Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Адаптивные антенные решетки и аналого-цифровые преобразователи 9
. 1.1. Преимущества применения адаптивных решеток 9
. 1.2. Основные элементы адаптивной антенной решетки 11
.1.3. Применение адаптивной антенной решетки в области радиолокационной техники 13
.1.4. Аналого-цифровые преобразователи 20
.1.5. Характеристики аналого-цифровых преобразователей 24
.1.6. Типы погрешностей аналого-цифровых преобразователей 26
Глава II. Обработка радиолокационных сигналов на ацп при малых принятых сигналах 33
2.1. Сигналы на входе приемника в радиолокационных системах...33
.2.2. Оценка параметров выходного сигнала квадратурной схемы обработки при использовании сигналов радиолокационного обнаружения и сопровожения 39
Глава III. Характеристики идеальных аіщ при малых принятых сигналах на их входе 46
.3.1. Характеристики идеального АЦП N-ro типа 49
.3.2. Характеристики идеального АЦП S-ro типа 57
.3.3. Характеристики обнаружения для АЦП N-ro и S-ro типа 65
.3.4. Характеристики идеальных АЦП при неслучайном входном сигнале 71
Глава IV. Характеристрпси неидеальных ацп при малых принятых сигналах на их входе 81
.4.1. АЦП с независимыми флуктуациями уровней квантования 81
.4.2. АЦП с дружными флуктуациями уровней квантования 91
.4.3. Влияние неортогональности квадратурных каналов АЦП на его выходные характеристики 102
Глава V. Моделирование процесса прохождения слабого сигнала через АЦП 112
.5.1. Исследование процесса прохождения слабого сигнала через идеальные АЦП (S-ro и N-ro типа)и определение характеристик сигнала на выходе АЦП 112
.5.2. Создание модели основных погрешностей АЦП, модели учета различных факторов неидеальных АЦП 115
.5.3. Исследование процесса прохождения слабого сигнала через неидеальные АЦП (S-ro и N-ro типа) 116
.5.4. Исследование характеристик обнаружения для схемы многоканальной цифровой квадратурной обработки радиолокационых сигналов с использованием идеальных и неидеальных АЦП 117
5.5. Сравнение полученных характеристик между собой и с аналогичными характеристиками аналоговой квадратурной обработки радиолокационых сигналов 125
Заключение 131
Список литературы
- Применение адаптивной антенной решетки в области радиолокационной техники
- Оценка параметров выходного сигнала квадратурной схемы обработки при использовании сигналов радиолокационного обнаружения и сопровожения
- Характеристики идеальных АЦП при неслучайном входном сигнале
- Создание модели основных погрешностей АЦП, модели учета различных факторов неидеальных АЦП
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
В настоящее время в современных устройствах применяются разные методы обработки принимаемых сигналов с целью оптимизации работы антенны. При этом антенна вместе с различными устройствами обработки сигналов рассматривается как одно звено приемных устройств, которое является пространственно-частотным фильтром. Процесс оптимизации работы антенн заключается в увеличении обьема принимаемой информации за определенное время обнаружения.
Фазированные антенные решетки (ФАР) среди антенн прочих типов занимают особое место: они позволяют практически мгновенно переводить луч из одного направления в другое, целенаправленно изменять форму диаграммы направленности (ДН) в оперативном режиме .
Прием сигнала с помощью многоэлементных антенных решеток в течении длительного времени остается одним из основных методов решения сложных задач обнаружения и оценивания, так как в отношении формируемой ДН система с решеткой обладает преимуществами перед системой с одноэлементным антенным датчиком. Создание систем с антенными решетками, осуществляющих автоматическую подстройку характеристик в соответствии с изменяющимися условиями приема сигнала, стало возможным при появлении недорогих мини ЭВМ, позволяющих реализовать на их основе известные результаты теории обнаружения, оценивания и управления. Способность к адаптации делает работу систем с антенными решетками более гибкой и (что более важно) позволяет повысить эффективность приема, что зачастую сложно осуществить другими путями.
