Цифрове діаграммоутворення (стр. 2 из 10)

Класичний аналоговий радіозв’язок фактично вже не використовується в корпусній, бригадній і батальйонній ланках управління військами. На зміну йому прийшли бездротові інформаційні мережі, що дозволяють одержувати не тільки формалізовані повідомлення про розкриті і знищені цілі, втрати, витрату боєприпасів і пального, але й відеозображення з місця бойових дій, інформацію від розвідувальних безпілотних літальних апаратів, літаків радіоелектронного спостереження й спостереження за наземними цілями.

У збройних силах США пропонується поетапна реалізація програми створення інформаційної мережі поля бою (WIN-T– WarfighterInformationNetworkTactical), що передбачає реорганізацію дивізій у “комп’ютеризовані” (рис. 1.3). Метою реорганізації є зменшення бойового і чисельного складу дивізії з одночасним зростанням її бойової ефективності за рахунок підвищення мобільності, досягнення абсолютної переваги в інформаційному забезпеченні і розвідувальних можливостях.

Рис. 1.3. Архітектура WIN-T.

Така концепція ведення бойових дій можлива лише при умові забезпечення безперебійного зв’язку на всьому театрі воєнних дій кожного солдата танка чи вертольота Що можна забезпечити лише при найбільш сприятливих умовах (чіткому розрахунку напрямків на кореспондентів, врахування рельєфу місцевості, відсутності перешкод і найголовніше відсутності впливу противника на систему будь-яким чином).

Однак, слід пам’ятати що військові системи мають ряд особливостей. Так, особливостей сучасних тактичних мереж зв’язку можливо віднести:

– динамічну топологію (мобільні вузли мережі, піддаються знищенню та відмовам; канали радіозв’язку нестабільні, мають обмежені дальність зв’язку й пропускну здатність через вплив радіоелектронної протидії супротивника, взаємних перешкод, умов поширення радіохвиль тощо);

– обмежені потужність і час передачі абонентів, оснащених радіотерміналами з акумуляторними батареями;

– значна розмірність мереж ( десятки або сотні елементів);

– неоднорідність елементів мережі: за мобільністю (танк, солдат, вертоліт, літак), за рівнем продуктивності (мобільна базова станція, мобільний абонент).

В той же час, основними технічними вимогами для наступного покоління систем зв’язку є:

інтеграція всіх видів трафіка (мова, дані, відео, відеоконференція);

повна мобільність всіх абонентів і елементів мережі;

забезпечення заданої якості обслуговування користувачів (QoS) на значних географічних територіях в умовах застосування як звичайної, так і ядерної, біологічної та хімічної зброї;

гарантована засекреченість усіх видів інформації;

мінімальна участь людини в питаннях планування й ведення зв’язку.

Проведений аналіз можливих варіантів побудови архітектури мереж тактичної ланки продемонстрував переваги застосування мобільних радіомереж на основі використання цифрових антенних решіток (ЦАР), як платформ для створення мереж необхідних конфігурацій. При доведенні ЦАР до кожного елементу бойового порядку підрозділу можливе створення надійного зв’язку на всьому ТВД тактичної ланки управління. Однак, всі переваги цифрових антен які можуть бути використанні в системах зв’язку військового призначення можливі лише при точному розрахунку геометрії цифрових антенних решіток і особливостей цифрового діаграмо утворення (ЦДУ).

1.2 Особливості обробки сигналів в системах зв’язку з ЦДУ

Серед множини новітніх технологій, які досить вдало втілюються у різноманітні концепції систем зв’язку (СЗ), найбільш вагомими є технології ЦДУ. Вони вже розглядаються в якості бази для побудови приймально-передавальних засобів. ЦДУ займаються практично у всіх технічно розвитих країнах світу. Без них не обходяться концепції мобільного зв’язку 3-го і 4-го поколінь. ЦДУ реалізується, як відомо, за допомогою цифрових антенних решіток (ЦАР) [1], за кордоном також іменованих Smart-антенами. Ці поняття краще відображують сутність можливостей, наданих технологією ЦДУ, завдяки яким антенні системи стають все більш “інтелектуальними”.

Які ж переваги нового класу антенних систем перед традиційними антенами, в тому числі перед їхнім прототипом – фазованими антенними решітками (ФАР)? Для відповіді на це питання необхідно зробити короткий аналіз схемотехнічних засад побудови ЦАР [2-5].

Цифрова антенна решітка – це антенна система, що являє собою сукупність аналого-цифрових каналів із загальним фазовим центром, у якій діаграма спрямованості формується в цифровому виді, без фазообертачів (рис. 1.4). Теоретичні засади такого підходу до побудови антен були закладені ще в 60-70 рр. минулого сторіччя. Однак лише тепер, з розвитком мікропроцесорної техніки, стало можливим практично реалізувати накопичений науковий досвід.

Рис.1.4. Ідеалізований варіант приймально–передавального базового модулю ЦАР.

