Цифровая антенная решетка

Цифровая антенная решетка (DAA) — это интеллектуальная антенна с многоканальным цифровым формированием диаграммы направленности, обычно с использованием быстрого преобразования Фурье (FFT). Разработка и практическая реализация теории цифровых антенных решеток началась в 1962 году под руководством Владимира Варюхина ( СССР ).

История

История DAA начала зарождаться как теория многоканального анализа в 1920-х годах. ^[1] В 1940-е годы эта теория развилась в теорию трехканальных антенных анализаторов. ^[1]

Внедрение к концу 50-х годов эффективной обработки сигналов в радарах предопределило использование в этой области электронно-вычислительных машин. В 1957 году Бен С. Мелтонт и Лесли Ф. Бэйли опубликовали статью. ^[2] относительно использования алгебраических операций для обработки сигналов с помощью электронных схем или аналогового компьютера. ^[1]

Через три года, в 1960 году, была воплощена идея использования высокоскоростных компьютеров для решения задач пеленгации, первоначально для определения местоположения эпицентра землетрясения. Б. А. Болт был одним из первых, кто реализовал эту идею на практике. ^[1]^[3] Почти одновременно аналогичный подход использовал Флинн, научный сотрудник Австралийского национального университета. ^[4]

Несмотря на то, что в упомянутых экспериментах взаимодействие датчиков и компьютеров было реализовано с помощью карт ввода данных, такое решение стало решающим шагом на пути появления ДАА. Тогда нужно было лишь решить проблему прямого ввода цифровых данных в компьютер с датчиков, исключив этап подготовки перфокарты и помощь оператора как лишнего элемента. ^[1] Этот шаг для теории радиолокации был сделан после 1962 г., когда в бывшем СССР проводилось решение проблемы сверхрэлеевского разрешения источников излучения. ^[1]

Цифровое формирование луча

Основным подходом к цифровой обработке сигналов в DAA является «цифровое формирование диаграммы направленности» после аналого-цифровых преобразователей (АЦП) каналов приемника или перед цифро-аналоговыми преобразователями (ЦАП) при передаче.

Цифровое формирование диаграммы направленности DAA имеет преимущества, поскольку цифровые сигналы можно преобразовывать и комбинировать параллельно для получения различных выходных сигналов. Сигналы со всех направлений могут оцениваться одновременно и интегрироваться в течение более длительного времени для увеличения энергии сигналов при обнаружении удаленных объектов и одновременно интегрироваться в течение более короткого времени для обнаружения быстро движущихся близких объектов. ^[6]

Перед операцией цифрового формирования диаграммы направленности следует провести коррекцию характеристик каналов специальным тестовым источником или с помощью гетеродинного сигнала. ^[7]^[8]^[9] Такая коррекция может быть использована не только для каналов приема, но и для каналов передачи активной ДАА. ^[10]

Ограничения на точность оценки направления прихода сигналов и глубину подавления помех в цифровых антенных решетках связаны с джиттером в АЦП и ЦАП . ^[11]^[12]

Методы обработки сигналов

Формирователь луча максимального правдоподобия

В формирователе луча максимального правдоподобия (DML) шум моделируется как стационарный гауссовский белый случайный процесс, а форма сигнала — как детерминированная (но произвольная) и неизвестная.

Формирователь луча Бартлетта

Формирователь луча Бартлетта является естественным продолжением традиционного спектрального анализа ( спектрограммы ) для DAA. Его спектральная мощность представлена

${\hat {P}}_{Bartlett}(\theta )={\boldsymbol {v}}^{H}{\boldsymbol {R}}{\boldsymbol {v}}\ \ (1)$ .

Угол, который максимизирует эту мощность, является оценкой угла прихода.

Формирователь луча Капон

Формирователь луча Capon, также известный как алгоритм формирования луча без искажений с минимальной дисперсией (MVDR), ^[13] имеет силу, данную

${\hat {P}}_{Capon}(\theta )={\frac {1}{{\boldsymbol {v}}^{H}{\boldsymbol {R}}^{-1}{\boldsymbol {v}}}}\ \ (2)$ .

Формирователь луча MVDR/Capon может обеспечить лучшее разрешение, чем традиционный подход (Бартлетта), но этот алгоритм имеет более высокую сложность из-за инверсии матрицы полного ранга. Технические достижения в области вычислений на графических процессорах начали сокращать этот разрыв и делать возможным формирование луча Capon в реальном времени. ^[14]

МУЗЫКАЛЬНЫЙ формирователь луча

Алгоритм формирования диаграммы направленности MUSIC ( MUltiple Signal Classification ) начинается с разложения ковариационной матрицы как для сигнальной, так и для шумовой части. Собственное разложение представлено

${\boldsymbol {R}}={\boldsymbol {U}}_{s}{\boldsymbol {\Lambda }}_{s}{\boldsymbol {U}}_{s}^{H}+{\boldsymbol {U}}_{n}{\boldsymbol {\Lambda }}_{n}{\boldsymbol {U}}_{n}^{H}\ \ (3)$ .

