Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Цифровые антенные решётки 15
1.1 Состояние и дальнейшие направления исследований 15
1.2 Первые РЛС с ЦАФАР 18
1.3 Зарубежные аналоги РЛС с ЦАФАР 19
1.4 Современные системы с ЦАФАР 20
1.5 Элементная база ЦАФАР 26
1.5.1 Распределительная система ЦАФАР , 30
1.6 Варианты построения системы ЦАФАР 32
1.6.1 ЦДО па основе алгоритма преобразования Фурье 33
1.6.2 ЦДО на основе применения цифровых линий задержки 35
1.6.3 Иерархические алгоритмы схемы ЦДО 38
1.7 Выводы 39
Глава 2. Характеристики антенных решёток при цифровом формировании диаграммы направленности 42
2.1 Общие соображения 42
2.2 Цифровое преобразование аналогового сигнала 44
2.3 Фазовые ошибки процесса преобразования аналогового сигнала в цифровую форму 49
2.3.1 Фазовая ошибка дискретизации 50
2.3.2 Фазовая ошибка джиттера 52
2.3.3 Фазовая ошибка квантования 53
2.3.4 Влияние шума входного аналогового сигнала на фазовую ошибку 61
2.4 Характеристики направленности ЦАФАР 65
2.5 Характеристики управления ФАР 66
2.6 Выводы 67
Глава 3. Моделирование характеристик ЦАФАР 69
3.1 Введение 69
3.2 Цели и задачи моделирования 70
3.3 Имитационная модель ЦАФАР 70
3.3.1 Параметры модели 72
3.3.2 Структура модели 73
3.3.3 Тестовая задача моделирования ЦАФАР 75
3.3.4 Результаты исследования ЦАФАР 82
3.3.5 Оценка влияния параметров цифровой элементной базы на характеристики направленности ЦАФАР 85
3.4 Выводы 86
Глава 4. Возможности формирования требуемых антенных характеристик АФАР с ЦОС 88
4.1 Общие положения 88
4.2 Формирование нескольких независимых сканирующих лучей с одной апертуры 90
4.3 Широкополосная и сверхширокополосиая работа АФАР при ЦОС 92
4.4 Шаг элементов АР при ЦОС 93
4.5 Предпосылки увеличения усиления с применением ЦОС в АФАР 101
4.6 Преимущества применения субдискретизации 102
4.6.1 Использование процедуры накопления 104
4.7 Сверхнаправленность. ДН специальной формы 107
4.7.1 Уменьшение УБЛ 111
4.7.2 Цифровая ДН интерферометра с большой базой 112
4.7.3 Формирование ДН специальной формы 114
4.7.4 Реализация требуемых характеристик направленности в ЦАФАР 114
4.8 Расширение рабочей полосы ЦАФАР 115
4.8.1 Матричная схема ЦДО 115
4.8.2 Широкополосные многолучевые ЦАФАР 119
4.9 Характеристики управления антенн с электрическим сканированием 121
4.10 Рекомендации по выбору параметров устройств ЦОС в ЦАФАР 123
4.10.1 Выбор частоты дискретизации 126
4.11 Определение параметров процессора ЦДО 129
4.11.1 ЦДО с алгоритмом преобразования Фурье 129
4.11.2 ЦДО с использованием линий задержки 134
4.12 Выводы 136
Заключение 138
Список сокращений 141
Литература 142
- Современные системы с ЦАФАР
- Влияние шума входного аналогового сигнала на фазовую ошибку
- Тестовая задача моделирования ЦАФАР
- Преимущества применения субдискретизации
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
В современных радиотехнических системах связи, радиомониторинга, радиолокации и навигации предъявляются всё более жёсткие требования к сверх-широкополосности и массогабаритным параметрам антенных систем.
В последнее время возникла необходимость создания интегрированных антенных систем, обеспечивающих одновременную работу на нескольких частотах при широкоугольном электрическом сканировании антенной решётки (АР). К таким активным антенным решёткам (АФАР) предъявляется достаточно широкий круг требований к характеристикам антенны, используемым сигналам, а также ряд других общетехнических требований. Построение АФАР следует проводить с применением современной или перспективной элементной базы и соответствующих алгоритмов обработки сигналов.
