизни и позволили говорить о переходе человечества к стадии информационного общества. Подобный переход сопровождается качественно новыми требованиями к системам, обслуживающим человеческую деятельность. В первую очередь возникает необходимость наиболее скоростного развертывания и гибкого управления услугами, предоставляемыми оборудованием.

Кроме того, в свете столь бурного развития беспроводных систем связи и сетей передачи данных, возникает проблема увеличения емкости и помехозащищенности канала. Частотные диапазоны распределены, и использование частотного разделения каналов, с целью увеличения емкости, практически исчерпало свои возможности, поэтому становится очевидным необходимость исследования других подходов к решению этой задачи. Одним из таких подходов является применение пространственного разделения каналов. Если же говорить о помехозащищенности, то пространственное разделение с легкостью трансформируется в пространственную фильтрацию, и нежелательные радиосигналы фильтруются с использованием информации о пространственном расположении помех.

Всем вышеперечисленным требованиям в полной мере соответствуют системы беспроводной связи на базе антенных решеток с возможностью цифрового диаграммообразования (ЦДО), или так называемых интеллектуальных антенн (smart antennas).

История развития интеллектуальных антенн весьма продолжительна и интересна. Эволюция интеллектуальных антенн началась с фазированных антенных решеток (ФАР), в которых применяется относительная фазировка сигналов излучателей с целью управления диаграммой направленности (ДН) решетки. Появилась возможность: формировать (при очень разнообразных расположениях излучателей) необходимую ДН; изменять направление луча неподвижной ФАР и таким образом осуществлять быстрое, практически безынерционное, сканирование; управлять формой ДН - изменять ширину луча, интенсивность (уровни) боковых лепестков и т.п. Данные возможности ФАР, а также возможность применять для управления ФАР современные средства автоматики и вычислительной техники, обусловили их перспективность и широкое использование в радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии и т.д.

Следующей ступенью эволюции стало применение усилителей в каналах отдельных излучателей или группы излучателей. Таким образом, можно было избавиться от необходимости использования сверхмощного усилителя на входе ФАР, и такие решетки стали называть активными фазированными антенными решетками (АФАР). В то время как результат по усилению сигнала на выходе АФАР идентичен соответствующей ей ФАР, активные решетки намного более надежны, поскольку отказ любого активного элемента решетки лишь незначительно снижает производительность антенны, вместе с тем снимаются проблемы, связанные с необходимостью использования сверхмощного усилителя (как в ФАР), менее вероятен критический отказ системы при отказе единственного усилителя на входе решетки. К тому же способность управлять усилением индивидуальных приемно-передающих модулей в АФАР позволила еще шире использовать возможности формирования заданной ДН при помощи амплитудно-фазового распределения.

Логическим продолжением данного развития стало выделение из ФАР и АФАР некоего класса систем под названием адаптивные антенные решетки (ААР), которые позволяли динамически изменять ДН в соответствии с изменяющимися характеристиками сигнала и радиообстановки. Адаптивные АР предполагалось применять для пространственной адаптации к помеховой обстановке путем подавления активных помех, создавая нули диаграммы направленности антенны по необходимым направлениям. Однако подобные системы создавались на основе аналоговых СВЧ-технологий или гибридных технических решений, использующих сложные и малостабильные диаграммообразую-щие схемы (ДОС) ФАР с тысячами ферритовых или полупроводниковых фазовращателей и громадным числом делителей и сумматоров СВЧ-сигналов. Такие схемотехнические решения неизбежно приводили к прямым потерям энергии полезных сигналов в антенне, особенно при увеличении ее апертуры и числа формируемых лучей. Также стоит отметить, что потери и искажения, вносимые аналоговой ДОС, сказывались на точности измерений и эффективности помехозащиты.

Завершением столь продолжительного исторического пути развития, несомненно, станут радиотехнические системы будущего, созданные на основе адаптивных антенных решеток с более эффективными техническими и экономическими характеристиками. Такие системы должны иметь следующие преимущества:

• обладать как можно меньшими потерями в фидерных трактах решетки;

• иметь очень широкий спектр способностей по обработке сигналов;

• характеризоваться очень малыми фазовыми ошибками в процессе формирования диаграммы;

• иметь возможность автоматического определения направления прихода сигналов и/или помех;

• обладать небольшими массогабаритными размерами.

Именно такими системами являются интеллектуальные антенны с цифровым диаграммообразованием, они позволяют добиться всех перечисленных преимуществ. В дальнейшем, в данной работе, подобные системы будут называться цифровыми антенными решетками (ЦАР). Благодаря полностью цифровой обработке сигнала ЦАР в полной мере обладают всеми перечисленными возможностями.

