6.2.3. Виділення корисного сигналу та усунення завад

Суть обробки вихідних сигналів кожного елементу АР полягає в тому, що на першому етапі формується вектор вагових коефіцієнтів для усунення завад. В результаті, усуваються завади у векторі вихідних напруг (6.13):

(6.14)

де G=(1-Z (Z* Z)^-1Z*) - вагові коефіцієнти для подавлення завад; Z=| а_{2 …}а_{k …}а_R|- матриця, утворена сигнальними векторами (6.13) сигналів завад; * - символ операції комплексно - спряженого транспонування матриці.

На другому етапі, з метою збільшення результуючого рівня корисного сигналу вектор напруг U_za фазується з допомогою сигнального вектора S:

(6.15)

а₁^* –комплексно- спряжене транспоноване значення сигнального вектора (6.13), утвореного корисним (першим) сигналом.

В результаті на вході приймача формується результуючий вихідний сигнал, в якому усунені завади та виділено корисний сигнал. На рис.6.10 приведена блок-схема обробки сигналів в інтелектуальному блоці для даного випадку.

Рис.6.10. Обробка сигналів в інтелектуальному блоці, що забезпечує виділення корисного сигналу та усунення завад

Одним з призначень інтелектуальних антен являється усунення завад та відслідковування переміщення джерела корисного сигналу. Тому може скластись враження, що в деякі «сприятливі» моменти (у випадку відсутності завад та при стаціонарному розташуванні джерела корисного сигналу) використання інтелектуальної антени, (що містить, наприклад, АР з N елементами) та простої антени (з одним аналогічним елементом) являється рівноцінним. Але навіть в такому тривіальному випадку використання адаптивних антен може бути ефективним за рахунок збільшення абсолютної величини прийнятого корисного сигналу:

(6.16)

Залежність (1.10) відповідає умові, коли рівень корисного сигналу на виході кожного елементу АР не зменшився в процесі обробки та являється синфазним з іншими вихідними сигналами.

6.2.4. Дослідження вихідного сигналу

Напрямок надходження завади доцільно характеризувати допоміжною величиною: кутовою різницею між напрямком надходження завади та напрямком надходження корисного сигналу. Наприклад, для завади s₂ та корисного сигналу s₁ кутова різниця становить s_12v=s_2v-s_1v. Будемо вважати заваду з малою кутовою відстанню - при |s_12v|≈30^о та менше, з середньою - при |s_12v|≈30-150^о, та великою – при |s_12v|≈150-180^о. На рис.6.11 приведена просторова залежність U_sa =f (s_1v,d_n) та площинно - просторові залежності U_sa =f (d_n) при s_1v=const

З приведених даних видно, що при типових значеннях d_n=0.5 у випадку завади з середньою кутовою відстанню (s_12v= -70^о) вихідний сигнал становить максимальне значення S_amax=s₁u*N=8, або близьке до нього. Дещо інша ситуація для завади з малою кутовою відстанню (s_12v=-20^о). При куті надходження вхідного сигналу, близькому до осі АР (s_1v= 85^о) , вихідний сигнал (U_sa=2.46) значно менший за його максимальне значення, що погіршує показники системи зв'язку. Варто зауважити, що при аналізі використовуються площинно - просторові залежності, які фактично яляються залежностями на площині, але збережено в просторі їх місцеутворення. Такі залежності являються досить наглядними та інформативними (містять три просторові кординати кожної точки), причому їх проекції на площину також містять дані про три просторові координати.

Рис. 6.11. Виділений корисний сигнал при усуненій заваді в адаптивній антені (АР з N=8, d_n=0.5) для кутових відстаней між сигналом та завадою -20^о, -70^о при s_1u= s_2u=1

На рис.6.12 приведені аналогічні результати для завади з великою кутовою відстанню

Рис. 6.12. Виділений корисний сигнал при усуненій заваді в адаптивній антені ( АР з N=8, d_n=0.5) для кутової відстані між сигналом та завадою s_12v= -170^о при s_1u= s_2u=1

З приведених результатів видно, що при широко використовуваному значенні (d_n=0.5) відддалі між елементами АР, вихідний корисний сигнал практично відсутній. Варто зауважити, що при незначному зменшенні віддалі між елементами АР (з d_n=0.5 до d_n=0.4) вихідний сигнал досягає максимального значення. Отримані результати показують, що, як при малій, так і при великій кутовій відстані між завадою та корисним сигналом, даному способу обробки сигналів властиві певні недоліки – зменшення рівня вихідного корисного сигналу.