До настоящего времени элементная база позволяла применять цифровую обработку сигнала (ЦОС) в антенных решётках лишь в метровом и дециметровом диапазоне длин волн. Наибольший интерес представляет применение ЦОС в антенных системах СВЧ, устанавливаемых на борту ЛА, например, в самолётных РЛС сантиметрового диапазона. Под АФАР бортовых РЛС (БРЛС) будем понимать решётки с числом элементов порядка не более нескольких сотен. Применение цифровой обработки в таких системах позволяет построить перспективные антенны с электрическим сканированием (^/иагг-антенны), обладающие возможностями адаптации и самонастройки.
Построение цифровой активной фазированной антенной решётки (ЦАФАР) связано с разработкой схем цифрового диаграммообразования (ЦДО), алгоритмов ЦОС, обеспечивающих требуемые характеристики направленности в нужном частотном диапазоне и на существующей элементной базе.
Реализация различных схем построения и алгоритмов ЦДО даёт возможность получения новых функциональных возможностей, например, создания многолучевых антенн (МЛА) с независимым управлением по каждому лучу. Эти задачи представляют как научный, так и практический интерес.
Определение взаимосвязи характеристик направленности, а также энергетических характеристик ЦАФАР, со схемой построения ЦДО и обобщёнными параметрами алгоритмов ЦОС является актуальной научно-технической задачей.
Цель и задачи работы
Целью данной работы является определение взаимосвязи между характеристиками направленности фазированных антенных решёток (ФАР) и обобщёнными характеристиками алгоритмов ЦОС; разработка математической модели процессов, протекающих в ЦАФАР для имитационного моделирования характеристик направленности и режимов работы системы при различной шумовой обстановке и параметрах сигнала падающей волны.
В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе требуется решение следующих основных задач:
Обзор литературы по технологиям, применяемым в прототипах современных ЦАФАР, необходимый для дальнейшего развития теории ЦОС в АФАР СВЧ диапазона. Анализ современной элементной базы ЦОС и перспективных разработок, которые могут быть применены в ЦАФАР.
Определение зависимости характеристик направленности АФАР с ЦДО на СВЧ в зависимости от шумовой обстановки, условий работы и обобщённых параметров алгоритмов ЦОС.
Разработка имитационной модели ЦАФАР, учитывающей процессы преобразования входного аналогового сигнала в цифровую форму для различных видов входного «полезного» сигнала при наличии шума. Определение на основе построенной модели зависимостей характеристик направленности ЦАФАР от вида сигнала, соотношения сигнал/шум и элементной базы ЦОС (разрядность кода, частота дискретизации, величина шума джиттера).
Определение требований к быстродействию алгоритмов ЦОС в диаграм-мообразующей схеме, в зависимости от характеристик направленности, широко-полосности и функциональных возможностей ЦАФАР.
5. Анализ ЦОС в АФАР на СВЧ с целью расширения функциональных возможностей, улучшения характеристик быстродействия, широкополосности, формирования диаграмм направленности специальной формы и т.д.
Методы исследований
Электродинамические методы теории антенн, численные методы математического анализа, системы математического моделирования, а также методы цифровой обработки сигнала.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Проведено исследование характеристик АФАР при цифровом формировании ДН методами дискретного и матричного преобразования Фурье, а также на основе цифровых линий задержки.
Определены требования к характеристикам и параметрам цифровых каналов, системы формирования и управления лучом ЦАФАР для обеспечения характеристик направленности и сканирования.
Предложено увеличение шага приёмной ЦАФАР без ухудшения уровня боковых лепестков и падения КНД в разреженной решётке, а также су б дискретизация аналого-цифрового преобразования СВЧ сигнала для снижения требований к быстродействию.
Выявлены функциональные возможности применения цифровой обработки в АФАР: многолучевой режим работы с возможностью независимого формирования и управления формой ДН в каждом из лучей; цифровое формирование ДН специальной формы; моноимпульсная обработка.
Практическая значимость результатов работы
Проведённое аналитическое исследование и численный анализ показывают практическую возможность построения многофункциональной ЦАФАР БРЛС на современной или перспективной элементной базе ЦОС.
Предложенный вариант конструкции ЦАФАР с разреженным шагом излучателей позволяет улучшить энергетические характеристики полотна ЦАФАР.