Например, отказ от использования управляемых дискретных фазовращателей и переход к использованию в системе аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП), дает возможность осуществлять быстрое управление амплитудно-фазовым распределением (АФР) за счет внесения необходимых коэффициентов в оцифрованные сигналы. Кроме того, переход к схеме без фазовращателей позволит практически непрерывное (плавное) сканирование лучами решетки за счет ухода от дискретных положений управляемого фазовращателя. При этом возможности (ограниченные только постоянно растущей производительностью вычислительной техники) по цифровой обработке сигнала, позволяют ЦАР формировать одновременно несколько независимых лучей простым копированием оцифрованной информации, что недоступно в аналоговых адаптивных антенных решетках. Также стоит отметить возможности цифровых фильтрации, модуляции/демодуляции, кодировании/декодировании, маршрутизации информационных потоков [1].

Использование ЦАР в конкретной области должно отвечать требованиям и нуждам этой области. Так, для применения в радиолокационных системах основными улучшениями будет быстрая адаптация к характеристикам внешней среды в условиях противостояния системам подавления и наведения активных помех. Адаптация осуществляется путем "вырезания" направлений прихода активных помех из ДН ЦАР. Для применения ЦАР в области мобильной связи, основным плюсом является повышение максимальной пропускной способности канала за счет увеличения отношения сигнал/(шум + помеха) в нем, а также возможность повышения количества пользователей базовой станции работающих на одной частоте при использовании пространственного разделения, возможность которого обеспечивает ЦАР. Аналогично, подобное использование ЦАР может существенно повысить производительность и емкость беспроводных сетей передачи данных, получивших в последнее время широкое распространение.

Кроме того, немалым преимуществом является возможность легкой масштабируемости ЦАР. Например, отдельно взятая 4-хэлементная ЦАР может являться как самостоятельной антенной, так и составляющей частью большой решетки. Легкость подобного наращивания достигается за счет того, что каждая ЦАР имеет в своем составе цифровой вычислительный блок, а блоки соединяемых решеток можно подключить друг к другу по скоростному протоколу обмена данных. Безусловно, возможность наращивания имеется и в АФАР, но, благодаря оцифровыванию сигнала, ЦАР отличается гораздо большей универсальностью и гибкостью управления.

Таким образом, цифровые антенные решетки, позволяющие создавать многолучевые приемо-передающие структуры, гибкие в управлении своими режимами работы и хорошо адаптирующиеся в условиях различного рода помех и изменяющейся электромагнитной обстановки, являются новым научно-техническим направлением в радиоинформационной системотехнике, результаты развития которого создают основу для резкого, скачкообразного увеличения эффективности наземных и космических систем радиосвязи, радиолокации, радионавигации, радиоразведки и средств радиоэлектронной борьбы [2].

Несмотря на то что идеи адаптивных ЦАР и цифровой обработки сигналов известны давно, они не получили широкого распространения в России, в немалой степени, из-за стоимости проектирования подобных систем. Причем в себестоимость входят не только дорогостоящие комплектующие, но и большие затраты непосредственно на разработку, поскольку нет наработанных методик создания ЦАР. Каждая подобная разработка в настоящий момент представляет собой большую научную задачу, в процессе которой решается ряд специфических проблем. Так, например, современное развитие цифровых устройств не позволяет проводить аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразования с достаточной разрядностью для принимаемых/передаваемых сигналов на несущей частоте радиосигнала высоких частотных диапазонов (УВЧ, СВЧ, КВЧ, ГВЧ). Следовательно, в условиях ограниченных характеристик производительности АЦП/ЦАП, в создаваемых цифровых решетках будет бесспорно присутствовать этап аналоговой обработки сигналов. В состав устройств, входящих в аналоговую часть канала ЦАР, могут входить фильтры, усилители, конверторы частоты, демодуляторы и т.д. Все вышеперечисленные устройства, так или иначе, могут искажать сигнал, вносить шумы и паразитные гармоники, особенно это относится к нелинейным устройствам в составе канала, таким как смесители, усилители. Кроме того, необходимо учитывать невозможность получения полной идентичности аналоговых устройств, а, следовательно, характеристик аналоговой части канала, что, естественно, влечет за собой влияние подобного разброса на производительность системы в целом. Реализация некоторой системы калибровки возможна и в аналоговых адаптивных решетках, но точность подобной калибровки как минимум на порядок отличается от точности калибровки в цифровых системах.

Цифровая часть решетки также требует проведения подобных исследований с целью выявления необходимых характеристик комплектующих. Например, от разрядности АЦП помимо вносимого шума квантования напрямую зависит динамический диапазон (ДД) системы в целом. Согласно ГОСТ 24375-80, динамический диапазон радиоприемника - это "отношение уровня максимальной мощности входного сигнала в полосе пропускания радиоприемника к пороговой чувствительности радиоприемника" (с). По аналогии с этим определением далее в данной работе под динамическим диапазоном будет пониматься отношение максимальной и минимальной мощности сигналов корректно обрабатываемых системой. Кроме того, производительность вычислительного модуля и возможности обработки сигнала, благодаря различной архитектуре устройств, могут значительно различаться и поэтому требуют некой оценки на фоне огромного многообразия существующих и еще только разрабатываемых устройств.

