线阵数字波束形成技术
数字波束形成与智能天线_1
南京理工大学电光学院通信工程系 Nanjing University of Science and Technology Department of Communication Engineering 数字波束形成与智能天线 盛卫星 南京理工大学电光学院通信工程系 Nanjing University of Science and Technology Department of Communication Engineering 数字波束形成与智能天线 第一章引言 DBF and Smart Antennas Nanjing University of Science & Technology Sheng Wei Xing 2004.03.03引言 1.1 数字波束形成与智能天线发展的简史 1.2 移动通信中与雷达中的智能天线的异同 DBF and Smart Antennas Nanjing University of Science & Technology Sheng Wei Xing 2004.03.03 1.1 数字波束形成与智能天线发展的简史 数字波束形成与智能天线的概念来源于军事上雷达和声纳所采用的自适应阵列天线，目的是为了自适应地控制天线波束的主瓣使其对准目标，控制天线波束的零陷，使其对准干扰源，从而可以在强干扰环境下有效地发现和探测目标。 自适应天线阵列的概念自1959年由Van Atta 提出以来，到目前已经经历了四十多年的发展历程，大体上可划分为四个阶段： 第一个十年的研究集中在自适应波束控制上（六十年代）。如：自适应相控阵列天线，自适应波束控制天线等 z 50年代，美国出于卫星通信增强信号的需要，开始研究最初意义上的自适应天线。 z 1964年5月，IEEE Trans. on AP 第一次出版自适应天线专辑，总结了主波束自适应控制阶段的发展。 1.1 数字波束形成与智能天线发展的简史 第三个十年的研究主要集中在空间谱估计上（八十年代）。如：最大似然谱估计，最大熵谱估计，特征空间正交谱估计等 z 1986年3月，IEEE Trans. on AP 第三次出版自适应天线专辑，总结了DOA 估计的空间谱估计阶段的发展。 z 在八十年代，自适应天线阵从理论研究进入了广泛应用阶段，但主要限于雷达和声纳领域。 第二个十年研究集中在自适应零陷控制上（七十年代）。 如：自适应滤波，自适应调零与旁瓣对消，自适应杂波控制等。 z 1976年9月，IEEE Trans. on AP 第二次出版自适应天线专辑，总结了零向自适应控制阶段的发展。 1.1 数字波束形成与智能天线发展的简史 最近十年的研究主要集中在： z 1. 结合移动通信的智能天线的实现技术上（九十年代至今） 时隙、频率资源复用，码分多址导致同频干扰，成为制约通信容量的重要因素。现在的移动通信系统中采用的天线是全向天线，主要是为了确保与各个方向的用户都能通信。智能天线能根据信号的来波方向，自适应地调整天线方向图，形成一个窄的主波束对准用户，其它方向副瓣很低。这样可以增强用户信号，抑制干扰，提高信干比，增加通信系统容量。同时还可以降低发射功率，提高通信覆盖范围。同时多波束时，又称SDMA , 空分多址，大大增加通信系统容量。 移动通信得到了迅猛的发展，一方面，用户数量急剧增加，另一方面，移动业务主要由原来窄带的话音业务，向宽带的多媒体业务扩展。导致无线频谱资源日趋紧张，现在应用的多址方式包括： TDMA(时隙上错开) FDMA （载波频率上错开）, CDMA （码分多址）。
多波束形成技术研究
多波束形成技术研究 陈晓萍 （中国西南电子技术研究所，四川成都610036） 摘要：讨论了跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）中关于多波束形成的算法，优选的有LMS自适应方式和相位调整自适应方式；并简单介绍了波束控制和波束形成的实现。 关键词：TDRSS；多波束形成；LMS自适应算法；相位调整自适应算法 一、前言 随着航天技术的发展，要求测控通信站能高覆盖地对飞船等多个目标进行测控通信。要解决这个问题靠现有地面测控网和业务接收站已不能满足要求，需要建立天基测控通信系统，即跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)。 TDRSS把测控通信站搬移到天上同步定点轨道的中继星上，从上向下观测中低轨卫星、飞船、航天飞机等空间飞行器，从而提高了覆盖率。为了减轻中继星的复杂性和负担，将中继卫星观测到的数据和信息传到地面，由地面中心站进行处理。TDRSS中继星相控阵天线同时与多个用户航天器保持跟踪，地面站到航天器的正向通讯为时分多波束，反向通讯为码分和同时多波束。为了减轻中继星的负担，中继星上只装有形成正向天线波束扫描所需的电调移相器，由地面终端计算并发出指令，调节星上移相器相位，让天线波束以时分方式扫描对准各用户航天器，在对准期间完成正向数传。多个用户航天器送到中继星的反向数传信号在星上进行多波束形成会大大增加中继星的复杂性，反向信号经星上阵列天线接收和变换，各阵元收到的信号用频分多路方式相互隔离送往地面，由地面接收前端将频分多路还原成同频多路阵元输出，交由终端进行相控阵多波束形成处理。所谓波束形成, 就是利用开环控制或闭环自适应跟踪方法，对不同反向到达的信号用不同的权系数矢量对各阵元输出进行幅度和相位加权, 使各阵元收到的同一用户信号在合成器中得以同相相加, 输出信号最大, 干扰和噪声最小。