radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2023-26-6-27-40radioelectronics-815Research ArticleЭЛЕКТРОДИНАМИКА, МИКРОВОЛНОВАЯ ТЕХНИКА, АНТЕННЫELECTRODYNAMICS, MICROWAVE ENGINEERING, ANTENNASПространственная фильтрация сигналов при неточной калибровке антенной решеткиSpatial Filtering of Signals under Imprecise Calibration of Antenna Arrayshttps://orcid.org/0000-0001-6873-6354ШевченкоМ. Е.ShevchenkoM. E.

Шевченко Майя Евгеньeвна – кандидат технических наук (1997), доцент (2002) кафедры радиоэлектронных средств. Автор 80 научных работ. Сфера научных интересов – прием и обработка радиосигналов; обнаружение, оценивание и пеленгование сигналов, радиомониторинг; цифровая обработка сигналов.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Maya E. Shevchenko, Cand. Sci. (Eng.) (1997), Associate Professor (2002) of the Department of Radio Electronics Equipment. The author of 80 scientific publications. Area of expertise: radio signal reception and processing; signal detection, evaluation and direction finding, radio monitoring; digital signal processing.

5, Professor Popov St., St Petersburg 197002

m_e_shevchenko@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5011-0337МалышевВ. Н.MalyshevV. N.

Малышев Виктор Николаевич – доктор технических наук (2000), профессор (2004), заведующий кафедрой радиоэлектронных средств. Автор более 120 научных работ. Сфера научных интересов – численные методы, СВЧ-техника, антенны, информационные сети, информационная безопасность.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Victor N. Malyshev, Dr Sci. (Eng.) (2000), Professor (2004), Chief of the Department of Radio Electronics Equipment. The author of more than 120 scientific publications. Area of expertise: numerical methods; microwave engineering; antennas; information networks; information security.

5, Professor Popov St., St Petersburg 197002

vnmalyshev@etu.ruГоровойА. В.GorovoyA. V.

Горовой Андрей Вадимович – инженер научно-производственного предприятия "Новые технологии телекоммуникаций" (ООО НПП "НТТ"); аспирант Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина) по кафедре радиоэлектронных средств. Автор 10 научных работ. Сфера научных интересов – обнаружение, оценивание, пространственная фильтрация и пеленгование сигналов, цифровая обработка сигналов.

ул. Софьи Ковалевской, д. 20, корп. 1, лит. А, Санкт-Петербург, 195256

Andrey V. Gorovoy, Engineer of the Research and Production Enterprise "New Technologies of Telecommunications" (LLC NPP "NTT"); Postgraduate student of the Department of Radio Electronics Equipment of Saint Petersburg State Electrotechnical University. The author of 10 scientific publications. Area of expertise: signal detection, estimation, spatial filtering and bearing; digital signal processing.

20, Sofya Kovalevskaya St., build. 1, lit. A, Saint Petersburg 195256

andrew1295-09@mail.ruhttps://orcid.org/0009-0000-3078-5644ЧерепановА. С.CherepanovA. S.

Черепанов Андрей Сергеевич – доктор физико-математических наук (2001), профессор Высшей школы прикладной физики и космических технологий. Автор более 100 научных работ. Сфера научных интересов – волноведущие структуры с ферритовым управлением; СВЧ-техника; фазированные антенные решетки.

ул. Политехническая, д. 29, Санкт-Петербург, 195251

Andrey S. Cherepanov, Dr Sci (Phys.-Math.) (2001), Professor of the Graduate School of Applied Physics and Space Technology. The author of more than 100 scientific works. Area of expertise: ferrite-driven waveguide structures; microwave engineering; phased antenna arrays.

29, Polytechnicheskaja St., Saint Petersburg 195251

ascherspb@mail.ruСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian FederationСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина); ООО НПП "Новые технологии телекоммуникаций"РоссияSaint Petersburg Electrotechnical University; LLC "New Telecommunications Technologies"Russian FederationСанкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоРоссияPeter the Great St Petersburg Polytechnic UniversityRussian Federation2023271220232662740Copyright © Шевченко М.Е., Малышев В.Н., Горовой А.В., Черепанов А.С., 20232023Шевченко М.Е., Малышев В.Н., Горовой А.В., Черепанов А.С.Shevchenko M.E., Malyshev V.N., Gorovoy A.V., Cherepanov A.S.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/815Введение

Введение. Пространственная фильтрация сигналов (ПФС) реализуется при перекрытии спектров сигналов разных источников радиоизлучения для выделения интересующих. Качество ПФС зависит от точности калибровки антенной решетки (АР), которая позволяет оценить амплитудно-фазовое распределение (АФР) при всех возможных направлениях прихода и обеспечивает идентичность трактов приема. Несоответствие фактического АФР измеренному приводит к ухудшению качества при всех методах ПФС.