Достоверность полученных результатов
Достоверность подтверждается совпадением расчётных характеристик систем с характеристиками, полученными методом численного имитационного моделирования, а также, в частных случаях, совпадением полученных результатов с известными из современной теории антенн.
Апробация результатов работы
1. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили одобрение на 8 научно-технических конференциях: «Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ» (СевНТУ, Украина, г. Севастополь 2009, 2010 г.), «Информационные технологии и радиоэлектронные системы» (МАИ, Россия, г. Москва, 2009, 2010, 2011 г.), «Международная аэрокосмическая школа» (МАИ, Украина, г. Алушта, 2009г.), «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии «КрыМиКо» (СевНТУ, Украина, г. Севастополь, 2009, 2010 г.). Материалы диссертации также были использованы в выполняемых НИОКР «Фазотрон-МАИ».
Публикации
По основным результатам выполненных в диссертации исследований опубликованы 3 статьи в журналах, включённых в перечень ВАК.
Основные положения, выносимые на защиту
Зависимости направленных свойств АФАР при использовании методов цифровой обработки сигнала непосредственно в полотне решётки на несущей частоте.
Возможность построения цифровых приёмных систем на современной элементной базе цифровой обработки сигнала.
Допустимость применения субдискретизации при цифровой обработке сигнала в АФАР, позволяющей понижать на порядок тактовую частоту АЦП и требуемое быстродействие с обеспечением необходимых направленных свойств.
Увеличение шага в приёмной ЦАФАР с сохранением уровня КНД, соответствующего полностью заполненной апертуре.
Объем и структура работы
Современные системы с ЦАФАР
Первая зарубежная ЦАФАР «ELRA» была создана в западной части-Германии [6]. В ней впервые на западе были широко применены технологии цифровой обработки сигнала. Приёмная и передающая решётки были разделены пространственно и состояли из 300 и 768 элементов соответственно. Система работала в iS-диапазоне длин волн с применением двух преобразователей частоты. Данная система позволяла производить калибровку каналов с помощью фиксированного зонда расположенного в. ближней зоне. Выходы каналов объединялись по 48 элементов в подрешётки с единой цифровой обработкой, посредством чего формировался спектр лучей. Процесс сканирования осуществлялся аналоговыми методами.
Также в США существует система экспериментальной загоризонтной РЛС «CONUS В-ОТН»\1]. Она представляет собой бистатическую систему диапазона частот 6-12 МГц с шириной, полосы обработки сигнала ЮОкГц.
Система формирует 4 луча с помощью решётки в 82 элемента. Реализованы алгоритмы адаптации постановкой нулей в главном лепестке ДН.
. Благодаря реализации ЦДО и стремительному развитию цифровой элементной, базы последних лет сфера применения-ЦАФАР в радиолокации существенно расширилась в сантиметровом и дециметровом диапазонах волны. Примером выполнения новых оператшшо-тактических требований к радиолокационной технике служит РЛС S1Z50M совместной разработки нидерландской фирмы Signal и консорциума Ліепїа Marconi Systems\%\. Локатор L-диапазона (1-2 ГГц) 5185ОМ представляет собой усовершенствованный вариант РЛС SMART-L. В нём использованы новые процессоры цифровой обработки сигналов, интегрирован запросчик «свой-чужой». Данная система принадлежит семейству многолучевых трехкоординатных РЛС SMART. Аналогичные многолучевые РЛС с ЦАФАР SMARTS F-диапазона (3-4 ГГц) уже сейчас эксплуатируются на кораблях, как стран НАТО, так и стран, не входящих в этот альянс.
Теорией и практикой цифровых антенных решёток занимаются крупнейшие зарубежные и отечественные научные школы. К числу наиболее известных иностранных компаний относится ERA Technology, инициировавшая проекты TSUNAMI и SUNBEAM н системах сотовой связи [22]. В проекте TSUNAMI разработана система с адаптивной ЦАФАР, работающая в составе базовой станции сотовой связи стандарта G5M-1800, которая подтвердила преимущества технологии ЦДО при воздействии стационарных источников помех. В соответствии с концепцией проект SUNBEAM разработай приёмный модуль одиополосной системы связи с ИДО, а также предложена архитектура приёмника прямого преобразования.