当存在多个目标时, 地面终端利用码分多址方法和利用多个波束形成器并行地完成各目标的波束合成处理完成各用户的数传与测控。 二、多波束形成算法 数据中继卫星系统在多址方式下，服务对象一般分布在较低的地球轨道上，当用户星离地面的轨道高度在3 000 km以下时，中继星各阵元波束宽度只要26°就可覆盖地球周围的所有用户星。 当用户星以最大速度10 km/s运动,用户星穿过3.5°宽的合成波束所需的时间最短为205 s，所以中继星跟踪用户星所需的波束移动角速度是很小的。假定波束移动步进量为阵合成波束宽度3.5°的5％即0.175°，波束步进间隔时间长达10.5 s。只要计算机能在10.5 s 内依据用户星位置更新相控阵的相位加权系数，就会使合成波束移动并时刻对准目标。 按照目标的捕获与跟踪过程，多波束形成应有3种工作方式：主波束控制方式（开环）、扫描方式（开环）及自跟踪方式（闭环）。 当有先验信息如根据目标的轨道方程计算出目标在空中的当前位置时，可采用开环的主波束控制方式, 由用户星的实时俯仰角和方位角，计算机算出加权系数矢量，送到多波束处理器完成波束加权合成。用户星相对中继星来说角度移动缓慢，随着用户星的移动，计算机实时逐点计算出权系数矢量，可维持主波束的开环跟踪。主波束控制方式一般用于目标的初始捕获，完成后进入自动跟踪状态。 如果没有先验信息不知道目标的起始位置，可以采用波束扫描方式，根据事先制定的空
智能天线综述
文章编号:1006-7043(2000)06-0051-06 智能天线综述 肖炜丹,楼 吉吉,张 曙 (哈尔滨工程大学电子工程系,黑龙江哈尔滨150001) 摘 要:智能天线技术作为ITM -2000(International Mobile Telephone -2000,2000年全球移动电话)的核心技术之一,受到国内外移动通信业的高度重视.本文对智能天线的基本概念、基本原理和国内外研究现状等进行了综合论述,并讨论了其相关技术及应用和发展前景,最后对智能天线技术研究中的难点和应注意的问题发表了看法.① 关 键 词:智能天线;软件无线电;移动通信;ITM -2000;第二代移动通信系统;第三代移动通信系统中图分类号:TN911.25 文献标识码:A Summ arization of Sm art Antennas XIAO Wei-dan ,LOU Zhe ,ZAN G Shu (Dept.of Electronic Eng.,Harbin Engineering University ,Harbin 150001,China ) Abstract :Great attention is paid to the application of smart antennas by mobile communication trade both here and abroad as one of the key techniques for ITM -2000(International Mobile Telephone -2000).The paper presented basic concepts and principles of the smart antennas ,including its research situation at home and abroad ,and then discussed correlated technologies and potential applications.Finally ,the authors ’opinions were presented about the difficulties and the problems that should be considered in the research of smart antennas. K ey w ords :smart antenna ;software radio ;mobile communication ;ITM -2000;2G;3G 近年来全球通信事业飞速发展,通信业务的需求量越来越大,特别是第三代移动通信等新概念的出现,对通信技术提出了更高的要求.第三代移动通信系统的理想目标是有极大的通信容量,有极好的通信质量,有极高的频带利用率.在复杂的移动通信环境和频带资源受限的条件下达到这一目标,主要受3个因素的限制:1)多径衰落;2)时延扩展;3)多址干扰.为克服这些限制,仅仅采用目前的数字通信技术是远远不够的.近几年开始研究的移动通信的智能技术,即智能移动通信技术,包括智能天线、智能传输、智能接收和智能 化通信协议等,为克服和减轻这些限制,达到或接近第三代移动通信系统的理想目的,提供了最有力的技术支持,已成为第三代移动通信系统最重要的技术保证.而其中的智能天线技术以其独特的抗多址干扰和扩容能力,不仅是目前解决个人通信多址干扰、容量限制等问题的最有效的手段,也被公认为是未来移动通信的一种发展趋势,成为第三代移动通信系统的核心技术.为便于广大通信爱好者能够对智能天线技术有所了解,本文将从智能天线的概念、原理、相关技术及其应用做一简要介绍. ①收稿日期:2000-06-01;修订日期:2000-11-15 作者简介:肖炜丹(1975-),男,黑龙江哈尔滨人,哈尔滨工程大学电子工程系硕士研究生,主要研究方向:通信与信息系统. 第21卷第6期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Vol.21,№.62000年12月 Journal of Harbin Engineering University Dec.,2000
