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智能天线的数字波束形成算法研究及硬件实现.pdf

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上传者: xl46512 2012-05-08 评分 0 0 0 0 0 0 暂无简介 简介 举报

简介:本文档为《智能天线的数字波束形成算法研究及硬件实现pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含西安电子科技大学硕士学位论文智能天线的数字波束形成算法研究及硬件实现姓名:张哲鹏申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:廖桂生李勇朝摘要摘要符等。

西安电子科技大学硕士学位论文智能天线的数字波束形成算法研究及硬件实现姓名:张哲鹏申请学位级别:硕士专业:信号与信息处理指导教师:廖桂生李勇朝摘要摘要智能天线采用了阵列天线和先进的信号处理技术能自动地调节发射或接收模式来适应信号环境。作为第三代移动通信系统的关键技术之一智能天线技术可以减少信道间干扰降低误码率的同时提高系统容量。本论文结合某“幸宰奎通信系统研制”项目对智能天线通信系统的波束形成算法及其硬件实现进行了研究主要研究内容如下:.介绍了阵列信号的模型和常用的自适应波束形成算法并对采样协方差矩阵求逆算法进行了仿真。.重点论述了直接中频采样全数字化接收机的设计在基于ADSP.TSlOlS的硬件平台上实现了LCMV准则下的DBF算法并完成了软件和硬件的调试测试结果验证了软件的正确性。..由于信号过采样同步信号提取所要用到数据量大。针对此特点首先介绍了多处理器并行处理技术然后结合硬件结构提出了一种并行乒乓处理算法完成以位巴克码为标志的同步信号提取。.对位巴克码的同步信号实现同步的软件进行优化以适应系统实时性要求。优化后运算量为优化前的.%以下。根据系统测试要求对算法作适当修改参与完成系统测试测试结果与理论仿真结果基本相符。关键词:智能天线自适应波束形成同步数字信号处理器As红acfAbs仃actSmart鲫舱如asystemcombillesmuniple锄temlaelemelltSwimasi乎alprCessingc印abil埘top姚mdiationand/rrec印tionpattemautomaticallyaccormngttllesignale谳mncInt.Itisanhport趾ttechnologyofterdge球积tionmobiles)r渤n.SnlartAme加脑canbeusedtoredllCecocb硼me:litel彘renCereduCebiten.rrate毋E购锄dinc器ecapaci何Conlbilledwi廿也edesignofcommlmicationSysteⅡlthedi百talsi罂谢process堍anditSb钺waredesi盟are觚批edin“sdissertation.Thedetailsof廿is也esisareo玛妇d鹪follows:.Thesi黟试modelsandadaptiVebeaII怕mliIlgar弛啦sllSedhsmart锄telln砧arein舡oduced.Th髓也e删撕onofSⅦalgor弛mispresented..Thedesi弘ofdig蹴mldti.modereceivcrⅥ讹d沁ct跚npleinite皿ediate毹quencyisdiscussedindetan.kDBFalgorimmLCMVisinlpIementedn也ehard妣鹏pl鸥b嬲edonADSPTSlSkdebuggillgfsR:wa佗andhard饿uDeareaCcomplished.etestresllltsshow廿efeasibil毋ande能ctiveofthesofhⅣare..The胁q叼nti够uscdinsynchronizationisVe巧largebecausetereceivedsi伊lalisovers锄pled.Fi】姘y'mllltiproCessorparallelprocessingtechnyisadomed.k鸡combillingⅥdth也eh锄童戳啪arChitectureakiIldofparallelpingpongir培processingalgo商:ntcomplete拟aSynI’hronizaliollisproposed.眦enbitsb砌幻ercodeislsedtsynChrollizedata..IIlord髓tosatis每t:he嘲mrementofreal确.epfocessiIlgsynlohron泣ationpr铲锄isp石血Zed.kcon删ormcomplex竹isless廿an.