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多目标测控中基于波达方向估计的自适应数字波束合成研究.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《多目标测控中基于波达方向估计的自适应数字波束合成研究pdf》,可适用于IT/计算机领域,主题内容包含重庆大学博士学位论文多目标测控中基于波达方向估计的自适应数字波束合成研究姓名:曾浩申请学位级别:博士专业:电路与系统指导教师:杨士中中文摘要I摘要经符等。

重庆大学博士学位论文多目标测控中基于波达方向估计的自适应数字波束合成研究姓名:曾浩申请学位级别:博士专业:电路与系统指导教师:杨士中中文摘要I摘要经过多年发展我国航空航天测控系统已经处于测控系统发展的第二个阶段即统一载波测控体制具有了由地基海基测控设备构成的完整的测控网络在这样的体制中一套测控设备每次只能对一个目标进行测控而且只能在本国和附近地区进行随着航空航天科学技术的发展和国防建设需要多目标同时测控的需求日益增强其具体运用领域也日益广泛比如由跟踪与数据中继卫星组成的天基测控系统为了在全球范围全程跟踪飞行器天基测控把测控站放到太空中由中继卫星完成而一颗中继卫星不可能只监测一个飞行器而必须同时多目标测控多目标测控另一个典型应用是对小卫星测控小卫星的出现大大降低了卫星成本这意味着空中卫星数量的增加甚至出现了小卫星群为了降低对小卫星的测控成本多目标测控是主要解决手段即使是在传统测控网络中实现多目标测控也是对原有设备进行改造和升级的重要方向多目标测控实现是通过自适应数字波束合成DigitalBeamformingDBF技术自适应DBF技术利用信号的不同来向从空间域进行滤波把主瓣对准期望信号而零陷对准干扰信号通过软件形成不同的权值在相同的硬件设备上形成多个通道完成多目标测控自适应DBF涉及了无线通信的各个部分而关键在于基带信号处理作者在全面理解DBF理论基础上针对系统实现过程中涉及的多个系统性能问题进行了理论分析同时对波束空间自适应算法和波达方向估计算法进行了改进并完成了中频和基带的硬件设计和制作为系统的产品化奠定了基础论文主要内容包括首先以均匀线阵为研究模型介绍了波束合成系统的几个重要参数意义和求解方法推导在不同准则下的系统最优权矢量解并对它们进行比较和分析指出统一为维纳解而通过对MV准则下波束合成器的仿真可以观察空间滤波对系统性能的改善针对工程实现分析了系统性能同量化比特数采样快拍数阵列失配的关系对于量化比特数的分析其意义在于确定ADC器件分辨率和数据精度分析表明系统量化比特数的增加对系统增益提高是有益的但当量化比特数增加到一定值这种改善就不明显了快拍数大小决定了协方差矩阵估计误差大小从而影响系统性能快拍数越多误差当然越小但系统复杂度自然也随之增加通过分析快拍数同阵列增益的关系就可以在理论上按照一定的技术指标确定自适应DBF算法使用的快拍数的多少阵列失配是阵列校正的原因线性约束和二次约束是两种基本校正方法重庆大学博士学位论文II介绍了各种基本自适应算法及其性能针对波束空间算法引入对角负载技术进行改进在降低运算量同时提高稳健性自适应DBF算法由于是对阵列信号进行处理而且本身算法也较为复杂如何减少系统计算复杂度一直是人们研究的方向同时目前的各种自适应算法对阵列失配非常敏感通常都需要进行阵列的校正提高系统稳健性把波束空间自适应DBF算法同二次约束中的对角负载技术相结合一方面可以通过降低维数来减少运算复杂度另一方面也可以提高系统稳健性通过对阵元空间对角负载实现方法的分析给出了波束空间对角负载方法实现过程并确定了对角负载值分析比较各种DOA估计算法对均匀圆阵的二维MUSIC法谱峰搜索引入FFT从而降低运算量自适应DBF算法中的非盲自适应算法需要一个参考信号这个参考信号可以是时间信号也可以是空间信号空间参考信号的获得实际就是期望信号的DOA的估计问题MUSIC法是DOA估计的经典超分辨方法适应范围广是工程实现中常采用的方法对于均匀分布的圆阵由于阵元位置的特殊性MUSIC法空间谱的谱峰搜索计算可以通过简单位置变换等效为圆周卷积从而可以利用FFT使谱峰搜索计算量减少一半左右为了验证理论的可行性为多目标测控设备的工程应用奠定基础必须完成相应的各种硬件设计制作和调试根据课题需要作者首先用FPGA制作了一个BPSK的直接序列扩频调制信号源该信源载波为MHz基带伪随机码速率为Mbits设计完成了针对阵元均匀圆阵的中频信号处理单元即把MHz载波的BSPK调制信号进行路正交模拟解调并用Costas环提取本地相干载波自适应DBF的基带处理部分则是由FPGADSP器件完成FPGA具有高速特点可以用于阵列加权求和而DSP进行运算方便则用于DOA估计和权值求解FPGA把模数转换器得到数据传给DSPDSP把处理得到的权传回FPGA二者配合实现DBF总之多目标