波束形成基础原理总结
波束赋形算法研究包括以下几个方面: 1.常规的波束赋形算法研究。即研究如何加强感兴趣信号,提高信道处理增益,研究的是一 般的波束赋形问题。 2.鲁棒性波束赋形算法研究。研究在智能天线阵列非理想情况下,即当阵元存在位置偏差、 角度估计误差、各阵元到达基带通路的不一致性、天线校准误差等情况下,如何保证智能天线波束赋形算法的有效性问题。 3.零陷算法研究。研究在恶劣的通信环境下,即当存在强干扰情况下,如何保证对感兴趣信 号增益不变,而在强干扰源方向形成零陷,从而消除干扰,达到有效地估计出感兴趣信号的目的。 阵列天线基本概念（见《基站天线波束赋形及其应用研究_ 白晓平》） 阵列天线（又称天线阵）是由若干离散的具有不同的振幅和相位的辐射单元按一定规律排列并相互连接在一起构成的天线系统。利用电磁波的干扰与叠加，阵列天线可以加强在所需方向的辐射信号，并减少在非期望方向的电磁波干扰，因此它具有较强的辐射方向性。组成天线阵的辐射单元称为天线元或阵元。相邻天线元间的距离称为阵间距。按照天线元的排列方式，天线阵可分为直线阵，平面阵和立体阵。 阵列天线的方向性理论主要包括阵列方向性分析和阵列方向性综合。前者是指在已知阵元排列方式、阵元数目、阵间距、阵元电流的幅度、相位分布的情况下分析得出天线阵方向性的过程；后者是指定预期的阵列方向图，通过算法寻求对应于该方向图的阵元个数、阵间距、阵元电流分布规律等。对于无源阵，一般来说分析和综合是可逆的。 阵列天线分析方法 天线的远区场特性是通常所说的天线辐射特性。天线的近、远区场的划分比较复杂，一般而言，以场源为中心，在三个波长范围内的区域，通常称为近区场，也可称为感应场；在以场源为中心，半径为三个波长之外的空间范围称为远区场，也可称为辐射场。因此，在分析天线辐射特性时观察点距离应远大于天线总尺寸及三倍的工作波长。阵列天线的辐射特性取决于阵元因素和阵列因素。阵元因素包括阵元的激励电流幅度相位、电压驻波比、增益、方
波束形成技术
LOW C OST PHASED ARRAY ANTENNA TRANSCEIVER FOR WPAN APPLICATIONS Introduction WPAN (Wireless Personal Area Network) transceivers are being designed to operate in the 60 GHz frequency band and will mainly be used for home environment radio links. So far, three basic technologies have been developed for implementing these WPAN devices: 1. Transceivers with a fixed antenna beam and wide aperture: have limited RF performance and no user-tracking ability. 2. MIMO (Multi Input Multi Output): have potential user-tracking ability, but also have marginal RF performance due to high losses that affect waves at 60 GHz reflected by the walls which cancels the potential advantage. 3. Digital Active Phased Array Antenna systems (APAA): have user-tracking ability and good RF power density. In principle digital APAA can handle both compressed as well as uncompressed signals. Digital beam forming is performed by dividing the baseband signal power in as many parts as there are antenna array elements. Then, the bit stream corresponding to each antenna element is digitally phased accordingly with the requested phase value. Now the phased bit streams are used for modulating the RF carrier in one or more steps. At last the modulated carriers are radiated by the antenna array. The baseband processor is complex and