%世盯叩tir【iz撕on.Thesofharepr伊amismodi丘edaccordiIlgtOterequmentofsystemmea吼Ⅱ.ement.K啊ords:smartant伽ma叠dapl曲ebe锄n】foming町md四吡Ii髓tionDSP创新性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得西安电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。申请学位论文与资料若有不实之处本人承担一切相关责任。本人签名:关于论文使用授权的说明本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕业离校后发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件允许查阅和借阅论文学校可以公布论文的全部或部分内容可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。(保密的论文在解密后遵守此规定)本人签名:麴整熊导师签名:日期:鲨i:兰!J日期:丝三Z:之!第一章绪论第一章绪论.研究背景及意义移动通信市场的高速增长有力地推动了移动通信技术的发展同时也对通信技术提出了更高的要求。年国际电信联盟(In.D提出第三代移动通信(G)系统的概念【到如今已取得可喜的进展。现在全球正在推行的第三代移动通信系统其主要特点包括通信容量相对采用传统全向天线/扇区天线有很大提高通信数据传输速率明显增加能够传输Mb肭以上的高质量图像采用宽带CDMA多址方式基站采用阵列天线实现自适应波束扫描和干扰信号抑制并且拥有多媒体业务能力特别是支持hltemet的能力。智能天线(Smart锄tenlla)作为第三代移动通信系统的关键技术之一结合了阵列天线技术和先进的数字信号处理技术利用信号的空间信息有效地抑制干扰提高期望信号增益因此可以大大地提高系统容量和通信质量已经作为G的关键技术出现在WCDMA、CDMA和TD.SCDMA三大G标准中。目前该技术已成为国内外的热门研究领域。智能天线技术是阵列信号处理技术发展的产物。从信息获取的角度上讲智能天线可以看作是将一组传感器按一定的方式放置在空间的不同位置上而构成的阵列该传感器阵列将接收到的空间传播信号经过适当的自适应信号处理网络进行处理提取所需的信号源和信号的属性等信息包括信号辐射源的数目、方向和幅度等。智能天线技术能够在干扰方向未知的情况下自动调节阵列中各个阵元的信号加权值的大小使阵列天线方向图的零点对准干扰方向而抑制干扰即使在干扰和信号同频率的情况下也能成功地抑制干扰【】。自适应波束形成技术始于二十世纪五十年代最早应用于声纳和雷达系统。经过几十年的蓬勃发展已经逐渐走向成熟。自适应技术由优化理论演变而来从上世纪初以来各方面的研究工作促成了自适应技术的出现。二十世纪五十年代末VmAtta首次提出了“自适应天线”的概念【ll】。进入六十年代自适应技术在许多领域进行了开创性工作形成了很多分支自适应波束形成就是其中之一。随着移动通信的发展以及对移动通信中电波传播、组网技术、天线理论等方面研究的逐渐深入智能天线开始应用于具有复杂电波传播环境的移动通信领域。这主要是由于移动通信的信道是一个多径、多址信道它存在着信号衰落、时延扩展、多普勒频移以及共信道干扰等严重问题。已经采用的解决上述问题的办法主要包括调制解调技术、信道编码技术、均衡技术、分集接收技术等等。随着这些技术的日益成熟想在这些技术上实现突破从而解决上述问题已经变得较为困难。而智能天线的数字波束形成算法研究及硬件实现在移动通信领域引入智能天线则为解决无线信道存在的诸多问题提供了新的思路。通过使用空分多址即自适应波束形成技术阵列天线能显著提高系统的输出S心取并减少时延扩展及多径衰落因此可以大大降低系统误码率【.】。近年来现代数字信号处理技术发展迅速数字信号处理芯片的处理能力不断提高芯片价格已经可以为现代通信系统所接受智能天线技术的研究开始从军事领域向民用领域转移。同时利用数字技术在基带形成天线波束成为可能以此代替模拟电路形成天线波束方法提高了天线系统的可靠性与灵活程度智能天线技术因此应用更加广泛。智能天线的主要技术特点可以概括如下【:、智能天线通过增加覆盖距离填补空洞提高穿透建筑物的能力达到增加覆盖范围的目的、覆盖距离的增加可以减少无线系统的初期建设费用j、智能天线可以将不同用户的上行信号分开从而降低功率控制要求缓和非理想情况下的功率控制的影响、能够通过对多径信号进行处理改善链路质量提高载于比减小多址干扰增加系统容量。.研究历史与现状智能天线是基于空分多址(SDMA)的思想从自适应天线阵列发展而来。自适应天线阵列(AdaptiveAn:tenna姗)最初主要用于雷达、声纳、抗干扰通信等军事方面。自适应天线阵列的概念【】【由VanAtta于年提出以来大体经历了以下阶段:l、前十年集中在自适应波束的控制上其研究对象是雷达天线阵目的是提高雷达的性能和电子对抗能力应用在自适应相控阵列天线和自适应波束操纵天线等。