CC BY
52
2. Аппараты в форме “квадратного бруса” (£,z << 1,£,x = £,у)допускают наибольшие мощности, рассеиваемые радиоэлементами в объеме. Форма “квадратного бруса” обеспечивает выравнивание температуры в объеме аппарата за счет существенного уменьшения параметра Бф (рис.1) по сравнению с кубической формой. Так; при £,z =0,2 (\ x =\ у = 1) допустимая мощность рассеяния P возрастает по сравнению с кубической формой в 1,5 раза, а при £, , равной 0,1, — в 2 раза. Наибольший перегрев по отношению к средней поверхностной температуре (неравномерность перегрева в объеме) уменьшается соответственно в 2 и 3,3 раза, а среднеповерхностная температура — на 20 и 34%.
УДК 621.391
АЛГОРИТМ АДАПТИВНОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ И ПОМЕХ В АНТЕННЫХ СИСТЕМАХ С ВВЕДЕНИЕМ ИСКУССТВЕННЫХ ШУМОВ
ПОСПЕЛОВ Б.Б., ГРУШЕНКО М.В.__________
Исследуется эффективность системы, реализующей алгоритм адаптации средств информационного обмена в специфических условиях функционирования авиационных средств связи. Результатами исследований являются рекомендации при решении задач модернизации самолетов ВВС.
Средства информационного обмена (ИО) являются важным элементом различных систем управления подвижными силами на суше, на море, в воздушном и космическом пространстве. Особое место отводится средствам ИО в авиации. В настоящее время существенно возросли требования по надежности, достоверности, объему, характеру и скорости передаваемой информации в авиационных линиях ИО. Для военной авиации указанные требования к средствам ИО должны выполняться в условиях ведения информационного противоборства со стороны противника. В настоящее время средства ИО в авиации практически неспособны удовлетворять возросшим требованиям в условиях ожидаемого информационного противоборства. Поэтому проблема защиты средств ИО от информационного противоборства для военной авиации очень актуальна.
Решение данной проблемы тесно связано с решени -ем важных научных и практических задач, предусматриваемых программами модернизации самолетов ВВС в государствах содружества. Важное место в решении рассматриваемой проблемы отводится внедрению адаптивной обработки сигналов и помех в антенных системах авиационных средств ИО. Такая обработка позволяет обеспечивать возрастающие требования по надежности и достоверности передачи информации без снижения пропускной способности средств ИО. Общая теория адаптивной обработки сигналов и помех в антенных
Литература: 1. Майко И.М., Синотин А.М. Экспериментальное определение эффективной теплопроводности нагретых зон радиоэлектронных аппаратов // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТРТО, 1972. № 2. С. 13-17. 2. Майко И.М., Детинов ЮМ, Синотин А.М. О теплофизическом конструировании одноблочных радиоэлектронных аппаратов с заданным тепловым режимом // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ТРТО, 1974. № 1. С. 80-87. 3. ДульневГ.Н., ТарновськийН.Н. Л.: Энергия, 1971. 248 с.
Поступила в редколегию 03.09.2003 Рецензент: д-р техн. наук, проф. Алипов Н.В.
Синотин Анатолий Мефодиевич, канд. техн. наук, доцент, методист, проф. отдела НМУ ХНУРЭ. Научные интересы: проектирование, автоматизация и производство радиоэлектронной аппартуры. Адрес: Украина, 61174, Харьков, пр. Победы, 57 Г, кв. 35, тел. 40-94-59.
системах различных средств к настоящему времени уже сформировалась [1-6]. Однако при реализации ее на борту летательных аппаратов возникает много новых научных и практических задач, требующих решения. Как показывают исследования, известные методы и алгоритмы адаптивной обработки сигналов и помех в антенных системах в условиях борта оказываются в большинстве случаев малоэффективными [7]. Объясняется это сложностью и существенной нестационарностью реальной сигнально-помеховой обстановки на борту по сравнению с используемыми идеализациями, при которых были получены известные алгоритмы. По этой причине необходимо проведение исследований, направленных на повышение эффективности известных методов и алгоритмов адаптивной обработки сигналов и помех в антенных системах в специфических условиях функционирования авиационных средств ИО. Так, складывающаяся в условиях борта сигнально-помеховая обстановка такова, что корреляционная матрица сигналов и помех на входе системы адаптивной обработки оказывается плохо обусловленной и даже может быть условно вырожденной. При этом степень обусловленности матрицы на интервале функционирования средств ИО изменяется во времени. Кроме этого, в аппаратных средствах, реализующих алгоритмы адаптации, могут возникать неконтролируемые смещения напряжений при перемножении входных сигналов.