Фазированная антенная решетка состоит из конечного множества излучающих или принимающих элементов (излучателей), соответствующим образом расположенных в пространстве. Сигналы в ФАР векторные, операции над этими сигналами (в простейшем случае - взвешеное суммирование) обычно линейные [42].
Современные методы обработки сигналов в ФАР рассчитаны в основном на цифровую реализацию. Это особенно справедливо применительно к адаптивным ФАР, в которых реализация практически всех алгоритмов обработки сигналов требует использования цифровой техники. При этом обычно оцифровку сигнала производят на уровне лучей, т. е. после сложения (фазирования) сигналов со всех приемных элементов решетки, что обеспечивает достаточно высокое отношение сигнал-шум на входе АЦП. Однако представляется перспективным оцифровывать сигнал еще до фазирования, т. е. на выходе каждого приемного элемента антенны. Такой подход сулит ряд преимуществ, хотя и таит в себе немало «подводных камней». К преимуществам этого подхода следует отнести упрощение конструкции приемной антенны, так как при этом исключаются многие аналоговые элементы устройства обработки (фидерные линии, огромное число фазовращателей, делителей и сумматоров сверхвысокочастотных сигналов (СВЧ-сигналов) и др.). Это приводит к снижению потерь энергии полезных сигналов в антенне, повышению стабильности антенных трактов и в конечном итоге к повышению точности измерений и эффективности помехозащиты. Кроме того, при такой оцифровке увеличивается число степеней свободы при обработке сигнала, что увеличивает возможность более точного подавления источников активных помех в адаптивных ФАР и эффективного управления. Перспективность такой схемы построения адаптивных ФАР отмечается в [20] и главе 4 [48].
Вместе с тем при таком подходе широко используемые в настоящее время аналого-цифровые преобразователи (АЦП) оказываются вынужденными работать в непривычном для них режиме, когда уровень полезного сигнала на входе много меньше уровня шума. В связи с этим возникает ряд вопросов: каковы в этом случае выходные характеристики приемника, зависят ли они от типа АЦП, насколько устойчивы они к нестабильностям его параметров и т. п..? Подробно эти вопросы нигде ранее не рассматривались. Данная работа как раз и посвящена подробному исследованию этой проблемы, в связи с чем тема диссертации представляется весьма актуальной.
Результаты проведенных исследований позволят дать рекомендации по созданию новых устройств, применения которых перспективно как для военных, так и для гражданских целей.
Цель и задачи работы
Целью диссертационной работы является исследование характеристик АЦП в приемных элементах ФАР при малых отношениях сигнал-шум (с/ш«1) на входе. На практике подобные ФАР еще не применялись, поэтому необходимы детальние теоретические исследования возникающих при этом проблем. Исследование этих характеристик необходимо для выбора шага квантования АЦП, чтобы уменьшить потери полезного сигнала и повысить вероятность правильного обнаружения. Результаты проведенных исследований позволят оценить характеристики многоканального цифрового приемника с оцифровкой сигнала на каждом элементе решетки и дать рекомендации по выбору типа АЦП и его параметров. В соответствии с поставленной целью в диссертационной работе решены следующие задачи:
• Определены характеристики идеальных АЦП N-ro и S-ro типов при малом отношении сигнал-шум;
• Проведено исследование влияния нестабильностей параметров АЦП (независимых и дружных флуктуации уровней квантования, нарушения ортогональности квадратурных каналов) на его характеристики; • Определены оптимальные числа уровней квантования и размер шага квантования для АЦП N-ro и S-ro типов.
• Определены характеристики обнаружения многоканального цифрового приемника при оцифровке сигнала на каждом элементе решетки;
• Проведено моделирование работы АЦП и многоканального приемника, подтвердившее результаты теоретических исследований;
Методы исследования
Теоретические исследования выполнены на основе теории статистической радиофизики и радиолокации. Проанализированы полученные результаты на основе статистического моделирования.
