CN100343691C - 使用自适应加权归一化法的子带波束成形的系统和方法 - Google Patents

Abstract

一个波束成形系统和方法。修改本发明的波束成形系统(100)使其适合于使用由多个天线单元(1-7)组成的阵列天线(112)，并且该系统包括一个将天线接收到的信号转换成多个子频带的FFT(122)。包括多个自适应处理器(800)，用于对每个子带进行自适应阵列处理并提供多个与其对应的自适应处理过的子带。还包括一个归一化处理器(900)，用于归一化自适应处理过的子带。在示意性实施例中，所述信号为GPS信号，数字乘法器(126)用于对所述阵列的每个单元的各个子频带应用一个权重。选择该权重以在所需信号的方向上控制波束。归一化处理包括调节一个或多个子带的幅度以消除由于其中的自适应处理造成的任何偏差失真。

Description

使用自适应加权归一化法的子带波束成形的系统和方法

本发明是在由空军部授予的合同号为F08630-96-C-0018的政府支持下完成的。在本发明中，政府拥有某些权利。

技术领域

本发明涉及通信系统。特别地，本发明涉及保护全球定位系统(GPS)接收器免受干扰和干涉的系统和方法。

背景技术

全球定位系统包括一群连续发射有关其位置和时间信号的卫星。当GPS接收器接收到该信号时，处理该信号以提供到达信息的时间。然后使用来自每一颗卫星的脉冲到达时间计算接收器的位置或地点。由于GPS系统能够有效的提供精确位置定位，对某些应用例如军事应用，就伴随着干扰或干涉GPS系统的动机。来自干扰台的干扰信号被设计用于在GPS位置估算中引入不可接受的误差。

相应地，发展了补偿干扰的对策。一项广泛使用的对策包括自适应阵列处理。这些系统通常包括一个天线单元阵列和一个处理其输出的系统。

遗憾的是，自适应阵列处理系统通常在宽频带上工作能力有限，另外，当被用于抗干扰时会在GPS精度中产生误差。也就是说，一个典型的GPS接收器工作在1.5GHz附近、带宽约为20MHz的条件下。这一相对较宽的带宽使得在采用传统自适应阵列处理技术时难以消除干扰。这是因为传统自适应阵列处理技术是以非常窄的带宽(例如1Hz的)假定为基础工作的。因此，当对有限带宽的系统应用这些技术时，它们的性能会显著地降低。

当采用特别新颖和有利的频带分割技术时，例如在1989年4月11日出版、米勒等人的标题为“使用线性调频脉冲转换(chirptransform)的宽带自适应阵列”的美国专利第4,821,037号中提出的技术，该技术的讲解通过引用合并在此处，这些困难会被恶化。频带分割包括将GPS频带分解成大量更窄带宽的子带，自适应阵列处理被分割的子带，并重组子带以重建GPS频带。该方法通过对多个窄带信号而不是一个宽带信号进行自适应阵列处理，从而显著地改善了性能。

不幸的是，频带分割对每一个频带产生了一套不同的自适应零位权重。虽然在有限的子带上零位是有效的，但重组分割频带时零位却是有问题的。该问题特别麻烦的方面在于必须面对这一事实，即当重组频谱时，产生了依赖于自适应阵列权重的时延失真和偏差，其中自适应阵列权重反过来又依赖于干扰台的未知位置。这将特别难以解决，因为在正常的GPS处理过程中是使用时延来估算或决定接受器位置的。如果群间时延是固定的，考虑使用有效的GPS信号来计算时延的方法将会相对容易一些。但是，该延迟是卫星信号到达的角函数(例如，卫星信号经历的时延是卫星位置的函数，所以在不同卫星之间是不相同的)。由于干扰台的位置是未知的，而且由于干扰台多径和天线信道之间的微小差别导致干扰台频谱倾向于在天线单元之间变化，在自适应阵列GPS处理系统中计算由干扰台干扰造成的时延偏差依然是一项令人畏缩的任务。

