METODO Y SISTEMA DE CANCELACION DE INTERFERENCIAS Y ACOPLOS EN LA SEÑAL RECIBIDA POR UN ARRAY DE ANTENAS CON ACOPLOS ELECTROMAGNETICOS.
Método y sistema de cancelación de interferencias y acoplos en la señal recibida por un array de antenas con acoplos electromagnéticos.
El sistema comprende:- un primer nivel de unidades básicas de procesado (UBPs) que reciben las señales de entrada x{sub,i}(t) del array, obteniendo señales de salida z(t) empleando pesos de ponderación w{sub,i} para corregir desfases, cancelar interferencias y compensar acoplos entre antenas del array, obtenidos utilizando información relativa al array de antenas y/o a la señal deseada incidente en el array;- un segundo y sucesivos niveles de UBPs que reciben señales de salida z(t) del nivel inmediatamente anterior, obteniendo señales de salida z(t) de forma similar al primer nivel, empleando información de los pesos de ponderación w{sub,i} obtenidos en las UBPs del nivel inmediatamente superior.El último nivel de UBPs comprende una única UBP cuya señal de salida z(t) corresponde a la señal de salida del array y(t)
Tipo: Patente de Invención. Resumen de patente/invención. Número de Solicitud: P201031237.
Solicitante: INSA, INGENIERIA Y SERVICIOS AEROESPACIALES, S.A.
Nacionalidad solicitante: España.
Provincia: MADRID.
Inventor/es: GONZALO DE GRADO, JESUS, TORRE FERNANDEZ,ALBERTO, ANTON SANCHEZ,ALBERTO.
Fecha de Solicitud: 10 de Agosto de 2010.
Fecha de Publicación: .
Fecha de Concesión: 30 de Septiembre de 2011.
Clasificación PCT:
- H04B7/08 ELECTRICIDAD. › H04 TECNICA DE LAS COMUNICACIONES ELECTRICAS. › H04B TRANSMISION. › H04B 7/00 Sistemas de radiotransmisión, es decir, utilizando un campo de radiación (H04B 10/00, H04B 15/00 tienen prioridad). › en la estación de recepción.
- H04L1/06 H04 […] › H04L TRANSMISION DE INFORMACION DIGITAL, p. ej. COMUNICACION TELEGRAFICA (disposiciones comunes a las comunicaciones telegráficas y telefónicas H04M). › H04L 1/00 Disposiciones para detectar o evitar errores en la información recibida. › utilizando diversidad de espacio.
- H04L25/03 H04L […] › H04L 25/00 Sistemas de banda base. › Redes de formación para emisor o receptor, p. ej. redes de formación adaptables.
Fragmento de la descripción:
Método y sistema de cancelación de interferencias y acoplos en la señal recibida por un array de antenas con acoplos electromagnéticos.
Campo de la invención
La presente invención propone la utilización de un array de antenas optimizado como sistema de recepción, que presenta una arquitectura sistólica para la combinación de señales recibidas en un array de antenas u otro tipo genérico de sensores, con el objetivo global de incrementar la SNIR (Signal-to-Noise plus Interference Ratio, relación señal a ruido e interferencia). Entre otras aplicaciones, los arrays se utilizan frecuentemente en radar, sonar, radio-astronomía y en comunicaciones móviles y por satélite.
Antecedentes de la invención
La arquitectura sistólica ha sido empleada en el campo de los arrays de antenas en la patente ES2288452, que divulga un sistema y método de recepción de una señal de satélite mediante un array de antenas sistólico modular. En dicha patente se explican los beneficios de aplicar a los arrays de antenas una arquitectura sistólica en lugar de una arquitectura monolítica.
La presente invención resuelve sin embargo una serie de problemas técnicos que surgen de la anterior patente. Mientras que en ésta se maximiza la SNR, relación señal/ruido, en la presente invención se maximiza la SNIR, relación señal a ruido e interferencia; esto es, la anterior patente es incapaz de cancelar interferencias. La presente invención permite la operación tanto en presencia de interferencias como con acoplos entre antenas del array, lo cual supone un avance técnico importante con respecto a la topología sistólica patentada en ES2288452, que carece de esta robustez. Así mismo, la presente invención permite estimar direcciones de llegada de señales incidentes.
La tecnología de conformación aquí presentada, basada en configuraciones sistólicas, permite una reconstrucción de señal deseada, la mitigación de interferencias y acoplos, y la estimación de direcciones de llegada de señales incidentes, reduciendo a su vez la complejidad software y hardware y, por ende, el coste. Además, debido a su modularidad, la arquitectura es muy escalable y útil cuando se consideran aplicaciones con arrays de muchos elementos, donde las estructuras monolíticas pueden volverse inabordables.