Использование современной элементной базы позволило применить методы ЦОС в АФАР и в отечественных РЛС. Нижегородским научно-исследовательским институтом радиотехники (ННИИРТ) разработана РЛС с ЦАФАР L-диапазоиа «Противник-ГЕ» (59Ы6-Е), предназначенная для обнаружения и выдачи координат (дальности, азимута» высоты) воздушных целей при работе в составе АСУ ПВО и систем управления воздушным движением (УВД). Вся аппаратура "Противник-ГЕ" умещается на двух автомашинах.
Высокую мобильность локатора подтвердил марш на 600 км из Нижнего Новгорода в г. Жуковский. Антенна радиолокационной станции формирует в 10 блоках 20 одинаковых лучей. В РЛС предусмотрена автоматическая адаптация к состоянию станции: если один блок отказал, то меняются параметры — лучи немного расширяются и 45 воздушного пространства просматриваются не 20, а 18 лучами. Вся зона обзора сохраняется, ,но при этом немного уменьшается точность измерения координат цели, а также увеличиваются боковые лепестки в пределах допустимых значений.
Однако полный переход к цифровому формированию ДН (ЦФДН) в РЛС не всегда возможен ввиду их высокой стоимости. Поэтому цифровая обработка сигналов используется наряду с аналоговой обработкой. Примером совместного использования аналогового и цифрового способов обработки является «гибридный» метод формирования ДН [25]. Данный метод состоит в следующем: антенная решётка разбивается на подрешётки, ДН которых формируются аналоговым способом, а полная ДН решётки - формируется адаптивным цифровым способом. Такой принцип формирования ДН используется в перспективных РЛС дальнего.обнаружения «Воронеж — М/ДМ».
Цифровая антенная решётка является активной ФАР и строится по модульному принципу. Базовым элементом АФАР является приёмопередающий модуль (ПГТМ), работающий на общий антенный элемент и совмещающий в себе два канала передачи сигнала: приёмный и передающий (рис. 1.1). Каналы развязаны между собой либо антенным переключателем, либо циркулятором с глубиной межканальной развязки не хуже, чем -30 дБ.
Передающий канал АФАР состоит из фазовращателя, аттенюатора и оконечных каскадов усилителя мощности. В приёмном канале сигнал после циркулятора, или антенного переключателя проходит систему защиты приёмника, МШУ, фазовращатель и аттенюатор. В некоторых случаях вместо аттенюатора может использоваться усилитель с управляемым коэффициентом усиления. Аттенюатор и фазовращатель определяют комплексный коэффициент передачи канала и позволяют задавать требуемое амплитудно-фазовое распределение- в апертуре;. Усилители в каналах определяют конечный динамический диапазон передаваемого сигнала.
Влияние шума входного аналогового сигнала на фазовую ошибку
В цифровых активных фазированных антенных решетках (ЦАФЛР) процесс обработки сигнала основан па теории фазированных антенных решёток, и цифровой обработки сигнала. Различия с аналоговыми системами заключается в том» что в решётке происходит когерентное сложение не мощности сигнала, а его информационной составляющей - цифрового сигнала. Это позволяет существенно снизить влияние погрешностей и шумов, вносимых нестабилыюстями аналоговой части обработки сигнала, исключить потери мощности на фазовращателях в каналах ФАР, а также в аналоговой распределительной системе, а также улучшить массогабаритные характеристики.
Цифровой сигнал - сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений. Процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой происходит в блоке аналогово-цифрового преобразователя. (АЦП).
Таким образом, ЦАФАР состоит из пространственных каналов, в каждый из которых представляет собой отдельный цифровой приёмник, сочетающий в себе аналоговую часть и часть цифровой обработки сигнала.
Источником входного сигнала для АЦП является аналоговая часть: излучатель и элементы входного факта. В состав входного факта также входят нелинейные элементы малошумящего усилителя (МШУ).