МУЗЫКА использует шумовое подпространство пространственной ковариационной матрицы в знаменателе алгоритма Кейпона.

${\hat {P}}_{MUSIC}(\theta )={\frac {1}{{\boldsymbol {v}}^{H}{\boldsymbol {U}}_{n}{\boldsymbol {U}}_{n}^{H}{\boldsymbol {v}}}}\ \ (4)$ .

Поэтому формирователь луча MUSIC также известен как подпространственный формирователь луча. По сравнению с формирователем луча Capon он дает гораздо лучшую оценку DOA.В качестве альтернативного подхода ESPRIT также можно использовать алгоритм .

Искусственный интеллект

Важной тенденцией в развитии цифровой обработки сигналов для DAA является использование технологий искусственного интеллекта . ^[15]

Примеры ДАА

Радары

F220 Гамбург со SMART-L
SMART-L на борту F221 Hessen
Жираф АМБ , 2007 г.
«Воронеж-М» , Лехтуси. РЛС
РЛС AN/TPY-2 , THAAD
КАПТОР-Э, ДСЭИ -2019
AMDR AN/SPY-6 (цифровое формирование луча) ^[16])

MIMO-системы

Использование DAA для улучшения производительности радиосвязи в MIMO ^[10] (Massive MIMO) системы.

Сонары и ультразвуковые датчики

DAA был реализован во многих гидролокаторах и медицинских ультразвуковых датчиках. ^[14]

ALOKA SSD-3500SV с 256 каналами

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Слюсарь В.И. Истоки теории цифровых антенных решеток.// Международная конференция по теории и технике антенн, 24–27 мая 2017, Киев, Украина. – Пс. 199 - 201 [1]
^ Бен С. Мелтонт и Лесли Ф. Бейли, Корреляторы множественных сигналов. // Геофизика. - Июль 1957. - Том. XXII, № 3. - С. 565-588. - DOI: 10.1190/1.1438390
^ Б. А. Болт. Проверка эпицентров, глубины очага и времени возникновения землетрясений с помощью высокоскоростного компьютера.//Геофизический журнал. - 1960, Том. 3, Выпуск 4. - С. 433 — 440. — DOI: 10.1111/j.1365-246X.1960.tb01716.x.
^ Э. А. Флинн. Локализация землетрясений с помощью электронного компьютера.//Бюллетень Сейсмологического общества Америки. - Июль 1960. - Вып. 50, № 3. – С. 467 - 470
^ Вадим Слюсарь. Новые матричные операции для DSP (лекция). Апрель 1999 г. - DOI: 10.13140/RG.2.2.31620.76164/1.
^ Системные аспекты повсеместного радара с формированием цифрового луча , Merrill Skolnik, 2002, [2]
^ Слюсарь, В.И. Коррекция характеристик приемных каналов в цифровой антенной решетке пробным источником ближней зоны // Радиоэлектроника и системы связи. – 2003, ТОМ 46; ЧАСТЬ 1, стр. 30-35. [3]
^ Слюсарь, В.И. Способ коррекции характеристик приемных каналов ДАА с использованием гетеродинного сигнала // Материалы III Международной конференции по теории и технике антенн, 8–11 сентября 1999 г., Севастополь, стр. 244 - 245. [4]
^ Слюсарь В.И., Титов И.В. Коррекция характеристик приемных каналов интеллектуальных антенн для мобильной связи 4G // Материалы IV-й Международной конференции по теории и технике антенн, 9–12 сентября 2003. Севастополь, С. 374 – 375. [5]
^ Jump up to: ^а ^б Слюсарь, В.И. Титов, И.В. Коррекция характеристик каналов передачи в активной цифровой антенной решетке // Радиоэлектроника и системы связи. – 2004, ТОМ 47; ЧАСТЬ 8, стр. 9–13. [6]
^ Бондаренко М.В., Слюсарь В.И. «Предельная глубина подавления помех в цифровой антенной решетке в условиях джиттера АЦП.// 5-я Международная научная конференция по оборонным технологиям, ОТЕХ 2012. - 18 - 19 сентября 2012. - Белград, Сербия. - С. . 495–497 дюймов (PDF) .
^ М. Бондаренко и В. И. Слюсарь. «Влияние джиттера в АЦП на точность пеленгации цифровыми антенными решетками. // Радиоэлектроника и системы связи. - Том 54, номер 8, 2011. - С. 436 - 445.-» (PDF) . дои : 10.3103/S0735272711080061 .
^ Дж. Капон, «Анализ частотно-волнового спектра высокого разрешения», Труды IEEE, 1969, Vol. 57, стр. 1408–1418.
^ Jump up to: ^а ^б Асен, Джон Петтер; Бускенес, Джо Инге; Нильсен, Карл-Инге Коломбо; Остенг, Андреас; Холм, Сверре (2014). «Реализация формирования луча капона на графическом процессоре для ультразвуковой визуализации сердца в реальном времени». Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 61 (1): 76–85. дои : 10.1109/TUFFC.2014.6689777 . ПМИД 24402897 . S2CID 251750 .
^ Светлана Кондратьева, Елена Овчинникова, Павел Шмачилин, Наталья Аносова. Искусственные нейронные сети в цифровых антенных решетках .//2019 Международная конференция по технике и телекоммуникациям (EnT). Ноябрь 2019.
^ Кэтрин Оуэнс. Новый радар эсминца ВМФ проводит первые летные испытания. Архивировано 14 сентября 2020 г. в Wayback Machine 10 апреля 2017 г.