В настоящее время при проектировании ЦАР разработчики, сталкиваясь с вышеозначенными проблемами, вынуждены проводить собственные исследования для выбора тех или иных комплектующих параметры которых могут негативно сказаться на производительности ЦАР. При этом иногда приходится использовать более дорогие комплектующие, у которых есть "запас" по производительности, чтобы защититься от неисследованных факторов. В связи с вышеизложенным, в данной работе ставится задача провести исследование влияния подобных дестабилизирующих факторов на характеристики ЦАР, что позволит сократить время и стоимость всех последующих разработок в этой области. Здесь и далее в данной работе под понятием «дестабилизирующие факторы» будут иметься в виду электрические параметры узлов и блоков и их изменения в процессе работы, вызывающие искажение сигналов и отклонение от идеального режима работы.

Таким образом, объектом диссертационного исследования являются цифровые антенные решетки, предметом диссертационного исследования являются дестабилизирующие факторы в цифровых антенных решетках.

Цель и задачи работы.

Целью настоящей работы является исследование влияния дестабилизирующих факторов и разработка научно-технических решений направленных на повышение эффективности проектирования цифровых антенных решеток. Проверка проведенных исследований на практике, а также выработка соответствующих рекомендаций по построению ЦАР.

В качестве критериев оценки влияния дестабилизирующих факторов выбраны такие параметры как величина подавления помех нулями диаграммы направленности и эффективность работы MUSIC-алгоритма определения направления прихода сигнала (MUSIC - Multiple Signal Classification; англ. -классификация множественных сигналов).

Поставленная цель достигается решением следующих основных задач: выявление особенностей и ограничений в применении тех или иных устройств, составляющих компоненты ЦАР; исследование влияния дестабилизирующих факторов аналоговой части ЦАР на диаграмму направленности решетки и производительность MUSIC алгоритма, при помощи математического моделирования; исследование влияния дестабилизирующих факторов цифровой части ЦАР на диаграмму решетки и производительность MUSIC алгоритма, при помощи математического моделирования оценка параметров узлов и блоков системы цифрового диаграммообразо-вания для достижения требуемых характеристик ЦАР; практическая реализация прототипа цифровой антенной решетки, состоящая из двух этапов: проектирование 4-элементного модуля ЦАР; проектирование модульной 12-ти элементной решетки; экспериментальное исследование характеристик построенного прототипа ЦАР.

Практическая апробация результатов проведенных исследований осуществлялось на базе созданного коллективом кафедры МРТУС МИЭТ экспериментального образца ЦАР при непосредственном участии автора. При проектировании образцов лично автором решались задачи по определению допустимых параметров комплектующих канала для достижения заданных характеристик ЦАР. В перечень этих задач входили следующие: определение допустимых характеристик нелинейности усилителя и смесителя; исследование влияния амплитудно-фазового разброса в каналах ЦАР на точность обнаружения и глубину подавления сигналов и помех; анализ необходимости реализации схемы калибровки амплитудно-фазового разброса; исследование искажений проявляющихся при разделении сигнала на квадратуры и анализ их влияния на характеристики ЦАР; исследование влияния параметров дискретизации и квантования сигнала на характеристики ЦАР; определение допустимых параметров АЦП использующихся в составе ЦАР для достижения заданных характеристик обнаружения и подавления;

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем: впервые проведены исследования зависимости динамического диапазона обнаруживаемых сигналов от параметров нелинейности узлов и блоков в цифровой антенной решетке, использующей MUSIC-алгоритм определения направления прихода сигналов; впервые проведены исследования точности обнаружения и величины ошибки определения направления прихода сигналов от величины амплитудно-фазового разброса в цифровой антенной решетке, использующей MUSIC-алгоритм; впервые получены оценки влияния параметров дискретизации и квантования на возможности обнаружения и глубину подавления сигналов и помех; впервые получены ограничения и выработаны рекомендации по применению аналого-цифровых преобразователей в составе цифровой антенной решетки; получены результаты практического применения разработанных методов оценки комплектующих канала на примере созданных экспериментальных образцов 4-х элементной и модульной многолучевой 12-ти элементной ЦАР диапазона 2,4 ГГц.

Практическая значимость работы заключается в возможности использования результатов проведенных исследований при проектировании цифровых антенных решеток. Созданное в процессе проведения исследований программное обеспечение позволяет оценить требования, предъявляемые к параметрам узлов и блоков канала для достижения заданных характеристик цифровой антенной решетки.

Апробация работы.

По теме диссертационной работы опубликовано 20 работ, в том числе 2 статьи в журналах перечня ВАК, патент на полезную модель и 5 научно-технических отчетов о выполнении НИОКР. Результаты диссертационной работы докладывались на 9 научно-технических конференциях.

Результаты диссертационной работы внедрены на предприятии ОАО "РТИ им. A.JI. Минца" при выполнении составной части ОКР "Разработка программных модулей диаграммообразования и помехозащиты", а также внедрены в учебный процесс Московского института электронной техники, что подтверждается соответствующими Актами о внедрении. Кроме того, основные результаты диссертации были использованы при выполнении ряда научно-исследовательских работ и вошли в состав научно-технических отчетов по данным НИР.