expensive; the related conventional RF subsystem is complex and expensive as well. The digital APAA system becomes even more complex when the bit stream is not directly available: this happens when the signal is still compressed. In this case, the baseband processor must first perform a decompression function in order to make available the bit stream. This additional function can significantly increase the cost of the digital APAA. Moreover, if multiple radiated channels are required, the above process and its complications will be multiplied by the number of contemporary channels that are to be handled. We could conclude that ANALOG APAA should be the best technical solution. In fact, analog APAA can handle compressed and uncompressed signals because the signal
数字波束形成
摘要 随着高速、超高速信号采集、传输及处理技术的发展,数字阵列雷达已成为当代雷达技术发展的一个重要趋势。数字波束形成(DBF)技术采用先进的数字信号处理技术对阵列天线接收到的信号进行处理,能够极大地提高雷达系统的抗干扰能力,是新一代军用雷达提高目标检测性能的关键技术之一。并且是无线通信智能天线中的核心技术。 本文介绍了数字波束形成技术的原理，对波束形成的信号模型进行了详细的推导，并且用matlab仿真了三种计算准则下的数字波束形成算法，理论分析和仿真结果表明以上三种算法都可以实现波束形成，并对三种算法进行了比较。同时研究了窄带信号的自适应波束形成的经典算法。研究并仿真了基于最小均方误差准则的LMS算法、RLS算法和MVDR自适应算法，并且做了一些比较。 关键词：数字波束形成、自适应波束形成、智能天线、最小均方误差、最大信噪比、最小方差
ABSTRACT With the development of high-speed, ultra high-speed signal acquisition, transmission and processing technology, digital array radar has became an important trend in the development of modern radar technology. Digital beamforming (DBF) technology uses advanced digital signal processing technology to process the signal received by antenna array. It can improve the anti-jamming ability of radar system greatly and it is one of the key technology。It is the core of the smart antenna technology in wireless communication too。 This paper introduces the principle of digital beam forming technology, the signal model of beam forming was presented, And the digital beam forming algorithm under the three calculation criterion was simulated by MATLAB, theoretical analysis and simulation results show that the three algorithms can achieve beamforming, and made some comparison between the three algorithms. At the same time, made some study about the adaptive narrow-band signal beam forming algorithm. Learned and Simulateded the LMS algorithm base on minimum mean square error criterion and RLS algorithm and MVDR algorithm, and do some comparison Key Words:DBF, ADBF, Smart antenna, The minimum mean square error, The maximum signal to noise ratio