Научная новизна работы состоит в следющем:
- обоснован выбор шага квантования по уровню в условиях слабого сигнала и показано, что, как и для сильного сигнала, его можно считать равным среднеквадратичному значению шума;
- оценено и обосновано целесообразное число уровней квантования при малом отношении сигнал-шум на входе АЦП;
- проведено сравнение работы АЦП двух типов (N-ro и S-ro типов) в условиях слабых сигналов и установлено, что меньшими потерями в выходном отношении сигнал-шум обладает АЦП S-ro типа;
- исследовано влияние нестабильности параметров АЦП на характеристики обнаружения многоканального приемника и выявлены наиболее опасные виды нестабильностей, для борьбы с которыми следует предпринимать специальные меры;
- разработана методика и проведено компьютерное моделирование многоканального цифрового приема, подтвердившее полученные выводы и результаты работы. Практическая ценность результатов работы
Заключается в том, что они позволяют дать рекомендации по выбору типа АЦП, сформулировать требования к его параметрам и условиям функционирования, оценить степень деградации характеристик из-за различного рода нестабильностей.
Основные положения, выносимые ні защиту
- Методика расчета выходных характеристик идеальных и неидеальных
- АЦП S-ro и N-ro типов при малом уровне отношения сигнал-шум на входе АЦП, а также характеристик многоканального цифрового приемника.
- Результаты теоретических исследований характеристик идеальных и неидеальных АЦП при малом уровне отношения сигнал-шум на входе.
- Результаты статистического моделирования работы АЦП и многоканального цифрового приемника.
- Выводы относительно оптимального выбора параметров АЦП.
Достоверность полученных результатов рабты
Подтверждается результатами статистического моделирования системы.
Апробация результатов работы и публикации
Основные результаты работы докладывались на четырех Международных конференциях, двух научных конференциях Московского физико-технического института, опубликованы в Трудах этих конференций и в двух статьях. [31, 36-39, 43-45].
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 138 страниц, 21 рисунок и 24 таблицы. Список литературы содержит 62 наименований на 7 страницах.
Применение адаптивной антенной решетки в области радиолокационной техники
Наблюдаются постоянное расширение областей применения радиолокационных систем (РЛС) и увеличение требований к их эффективности в случаях применения как для военных, так и для гражданских целей. Радиолокационные системы военного назначения должны обеспечивать одновременное решение ряда задач, которые еще в недавнем прошлом выполнялись отдельными радиолокаторами.
Например, в радиолокационной системе управления стрельбой может потребоваться выполнение следующих функций: обзор пространства; обнаружение и сопровождение как малоскоростных, так и высокоскоростных целей, находящихся на очень малых или очень больших высотах; управление стрельбой ракетами или орудиями по воздушным и наземным (надводным) целям и, кроме того, выполнение задач навигации и разведки.
К задачам радиолокационных систем гражданской авиации относятся управление воздушным движением; предотвращение столкновений в воздухе; обеспечение посадки по приборам; метеорологическая разведка и навигация. Расширяется применение радиолокаторов для контроля за дорожным движением и перевозками, а также для исследований земных ресурсов.
Повышенные требования к эффективности и гибкости современных радиолокационных систем обусловливают их высокую сложность и многофункциональность. Появление надежных недорогих цифровых электронных микросхем сделало возможным использование для обработки сигнала, принятия решения и управления цифровых устройств, которые считались непрактичными и слишком дорогими еще несколько лет тому назад. Несмотря на сложность и специфику, присущую современным радиолокационным системам, такие системы все еще удобно рассматривать состоящими из отдельных блоков, каждый из которых выполняет определенную функцию в работе системы. На рис. 1.2 показана упрощенная структурная схема радиолокационной системы с цифровым управлением, содержащая пять основных блоков [59], которые имеют следующие функции: 1- Антенна - формирование передающей и приемной ДН; 2- Передатчик - генерирование высокочастотных сигналов с высоким уровнем мощности; 3- Приемник - преобразование частоты и усиление при низком уровне шума; 4- Сигнальный процессор - обнаружение цели, слежение за целью на фоне отражений от местности и определение траектории цели; 5- Индикатор - преобразование обработанных в процессоре сигналов в смысловую тактическую информацию.
Чрезвычайно большие диапазоны рабочих частот и уровней мощности современных радиолокационных систем привели к большому разнообразию излучающих элементов, к которым относятся: огромные параболические рефлекторы и сравнительно небольшие рупоры; простые диполи; петлевые и многопетлевые конструкции; спирали и логопериодические излучатели.