Создан экспериментальный образец модульной 12-ти элементной 10-тилучевой ЦАР, проектирование проводилось в соответствии с результатами проведенных исследований. На примере создания опытного образца прошли апробацию разработанные рекомендации по выбору комплектующих каналов цифровой антенной решетки.

Получен патент на полезную модель "Устройство множественного доступа с пространственным разделением пользователей" от 27 августа 2008 года №75898.

Результаты диссертационной работы использованы при создании спецкурса магистерской подготовки на кафедре МРТУС МИЭТ - "Адаптивные и цифровые антенные решетки", а также в рамках национального проекта «Образование» по данному курсу подготовлено к печати учебное пособие. Кроме того, результаты данной работы могут быть включены в качестве материала в учебный курс "Антенно-фидерные устройства".

На защиту выносятся следующие основные результаты работы;

1. Зависимость характеристик обнаружения сигналов и помех в цифровой антенной решетке от параметров нелинейности, используемых в канале узлов и блоков. Рекомендации по определению параметров нелинейных устройств в канале для достижения заданных характеристик обнаружения и подавления.

2. Оценка степени влияния амплитудно-фазового разброса на характеристики обнаружения и подавления помех в ЦАР.

3. Оценка влияния параметров аналого-цифрового преобразования сигналов на возможности обнаружения и подавления сигналов и помех.

4. Оценка ошибки обнаружения в результате неортогональности квадратур.

5. Результаты экспериментальной проверки полученных оценок, зависимостей и рекомендаций на примере построенного опытного образца цифровой антенной решетки.

Помимо введения, диссертация содержит четыре главы и заключение.

Первая глава данной работы посвящена исследованию состояния современной науки и техники в сфере построения цифровых антенных решеток. Приводятся примеры подобных разработок в различных странах мира, рассмотрены основные проблемы, возникающие при разработке и проектировании ЦАР. Сформулированы цели и задачи диссертации.

Во второй главе данной работы представлены исследования влияния различных дестабилизирующих факторов аналоговой части ЦАР на характеристики системы в целом. Исследуется влияние амплитудно-фазового разброса и влияние нелинейных устройств, рассмотрены способы нивелирования воздействия данных факторов.

В третьей главе рассматриваются требования к цифровой части ЦАР и влияние параметров отдельных цифровых устройств. Анализируются также вопросы производительности вычислительных блоков и возможности цифровой обработки сигналов с целью улучшения качества связи.

В заключительной четвертой главе данной работы представлены результаты работы по созданию систем с цифровым диаграммообразованием на базе разработанных 4-х и 12-ти элементных цифровых антенных решеток, сконструированных в результате научно-исследовательских работ на кафедре МРТУС.

Похожие диссертационные работы по специальности «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», 05.12.07 шифр ВАК

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Орешкин, Виталий Иванович

Заключение

Как уже отмечалось в свете бурного развития беспроводных систем связи и сетей передачи данных, возникает проблема увеличения емкости и помехозащищенности канала. Одним из подходов увеличения емкости систем связи является применение пространственного разделения каналов на базе цифровых антенных решеток. В то же время применение пространственной фильтрации позволит увеличить помехозащищенность радиосистем.

Широкие возможности по применению принципов пространственной фильтрации возможно на базе антенных решеток с возможностью цифрового диаграммообразования (ЦДО), или так называемых интеллектуальных антенн (smart antennas). Несмотря на относительно недавно появившуюся возможность реализации цифровых антенных решеток, вследствие бурного развития цифровых технологий, данная область представляет большой интерес и является весьма перспективным направлением. Вполне возможно в ближайшем будущем принципы цифровых антенных решеток и цифрового диаграммообразования могут стать широко используемой технологией. Однако на данном этапе проектирование цифровых антенных решеток является новой малоизученной научно-технической областью требующей проведения исследований для выяснения возможных ограничений применения.

В соответствии с поставленными задачами данная работа была посвящена исследованию влияния дестабилизирующих факторов существенно влияющих на работу цифровой антенной решетки и ее характеристики.

В процессе работы был решен ряд исследовательских задача и получены результаты оценки степени влияния дестабилизирующих факторов на возможности обнаружения и глубину подавления сигналов и помех на примере 10-ти лучевой 12-ти элементной цифровой антенной решетки.

В качестве основных методов решения научно-технических задач в диссертации были приняты методы численного моделирования, аналитические расчеты и анализ экспериментальных результатов измерения параметров созданного опытного образца ЦАР.

