Полная версия

Главная arrow Техника arrow Аналіз стану та розвитку радіорелейного зв'язку у Збройних Силах України

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ

Технологія ЦДУ на базі ЦАР у системах зв'язку

Особливістю нинішнього етапу розвитку інформаційних систем армій економічно розвинених держав є повсюдне впровадження нових стандартів цифрової обробки сигналів, що дозволяють істотно підвищити ефективність спеціальної техніки і озброєнь. Зокрема, стосовно телекомунікаційних засобів, мова піде про використання новітніх досягнень технології цифрового діаграмоутворення (ЦДУ).

Багато в чому зусиллями вказаної наукової школи вдалося зняти ореол екзотичності з ЦДО і істотно розширити коло фахівців, переконаних у перспективності технології ЦАР для потреб армії. Як наслідок, на початок 90-х років в СРСР існували досить багато наукових шкіл, сукупні досягнення яких по багатьом теоретичним і практичним питанням випереджали аналогічні розробки за кордоном. Проте відставання в розвитку елементної бази, обумовлене розривом економічних зв'язків після розвалу СРСР і відсутністю належного фінансування нових розробок, на сьогоднішній день привело до втрати країнами СНД багато із завойованих раніше пріоритетів. Ситуація ж за кордоном в питаннях впровадження ЦАР виразно характеризується істотним розширенням сфер їх вживання в області зв'язку.

До технологій цифрового формування променя (цифрового діаграмоутворення або цифрового формування діаграми спрямованості антени) відводиться усе більш значиме місце в сучасних системах зв'язку, ними займаються практично в усіх технічно розвинених країнах світу. Без них не обходяться концепції мобільного зв'язку 3-го і 4-го поколінь. Цифрове формування променя реалізується, як відомо, за допомогою цифрових антенних решіток (ЦАР), за кордоном так званих Smart-антен (розумних антен). Використовують і синонімічну назву - Intelligent Antenna. Можливо, ці поняття, що віддають рекламою і орієнтовані на рядового споживача, не найвдаліші. Проте вони як не можна краще відображають суть можливостей, що надаються технологією цифрового диаграммообразования (ЦДУ), завдяки яким антенні системи стають усе більш "інтелектуальними". І хай відносно антенних систем епітет Smart містить доки більше авансів на перспективу, ніж відображає реальний стан речей, але вже в рамках того, що Smart-технології, реалізовані в ЦАР, ще багато що уміють.

