4.6. Пример построения ЦИФАР для бортового ретранслятора в диапазоне частот 8 ГГц перспективной спутниковой телекоммуникационной системы высокоскоростной мобильной связи «Ростелесат»

Ниже рассмотрены принципы построения и основные характеристики ЦИФАР для бортового ретранслятора. Возможные варианты ее построения базируются как на основе существующей наиболее современной (первый вариант), так и предлагаемой перспективной (второй вариант) элементной базы техники АЦП и ЦАП цифровой обработки и формирования пространственно-временных сигналов. Оба варианта имеют одинаковую структуру построения, но существенно отличаются по конструктивной компановке, массо-габаритным характеристикам и потребляемой мощности, и, естественно, второй вариант обладает в этой части более высокими характеристиками, чем первый.

Рис. 4.4. Обобщенная схема ЦИФАР (второй вариант):

Основные характеристики ЦИФАР приведены в табл. 4.2. Обобщенная структурная схема ЦИФАР представлена на рис. 4.4. Компоненты структурных схем передающей и приемной частей подключаются к элементам антенного полотна

(излучателям) через переключатели «Прием-Передача». Независимо от варианта построения ЦИФАР антенное полотно имеет одинаковую структуру, определяемую характеристиками направленности и его конструктивной компоновкой.

Антенное полотно. Структурная схема антенного полотна представлена на рис. 4.5, а его топология - на рис. 4.6. АР разбита на подрешеток, каждая из которых содержит элементов, так что общее число элементов решетки Размер подрешетки по каждой координате или и соответственно число элементов определяется, исходя из минимально допустимой ширины луча подрешетки, которая определяется угловыми размерами Земли при наблюдении ее с орбиты космического аппарата,

где - длина волны в диапазоне рабочих частот ретранслятора;

шаг излучателей в решетке; число элементов подрешетки вдоль координаты х и у соответственно.

Легко убедиться, что выбор обеспечивает требуемую ширину луча подрешетки.

Рис. 4.5. (см. скан) Схема антенного полотна

Рис. 4.6. (см. скан) Топология антенного полотна

В табл. 4.2 приведены основные характеристики ЦИФЛР для бортового ретранслятора.

Таблица 4.2. (см. скан)

4.6.1. Приемная часть

Структурная схема приемной части ЦИФАР приведена на рис 4.1. В ее состав входят:

комплекс приема и цифрового преобразования, содержащий блоков приема и цифрового преобразования сигналов;

блок предварительной частотно-временной обработки сигналов (ПЧВО), содержащий сигнальных процессоров ПЧВО;

блок пространственной обработки сигналов (ПО);

блок вычисления весовых векторов пространственной и предварительной частотно-временной обработки.

Комплекс приема и цифрового преобразования (см. рис. 4.1) содержит блоков приема и цифрового преобразования сигналов, каждый из которых, в свою очередь, содержит пространственных каналов и мультиплексор, их объединяющий для обработки в одном сигнальном процессоре ПЧВО.

Каждый пространственный канал содержит тракт приема и АЦП сигналов. Субблок приема и усиления сигналов одного пространственного канала занимает объем при потребляемой мощности порядка 0,4-0.6 Вт. Перенос спектра ВЧ-сигпалов выполняется с одним или двумя преобразованиями. Конструктивно субблок выполнен в виде ВЧ-модуля.

Блок предварительной частотно-временной обработки сигналов. Содержит сигнальных процессора ПЧВО. В каждом сигнальном процессоре ПЧВО для каждого из пространственных каналов производится предварительная частотно-временная обработка сигналов, заключающаяся в формировании частотных каналов с полосой каждый в общей полосе частот ;

прореживании (децимации) выборок в каждом из частотных каналов с полосой в 8 раз.

Выходная информация каждого процессора содержит прореженные (следующие с частотой выборочные значения пространственных и узкополосных частотных каналов и пространственных широкополосных каналов (следующие с частотой

Блок пространственной обработки сигналов. Схема блока приведена на рис. 4.1. Он состоит из:

блока формирования узкополосных лучей блока формирования широкополосных лучей обеспечивающие формирование узкополосных лучей (с полосой ) и двух широкополосных лучей, при этом если для формирования одного луча достаточно 1-2 чипов, то для 30 лучей требуется (30-60) чипов, а для формирования двух широкополосных лучей - 20 чипов.