Ниже приведены основные результаты диссертационной работы: по результатам исследований степени влияния нелинейности устройств в канале на эффективность обнаружения сигналов в ЦАР, установлено, что появление интермодуляционных составляющих, превышающих шумовой порог, приводит к ошибкам обнаружения; предложен метод расчета требуемых характеристик комплектующих, исходя из заданного динамического диапазона; найдена качественная зависимость динамического диапазона системы от показателей нелинейности OIP3; установлено, что увеличение динамического диапазона системы требует полуторного увеличения параметра OIP3 нелинейных устройств в канале; проведено исследование влияния амплитудно-фазового разброса на характеристики обнаружения и получена оценка величины ошибки обнаружения и ошибки определения направления прихода в зависимости от величины амплитудно-фазового разброса; на примере 10-ти лучевой 12-ти элементной цифровой антенной решетки (обнаружение осуществляется при помощи MUSIC алгоритма) показано, что наличие амплитудно-фазового разброса величиной в 1 дБ по амплитуде и 10 градусов по фазе дает ошибку обнаружения 1% и ошибку определения направления 0,7 градусов; величина ошибки определения направления несущественна при определении сигнала и выставлении в данном направлении главного лепестка, однако значительно сказывается на глубине подавления помех; разработана программная модель позволяющая оценить характеристики обнаружения ЦАР с любым количеством элементов и сигналов в зависимости от заданных пределов разброса; разработана программная модель оценивающая зависимость характеристик подавления нежелательных сигналов от амплитудно-фазового разброса; на примере 12-ти элементной ЦАР представлены результаты моделирования упомянутой зависимости; описан способ комплексной оценки глубины подавления помех в ЦАР от амплитудно-фазового разброса, с учетом искажения диаграммы направленности и ошибок определения направления прихода при обнаружении сигналов; например, требование подавления помех -30 дБ в 12-ти элементной решетке ограничивает допустимый амплитудно-фазовый разброс до значений 0,2 дБ по амплитуде и 2 градуса по фазе; в силу существенного влияния амплитудно-фазового разброса на характеристики обнаружения и подавления сигналов и помех в ЦАР, были сделаны выводы о необходимости реализации в составе ЦАР схемы компенсации амплитудно-фазового разброса, поскольку на данный момент производители не в состоянии обеспечить необходимую идентичность входящих в канал устройств; предложена схема калибровки каналов с целью компенсации разброса; рассмотрен алгоритм реализации расчета поправочных коэффициентов; найденная в результате исследований зависимость ошибки определения направления прихода сигнала в зависимости от отношения сигнал/шум позволяет говорить о более глубоком подавлении сильных помех по сравнению со слабыми; зависимость носит экспоненциальный характер; построена программная модель влияния параметров дискретизации на эффективность обнаружения сигнала в ЦАР; рассмотрены вопросы влияния джиггера на характеристики системы; представлена зависимость вносимой амплитудной ошибки от джиггера: так для оцифровки сигнала с частотой дискретизации 100 МГц и разрядности квантования 10 бит величина джиттера не должна превышать 3-х пикосекунд; построена программная модель формирования диаграммы направленности решетки в зависимости от параметров АЦП; полученные результаты на примере 12-ти элементной решетки показывают, что для получения стабильного подавления не менее 30 дБ необходимо не менее 5 разрядов АЦП; проведено исследование величины вносимой ошибки вследствие нестабильности опорного генератора при разделении квадратур; установлено, что при показателях нестабильности современных кварцевых резонаторов ошибка квадратур вследствие нестабильности является несущественной и составляет миллионные доли градуса; вместе с тем исследовано влияние фазовой ошибки квадратур при использовании метода "прямого преобразования"; построена зависимость амплитудно-фазовой ошибки в зависимости от неортогональности квадратур; для фазовой ошибки квадратур 3 градуса ошибка комплексной амплитуды сигнала составляет ~ 2,6 %, фазовая ошибка сигнала составляет 1,5 градуса; данную ошибку можно рассматривать как неустранимый амплитудно-фазовый разброс в каналах; избежать этой ошибки можно, используя цифровое разделение квадратур, но это потребует применения более высокопроизводительных цифровых устройств в составе ЦАР. реализован опытный образец 10-ти лучевой 12-ти элементной ЦАР с возможностью поиска и пространственного разделения сигналов; создание прототипа с применением результатов проведенных исследований, можно рассматривать как экспериментальную проверку полученных оценок, зависимостей и рекомендаций; произведен ряд измерений созданного макета; полученные экспериментальные результаты с высокой точностью подтверждают результаты моделирования.

Таким образом, цели и задачи, сформулированные во введении к рассматриваемой диссертации, полностью достигнуты. Дальнейшие исследования, посвященные вопросам проектирования цифровых антенных решеток, создания и практической реализации новых алгоритмов адаптации и обнаружения сигналов, а также дальнейшее развитие новейшей элементной базы, возможно, позволит в скором времени сделать значительный шаг вперед в разработке ЦАР и дальнейшем ее применении.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Орешкин, Виталий Иванович, 2009 год

1. Слюсар В. Цифровое формирование луча в системах связи: будущее рождается сегодня. - ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 2001, № 1, с. 6-12.

2. Активные фазированные антенные решетки / под ред. Д.И. Воскресенского, А.И. Канащенкова, М.: Радиотехника, 2004.