В ЦАР можливо формувати одночасно кілька променів ДС, а в ФАР у загальному випадку тільки один промінь при прийомі сигналів. При цьому процес діаграмоутворення фактично зводиться до зваженого додаванню цифрових відліків напруг сигналів. У СЗ такий підхід дозволяє одержати низку помітних переваг порівняно з традиційною антенною технікою. Серед них слід зазначити можливість стійкого функціонування в умовах багатопроменевого поширення радіохвилі та наявність активних завад штучного походження, досягнення високої завадозахищеності телекомунікаційних магістралей. Застосування адаптивних приймально-передавальних ЦАР дозволяє реалізувати одночасний прийом множини радіосигналів у широкому просторовому секторі з послідуючим вимірюванням параметрів кожного з них. Цифровим додаванням сигналів при такій просторово-часовій обробці збільшується миттєвий динамічний діапазон СЗ до значень, принципово недосяжних в аналоговій техніці (в ультразвуковій ЦАР отриманий динамічний діапазон 150 дБ, а в гідроакустичних близько 200 дБ [6]). Це є фундаментом до реалізації високої завадозахищеності таких систем, котрі обслуговуються і цифровим формуванням високо ідентичних частотних фільтрів по виходам приймальних каналів. При цьому можливо здійснення оперативної програмної реконфігурації радіомереж одночасно зі стійким супроводом рухомих кореспондентів окремими променями ДС (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Супроводження рухомих абонентів окремими променями ДС.

Внаслідок цього створюються передумови для ефективного вирішення таких специфічних для СЗ завдань як:

– поліпшення відношення сигнал/завада завдяки формуванню “глибоких нулів” ДС у напрямках завадових сигналів, у тому числі від сусідніх бортових та наземних станцій;

– максимальна ефективність систем множинного доступу з частотним, часовим та просторовим (FDMA,TDMA і SDMA);

– інтеграція в єдину інформаційну систему різних за функціональним призначенням підсистем;

– придушення завадових сигналів ,що виникають у разі багатопроменевого поширення радіохвиль, істотне зниження глибини федінгової модуляції;

– підвищення інтенсивності корисних сигналів шляхом фокусування максимумів ДС у напрямках рухомих джерел радіоповідомлень;

– вирішення проблем електромагнітної сумісності.

Одним з перших проектів, що були спрямовані на дослідження шляхів реалізації переваг ЦАР, демонстрація можливості і вартісної ефективності їх розгортання в мобільних СЗ є проект TSUNAMI (Technology in Smart Antennas for Universal Advanced Mobile Infrastructure), що здійснювався консорціумом фірм на чолі з ERA Technology Ltd (Великобританія) [7]. При цьому кожен пристрій цифрового діаграмоутворювача DBF-1108 компанії ERA Technology Ltd здатний обробляти виходи ЦАР, що містить до 128 каналів, проводячи обчислення в комплексній формі з темпом синтезу ДС антени 250 нс. Для розширення смуги частот обробки або збільшення числа каналів ЦАР можливе використання додаткових процесорів DBF-1108, що працюють паралельно, із каскадним підсумовуванням виходів пристроїв або їхніх груп. У ході наступного етапу робіт (TSUNAMI-II) було розгорнуто адаптивну антену у складі діючої базової станції стільникового зв’язку DCS-1800 та перевірено якість супроводу мобільного джерела повідомлень в умовах впливу джерел завад для відпрацювання інфраструктури 3-го покоління мобільних систем стандарту UMTS (рис.1.6).

Сучасні спектральні методи, що призначені для оцінювання напрямків на ДВ, є адаптивними до вхідних даних. У якості вихідних (базових) даних у них використовується, як правило, кореляційна матриця сигналів, прийнятих R-елементної АР. При класифікації по способах огляду простору всі методи кутового спектрального оцінювання можна розділити на групи з послідовною і рівнобіжною пеленгацією джерел випромінювання.

Рис. 1.6. Проект TSUNAMI: 8-канальна ЦАР у складі станції DCS-1800.

У методах першої групи (це методи максимальної правдоподібності і його різновиду, максимальній ентропії, авторегресійний, класифікації множинних сигналів (MUSIC), мінімальної норми) виконується послідовний просторовий аналіз. При їхньому використанні сканування полючи ДВ здійснюється таким чином, щоб оцінка вихідної величини виходила як безупинна функція кутової координати, при цьому ніяких апріорних допущень про кількість ДВ не робиться, а лише передбачається, найчастіше, що вони не корельовані. Власне кажучи вони подібні неадаптивним методам, заснованим на застосуванні спрямованих антен. За допомогою цих методів напрямку на ДВ оцінюються по відповідним максимумах вихідної функції, а це має на увазі застосування того чи іншого алгоритму їхнього пошуку. Як вихідну функцію використовується залежність потужності (дисперсії) вихідного сигналу від кутового положення, на яке набудовується система обробки сигналів АР. Оцінка потужності сигналів ДВ виконується по максимумах вихідної величини.