Результаты исследования характеристической функции адаптивной антенной системы (ААС) [8] свидетельствуют о том, что добавление шумов к входным сигналам реконфигурирует форму характеристической функции ААС, приближая ее к круговому параболоиду. В этом случае, как известно, обеспечивается более эффективная работа большинства разновидностей градиентных алгоритмов адаптации ААС. В [1] исследовано влияние смещения выходного напряжения, возникающего при перемножении входных сигналов, на эффективность ААС, реализующей алгоритм адаптации по минимуму среднеквадратичного отклонения (МСКО). Показано, что смещение в целом снижает эффективность ААС и ухудшает выходное отношение сигнал/помеха/шум (ОСПШ). Однако при возрастании уровня шумов на входе ААС наблюдалось увеличение выходного ОСПШ.
30
РИ, 2003, № 4
Цель статьи: рассмотреть алгоритм адаптации МСКО с введением искусственных шумов и исследовать эффективность системы адаптивной обработки, реализующей данный алгоритм.
Рассмотрим ААС, в которой реализован алгоритм адаптации МСКО. Для введения искусственных шумов воспользуемся цепью отрицательной обратной связи с некоторым коэффициентом усиления Р , дополнительно вводимой в рассматриваемый алгоритм. Такой способ введения искусственного шума представляется наиболее простым и конструктивным. Для непрерывных сигналов алгоритм адаптации i -го весового коэффициента wj с учетом введения искусственного шума и смещения напряжения 5j при перемножении сигналов может быть представлен в виде:
dw;
—— = 2k[s(t)xj(t) + 5j]-pwj. (1)
dt
Здесь s(t) = v(t) - X Xj (t)wj — сигнал ошибки; v(t) — эталонный сигнал; Xj (t) — сигнал на выходе i-й антенны.
С учетом (1) для среднего значения вектора весовых коэффициентов W справедливо матричное уравне-
dW
ние —■—Ь 2kOW + PW = 2k(S + Д) , где ф — dt
корреляционная матрица сигналов на входе системы адаптивной обработки с элементами fjj = M{xj(t)xj(t)} ; s — вектор опорного сигнала с элементами Sj(t) = M{v(t)xj(t)}; Д — вектор смещений напряжений с элементами 5j(t) .
Представим корреляционную матрицу входных сигналов ф в виде двух составляющих, определяемых внешними мешающими сигналами, внешними шумами (Ф c ) и внутренними шумами ААС Фn, т.е. Ф = Фc + Фn . В случае независимых и одинаковых по уровню внутренних шумов в каналах матрица ф n =q 2 і , где ^2 — дисперсия внутреннего шума в каждом канале адаптивной системе. Учитывая сказанное,
dW 2
— + 2kФ cW + (2ka n + P)W = 2k(S + Д) . (2)
Из уравнения (2) следует, что в рассматриваемой конфигурации увеличение коэффициента обратной связи Р эквивалентно добавлению внутренних шумов в ААС. При этом эквивалентная дисперсия
добавочных шумов = Р/2k.
Введем матрицу Q, диагонализирующую корреляционную матрицу ф . Путем соответствующего преобразования Q _^Q = Д получим вместо ф ее диагональное отображение Д — диагональную матрицу, элементами которой являются собственные значения матрицы ф . В соответствии с введен-
ной матрицей Q определим следующие векторы:
H = Q _1W; P = Q _1S ; D = Q _1Д. С учетом введенных обозначений выражение (2) примет вид:
dH 2 2 ^
— + 2k[Л + (an + а2)I]H = 2k(P + D). dt
Для hj -й компоненты вектора H будем иметь
dh • 9 9
~7~ + 2k(^ i + а n +а a)hi = 2k(pi + di), (3) dt
где Xj — i-е собственное значение матрицы ф ; pj,dj — i-е компоненты векторов P и D соответственно. В установившемся режиме, согласно (3),
получим, что hj(ro) =
Pj + dj
Мощность
22 ^ j + ° n„+ ° a сигнала на выходе адаптивной системы в этом
случае будет определяться величиной
Pz = WT^c +аni)W . (4)
С учетом матрицы преобразования Q соотношение (4) примет вид:
Pz= Нт(Л + о ni)H = 1 h2(X j +о n).