测控是一个庞大系统自适应DBF理论也涉及多个方面具有很多分支如宽带处理有色噪声稀疏阵列去耦校正盲源分离等等自适应DBF也不仅仅用于测控还用于个人通信地球物理海洋勘探医学图像数字电视射电天文等众多领域正因为如此作者研究只能涉及自适应DBF理论的一部分而重点体现在上述五点和其相关部分关键词多目标测控数字波束合成波达方向估计阵列增益阵列失配英文摘要IIIAbstractThetracking,telemetryandcommand(TTC)systemofaeronauticsandastronauticsinourcountryhassteppedintothesecondgenerationwithmorethanyears’development,egunifiedcarrierTTCsystemNow,ourTTCnetworkconsistsofTTClandbasedandseabasedstationsInthisnetwork,oneTTCstationcanonlydealwithonevehicleanditcan’ttrackthevehicleonallovertheearthWiththedevelopmentofaeronauticsandastronauticstechnologyanddemandofnationaldefence,itbecomesmoreandmorenecessarytorealizethemultivehiclesTTCOnetypicalapplicationistheTDRSSInordertotrackthevehicleduringthewholeflyingprocess,wecanmovetheTTCstationupinthespace,whichisjusttheTDRSSinceitisimpossibleforoneTDRSonlytotrackonevehicle,multivehiclesTTCisrequiredAnotherapplicationisthemicrosatellitesUsually,therewewillusemanymicrosatellitesatthesametimeinthespaceduetothelowcostofsatelliteThemultivehiclesTTCcandecreasethecostsignificentlyEveninthetraditionalTTCnetwork,multivehiclesTTCisanimportantapproachtoupdateandregenerateoldequipmentsTheimplementationofmultivehiclesTTCmainlydependsonadaptiveDBFtechnologyAdaptiveDBFsteersthemainbeamfacetowardsthedesiredsignalandsuppressestheinterferencesatthesametimethroughthespatialfilteringaccordingtothesignals’DOAItonlyneedsonesetofhardwaretoworkoutafewweightvectorsbysoftware,obviouslyoneweightvectorformsonemainbeamAdaptiveDBFconsistsofwirelesscommunicationtechnology,butthekeyisthebasebanddigitalsignalprocessingTheperformancesofthesystemareanalyzedinspecialconditions,whichisimportantforthehardwaredesignTheauthorimprovedthebeamspaceadaptiveDBFalgorithmandDOAestimationalgorithm,anymoredesignedandbuiltthehardwareforthemodulator,demodulatorandbasebandcircuitThemainworksconcludethat()InthemodelofULA,themainparametersoftheDBFsystemareintroducedfirstWethenderivetheoptimumweightvectorswithdifferentoptimumcriterionsButallofthemareWienersolutionThroughthesimulationofMVDRbeamformer,wecanknowthefunctionofthespatialfiltertothecommunicationreceiver()Therelationshipbetweensystemandnumberofbit,soasthesystemandnumberofsnapshotsandarraymismatcharepresentTherelationshipbetweensystem重庆大学博士学位论文IVperformanceandnumberofbitdirectlyinfluencestheselectionoftheADCTheconclusionshowsthatifincreasingthebitnumber,thearraygainwouldalsoincreaseButwhenthevaluereachesacertainthreshold,thearraygainchangesscarcelyOntheotherhand,thecovariancematrixcouldonlybeestimatedthroughtemporalaveragingoffinitesnapshotsthatgeneratestheerrorObviously,moresnapshotscanproducebetterperformance,butthecostisincreasedatthesametimeThroughtheanalysis,theconclusioncanhelpustoselecttherightnumberofsnapshotsToovercomethearraymismatch,linearconstraintsandquadraticconstraintsarethepopularalgorithms()TheanalysisandcomparisontodifferentadaptiveDBFalgorithmsarefollowedbyanimprovedalgorithmtakesthedigonalloadintobeamspaceAdaptiveDBFprocessesthearraysignalwithacomplicatedalgorithm,sowealwaystrytoreducethecomputationalcomplexityAtthesametime,theexistingalgorithmsareusuallysensitivetothearraymismatch,sothesystemneedstobecalibratedtoimprovetherobustThemethod,tounifythebeamspaceadaptivealgorithmanddiagonalloadofquadraticconstraint,notonlycutsdownthecomputationalcomplexity,butalsoensuresthebeamformerrobustnessTheauthorfirstanalysestheelementspacediagonalloadalgorithm,andthengivesthealgorithminbeamspaceThevalueofloadisdescribedalso()WetaketheadvantageoftheFFTintheDMUSICalgorithmforDOAestimationtoUCAafterintroducingthesebasicalgorithmsInthenonblindadaptiveDBFalgorithm,thereshouldexistareferencsignal,whichcouldbetemporalorspatialThespatialreferencesignalmeanstheDOAofdesiredsignalWhenconsideringthecirculararrayantenna,theMUSICspectrumhasinterestingpropertybecauseofthespecialelementlocations,whichshowsthatthesearchingofthepeakiscyclicconvolutionSincethen,theFFTcanbeusedtocalculatecyclicconvolutionsothatthatthecomputationalcomplexityisreducedbyapproximatelyAuthoranalysestheMUSICalgorithmusingFFTintwodimensionsDOAestimationThesimulationandtheoryanalysisshowtheworthinessofFFT()Soastoexaminethetheoreticalresearch,therelatedhardwareisdesignedandtestedAccordingtothedemandofproject,aBPSKmodulatorwithMHzcarrierandMbitsbasebanddatacomesintobeingfirstthroughFPGA,whichalsohasthefunctionofDSSSAnotherhardwareistheintermediatefrequencyunitthatisaninechannelsIQdemodulatorwithCostasloopThebasebandunittakestheDSPandFPGAforthateachofthemhasitsowncharacteristicsSuchastheDSPcanrealizecomputationeasilyandFPGAhashighspeedontheotherhandFPGAreceivesthedatafromADC英文摘要VandsendsthemtotheDSPThentheDSPcomputestheweightvectorsandsendstheweightvectorsbacktoFPGA,whichfinishesthemultiplicationandadditionlastGenerallyspeaking,multivehiclesTTCisalargesystemandtheadaptiveDBFincludesmanyfields,suchaswidebandarray,colornoise,sparearray,decouplingcalibration,blindsignalseparationTheadaptiveDBFisnotonlyappliedinTTC,butalsoinpersonalwirelesscommunication,earthphysics,seaexploration,medicalimagingdigitalTV,andsoonSotheauthor’sworkcouldonlyincludesomepartsofadaptiveDBFtheory,andtheemphaseisthefivepointsintroducedaboveKeywordsmultivehiclesTTC,digitalbeamforming,directionofarrivalestimation,arraygainarraymismatch绪论绪论研究背景自古以来人类就没有停止过对空间的探测和研究但是真正意义的航天事业的开端是从第二次世界大战末期德国成功研制具有制导功能的V导弹为标志通常我们把航天技术分为三个组成部分航天运载器技术航天器技术航天测控技术,航天测控是保证航天器正常飞行必不可少的技术手段在航天飞行器的各个工作阶段发射飞行回收测控系统完成的基本任务是测量和控制其中测量包括外弹道测量和内弹道测量分别简称外测和内测外测是精密测量导弹和航天器的飞行轨道参数如座标速度加速度等内测则是测量导弹和航天器的内部工作状态航天员的生物参数各种工程参数等无线电和光学是完成测量的两种主要手段控制也是分为两种一种是一次性控制如在飞行器实验中发生故障需要从地面发出指令使故障弹自行销毁的安全控制命令称为安控另一种控制是飞行器运行的指令控制如星船的姿态控制变轨交会对接停靠回收等各种机动控制这类指令控制称为遥控按照测控技术的体制发展可以把测控技术发展分为三个阶段第一个阶段是分离测控体制发展阶段最初测控系统是由相互分离的跟踪测轨设备遥测设备遥控设备组合而成的因而称之为分离测控系统第二个阶段是统一载波测控体制发展阶段在年代初美国喷气推进试验室就展开了对统一测控系统的研究提出了统一S波段系统UnifiedSBandSystemUSB它包括四个主要的技术要素统一载波采用S波段锁相技术伪随机码测距自统一波段测控系统问世以后它就在空间技术领域中迅速地得到广泛的应用应用领域涉及各种火箭卫星飞船空间站的测控深空跟踪导弹试验的安全控制以及航空飞行器的测控第三个阶段是跟踪与数据中继卫星系统TrackingandDataRelaySatellitesSystemTDRSS体制发展阶段,年美国就有人提出了这样一种设想能否将测控站搬移到天上从上向下俯视低轨航天器从而实现高的覆盖率这种天基的设计思想从根本上解决了测控的高覆盖率开创了测控发展的新纪元并于年月日发射TDRS卫星升空成功它标志着一个测控新时代的出现之后又连续地发射了颗星其中一颗失败共有六颗跟踪与数据中继卫星TrackingandDataRelaySatellitesTDRS在同步轨道上工作使之对中低轨航天器的覆盖率达到近年美国又发射了颗TDRS它们较原来的TDRS有了更强大的功能构成了新的高级跟