Які ж переваги нового класу антенних систем перед традиційними антенами, у тому числі перед їх прототипом - фазованими антенними решітками (ФАР)? Для відповіді на це питання зробимо короткий екскурс в основи схемотехніки ЦАР. Цифрові антенні решітки - це антенна система, що є сукупністю аналого-цифрових каналів із загальним фазовим центром, в якій діаграма спрямованості формується у цифровому вигляді, без фазообертачів. Теоретичні основи такого підходу до побудови антен були закладені ще в 60-70-і роки минулого століття. Але лише тепер, з розвитком мікропроцесорної техніки, стало можливим практично реалізувати накопичений науковий заділ. У колишньому СРСР найбільш послідовно даний напрям підтримувала київська наукова школа, очолювана заслуженим діячем науки і техніки України, доктором технічних наук В.А. Варюхіним. Цей науковий колектив у Військовій академії ППО сухопутних військ імені А.М. Васильовського (Київ) впродовж 60-90-х років ХХ століття розробив теоретичні основи багатоканального аналізу сигналів, розробив ряд макетів і дослідних зразків радіотехнічних систем з ЦАР. Як наслідок, на початок 1990-х років в СРСР існували вже вельми показний ряд наукових шкіл, сукупні досягнення яких по багатьом теоретичним і практичним питанням випереджали аналогічні розробки за кордоном. Сучасні технології ЦАР своїм масовим розвитком зобов'язані інтеграції процесорів цифрової обробки сигналів (у вигляді DSP або на ПЛИС) з аналого-цифровими і цифро-аналоговими перетворювачами (АЦП/ЦАП) в рамках одного модуля або навіть чіпа [4, 5]. Побудова каналів ЦАР на такій основі дозволяє уніфікувати процедури і апаратні вузли обробки сигналів і спрощує їх адаптацію до того або іншого протоколу роботи. Технологія ЦДУ забезпечує максимальну простоту реконфігурації і модифікації систем зв'язку, який часто зводиться лише до заміни їх програмного забезпечення. При цьому архітектура може оптимізуватися (по ресурсах і функціональності) під безпосередньо виконувані завдання. У цьому сенсі технологію ЦАР можна вважати вінцем розвитку настільки популярної сьогодні концепції програмнореконфігуйованого радіо (Software Defined Radio). Ключова особливість ЦАР - цифрове формування променів діаграми спрямованості (ДС) антени. У завданнях зв'язку це дозволяє динамічно оптимізувати обслуговувану зону покриття, оперативно перенацілюючи цифрові прийомо-передаючі промені залежно від територіального розподілу абонентів. Сузір'я променів що синтезується, наприклад, по алгоритмах швидкого перетворення Фур'є або за допомогою класичних процедур дискретного Фур'є аналізу, є, по суті, сукупністю просторово-частотних фільтрів, кожен з яких проводить селекцію строго певного набору сигналів і пригнічує останні, сприймані як завади. Технологія ЦДУ істотно покращує якість зв'язку в умовах багатопроменевого поширення радіохвиль, а також різко підвищує завадозахищенність системи при інтенсивній радіопротидії. Це пояснюється тим, що характеристики цифрових фільтрів в антенних каналах практично ідентичні. Розкид же характеристик фільтрів наводить до того, що при виникненні випадкової перешкоди в кожному з каналів з'являється мультиплікативний сигнал-завада, пропорційний твору амплітуди перешкоди на відхилення характеристик вхідного фільтру від номінального значення. Мультиплікативні ж перешкоди, що виявляються як завмирання сигналу, набагато неприємніші адитивних. Дійсно, від адитивного шуму, однакового в кожному з каналів, можна позбавитися, ідентифікуючи його як загальну складову сигналу у всіх каналах і віднімаючи його з сигнальної суміші. Мультиплікативний сигнал-завада компенсувати неможливо. Проте завдяки ЦДУ мультиплікативні перешкоди вдається мінімізувати. Крім того, ЦДУ сприяє і збільшенню динамічного діапазону приймальних антен. Дійсно, при синфазному складанні сигналів в кожному з каналів антенних решіток в процесі ЦДУ дисперсія (середня потужність) шуму зростає пропорційно числу каналів антенних решіток R, а потужність сигналу (пропорційна квадрату амплітуди) - пропорційно R2 . Отже, відношення сигнал/шум після ЦДУ зросте в R разів, що підвищує чутливість системи, а значить, і динамічний діапазон (відношення амплітуди максимального сигналу до мінімального). В результаті "нулі" діаграми спрямованості (ДС) у напрямах джерел перешкод формуються без "запливань" провалів, звичайних при недостатньому динамічному діапазоні приймального модуля. У ФАР якість придушення перешкод обмежена неідентичністю фазообертачів і малою розрядністю їх схем управління (звичайні 5-7 розрядів), тоді як в ЦАР вже використовуються 14-розрядні АЦП. Багаточисельні експерименти підтверджують можливість придушення активної шумової перешкоди в 8-елементній ЦАР більш ніж на 30 дБ не лише по бічних пелюстках, але і в головному промені ДН при середньоквадратичному відхиленні коефіцієнтів посилення аналогових приймальних каналів 0,5 дБ і величині фазових помилок не більш 3°. Відомо вже досить багато методів наддозволу (сверхразрешения), реалізація яких, залежно від відношення сигнал/шум, дозволяє окремо проводити селекцію до десяти і більш точкових об'єктів у межах головної пелюстки приймальної діаграми спрямованості ЦАР. Проте для безпосередньо зв'язних завдань, виключаючи процес входження в зв'язок, переважний метод максимального рівноподібності (МР), з якого всі інші слідують як квазіоптимальні варіанти. Саме метод МР при цифровому формуванні променя забезпечує близькі до граничних точність оцінки параметрів сигналів і їх дозвіл. Багаточисельні переваги ЦАР обумовили зростання їх ринкової привабливості. Пройшовши в кінці 90-х років декілька демонстраційних проектів, дана технологія вже вступила в стадію серійного виготовлення антенних систем для систем стільникового зв'язку - що є дуже перспективним. Серед піонерів серійного виробництва ЦАР провідні позиції займають компанії Array Comm, Metawave Communications, AirNet Communations, Wireless Online (все - США), а також Ericsson (Швеція). Пальма першості в освоєнні серійних ЦАР для базових станцій стандарту CDMA належить американській компанії Мetawave Communications, що випускає сімейство інтегрованих Smart-антен Spotlight. Перші ЦАР від Metawave Сommunications - Spotlight 2000 (2100) - працювали лише в діапазоні тих, що несуть 800-900 Мгц. Проте системи Spotlight 2200 підтримують ще і смугу 1800-1900 Мгц. Апаратура систем Spotlight базується на ASIC і FPGA, що зайвий раз говорить про перевагу вживання FPGA в порівнянні з DSP при вирішенні завдань ЦДУ.