В пространственных каналах ЦАФАР существуют нестабильности характеристик преобразователей и потери информации непосредственно в самом процессе обработки. Это неизбежно приводит к появлению амплитудно-фазовых ошибок в апертуре решётки. Как известно из теории антенн, наиболее сильное влияние на характеристики направленности имеют фазовые ошибки. Влияние этих ошибок на характеристики системы будет определяться статистическими параметрами, такими к к закон распределения, среднее значение и дисперсия, как по апертуре, так # по времени. Значение величины и распределение амплитудных ошибок является вторичным фактором, влияющим на усиление [27],
При определении характеристик направленности в случае .случайного распределения ошибок в апертуре антеииы величины КНД; и УБЛ будут иметь случайный характер, поэтому целесообразно рассматривать ожидаемые величины Д1-І, КЫД; УБЛ 26, 27]. Как известно; в.соответствии с гипотезой эргодичности1, статистические характеристики (дисперсию и , математическое ожидание) ошибок в каждом из пространственных каналов можно считать одинаковыми. Кроме того, распределение ошибок по апертуре будет соответствовать распределению ошибок по времени. В силу схожести процессов диаграммс?образования ЦАФЛР и ФАР для анализа молено применить теорию коммутационных антенн. В) [27] показано," что распределение фазовых ошибок по апертуре антенны при коммутационном методе диаграммообразования носит равномерный характер. Апертуриое распределение ошибок.в ЦАФАР будет аналогичным, но в связи с особенно---. стями представления сигнала в ЦАФАР, связанными с цифровым представлением, распределение ошибок в пространственных каналах по времени бу-дет нормальным в силу действия «Центральной предельной теоремы»2. Рассмотрим характеристики АР в зависимости от параметров цифровой элементной базы. Будем считать, что АЦП обладает следующими параметрами: разрядностью кодак, частотой дискретизации//, джиттером Д//. Сигнал, поступающий на вход цифрового канала, будем считать аддитивной смесью гармонического колебания с частотой и амплитудой AQ И белого гаусового шума. Соот-ношение сигнал/шум — д. Установим величины фазовых ошибок, возникающих в процессе-цифрового преобразования входного сигнала. За процесс преобразования аналогового сигнала в цифровой отвечает специализированный блок аналогово-цифрового преобразователя (АЦП). Аналого-цифровой преобразователь — это устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя, DAC). Аналого-цифровые преобразователи характеризуются рядом параметров,, таких как:, разрешение, частота дискретизаций; разрядность, величина джиттера, нелинейность передаточной характеристики, входное сопротивление. Каждый из этих параметров;оказывает влияние на процесс преобразования сигнала в цифровую; форму. Разрегиенаем АЦП называется минимальное изменение величины аналогового сигнала; которое может быть преобразовано данным АЦП; Обычно разрешение АЦП измеряется в вольтах, поскольку в большинстве случаев входным сигналом: является электрическое напряжение; Разрешение. АЦРТ; для каждого отсчёта при отсутствии на входе шума будет напрямую зависеть or разрядности аналого-цифрового преобразователя. Разрядность АЦП определяет количество дискретных значений выходной величины, в которые преобразователь может отобразить входной аналоговый сигнал. Количество уровней опорного напряжения равно ЛГ- 2", где п — число разрядов кода (разрядность) АЦП; Чем больше число, дискретных уровней АЦП, тем сильнее приближается выходной цифровой сигнал к входному аналоговому и тем меньше будет ошибка преобразования. ,. Принцип действия АЦП основан на сравнении входного аналогового значения с опорным уровнем напряжения. Выходной цифровой код АЦП со ответствует номеру уровня сетки опорных напряжений, к которому наиболее близка входная аналоговая величина.
Тестовая задача моделирования ЦАФАР
Работа модели начинается с определения входного сигнала. Для модели определяются параметры гармонического сигнала: амплитуда Л , частота и фаза щ, После этого задаётся отношение мощности сигнала к мощности шума, и определяются статистические характеристики шумового процесса (дисперсия, равная мощности шума), и с помощью датчика случайных чисел задаётся достаточно большая (порядка 100 000 элементов) выборка, из которой впоследствии будет формироваться случайный сигнал. В пространстве сигнал объединяется с шумом и подаётся на апертуру решётки под требуемым углом падения волны во. Принимается модель апертуры, характеризуемая шагом db числом элементов N и другими параметрами. Апертура решётки создаёт N сигналов, задержанных во времени в соответствии с разностью хода волн до каждого из её элементов. Также здесь может быть наложено требуемое амплитудное распределение А(х).