、第二个十年主要集中在自适应零陷控制上比如自适应滤波自适应调零自适应旁瓣对消自适应杂波控制等:、第三个十年主要集中在空间谱估计上比如最大似然谱估计最大熵谱估计特征空间正交谱估计等、最近十年工程师们正致力于将智能天线技术应用于移动通信中。随着微处理器和数字信号处理技术的飞速发展DSP芯片的处理能力日益提高价格日趋下降这也从客观上促进了自适应天线阵列技术的发展。近年来随着移动通信技术的发展以及对无线信道组网技术天线理论等方面研究的深入自适应天线阵列开始用于具有复杂电波传播环境的移动通信。第一章绪论欧洲通信委员会在姗计划中实施了第一阶段智能天线技术研究由德国、英国、丹麦和西班牙合作完成称为TS切呵触Ⅲ【】【q。TSUN舯m智能天线实验台选用DECT射频标准因为DECT能工作于孤立小区从而不用考虑网络因素。DECT标准特性如下:工作频带:.MHz载波数:载波间隔:.Ⅻz峰值发射功率:MW多址方式:Ⅱ)MA每帧时隙帧长:InS双工方式:TDD实验系统验证了智能天线的功能在两个用户的个空间信道(包括上行和下行链路)下实验系统比特差错率优于。现场测试表明圆阵和平面阵适用于室内通信环境而在市区适宜采用直线阵。年在Bristol市区进行了SDMA实验。基站为高米间距为旯/的线阵。对于两个固定用户的情况当砸足=.时自适应天线相对于单天线的功率改善大于lO(B。对两个步行用户也成功实现了跟踪且BER优于lO。日本三菱电气、Am光电通信研究所研制了卫星通信地面移动DBF天线实验系统【】。该系统工作于L波段载频为.GHz.DBF天线是由阵元组成的阵元方阵。阵元间距旯/。各阵元的基带信号通过FFT处理进行波束赋形分别采用恒模算法或最大合并分集算法进行处理。Ericssonmannes瑚砸公司的GSM/DCSBS智能天线系统【引。基站天线由单元、双极化天线组成是基于对目标定向以实现自适应波束形成的。上行链路确定DOA下行链路采用切换波束和自适应波束。该系统用于GSM/DCSl体制。在外场实验中对上行链路和下行链路的载噪比(C!NR)改善为.dB系统容量能够提高%.%。而.血的CNR改善则等效于减少%的基站。.美国Me仞wave公司对用于FDMA、CDMA、TDMA系统的智能天线曾经进行了大量研究成功地开发了商用舢旧S/CDMASpotLight智能天线系统、商用Spot】LightGSM波束切换智能天线系统和适用于G系统的嵌入式智能天线系统【捌。另外一项由多家公司资助并由英国ERA技术实验室承担的智能天线研究工程SCj蛆灌制作了一个阵元双极天线阵用以检测衰落信道中使用参考信号进行最优分集联合时权值的更新情况。该系统工作于.GHz使用归一化最小二乘(LS)跟踪算法。实验表明最优联合可以在不降低信号质量的情况下跟踪时变信道。并且单元天线的分集联合相对单阵元接收可提高信噪比dB最优联合相对单天线接收可提高信噪比dB。智能天线的数字波束形成算法研究及硬件实现美国WEST.Vector觚up公司的智能天线系统【J。该系统采用波束、波束的波束切换系统。在密集城区和较稀疏的郊区进行了外场实验。实验结果对多波束智能天线系统的使用提供了许多有意义的参数选择。清华大学智能天线课题组已经完成了一个智能天线的实验平台。该平台采用嵌入式结构和总线结构并进行了大量实验实现了智能天线的各个功能。完成了系统的室内测试外场实验实现了多个用户的波束跟踪。.本文的主要工作在对某智能天线通信系统数字接收机研究的基础上本文首先在第一章介绍了智能天线技术的历史、发展和现状。在第二章本文介绍阵列信号处理的基本原理及算法并分析算法特点其中着重论述了本通信系统用到的基于参考信号的自适应波束形成算法随后比较了LMS与SMI算法对本系统性能的影响最后本系统的同步信号提取方法。第三章介绍了整个智能天线通信系统数字接收机的总体方案设计及硬件实现分析了各个模块的实现原理及结构特别详细的论述了对本系统至关重要的两个部分:数字波束形成及同步信号的提取。而后本文给出了波束形成及同步信号提取的实现流程和硬件平台运行结果并与M觚AB仿真结果进行对比。最后论述了碴erSHARCADSPTSlS处理器的汇编程序优化方法及优化结果。第二章智能天线数字波束形成算法研究第二章智能天线数字波束形成算法研究.引言波束形成是对阵列接收信号的空域滤波在通信、雷达、声纳和地震勘探等领域有着广泛的应用。所谓波束形成就是对空间排布的各个阵元进行加权求和.以形成一定的波束来通过有用信号或需要方向的信号并抑制不需要方向的干扰从而实现“空域滤波’’。自适应波束形成器是利用现时的输入信号和干扰矢量采用自适应算法进行处理因而能根据环境情况自适应调整参数以实现最佳处理。采用数字方式在基带实现滤波的技术称为数字波束形成(DBD。本章首先建立波束形成研究中的阵列信号模型并介绍波束形成的基本知识。然后介绍了几种经典的波束形成算法给出MATAIB仿真结果并比较了算法特点。..假设条件.信号模型在建立波束形成算法信号模型的过程中为了简化分析并排除一些非理想因素的影响对电磁信号、传播介质、。