Digitální anténní pole - Digital antenna array

Digitální anténní pole (segment přijímače)
Digitální anténní pole (část vysílače)

Digitální anténní pole (DAA) je inteligentní anténa s vícekanálovým digitálním tvarováním paprsku, obvykle pomocí rychlá Fourierova transformace (FFT). Vývoj a praktická realizace teorie digitálních anténních polí byla zahájena v roce 1962 pod vedením Vladimir Varyukhin (SSSR ).

Dějiny

Historie DAA se začala objevovat jako teorie vícekanálové analýzy ve 20. letech 20. století.[1] Ve 40. letech se z této teorie vyvinula teorie tříkanálových anténních analyzátorů.[1]

Zavedení efektivního zpracování signálu do radaru na konci 50. let předurčilo použití elektronických počítačů v této oblasti. V roce 1957 publikovali článek Ben S. Meltont a Leslie F. Bailey[2] týkající se použití algebraických operací pro zpracování signálu pomocí elektronických obvodů nebo analogového počítače.[1]

Tři roky poté, co v roce 1960 byla ztělesněna myšlenka použití vysokorychlostních počítačů k řešení problémů se zaměřením, původně k lokalizaci epicentra zemětřesení. B. A. Bolt byl jedním z prvních, kdo tuto myšlenku uplatnil v praxi.[1][3] Podobný přístup téměř současně použil Flinn, výzkumný pracovník z Australian National University.[4]

Navzdory skutečnosti, že ve zmíněných experimentech byla interakce mezi senzory a počítači implementována pomocí vstupních karet dat, bylo takové rozhodnutí rozhodujícím krokem na cestě vzhledu DAA. Poté bylo potřeba pouze vyřešit problém přímého digitálního vstupu dat do počítače ze senzorů, s výjimkou kroku přípravy děrovací karty a asistence operátora jako nadbytečného prvku.[1] Tento krok pro teorii radarů byl proveden po roce 1962 v bývalém SSSR provedeném s řešením problému superRayleighova rozlišení zdrojů emisí.[1]

Digitální tvarování paprsku

Provedeno Blokovat produkt na dělení obličeje v modelu víceúčelového radaru s DAA, který navrhl V. Slyusar v roce 1996[5]

Hlavním přístupem ke zpracování digitálního signálu v DAA je „digitální formování paprsku“ Analogově-digitální převaděče (ADC) kanálů přijímače nebo dříve Digitálně analogové převaděče (DAC) přenosem.

Digitální tvarování paprsku DAA má spoustu výhod, protože v tomto případě lze digitální signály masivně transformovat a kombinovat několika možnými způsoby paralelně, aby se získaly různé výstupní signály. Signály ze všech směrů lze odhadovat současně a integrovat po delší dobu ke zvýšení energie signálů při detekci vzdálených objektů a současně integrovat po kratší dobu k detekci rychle se pohybujících blízkých objektů.[6]

Před operací digitálního formování paprsku by měla být použita korekce charakteristik kanálů pomocí speciálního testovacího zdroje nebo pomocí heterodynního signálu.[7][8][9] Takovou korekci lze použít nejen pro příjem kanálů, ale také v přenosových kanálech aktivního DAA.[10]

Omezení přesnosti odhadu směr příjezdu jsou spojeny signály a hloubka potlačení rušení v digitálních anténních soustavách chvění ADC a DAC.[11][12]

Metody zpracování signálu

Maximální pravděpodobnost formování paprsku

v maximální pravděpodobnost beamformer (DML), je hluk modelován jako stacionární Gaussovo bílé náhodné procesy, zatímco průběh signálu jako deterministický (ale libovolný) a neznámý.

Bartlettův tvarovač paprsků

Bartlettův tvarovač paprsků je přirozeným rozšířením konvenční spektrální analýzy (spektrogram ) k DAA. Jeho spektrální síla je reprezentována

.

Úhel, který maximalizuje tento výkon, je odhadem úhlu příjezdu.

Caponův tvarovač paprsků

Caponův tvarovač paprsků, známý také jako algoritmus pro vytváření paprsků s minimální odchylkou bez zkreslení (MVDR),[13] má sílu danou

.

Tvarovač paprsků MVDR / Capon může dosáhnout lepšího rozlišení než konvenční (Bartlettův) přístup, ale tento algoritmus má vyšší složitost kvůli inverzi matice celého řádu. Technický pokrok v Výpočet GPU začali tuto mezeru zmenšovat a umožňovat formování paprsků Capon v reálném čase.[14]

MUSIC formovač paprsků

Hlavní článek: HUDBA (algoritmus)

HUDBA (Vícenásobná klasifikace ) Algoritmus formování paprsku začíná rozkladem kovarianční matice pro signálovou i šumovou část. Vlastní rozklad je reprezentován

.

MUSIC používá hlukový subprostor prostorové kovarianční matice ve jmenovateli Caponova algoritmu

.

Proto je MUSIC beamformer také známý jako podprostorový beamformer. Ve srovnání s Caponovým tvarovačem paprsků poskytuje mnohem lepší odhad DOA. Lze použít alternativní přístup ESPRIT algoritmus stejně.