В эту статью включен текст Вадима Слюсаря, доступный по лицензии CC BY-SA 3.0 . Текст и его публикация были получены группой реагирования волонтеров Викимедиа. ; дополнительную информацию смотрите на странице обсуждения .

Дальнейшее чтение

Оценка и отслеживание частоты , Куинн и Ханнан, Cambridge University Press, 2001.

[slyusardaa-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Слюсарь В.И. Истоки теории цифровых антенных решеток.// Международная конференция по теории и технике антенн, 24–27 мая 2017, Киев, Украина. – Пс. 199 - 201 [1]

[2] Бен С. Мелтонт и Лесли Ф. Бейли, Корреляторы множественных сигналов. // Геофизика. - Июль 1957. - Том. XXII, № 3. - С. 565-588. - DOI: 10.1190/1.1438390

[3] Б. А. Болт. Проверка эпицентров, глубины очага и времени возникновения землетрясений с помощью высокоскоростного компьютера.//Геофизический журнал. - 1960, Том. 3, Выпуск 4. - С. 433 — 440. — DOI: 10.1111/j.1365-246X.1960.tb01716.x.

[4] Э. А. Флинн. Локализация землетрясений с помощью электронного компьютера.//Бюллетень Сейсмологического общества Америки. - Июль 1960. - Вып. 50, № 3. – С. 467 - 470

[lecture-5] Вадим Слюсарь. Новые матричные операции для DSP (лекция). Апрель 1999 г. - DOI: 10.13140/RG.2.2.31620.76164/1.

[6] Системные аспекты повсеместного радара с формированием цифрового луча , Merrill Skolnik, 2002, [2]

[7] Слюсарь, В.И. Коррекция характеристик приемных каналов в цифровой антенной решетке пробным источником ближней зоны // Радиоэлектроника и системы связи. – 2003, ТОМ 46; ЧАСТЬ 1, стр. 30-35. [3]

[8] Слюсарь, В.И. Способ коррекции характеристик приемных каналов ДАА с использованием гетеродинного сигнала // Материалы III Международной конференции по теории и технике антенн, 8–11 сентября 1999 г., Севастополь, стр. 244 - 245. [4]

[9] Слюсарь В.И., Титов И.В. Коррекция характеристик приемных каналов интеллектуальных антенн для мобильной связи 4G // Материалы IV-й Международной конференции по теории и технике антенн, 9–12 сентября 2003. Севастополь, С. 374 – 375. [5]

[MIMO-10] Jump up to: ^а ^б Слюсарь, В.И. Титов, И.В. Коррекция характеристик каналов передачи в активной цифровой антенной решетке // Радиоэлектроника и системы связи. – 2004, ТОМ 47; ЧАСТЬ 8, стр. 9–13. [6]

[slyusarjitter-11] Бондаренко М.В., Слюсарь В.И. «Предельная глубина подавления помех в цифровой антенной решетке в условиях джиттера АЦП.// 5-я Международная научная конференция по оборонным технологиям, ОТЕХ 2012. - 18 - 19 сентября 2012. - Белград, Сербия. - С. . 495–497 дюймов (PDF) .

[slyusarDoA-12] М. Бондаренко и В. И. Слюсарь. «Влияние джиттера в АЦП на точность пеленгации цифровыми антенными решетками. // Радиоэлектроника и системы связи. - Том 54, номер 8, 2011. - С. 436 - 445.-» (PDF) . дои : 10.3103/S0735272711080061 .

[13] Дж. Капон, «Анализ частотно-волнового спектра высокого разрешения», Труды IEEE, 1969, Vol. 57, стр. 1408–1418.

[sonar-14] Jump up to: ^а ^б Асен, Джон Петтер; Бускенес, Джо Инге; Нильсен, Карл-Инге Коломбо; Остенг, Андреас; Холм, Сверре (2014). «Реализация формирования луча капона на графическом процессоре для ультразвуковой визуализации сердца в реальном времени». Транзакции IEEE по ультразвуку, сегнетоэлектрике и контролю частоты . 61 (1): 76–85. дои : 10.1109/TUFFC.2014.6689777 . ПМИД 24402897 . S2CID 251750 .

[15] Светлана Кондратьева, Елена Овчинникова, Павел Шмачилин, Наталья Аносова. Искусственные нейронные сети в цифровых антенных решетках .//2019 Международная конференция по технике и телекоммуникациям (EnT). Ноябрь 2019.

[16] Кэтрин Оуэнс. Новый радар эсминца ВМФ проводит первые летные испытания. Архивировано 14 сентября 2020 г. в Wayback Machine 10 апреля 2017 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]