Антенны с большим раскрывом обеспечивают формирование узких ДН, необходимых для обнаружения целей на больших дальностях и для обеспечения высокой разрешающей способности. Диапазон сверхвысоких частот (СВЧ) является наиболее подходящим для радиолокационного применения, поскольку физические размеры раскрыва антенны оказываются малыми (хотя и во много раз превосходят значение длины волны).
Для антенн радиолокаторов характерны остронаправленные сканирующие ДН, тогда как для большинства систем связи требуются ненаправленные или направленные, но фиксированные диаграммы. Первые радиолокаторы (созданные в период второй мировой войны) работали в диапазонах высоких и сверхвысоких частот. В радиолокационных системах диапазона СВЧ широко используются антенны с параболическими рефлекторами, хотя и линзовые антенны также находят применение. Для применения в бортовых радиолокационных системах наиболее подходящими оказываются встроенные антенны и антенны поверхностных волн, так как они не выступают за пределы обшивки корпуса.
Оценка параметров выходного сигнала квадратурной схемы обработки при использовании сигналов радиолокационного обнаружения и сопровожения
Будем рассматривать цифровую ФАР, причем оцифровка сигнала производится на каждом приемном элементе решетки. Как уже упоминалось выше такой подход позволяет использовть в полной мере известные преимущества цифровой обработки по сравнению с аналоговой.
Квадратурная схема обработки предназначена для различных типов сигналов, используемых при обнаружении, захвате и сопровождении целей. При этом наиболее общим и информативным показателем является распределение выходной величины на выходе квадратурной схемы [32]. На рис. 2.2 приведена схема цифровой квадратурной обработки радиолокационных сигналов для одного приемного элемента антенной решетки.
Принимаемый сигнал поступает в один канал (канал А) непосредственно, а в другой (канал В)- через фазовращатель. Далее сигналы поступают на блоки под называнием «дискретизатор», где преобразуются во временные отсчеты в соответствии с теоремой Котельникова. Блок «компаратор» осуществляет квантование сигнала по амплитуде. Совместно с дискретизатором они образуют АЦП. Этот блок на схеме выделен штриховой линией. Если компаратор убрать из схемы, то она будет представлять собой схему аналоговой квадратурной обработки с дискретизацией сигнала по времени. После согласованной фильтрации сигнал подается на фильтр низких частот (ФНЧ), предназначенный для выделения видеочастотной составляющей приемного сигнала. Дальнейшая обработка сигнала аналогична обработке в аналоговом виде.
Следует отметить, что наличие в каждом из каналов своего АЦП вызвано тем, что в таком случае исключаются из рассмотрения ситуации, при которых принимаемый сигнал может быть пропущен. При этом оба дискретизатора АЦП предполагаются синхронизированными между собой. Действительно, если дискретизатор АЦП в одном из каналов «попадает» в нули обрабатываемого сигнала (например нули синусоиды), то дискретизатор АЦП в другом канале обязательно «попадает» в отличные от нуля значения сигнала (максимумы косинусоиды).
Несмотря на то, что схема обработки, представленная на рис. 2.2, имеет упрощенный вид, она все еще является достаточно сложной для непосредственного моделирования [52]. Проведем анализ работы схемы, приведенной на рис.2.2, с целью получения рабочей модели, удобной для моделирования и в то же время отражающей основные закономерности работы этой схемы. В качестве принимаемого сигнала выберем сигнал s(t) = qsm(o).t + e), (2.14) где - q амплитуда сигнала, ю- несущая частота сигнала и в - случайная фаза сигнала, распределенная равномерно в интервале (0, 2ж). Тогда колебание, поступающее с приемного элемента антенной решетки, в каждом из каналов будет иметь вид yJ =s(t) + nJ(t) ;j=A,B. (2.15) Индексу сверху в выражении (2.15) означает, что гауссовские шумы в каналах А и В различны и статистически независимы между собой. После прохождения АЦП в каждом из каналов yJ[t) превратятся в [УІ J, где индекс і означает момент дискретизации, а квадратные скобки — квантование по амплитуде. В целях упрощения записи дальнейший анализ сначала проведем для а случая, когда на рис. 2.2 отсутствует блок «компаратор».