Процес цифрового діаграмоутворення зводиться до виконання БПФ над відліками комплексної вихідної напруги приймальних каналів, отриманими в один момент часу. При цьому формується ряд просторових характеристик спрямованості Fr(б), закон зміни яких по куту відомий і визначається, наприклад для лінійної еквідистантної ЦАР, вираженням:

де r - номер просторового каналу лінійної еквідистантної ЦАР (r =1,R ---), б - кутова координата. Алгоритм Кейпона зводиться до пошуку локальних максимумів вирішальної функції Н(б):

де F(б) - вектор відомих значень діаграми спрямованості кожного з каналів ЦАР з елементами Fr(б);

- кореляційна матриця відгуків приймальних каналів, сформована по серії з N тимчасових відкликів;

U - вектор напруги сигналів, отриманий в результаті БПФ над напругою по виходах первинних приймальних каналів ЦАР;

* - символ матричної операції комплексного сполучення;

Т - символ операції транспонування.

При використанні технології цифрового диаграмоутворення в системах зв'язку для підвищення надійності та правильності передачі даних виникає потреба в корегуванні амплітудно-частотних характеристик каналів ЦАР (рис. 1) не тільки на прийом, а й на передачу.

Для вирішення задачі корекції характеристик передавальних каналів активної ЦАР Для вирішення цієї задачі був проведений натурний експеримент з використанням модулів цифрової обробки сигналів (ЦОС) - ADC100AS2 фірми "Пульсар-ЛТД" (м. Дніпропетровськ, Україна) [2]. Даний пристрій (рис. 2) має технічні характеристики, що наведені в табл. 1. Основною особливістю ADC100AS2 є наявність інтерфейсу PCІ в режимі “MASTER” (DMA, швидкість передачі даних не менш 100 Mбайт/с) [2], що дозволяє застосовувати їх спільно зі звичайним комп'ютером.