因此，当自适应处理系统或算法用于补偿干扰时，在技术中需要有系统或方法来保持GPS接收器的精确测量能力。

发明内容

通过本发明的波束成形系统和方法来讲述技术中的需求。本发明的波束成形系统适合于使用由多个天线单元组成的阵列天线。该系统包括：第一装置，用于将天线接收到的信号转换成多个子频带；第二装置，用于对每一个子带执行自适应阵列处理并提供对应的多个经自适应处理过的子带，其中所述第二装置包括：用于对所述阵列的每个所述单元的各个子频带施加权重的装置；以及用于组合用于对所述阵列的每个所述单元的各个子频带施加权重的所述装置的输出，以对每个子带提供单个输出信号的装置，其中选择所述权重以在所需信号的方向上引导波束；以及第三装置，用于归一化经自适应处理过的子带。

在作为示例的实施例中，所述信号是GPS信号，执行自适应阵列处理的装置进一步包括一个对每一阵列单元各自的子频带应用加权的装置。选择权重以在所需信号的方向控制波束，在干扰台的方向控制零位。归一化包括调节一个或多个子带的幅度，以消除由其中的自适应处理导致的任一时延偏差或失真。

因此，本发明提出了一种新方法来归一化在子带自适应波束成形器或零位导向器中计算的自适应权重，以补偿由子带处理造成的时延失真。该归一化能以低成本实施，允许改进地消除窄带干扰信号，以及消除或最小化一般由时延失真造成的定位误差。实际上，它产生了能够提供宽带和窄带干扰抑制的自适应权重。窄带抑制通过分别加权每一个子带来实现。这是通过使用传统的自适应阵列波束成形技术来完成的。在处理了窄带之后，通过重组子带来实现宽带抑制。与可得到的自由度相比，该方法允许自适应消除更多窄带干扰。

本发明提供一种简单的形式在子带波束成形中同时执行两个共同的任务：空间自适应波束成形和窄带干扰抑制。子带自适应波束成形是将宽带信号分解成一组相等的窄带信号，然后对每一个子带执行波束成形的已知技术。如有需要，可用子带信号的适当组合来再现波束成形信号的宽带形式。窄带干扰抑制是在一个或多个窄带区域中减少或消除信号成分的技术。现有许多决定哪个频带该衰减和衰减多少的技术。尽管宽带信号的子带处理可以几乎不失真，但是窄带分割做不到这一点。

子带自适应波束成形通常受所能消除的干扰信号数量的限制。如果在某个子带中出现了大量的干扰信号，波束成形器将不能消除它们。在不使所需信号显著失真的情况下，窄带干扰抑制无法使宽带干扰台无效。

本发明提供了一种方法，可以廉价地获得两种方法的好处。它消除了大量宽带和窄带干扰信号从而使所需信号最低限度的失真。本发明处理各个频带自适应阵列处理器的输出，以便在将信号重组成完整信号时，重新归一化该信号以便消除偏差失真(延迟)。本发明修改了自适应处理算法，以便当使用该算法来消除干扰时，不会增加位置估算中的误差。

附图说明

图1是依照本发明的讲解使用自适应加权归一化法的子带波束成形系统的示意性实施例的方框图。

图2是简化的方框图，表示依照本发明的讲解第k个子带自适应波束成形器的处理过程。

具体实施方式

现在将参照附图描述示意性实施例和典型应用，以公开本发明有优势的内容。

虽然在此参照特殊应用的示意性实施例来描述本发明，但也应当意识到本发明并不仅限于此。那些掌握技术中普通技能和有机会接触到此处公开内容的人应当认可范围内的附加修改方案、应用和实施例。

图1是依照本发明的讲解使用自适应加权归一化法的子带波束成形系统的示意性实施例的方框图。修改了系统100使其适合于使用由许多单元(m)组成的阵列天线112，其中七个单元在图1中标出并编号为1-7。阵列112的每个单元馈给波束成形系统100的一个联合信道。也就是说，单元1馈给信道10，单元2馈给信道20......单元7馈给信道70。每个信道都是相同的。因此，下面仅详细描述信道10。如图1所示，信道10包括一个RF(射频)前端114和一个模数转换器116。RF前端114有着传统的设计和结构。A/D转换器116数字化前端114接收到的RF信号，并且将数字字以系统采样率输出到处理器118。处理器118在由A/D转换器输出的数字字基础上，对每个天线信道形成许多尺寸适合于给定应用的n个采样块，例如，n＝256，依照传统方法这将由系统设计者来决定。接着，在步骤120中，对每个采样应用幅度加权。该加窗步骤使采样块输入快速傅立叶变换(FFT)122中，以获得低频旁瓣。这用于实现下述滤波器组中相邻滤波器之间的隔离。FFT122接收n个采样块并提供n个输出。n个FFT输出按频率依次排列，以便第一输出对应带宽为总带宽1/n的频带的下边缘，第二输出对应紧挨着的频带，依此类推直到第n个子带。那些对技术熟悉的人将会理解FFT122提供了一个滤波器组，每个采样对应其中的一个输出。实际上，向连续覆盖整个信号带宽(B)的n个滤波器组成的滤波器组馈给n个时间采样，其中每个滤波器的带宽为B/n，而且每个滤波器输出一个单个采样。第二组n个时间采样将以相同的方法进行处理，以提供每个滤波器的第二采样输出。重复进行该处理，以便每个FFT滤波器以速率B的1/n输出一个时间序列。使用带通滤波器124选择由n/2组成的子集以实现给定应用中所允许的带宽压缩。