Тогда, принимая во внимание (2.14) и (2.15), перед фильтром низких частот на схеме будем иметь для каналов А и В соответствующие выражения YtA .s( = (st + nf )st = — .[cos в - cos(2firt,. + в)] + nf .s( , Yfs +n?)s = {sm{2ajti+e)-sme]+n? J . (2.16)
Знак « » означает преобразование, осуществляемое фазовым детектором (для простоты вычислений преобразование проводится здесь над сигналом s{).
Характеристики идеальных АЦП при неслучайном входном сигнале
Рассматрим системы с неслучайными сигналами на их входе. Последовательность отсчетов полезного сигнала на входе компаратора АЦП {sn0J,i, і = 1,..., М} представим в виде snoni - ЄІ = si; і =1, 2-, м, При этом величины sf, удовлетворяют условию м /=1 (3.94) то есть энергия полезного сигнала в одном квадратурном канале пропорциональна числу отсчетов (объему выборки) полезного сигнала (Sj=7, что справедливо для гладкого импульса или фазоманипулированного сигнала): м м i-i 1-і Сигнал на входе компаратора имеет вид: и, = єі + піг / = 1,2 ...,М, где {пь, і — 1, 2..., М} - совокупность случайных нормальных, попарно независимых величин с п, = О , п] = а2.
Как отмечалось выше, схема обработки принимаемого сигнала состоит из последовательно соединенных АЦП и цифрового согласованного фильтра. Выходной сигнал имеет вид: м м Y = 1ІУі =І г оі , (3.95) /=1 i=i где ( , / = 1,2....М) - последовательность значений опорного сигнала м (аналогично (3.79) будем считать, что 5о»=- ); {v,, і = 1, 2...., М} выходная последовательность АЦП; УІ = У ы Выходной эффект (3.95) описывает либо временную обработку (один АЦП, входной сигнал в виде последовательности из М отсчетов, цифровой фильтр с импульсной характеристикой {soi, i-l, 2..., М}), либо пространственную обработку (М антенных каналов, на входе каждого из которых (каждого квадратурного канала) стоит АЦП, (s0i, і = 1, 2..., М] -опорный вектор пространственной обработки). В принципе выходной эффект (3.95) может описывать пространственно-временную обработку.
Предположение о малости полезного сигнала -,. «h, і = 1,..., М, (3.96) будет использовано на окончательных этапах вычисления моментов случайной величины (3.95). Входной сигнал - аддитивная смесь узкополосного полезного сигнала и нормального белого шума с нулевым средним значением и дисперсией х2. Для получения характеристик обнаружения воспользуемся выражениями (3.110) и (3.111). На рис. 3.5 представлена зависимость вероятности правильного обнаружения D от от отношения сигнал-шум {л с разными значениям F для четырехуровневого АЦП S-ro типа. Выводы.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы: - Предположение о том, что уровень сигнала на входе АЦП существенно меньше уровня шума, не вносит корректив в правило выбора оптимального уровня квантования: он по-прежнему остается равным среднеквадратическому значению шума. - При малом отношении сигнал-шум оптимальное число уровней квантования равно 5-6. Дальнейшее увеличение числа уровней приводит лишь к незначительному повышению отношения сигнал-шум на входе АЦП. - При малых уровнях сигналов на входе АЦП S-ro типа имеет незначительное преимущество перед АЦП N-ro, т. к. обладает меньшими потерями в выходном отношении сигнал-шум.
Рассмотрим трехуровневый АЦП, у которого имеются случайные отклонения уровней квантования от заданных значений +—. Будем считать, что трехуровневый АЦП имеет в /-ый момент времени (т.е. при обработке компаратором /-го отсчета входной последовательности) следующую передаточную характеристику: 1 при х а; v = О при-Ьі х аі -1 при х , -bs h где а(= — + а( - верхний уровень квантования АЦП, -Ь,= -— + Д - нижний уровень квантования АЦП, \а{ ; Д , / = 1, 2..,М\. случайные попарно независимые нормальные величины с нулевым средним значением и дисперсией S2, определяющие флуктуации уровней квантования.