阵列的工作环境、信号及噪声都作了合理的理想化假设下面列出主要的假设条件:l、点源假设假设辐射源为点源该假设使得从阵列向辐射源看去其张角为零因而辐射源相对阵列的方向是唯一确定的。、远场假设假设信号位于阵列的远场区信号波前到达阵列时可以认为是平面波阵列几何孔径远远小于信号源到阵列的距离。、阵元假设假设各阵元为相同的全向天线位置精确阵元几何尺寸远小于阵元间隔该假设保证各阵元为相似元。另外假设各阵元的中心频率为五带宽为B且男“五即采用的天线阵是窄带天线阵。阵元通道的极化隔离度理想阵元间无电磁耦合且阵元信道幅相一致这就保证了阵元和信道无任何误差。、独立同步采样假设假设构成阵列的所有阵元以及阵元的各个极化通道时间采样同步并且满足智能天线的数字波束形成算法研究及硬件实现NyquiSt准则。、传播介质假设假设传播介质为各向同性的均匀的、无耗的、非色散的和线性的该假设保证了电磁波在介质中不衰减、不畸变且满足线性叠加原理。、时域窄带信号假设假设信号带宽远小于其中心频率信号的复包络缓慢变化各个阵元上时延导致的波形差异可以忽略不计。该假设使得相邻阵元接收的信号仅相差一个相位因子。、空域窄带信号假设假设信号的带宽远小于阵列孔径渡越时间的倒数。该假设保证阵列所有阵元能几乎同时采集同一信号。阵列孔径渡越时间反映阵列两端阵元所接收到的来自同一辐射源信号的时间差当孔径渡越时间大于信号带宽的倒数时阵列两端的阵元所接收到的信号将不能同时相加。、噪声假设假设各阵元信道内部噪声为零均值平稳随机过程由于阵元间距足够大所以各阵元噪声独立并且具有相同的方差另外假设噪声与信号彼此独立。..阵列信号模型基于以上条件假设阵列天线远场存在P个信号源则所有到达信号波前近似为平面波。天线阵列为M阵元假设阵元数等于通道数即处理器接收N通道数据。以第一个阵元为参考阵元则参考阵元接收到的第i个信号为【】岛(f)=刁(f)事PⅣf=尸()其中五(f)为第i个信号的复包络包含信号信息P埘为载波。信号满足窄带条件下其复包络基本不变即五一f)刁)经过传播时延f后参考阵元接收信号为瓯一f)=乙(ff)事e硒’zl(力搴P确’=墨O)幸口一硒f=lP()则第m个阵元接收到的信号为‰(f)=‰幸墨f一‰)‰)()其中‰为第m个阵元对第i个信号的增益%为第i个信号到达第m个阵元相对于参考阵元的时延Ⅳ册f)为第m个阵元接收到的加性噪声。根据上式阵列在t时刻接收到的信号可以表示为第二章智能天线数字波束形成算法研究x()=民(f)而‰lO)『%lP咖锄‰P嘲锄一I啊lg幽轧啊e一觚IiLkle一扣‰‰e柏锄%尸P一俩勺JjIPg叫%’矗岈e吖唧锄墨O)如O)昂)%)^(f)‰.)(。)理想情况下阵列的每个阵元为全向天线而且不存在通道不一致性和互耦的影响则上式可以简化为x(f)=As()M(.)A=【a(‰)a(‰)a(‰)】、其中a(吼)=【P一椭fUP一慨fP一椭锄】T扣P它依赖于阵列几何结构和波的传播方向、波长等参数称为阵列流形(撇yman怕ld)或导向矢量(Stee血gvcctor)。sO)=h(f)s:(f)”如O)】T为信号矢量N(f)=【ⅣlO)Ⅳ(f)%(f)】T为噪声矢量口T表示矩阵转置。图.空间阵元几何位置图导向矢量是信号到达天线阵列的时延f的函数如图.所示空间阵元几何位置由阵元的几何位置可以得到到达信号的时间差和相位差进而给出阵列流形的具体形式。以坐标原点处阵元为参考阵元口为来波方位角为来波俯仰角则信号到达坐标为(xyz)的阵元相对于参考阵元的时延为f=一三kTr=一三tcoscoscossin口sin伊】旺)Z】.‘(呦CC其中c为光速。已知各个阵元对参考阵元的时延q册就可以确定阵列对信号的导向矢量。均匀线阵是最常用的阵列结构M个阵元等距离排列成直线阵元间距为d波达方向OA:dhctionofa仃iva】)定义为来波方向与阵列法线的夹角记为秒。以第一个阵元为参考阵元则各阵元相对参考阵元的时延为M()咿’曼暑箸鬻:【P夸枷P/等P枷)】T一其中名为信号波长。由此在阵列结构和信号波长确定时导向矢量只与波达方向有关而与基准点位置无关。.当空间中存在P个信号源其波达方向分别为包fP阵列流形矩阵为A()=a)a(岛)a(岛)】ll夸血岛./争血BP^P五三氧吖一)d血B三知一)d血岛P^口一‘l口J争血易P::三似)dsin易P。。M锄易()当阵元间距d大于A/时会产生空间模糊所以实际阵列阵元间距不能大于半波长五/以保证阵列流形矩阵的各个列向量线性独立。..概述.自适应波束形成算法虽然阵列天线的方向图是全向的但阵列的输出经过加权求和后却可以被调整到阵列接收的方向增益聚集在一个方向上相当于形成一个“波束”所以空间阵列波束形成实际上就是空域滤波通过将各阵元输出进行加权求和在一时间内将天线阵列波束“导向”到一个方向上。这类同于时域滤波空间角方向可视为空间角频率信号在各个角方向的功率分布即为角功率谱如表.所示。现一塑~墅w研一慨、塑kc型一c菩第二章智能天线数字波束形成算法研究条目时域信号空域信号采样时域采样空域采样变元x(n)毛谱频谱空间谱(角谱)一系统函数传递函数方向图一滤波处理对某些频率的信号对某些方向的信号表.