Referencias bibliográficas
[1] H. L. Van Trees. Optimum Array Processing. Part IV of Detection, Estimation and Modulation Theory. Wiley, 2002.
[2] L. C. Godara. Smart Antennas. CRC Press, 2004.
[3] L. C. Godara. "Application of Antenna Arrays to Mobile Communications II. Beam-Forming and Direction-of-Arrival Considerations". Proceedings of the IEEE. August 1997.
[4] Charles H. Lee, et al. "Fast Eigen-based Signal Combining Algorithms for Large Antenna Arrays". Aeroespace Conference 2003.
[5] Javier Orea, Alberto Torre, María Mateo, Mario Gómez. "An efficient design and implementation of digital arraying techniques in FPGAs for reception of satellite payload data". TTC 2007 Proceedings.
Descripción de la invención
La combinación de las señales en las distintas ramas del array se hace mediante una ponderación compleja de la salida de los sensores, denominada vector de pesos, que se obtienen a través de un algoritmo de procesado.
Es importante resaltar el hecho de que la estructura de combinación propuesta en la presente invención resulta especialmente adecuada para arrays de muchos elementos, y que se tiene en cuenta la presencia tanto de interferencias incidentes como de acoplos mutuos entre sensores, desarrollando al efecto formas de mitigación integradas en la estructura global.
La presente invención supone una configuración sistólica del array de antenas. Sus bloques elementales, llamados UBP (Unidad Básica de Procesado), calculan de forma separada sus respectivos vectores de pesos, que dependen de la estadística de la señal a la entrada, junto con información del sistema disponible a priori. Las UBPs están organizadas en capas sucesivas, teniendo las situadas en la primera capa subsistemas adicionales de procesado, como por ejemplo ADCs (Analog-to-Digital Converters, conversores analógicos-digitales), filtrado, diezmado y DDCs (Digital Down-Converters, conversores descendente digitales).
Un primer aspecto de la presente invención comprende un método de cancelación de interferencias y acoplos en la señal recibida por un array de antenas con acoplos electromagnéticos, mediante el que se obtiene una señal de salida del array de antenas y(t), estando el array formado por N antenas Ai, incidiendo en cada antena Ai una señal de entrada xi(t) compuesta al menos por una señal deseada si(t) y al menos una interferencia Ii(t). El método comprende la obtención de un canal de conformación suma mediante las siguientes etapas:
siendo M el correspondiente número de entradas en cada unidad básica de procesado (UBP) y siendo wi} text{* el complejo conjugado de los pesos de ponderación wi obtenidos por cada unidad básica de procesado (UBP) correspondiente para corregir los desfases de sus señales de entrada ci(t), cancelar señales interferentes y compensar acoplos entre antenas del array, empleando para la estimación de dichos pesos de ponderación wi cada unidad básica de procesado (UBP) un algoritmo de conformación que utiliza la siguiente información:Los algoritmos de conformación empleados para la estimación de los pesos de ponderación...
Reivindicaciones:
1. Método de cancelación de interferencias y acoplos en la señal recibida por un array de antenas con acoplos electromagnéticos, mediante el que se obtiene una señal de salida del array de antenas y(t), estando el array formado por N antenas Ai, incidiendo en cada antena Ai una señal de entrada xi(t) compuesta al menos por una señal deseada si(t) y al menos una interferencia Ii(t), caracterizado porque comprende la obtención de un canal de conformación suma mediante las siguientes etapas:
siendo M el correspondiente número de entradas en cada unidad básica de procesado (UBP) y siendo wi} text{* el complejo conjugado de los pesos de ponderación wi obtenidos por cada unidad básica de procesado (UBP) correspondiente para corregir los desfases de sus señales de entrada ci(t), cancelar señales interferentes y compensar acoplos entre antenas del array, empleando para la estimación de dichos pesos de ponderación wi cada unidad básica de procesado (UBP) un algoritmo de conformación que utiliza la siguiente información:2. Método según la reivindicación 1, donde los algoritmos de conformación empleados para la estimación de los pesos de ponderación wi son algoritmos de referencia espacial que utilizan datos de calibración y acoplos del array de antenas.
3. Método según la reivindicación 2, donde la información conocida a priori que emplea el algoritmo de referencia espacial incluye al menos uno cualquiera de los siguientes datos:
- desequilibrios de fase y amplitud en las ramas del array de antenas;
- matriz de acoplos del array;
- dirección de llegada de la señal deseada;
- posiciones de antenas;
- variación angular del centro de fase de las antenas;
- frecuencia de operación.
4. Método según la reivindicación 3, donde la primera información conocida a priori incluye la dirección de llegada de las interferencias.