Umělá inteligence

Hlavní článek: Umělá inteligence

Důležitým trendem ve vývoji digitálního zpracování signálu pro DAA je použití Umělá inteligence technologie.[15]

Příklady DAA

Radary

MIMO systémy

Hlavní článek: MIMO

Použití DAA ke zlepšení výkonu rádiové komunikace v MIMO[10] (Massive MIMO) systems.

Sonary a ultrazvukové senzory

DAA byla implementována ve velkém množství sonary a lékařský ultrazvuk senzory.[14]

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d E F Slyusar V. I. Počátky teorie digitálních antén. // Mezinárodní konference o teorii a technikách antén, 24. – 27. Května 2017, Kyjev, Ukrajina. - str. 199 - 201 [1]
  2. ^ Ben S. Meltont a Leslie F. Bailey, korektory více signálů. / / Geofyzika. - červenec, 1957. - sv. XXII, č. 3 - str. 565-588. - DOI: 10,1190 / 1,1438390
  3. ^ B. A. Bolt. Revize epicentrů zemětřesení, ohniskových hloubek a počátků použití vysokorychlostního počítače. / / Geofyzikální deník. - 1960, roč. 3, vydání 4. - Pp. 433 - 440. - DOI: 10.1111 / j.1365-246X.1960.tb01716.x.
  4. ^ E. A. Flinn. Lokální zemětřesení s elektronickým počítačem. / / Bulletin seismologické společnosti v Americe. - červenec 1960. - sv. 50, č. 3 - str. 467 - 470
  5. ^ Vadym Slyusar. Nové maticové operace pro DSP (Přednáška). Duben 1999. - DOI: 10.13140 / RG.2.2.31620.76164 / 1
  6. ^ Systémové aspekty digitálního paprsku tvořícího všudypřítomný radar, Merrill Skolnik, 2002, [2]
  7. ^ Slyusar, V. I. Oprava charakteristik přijímacích kanálů v digitálním anténním poli testovacím zdrojem v blízké zóně // Radioelectronics and Communications Systems. - 2003, VOL 46; ČÁST 1, strany 30-35.[3]
  8. ^ Slyusar, V.I. Způsob korekce charakteristik kanálů přijímajících DAA pomocí heterodynního signálu // Sborník z III. Mezinárodní konference o teorii a technikách antény, 8. – 11. Září 1999, Sevastopol, strany 244–245. [4]
  9. ^ Slyusar, V. I., Titov I.V. Oprava inteligentních antén přijímajících charakteristiky kanálů pro mobilní komunikaci 4G // Sborník IV. Mezinárodní konference o teorii a technikách antény, 9. – 12. Září 2003. Sevastopol, Pp. 374 - 375. [5]
  10. ^ A b Slyusar, V. I. Titov, I. V. Oprava charakteristik vysílacích kanálů v aktivním digitálním anténním poli // Radioelektronika a komunikační systémy. - 2004, svazek 47; ČÁST 8, strany 9-13.[6]
  11. ^ Bondarenko M.V., Slyusar V.I. „Omezení hloubky potlačení rušičky v digitálním anténním poli v podmínkách chvění ADC. // 5. mezinárodní vědecká konference o obranných technologiích, OTEH 2012. - 18. - 19. září 2012. - Bělehrad, Srbsko - strany 495 - 497“ (PDF).
  12. ^ M. Bondarenko a V.I. Slyusar. „Vliv chvění v ADC na přesnost určování směru pomocí digitálních anténních polí. // Radioelectronics and Communications Systems. - Volume 54, Number 8, 2011.- Pp. 436 - 445.-“ (PDF). doi:10.3103 / S0735272711080061.
  13. ^ J. Capon, „Analýza s vysokým rozlišením - frekvence a spektrum vlnových čísel“, Proceedings of the IEEE, 1969, Vol. 57, str. 1408–1418
  14. ^ A b Asen, Jon Petter; Buskenes, Jo Inge; Nilsen, Carl-Inge Colombo; Austeng, Andreas; Holm, Sverre (2014). "Implementace capon beamforming na GPU pro zobrazení srdečního ultrazvuku v reálném čase". Transakce IEEE v oblasti ultrazvuku, feroelektriky a řízení frekvence. 61 (1): 76–85. doi:10.1109 / TUFFC.2014.6689777. PMID  24402897. S2CID  251750.
  15. ^ Svetlana Kondratieva, Elena Ovchinnikova, Pavel Shmachilin, Natalia Anosova. Umělé neuronové sítě v digitálních anténních soustavách.//2019 Mezinárodní konference o strojírenství a telekomunikacích (EnT). Listopadu 2019.
  16. ^ Katherine Owens. Nový radar torpédoborců námořnictva provádí první letový test. 10. dubna 2017.

Tento článek včlení text Vadyma Slyusara dostupný pod CC BY-SA 3.0 licence. Text a jeho vydání obdržel Tým Wikimedia Volunteer Response Team; pro více informací viz diskusní stránka.

Další čtení

  • Odhad a sledování frekvence, Quinn a Hannan, Cambridge University Press 2001.