空时等效性所谓阵列信号波束形成就是对阵列各单元信号加权求和。令权向量为w=【w屹%】T则阵列输出为My(f)=wH酢)=订鼍o)(一).fll其中{}。表示共轭{}H表示共轭转置。阵列方向图定义为P)=wHa(印()其中a(p)为对应于的导向矢量。..普通波束形成若空间只存在一个来自皖的信号不存在干扰信号则阵列接收信号为x(f)=s(r)a(岛)。当权向量为w=a(岛)时阵列输出信号为少(f)=wHxO)=aH(岛沁(r)a(鼠)()由上式可以看出权值的相位与信号在每个阵元相对参考阵元的相位相抵消这时各个阵元的加权信号相干叠加阵列输出最大实现了对方向角皖的选择即空域匹配滤波。将权向量取为来波信号的导向矢量的波束形成技术称为普通波束形成技术。对于等距线阵如要波束指向岛取w=a(岛)则普通波束形成的阵列方向图为P(印=wHa(p)=aH蛾)a(回:善口』专。。.搿n扣血岛):箬‘’‘d一g’了呻唧’智能天线的数字波束形成算法研究及硬件实现IP(臼)lsin删G弩吣蝎’sin蒯G试车i蝎’实际线阵中单元数目M较大苎堑学较小则线阵方向图为l尸(日)I=()siIl型攀掣咝siIl等伊趣事州亏p’其中伊:望竽(sia护一s诬岛)可见线阵方向图I尸(缈I以sk函数表示最大值为M。由线阵方向图可以得出线阵波束的三个性能如下【】:()线阵天线波束的宽度对于s妣函数s硫(x)=sm名当x=.时s证形=/芝由此可得方向图半功率点宽度。由警缈:.可得sin阳iIl岛=甓弓()‘令p=岛丢岛:由于sin秒=s缸岛圭q:)siIl岛丢q:c。s岛可以得到哦:去警)()COS劬、删或魄:去等(.)当阵元间距d=见/时可得蛾:击詈o可见线阵天线波束的半功率宽度与天线波束扫描角岛的余弦成反比即扫描角岛越大波束越宽。一()线阵波束的零点位置天线波束的零点位置取决于下式第二章智能天线数字波束形成算法研究圭M降s洫口一孕sin岛邓l五五”i‘、其中p为零点位置的序号若第p个零点位置用巳。表示则有.s峨=刍陪孕血岛当岛=O。时第一个与第二个零点位置为sin耻去sin氏=为()如图.左图所示为M=d=A/岛=。的天线方向图可见零点位置。同l/\/静|/八IyVV\枷柚却锄O啦'I^一一雌Ⅳ.n辆仁V~f瑚硒苗隧..*..一一“‘’‘‘。一}一JL一‘}’I一B畦图.阵兀与阵兀方向图()线阵波束的副瓣位置及副瓣电平线阵波束的副瓣位置取决于下式驯孕sin秒一孕sin岛I掣刀g.l总()I力旯”I、由此可得第q个副瓣的位置为s证岛=刍l学孕s证岛l均匀线阵归一化方向图为lP(p)I=则第q个副瓣的电平为..万dM(sill秒一siIl魄).MSm’=二Sm够..................i!.......一:.....卫M至空!!垫翌二!垫鱼丝缈()智能天线的数字波束形成算法研究及硬件实现.朋.口lSn一Sm二一石.p(岛)l={£=音=瓦一()了矿彳万彳万可得均匀线阵方向图第一副瓣的电平为一'l尸(B)l一寺(一。衄)()均匀线阵方向图第二副瓣的电平为一’IP(q)卜寺(一.船)()仿真采用阵元均匀线阵阵元间距等于载波波长的一半来波方向为如图.右图所示第一副瓣为..dB对于很多应用来说。这样的副瓣电平较高需要加窗处理。.普通波束形成是一个匹配滤波器将主瓣方向信号相干积累它实现简单在白噪声背景下是最优的但它存在以下缺点:一.波束宽度限制了方向角的分辨。.存在副瓣强干扰信号可以从旁瓣进入。.加窗处理可以降低旁瓣但同时会展宽主瓣。总之普通波束形成依赖于阵列几何结构和波达方向角而与信号环境无关且固定不变抑制干扰能力差在色噪声背景下无法输出最大信噪比此时维纳滤波是最优的。..自适应波束形成准则自适应波束形成最早出现在声纳和雷达系统中【】【】年Applebaum提出了完全自适应阵列的概念并提出了基于最大信噪比原则的自适应算法【l翻接着WidrOw和Holf提出了利用最小均方误差的算法【在一定的条件下该算法可以获得良好的性能。虽然表面上看来最大信噪比算法和最小均方误差算法是两种完全不同的方法但对于稳定的信号已证明了它们均收敛于维纳解】。后来Capon提出了极大似然方法【Reed等又提出了直接对样本相关矩阵求逆的方法该方法能够快速收敛并克服收敛速率依赖于特征值散布的缺点但是该方法计算量较大。自适应波束形成技术经过了几十年的发展已经逐渐走向成熟。一个基本的自适应波束形成结构如图.所示其中自适应处理器可以依据许多不同的准则选择最佳权向量。比较常用的准则包括:最大信噪比准则(MSNR)、均方误差最小准则m似SE)和线性约束最小方差准则(LCMV)。第二章智能天线数字波束形成算法研究图.自适.匝波束形成结构图、最大信噪比准则(MSNR)【】阵列接收数据可表示为xO)=xe巧xlO)()其中b为对应的信号部分x。为噪声部分(包括干扰)。那么波束形成后阵列的输出J(f)=wHx(f)=wHxO)wH邑(f)(.)其中w为自适应阵的加权向量。波束形成后信号部分的功率s=E{wHx(f)《(f)w)=.wHRw()其中R=E{x(f)《O))为信号的自相关矩阵。噪声功率Ⅳ=E{wHx。)