На рис. 6.13 приведено залежності, які вказують на причини зменшення вихідного сигналу у випадку завади з малою кутовою відстанню

а) б) в)

Рис. 6.13. Вихідний корисний сигнал адаптивної антени у випадку завади з: (а) - малою кутовою відстанню, (б) - ДС допоміжної АР, (в) – нуль ДС допоміжної АР спрямований в напрямку завади

З приведених даних (рис.6.13,а) видно, що рівень вихідного корисного сигналу становить менше 1/3 від максимального значення. Для пояснення причин отриманих результатів введемо поняття допоміжної АР, яка відрізняється від реальної АР в складі адаптивної антени тим, що виходи всіх елементів допоміжної АР з’єднані між собою (в АР адаптивної антени вихід кожного елементу АР множиться на окремий ваговий коефіцієнт). З даних (рис.6.13, б) для допоміжної АР видно, що в даному випадку рівень корисного сигналу становить одиницю, а для завади (напрямок якої становить 85^о - 20^о = 65^о) рівень також досить значний та становить 0.8. В свою чергу усунення завади з значним рівнем, практично рівним корисному сигналу, супроводжується значним зменшенням корисного сигналу. Якщо для даного випадку допоміжну АР перерахувати таким чином, щоб в напрямку завади сформувати нуль ДС (рис.6.13, в), то вихідний корисний сигнал допоміжної АР буде становити теж незначний рівень 0.215. Малий рівень корисного сигналу допоміжної АР (1/5 від максимального значення ) вказує очікуване зменшення вихідного сигналу адаптивної антени (1/3 від максимального значення).

На рис.6.14 приведені дані, аналогічні приведеним на рис. 6.13, для завади з великою кутовою відстанню

а) б) в)

Рис. 6.14. Вихідний корисний сигнал адаптивної антени при наявності завади з: (а) - великою кутовою відстанню, (б) - ДС допоміжної АР, (в) – нуль ДС допоміжної АР спрямований в напрямку завади

З приведених даних видно, що вихідний сигнал адаптивної антени при d_n=0.5 (рис.6.14,а) практично рівний нулю. Отримані результати пояснюються тим, що в додаткової АР (рис.6.14,б) рівень, як корисного сигналу (кут 85^о), так і завади (кут -85^о) практично рівні між собою. Якщо допоміжну АР перерахувати таким чином, що нуль ДС буде орієнтований в напрямку завади (рис.6.14,в), то її вихідний корисний сигнал теж буде зовсім незначним (0.025). Таким рівнем корисного сигналу допоміжної АР можна поясний малий рівень вихідного корисного сигналу сигналу адативної антени (0.016, рис. 6.14,а).

З приведених досліджень можна зробити висновки, що вихідний сигнал адаптивних антен значно зменшується в двох випадках: при наявності завади з малою кутовою відстанню, якщо напрям її надходження попадає в зону головного пелюстка ДС допоміжної АР; при наявності завади з великою кутовою відстанню, якщо напрям її надходження попадає в зону інших бокових пелюстків допоміжної АР.

Нормована ДС дискретної лінійної АР визначається наступним чином:

(6.17)

де – узагальнена кутова координата ; v- кут між віссю АР та напрямом на точку спостереження; v_о- кут між віссю АР та напрямом головного пелюстка.

В даному випадку напрям надходження завади характеризується кутом v. На рис.6.15 приведена залежність (6.17) нормованої ДС АР

а) б) в)

Рис.6.15. Нормована ДС дискретної АР при N=8

З приведених ДС видно, що завада не попаде в зону головного пелюстка ДС (рис.6.14,б) та бокових пелюстків (рис.6.14,в) при виконанні умов:

-(N-1)π≤u≤-π, (6.18,a)

або π≤u≤(N-1)π. (6.18,б)

Отже, з врахуванням залежностей (6.18,а) та (6.18,б) отримаємо умови для напрямку надходження завади, при яких рівень вихідного сигналу адаптивних антен близький до максимального:

-(N-1) ≤ Nd_n(cos(v)-cos(v_o)) ≤ -1, (6.19,а)

1≤ Nd_n(cos(v)-cos(v_o)) ≤(N-1), (6.19,б)

де v- в даному випадку являється напрямком надходження завади.

Для забезпечення вихідного сигналу адаптивної антени, близького до максимального можна використовувати наступні шляхи. Якщо адаптивна антена повинна усувати заваду, кутова відстань якої від корисного сигналу являється досить великою (близькою до +-π) то необхідно використовувати АР, в якій нормована віддаль між елементами становить 0.4 (d_n=0.4). Якщо ж адаптивна антена також повинна усувати заваду, кутова відстань якої від корисного сигналу являється малою (30^о та менше), то необхідно в АР розмістити декілька додаткових елементів. Наприклад, в АР при N=8, віддаль між крайніми елеметами становить 7d. Якщо в такій антені після 8 елементу встановити вздовж осі АР, наприклад, 2 додаткових елементи, з віддаллю 7d між 8 елементом та між ними, то в результаті отримаємо АР з N=4 та та нормованою віддалю 7d_n між елементами. Таку АР доцільно використовувати для завад з малою кутовою відстанню. На рис. 6.16 (для порівняння при різних значеннях N та d_n) приведена залежність вихідного корисного сигналу адаптивної антени для випадку наявності завади з малою кутовою відстанню s_12v=-10^o для напряму надходження корисного сигналу 85^о. З приведених результатів (рис.6.16,а) видно, що в даному випадку для завади з малою кутовою відстанню при типовому значенні d_n=0.5, вихідний сигнал адаптивної антени досить незначний (0.27). Якщо дану АР доповнити, як запропоновано вище, двома елементами з d_n=7, то отримаємо АР з чотирма елементами. Як видно (рис.6.16,б) в даному випадку вихідний сигнал значно збільшився та становить 3.5.

а) б)

Рис.6.16. Вихідний сигнал адаптивної антени при: (а)- N=8, d_n=0.5; (б) - N=4, d_n=7