MIMO系统的波束形成技术及其仿真
MIMO 系统的波束形成技术研究及其仿真 杨尚贤1，王明皓2 （1.沈阳航空航天大学辽宁沈阳110136；2.沈阳飞机设计研究所辽宁沈阳110035） 摘要：概述了智能天线中的波束形成技术和MIMO 系统中空时分组码原理，基于传统的最小均方（LMS ）算法和MI - MO 系统中空时分组码，研究分析了两者相结合的可行性。 关键词：智能天线；LMS 算法；MIMO ；空时分组码；误码率中图分类号：TN821.91 文献标识码：A 文章编号：1674－6236（2012）24-0093-03 MIMO systems beamforming technology and its simulation YANG Shang -xian 1，WANG Ming -hao 2 （1.Shenyang Aerospace University ，Shenyang 110136；China ； 2.Shenyang Aircraft Design Institute ，Shenyang 110035；China ） Abstract:The overview of beamforming technology in the smart antenna and space -time block code principle in the multiple -input multiple -output （MIMO ）system ，studied and analyzed the feasibility of combination based on the traditional least mean square （LMS ）algorithm and the multiple -input multiple -output （MIMO ）system space -time block codes.Key words:smart antenna ；LMS algorithm ；MIMO ；STBC ；BER 收稿日期：2012-09-03 稿件编号：201209021 作者简介：杨尚贤（1985—），男，辽宁大石桥人，硕士研究生。研究方向：航空电子信息系统。 随着移动通信技术的快速发展，移动通信用户的数目迅速增加，有限的频谱资源难以满足日益增长的全球市场对于移动通信的巨大需求。采用多输入多输出（MIMO ）技术充分利用频域资源实现移动通信系统性能的有效提高，已经成为近些年来的研究热点[1-4]。在无线通信系统中，多径衰落和各种干扰是普遍存在的。智能天线技术能够有效地抑制多径干扰、同信道干扰、多址干扰等各类型的干扰。而空时编码技术可以在不损失带宽的情况下获得很高的编码增益和分集增益，从而实现抗多径衰落的目的。因此，如果将空时编码技术与波束形成技术相结合将会获得更好的系统性能，文中将对空时编码技术与波束形成技术相结合的可行性进行研究。 1智能天线中的自适应波束形成技术 自适应波束形成技术的基本原理，是根据一定的准则和 算法自适应地调整阵列天线阵元激励的权值，使得阵列接收信号通过加权叠加后，输出信号的质量在所采取的准则下最优。波束形成原理图，如图1所示。 经典的自适应波束形成算法有最小均方算法（LMS ）和递归最小二乘算法（RLS ），采样矩阵求逆（SMI ）算法，最小二乘横模算法（LS-CMA ），基于DOA 估计的空间线性约束最小方差算法（LCMV ）、最小方差无畸变响应（MVDR ）算法、特征子空间（ESB ）算法等，以上算法各有其优缺点[5-9]。本文将以LMS 算法为基础探讨研究波束形成技术。W （n +1）=W （n ）+12 μ[-Δ W （E {ε2（n ）}）]=W （n ）+μ[r xd -R xx W （n ）]（1） 其中，W 是加权向量，μ是常数，称为步长因子，ε（n ）是输出信号与有用信号之间的误差，r xd 是输入信号与有用信号的互相关矩阵，R xx 是输入向量自相关矩阵。 因为r xd ，R xx 都是统计量，因此实际计算需要用估计值代替，LMS 算法的原理[10]是：采用瞬时采样值进行这两项的估 计，即在第n 个快拍，r xd 和R xx 的估计值R 赞xd 和R 赞xx 为r 赞xd =d *（n ）x （n ）（2）R 赞xx =x （n ）x H （n ）（3） 于是将式（2）、（3）代入式（1）得， W （n +1）=W （n ）+μ[d *（n ）x （n ）-x （n ）x H （n ）W （n ）]=W （n ）+μx （n ）[d *（n ）-y *（n ）]=W （n ）+μx （n ）ε*（n ） （4） 电子设计工程 Electronic Design Engineering 第20卷Vol.20第24期No.242012年12月Dec.2012 图 1 波束形成原理图 Fig.1 Principle diagram of beamforming
波束形成