4.6.2. Передающая часть

Структурная схема передающей части ЦИФАР (см. рис. 4.2) состоит из: блока цифрового формирования и усиления сигналов; блок-формирования цифрового пространственного сигнала.

Блок цифрового формирования и усиления сигналов (см. рис. 4.2.). Содержит два квадратурных канала цифро-аналогового преобразования сигнала, каждый из которых состоит из собственно ЦАП и модулятора. При этом ЦАП преобразует цифровой сигнал, поступающий от блока формирования цифрового пространственного сигнала, в аналоговый видеосигнал, а модулятор преобразует видеосигнал в радиосигнал путем модуляции промежуточной частоты Далее осуществляется второе преобразование частоты и усиление сигнала на несущей частоте. Мощность сигнала на входе подрешетки — так что суммарная излучаемая мощность ЦИФАР составляет Блок генератора передающей части на частотах по разработкам, существующим в настоящее время в может выдавать Рвых Он занимает объем и конструктивно выполнен в виде ВЧ-модуля.

Блок-формирование цифрового пространственного сигнала. В цифровом виде формирует пространственную функцию модуляции излучаемого вектора входных сигналов как суперпозицию векторов излучаемых сигналов ( луча):

где: - временная функция модуляции (цифровой сигнал) луча;

оптимальный весовой вектор, формирующий строка матрицы псевдообратной матрицы для матрицы волновых фронтов К передающих лучей;

Т - означает транспонирование.

Вектор входных сигналов поступает на данный блок либо от цифрового модема, генерирующего последовательности (в случае ретранслятора с обработкой сигналов на борту), либо от приемной части ЦИФАР (в случае прямой ретрансляции). В последнем случае коммутация абонентов и каналов осуществляется путем соответствующего считывания информации из памяти блока пространственной обработки приемной части ЦИФАР.

Блок-формирование цифрового пространственного сигнала может быть реализован на базе сигнальных процессоров-нейрочипов разработки "Модуль". Нейрочип позволяет выполнить векторно-матричные операции с размерностью с тактовой частотой (100 - 200) МГц. В частности, за основу расчетов принята базовая процедура вычисления скалярного произведения двух комплексных восьмиэлементных и -разрядных (действительной и мнимой частей) векторов, что позволяет оценить требуемое число нейрочипов для формирования цифрового пространственного сигнала с темпом Для выполнения умножения матрицы размерности на вектор требуется 256-512 нейрочипов.

Блок вычисления весовых векторов пространственного сигнала. Блок вычисления весовых векторов пространственного сигнала на передачу и на прием производит вычисления матриц и на основе процедур, совпадающих или аналогичных процедуре псевдообращения матрицы волновых фронтов полезного и мешающих сигналов. Однако, в отличие от случая формирования цифрового пространственного сигнала, эта процедура выполняется значительно реже - в зависимости от скорости относительного движения зон обслуживания на земной поверхности (время для коррекции углового положения лучей составляет порядка нескольких десятков минут) или изменением трафика зон обслуживания. Поэтому для решения данной задачи требуется относительно небольшая производительность, которая может быть обеспечена не более чем 10-ю процессорами.

Проведенный анализ принципов построения цифровых адаптивных антенных решеток позволил определить основные технические решения ЦИФАР и возможные приложения в области радиолокационных

и телекоммуникационных систем. Определены требования к трактам приема и аналого-цифрового преобразования сигналов. Рассмотрены алгоритмы цифровой обработки сигналов, позволяющие эффективно реализовать цифровую пространственно-частотно-времснную обработку сигналов в крупноапертурных крупномодульных ЦИФАР на современной элементной базе. Важным аспектом обеспечения возможности организации такой обработки является организация двухэтапной процедуры пространственной обработки сигналов, при которой на первом этапе - внутримодульной обработке, организуется оптимальная адаптивная процедура подавления источников помех, воздействующих на боковые лепестки ДН-модуля, а на втором - межмодульной обработке. производится также адаптивное подавление источников помех, расположенных в главном луче ДН-модуля. Это дает возможность выделять полезный сигнал в условиях большого числа помех без использования громоздкой процедуры пространственно-временной обработки сигналов. Для обеспечения высокой эффективности двухэтапной процедуры пространственной обработки сигналов предлагается условие выбора геометрических размеров и числа излучателей антенного модуля.

ЛИТЕРАТУРА

(см. скан)