踪与数据中继卫星系统AdvanceTrackingandDataRelaySatellitesSystemATDRSS重庆大学博士学位论文多年来为配合我国导弹和航天试验测控和沟通测控的通信技术有了长足发展在测控系统总体设计测控网和测控中心的建设测量数据的实时和事后处理以及跟踪测量和指令控制设备技术等方面都跨入了世界先将行列实现了飞向太空返回地面同步定点一网多星国际兼容飞船回收载人航天七大历史性飞越从测控系统的体制上讲目前仍然是处在第三个阶段但是未来测控技术发展有着许多的新的具体技术,,针对这些技术目前国际和国内都在进行理论研究或者工程实现不同国家的发展进度不同由于航天测控技术同国民经济和军事紧密相关发达国家对技术出口进行限制我们必须主要依靠自力更生进行发展目前测控技术的主要发展方向有以下一些跟踪与数据中继卫星系统TDRSS是世纪航天测控通信技术的重大突破,其天基设计思想从根本上解决了测控通信的高覆盖率问题同时还解决了高速数传和多目标测控通信等技术难题并且具有很高的经济效益TDRSS使航天测控通信技术发生了革命性的变化目前还在继续向前发展不断地拓宽自己的应用领域小卫星及多星测控自上世纪年代以来微电子技术纳米技术的迅猛发展,为现代小卫星技术的发展提供了技术和物质基础具有体积小重量轻效费比高研制周期短发射布轨灵活低轨运行等特点的小卫星星座在军民等领域得到了广泛的应用针对这种新的情况测控技术采用传统的一星一站方式是不可能的于是通过一站多星技术才能经济地完成对大量卫星长期在轨运行的管理全球定位系统无论是美国的全球定位系统GlobalPositioningSystemsGPS还是前苏联的全球导航卫星系统GlobalNavigationSatelliteSystemGLONASS都是被实践证明很好的全球定位系统不仅仅具有全球和全天候的定位功能还同时兼有定时功能由于只需要接收信号不需要发送信号航天飞行器的接收设备简单投资较少但是由于系统受它国控制使用存在明显的风险深空跟踪通信系统该系统的目的是为行星探测飞行器提供跟踪数据获取和通信服务它的主要问题是如何提高灵敏度和信道增益这是由于信号的远距离传输特性决定的美国有了自己的深空网俄罗斯和日本也在这方面取得了领先地位发射机可以工作在LSX波段甚至向Ka波段和激光段发展我国这方面的研究还处于起步阶段高精度的导弹测控从海湾战争和科索沃战争的历史看出精确制导武器对于战争胜利具有重要作用而精确制导的实现需要通过先进的测控技术完成导弹测控的特点是精度高测控时间短实时性强可靠性高这需要综合利用现有的各种测控技术手段如干涉仪激光GPS等同时通过数字化可以进一步减少测量绪论误差综合化测控系统的综合化既包括物理设备的综合化也包括功能的综合化这也是电子系统发展的方向具体而言测控系统综合化包括三个方面一是多功能综合测控系统从分离体制向统一载波体制发展基带设备由分离基带向综合基带发展二是测控系统的任务综合从测控为主逐步综合进了通信功能,成为测控通信系统以满足日益增大的数传速率的需要TDRSS就是一个典型的例子三是从分散多网向统一公用网发展在航天事业发展初期由于技术基础的限制和过分强调载人不载人各种卫星等航天任务的特殊性分别建设了多种测控网这使得投资大维护费用也高各网利率也低今后将逐渐发展为多网合并数字化数字系统同模拟系统相比具有可靠性高精度高可扩展时分复用等等优点同时随着半导体技术的不断发展各种数字处理的器件性能也有了突飞猛进的提高这使得很多测控系统设备可以实现数字化主要包括终端设备接收机发射机都可以数字化航天测控网联网的国际合作除了少数国家的测控网位于全球各个地方可以实现对飞行器的全球测控外大多数国家的测控网都是建在本国境内尤其是陆基设施当飞行器不处于观测范围内时无法进行测控而通过国际合作可以减少测控的巨大投入并实现相应的全球测控功能自适应DBF在测控系统中的应用自适应DBF的特点早期的测控系统接收天线具有固定的方向图为了使接收达到最好效果需要利用机械转台跟踪飞行器使天线波束的主瓣始终对准飞行器这种方式存在跟踪精度低反应慢机械设备复杂的明显缺点后来采用相控阵天线通过对每个阵元的接收信号进行相位校正使之与参考阵元接收信号同相并把这时的各阵元接收信号进行叠加求和作为输出这样的结果可以不需要转动天线但是由于仅仅对信号进了相位校正没有进行幅度校正只能使天线的主瓣对准飞行器而没有对不同来向的干扰进行抑制如果强干扰进入天线旁瓣同样会严重影响接收效果自适应DBF利用信号同干扰的不同来向进行空间滤波具有很强的抗干扰能力通过对阵元接收信号进行复数加权既进行了相位的校正也进行了幅度的校正在按照一定的准则进行这种校正后可以得到最大信干噪比的输出即不仅使主瓣对准了期望信号也使零陷对准干扰,每一路DBF只能接收一路期望信号但通过并行网络可以很容易实现一个天线阵对多路信号的同时接收关于自适应DBF的具体原理和数学模型将在第二章中详细描绘重庆大学博士学位论