Цель работы

Цель работы. Разработка метода повышения качества ПФС, основанного на оценках направлений прихода полезного и мешающих сигналов c помощью MUSIC и ESPRIT при неточной калибровке АР.

Материалы и методы

Материалы и методы. Для повышения качества ПФС применена режекция неподавленных из-за неточно измеренного АФР АР мешающих сигналов. Исследование проведено статистическим имитационным моделированием в MATLAB и обработкой данных натурного эксперимента.

Результаты

Результаты. Разработан метод ПФС на основе MUSIC и ESPRIT с дополнительной режекцией мешающих сигналов, неподавленных из-за неточной калибровки АР. Обоснован алгоритм построения базиса для режекции при априорной неопределенности сигнально-помеховой обстановки. Результаты статистического имитационного моделирования и обработка данных натурного эксперимента свидетельствуют об эффективности дополнительной режекции, примененной к выделенным сигналам.

Заключение

Заключение. Разработанный метод ПФС в условиях априорной неопределенности сигнально-помеховой обстановки при неточной калибровке АР и трактов приема обеспечивает показатели качества ПФС в широком динамическом диапазоне уровней полезного и мешающих сигналов. Тогда как известный метод Кейпона, требующий априорного знания направления прихода полезного сигнала или его оценки, в условиях неточного амплитуднофазового распределения выделяет только слабые относительно шума сигналы и подавляет сильные.

Introduction

Introduction. Spatial filtering of signals is performed for the selection the signals of interest when the signals spectra overlap. The quality of spatial filtering depends on the accuracy of antenna array (AA) calibration, which allows estimation of the amplitude-phase distribution (APD) at all possible directions of arrival, thus ensuring the identity of reception paths. A mismatch between the actual and measured APD values leads to quality degradation in all spatial filtering methods.

Aim

Aim. To develop a method for improving the quality of signal spatial filtering based on the estimates of the desired and interfering signal arrival directions formed by the MUSIC and ESPRIT algorithms under a priori uncertainty and imprecise AA calibration.

Materials and methods

Materials and methods. The quality of spatial filtering is improved by rejecting the interfering signals unsuppressed due to imprecisely measured APD of an AA. Statistical simulation modeling was carried out in the MATLAB environment; the data obtained experimentally were analyzed.

Results

Results. A method for spatial filtering based on MUSIC and ESPRIT completed with an additional rejection of unsuppressed interfering signals due to imprecise AA calibration is developed. An algorithm for basis construction for rejection under of a priori uncertainty of the signal-interference environment is substantiated. The results of statistical simulation modeling and experimental data processing have shown the feasibility of additional rejection applied to the selected signals by spatial filtering.

Conclusion

Conclusion. The developed method for spatial filtering under the conditions of a priori uncertainty of the signal-interference situation and imprecise calibration of AA and reception paths ensures high quality characteristics across a wide dynamic range of desired and interfering signals. Whereas the Capon's method, which requires a priori knowledge of the arrival direction of the desired signal or its estimation, is capable of selecting only weak signals and suppressing strong ones under the conditions of imprecise APD.