3.5 两种特殊的波束形成技术 3.5.1协方差矩阵对角加载波束形成技术 常规波束形成算法中，在计算自适应权值时用XX R ∧ 代替其中的X X R 。由于采样快拍数是有限的，则通过估计过程得到的协方差矩阵会产生一定误差，这样会引起特征值扩散。从特征值分解方向来看，自适应波束畸变的原因是协方差矩阵的噪声特征值扩散。自适应波束可以认为是从静态波束图中减去特征向量对应的 特征波束图，即:m in 1 ()()( )()(()())N i V V iv iv V i i G Q E E Q λλθθθθθλ* =-=-∑,其中()V G θ是 是自适应波束图，()V Q θ是静态波束图，即没有来波干扰信号而只有内部白噪声时的波束状态。i λ是矩阵X X R 的特征值。()iv E θ是对应i λ的特征波束图。 由于X X R 是 Hermite 矩阵，则所有的特征值均为实数，并且其特征向量正交，特征向量对应的特征波束正交。而最优权值的求解表达其中的X X R 是通过采样数据估计得到的，当采样快拍数很少时，对协方差矩阵的估计存在误差，小特征值及对应的特征向量扰动都参与了自适应权值的计算，结果导致自适应波束整体性能的下降。鉴于项目中的阵列形式，相对的阵元数较少，采样数据比较少，很容易在估计协方差矩阵的时候产生大的扰动，导致波束的性能下降，所以采用对角加载技术来保持波束性能的稳定及降低波束的旁瓣有比较好的效果。 （1）对角加载常数λ 当采样数据很少时，自适应波束副瓣很高，SINR 性能降低。对因采样快拍数较少引起自相关矩阵估计误差而导致的波束方向图畸变，可以采用对角加载技术对采样协方差矩阵进行修正。修正后的协方差矩阵为:XX XX R R I λ∧ =+ 。 自适应旁瓣抬高的主要原因是对阵列天线噪声估计不足，造成协方差矩阵特征值分散。通过对角加载，选择合适对角加载λ ，则对于强干扰的大特征值不会受到很大影响，而与噪声相对应的小特征值加大并压缩在λ附近，于是可以得到很好的旁瓣抑制效果。对于以上介绍的通过 LCMV 准则求得的权值o p t w 经过对角加载后的最优权值为：111()(())H opt XX XX w R I A A R I A f λλ---=++ （2）广义线性组合加载技术 对角加载常数λ 来修正采样协方差矩阵，能够有效实现波束旁瓣降低的同时提高波束的稳健性。但是对加载值λ 的确定有一定难度，目前还是使用经验值较多。于是，来考虑另外一种能够有效实现协方差矩阵的修正，而且组合参数
智能天线技术
移动通信原理 学院：信息工程学院 班级：电子与通信工程 学号： 2111703317 姓名：蒋阿康 智能天线技术
随着移动通信的迅速发展，越来越多的业务将通过无线电波的方式来进行，有限的频谱资源面对着越来越高的容量需求的压力。对于第二代移动通信系统GSM，在我国的一些大城市已经出现了容量供应困难的现象，小区蜂窝的半径已经很小，而目前作为应用研究重点的3G以及它的业务模式无疑将对网络容量有更高的要求。高速的数据业务将作为3G网络服务的一个主要特点，这使得网络数据流量尤其是下行方向上将有明显的提高。因此，为了在3G系统中实现与第二代系统明显的差别服务，充分体现3G系统在业务能力上的优势，网络容量将是网络的运营者必须重点考虑的问题。就目前的情况而言，智能天线技术将是提高网络容量最有效的方法之一，尤其对于3G 中以自干扰为主要干扰形式的通信系统。 天线方向图的增益特性能够根据信号情况实时进行自适应变化的天线称为智能天线。与普通天线以射频部分为主不同，智能天线包括射频部分以及信号处理和控制部分。同时，由于终端在尺寸和成本上的限制，所以目前对于智能天线的研究主要集中在基站。 目前，普遍使用的是全向天线或者扇区天线，这些天线具有固定的天线方向图形式，而智能天线将具有根据信号情况实时变化的方向图特性。 图 1 如图1所示，在使用扇区天线的系统中，对于在同一扇区中的终端，基站使用相同的方向图特性进行通信，这时系统依靠频率、时间和码字的不同来避免相互间的干扰。而在使用智能天线的系统中，系统将能够以更小的刻度区别用户位置的不同，并且形成有针对性的方向图，由此最大化有用信号、最小化干扰信号，在频率、时间和码字的基础上，提高了系统从空间上区别用户的能力。这相当于在频率和时间的基础上扩展了一个新的维度，能够很大程度地提高系统的容量以及与之相关的目录。 1.智能天线技术的概念 智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。 智能天线是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA(Direction of Arrival)，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干
阵列雷达数字波束形成技术仿真与研究