《)w>=wHR。w()其中R。=E{毛(r)x:O)>为噪声的自相关矩阵。若信号和噪声不相关阵列的输出功率P=SⅣ。信号与噪声功率之比可表示为:熹=蒜ⅣwHR。w、R。w掣=kR。w叫()即使输出信噪比最大的最优权向量w啊为矩阵对(RR斗)的最大广义特征值对应的特征向量。、最小均方误差准则(MMSE)【柏】阵列的期望输出d(f)与阵列输出y(f)的均方误差可表示为:五{ko)}=Epp)一wHxp)}()智能天线的数字波束形成算法研究及硬件实现展开得:E{IP(f))=E{dO)一wHxO)】【d’(『)一xHO)w】}:E一wH‰一呓wwHRw’‘。’其中K=E{x(f)xHO))为阵列协方差矩阵‰=E{x(f)矿(f))为阵列接受数据和期望信号的互相关矢量。求解上式可得使均方误差最小的最优权向量为:w叫=R:‰(.)此方法需要已知期望信号或阵列信号与期望信号的互相关矢量。、线性约束最小方差准则(LCMⅥ【】该准则可表示为:p甓挚w()其中C为约束矩阵f为约束值矢量。其最优解w咧=R二C(CHR:C)一f(.)当c=a(岛)即约束单个方向时F=此时最优权矢量为w叫=Ra(岛)(.)其中=/(aH(岛)R:a(岛))。此方法要求己知波束形成的指向a(岛)而不要求参考信号d(f)和信号与干扰的相关矩阵。准则解的表达式所需已知条件SNRRw掣=kR。w叫已知R。MSEw叫=R:k已知期望信号dO)LCMVw叫=Ra(岛)已知期望信号方向岛表.三个最优准则的比较如表.所示为三个最优准则的比较。在理想的情况下即在导向矢量和相关矩阵是精确已知的情况下以上三种准则是等价的。..自适应波束形成算法下面分别介绍两种基于参考信号的自适应波束形成算法:最小均方(LMS)算法和采样协方差矩阵求逆(SMI)算法并分析其特点。.最小均方算法(LMS)最小均方算法是一种基于MSE准则的波束形成算法它是在已知期望信号的第二章智能天线数字波束形成算法研究参考信号dO)的条件下利用随机梯度最小化误差来得到权矢量的。阵列接收信号为x(D=【五(七)吃(忌)%(忌)】期望输出与波束合成器实际输出问的误差为.口(妨=d)一wHx(足)关墟阵()()图.最小均方算法结构图以均方误差作为代价函数J(w)=E拟幼一wHx(克)}()MSE准则下LMS波束形成器的最佳权矢量为J(w)梯度为零时对应的权矢量可以解得:.w举=R:k(.蚴权值更新公式可用下式表示w(后)=w(幼一删(w(七”()其中W(w(J|}))表示代价函数的梯度。梯度计算常以估计值代替:W’r(后))=x(尼)P‘(后)()最后可得LMS权矢量更新公式w(七)=w(Ji})一肛(七)口’(忌)()LMS算法以瞬时值代替统计平均值只有在统计平均的意义下才与最速梯度下降法等效故其解与后者相比也呈现不同程度的波动。其中的取值决定权矢量迭代步长的大小。值太小步长小收敛速度慢值太大又会产生较大的噪声甚至使系统发散。LMS算法实现方便结构简单但主要缺点是收敛太慢。收敛性本质上依赖智能天线的数字波束形成算法研究及硬件实现于R。的特征值的分散程度当特征值很接近时可找到一个使算法快收敛。可用对角加载技术减小特征值离散程度以加速算法收敛。如图.所示为阵元均匀线阵对角加载仿真图。仿真假设信号来波方向为。信噪比为.dB三个干扰来向分别为。、。和。干扰噪声比为dB快拍数为。左图所示为对角加载前后特征值的变化可见对角加载后特征值离散程度减弱可使算法收敛速度加快其中三个大特征值对应于三个干扰。右图为波束形成方向图方向图显示其抗干扰效果明显。.对加岳舳『自e慷)图.对角加载仿具图.采样协方差矩阵求逆算法(SMI)【】采样协方差矩阵求逆算法(SMI)是开环自适应根据估计的采样协方差矩阵来计算自适应权矢量是数据分块处理方法这是与LMS的根本不同。根据LCMV准则SMI算法的最佳权矢量表达式为w叫=Ra(岛)()胪砾蒜)其中R。为干扰加噪声的协方差矩阵a纸)信号导向矢量岛为波束主瓣指向。SⅦ算法就是用接收的快拍数据来估计R。再得到权矢量即:jil。(工)=x也)xH(‘)()其中L为快拍数x)为‘时刻的接收数据由估计理论此估计是最大似然无偏估计即:是)专民工专可得sⅦ算法的最佳权矢量为一w删=R:a(岛)一()胪而赢弘)第二章智能天线数字波束形成算法研究代入波束合成表达式可得输出信号为y(f)=wx(f)=燃()工程上一般要求三M即快拍数大于两倍的自由度时性能损失不超过dB。仿真采用阵元均匀线阵阵元间距为半波长快拍数为。期望信号方向为。信噪比为dB两个干扰来向为。和。干扰噪声比均为dB仿真方向图如图.所示可见其抗干扰效果明显。圳算法方向圈l‰llll^l、|:lr、l、{、\、{j厂、弛^I.Ir『。y八旷、~llJtI’lf一lY|l(度)图.SM【算法仿真波束形成方向图.系统波束形成算法选取本系统信号为TDMA时隙结构采用基于参考信号的波束形成。在以上基础上比较LMS算法与SⅫ算法对系统性能的影响。由于同步结果对波束形成至关重要首先仿真选取接收信号与本地位巴克码相关。