RU2775644C1 - Method for complexing signals of elements of a phased antenna array into a general analogue-digital conversion trail - Google Patents
Method for complexing signals of elements of a phased antenna array into a general analogue-digital conversion trail Download PDFInfo
- Publication number
- RU2775644C1 RU2775644C1 RU2021131718A RU2021131718A RU2775644C1 RU 2775644 C1 RU2775644 C1 RU 2775644C1 RU 2021131718 A RU2021131718 A RU 2021131718A RU 2021131718 A RU2021131718 A RU 2021131718A RU 2775644 C1 RU2775644 C1 RU 2775644C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- signals
- signal
- antenna array
- elements
- digital conversion
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано в системах связи, радиолокации и навигации для улучшения энергетических, массогабаритных и стоимостных характеристик фазированных антенных решеток с цифровым формированием диаграммы направленности.The invention relates to the field of radio engineering and can be used in communication, radar and navigation systems to improve the energy, weight, size and cost characteristics of phased antenna arrays with digital beamforming.
Повышение помехозащищенности и точности радиолокационных станций и спутниковой навигационной аппаратуры потребителей, а также пропускной способности радиотехнических систем связи, достигается применением антенных терминалов на базе фазированных антенных решеток (ФАР). Широкое применение нашли ФАР с цифровым формированием диаграммы направленности, которые позволяют одновременно создать и независимо управлять несколькими основными лепестками диаграммы направленности. Известным недостатком подобных систем является необходимость использования N трактов аналого-цифрового преобразования (АЦП) в приемниках с ФАР, а также N трактов преобразования частоты и усиления сигнала, где N - число элементов полотна ФАР, см., например, [1] - Цифровые антенные решетки и скоростные аналого-цифровые преобразователи / Е.М. Добычина, Ю.В. Кольцов // М: МАИ, 2012. - с. 168.Improving the noise immunity and accuracy of radar stations and satellite navigation equipment of consumers, as well as the throughput of radio communication systems, is achieved by using antenna terminals based on phased antenna arrays (PAR). Widespread use has been made of digital beamforming HEADLIGHTS, which allow you to simultaneously create and independently control several main lobes of the radiation pattern. A well-known disadvantage of such systems is the need to use N paths of analog-to-digital conversion (ADC) in receivers with phased array, as well as N paths for frequency conversion and signal amplification, where N is the number of elements of the phased array web, see, for example, [1] - Digital antenna gratings and high-speed analog-to-digital converters / E.M. Dobychin, Yu.V. Koltsov // M: MAI, 2012. - p. 168.
Это обстоятельство существенно увеличивает энергопотребление и стоимость антенной решетки и обуславливает актуальность задачи сокращения числа электронных компонентов, используемых в антенне. Одним из способов решения задачи является уплотнение L сигналов элементарных излучателей ФАР в один тракт аналого-цифрового преобразования с последующим выделением L исходных сигналов.This circumstance significantly increases the power consumption and cost of the antenna array and makes the task of reducing the number of electronic components used in the antenna topical. One of the ways to solve the problem is to compress L signals of elementary PAR emitters into one analog-to-digital conversion path with subsequent extraction of L initial signals.
Среди сигналов, используемых в радионавигационных системах, распространены сигналы с прямым расширением спектра путем модулирования несущей шумоподобными сигналами ([2] - ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. Изд. 4-е, перераб. и доп. // М: Радиотехника, 2010. 800 с.).Among the signals used in radio navigation systems, signals with direct spread of the spectrum by modulating the carrier with noise-like signals are common ([2] - GLONASS. Principles of construction and operation / Edited by A.I. Perov, V.N. Kharisov. Ed. 4- e, revised and additional // M: Radiotekhnika, 2010. 800 p.).