3. Кузьмин С.З. Цифровая радиолокация. Киев: Изд-во "КВЦ", 2000.

4. Корнеева Т. М. Фазированные антенные решетки. ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 1998, № 5-6, с. 37^0.

5. Слюсар В.И. Ультразвуковая техника на пороге третьего тысячелетия. -ЭЛЕКТРОНИКА: НТБ, 1999, № 5, с. 50-53.

6. Слюсар В.И., Заблоцкий М.А. Цифровые антенные решетки в зарубежных системах мобильной связи. Зв'язок, 1999, № 1.

7. Слюсар В.И. Цифровое диаграммообразование — базовая технология перспективных систем связи. Радиоаматор, 1999, № 8.

8. J. Mitola III, Editor, Special Issue on Software Radio, IEEE Comm Magazine, May 1995.

9. Liberti J.C., Rappaport T.S. Smart antennas for wireless communications. -Prentice Hall PTR, NJ, USA

10. Слюсар В.И. Быстродействующие АЦП: достижения и перспективы. -Известия Вузов. Сер. Радиоэлектроника, 2000, т. 43, № 3.

11. Quasi-GEO Satellite Communication System. Mitsubishi Electric Technology Showcase, 1999, № 1, http://www.mitsubishi.com/ghpjapan/.

12. Flugel, F., and TSUNAMI I partners, "The DECT Testbed", Notes at TSUNAMI Testbed Demonstration Seminar, Aalborg University, Denmark, Janury 1996

13. Schmidt, R.O, "Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation," IEEE Trans. Antennas Propagation, Vol. AP-34 (March 1986), pp.276-280.

14. Stoica, P., and R.L. Moses, Introduction to Spectral Analysis, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1997.

15. Peter Kenington, Philip Brown. SUNBEAM. RF Architectures and Components for Software Radio Adaptive Antenna Base-Stations. WSIL. Doc. AC347/WSI/A62/DS/P/008/b 1, 14 December 1998. - http://www.proj ect-sunbeam.org.

16. Minseok Kim, Division of Electrical And Computer Engineering, Yokohama National University, Japan (магистерская диссертация) — "A Study of Implementation of Digital Signal Processing for Adaptive Array Antenna."

17. ADAMO. Project Owerview. http://www.tcc.thomson-csf. com/ouract/tech/antenna/.

18. ETSI HIPERLAN/1 standard technical data. http://www.etsi.org/technicalactiv/hiperlanl.htm.

19. Harmonised radio frequency bands for high performance radio local area networks (HIPERLANS) in the 5 GHz and 17 GHz frequency range. -http://www.ero.dk/doc98/Official/HTML/TR2206E.htm.26. www.etsi.org

20. Alexander Kuchar. Project SFIR: Real&Time Smart Antenna Processing for GSM/DCS1800. http://www.nt.tuwien.ac.at/mobile/proects/SFIR

21. James N. Martin, Nicholas J. Colella. HALOTM Network. The Cone of CommerceTM. http://www.broadband.com/.

22. Зайцев А. Стратостаты в сети. Компьютерра, 1997, № 30.

23. Слюсар В. И. Цифровые антенные решетки: будущее радиолокации. // Электроника: НТВ. — 2001. — № 3. — С. 42-46.

24. J. Mitola III, Editor, Special Issue on Software Radio, IEEE Comm Magazine, May 1995.

25. NavWar the New Electronic Warfare. Division of Command and Control Warfare Technology Annual Report 1998. - FOA-R-99-01089-503,504,616 - SE. -April, 1999.

26. SMART-L. 3D Long Range Surveillance Radar Hollandse Signaalapparaten B.V., 1997. Рекламный проспект.34. http://www.signaal.nl/signaal/35. http://www.ausmarinetech.com.au/anzacwip.htm/

27. International Defense Review, 1993, № 12.37. http://www.stg.srs.com/Directorates/ADBF%20slides/indexadbf.htm

28. Wang Jiliang, Duan Fengzeng. Application of Maximum Entropy in Angular Superresolution of OTH Radar. SEE 15, 10, Oct. 93, p. 21-30.

29. Zhao Shuqing, Liu Yongtan and Duan Fengzeng. Digital Beamforming in the OTH Radar. ICSP90: Beijing 1990, p. 655-656.

30. Zhou Wenyu, Mao Xu. Bistatic FMCW OTHB Experimental Radar.- ICR-91 CIE, 1991,p. 138-142.45. http://www.dreo.dnd.ca/pages/factsheet/sr/sr0006e.html46. http://www.iftn.liu.se/Elecdev/RadarOnChip/

31. Malachy Devlin, Ph.D., Chief Technology Officer, Nallatech, "How to Make Smart Antenna."

32. Dylevskii A. V., "A Technique for Multiple Signal Differentiation" "Computational Mathematics and Modeling", ISSN 1046-283X (Print) 1573-837X (Online), 2004, p. 353-358

33. A. Montesano, F. Monjas, A. Solana, Q. Garcia, E. Quintas , N. Merce, Con-strucciones Aeronauticas S.A. "TRANSMIT-RECEIVE MULTIBEAM ACTIVE ADAPTIVE ARRAY ANTENNA FOR SATELLITE COMMUNICATIONS."