пространственная фильтрация сигналовоценки направлений прихода сигналовперекрытие спектров сигналовMUSICESPRITКейпонантенная решеткаамплитудно-фазовое распределениережекцияsignal spatial filteringsignal arrival direction estimationsignal spectrum overlappingMUSICESPRITCaponantenna arrayamplitude-phase distributionrejectionРабота выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (Минобрнауки России) в рамках реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства по теме "Мультимодальный комплекс контроля воздушного пространства аэропорта" (Соглашение о предоставлении субсидии федерального бюджета на развитие кооперации государственного научного учреждения и организации реального сектора экономики в целях реализации комплексного проекта по созданию высокотехнологичного производства № 075-11-2023-007 от 10.02.2023 г.) и в рамках Постановления Правительства РФ от 9 апреля 2010 г. № 218. Работа выполнена на базе Федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования "Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)" (СПбГЭТУ "ЛЭТИ").The work was carried out with the financial support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation as part of the implementation of a comprehensive project to create high-tech production on the topic "Multimodal complex for airport airspace control" (Agreement on the provision of subsidies from the federal budget for the development of cooperation between a state scientific institution and organization of the real sector of the economy in order to implement a comprehensive project for the creation of high-tech produc tion № 075-11-2023-007 dated 02.10.2023) and within the framework of the Decree of the Government of the Rus sian Federation of April 9, 2010 № 218. The work was carried out on the basis of the Federal State Autonomous educational institution of higher education " Saint Petersburg Electrotechnical University (ETU).ReferencesУидроу Б., Стирнз С. Адаптивная обработка сигналов: пер. с англ. М.: Радио и связь, 1989. 440 с.Widrow Bernard, Stearns D. S. Adaptive Signal Processing. Prentice-Hall, 1985.Robust Adaptive Beamforming / ed. by J. Li and P. Stoica. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2006. 445 p.Li Jian, Stoica Petre. Robust Adaptive Beam-forming. Hoboken, NJ, John Wiley, 2006.Fernández-Prades C., Arribas J., Closas P. Robust GNSS receivers by array signal processing: Theory and implementation // Proc. of the IEEE. 2016. Vol. 104, № 6. P. 1207–1220. doi: 10.1109/JPROC.2016.2532963Fernández-Prades C., Arribas J., Closas P. Robust GNSS Receivers by Array Signal Processing: Theory and Implementation. Proc. of the IEEE March 2016. doi: 10.1109/JPROC.2016.2532963Balanis C. A., Ioannides P. I. Introduction to smart antennas Berlin: Springer, 2007. 183 p. / Synthesis Lectures on Antennas. Vol. 5. P. 1–179.Balanis C. A., Ioannides P. I. Introduction to Smart Antennas. Synthesis Lectures on Antennas. 2007, vol. 5, pp. 1–179.Stevanovic I., Skrivervik A., Mosig J. R. Smart Antenna Systems for Mobile Communications: FINAL REPORT // Laboratoired Electromagnetisme et d’Acoustique Ecole Polytechnique Federale de Lausanne. CH-1015. URL: https://www.academia.edu/24560455/Smart_Antenna_Systems_for_Mobile_Communications_FINAL_REPORT_ECOLE_POLYTECHNIQUE_FEDERALE_DE_LAUSANNE (дата обращения 21.12.2020).Stevanovic I., Skrivervik A., Mosig J. R. Smart Antenna Systems for Mobile Communications: FINAL REPORT. Available at: https://www.academia.edu/24560455/Smart_Antenna_SysteSy_for_Mobile_Communications_FINAL_REPORT_ECOEC_POLYTECHNIQUE_FEDERALE_DE_LAUSANLA (accessed 21.12.2020).Иванов Н. М., Шевченко В. Н. Адаптивная обработка совокупности сигналов в антенных решётках с расширенной полосой приёма // Изв. вузов. Радиофизика. 2022. Т. 65, № 12. С. 1015–1027.Ivanov N. M., Shevchenko V. N. Adaptive Processing of a Set of Signals in Antenna Arrays with an Extended Reception Band. Izv. Vuzov. Radiofizika. 