Известен способ приема радионавигационных сигналов с использованием ФАР без уплотнения сигналов в тракте АЦП ([3] - Цифровые антенные решетки в мобильной спутниковой связи / В.И. Слюсар // Первая миля, 2008. No 4 - с. 10-15). В схеме, реализующей указанный способ и изображенной на Фиг. 1, электромагнитная волна падает на приемные элементы 11…4 антенной решетки. На их выходе формируют высокочастотные сигналы, которые подают на устройства преобразования частоты 21…4, в которых осуществляют частотную селекцию, усиление сигналов, перенос спектров сигналов на промежуточную частоту (ПЧ). Сигналы на ПЧ подают на вход аналого-цифровых преобразователей 31…4, с выхода которых цифровые отсчеты сигналов ПЧ подают на фазовращатели 41…4 и сумматор 5 из состава диаграммообразующей системы 6. Сигнал диаграммообразующей системы 6 подают на вход блока корреляционной обработки 7, подключенного к входу смесителя 8, на второй вход которого подают цифровые отсчеты сигнала промежуточной частоты с генератора ПЧ 9. При соответствующем выборе начальной фазы и частоты генератора ПЧ 9 на выходе смесителя 8 формируются отсчеты смеси периодической псевдослучайной последовательности (ПСП) импульсов положительной и отрицательной полярности («чипов») A(tk) и шума n(ta), где tk - дискретное время, которые подают на вход коррелятора 10. На второй вход коррелятора 10 с выхода генератора ПСП 11 подают локальную реплику ПСП А(tk-τ), задержанную относительно входного сигнала на неизвестную величину τ. На выходе коррелятора 10 формируются результаты накопленийA known method of receiving radio navigation signals using HEADLIGHTS without signal compression in the ADC path ([3] - Digital antenna arrays in mobile satellite communications / V.I. Slyusar // First Mile, 2008. No 4 - p. 10-15). In the circuit that implements this method and is shown in Fig. 1, an electromagnetic wave is incident on the receiving elements 1 1 ... 4 of the antenna array. High-frequency signals are formed at their output, which are fed to
которые используют в цепи слежения за задержкой 12 для определения времени t0 - момента прихода сигнала на вход приемника. Количество отсчетов K в корреляторе 10 выбирают таким, чтобы одновременно обработать целое число S периодов ПСП:which are used in the tracking circuit for the
tK-t0=S⋅M⋅Tч,t K -t 0 \u003d S⋅M⋅T h ,
где М - число чипов в одном периоде ПСП,where M is the number of chips in one PSS period,
Тч - длительность чипа,T h - chip duration,
М⋅Тч - длина одного периода ПСП.M⋅T h is the length of one period of the PSP.
Известен способ уплотнения сигналов L антенных элементов в один АЦП приемника (см. патент [4] - KR 101327163 (B1), Н04В 7/04, H04J 11/00, опубл. 06.11.2013.). В схеме, реализующей указанный способ и изображенной на Фиг. 2 уплотнение сигналов в один тракт АЦП приемника осуществляется последовательным подключением с помощью коммутатора 13 входа АЦП 3 к выходам L устройств преобразования частоты 21…4 (на Фиг. 2 L=4). Недостатком способа является необходимость применения АЦП с временем преобразования в L раз меньше, чем в схеме, описанной ранее для приемника (Фиг. 1). Это существенно ужесточает требования к частоте дискретизации и полосе пропускания АЦП, предельная реализуемая величина которой ограничивает достижимую величину L.A known method of multiplexing the signals of L antenna elements into one ADC receiver (see patent [4] - KR 101327163 (B1),
Способ, выбранный в качестве прототипа как наиболее близкий по совокупности признаков к изобретению, описан в патенте [5] - US 9966989 (В2), Н04В 1/707, Н04В 7/06, Н04В 7/08, H04J 13/00, H04J 13/10, опубл. 08.05.2018. Работа устройства, реализующего данный способ на примере восьмиэлементной антенной решетки, поясняется с помощью функциональной схемы, приведенной на Фиг. 3. Известный способ-прототип заключается в следующем. Выходные сигналы приемных элементов 11…8 антенной решетки поступают на вход модуляторов 141…8, где подвергаются фазовой манипуляции М-последовательностями той же структуры, что и принимаемый сигнал, но задержанными по времени относительно принимаемого сигнала на несколько «чипов», которые подают на вторые входы модуляторов 141…8 с генераторов ПСП 11…8. Сигналы с выходов модуляторов 141…8 оказываются М-последовательностями той же структуры, но дополнительно смещенными во времени друг относительно друга на величины, кратные длительности чипа ПСП, т.е. существенно больше, чем до модуляции. Манипулированные таким образом сигналы антенных элементов оказываются квазиортогональны друг другу. Данные сигналы с помощью сумматора 5 объединяют в композитный сигнал, который подают на вход общего устройства преобразования частоты 2, с выхода которого сигнал ПЧ подают на АЦП 3. Затем осуществляют корреляционную обработку оцифрованного композитного сигнала блоками корреляционной обработки 71…8 с целью разделить сигналы, разделенные сигналы поступают на вход диаграммообразующей системы 6 для формирования требуемой диаграммы направленности ФАР.The method selected as a prototype as the closest in terms of the totality of features to the invention is described in the patent [5] - US 9966989 (B2), H04B 1/707,