文天基测控系统中的自适应DBF,天基测控的目的是为了提高对km以下的中低轨飞行器的高覆盖率测控而基本思想就是把测控站的一部分功能搬移到高于飞行器轨道的更高的空中这就是TDRS飞行器同TDRS进行数据通信在通过TDRS与地面站通信美国的ATDRSS通过颗位于万km高度的同步轨道TDRS可以达到的覆盖率但是由于TDRS位于空间而不是地面这使得卫星完全暴露在敌人视野当中相对于地面站而言必须加强其抗干扰抗截获抗侦收的能力对于目前的各种人为攻击手段如伪指令记录重放接收转发同频干扰等必须采取相应对抗措施在各种对抗措施中自适应DBF也是实现三抗的重要手段无论是何种形式的攻击其信号从攻击源到TDRS的路径总是同TDRS与地面站或者TDRS与用户星之间的路径不相同的即来波方向不同如果在TDRS上采用自适应DBF技术TDRS就可以自动把其主瓣对准我方期望信号零陷对准敌方攻击信号即使攻击信号的强度远远高于期望也能取得很好效果当然自适应DBF技术是三抗的一个措施它还应该同扩频通信加密等其他技术手段联合使用从而取得更好的效果TDRS的数量不可能太多而飞行器的数量却会很多这就要求一颗TDRS需要具有同时对多个飞行器测控的功能显然采用转动卫星天线的方式是不可行的而自适应DBF技术却可以完成这样的功能当要完成一个目标跟踪时系统需要一套自适应DBF系统而要同时完成多个目标跟踪时只需要并行的多个DBF算法实现模块就可以了各个模块可以使用相同的接收天线相同的射频中频信道而且每个模块的算法是完全相同的只是参考信号不同在某些算法中各个模块还可以相互交换信息从而缩短算法实现时间提高系统实时性小卫星测控中的自适应DBF上世纪年代后随着各种电子信息技术的不断进步推动了小型化轻量化智能化现代小卫星的出现在国际上掀起了小卫星热小卫星测控技术是指对小卫星及其运载工具进行跟踪测量和控制的专用技术它既具有原有的测控功能又具有新的特点一方面要求小卫星必须高度自主高度可靠操作简单另一方面测控系统也要造价低廉操作和维护使用方便小卫星通常是多颗卫星组成星座共同完成任务虽然卫星具有高度自主功能但同样需要测控站的测控支持为了利用一个测控站完成多星测控的功能可以采用自适应DBF技术在测控站使用阵列天线和自适应DBF算法可以使用相同的天线射频和中频信道同时完成对多个小卫星的测控任务小卫星通过码分多址为DBF算法提供不同参考信号这个原理同TDRS中是相同的在小卫星飞行器自身设计时也可以采用自适应DBF技术当同一个星座的绪论小卫星间进行通信时由于相互间位置比较靠近采用全向或者宽波束天线会使得电磁环境变得复杂即使采用扩频体制也容易形成多址干扰或者远近效应通过自适应DBF技术使小卫星在发射信号时主瓣对准目标卫星可以大大减少相互间干扰提高通信可靠性而且通常小卫星一次只需要形成一个波束所以设备实现相对简单和低廉技术发展与现状自适应的DBF早期是首先被应用于声纳和雷达系统而随着微波集成电路和数字信号处理的发展以往复杂的DBF系统理论逐渐成为现实产品而且它的应用领域也在各个行业的不同需求下得到了发展在相应的测控通信医疗地球物理海洋开发射电天文方面都可以看到相关应用,,,,总的说来二十世纪实现了相控阵发展了DBF和波达方向DirectionOfArrivalDOA估计的传统阵列信号处理而进入二十一世纪随着各种新兴技术出现DBF的发展出现了多元化同这些新技术的相互结合是DBF发展的新方向就测控中的自适应DBF而言它是无线通信中的一种系统主要包括天线阵列射频信道中频调制解调基带权值求解和加权求和几个部分通常发射部分和接收部分工作原理相同二者往往需要相互结合进行工作同传统的通信系统相比DBF独特之处在于阵列的设计和基带的数字化处理当然数字的上下变频射频集成电路微波微机电器件这些新兴通用技术也在不断促进着DBF自身发展,,阵列设计以往考虑更多是阵列的几何结构认为每个阵元本身是全向天线通常阵列的结构可以分为均匀阵列和非均匀阵列对于均匀阵列为了克服栅瓣的影响要求阵元间距不能小于半个波长而对于非均匀阵列则往往采用最小冗余阵列阵元位置的误差我们称为阵列座标失配它会导致导引矢量误差所以需要在系统基带算法中进行处理同时由于阵元间的互耦的存在也会导致系统性能的降低这也需要进行相应的有源或者无源的校正至今这些算法的研究仍在进行另外根据新兴领域的不同要求和新材料的发展各种新颖的阵列和阵元设计也层出不穷,在自适应的DBF中均匀阵列使用最为广泛通常的理论都是基于均匀阵列自适应DBF知识结构中涉及多个内容首先需要确定的就是系统的最优权值这个权值的表达式根据不同的最优准则是不同的但是一定程度上它们具有等价性分析方法也是相同的这些准则具体包括最小均方最小二乘最大信噪比最小功率最大似然等等在确定了最优解后自适应算法的目的就是通过各种途径得到这个最优解各种自适应算法中主要包括盲算法和非盲算法重庆大学博士学位论文对于非盲自适应算法用户需要知道一个参考信号这个参考信