发射信号为一组巴克码后间隔个码元周期其后串联两组位巴克码。图.SNR为dB时相关结果智能天线的数字波束形成算法研究及硬件实现信噪比为dB时仿真结果如图.所示可见粗同步及精同步的相关峰值与理想值很接近同步结果理想。当信噪比为OdB时信号与噪声相近仿真如图.所示可见不同的两次仿真得到的结果截然不同。其中上面两图为同步不成功时的粗同步相关结果均不过门限且没有明显峰值下面两图为同步成功时粗同步与精同步相关结果可见有明显峰值。仿真结果显示信噪比为(B时由于受到噪声影响同步相关结果具有随机性很难保证同步信号提取能够正确完成。步图.SNR为dB时相关结果图.SNR为.dB时相关结果当信噪比为dB时相关结果受噪声影响随机性更加明显有虚假峰值出现第二章智能天线数字波束形成算法研究即信号被淹没如图.所示。当信噪比和干扰噪声比均为OdB时同步相关结果仿真如图.所示其中上面两图为同步不成功时的粗同步相关结果均不过门限且没有明显峰值下面两图为同步成功时粗同步与精同步相关结果但粗同步相关结果峰值不明显。仿真结果显示噪声和干扰导致同步具有随机性很难保证同步成功完成。图.阶IR与姗己均为dB时相关结果可见同步信号提取受到信噪比和干扰的影响在强信号时同步结果理想信号较弱时同步不能完成。自适应波束形成LMS算法要求已知期望信号d(f)和接收信号xO)本系统中期望信号d)为位巴克码接收信号x(f)则要通过同步信号提取来确定当有强干扰时同步不能完成此时LMS算法失效。故而用未经抗干扰的信号提取同步信号在有强干扰时难以实现。本系统首先做自适应波束形成得到抗干扰后的数据再做同步。SMI算法只需计算接收数据自相关矩阵及信号导向矢量就可以得到自适应权值本系统中导向矢量由程序引导。如图.所示为波束形成后同步的仿真图。信号方向为度干扰方向为度由于巴克码段未经扩频信噪比定为dB干扰噪声比为dB有效信号为两组串联的位巴克码后间隔个码元周期而后为第三组位巴克码。左图为SMI算法求权得到的方向图右图为波束形成后的数据与位巴克码的相关结果可见三个相关峰值明显同步效果理想。故本系统选取先用SMI智能天线的数字波束形成算法研究及硬件实现方法计算自适应波束形成权对接收信号做波束形成后再做同步信号提取。..概述图.波束形成后同步仿真图.同步算法位同步的目的是确定数字通信中的各个码元的抽样时刻即把各个码元加以区分使接收端得到一连串的码元序列这一串码元序列代表一定信息。在传输数据时则把若干个码元组成一个个码组称为群或帧帧同步的任务是把码组区分出来。在任何形式的数字通信系统中位同步都是必不可少的无论数字基带传输系统还是数字频带传输系统无论相干解调还是非相干解调都必须完成位同步信号的提取即从接收信号中设法恢复出与发端频率相同的码元时钟信号。实现位同步的方法有以下两种【J:()外同步法在基带数字信号频谱的零点处插入所需要的位同步导频信号接收端用窄带滤波器或锁相环来提取这个导频信号。在基带传输的部分响应系统中若采用相关编码的基带信号则其频谱的第一个零点在厂=/丁处插入导频应插在/Z处接收端经过.厂=/r的窄带滤波器降插入导频取出再进行二倍频可得到位同步脉冲。.插入导频法的另一种形式是使某些恒包络的数字信号的包络随位同步信号的某一波形而变化。例如PSK信号和FSK信号都是包络不变的等幅波。因此可将导频信号调制在它的包络上接收端只要做普通的包络检波就可恢复导频信号作为位同步信号。且对数字信号本身的恢复不造成影响。一插入导频法的优点是接收端提取位同步的电路简单。但是发送导频信号必然要占用部分发射功率降低了传输的信噪比削弱了抗干扰能力。第二章智能天线数字波束形成算法研究l()自同步法自同步法是发送端不专门发送位同步导频信号而接收端可直接从接收到的数字信号中提取位同步信号。非线性变换滤波法:先对数字信号进行非线性变换(例如过零检测、将归零码元变换为单极性归零码元)以产生位同步信息然后用窄带滤波器或锁相环提取便可得到所需的位同步信号。.数字锁相法:采用高稳定频率的振荡器(信号钟)从鉴相器获得的与同步误差成比例的误差电压不用于直接调整振荡器而是通过控制器在信号钟输出的脉冲序列钟附加或扣除一个或几个脉冲使调整加到鉴相器上的位同步脉冲序列的相位达到同步的目的。这种电路采用的是数字锁相环路。图.所示为数字锁相法原理框图。图.数孚锁相法原理框图本系统的同步实现方法为外同步法发送端在每个时隙的头部专门传送三组的位巴克码作为位同步标志信号其中前两组串联用于粗同步第二组与第三组之间间隔若干码元时间由协议确定精同步由第三组巴克码确定。在接收端用窄带滤波器进行滤波提取出该信号并与接收的相应的巴克码进行匹配当相关值为最大时就找到了帧的起始位置。..巴克码巴克码【】是一种具有特殊规律的二进制码组。它是一个非周期序列一个n位的巴克码{五屯吃。靠)每个码元只可能取值或它的局部自相关函数为万一f刀jf=R(歹)=五乃={o一o<『<力()扭Io歹刀实际中使用的巴克码都在位以上过短的码组容易受衰落或干扰的影响。如图.所示为位巴克码的自相关函数可见自相关函数在=O时具有尖锐的单峰特性。智能天线的数字波束形成算法研究及硬件实现伯位巴克码自相关结果..