Недостатками способа-прототипа являются:The disadvantages of the prototype method are:
- невозможность одновременного приема двух и более сигналов с различной структурой, т.к. для одного из сигналов будет нарушено требование совпадения структуры М-последовательности принимаемого сигнала и сигналов генераторов ПСП 111…8.- the impossibility of simultaneous reception of two or more signals with different structures; for one of the signals, the requirement that the structure of the M-sequence of the received signal and the signals of the
- необходимость модулировать сигналы антенных элементов импульсами, следующими с частотой модуляции принимаемого сигнала. В случае широкополосных систем, длительность одного символа (чипа) Тч модулирующей последовательности принимаемого сигнала может составлять величину 1-10 нс, что существенно усложняет аппаратную реализацию предложенного способа.- the need to modulate the signals of the antenna elements with pulses following the modulation frequency of the received signal. In the case of broadband systems, the duration of one symbol (chip) T h of the modulating sequence of the received signal can be 1-10 ns, which significantly complicates the hardware implementation of the proposed method.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является снижение относительно прототипа требований к быстродействию модуляторов в фазированной антенной решетке с цифровым формированием диаграммы направленности и обеспечение возможности одновременного приема на одну ФАР нескольких различных сигналов.The technical result to which the invention is directed is to reduce the requirements for the speed of modulators in a phased antenna array with digital beamforming relative to the prototype and to provide the possibility of simultaneous reception of several different signals on one headlight.
Сущность изобретения заключается в следующем. В способе уплотнения сигналов элементов ФАР в общий тракт аналого-цифрового преобразования до формирования композитного сигнала осуществляют фазовую манипуляцию выходных сигналов si(f) антенных элементов ФАР (i∈[1; L], L - число АЭ), в отличие от прототипа, индивидуальными бинарными последовательностями Pi(t) импульсов напряжений положительной и отрицательной полярности одинаковой амплитуды, ортогональными на интервале накопления сигнала в корреляторах, а для выделения сигнала sj(t) (j∈[1; L]) выполняют умножение цифрового композитного сигнала на те же индивидуальные последовательности Pj(t) с последующей корреляционной обработкой, при этом технический результат достигается тем, что допускается несовпадение структуры манипулирующей последовательности со структурой принимаемого сигнала и снижение частоты следования символов в манипулирующей последовательности относительно принимаемого сигнала.The essence of the invention is as follows. In the method of compressing the signals of the HEADLIGHTS elements into a common path of analog-to-digital conversion, before the formation of a composite signal, phase manipulation of the output signals s i (f) of the HEADLIGHTS antenna elements (i∈[1; L], L is the number of AEs) is carried out, unlike the prototype, individual binary sequences P i (t) of voltage pulses of positive and negative polarity of the same amplitude, orthogonal in the interval of signal accumulation in correlators, and to extract the signal s j (t) (j∈[1; L]), the digital composite signal is multiplied by those the same individual sequences P j (t) with subsequent correlation processing, while the technical result is achieved by allowing a mismatch between the structure of the manipulating sequence and the structure of the received signal and reducing the symbol rate in the manipulating sequence relative to the received signal.
Краткое описание чертежей.Brief description of the drawings.