Зокрема, останнім часом багато зарубіжних фірм інтенсивно вивчають можливості реалізації приймально-передаючих каналів ЦАР за технологією програмно реконфігурованих радіомодулів (Software Radio), у основу задуму схемотехніки Software Radio покладена точно погоджена інтеграція процесора цифрової обробки сигналів (DSP або FPGA), АЦП і ЦАП, підключених через загальний комутатор до антенного елементу. При цьому для забезпечення необхідної якості випромінюваних сигналів використовується суперлінійний підсилювач потужності, що гарантує ідеальний перехід модульованих радіочастотних коливань по виходу ЦАП до високопотужних сигналів з достатнім для їх випромінювання рівнем потужності і низькою емісією в сусідні канали. Процесор цифрової обробки сигналів (DSP або FPGA), реалізує в програмному вигляді гнучко перебудовані схеми модуляції-демодуляції, протоколи обробки сигналів в режимі прийому і передачі даних, інші функції. При високому темпі дискретизації відкликів сигналів і великих кількостях каналів концепція програмної реконфігурації істотно знижує вимоги до продуктивності діаграмоутворюючого модуля. Подібна побудова приймально-передаючих каналів ЦАР дозволяє також уникнути апаратної залежності процедур обробки сигналів і спрощує їх адаптацію під потреби того або іншого стандарту функціонування.

На основі технології може бути отримана максимальна уніфікація вузлів і блоків апаратури, простота реконфігурації і модифікації систем, що зводиться часто лише до заміни їх програмного забезпечення. Більш того

при виконанні приймально-передаючих модулів ЦАР на основі програмно-реконфігурованої архітектури, вперше можна розраховувати на можливість втілення в життя принципу інтегрованої апертури, тобто об'єднання антенних систем і високочастотних блоків всіх типів бортових радіотехнічних засобів в єдину структуру з мінімізацією апаратури і побічних радіовипромінювань.

Відносно спеціального озброєння і техніки можна сказати про монолітну інтеграцію систем радіолокації, радіо- і супутникової навігації, радіотехнічної розвідки, радіозв'язку, радіопротидії (постановки перешкод) і визначення держприналежності. При цьому забезпечується оптимізація ресурсно-функціональної адаптації архітектури радіоелектронного устаткування під певні завдання, істотно зростає ефективність бортового радіоелектронного комплексу в цілому. Наприклад, перехід до використання ЦАР для потреб GPS дозволяє довести рівень придушення множинних перешкод до 90-100 дБ, тоді як існуючі засоби GPS-навігації втрачають працездатність при дії джерела перешкоди потужністю 0,25 Вт вже з дальності 4 км.

Здібність ЦАР до багатосигнального прийому у поєднанні з можливістю надрелеєвского дозволу сигналів дозволяє здійснити мультистандартне функціонування ЦАР в кожному промені діаграми спрямованості з вирішенням, наприклад, завдань радіолокацій, у тому числі в умовах інтенсивного радіопротидії.

Як стверджують розробники, термін окупності витрат на впровадження Smart-антен складає рік і менш. При цьому слід врахувати, що технологія ЦАР перебуває лише на початку свого становлення. У міру її вдосконалення можуть бути досягнуті ще більш значні результати по збільшенню канальної ємкості і розмірів зони, що покривається, - наприклад, шляхом збільшення числа антенних елементів в одному секторі ЦАР (до 16 і більш - в азимутній площині).

Темпи розвитку використовуваної в ЦАР елементної бази дозволяють передбачити, що вже в найближчому десятилітті почнеться масове оновлення інфраструктури зв'язку на основі Smart-антен. Причому наявний науковий заділ і досвід розробки подібного роду систем у поєднанні з необхідною технологічною базою дозволяють розвернути і вітчизняне виробництво станцій з ЦАР, спираючись на зарубіжні комплектуючі і унікальний інтелектуальний потенціал розробників з країн СНГ. Такий варіант розвитку подій дозволив би не лише створити тисячі нових робочих місць на українських підприємствах, але і заощадити інвесторам головну частку засобів на оновлення існуючої інфраструктури зв'язку. І хоча процеси зносу зв'язного устаткування ще не скоро поставлять питання про таке оновлення на порядок денний в Україні, проте через розвиток інтересу до телекомунікацій і зростання їх ролі у всіх сферах діяльності моральне старіння апаратури може статися (і відбувається) значно швидше, ніж фізичний знос. Тому готуватися до неминучого оновлення інфраструктури систем зв'язку слід вже зараз.

 
Перейти к загрузке файла
<<   СОДЕРЖАНИЕ