位同步信号提取图.位巴克码的自相关函数由于本系统采用开环结构的全数字接收机其采样时钟是独立于发送符号的时钟的此时的判决采样不同于中频模一数接口的AD变换采样在这种情况下判决取样的最佳时刻可直接通过在采样值中选取近似最佳采样时刻的采样值来获取。位同步输入采样点与输出准最佳采样点之间时间关系如图.。输入采样时刻‘、”飞‘‘。”‘千、。。:一’一s、jjrsY。飞.‘f‘。f‘f’r『.m.m一.k..图.信号样值点和最佳采样点间的定时关系仿真选取阵元等距线阵阵元间距为半波长由于插入导频未经扩频故设其信噪比为dB干扰噪声比为dB信号来向为.度干扰方向为度第二组与第三组巴克码之间间隔为个码元周期接收端为倍频采样接收数据与本地位巴克码的相关仿真如图.所示上排左图为由接收端信号产生自适应权值后的方向图可以看出抗干扰效果明显。上排右图为接收信号与本地位巴克码的相关结果可见三个相关峰值明显。下排图为相关峰值局部放大图可见前两个峰值点相差次采样第二与第三个峰值点相差次采样对应与位巴克码和个码元周期的次采样共点采样值。第二章智能天线数字波束形成算法研究图.接收数据与本地位巴克码相关仿真图.本章小结本章主要以波束形成为重点就自适应波束形成中的准则以及波束形成中的经典算法加以介绍特别详细介绍了LMS算法和SMI算法通过MA=rI.AB仿真验证其性能并分析它们的特点。随后比较了LMS算法和SMI算法对本系统性能的影响得出本系统选择SⅦ算法计算自适应波束形成权。最后论述了同步信号提取方法。第三章基于DsP的智能天线DBF算法的硬件实现第三章基于DSP的智能天线DBF算法的硬件实现..信号处理流程.概述经过天线阵传感器的射频信号首先经过前端模拟预处理变换为适合于加采样的宽带中频信号该宽带中频信号经ⅣD数字化后送到数字下交频器(DDc)对宽带数字中频内某一感兴趣的信号(对应于射频上的其中一个信道)进行数字正交下变频和采样率变换变换为与信号带宽相适应的低采样率的基带正交(I/Q)数字信号这M路I/Q基带数据经过DBF得到所需的波束。这是典型的单信道单波束形成器若DBF模块为多个数字波束形成器则系统为单信道多波束形成器。若在划D后设置多个单信道多波束形成器则可成为多信道智能天线【J。一图.单极化信号处理框图本智能天线通信系统为四个独立的扇区系统所组成每个扇区覆盖水平面。的范围四个扇区实现水平全向。无缝覆盖每个扇区包括垂直和水平各四个阵元。每个单极化信号处理后再做垂直极化和水平极化的极化分集合并最后厂IlllIIL智能天线的数字波束形成算法研究及硬件实现做四个扇区的分集合并。本接收系统中数字接收机在接收端中频的地方采用高速率的模数转换器将载波信号转换为数字信号后续的功能如下变频、滤波和解调和信号判决等全部用数字处理技术实现。由于四个扇区系统结构完全相同在此以一个扇区结构分析单极化系统所采用的接收和信号处理的系统框图如图.所示。波束形成后的输出信号送到下一级做极化合并后寻找最佳采样点如图.r‘r‘一所不图.极化合并框图扇区合并采用选大合并的方式就是在四个扇区中找到信号最大的一路信号输出。假定只有一路信号输出当同步完成后该支路设置一个信号量(在系统初始化时统一将四路信号量置零)合并时选择输出有信号量一路即可并且在数据段后的保护段将信号量重新置零即可。..并行处理技术随着波束形成技术的不断发展系统对信号处理的要求也越来越高包括日益剧增的原始数据、庞大的实时运算量和高度复杂的算法特别是对处理速度的需求在不断增加单DSP系统已经不能适应超大运算量的要求。在有些场合如雷达、声纳等领域中不仅运算量大、处理方式复杂数据吞吐量也很大必须采用实时性强、精度高和具备高数据吞吐量连接网络的大规模并行处理系统。因此本节介绍并行技术并在后面几节给出基于并行技术的波束形成及同步的硬件设计原理和思路。并行体系结构【】都意味着:在它们的各个组成部分之间必须有某种形式的互联这种互联的并行实体之间为了通信和协作能够方便地进行数据交换。互连网络是并行计算机体系结构中的重要组成部分互连网络的拓扑形状和结构直接影响着系统的整体容量和性能。数字信号处理器SP)作为一种处理器它的发展与计算机技术、大规模集成电路技术ⅣLSI)的发展紧密相连。近年来计算机技术得到飞速的发展计算机系统的性能得到极大的提高并行性是其显著的特点之一。并行计算已成为计算技术的关键因素。并行的途径主要来自内部结构并行和多处理器芯片并行计算机体系结构的研究和集成电路设计技术的发展使得并行计算技术从位级到多处理第三章基于DSP的智能天线DBF算法的硬件实现器并行都有了长足的进步。如上所述并行处理技术主要体现在两个方面:一是DSP作为处理器其内部体系结构的并行化技术二是多个DSP共同组成的系统各DSP间对数据进行并行处理的结构。.DSP体系结构的并行性【】单处理器并行技术与微处理器技术的发展密切相关当前集成电路设计技术使得在芯片上集成上百万门的电路都成为可能微处理器的结构

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