34. Edward Magill, AIL Systems Inc., N.Y. 11729-4591 (USA), "Digital beam-forming phased array transmit antenna."

35. Couch L.W., "Digital and analog communication systems", Second edition, Maxmillan publishing Co., NY,1983.

36. Gabriel W.F. Spectral analysis and adaptive array superresolution technique. "Proc. IEEE", 1980, Vol.68, No.6, p.654 667.

37. Johnson D.H., Miner G.E. Comparison of superresolution algorithms for radio direction finding. "IEEE Trans. Aerospace and Electron. Syst.", 1986, Vol.22, No.4, p.432-441.

38. Nickel U. Angular superresolution with phased array radar: a review of algorithms and operational constraints. "IEE Proc.", Pt.F, 1987, Vol.134, No.l, p.53 59.

39. Ратынский M.B. Адаптация и сверхразрешение в антенных решетках. М.: Радио и связь, 2003, (200с.).

40. Чиркунова Ж.В. Исследование вопросов применения корреляционной обработки для определения направления прихода сигналов // 49-ая научная конференция МФТИ. Сборник трудов конференции: М., МФТИ, 2006. - 4.8 -С.71-72.

41. Лялин К.С., Орешкин В.И., Чиркунова Ж.В., Исследование алгоритма множественного доступа с пространственным разделением каналов в системе с цифровой антенной решеткой // Изв. ВУЗов, "Электроника", №6, М., 2008г. -С.52-57.

42. Чиркунова Ж.В. Пространственная обработка сигналов в цифровых антенных решетках. Диссертация на соискание степени кандидата технических наук. Москва, МИЭТ, 2009

43. Ghorbani, A. and М. Sheikhan, "The Effect of Solid State Power Amplifiers (SSPAs) Nonlinearities on MPSK and M-QAM Signal Transmission," Sixth Int'l Conference on Digital Processing of Signals in Comm., 1991, pp. 193-197.

44. Rapp, C., "Effects of HPA-Nonlinearity on a 4-DPSK/OFDM-Signal for a Digital Sound Broadcasting System," in Proceedings of the Second European Conference on Satellite Communications, Liege, Belgium, Oct. 22-24, 1991, pp. 179-184.

45. Saleh, A.A.M., "Frequency-independent and frequency-dependent nonlinear models of TWT amplifiers," IEEE Trans. Communications, vol. COM-29, pp.17151720, November 1981.

46. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2003, 1104 с.

47. Вольфганг Райе. Устройство и принципы действия аналого-цифровых преобразователей различных типов WBC GmbH Журнал «Компоненты и технологии» № 3 2005

48. Kester W. Analog Digital Conversion. Analog Devices, Inc., 2004.

49. Джулиан Данн, Audio Precision, http://www.ixbt.com/proaudio/jitter-theory-part3.shtml72. http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/maxim/MAX9310.pdf73. http://www.analog.com/static/imported-files/datasheets/AD9201 .pdf

50. Забеньков И.И., Исакович H.H., Жданов C.JI., Еньков Д.А., Забеньков А.И. "ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ ПРИЕМНЫХ УСТРОЙСТВ", Док лады БГУИР № 1, январь-март 2006

51. Чиркунова Ж.В. Пространственная селекция помехи в ЦАР // 12-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и Информатика 2005": Тез. докл. - М., МИЭТ, 2005.-С.331.

52. Захаров А.В., Хачумов В.М. Алгоритмы CORDIC. Современное состояние и перспективы. Переславль-Залесский, 2004, с. 353 372.

53. Andraka R. A survey of Cordic algorithms for FPGA based computers //ACM/SIGDA 6th International Symposium on FPGAs, 1998, c. 1981-2000.

54. Antelo E., Bruguera J. D., Lang Т., Zapata E. L. Error analysis and reduction for angle calculation using the Cordic algorithm: Internal Report Dept. of Electrical and Сотр. Eng., UCI, 1996.

55. Antelo E., Bruguera J. D., Zapata E. L. Unified mixed radix 2-4 redundant Cordic rocessor IEEE Transactions on Computers. — T. 45, no.9, 1996, c. 1068-1073.

56. Antelo E., Bruguera J.D., Lang Т., Villalba J., Zapata E. L. High perfomance rotation architectures based on the radix-4 Cordic algorithm IEEE Transactions on Computers. — T. 46, no.8, 1997, c. 855-870.

57. Antelo E., Bruguera J. D., Villalba J., Zapata E.L. Redundant Cordic rotator based on parallel prediction // 12th Symposium on Computer Arithmetic, 1995, c. 172-179.

58. Лялин К.С., Орешкин В.И., Чиркунова Ж.В. Особенности проектирования цифровых антенных решеток // Изв. ВУЗов, "Электроника", №4, М., 2008г. -С.36-41.