采样块、幅度加权、快速傅立叶变换和带通滤波操作可以通过分立元件实现，如数字信号处理器(DSP)，可编程逻辑阵列(FPLA)，可编程逻辑器件(PLD)，或者软件中的通用处理器，都作为不背离本讲解的范围在工艺中可被理解的普通技术。

对每个滤波器来说，在阵列112中为每个单元提供了一个自适应阵列800。如现有技术中已知的，传统自适应阵列结合了阵列112每个单元的输出值。依照本讲解，为FFT122输出的每个子频带提供一个自适应阵列。因此，提供了n/2个自适应阵列，其中图1仅画出了一个800₁。第二自适应阵列800₂与第一自适应阵列800₁相同，除了第二自适应阵列800₂选择FFT滤波器输出的每个信道的第二子带。同样地，自适应阵列n/2号(800₁₂₈)选择第n/2个滤波器输出。

每个自适应阵列800_x，其中x从1到n/2，将从每个信道中选择的子带采样乘以乘法器中的预定权重。也就是说，在第一自适应阵列800₁中提供第一乘法器126，用于将从第一信道10中选择的第一子带采样乘以第一权重并且提供对应的第一加权采样。在第一自适应阵列800₁中提供第二乘法器226(未画出)。第二乘法器226将从第二信道中选择的第一子带采样乘以第二权重并提供对应的第二加权采样......以及在本示意性实施例中提供第m个乘法器726，其中m＝7，其将从第一信道中选择的第一采样乘以第m个权重并提供对应的第m个加权采样。正如那些对技术熟悉的人将会理解的，选择权重以便调节在每个频率的每个单元输出的信号的幅度和相位，从而在所需信号的来源(卫星)方向引导波束方向。

图2是简化的方框图，表示依照本发明的讲解第k个子带自适应波束成形器800的处理过程。通过下述公式使用信号数据自适应地计算将被应用于该数据的权重：

其中x_k(t)是自适应波束成形器的输入信号，y_k(t)是输出信号，w是自适应权重矢量，H表示矢量的复共轭转置。权重可以用传统的方法由微处理器或其它数字逻辑(未画出)来计算。可以选择自适应权重以满足许多可能的最优化标准，例如最小方差无失真响应(MVDR)，最大信号与干扰加噪声比(SINR)，和均方误差(MSE)。然而，如果在任一子带中干扰信号数量超过可用的自由度数量时，这些方法通常不可行。然而，本发明提供了一种技术，可以自动解决这一问题。

MVDR标准广泛使用在自适应波束成形、包括子带中的自适应波束成形中。MVDR将总输出功率最小化，并受到所需信号无失真通过的约束条件的限制。使d等于C×1矢量，其表示天线阵列对某一固定频率，以固定方向θ到达的所需连续波信号的响应，其中θ表示与侧面有关的到达角度，C表示阵列中天线单元的数量。按照：

计算MVDR。然而，如现有技术中已知的，MVDR无法提供足够的干扰抑制的原因在于，实际上在任一子带中都有不止C-2个干扰信号。下述表示一种依照本讲解的加权计算方法，其自动锁定每个子带中的输出功率：