На Фиг. 1 приведена типовая функциональная схема устройства, реализующего прием радионавигационного сигнала на базе ФАР без уплотнения сигналов.On FIG. 1 shows a typical functional diagram of a device that implements the reception of a radio navigation signal based on the phased array without signal compression.
На Фиг. 2 приведена типовая функциональная схема устройства, реализующего известный способ приема радионавигационного сигнала с уплотнением сигналов элементов ФАР в общий тракт аналого-цифрового преобразования.On FIG. 2 shows a typical functional diagram of a device that implements a known method for receiving a radio navigation signal with multiplexing the signals of the HEADLIGHTS elements into a common analog-to-digital conversion path.
На Фиг. 3 приведена функциональная схема устройства, реализующего известный способ-прототип на примере восьмиэлементной антенной решетки.On FIG. 3 shows a functional diagram of a device that implements the known prototype method using an eight-element antenna array as an example.
На Фиг. 4 приведена функциональная схема устройства, реализующего заявляемый способ уплотнения сигналов элементов фазированной антенной решетки в общий тракт аналого-цифрового преобразования на примере восьмиэлементной антенной решетки.On FIG. 4 shows a functional diagram of a device that implements the claimed method of compressing the signals of phased antenna array elements into a common analog-to-digital conversion path using an eight-element antenna array as an example.
Подробное описание изобретения и его осуществимость иллюстрируются приведенной на Фиг. 4 функциональной схемой устройства, реализующего заявляемый способ в одном из возможных вариантов выполнения на примере восьмиэлементной антенной решетки.A detailed description of the invention and its feasibility are illustrated in FIG. 4 is a functional diagram of a device that implements the proposed method in one of the possible embodiments using an eight-element antenna array as an example.
Падающую на ФАР электромагнитную волну с помощью элементов антенной решетки 11…8 преобразуют в высокочастотные электрические сигналы, которые затем в модуляторах 141…8 манипулируют последовательностями P1(t)…P8(t) импульсов напряжений положительной и отрицательной полярности одинаковой амплитуды, сформированными с помощью генераторов ПСП 111…8, причем длительность одного импульса в последовательности может быть больше длительности чипа ПСП Тч. Последовательности Pi(t) выбирают по критерию ортогональности на интервале накопления ТК в корреляторе 10:The electromagnetic wave incident on the HEADLIGHT with the help of antenna array elements 1 1 ... 8 is converted into high-frequency electrical signals, which are then manipulated in
Манипулированные высокочастотные сигналы с помощью сумматора 5 объединяют в композитный сигнал, который усиливают и переносят на удобную промежуточную частоту, используя преобразователь частоты 2, и оцифровывают в АЦП 3. Из оцифрованного композитного сигнала на промежуточной частоте восстанавливают сигналы элементов антенной решетки, перенесенные на промежуточную частоту, путем манипуляции копий композитного сигнала с помощью модуляторов 149…16 импульсными последовательностями P1(t)…P8(t), сформированными с использованием генераторов ПСП 119…16. Восстановленные сигналы подают на соответствующие входы диаграммообразующей системы 6 для формирования требуемой диаграммы направленности ФАР. Восстановленные сигналы содержат побочные продукты уплотнения сигналов в общий аналого-цифровой тракт. Для подавления нежелательных составляющих и выделения сигнала из шума осуществляют корреляционную обработку сигнала диаграммообразующей системы 6 блоком корреляционной обработки 7.The manipulated high-frequency signals are combined into a composite
Проследим прохождение сигналов с антенных элементов через устройство на Фиг. 4. Пусть принимаемый i-м антенным элементом сигнал имеет видLet us trace the passage of signals from the antenna elements through the device in Fig. 4. Let the signal received by the i-th antenna element have the form
где A(t) - модулирующий сигнал с бинарной фазовой манипуляцией,where A(t) is a modulating signal with binary phase shift keying,
ωРЧ - круговая частота несущей радиосигнала,ω RF - circular frequency of the radio signal carrier,
ti - задержка сигнала на выходе i-го антенного элемента относительно первого антенного элемента, t1=0.t i - signal delay at the output of the i-th antenna element relative to the first antenna element, t 1 =0.