Весь массив сигналов передаётся в блок АЦП, содержащий массив аналого-цифровых преобразователей, для которого задаётся число разрядов кода п, частота дискретизации/} и величина шума джиттера у. На выходе блока АЦП образуется массив цифровых сигналов, который передаётся на дальнейшую обработку в блок цифрового формирования ДІЇ (ЦФД1-Ї). В блоке. цифрового диаграммообразоваиия выполняется один из алгоритмов формирования одного или нескольких лучей. При этом, для блока ЦФДН задаются параметры для каждого из формируемых лучей (угол отклонения от нормали, форма). На выходе блока ЦФДН в каждом из каналов формируемой цифровой ДН образуется суммарный цифровой сигнал, который передаётся в блок анализа характеристик ЦАФАР.
Характеристики ЦАФАР определяются итерационно: в диапазоне углов от -90 до 90 с шагом, определяемым через ожидаемую направленность, равную одной десятой ширины главного лепестка ДН (2о7) рассчитывается суммарный сигнал с выхода ЦФДН (исследуемого канала цифровой ДН) и определяется его мощность. Зависимость мощности от угла является диаграммой направленности решётки по мощности. По этой диаграмме блок анализа характеристик определяет КНД, УБЛ и ширину луча, симметрию луча, а также характеристики для ДН специальной формы (моноимпульс, косеканс). Далее следует изменение одного из параметров модели, и расчет повторяется сначала.
Таким образом, можно численно выявить зависимости характеристик направленности ЦАФАР от параметров конструкции антенного полотна (числа излучателей и способа их размещения) и цифровой части (частота дискретизации, разрядность кода АЦП, шум джиттера и т.д.), а также от параметров радиосцены (отношение мощности сигнала к мощности шума в падающей волне, наличие помех),
Построенная численная модель ЦАФАР должна быть адекватна электродинамической теории ФАР и теории ЦОС. Для этого необходимо решение тестовой задачи исследования идеальной ФАР без шумов и искажений. При этом результаты численного имитационного моделирования характеристик идеальной ФАР должны соответствовать тем же самым характеристикам, полученным с применением аналитических методов теории ФАР.
Для этого исследования необходимо в построенной модели ЦЛФАР установить параметры цифровой части таким образом, чтобы получаемый в ней цифровой сигнал был подобен аналоговому. Разрядность кода АЦП должна быть равна бесконечности (числу порядка 10000 — при этом размер уровня дискретизации АЦП будет меньше величины машинного є — ошибки вычисления с плавающей точкой). Частота дискретизации также должна быть равна бесконечности (установлена в значения того же порядка, что и величина разрядности кода АЦП исходя из тех же соображений). Величина шума джиттера равна 0. Для проведения процесса моделирования необходимо задаться конкретными величинами. Примем длину волны X = 10 см (частота Уо = 3 ГГц); антенная решётка — линейная, состоящая из 32 элементов, эквидистантная, сканирующая. Угол сканирования 9СК = 60а. Шаг элементов решётки определяется из условия однозначности разрешения угловых координат падающей плоской волны d= 0.054 м; размер апертуры 1.661 м; ширина луча 3.07. Рассчитаем вектор координат размещения антенных элементов в решётке, необходимый для дальнейших расчётов (табл. 3.1): В качестве шума возьмём белый гауссов шум мощности Рк, Мощность шума соответствует дисперсии нормального случайного процесса. Таким образом, используя выражение для мощности шума (3.3) и датчик случайных чисел с нормальным распределением, можем описать шумовой сигнал: гяо Nft д) - функция шумового сигнала, зависящая от параметра - отношение сигнал/шум; rnormim, о) - датчик случайных чисел с нормальным распределением, параметры которого являются т - математическое ожидание, о - среднеквад-ратическое отклонение. Смесь сигнала с шумом, подаваемая на антенные элементы без учета временной задержки, будет выглядеть следующим образом (см. рис. 2.14): В каждом пространственном канале после аналоговой части устанавливается АЦП, обладающий определённой передаточной функцией (см. рис, 2.2). Ступенчатую функцию квантователя АЦП определим следующим образом:
Преимущества применения субдискретизации
Как было показано в главе 1, при ЦОС появляются новые возможности формирования и управления характеристиками АФАР. Поэлементная оцифровка сигнала в АР является, с точки зрения теории цепей и сигналов, линейной процедурой в том смысле, что спектральные характеристики сигналов сохраняются (не появляется новых частотных составляющих). С другой стороны, это процесс нелинейный, так как формируется цифровой сигнал, который может копироваться без потерь в соотношении сигнал/шум (информации). Эти особенности позволяют получить в приёмной ЦАФАР новые результаты по сравнению с известными Характеристиками АФАР при аналоговом способе обработки сигнала.