其中α是在任一子带中调节功率的常数。加权计算尽量使剩余干扰最小化，但它限制任一子带中的输出功率为|α|²。它允许一些所需信号衰减以达到这一目标。

因此，在每一频率上，也就是对每个子带来说，通过在所需信号源方向上迫使自适应阵列增益为“1”来影响偏差补偿。这在所有子带的卫星方向上提供了相同的增益，并且是无失真的。自适应阵列800实际上驾驭了接收的波束的方向，从而调节天线112的方向图。在每个自适应阵列800_x中的加法器802结合加权的采样并为每个滤波器提供一个单个子带输出。因此，提供了n/2个输出，分别对应于每个滤波器。因此，对每个子带来说，提供了一个自适应阵列输出。那些对技术熟悉的人将会理解这代表着与传统讲解的显著差别，因为在接收信号的全频带上，依照本讲解，自适应阵列处理是在子频带上进行的，而依照传统讲解，自适应阵列处理是直接在天线单元的时域输出上进行的。

接着，通过先执行一个归一化步骤900来重组接收的信号以确保子带信号幅度实际上相等，并且它们的相位在名义上相同。依照传统的归一化算法在硬件或软件中进行归一化。归一化处理消除了在选择的到达方向上，由自适应阵列引起的子带之间的任何差异。通过选择到达方向作为所需信号的方向，归一化能够消除任何由前述自适应处理器引起的所需信号的频率失真，即，消除不同子带间的幅度或相位差异可以消除任何由自适应阵列引起的失真(例如时延)。在正常的操作过程中，该步骤是不需要的。然而，当干扰信号出现时，一个音调将会出现在一个子集(例如一个滤波器)中而不出现在其他子集中，受影响的滤波器的输出将会在幅度上失真。由于自适应阵列处理步骤，该失真是干扰信号物理位置的函数(例如方位角)。设计本发明的系统100以在所需信号的方向上补偿该失真。这是通过结合已知的给定卫星方向和来自该卫星的滤波器输出的正确幅度，来归一化失真子带的幅度而实现的。这避免了按照传统方法的系统通带的干扰。

最后，使用逆FFT1000来重组原信号以提供所需的输出信号。因此，系统100补偿了干扰信号的影响，而其中的归一化步骤900保护了所需信号。因而，在所需信号的方向上控制了一个归一化(时延偏差校正)的信号。

因此，在此参照特殊应用的特殊实施例描述了本发明。那些掌握技术中普通技能和有机会接触到本讲解的人应当认可其范围内的附加修改方案、应用和实施例。

因此，附上权利要求书，意在包括本发明范围内的任何和所有这一类的应用、修改方案和实施例。

Claims (9)

1.一种波束成形系统(100)，适合于与具有多个天线单元(1-7)的阵列天线(112)一起使用，其中所述波束成形系统(100)特征在于：

第一装置(122)，用于将由所述天线(112)接收的信号转换成多个子频带；

第二装置(800)，用于对每个所述子带进行自适应阵列处理，并提供与其对应的多个自适应处理过的子带，其中所述第二装置包括：用于对所述阵列的每个所述单元的各个子频带施加权重的装置(126)；以及用于组合用于对所述阵列的每个所述单元的各个子频带施加权重的所述装置(126)的输出，以对每个子带提供单个输出信号的装置(802)，其中选择所述权重以在所需信号的方向上引导波束；以及

第三装置(900)，用于归一化所述自适应处理过的子带。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述信号是GPS信号。

3.如权利要求1所述的系统，其中用于归一化的所述装置(900)进一步包括用于调节一个或多个所述子带的幅度的装置。

4.如权利要求1所述的系统，其中用于转换的所述装置(122)包括对所述接收的信号执行快速傅立叶变换的装置。

5.如权利要求1所述的系统，包括耦合到射频接收器(114)输出端的模数转换器(116)，其适合于响应所述信号的接收提供多个采样。

6.如权利要求4所述的系统，其中用于转换的所述装置(122)进一步包括用于形成所述采样的多个块的装置(118)。

7.如权利要求6所述的系统，其中用于转换的所述装置(122)进一步包括一个装置(120)，其用于幅度加权所述采样块，以提供一个与此有关的加窗函数。

8.如权利要求7所述的系统，其中用于转换的所述装置进一步包括一个带通滤波器(124)，其适合于过滤对所述接收的信号执行快速傅立叶变换的所述装置(122)的输出。

9.如权利要求5所述的系统，进一步包括对所述接收的信号执行逆快速傅立叶变换的装置(1000)。

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