阵列雷达数字波束形成技术仿真与研究 【摘要】本文首先介绍了数字波束形成的基本原理，随后对普通波束形成及基于LCMV准则和MVDR准则的单多波束自适应形成技术分别进行了原理介绍和仿真分析。仿真结果表明，基于自适应技术的数字波束形成能有效提取有用信号，并在干扰方向上形成零陷，有效的抑制噪声和干扰，大大提高了阵列雷达的天线性能。 【关键词】阵列雷达；波束形成；自适应 1.引言 波束形成（Beam Forming，BF）[1]是指将一定几何形状排列的多元阵列各阵元的输出经过加权、时延、求和等处理，形成具有空间指向性波束的方法。BF技术的广泛应用赋予了雷达、通信系统诸如多波束形成、快速、灵活调整方向图综合等许多优点。阵列天线的波束形成可以采用模拟方式，也可以采用数字方式，采用数字方式在基带实现滤波的技术称为数字波束形成（Digital Beaming Forming，DBF），它是天线波束形成原理与数字信号处理技术结合的产物，是对传统滤波技术的空域拓展，在通信领域中也称为智能天线技术。 2.普通波束形成 2.1 普通波束形成的基本原理 要研究数字波束形成技术，首先要建立阵列信号的表示形式。假设接收天线为N元均匀线阵，阵元间的间隔为d，各阵元的加权矢量为W=[w1，w2，…，wN]，假设信号为窄带信号S（t），信号波长为，来波方向为，经过加权控制的阵列天线示意图如图1所示[2]。 图1 阵列天线波束形成示意图 若以阵元1为参考点，则各阵元接收信号可以写成： （1） （2） 将上式写成矢量形式，得： （3） 称为为方向矢量或导向矢量。在窄带条件下，它只依赖于阵列的几何结构和波的传播方向，因此，均匀线阵的导向矢量可表示为：
多波束形成方法
多波束形成技术研究 摘要：讨论了跟踪与数据中继卫星系统（TDRSS）中关于多波束形成的算法，优选的有LMS自适应方式和相位调整自适应方式；并简单介绍了波束控制和波束形成的实现。 关键词：TDRSS；多波束形成；LMS自适应算法；相位调整自适应算法 一、前言 随着航天技术的发展，要求测控通信站能高覆盖地对飞船等多个目标进行测控通信。要解决这个问题靠现有地面测控网和业务接收站已不能满足要求，需要建立天基测控通信系统，即跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)。 TDRSS把测控通信站搬移到天上同步定点轨道的中继星上，从上向下观测中低轨卫星、飞船、航天飞机等空间飞行器，从而提高了覆盖率。为了减轻中继星的复杂性和负担，将中继卫星观测到的数据和信息传到地面，由地面中心站进行处理。TDRSS中继星相控阵天线同时与多个用户航天器保持跟踪，地面站到航天器的正向通讯为时分多波束，反向通讯为码分和同时多波束。为了减轻中继星的负担，中继星上只装有形成正向天线波束扫描所需的电调移相器，由地面终端计算并发出指令，调节星上移相器相位，让天线波束以时分方式扫描对准各用户航天器，在对准期间完成正向数传。多个用户航天器送到中继星的反向数传信号在星上进行多波束形成会大大增加中继星的复杂性，反向信号经星上阵列天线接收和变换，各阵元收到的信号用频分多路方式相互隔离送往地面，由地面接收前端将频分多路还原成同频多路阵元输出，交由终端进行相控阵多波束形成处理。所谓波束形成, 就是利用开环控制或闭环自适应跟踪方法，对不同反向到达的信号用不同的权系数矢量对各阵元输出进行幅度和相位加权, 使各阵元收到的同一用户信号在合成器中得以同相相加, 输出信号最大, 干扰和噪声最小。当存在多个目标时, 地面终端利用码分多址方法和利用多个波束形成器并行地完成各目标的波束合成处理完成各用户的数传与测控。 二、多波束形成算法 数据中继卫星系统在多址方式下，服务对象一般分布在较低的地球轨道上，当用户星离地面的轨道高度在3 000 km以下时，中继星各阵元波束宽度只要26°就可覆盖地球周围的所有用户星。 当用户星以最大速度10 km/s运动,用户星穿过3.5°宽的合成波束所需的时间最短为205 s，所以中继星跟踪用户星所需的波束移动角速度是很小的。假定波束移动步进量为阵合成波束宽度3.5°的5％即0.175°，波束步进间隔时间长达10.5 s。只要计算机能在10.5 s 内依据用户星位置更新相控阵的相位加权系数，就会使合成波束移动并时刻对准目标。 按照目标的捕获与跟踪过程，多波束形成应有3种工作方式：主波束控制方式（开环）、扫描方式（开环）及自跟踪方式（闭环）。 当有先验信息如根据目标的轨道方程计算出目标在空中的当前位置时，可采用开环的主波束控制方式, 由用户星的实时俯仰角和方位角，计算机算出加权系数矢量，送到多波束处理器完成波束加权合成。用户星相对中继星来说角度移动缓慢，随着用户星的移动，计算机实时逐点计算出权系数矢量，可维持主波束的开环跟踪。主波束控制方式一般用于目标的初始捕获，完成后进入自动跟踪状态。 如果没有先验信息不知道目标的起始位置，可以采用波束扫描方式，根据事先制定的空间角度扫描轨迹图形，顺序调出各角度位置的加权矢量，形成波束的空中扫描，当波束扫到目标时，波束合成器输出最大信号并给出目标捕获指示，完成目标初始捕获，随即进入波束
自适应波束形成技术简介
自适应波束形成技术简介 摘要:介绍了自适应波束抗干扰技术的发展历程,以及各种自适应波束形成算法的原理和特点,讨论了自适应波束抗干扰技术的应用情况,探讨了该技术在工程应用上面临的主要问题以及解决途径和方法。 1引言 随着电子干扰理论与技术的迅速发展,电子干扰对雷达构成了严重的威胁。天线相当于空间滤波器,是雷达抗干扰的第一道防线,天线抗干扰技术主要有低副瓣和超低副瓣、副瓣匿影、自适应副瓣对消、自适应阵列系统、波束控制、天线覆盖和扫描控制等。传统的雷达天线具有固定的波束方向,不能在抵消干扰的同时自动跟踪期望信号的来向,无法适应未来复杂电磁环境下工作的需要。自适应阵列天线技术作为一个新的理念,是利用算法对天线的波束实现自适应的控制。自适应阵列天线抗干扰就是在保证期望信号大增益接收的前提下,自适应地使天线的方向图零陷对准干扰的方向,从而抑制掉干扰或者降低干扰信号的强度。 最初,自适应阵列天线技术主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信等领域,完成空间滤波和定位等。近年来,随着移动通信及现代数字信号处理技术的迅速发展,利用数字技术在基带形成天线波束成为可能。天线系统的可靠性与灵活程度得到了大大的提高。自适应阵列天线技术在雷达中有以下的应用潜力: (1)抗衰落,减少多径效应 电波在传播过程中经过反射、折射及散射等多种途径到达接收端。随着目标移动及环境变化,信号瞬时值及延迟失真变化非常迅速且不规则,造成信号多径衰落。采用自适应阵列天线控制接收方向,天线自适应地在目标方向形成主波束,并对接收到的信号进行自适应加权处理,使有用接收信号的增益最大,其它方向的增益最小,从而减少信号衰落的影响。