5. Método según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, donde la información conocida a priori empleada por cada unidad básica de procesado (UBP) en el paso iv) se obtiene a partir de información suministrada por las M unidades básicas de procesado (UBP) cuyas salidas corresponden a las M entradas ci(t) de dicha unidad básica de procesado (UBP).
6. Método según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 5, donde los algoritmos de referencia espacial empleados incluyen al menos uno de los siguientes:
- MVDR;
- MPDR;
- LCMV;
- LCMP;
- GSLC.
7. Método según cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, donde los algoritmos de conformación espacial son empleados para la estimación de los pesos de ponderación wi en la etapa ii), mientras que para la estimación de los pesos de ponderación wi en la etapa iv) se emplean algoritmos de referencia ciega basados en la estimación de autovectores de la matriz de correlación o en la realización de correlaciones entre señales de entrada ci(t).
8. Método según la reivindicación 1, donde los algoritmos de conformación empleados para la estimación de los pesos de ponderación wi son algoritmos de referencia temporal que utilizan una señal de referencia conocida a priori.
9. Método según la reivindicación 8, donde los algoritmos de referencia temporal empleados incluyen al menos uno de los siguientes:
- LMS;
- RLS.
10. Método según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 9, donde los algoritmos de conformación temporal son empleados para la estimación de los pesos de ponderación wi en la etapa ii), mientras que para la estimación de los pesos de ponderación wi en la etapa iv) se emplean algoritmos de referencia ciega basados en la estimación de autovectores de la matriz de correlación o en la realización de correlaciones entre señales de entrada ci(t).
11. Método según la reivindicación 7 ó 10, donde los algoritmos de referencia ciega empleados son cualquiera de los siguientes:
- EIGEN;
- SUMPLE.
12. Método según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, que comprende adicionalmente:
- obtener un canal de conformación diferencia según los pasos i) a v), donde los pesos de ponderación wi se modifican tal que anulen la señal deseada y cancelen asimismo señales interferentes y acoplos;
- estimar ángulos de llegada DoA de señales incidentes utilizando el ratio de los canales de conformación suma y diferencia obtenidos anteriormente y un proceso de optimización no lineal, según una técnica monopulso en arrays.
13. Sistema de cancelación de interferencias y acoplos en la señal recibida por un array de antenas con acoplos electromagnéticos, mediante el que se obtiene una señal de salida del array de antenas y(t), estando el array formado por N antenas Ai, incidiendo en cada antena Ai una señal de entrada xi(t) compuesta al menos por una señal deseada si(t) y al menos una interferencia Ii(t), caracterizado porque comprende:
- un primer nivel de unidades básicas de procesado (UBP) formado por una pluralidad de unidades básicas de procesado (UBP), estando cada una de dicha primera pluralidad de unidades básicas de procesado (UBP) encargada de recibir un subgrupo diferente de señales de entrada ci(t) procedente de las N señales de entrada xi(t) y obtener una señal de salida z(t) efectuando la siguiente operación,
• la información de sus correspondientes señales de entrada ci(t); e
• información conocida a priori relativa al array de antenas y/o a la señal deseada incidente en el array;
- un segundo nivel, y opcionalmente sucesivos niveles, de unidades básicas de procesado (UBP), cada nivel formado por al menos una unidad básica de procesado (UBP), encargada de recibir cada una un nuevo subgrupo de señales de entrada ci(t) procedente de diferentes señales de salida z(t) del nivel inmediatamente anterior y obtener una señal de salida z(t) efectuando la siguiente operación,
• la información de sus correspondientes señales de entrada ci(t);
• información de los pesos de ponderación wi obtenidos previamente por las unidades básicas de procesado (UBP) de su nivel inmediatamente superior cuyas salidas corresponden a las entradas ci(t) de dicha unidad básica de procesado (UBP); e
• información conocida a priori relativa al array de antenas y/o a la señal deseada incidente en el array;
de forma que el último nivel de unidades básicas de procesado (UBP) dispone de una única unidad básica de procesado (UBP) cuya señal de salida z(t) corresponde a la señal de salida del array de antenas y(t).
14. Sistema según la reivindicación 13, donde los algoritmos de conformación empleados para la estimación de los pesos de ponderación wi son cualquiera de los siguientes:
- algoritmos de referencia espacial que utilizan datos de calibración y acoplos del array de antenas;
- algoritmos de referencia temporal que utilizan una señal de referencia conocida a priori.
15. Sistema según cualquiera de las reivindicaciones 13 a 14, donde las unidades básicas de procesado (UBP) del primer nivel comprenden conversores analógicos-digitales, filtros y conversores descendente digitales.
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