CC BY
196УДК 621.396.67
КАЛИБРОВКА ПРИЕМНЫХ КАНАЛОВ АДАПТИВНОЙ ЦИФРОВОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ*
Д. Д. Дмитриев1, В. Н. Ратушняк1, И. Н. Карцан2, М. И. Толстопятов2, С. В. Ефремова2
1 Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660041, г. Красноярск, просп. Свободный, 79 2Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
Рассматриваются вопросы калибровки приемных каналов для адаптивной цифровой антенной решетки (умной антенны).
Ключевые слова: адаптивная цифровая антенная решетка (АЦАР), калибровка, частотные характеристики.
RECEIVING CHANNEL CALIBRATION FOR SMART ANTENNAS
D. D. Dmitriyev1, V. N. Ratushnyak1, I. N. Kartsan2, M. I. Tolstopyatov2, S. V. Еfremova2
1 Siberian Federal University 79, Svobodny Av., Krasnoyarsk, 660041, Russian Federation
2Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]
In this paper, the authors discuss the problem of channel calibration for receiving channels of smart antennas (digital adaptive antenna arrays).
Keywords: digital adaptive antenna array (smart antenna), channel calibration, frequency characteristics.
Технические характеристики адаптивной цифровой антенной решетки (АЦАР), и, в первую очередь, коэффициент подавления помех, во многом зависят от идентичности приемных каналов. Частотные характеристики (ЧХ) приемных трактов уменьшает межканальную корреляцию помех и эффективность их подавления. Наибольший вклад в формирование ЧХ аналоговых трактов вносят частотно-избирательные устройства - фильтры [1]. Устройствам частотно-избирательных элементов присущ значительный разброс ЧХ и задержки от образца к образцу, поэтому наличие различий амплитудных колебаний (пульсаций) в полосе пропускания фильтров от экземпляра к экземпляру требует применения специальной коррекции и выравнивания ЧХ. Основная составляющая неравномерности разности фазочастотной характеристики (ФЧХ) в каналах связана с несовпадением задержек в каналах, которая, в принципе, может быть устранена за счет калибровки каналов.
Аналоговая реализация коррекции на современном этапе не способна обеспечить требуемые условия близости ЧХ каналов, поэтому наиболее перспективной является реализация способов компенсации частотных характеристик в цифровом виде после дискретизации колебаний. В тоже время, перенос значительной части функций цифровой обработки сигналов позволяет реализовывать высокоточные и гибкие ал-
горитмы коррекции частотных характеристик, что повышает требования к производительности вычислительного блока.
Одним из способов коррекции комплексных частотных характеристик (КЧХ) приемных каналов заключается в следующем. Генератор помех вырабатывает гармоническую помеху одинаковую для главного и дополнительного приемного канала (см. рисунок).
Пилот-помеха при прохождении через разные приемные аналоговые тракты подвергается искажениям и, как следствие, межканальной декорреляции в этих каналах. При переводе в цифровой вид в блоке компенсации помех дополнительного канала формируются весовой коэффициент для ее компенсации на основе рекуррентной оценки обратной корреляционной матрицы помех адаптивными процессорами.
На основе рекурсивного алгоритма производится вычисление поправочного весового коэффициента Я0, при выборе которого наблюдается минимальный спектр мощности помехи калибруемого канала. Для анализа остатков некомпенсированной помехи и уровня подавления помех используется анализатор спектра. В персональной электронной вычислительной машине (ПЭВМ) формируется значение поправочного, калиброванного весового коэффициента и вводится в адаптивный процессор соответствующего канала.
*Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (соглашение от 03.10.2016 г. № 14.577.21.0220, уникальный идентификатор проекта КЕМБИ57716Х0220).
Решетневскуе чтения. 2017
Структурная схема коррекции КЧХ системы подавления помех
Определение поправочных весовых коэффициентов производится при одинаковой помехе на входе всех каналов компенсатора в установившемся режиме. Таким образом, обеспечивается дополнительная подстройка каналов, обеспечивая уменьшение расхождения их частотных характеристики и задержек сигналов. Для коррекции КЧХ всех каналов приема необходимо последовательно произвести данным способом формирование поправочных весовых коэффициентов каждого канала относительно друг друга [1].
