La matriz de antenas digitales (DAA) es una antena inteligente con formación de haz digital multicanal, generalmente mediante la transformación rápida de Fourier (FFT). El desarrollo y la realización práctica de la teoría de los conjuntos de antenas digitales comenzaron en 1962 bajo la dirección de Vladimir Varyukhin ( URSS ).
Historia
La historia de la DAA comenzó a emerger como una teoría del análisis multicanal en la década de 1920. [1] En la década de 1940, esta teoría evolucionó a la teoría de los analizadores de antena de tres canales. [1]
La implementación de un procesamiento efectivo de señales en radares a fines de la década de 1950 predeterminó el uso de computadoras electrónicas en este campo. En 1957, Ben S. Meltont y Leslie F. Bailey publicaron un artículo [2] sobre el uso de operaciones algebraicas para el procesamiento de señales con la ayuda de circuitos electrónicos o computadoras analógicas. [1]
Tres años después, en 1960, se incorporó la idea de utilizar computadoras de alta velocidad para resolver problemas de búsqueda direccional, inicialmente para localizar el epicentro del terremoto. BA Bolt fue uno de los primeros en implementar esta idea en la práctica. [1] [3] Casi simultáneamente, Flinn, un investigador de la Universidad Nacional de Australia, utilizó un enfoque similar. [4]
A pesar de que en los experimentos mencionados la interacción entre sensores y computadoras se implementó con la ayuda de tarjetas de entrada de datos, dicha decisión fue un paso decisivo en el camino de la aparición del DAA. Entonces, solo era necesario resolver el problema de la entrada directa de datos digitales en la computadora desde los sensores, excluyendo el paso de preparación de la tarjeta perforada y la asistencia del operador como elemento excedente. [1] Este paso para la teoría de los radares se realizó después de 1962 en la ex URSS y se llevó a cabo con una solución al problema de la resolución superRayleigh de las fuentes de emisión. [1]
Formación de haz digital
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/4/4a/Transposed_Block_Face-Splitting_Product.jpg/440px-Transposed_Block_Face-Splitting_Product.jpg)
El enfoque principal para el procesamiento de señales digitales en DAA es la "formación de haz digital" después de los convertidores de analógico a digital (ADC) de los canales del receptor o antes de los convertidores de digital a analógico (DAC) por transmisión.
La formación de haz digital de DAA tiene muchas ventajas porque en este caso las señales digitales masivas se pueden transformar y combinar de varias formas posibles en paralelo, para obtener diferentes señales de salida. Las señales de todas las direcciones pueden estimarse simultáneamente e integrarse durante más tiempo para aumentar la energía de las señales al detectar objetos lejanos y simultáneamente integrarse durante un tiempo más corto para detectar objetos cercanos que se mueven rápidamente. [6]
Antes de la operación de formación de haz digital, se debe utilizar una corrección de las características de los canales mediante una fuente de prueba especial o utilizando la señal heterodina. [7] [8] [9] Dicha corrección se puede utilizar no solo para los canales de recepción sino también en los canales de transmisión de DAA activos. [10]
Las limitaciones en la precisión de la estimación de las señales de dirección de llegada y la profundidad de supresión de las interferencias en los conjuntos de antenas digitales están asociadas con los ADC y DAC de fluctuación . [11] [12]
Métodos de procesamiento de señales
Formador de haz de máxima verosimilitud
En el formador de haz de máxima verosimilitud (DML), el ruido se modela como un proceso aleatorio blanco gaussiano estacionario, mientras que la forma de onda de la señal es determinista (pero arbitraria) y desconocida.
Formador de haz Bartlett
El formador de haz de Bartlett es una extensión natural del análisis espectral convencional ( espectrograma ) al DAA. Su poder espectral está representado por
.
El ángulo que maximiza esta potencia es una estimación del ángulo de llegada.
Formador de haz capón
El formador de haz capón, también conocido como el algoritmo de formación de haz de respuesta sin distorsión de varianza mínima (MVDR), [13] tiene una potencia dada por
.
El formador de haz MVDR / Capon puede lograr una mejor resolución que el enfoque convencional (Bartlett), pero este algoritmo tiene una mayor complejidad debido a la inversión de la matriz de rango completo. Los avances técnicos en la computación GPU han comenzado a reducir esta brecha y hacer posible la formación de haces Capon en tiempo real. [14]
Formador de haz MUSIC
El algoritmo de formación de haces MUSIC ( clasificación múltiple de señales ) comienza con la descomposición de la matriz de covarianza tanto para la parte de señal como para la parte de ruido. La autodescomposición de está representada por
.
MUSIC utiliza el subespacio de ruido de la matriz de covarianza espacial en el denominador del algoritmo Capon
.
Por lo tanto, el formador de haz MUSIC también se conoce como formador de haz subespacial. En comparación con el formador de haz Capon, proporciona una estimación de DOA mucho mejor. Como enfoque alternativo, también se puede utilizar el algoritmo ESPRIT .
Inteligencia artificial
La tendencia importante en la evolución del procesamiento de señales digitales para DAA es el uso de tecnologías de inteligencia artificial . [15]
Ejemplos de DAA
Radares
F220 Hamburgo con SMART-L
SMART-L a bordo F221 Hessen
Jirafa AMB , 2007.
Radar Voronezh-M , Lekhtusi.