Создание модели основных погрешностей АЦП, модели учета различных факторов неидеальных АЦП
Методика моделирования неидеального АЦП во многом совпадает с методикой моделирования идеального АЦП. Поэтому необходимо остановиться только на отличиях в моделировании по сравнению с идеальным случаем.
В частности, учет шумовых погрешностей для неидеального АЦП состоит в следущем. Вместо фиксированного значения характеристики преобразования идеального АЦП, определяемого в соответствии с (1.25) или (1.26), моделируется гауссовский процесс со средним, равным этому фиксированному значению, и стандартным отклонением, равным сгАЦП .
Учет статических погрешностей АЦП с использованием константы смещения характеристики АЦП Асм проводится путем добавления значения этой константы к каждому уровню квантования идеального АЦП, определяемого в соответствии с выражениями (1.25) или (1.26).
В случае одновременного учета шумовых и статических погрешностей неидеальных АЦП моделирование происходит точно так же, как и в случае чисто шумовых погрешностей, но со средними значениями, равными алгебраической сумме рассматриваемого уровня квантования и заданного смещения Аш . 1 Характеристики выходного сигнала АЦП будут аналогичны тем, которые приведены для идеального АЦП. Большой интерес представляет исследование характеристик обнаружения для многоканальной квадратурной схемы обработки радиолокационных сигналов с использованием АЦП в условиях малых « значений отношения входного сигнала к шуму.
На качественном уровне было показано, что отличия в средних значениях и значениях дисперсий при использовании цифровой и аналоговой пространственной обработки несущественны при любом отношении сигнал-шум и любом из рассмотренных типов АЦП (S-ro или N-ro типов). Для оценки характеристик обнаружения воспользуемся теми же схемами цифровой обработки. На рис. 2.4. приведена квадратурная схема, предназначенная для % моделирования цифровой обработки радиолокационных сигналов (в схеме есть М приемных элементов антенной решетки). Приемный сигнал поступает в один (канал А) непосредственно, а в другой (канал В) - через фазовращатеь, осуществляющий сдвиг фазы на я/2.
Далее сигналы поступают на блоки под названием «дискретизатор», где преобразуются во временные отчеты в соответствии с теоремой Котельникова. Блок «компаратор» осуществляет квантование сигнала по амплитуде. Если этот блок убрать из схемы, то она будет представлять собой схему аналоговой квадратурной обработки с дискретизацией сигнала по времени. Фильтр низких частот (ФНЧ), предназначенный для выделения видеочастотной составляющей принятого сигнала, здесь для простоты не показан.
Далее осуществляется суммирование полученных случайных величин как по пространству (М приемных элементов антенной решетки), так и по времени.
Как показано в главе 2, если сигнал представляется в виде (2.14), то в случае нормированного опорного сигнала (амплитуда равна единице) значения отсчетов сигналов на выходах ФНЧ в квадратурных каналах А и В в момент і будут равны соответственно: 2 4г В выражения (5.9) входят исходные величины, используемые в дальнейшем для оценки характеристики обнаружения.
Иными словами, входными параметрами для оценки характеристики обнаружения схемы многоканальной обработки сигналов, представленной на рис. 2.4, будут следующие величины: q- амплитуда сигнала, принимаемого каждым элементом антеннгй решетки; h- шаг квантования для каждого типа АЦП в относительных единицах значения среднеквадратичного отклонения а; М- число принимаемых импульсов в пачке, полученных за счет пространственной или временной обработки; F- вероятность ложной тревоги; N- число статистических испытаний в методе Монте-Карло; Для неидеальных АЦП мы еще используем следующие параметры: Асм - величина систематической ошибки для неидеального АЦП; САЦП - дисперсия шумовой ошибки для неидеального АЦП; Результаты моделирования представлены в таблицах (5.1-5.20):
Похожие диссертации на Исследование характеристик многоканального цифрового приемника с фазированной антенной решеткой при малом отношении сигнал-шум