号可以是时间参考信号通常是一个训练序列由于很多无线通信系统中用户都有一个固定的导引序列或者用于其他功能的训练序列此时采用这种方法很合适如码分多址CodeDivisionMultipleAccessCDMA移动通信系统而且通过与信号的时间域处理相结合的空时二维处理还可以很好克服多径影响大大提高系统性能空间处理同样可以和频域处理相结合形成宽带DBF或者频分复用DBF系统这是一种空频二维处理技术另一种参考信号就是空间参考信号就是信号的DOA采用这种自适应方法的前提是首先要得到信号的DOA估计值而DOA估计本身也是一个重要的信号处理研究领域人们为了追求更快速度更小失调不断对各种自适应算法进行着各种改进不论是最小二乘最小均方还是梯度法对于盲自适应方法则是逐渐发展成两种类型一种需要利用阵列的几何特性同时需要利用信号的特殊性质如恒模特性高阶累量性质循环平稳特性等,,另一种则完全脱离对信号传输物理现象的建模从全新角度去进行信号分离各种盲算法实现都较为复杂但从理论上讲它的优势又是非常明显的利用独立分量分析神经网络方法都是近年研究的热点,自适应DBF在实现过程中通常需要进行各种非理想状态的处理这些都是推动DBF理论不断发展的动力为了克服阵元数较多时的大运算量可以采用特征空间波束合成器或者波束空间波束合成器为了克服阵列失配导致的导引矢量误差和协方差矩阵则需要采用各种约束方法包括线性约束二次约束等为了克服相关信源则需要通过平滑技术对接收信号进行去相关的预处理随着传统通信技术的不断发展如各种复杂调制技术码分多址技术超宽带技术多进多出MultipleInputMultipleOutputMIMO技术室内信道研究等等DBF又在这些特殊技术条件下有了新的研究课题同时由于其他方面科学技术的发展DBF的物理可实现性大大增强这使得DBF的应用更为广泛于是关于DBF和光通信DBF和深空探测DBF和无线局域网WirelessLocalAreaNetworkWLANDBF和医学三维成像DBF和语音阵列DBF和数字电视这些技术产生相互融合,,,,,DOA估计技术是信号处理中一个重要学科它不仅仅可以用于自适应DBF技术同时也用于其他一些方面如DOA估计同延时估计相结合可以用于移动用户的定位DOA估计的方法仍然是以参数法和子空间法两种为主多重信号分类MultipleSignalClassificationMUISC法是典型子空间方法虽然早就提出但由于其良好的性能和相对参数法的易于实现优点人们不断对其进行改进当然其他一些新方法也有提出但这些方法相对MUSIC法而言并无法在分辨率和运算量上都得到较大提高,,绪论主要工作和内容安排研究工作包括了三个部分DBF的基础理论的学习系统部分性能的分析和算法的改进系统硬件设计和实现DBF的数学模型采用复数矢量随机信号表示同时涉及调制解调理论信道模型自适应滤波理论天线理论复数矩阵运算复数矢量随机信号分析信号空间理论参数估计问题这就使得理解DBF基础理论需要付出一定时间研究以工程实现为最终目标所以很多理论研究工作都是对工程实现具有直接意义这些理论研究包括系统的量化比特数同系统性能关系的分析为工程实现时ADC选择和算法精度控制提供了依据波束空间自适应算法中通过引入对角负载的约束技术一方面减少了系统维数从而减少算法计算量同时也对系统误差进行了有效校正提高系统稳健性在直接矩阵求逆DirectMatrixInversionDMI自适应算法中需要使用期望信号的DOA而DOA的估计针对圆阵的实际情况可以利用离散傅立叶变换DiscreteFourierTransformDFT的快速算法快速傅立叶变换FastFourierTransformFFT对MUSIC算法的计算量实现简化从而提高系统的实时性研究还包括了硬件设计和相应调试具体包括了三个部分一是一个二进制相移键控BPSKBinaryPhaseShiftKeyingBPSK调制信源的设计它通过一个FPGA以异或的方式实现基带信号和载波的BPSK调制二是路模拟下变频的实现由于阵列是阵元的均匀圆阵每个阵元都需要对其接收信号进行解调解调中涉及Costas设计它为解调提供本地相干载波三是一个主要由个ADC两个FPGA一个数字信号处理器DigitalSignalProcessorsDSP一个微处理器MicroControllerUnitMCU构成的基带DBF处理板这个电路的功能是对路正交解调信号进行采样并通过FPGA缓冲输入DSP中在DSP中完成DOA的估计权值求解而加权求和则在FPGA中完成以上工作在以后各章中将分别进行介绍全文共分章除本章外其他各章主要内容为第章介绍阵列信号处理的基本数学模型并根据不同的最优准则求解出各种DBF的最优权矢量解这些解虽然表达方式不同但都统一为维纳解同时给出了用于描绘DBF系统性能的几个参数第章从三个方面分析了DBF系统的性能一个是量化误差对系统的影响二是快拍数对系统的影响三是阵列失配对系统的影