59. Лялин К.С., Орешкин В.И. Вопросы построения цифровых антенных решеток // Системный анализ и информационно-управляющие системы: Сборник научных трудов МИЭТ под редакцией д.т.н., профессора В.А. Бархоткина -М.: МИЭТ, 2006 г. С.79-87.

60. Орешкин В.И. Исследование вопросов цифрового диаграммообразова-ния // 12-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Микроэлектроника и Информатика 2005": Тез. докл. -М., МИЭТ, 2005. - С.320.

61. Орешкин В.И. Исследование вопросов пространственного подавления помехи // 49-ая научная конференция МФТИ. Сборник трудов конференции: -М., МФТИ, 2006. 4.8 - С.70.

62. Орешкин В.И. Исследование вопросов построения цифровых антенных решеток // 13-я международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика 2007": - М., МЭИ, 2007. - С.97-99.

63. Орешкин В.И. Исследование возможности реализации аппаратно-программного комплекса (АПК) сбора телеметрической информации // 50-ая научная конференция МФТИ "Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук": М.-Долгопрудный, 2007. - С.35-36.

64. Чистюхин В.В., Сизов В.И., Лялин К.С., Орешкин В.И., Чиркунова Ж.В., Викторов Ю.С. Исследование проблем построения и реализации скрытных беспроводных локальных сетей // Отчет о НИР, госрегистрация № 01200315253, М., МИЭТ, 2005. 224 с.

65. Чистюхин В.В., Лялин К.С., Орешкин В.И., Бахвалова С.А., Чиркунова Ж.В., Меркулов С.С. Исследование возможности создания комплекса адаптивного приёма радиосигналов (КАП) // Отчет о НИР, госрегистрация № У88871,М., МИЭТ, 2007. 49 с.

66. Чистюхин В.В., Лялин К.С., Орешкин В.И., Чиркунова Ж.В., Меркулов С.С. Исследование принципов построения цифровых антенных решеток для систем передачи данных с множественным доступом // Отчет о НИР, госрегистрация № 01200511441, М., МИЭТ, 2007. 95 с.

67. Dennis, J. Е. Jr., "Nonlinear Least-Squares," State of the Art in Numerical Analysis, ed. D. Jacobs, Academic Press, pp. 269-312.

68. Могё, J. J., "The Levenberg-Marquardt Algorithm: Implementation and Theory," Numerical Analysis, ed. G. A. Watson, Lecture Notes in Mathematics 630, Springer Verlag, pp. 105-116, 1977.

69. William H. Press, Saul A. Teukolsky, William T. Vetterling, Brian P. Flannery, "Numerical Recipes in C", The Art of Scientific Computing, Second Edition, ISBN 0-521-43108-5, NY, 1992-1997

70. Ronald Schoenberg, Aptech Systems, Inc.,"Optimization with the Quasi-Newton Method", September 5, 2001

71. Philip Rabinowitz, "Numerical metods for nonlinear algebraic", Weizmann Institute of science, Rehovat, Izrael

72. Демидович В.П.,"Численные методы анализа", 1967

73. Дикарев В. А. и др. Вычислительные методы в задачах радиоэлектроники: Учебное пособие, Киев, Издательство Выща школа, 1989

74. Анго Андре. Математика для электроинженеров и радиоинженеров. Издательство Наука, 1964

75. Беллман Р., Энджел Э. Динамическое программирование и уравнения в частных производных. Москва, Издательство Мир, 1974

76. Белов А. В. Самоучитель по микропроцессорной технике. — Санкт-Петербург, Издательство Наука и Техника, 2003.

77. Джон Г. Мэтьюз, Куртис Д. Финк, "Numerical Methods: Using MATLAB", Third Edition, Изд-во "Вильяме", ISBN 5-8459-0162-6, 0-13-270042-5; стр. 720,2001.

78. Чистюхин B.B., Лялин К.С., Чиркунова Ж.В., Орешкин В.И. Разработка программного модуля диаграммообразования и помехозащиты // Отчет о СЧ ОКР, госрегистрация У90473, М., МИЭТ, 2008. 108 с.

79. Пакет программной документации 643.АЕСН.00021, МИЭТ, 2008.

80. Результаты диссертационной работы отражены в научно-техническом отчете о СЧ ОКР с описанием возможностей программных средств анализа крупноапертурных ЦИФАР.

81. Разработанное программное оберя'ёч'ение >жет применяться при проектировании крупноапертурных ЦИФАР.1. Председатель комиссии:1. Члены комиссии:епляков И.М. Кашаев Ы.К. Шевченко Р.А.1. УТВЕРЖДАЮ»

82. Акт о внедрении в учебный процесс результатов диссертационной работы Орешкин Виталия Ивановича на тему «Оценка степени влияния дестабилизирующих факторов на характеристики цифровой антенной решетки»

83. Заведующий кафедрой Микроэлектропных радиотехнических устройств и систем к.т.н, доцент В.В. Чистюх

Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.