Необходимо отметить, что эффективность калибровки снижается в процессе эксплуатации, а также при воздействии дестабилизирующих факторов, таких, например, как изменение температуры. Влияние внешних факторов как влажность, давление, механические вибрации и процесса «старения» аппаратуры на колебания и задержки сигналов в полосе пропускания частотно-избирательных элементов аналоговых трактов приема еще требует проведения дополнительных теоретических и экспериментальных исследований [1-2].
Существенное влияние на технические характеристики АЦАР оказывают и межканальные временные задержки сигналов в трактах приема. Источником задержки сигналов в антеннах приемных каналов являются соединительные кабели, электрическая длина которых может быть различна. Принимая скорость распространения сигнала в медном кабеле 1/2 скорости света, погрешности в 1 градус по фазе несущей частоты соответствует разность геометрической длины кабелей 0,3 мм. Кроме того, на электрическую длину влияют соединения и распайка разъемов. Еще один источник задержки сигналов - малошумящий
усилитель (МШУ). Сам усилитель также является достаточно широкополосным устройством с малыми геометрическими размерами, поэтому разброс по задержке сигналов у них невелик. Однако в МШУ применяются полосовые фильтры для защиты от внепо-лосных помех. Эти фильтры имеют задержку сигнала от 3 до 5 нс, что намного превышает период полезного сигнала [3]. Сами облучатели антенн являются достаточно широкополосными устройствами, поэтому фазовые характеристики у них совпадают с высокой точностью, в том числе и задержка сигнала.
Таким образом, при разработке АЦАР требуется решение задач калибровки и юстировки, а именно:
1) учет задержек сигнала в приемных трактах в целях компенсации фазовых сдвигов при формировании диаграммы направленности;
2) учет абсолютных задержек приемных трактов в целях обеспечения метрологических характеристик;
3) измерение межканальных задержек сигналов;
4) измерение межлитерных задержек в каждом канале.
Библиографические ссылки
1. Пат ЯИ 2618520 Российская Федерация, МПК51 в018 1/00, в018 5/02. Способ угловой ориентации объекта по радионавигационным сигналам космических аппаратов / В. Н. Тяпкин, В. Н. Ратуш-няк, Д. Д. Дмитриев, А. Б. Гладышев, Н. С. Кремез ; заявитель ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», № 2016114995 ; заявл. 18.04.2016 ; опубл. 04.05.2017.
2. Дмитриев Д. Д., Карцан И. Н. Адаптивные антенные решетки с цифровым формированием луча //
Решетневские чтения : материалы XX Юбилейной междунар. науч.-практ. конф., посвящ. памяти генерального конструктора ракет.-космич. систем акад. М. Ф. Решетнева : в 2 ч. Ч. 1 / Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2016. С. 263-265.
3. Определение навигационных параметров объектов в условиях действия помех различного происхождения / И. Н. Карцан, А. С. Тимохович, Т. И. Карцан, Д. Д. Дмитриев // Вестник СибГАУ. 2015. Т. 16, № 4. С. 891-897.
References
1. Tyapkin V. N., Ratushnyak V. N., Dmitriev D. D., Gladyshev A. D., Kremez N. S. Sposob uglovoi orientatsii ob"ekta po radionavigatsionnym signalam kosmicheskikh apparatov [Method for angular orientation of objects by radio signals from spacecraft]. Russian
Federation pat. RU 2618520, MPK51 G01S 1/00, G01S 5/02, filed by Siberian Federal University, no. 2016114995; filed 18 April 2016, and issued 4 May 2017. (In Russ.)
2. Dmitriev D. D., Kartsan I. N. [Adaptive antenna arrays with digital beamforming]. Reshetnevskiye tchteniya [Proceedings of XVII International. Scientific. Conf. "Reshetnev reading"], Krasnoyarsk, 2016. Vol. 1, No. 20. P. 263-265. (In Russ.)
3. Kartsan I. N., Timohovich A. S., Kartsan T. I., Dmitriev D. D. Determining navigation parameters of objects under the action of interference of various origins // Vestnik SibSAU. 2015. Vol. 16, No. 4. P. 891-897.
© Дмитриев Д. Д., Ратушняк В. Н., Карцан И. Н., Толстопятов М. И., Ефремова С. В., 2017