响从工程角度出发ADC分辨率的选择是硬件设计必须考虑的问题之一快拍数的确定也对软件复杂度和计算量有直接影响必须在满足基本要求前提下选择合适快拍数用于协方差矩阵估计失配引起的系统导引矢量误差需要通过各种约束方法进行校正而对角负载是一重庆大学博士学位论文种第章介绍了各种自适应算法算法包括盲算法和非盲算法对这些算法的实现步骤进行了简要介绍同时总结了它们各自的特点另外针对波束空间的自适应算法把阵元空间采用的对角负载方式运用在其中通过理论分析和计算机仿真证明这种方法一方面降低了计算复杂度另一方面有利于克服失配的影响第章对DOA估计进行介绍除了介绍了几种经典的DOA估计算法同时也涉及了DOA估计中的其他几个重要问题包括信源数确定相关信源的去相关由于采用DMI的自适应DBF算法系统必须对DOA进行快速估计从而尽量达到实时性的要求应用FFT相对DFT的运算量的简化可以对DOA估计的MUSIC法进行改进这种方法适合于均匀圆阵第章介绍硬件的方案对于上文提及的BPSK调制路正交解调基带处理三个电路进行介绍并分析其中涉及的软件同时给出实验测试结果和硬件实物图第章结论和展望结论部分是对所完成工作的总结同时指出今后工作的方向和方法DBF基础理论DBF基础理论阵列天线的描绘阵列基本概念离散阵列天线分析时涉及四个基本因素阵元数量阵元在空间的分布阵元电流幅度分布阵元电流相位分布阵列的方向图根据方向图乘积定理其结果等于阵因子和阵元方向图函数的乘积,在波束合成理论分析中假设各阵元都是全向单位阵元所以阵列分析可以不考虑阵元方向图仅仅考虑阵因子即影响因素为阵元数量和阵元空间分布对于如图结构空间具有N个阵元第i个阵元座标为ipv信号假设为远场波这使得信号在到达每个阵元时是平行入射而座标原点接收信号为()tf信号的水平角为f俯仰角为q用单位矢量av来表示对于阵列接收信号可以用矢量()p,tfv表示后文在不产生混淆情况下省略了坐标矩阵p具体而言úúúûùêêêëé=ziyixiippppvúúúûùêêêëé=qfqfqcossinsincossinav()()()úúúûùêêêëé=Ntftf,tfttpv其中it是第i个阵元接收信号相对于原点接收信号的延时其表达==N,,icpaiTivvt其中c为光速另一个重要假设是接收信号为窄带带通信号这时信号带宽sB满足<<DmaxsTB其中()jiN,,j,imaxmaxTtt=D=此时信号()itft的复数表示可以约等于()()()()iccicjtjtjiietf~etf~tftwwtwtt=其中()tf~是复基带信号窄带假设确保了各个阵元接收信号具有强相关性能这些接收信号叠加时没有产生谱结构的群延时畸变合成信号保持了基带信息定义波数kv和方向矢量kvv显然kvv即表征了信号来向也表征了阵列结构úúúûùêêêëé=qfqfqlpcossinsincossinkv()úúúûùêêêëé=NTTpkjpkjkeekvvvvvvv显然和式代入可以得到xyzqfpvpvipvNpvpv()fq,av图空间阵列示意图FigArraystructure重庆大学博士学位论文()()()kvetf~,tfktjcvvvw=p波束合成通过对每个阵元接收信号进行加权从而实现把阵列方向图调整为理想形式即主瓣对准期望信号零陷对准干扰信号系统如图所示正交解调可以在进行加权求和之前完成这样加权在基带完成对于权值求解系统实现更为简单如果解调在加权求和之后进行虽然权值求解在中频完成增加了难度但系统只需要一个解调模块解调系统却更为简单理论分析时解调功能可以不要考虑这是因为可以把式中的()tjcetf~w作为整体考虑系统输出信号表达式为()()()()kvwetf~,tfwtykHtjHcvvvvvw==p其中H表示共轭转置而权矢量úúúûùêêêëé=Nwwwv由阵列天线经典理论在全向单位阵元条件下阵列的方向图表达式为()()kvw,BkHvvv=fqå()ty()ttf()Ntft()ttf*w*Nw*w图阵列加权示意图FigArraystructurewithweightvector均匀线阵方向图通常阵列根据分布可以分三种线阵列平面阵列和空间阵列而根据阵元是否等间距分布又可以把阵列分为均匀阵列和稀疏阵列稀疏阵列可以使用较少的阵元获得同均匀阵列相同的等效孔径但在其他一些性能上却不如均匀阵列如旁瓣衰减等一种较为重要的稀疏阵列是最小冗余线阵它的阵元位置固定分布存在一些特殊算法,论文讨论均匀阵列对稀疏阵列不作介绍xyzqfNd图ULA结构示意图FigStructureofuniformlineararrayDBF基础理论阵列的方向图在忽略阵元因子情况下仅仅决定于阵因子而阵因子同阵列加权矢量和方向矢量有关为了分析方便假设采用如图所示均匀线阵UniformL

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