Полагая, что полотно ФАР достаточно компактно (настолько, что ti<<Тч для i=1…L) можно записать приближенное соотношениеAssuming that the PAR canvas is sufficiently compact (so that t i <<Т h for i=1…L), we can write an approximate relation
Интервал накопления ТК коррелятора выбирают равным или кратным периоду повторения огибающей радиосигнала:The accumulation interval T K of the correlator is chosen equal to or a multiple of the repetition period of the radio signal envelope:
а сама огибающая является произвольной М-последовательностью.and the envelope itself is an arbitrary M-sequence.
Сигналы генераторов ПСП 111…8 представляют собой набор ортогональных на интервале ТК последовательностей Pi(t) импульсов одинаковой амплитуды положительной и отрицательной полярностей (например, функции Уолша или М-последовательности), причем, в отличие от прототипа, длительности «чипов» последовательностей Pi(t) много больше длительности чипа последовательности A(t). В таком случае композитный сигнал SРЧ(t) на выходе сумматора 5 имеет видThe signals of the
Благодаря тому, что длительности «чипов» последовательностей Pi(t) много больше длительности чипа последовательности A(t), ширина спектра композитного сигнала равна ширине спектра исходного радиосигнала. Аналогично композитный сигнал промежуточной частоты на выходе АЦП 3 с точностью до множителя имеет видDue to the fact that the duration of the “chips” of the sequences P i (t) is much greater than the duration of the sequence chip A(t), the spectrum width of the composite signal is equal to the spectrum width of the original radio signal. Similarly, the composite signal of the intermediate frequency at the output of
Сигналы sПЧj(t) на выходе модуляторов 149…16 имеют видThe signals s IFj (t) at the output of
В диаграммообразующей системе 6 каждый сигнал умножается на весовой коэффициент Bj,, несущая задерживается на величину tj=-ti, а затем все сигналы суммируются:In
Первое слагаемое является полезным выходным сигналом диаграммообразующей системы 6, второе слагаемое - побочный продукт уплотнения сигналов в общий аналого-цифровой тракт. Сигнал с выхода диаграммообразующей системы 6 поступает на блок корреляционной обработки 7. В силу линейности коррелятора рассмотрим далее только прохождение побочного сигнала с выхода диаграммообразующей системы 6:The first term is the useful output signal of the
где учтено, что A2(t)=const.where it is taken into account that A 2 (t)=const.
Рассмотренное показывает, что заявляемый способ уплотнения сигналов элементов фазированной антенной решетки в общий тракт аналого-цифрового преобразования осуществим и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в снижении требований к быстродействию модуляторов в ФАР с цифровым формированием диаграммы направленности и обеспечении возможности одновременного приема на одну ФАР нескольких различных сигналов.The considered shows that the claimed method of compressing the signals of the elements of a phased antenna array into a common path of analog-to-digital conversion is feasible and provides the achievement of a technical result, which consists in reducing the requirements for the speed of modulators in the phased array with digital beamforming and providing the possibility of simultaneous reception on one phased array of several different signals.
Источники информацииSources of information
1. Цифровые антенные решетки и скоростные аналого-цифровые преобразователи / Е.М. Добычина, Ю.В. Кольцов // М: МАИ, 2012. - с. 168.1. Digital antenna arrays and high-speed analog-to-digital converters / E.M. Dobychin, Yu.V. Koltsov // M: MAI, 2012. - p. 168.
2. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. Изд. 4-е, перераб. и доп. // М: Радиотехника, 2010. 800 с.2. GLONASS. Principles of construction and functioning / Ed. A.I. Perov, V.N. Kharisov. Ed. 4th, revised. and additional // M: Radio engineering, 2010. 800 p.
3. Цифровые антенные решетки в мобильной спутниковой связи / В.И. Слюсар // Первая миля, 2008. No 4 - с. 10-15.3. Digital antenna arrays in mobile satellite communications / V.I. Slusar // First Mile, 2008. No 4 - p. 10-15.
