Глава 7. Адаптивные антенные решетки в системах радиосвязи с псевдослучайной перестройкой рабочей частоты7.1. Влияние сигналов с ППРЧ на характеристики адаптивной антенной решеткиОдним из эффективных комбинированных (совместных) способов повышения помехозащищенности СРС в условиях сложной сигнально-помеховой обстановки является одновременное применение адаптивных антенных решеток (ААР) и сигналов с ППРЧ. В зависимости от характера выполняемых операций по обработке принимаемых сигналов совместное использование пространственной обработки с помощью ААР и сигналов с перестройкой частоты может быть реализовано тремя основными способами [71,72]: 1) последовательным выполнением операций "пространственная обработка сигналов - устранение скачков частоты" (ПОС-УСЧ); 2) последовательным выполнением операций "устранение скачков частоты - пространственная обработка сигналов" (УСЧ-ПОС); 3) параллельным выполнением операций "пространственная обработка сигналов - устранение скачков частоты" (ПОС||УСЧ). В первом случае пространственная обработка сигналов должна осуществляться в широкой полосе частот, соответствующей полосе расширенного спектра сигнала с ППРЧ. Поэтому при реализации способа ПОС-УСЧ необходимо обеспечение высокого быстродействия алгоритмов пространственной обработки сигналов. В расширенной полосе частот СРС с ППРЧ, как правило, находятся мешающие сигналы. В силу этого, для решения задачи повышения помехозащищенности СРС необходимо формирование нулей диаграммы направленности ААР на все посторонние источники, работающие на фиксированных частотах. Таким образом, недостаток первого способа обработки состоит в необходимости формирования большого числа нулей диаграммы направленности (ДН) антенны в пространственно-частотной области, которая определяется шириной полосы частот и ее загрузкой мешающими источниками радиоизлучений. При втором способе обработки сначала осуществляется устранение скачков частоты, что позволяет обеспечить в дальнейшем узкополосную пространственную обработку сигналов, повышающую эффективность применения ААР. На рис.7.1 изображена структурная схема приемного устройства СРС с ППРЧ и ААР, реализующая 2-й способ обработки (УСЧ-ПОС). На рисунке обозначено: Рис. 7.1. Синтезатор частот и смеситель преобразовывают скачкообразно изменяемые по частоте сигналы Наиболее перспективным, но и достаточно сложным для реализации способом является параллельное использование пространственной обработки сигналов и устранения скачков частоты (ПОС||УСЧ). При этом возможны различные варианты построения ААР: так, например, устранение скачков частоты сигналов с ППРЧ может осуществляться либо в трактах каждого АЭ, либо на выходе сумматора антенной решетки. Так как спектр информационного сигнала при ППРЧ занимает очень малую часть всего расширенного диапазона частот, то формирование диаграммы направленности может осуществляться традиционным путем комплексного взвешивания [73,74]. Однако непосредственное применение классических алгоритмов пространственной обработки при их совместном использовании с перестраиваемыми по частоте сигналами не позволяет получить суммарного выигрыша в повышении помехозащищенности СРС за счет применения сигналов с ППРЧ и ААР. Это объясняется влиянием скачков частоты на рабочие характеристики ААР, проявляющемся в появлении паразитной модуляции как амплитуды, так и фазы выходного сигнала ААР. Наличие такой модуляции приводит к изменению во времени и уменьшению отношения сигнал-(помеха+шум) (ОСПШ) на выходе ААР и, как следствие этого, к увеличению вероятности ошибки принимаемого сигнала. Причиной возникновения модуляции выходного сигнала ААР является то, что скачок частоты принимаемого сигнала эквивалентен изменению его угла прихода. Действительно, при изменении угла прихода сигнала
где При скачке несущей частоты принимаемого сигнала на величину
Таким образом, скачок несущей частоты принимаемого сигнала ААР при том же угле его прихода
Для малых значений
В результате, если адаптация осуществляется путем использования только адаптивных весовых коэффициентов, то ААР не может отличать изменения фазового сдвига, вызванные этими разными причинами. Для анализа влияния сигналов с ППРЧ на рабочие характеристики ААР воспользуемся результатами работ [75,76], в которых рассматривается трехэлементная АР с адаптацией по критерию минимума среднеквадратической ошибки (МСКО). На рис.7.2 изображена структурная схема такой ААР. Рис. 7.2. На рисунке обозначено: Весовые коэффициенты в процессоре, реализующем критерий МСКО, формируются с помощью цепей корреляционной обратной связи, минимизирующей среднюю мощность сигнала ошибки Положим, что АР принимает полезный сигнал
На входе процессора адаптации суммарный сигнал можно записать в виде:
Полезный сигнал Для устранения скачков частоты полезного сигнала
где
Для проведения дальнейшего анализа положим: При сделанных предположениях и введенных обозначениях вектор сигнала
где В результате устранения скачков частоты вектор полезного сигнала на входе процессора адаптации
где
После смещения по частоте и фильтрации в ПФ вектор помехи
где
Из (7.10) и (7.12) видно, что смодулированная непрерывная помеха с выхода АЭ в результате смешения по частоте преобразуется в импульсную помеху на входе процессора адаптации. Длительность такой помехи зависит от продолжительности работы на одной частоте, а ее скважность определяется законом формирования ППРЧ. Аналогичная ситуация будет иметь место и при условии присутствия в расширенном диапазоне частот двух и более разнесенных в пространстве источников узкополосных помех. Собственные шумы
где Подставляя (7.7), (7.10) и (7.14) в (7.2), получим результирующий сигнал на входе процессора адаптации ВК. Зная вектор результирующего сигнала
где
Так как вектор полезного сигнала
где Для определения опорного корреляционного вектора
В этом случае опорный корреляционный вектор
Как видно из (7.19) и (7.21), ковариационная матрица Таким образом, за время одного периода скачка частоты из всей комбинации частот сигнала
Допустим, что вектор ВК Используя [75] и приведенные выражения, решение системы дифференциальных уравнений (7.22) для
Начальные значения ВК для каждого частотного элемента сигнала с ППРЧ (скачка частоты) при данном начальном значении В случае, если
где для упрощения обозначений использовались Запись последней системы уравнений (7.24) после перегруппировки элементов может быть представлена в стандартной матричной форме [75]:
Систему уравнений (7.25) относительно вектора начальных данных можно решить численно, a Из изложенного следует, что весовые коэффициенты изменяются во времени, следовательно, ААР осуществляет модуляцию выходного полезного сигнала. Полезный сигнал на выходе ААР можно представить в виде:
или, учитывая выражение (7.7),
Мощность полезного сигнала
Выражения для модуляции огибающей
Используя
отношение сигнал-(помеха+шум) на выходе ААР запишется следующим образом:
Здесь В [75] моделированием на ЭВМ получены многочисленные графические зависимости, характеризующие воздействие сигналов с ППРЧ, имеющей две частоты, на трехэлементную ААР, реализующую критерий МСКО. В качестве примера на рис.7.3,а-в изображены графики зависимости огибающей (7.30) и фазы (7.31) выходного полезного сигнала Рис. 7.3. При моделировании было принято: Как видно на рис.7.3, огибающая и фаза сигнала, а также ОСПШ имеют ступенчатый характер. Это объясняется тем, что, как указывалось выше, скачок частоты сигнала при данном направлении его прихода эквивалентен изменению угла прихода сигнала. Скачок частоты на Приведенные выше анализ и графические зависимости (рис.7.3,а-в) наглядно показывают негативное воздействие сигналов с ППРЧ на рабочие характеристики ААР, реализующей критерий МСКО.
|