Величина мощности P^ определяется в общем случае составляющими полезного сигнала, внешних мешающих сигналов и помех, а также тепловыми шумами, включая шумы приема. При этом будем полагать, что полезный сигнал определяется той частью входного сигнала xj (t) , которая коррелирует с эталонным сигналом v(t) . С учетом этого мощность полезного сигнала на выходе системы может быть определена величиной
Pc = (WV/v^ax . Тогда отношение мощности полезного сигнала к мощности помех и шумов на выходе будет определяться величиной
= Pc
PZ- Pc • (5>
Учитывая преобразование соответствующих компонент с учетом матрицы Q, соотношение (5) может быть представлено в виде:
$
^ (pj + di)pj 2
(Ді +а2 +а2)
у (pj + dj)2(^j +СТП) Ь (*i +°2 +°2)2
£ (Pj + dj)Pj
(Ді +о2 +а2)
2
(6)
Покажем, что в случае колинеарности векторов D и P смещения напряжений не влияют на выходное ОСПШ. Пусть dj = Cpj, тогда произведя указанную замену в (6), после преобразования получим, что
РИ, 2003, № 4
31
$
I
Pi
(^i +an +aa)
2
2 2 ^ pi (^i ^qn)
^ (Xi +a2 +a2)2
z
pi
(^i +a2 +a2)
(7)
2
При этом следует заметить, что выражение (7) не зависит от С. Из (6) следует, что при большом разбросе в величине собственных значений X г смещения, соответствующие большим собственным значениям, имеют относительно малое влияние. В случае малых собственных значений и малой величины (а П + а2) даже малое смещение di будет оказывать существенное влияние на величину выходного ОСПШ.
Для анализа (6) моделировалась четырехэлементная эквидистантная антенна с полуволновым расстоянием между элементами при воздействии источника полезного сигнала и двух источников внешних помех. Направление прихода полезного сигнала совпадало с оптической осью рассматриваемой антенной системы, а направление прихода первой и второй помехи характеризовалось значениями углов 0 , равных 20 и 40 градусов соответственно, где 0 — угол, отсчитываемый от оптической оси антенной системы. Мощность источника полезного сигнала выбиралась таковой, что на выходах антенных элементов действовали сигналы, мощность которых составляла 2,5 единицы. Источники первой и второй помехи создавали на выходе антенных элементов помехи, мощность которых на 10 и 20дБ соответственно превышала мощность полезного сигнала.
В таблице приведены в порядке убывания собственные значения матрицы Ф c для этого случая и соответствующие им значения pi, без учета внутренних шумов приема.
i *4 Pi
1 1021 0,209
2 81,846 1,634
3 5,667 2,152
4 0,01 0,0000
На рис.1-4 приведены зависимости Е, от уровня
шумов приема <j П при отсутствии искусственно П 2
вводимых в ААС шумов (q a = 0) .
Зависимость на рис.1 соответствует отсутствию смещения, а зависимости на рис.2-4 иллюстрируют влияние смещений, равных единице, для соответствующих собственных значений. Из анализа приведенных зависимостей следует, что для низких уровней шумов приема ^2 наличие смещения вызывает существенное снижение величины Е,.
от2
Рис.1
Рис.2
от2
Рис. 3
При этом если соответствующие собственные значения достаточно велики, то наличие смещений оказывает незначительное влияние на уменьшение Е,.
Аналогичные зависимости приведены на рис. 5 для собственного значения X 4. Здесь кривые получены при смещении 5 4 =3 и значениях мощности искусственного шума a a , равной 0, 1, 2.5, 5 и 10
32
РИ, 2003, № 4
соответственно. Однако при дальнейшем увеличении мощности искусственного шума наблюдается общее снижение величины Е,. На рис. 6 приведены зависимости Е, от мощности искусственного шума
при дальнейшем увеличении G? . Зависимости
2
соответствуют значениям Ga , равным 20, 50 и 100 соответственно. Следует отметить, что снижение величины Е, наступает, когда мощность искусственного шума превышает мощность полезного сигнала на входе ААС. При отсутствии смещений увеличение мощности искусственного шума, вводимого дополнительно, проявляется аналогично наличию смещений.