4. KR 101327163 (B1), Н04В 7/04, H04J 11/00, опубл. 06.11.2013.4. KR 101327163 (B1),
5. US 9966989 (В2), Н04В 1/707, Н04В 7/06, Н04В 7/08, H04J 13/00, H04J 13/10, опубл. 08.05.2018.5. US 9966989 (B2), H04B 1/707,
Claims (1)
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2775644C1 true RU2775644C1 (en) | 2022-07-05 |
Family
ID=
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR101327163B1 (en) * | 2012-04-24 | 2013-11-06 | 한국과학기술원 | Mimo system, method of converting to analog signal in mimo transmitter and method of converting to digital signal in mimo receiver |
US20140062763A1 (en) * | 2012-03-29 | 2014-03-06 | Panasonic Corporation | Radar device |
US9966989B2 (en) * | 2007-10-17 | 2018-05-08 | Applied Radar, Inc. | Array antenna system and spread spectrum beamformer method |
US20190018127A1 (en) * | 2017-07-11 | 2019-01-17 | Nxp B.V. | Radar system |
RU2730120C1 (en) * | 2020-02-07 | 2020-08-17 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Method of constructing an active phased antenna array |
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9966989B2 (en) * | 2007-10-17 | 2018-05-08 | Applied Radar, Inc. | Array antenna system and spread spectrum beamformer method |
US20140062763A1 (en) * | 2012-03-29 | 2014-03-06 | Panasonic Corporation | Radar device |
KR101327163B1 (en) * | 2012-04-24 | 2013-11-06 | 한국과학기술원 | Mimo system, method of converting to analog signal in mimo transmitter and method of converting to digital signal in mimo receiver |
US20190018127A1 (en) * | 2017-07-11 | 2019-01-17 | Nxp B.V. | Radar system |
RU2730120C1 (en) * | 2020-02-07 | 2020-08-17 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи" (ФГУП "РНИИРС") | Method of constructing an active phased antenna array |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Compton | An adaptive array in a spread-spectrum communication system | |
Overdevest et al. | Doppler influence on waveform orthogonality in 79 GHz MIMO phase-coded automotive radar | |
US20090103593A1 (en) | Array Antenna System and Spread Spectrum Beamformer Method | |
US5903549A (en) | Ground based beam forming utilizing synchronized code division multiplexing | |
US5077562A (en) | Digital beam-forming technique using temporary noise injection | |
US11368182B2 (en) | Method and system for spread spectrum code acquisition | |
US6163564A (en) | Virtual beam system | |
US7944396B2 (en) | Retrodirective transmit and receive radio frequency system based on pseudorandom modulated waveforms | |
JP4259843B2 (en) | Ultra-wideband communication system and method using delayed hopping continuous noise transmission reference scheme | |
JP6686161B2 (en) | Analog multiple beam feed system and method | |
CN112020830B (en) | Telegraph text signal broadcasting method and device based on phase discontinuous R-CSK modulation | |
RU2775644C1 (en) | Method for complexing signals of elements of a phased antenna array into a general analogue-digital conversion trail | |
US10804974B2 (en) | N-path mixer-based receiver apparatus and method with transmitter self-interference rejection | |
Ng et al. | Pseudo-random noise radar for short-range applications in SiGe technologies | |
US10554254B2 (en) | Multi-antenna impulse UWB receiver | |
Alfonzo et al. | Orthogonal waveform experiments with a highly digitized radar | |
KR20010041186A (en) | Digital correlator | |
Mai et al. | Complementary codes approach to sparse frequency waveform design | |
US7324582B2 (en) | System and method for the directional reception and despreading of direct-sequence spread-spectrum signals | |
US7471719B2 (en) | Correlator | |
CN112782653A (en) | Digital modulation radar transmitter module, system and method | |
Bhanja et al. | Performance comparison of various spreading codes in spread spectrum modulation in ranging techniques | |
RU2107926C1 (en) | Method of pulse radiolocation by system of phase-shift keyed signals | |
Poberezhskiy et al. | Efficient utilization of virtual antenna motion | |
Hamouda et al. | High precision wireless synchronization receiver for m-sequence UWB radio systems |