Адаптивные алгоритмы

Схема на рис. 13.16 иллюстрирует способ получения пилот-сигнала, который передается с антенны, расположенной на некотором расстоянии от решетки, в необходимом направлении приема. На рис. 13.17 приведена схема получения местного пилот-сигнала, впервые предложенная Дж. Хоффом. На входные устройства обработки на рис. 13.17 подаются либо действительные входные сигналы элементов антенны (в режиме А), либо, множество задержанных сигналов, полученных от генератора пилот-сигнала (в режиме Р).

Рис. 13.16. Схема адаптации по внешнему пилот-сигналу с чередованием двух режимов: Р — при наличии пилот-сигнала; А — при отключенном пилот-сигнале

Рис. 13.17. Схема адаптации по внутреннему пилот-сигналу с чередованием двух режимов: Р — при наличии пилот-сигнала; отключении пилот-сигнала

Фильтры к (при одинаковых элементах решетки это идеальные задержки) выбраны так, что множество входных сигналов идентично сигналам, которые принимались бы решеткой от расположенного на расстоянии источника пилот-сигнала с плоской волной в требуемом направлении приема, которое соответствует основному лепестку ДН на приеме.

Во время адаптации в режиме Р входные сигналы адаптивного устройства обработки получают из пилот-сигнала, а его полезным откликом является собственно пилот-сигнал. Например, при синусоидальном пилот-сигнале с частотой адаптация весовых коэффициентов с целью минимизации СКО приводит к тому, что коэффициент передачи антенной решетки в направлении приема имеет заданные амплитуду и фазовый сдвиг на частоте

Во время адаптации в режиме А все сигналы, подаваемые на адаптивное устройство обработки, принимаются элементами антенны из реального поля с шумом. В этом режиме процесс адаптации приводит к подавлению всех принятых сигналов, так как полезный отклик равен нулю. Однако непрерывное функционирование в режиме А приводит к тому, что значения всех весовых коэффициентов стремятся к нулю, и система отключается. Тем не менее при частом чередовании режимов Р и А в течение адаптации в каждом из них происходят лишь небольшие изменения вектора весовых коэффициентов, и можно приближенно поддерживать луч с единичным коэффициентом передачи в заданном направлении приема и, помимо этого, приблизительно минимизировать мощность принимаемой помехи.

В качестве пилот-сигнала можно взять сумму нескольких синусоидальных сигналов с различными частотами, так что при адаптации в режиме Р коэффициент передачи и фаза антенны имеют заданные для каждой из этих частот значения в направлении приема.

Более того, если суммируются вместе несколько пилот-сигналов, соответствующих различным направлениям, то при адаптации в режиме Р можно поддерживать заданный коэффициент передачи решетки одновременно для различных углов и частот. Это свойство позволяет некоторым образом регулировать ширину полосы и ширину лучей по различным направлениям приема. В адаптивном режиме с двумя режимами приближенно осуществляется минимизация среднеквадратического значения (общей мощности) всех принятых элементами антенны сигналов, не коррелированных с пилот-сигналами; при этом коэффициент передачи и фаза луча приближенно равны заданным значениям для частот и направлений, определяемых составляющими пилот-сигнала.

При адаптации с двумя режимами формирование и поддержание луча производится в режиме Р, а подавление в среднеквадратическом смысле (в соответствии с характеристиками пилот-сигнала) — в режиме А. В режиме Р из-за того, что устройство обработки соединено с генератором пилот-сигнала, прием сигнала невозможен. Следовательно, прием осуществляется только в режиме А. Этот недостаток устраняется в системе на рис. 13.18, в которой можно одновременно реализовать режимы Р и А. В этой системе пилот-сигналы и принятые сигналы подаются на адаптивное устройство обработки точно так же, как описано выше. Полезным откликом этого устройства является пилот-сигнал. Второе вспомогательное устройство обработки работает по реальному выходному сигналу решетки, но не реализует адаптивный процесс. В сигналах на его входе пилот-сигнал не содержится.

Рис. 13.18. Схема адаптации по пилот-сигналу

Вспомогательное устройство взаимодействует с адаптивным устройством обработки таким образом, что его весовые коэффициенты являются точными копиями соответствующих весовых коэффициентов адаптирующейся системы, т. е. для этого устройства нет необходимости принимать пилот-сигнал.

В приведенной на рис. 13.18 системе с одним режимом пилот-сигнал подключен постоянно. Процесс адаптации приводит к тому, что адаптивное устройство обработки с минимальной СКО воспроизводит пилот-сигнал и в то же время наилучшим в среднеквадратическом смысле образом режекгирует все принятые элементами антенны сигналы, не коррелированные с пилот-сигналом. Таким образом, в результате адаптивного процесса ДН в полосе частот пилот-сигнала имеет нужную чувствительность в основном луче по направлению приема и провалы в направлениях помех для их полосы частот. При этом, как правило, чем мощнее помехи по сравнению с пилот-сигналом, тем выше уровень режекции.

Анализ приведенной на рис. 13.18 системы с одним режимом можно провести следующим образом. Оптимальные весовые коэффициенты адаптивного устройства обработки можно получить в виде произведения . Матрица R равна сумме матрицы полученных от антенны сигналов и матрицы множества пилот-сигналов, причем полагаем, что пилот-сигнал и сигналы, поступающие от антенны, являются некоррелированными. Вектор Р определяется только пилот-сигналом. Элементы этого вектора представляют собой значения автокорреляционной функции пилот-сигнала, при этом задержки определяются соответствующими задержками пилот-сигнала. Поскольку смещение главного лепестка зависит от выбора задержек пилот-сигнала, вектор Р непосредственно связан с углом этого смещения.

Для определения характеристик функционирования адаптивных антенных систем проведено большое число экспериментов по моделированию на ЭВМ решеток с различной геометрической конфигурацией и различных видов сигналов и помех.

Для простоты изложения приводимые в следующих подразделах примеры ограничиваются плоскими решетками, составленными из идеальных изотропных (ненаправленных) элементов. В каждом случае для адаптации используется метод наименьших квадратов. Во всех экспериментах начальные значения весовых коэффициентов приняты одинаковыми.