(2)抗干扰能力强 利用自适应阵列天线,借助有用信号和干扰信号在入射角度上的差异,选择恰当的合并权值,形成正确的天线接收模式,即:将主瓣对准有用信号,零陷和低增益副瓣对准主要的干扰信号,从而可更有效地抑制干扰。其中零陷所带来的干扰消除叫做主动抑制,旁瓣对消干扰叫做被动抑制。抗干扰应用的实质是空间域滤波。自适应阵列天线波束具有方向性,可区别不同入射角的无线电波,可调整控制天线阵单元的激励“权值”,其调整方式与具有时域滤波特性的自适应均衡器类似,可以自适应电波传播环境的变化,优化天线阵列方向图,将其“零点”自动对准干扰方向,大大提高阵列的输出信噪比,提高系统可靠性。 (3)增加系统容量 自适应阵列天线波束变窄,提高了天线增益及C/I指标,减少了雷达系统的同频干扰,降低了频率复用系数,可提高频谱利用效率。采用自适应阵列天线是解决复杂电磁环境、多目标容量难题的既经济又高效的方案,可在不影响甚至提高接收质量的情况下,大幅提高雷达的工作容量。采用自适应阵列天线,雷达的C/I和SINR指标大大提高,同时对单个或多个目标的覆盖定向能力增强,可使雷达的探测区域大大增加。 2自适应波束形成技术的发展 自适应阵列天线的研究可以追溯到20世纪60年代,其中最具代表性的工作包括Adams提出的基于SNR输出的自适应处理器以及Widrow提出的宽带和窄带自适应阵列结构。近年来,随着研究的不断深入,其基本理论日趋成熟,出现了大量的自适应波束形成算法 适应波束形成通过不同的准则来确定自适应权,并利用不同的自适应算法来实现。主要的准则有:最小均方误差(MSE)准则;最大信噪比(SNR)准则;最大似然比(LH)准则;最小噪声方差(NV)准则等。Monzingo和Miler在他们的专著中阐述了理想情况下这4种准则是等价的。不管选择什么样的准则,都是要采用一定的算法调整阵波束方向图,从而实现自适应控制。 法的分类有几种,按照算法的实现可以分为开环算法和闭环算法。早期主要注重于闭环算法的研究,主要的闭环算法有最小均方(LMS)算法、差分最陡下降(DSD)算法、加速梯度(AG)算法以及它们的变形算法。闭环算法简单、性能可靠,不需数据存储。但其主要缺点是收敛于最佳权的响应时间取决于数据特征值分布,在某些干扰分布情况下,算法收敛速度较慢,从而大大限制了它的应用场合。因此,近20年来,人们把兴趣更多集中在开环算法研究上。REED等人最早提出了著名的开环算法:直接求逆(DMI或SMI)法。DMI法通过直接干扰方差矩阵的逆来求解
波束形成-张小飞
第三章波束形成算法 3.1 波束形成的发展 近年来，阵列信号处理在无线通信系统中得到了广泛应用。在蜂窝移动通信中，通信信道的需求急剧增长，使提高频谱复用技术显得日益重要。这就是通常说的空分多址（SDMA）。其中一个重要部分便是波束形成。 自适应波束形成（ADBF）亦称空域滤波，是阵列处理的一个主要方面，逐步成为阵列信号处理的标志之一，其实质是通过对各阵元加权进行空域滤波，来达到增强期望信号、抑制干扰的目的；而且可以根据信号环境的变化自适应地改变各阵元的加权因子。 自从1959年Van Atta提出自适应天线这个术语以来，自适应天线发展至今已经40多年了，自适应研究的重点一直是自适应波束形成算法，而且经过前人的努力，已经总结出许多好的算法比如SMI算法，ESB算法等等。但理论与实际总是有差距的，因为实际系统存在误差，这使得实际阵列流形与理想阵列会把期望信号当干扰进行一直，造成输出信号干扰噪声比下降和副瓣电平升高，当输入信号的信噪比（SNR）较大时，这种现象尤为明显。面对误差，传统自适应波束形成算法的效果很不理想，所以，研究实际环境下稳健的自适应波束形成算法具有重要的理论意义和军事，民用应用价值。 自适应波束形成常用协方差矩阵求逆（SMI）算法，该算法具有较快的信号干扰噪声比（SINR）意义下的收敛速度。从协方差矩阵分解的角度，自适应波束形成是协方差矩阵特征值分散，小特征值对应的特征矢量扰动，并参与自适应权值计算所致。针对这一问题，基于协方差矩阵非线性处理和对角线加载波束保形方法，对协方差矩阵非线性处理的加权因子的选取只能通过经验来取得；而在不同的干扰和噪声环境下对角线加载量的选取，至今没有很好的解决方法。 文献[3]提出了利用投影算子对阵列数据进行降维处理,在一定程度上降低了运算量,同时提高了自适应波束的稳健性,其投影算子是根据目标和干扰的粗略估计,以及不完全的阵列流形知识得到的。当相关矩阵中含有期望信号时,导致输出SINR下降,波形畸变较严重,另外,当存在系统误差和背景噪声为色噪声时,该方法虽然能够减小协方差中的扰动量,但副瓣电平还会出现一定程度的升高以及主瓣发生偏离现象。文献[4～5]提出的基于特征空间(ESB)的自适应波束形成算法,其权向量是在线性约束最小方差准则(LCMV)下的最优化权,向信号相关矩阵的