2022, vol. 65, no. 12, pp. 1015–1027. (In Russ.)Roy R., Kailath T. ESPRIT-Estimation of signal parameters via rotational invariance techniques // IEEE Trans. on Acoustics, Speech and Signal Processing. 1989. Vol. 37, № 7. P. 984–995. doi: 10.1109/29.32276Roy R., Kailath T. ESPRIT-Estimation of Signal Parameters via Rotational Invariance Techniques. IEEE Trans. ASSP. 1989, vol. 37, no. 7, pp. 984–995.Шевченко М. Е., Горовой А. В., Соловьев С. Н. Пространственная фильтрация перекрывающихся по спектру сигналов // Вопр. радиоэлектроники. 2019. № 12. C. 27–33. doi: 10.21778/2218-5453-2019-12-27-33Shevchenko M. E., Gorovoi A. V., Solov'ev S. N. Spatial Filtering of Signals with Spectrum Overlapping. Issues of Radio Electronics. 2019, no. 12, pp. 27–33. doi: 10.21778/2218-5453-2019-12-27-33 (In Russ.)Application of MUSIC and ESPRIT methods in adaptive smart antennas / M. E. Shevchenko, V. N. Malyshev, A. V. Gorovoy, S. N. Soloviev, A. H. Kelian // Proc. of 2021 Antenna Design and Measurement Intern. Conf. (ADMInC 2021). 24–26 Nov. 2021. P. 71–74.Shevchenko M. E., Malyshev V. N., Gorovoy A. V., Soloviev S. N., Kelian A. H. Application of MUSIC and ESPRIT Methods in Adaptive Smart Antennas. Proc. of 2021 Antenna Design and Measurement Intern. Conf. (ADMInC 2021). 24–26 Nov. 2021, pp. 71–74.Особенности применения методов MUSIC и ESPRIT в адаптивных смарт-антеннах / М. Е. Шевченко, В. Н. Малышев, А. В. Горовой, С. Н. Соловьев, А. Х. Кельян // Антенны и распространение радиоволн: сб. докл. Всерос. науч.-техн. конф. СПб., 24–26 нояб. 2021. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2021. С. 99–102.Shevchenko M. E., Malyshev V. N., Gorovoi A. V., Solov'ev S. N., Kel'yan A. Kh. Osobennosti primeneniya metodov MUSIC i ESPRIT v adaptivnykh smartantennakh [Features of Using the MUSIC and ESPRIT Methods in Adaptive Smart Antennas]. Antennas and Radio Wave Propagation: Collection of Reports of the All-Russ. Scientific and Technical. Сonf. SPb, SPbGETU, 2021, 120 p. (In Russ.)Интервальное и точечное пеленгование источников радиоизлучения при широкополосном радиомониторинге / М. Е. Шевченко, В. Н. Малышев, С. С. Соколов, А. В. Горовой, C. Н. Соловьев, Н. C. Стенюков // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2020. Vol. 23, № 6. С. 28–42. doi: 10.32603/1993-8985-2020-23-6-28-42Shevchenko M. E., Malyshev V. N., Sokolov S. S., Gorovoy A. V., Soloviev S. N., Stenukov N. S. Interval and Point Direction Finding of Radio Emission Sources for Broadband Radio Monitoring. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2020, vol. 23, no. 6, pp. 28–42. doi: 10.32603/1993-8985-2020-23-6-28-42 (In Russ.)Богданович В. А., Вострецов А. Г. Теория устойчивого обнаружения, различения и оценивания сигналов. 2-е изд. М.: Физматлит, 2004. 320 с.Bogdanovich V. A., Vostretsov A. G. Teoriya ustoichivogo obnaruzheniya, razlicheniya i otsenivaniya signalov [Theory of Sustainable Detection, Discrimination and Assessment of Signals]. 2nd Ed. Moscow, Fizmatlit, 2004, 320 p. (In Russ.)Богданович В. А., Вострецов А. Г. Асимптотически робастные алгоритмы демодуляции сигналов с подавлением помех множественного доступа // Радиотехника и электроника. 2010. Т. 55, № 8. С. 953–960.Bogdanovich V. A., Vostretsov A. G. Adaptive Asymptotically Robust Invariant Demodulation Algorithm for CDMA Systems Operating in Conditions of Multiple Access Interference. Radiotekhnika i ehlektronika. 2010, vol. 55, no. 8, pp. 953–960. (In Russ.)Богданович В. А. Асимптотические инвариантные алгоритмы обнаружения и различения сигналов // Электросвязь. 1992. № 10. С. 9–12.Bogdanovich V. A. Asimptoticheskie invariantnye algoritmy obnaruzheniya i razlicheniya signalov [Asymptotic Invariant Algorithms for Signal Detection and Discrimination]. Ehlektrosvyaz'. 1992, no. 10, pp. 9–12. (In Russ.)Вулих Б. З. Введение в функциональный анализ. 2-е изд. М.: Наука, 1967. 416 с.Vulikh B. Z. Vvedenie v funktsional'nyi analiz [Introduction to Functional Analysis]. Moscow, Nauka, 1967, 416 p. (In Russ.)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.