ои2
Рис. 5
На рис. 7 и 8 приведены аналогичные зависимости при той же величине смещения, но соответствующего различным собственным значениям корреляционной матрицы. Из анализа приведенных зависимостей следует, что наличие смещения напряжений в умножителях ААС является серьезной проблемой для вырожденной или плохо обусловленной корреляционной матрицы сигналов и помех, принимаемых на борту ЛА. Одной из причин плохой обусловленности матрицы может быть недостаточный уровень шумов приема. В этом случае градиентные алгоритмы адаптации оказываются малоэффективными. В рассматриваемой ситуации введение дополнительно в ААС искусственных шумов частично позволяет наиболее простым путем решить указанную проблему. Правда, существует ограничение на максимальный уровень таких шумов в установившемся режиме функционирования адаптивной системы.
от2
Рис. 7
Таким образом, в работе рассмотрен алгоритм адаптивной обработки сигналов и помех в антенных системах с использованием искусственных шумов, дополнительно вводимых в систему. Показано, как конструктивно это возможно осуществить. Следует отметить, что дальнейшим развитием рассматриваемого подхода на основе введения искусственных шумов в ААС является применение искусственных шумов с изменяющимся во времени уровнем в процессе адаптации, начиная с момента его начала и до момента достижения установившегося значения. Технически эту задачу можно решить путем соответствующего изменения в процессе адаптации коэффициента усиления Р , т.е.
P = P(t),t Є [0,TA] , где Ta — момент наступления установившегося режима адаптации. При этом
_2 (t) _P(t) „
дисперсия aa(1)- _, в начальный момент мо-2k
жет достигать значений, существенно превышающих уровень полезного сигнала, что обеспечит более благоприятные условия для работы градиентных алгоритмов. Затем величина а 2 должна уменьшаться до уровня, меньшего уровня полезно -го сигнала, но большего уровня шумов приема. В этом случае можно добиться повышения эффективности простых и конструктивных градиентных алгоритмов адаптации бортовых ААС в условиях, характеризуемых плохой обусловленностью корреляционной матрицы принимаемых сигналов и наличием смещений.
РИ, 2003, № 4
33
Литература: 1. Монзинго Р.А., Миллер ТУ. Адаптивные антенные решетки. Введение в теорию. М.: Радио и связь, 1986. 448 с. 2. Уидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1989. 440с. 3. Адаптивная компенсация помех в каналах связи/ Под ред. Ю.ИЛосева. М.: Радио и связь, 1988. 208с. 4. Родимое А. П, Поповский В.В. Статистическая теория поляризационно-временной обработки сигналов и помех в линиях связи. М.: Радио и связь, 1984. 272с. 5. Венскаускас К.К. Компенсация помех в судовых радиотехнических системах. Л.: Судостроение, 1989. 264с. 6. Адаптивные радиотехнические системы с антенными решетками / Журавлев А. К., Хлебников В. А., Родимов А. П. и др. Л.: Из-во Ленингр. ун-та, 1991. 544с. 7. Поспелов Б.Б. Исследование эффективности адаптивных антенных систем при нестационарности конфигурации «приемник-передатчик»// Радиоэлектроника. 2000. Т.43, №34. С. 73-76. 8. Поспелов Б.Б. Исследование целевой функции в задачах адаптивной обработки сигналов в антенных решетках //В сб. научных материалов. Вып. 1. Х.: Харьковское ВВАУС, 1981.
Поступила в редколлегию 09.09.2003
Рецензент: д-р техн. наук, проф. Хаханов В.И.
Поспелов Борис Борисович, канд. техн. наук, доцент, профессор кафедры боевого применения узлов связи, РТЗ и бортовых радиоэлектронных комплексов Харьковского института ВВС Украины. Научные интересы: проблемы адаптивной обработки сигналов в радиотехнических системах различного назначения. Адрес: Украина, 61000, Харьков, ул. Балакирева, 46, кв.90, тел. 30-82-20.
Грушенко Михаил Викторович, начальник учебного отдела Харьковского института ВВС Украины. Научные интересы: проблемы помехозащищенности авиационных радиолиний. Адрес: Украина, 61000, Харьков, ул. Дружбы народов, 206, кв. 137, тел. 772-92-36.
34
РИ, 2003, № 4