Radar AN / TPY-2 , THAAD
CAPTOR-E, DSEI -2019
AMDR AN / SPY-6 (formación de haz digital [16] )
Sistemas MIMO
Uso de DAA para mejorar el rendimiento de las comunicaciones por radio en sistemas MIMO [10] (Massive MIMO).
Sondas y sensores de ultrasonidos
DAA se implementó en una gran cantidad de sonares y sensores de ultrasonidos médicos . [14]
ALOKA SSD-3500SV con 256 canales
Ver también
- Periodograma
- MÚSICA
- ESPÍRITU
- Antena inteligente
- Matriz de sensores
- Vladimir Varyukhin
Referencias
- ^ a b c d e f Slyusar VI Orígenes de la teoría de la matriz de antenas digitales. // Conferencia internacional sobre teoría y técnicas de antenas, 24-27 de mayo de 2017, Kiev, Ucrania. - Pp. 199 - 201 [1]
- ^ Ben S. Meltont y Leslie F. Bailey, Correladores de señales múltiples. // Geofísica .- Julio de 1957. - Vol. XXII, núm. 3. - Pp. 565-588. - DOI: 10.1190 / 1.1438390
- ^ BA Bolt. La revisión de los epicentros de terremotos, profundidades focales y tiempos de origen utilizando una computadora de alta velocidad .//Geophysical Journal. - 1960, vol. 3, edición 4. - Pp. 433 - 440. - DOI: 10.1111 / j.1365-246X.1960.tb01716.x.
- ^ EA Flinn. Ubicación del terremoto local con una computadora electrónica .// Boletín de la Sociedad Sismológica de América. - Julio de 1960. - Vol. 50, núm. 3. - Pp. 467 - 470
- ^ Vadym Slyusar. Nuevas operaciones de matriz para DSP (Lectura). Abril de 1999. - DOI: 10.13140 / RG.2.2.31620.76164 / 1
- ^ Aspectos de sistemas de haz digital que forma un radar ubicuo , Merrill Skolnik, 2002, [2]
- ^ Slyusar, VI Corrección de las características de los canales de recepción en una matriz de antenas digitales mediante una fuente de prueba en la zona cercana // Sistemas de radioelectrónica y comunicaciones. - 2003, VOL 46; PARTE 1, páginas 30-35. [3]
- ^ Slyusar, VI La forma de corrección de las características de los canales de recepción de DAA utilizando la señal heterodina // Actas de la III Conferencia Internacional sobre Teoría y Técnicas de Antenas, 8-11 de septiembre de 1999, Sebastopol, páginas 244 - 245. [4]
- ^ Slyusar, VI, Titov IV Corrección de las características de los canales de recepción de antenas inteligentes para comunicaciones móviles 4G // Procedimientos de la IV Conferencia Internacional sobre Teoría y Técnicas de Antenas, 9-12 de septiembre de 2003. Sebastopol, Pp. 374 - 375. [5]
- ^ a b Slyusar, VI Titov, IV Corrección de las características de los canales de transmisión en una matriz de antenas digitales activas // Sistemas de radioelectrónica y comunicaciones. - 2004, VOL 47; PARTE 8, páginas 9 - 13. [6]
- ^ Bondarenko MV, Slyusar VI "Limitación de la profundidad de la supresión de interferencias en una matriz de antenas digitales en condiciones de fluctuación de ADC. // Quinta Conferencia Científica Internacional sobre Tecnologías Defensivas, OTEH 2012. - 18-19 de septiembre de 2012. - Belgrado, Serbia. - Pp. 495 - 497 " (PDF) .
- ^ M. Bondarenko y VI Slyusar. "Influencia del jitter en ADC en la precisión de la radiogoniometría por redes de antenas digitales. // Radioelectrónica y Sistemas de Comunicaciones. - Volumen 54, Número 8, 2011.- Pp. 436 - 445.-" (PDF) . doi : 10.3103 / S0735272711080061 .
- ^ J. Capon, "Análisis de espectro de número de onda de frecuencia de alta resolución", Actas del IEEE, 1969, vol. 57, págs. 1408–1418
- ^ a b Asen, Jon Petter; Buskenes, Jo Inge; Nilsen, Carl-Inge Colombo; Austeng, Andreas; Holm, Sverre (2014). "Implementación de la formación de haz capón en una GPU para imágenes de ultrasonido cardíaco en tiempo real". Transacciones IEEE sobre ultrasonidos, ferroeléctricos y control de frecuencia . 61 (1): 76–85. doi : 10.1109 / TUFFC.2014.6689777 . PMID 24402897 . S2CID 251750 .
- ^ Svetlana Kondratieva, Elena Ovchinnikova, Pavel Shmachilin, Natalia Anosova. Redes neuronales artificiales en matrices de antenas digitales .//2019 Congreso Internacional de Ingeniería y Telecomunicaciones (EnT). Noviembre de 2019.
- ^ Katherine Owens. El nuevo radar destructor de la Armada realiza la primera prueba de vuelo. 10 de abril de 2017.
Este artículo incorpora texto de Vadym Slyusar disponible bajo la licencia CC BY-SA 3.0 . El texto y su publicación han sido recibidos por el Equipo de Respuesta Voluntaria de Wikimedia
.Otras lecturas
- La estimación y seguimiento de la frecuencia , Quinn y Hannan, Cambridge University Press 2001.