В ЦАФАР, как и в обычной антенне можно сформировать ряд независимых лучей без потери усиления в каждом луче. Как известно [4, 9], многолучевая антенна (МЛА) имеет число лучей.N в соответствии с числом элемен-ТОВ решётки ортогональных и фиксированных в пространстве. Нелинейная обработка позволяет устранить жёсткую привязку каждого луча к направлению и уровень их пересечения, обеспечивающий их ортогональность, что является, как известно [9, 17], существенным недостатком, так как ь плоских МЛА при двумерном формировании луча получаются провалы между лучами более 10 дБ. При использовании методов ЦОС в решётке можно провести многократное копирование цифрового сигнала с последующим формированием с помощью N процессоров N независимых лучей. Каждый из этих лучей, в отличие от МЛА, может осуществлять сканирование в секторе, определяемом направленностью согласованного излучателя, и иметь суммарно-разностные (моиоимлульсные) ДН. Второй открывающейся возможностью при ЦОС в АФЛР является широкополосная и сверхширокоиолосиая работа с электрическим сканированием, которая может быть достигнута с использованием цифровых линий задержки (ЦЛЗ). Также возможна широкополосная работа с помощью многомерных преобразований Фурье, чго используется в обработке изображений [16J.
В качестве третьего достоинства ЦАФАР следует отметить возможность построения совмещённых приёмных антенн на основе одной апертуры с использованием одних излучателей, то есть антенн, работающих на разных частотах с независимыми сканирующими лучами, разнесёнными по частоте в if редел ах полосы одного широкополосного излучателя АР.
Следующим преимуществом построения ЦАФАР является решение одной из важнейших конструктивных проблем активных решёток - увеличение шага излучателей решётки без возникновения интерференционных лучей и подъёма УБЛ. Это объясняется широкими возможностями применения алгоритмов ЦОС в совокупности с отсутствием существенных затрат на усиление.
ЦАФАР даст возможность применить к сигналу достаточно широкий класс преобразований и математических операций, что позволяет для улучшения соотношения сигнал/шум заменить простое суммирование сигналов в распределительной системе другими легко выполняемыми операциями в системах цифровой обработки. Подробности приведены ниже.
Применение ЦОС it АР позволяет существенно снизить потери в распределительном тракте и фазовращателях, что, как содействие, приводит к Зувеличеиию коэффициента усиления АР в режиме приёма. Как известно, потери в фазовращателях и в распределительной системе существенно зависят от диапазона волн и в -Y-диапазонс могут составлять порядка 1,5 дБ. Оцифровка сигнала в приёмном канале АФАР после МШУ исключает эти потери, добавляя к ним новые, но имеющие иную природу и меньший порядок,
Очередным достоинством АР с ЦОС можно отметить прямую цифровую обработку сигналов в диапазоне LfX, К сигнальными процессорами и АЦП, исключающую блоки аналогового тракта в АФАР. Как отмечалось ранее [25], в настоящее время в антенных ЦОС решётках применяется после второго детектора. При получении необходимой информации сначала проводят двойное преобразование частоты (гетерадирование), после чего оцифрованный сигнал низкой частоты используют для получения необходимой информации. В теории ЦОС известна возможность цифрового преобразования аналогового сигнала на частоте, во много раз меньшей центральной частоты спектра сигнала (в рабочей полосе частот сигнала) - так называемая субдискретизация [33]. В ряде случаев возможна оцифровка сигнала с применением децимации [12 ]. Применение такого подхода позволяет решить ряд технических проблем, связанных с ограничением на быстродействие и производительность современных цифровых вычислительных средств, а также использовать готовые сигнальные процессоры, работающие па более низких частотах и удовлетворяющие более низким требованиям.
Кроме того, в качестве конструктивного преимущества можно отметить устранение распределительной (возбуждающей)-системы СВЧ, формирующей амплитудно-фазовое распределение и обеспечивающего моноимпульсную работу.
