CN103441788B - 一种反馈判决式大动态自适应阵列天线波束合成方法 - Google Patents

Abstract

一种反馈判决式大动态自适应阵列天线波束合成方法，发射机周期发射标志帧，接收机上的自适应阵列天线通过对基带解调信号的判决反馈，选择不同的权矢量计算方法。接收机阵列天线包括阵面、权值产生模块、波束合成模块、信号处理模块、滑动相关模块。波束合成后的信号经过信号处理模块的解调，输出基带信号，基带信号与本地伪随机码进行滑动相关运算，相关运算结果控制权值产生模块中权矢量计算方法，如果滑动相关模块输出相关峰，则工作在相控阵方式，否则工作在抗干扰方式。本发明克服了自适应阵列天线期望信号大动态下的“自零陷”问题，易于工程实现，可以应用于各种抗干扰无线通信收发系统中。

Description

一种反馈判决式大动态自适应阵列天线波束合成方法

技术领域

本发明涉及自适应阵列天线领域，具体涉及一种大动态自适应阵列天线波束合成方法。

技术背景

自适应阵列天线通过空域自适应滤波产生加权矢量，然后对阵面接收信号加权求和，实现波束合成，其主要目的就是在保持对期望信号正确接收的情况下，抑制与期望信号具有不同入射角度的干扰信号。波束合成中，基本的权矢量产生方法是Frost算法，但该方法存在“自零陷”问题，就是在期望信号功率较大时，由于系统各种误差的影响，期望信号会被视为干扰信号而被抑制掉，从而阵列方向图在期望信号入射角度上形成零陷。相反，如果期望信号功率较小，则Frost算法可以正常工作。解决“自零陷”虽然可以从算法上采用各种稳健自适应滤波算法，比如对角加载、凸集优化等方法，但这些算法工程实现困难。考虑到“自零陷”仅仅出现在期望信号功率较大的时候，而此时阵列天线其实无需对干扰信号进行抑制，即使采用相控阵工作方式，一般也能满足无线通信的接收灵敏度要求。所以，对于期望信号大动态输入情况，系统在初始状态采用相控阵工作方式下，根据接收机解调输出情况，对波束合成权矢量进行选择，可以解决大动态下的“自零陷”问题，即期望信号功率大时，采用相控阵工作方式，期望信号功率小时，采用抗干扰工作方式。

发明内容

本发明专利要解决的技术问题是，当期望信号具有大动态的输入功率情况下，如果期望信号功率大，Frost自适应滤波算法导致“自零陷”问题。

解决所述问题的技术方案是一种反馈判决式大动态自适应阵列天线波束合成方法，其特征在于：

发射机在发射信号时，每隔T秒发射一个标志帧信号，该标志帧基带信号由整周期伪随机码p构成，其周期为L个比特，L为自然数；

接收机阵列天线包括阵面、权值产生模块、波束合成模块、信号处理模块、滑动相关模块；阵面接收信号x(t)作为权值产生模块的一个输入和波束合成模块的输入，权值产生模块输出的权矢量w(t)输入波束合成模块；波束合成后的信号y(t)一方面作为信号处理模块的输入，同时也作为权值产生模块的一个输入；信号处理模块输出z(t)作为滑动相关模块的输入，而滑动相关模块的输出则作为权值产生模块的一个输入；

自适应阵列天线的阵面为N个阵元构成的均匀平面阵，阵元的间距等于信号载波波长一半，阵面接收信号矢量x(t)，x(t)为N×1维列矢量；

自适应阵列天线波束合成模块完成加权求和功能，输入权矢量为w(t)，w(t)为N×1维列矢量，波束合成模块的输出信号为y(t)＝x(t)w^H(t)，其中，符号“H”表示对矢量取共轭转置；

信号处理模块为接收机常规模块，完成解调功能，波束合成后的输出信号y(t)经过接收机信号处理模块，输出基带信号z(t)；

滑动相关模块把z(t)与接收机本地产生的伪随机码p做滑动相关运算，输出相关值c(t)，p与发射标志帧的伪随机码相同，把c(t)与接收机设定的门限值ε比较，比较结果用于阵列权矢量选择：如果在连续的T时间间隔内，c(t)出现大于ε情况，则输出标志信号A给权值产生模块，如果在连续的T时间间隔内，c(t)一直小于门限ε，则输出标志信号B给权值产生模块；

权值产生模块产生相控阵工作方式和抗干扰工作方式两种权矢量，系统开机的初始工作方式为相控阵方式，工作过程中，权值产生模块根据标志信号选择其中一种权矢量输出给波束合成模块：当标志信号为A时，自适应阵列天线保持当前采用的工作方式，权矢量计算方法不变；当标志信号为B时，自适应阵列天线改变当前采用的工作方式，权矢量的计算方式也相应从一种转换为另一种。

上述方法中的权值产生模块根据滑动相关模块比较判决结果，输出权矢量w(t)给波束合成模块。权值产生模块根据滑动相关模块比较判决结果，输出权矢量w(t)给波束合成模块。当权矢量w(t)按照相控阵工作方式计算时，其表达式为 $w\left(t\right)={\left[\begin{array}{cccc}{e}^{\mathrm{j\ω}{\mathrm{\τ}}_1}& e^{j{\mathrm{\ω\τ}}_2}& ...& e^{j{\mathrm{\ω\τ}}_N}\end{array}\right]}^T,$ 其中，ω为接收信号载波角频率，符号“T”表示矢量的转置，τ_n为第n个阵元接收信号相对于参考点信号的延时，n＝1,2,...,N；当权矢量w(t)按照抗干扰工作方式计算时，采用自适应阵列天线中Frost算法计算权值：定义迭代步长α，期望信号方向矢量v₀，初始权矢量权值则更新方程为 $w(k+1)=P[w\left(k\right)-\mathrm{\αy}\left(k\right)x(k+1)]+\frac{v_0}{N},$ 其中，矩阵 $P=I-v_0{\left(v_0^H{v}_0\right)}^{-1}{v}_0^H,$ I为N×N维单位矩阵。

本发明的有益效果是解决了自适应阵列天线在期望信号为大动态输入情况下，Frost算法产生“自零陷”的问题，并且实现简单，满足工程设计要求。本发明可以应用于各种抗干扰无线通信的收发机中。

附图说明

图1是阵列天线波束合成方法的结构图。

图2是波束合成模块结构图。

具体实施方式

一种反馈判决式大动态自适应阵列天线波束合成方法，其特征在于：

发射机在发射信号时，每隔T秒发射一个标志帧信号，该标志帧基带信号由整周期伪随机码p构成，其周期为L个比特，L为自然数。

其次，波束合成主要工作都是在接收机完成，其结构参考图1所示。接收机阵列天线包括阵面、权值产生模块、波束合成模块、信号处理模块、滑动相关模块；阵面接收信号x(t)作为权值产生模块的一个输入和波束合成模块的输入，权值产生模块输出的权矢量w(t)输入波束合成模块；波束合成后的信号y(t)一方面作为信号处理模块的输入，同时也作为权值产生模块的一个输入；信号处理模块输出z(t)作为滑动相关模块的输入，而滑动相关模块的输出则作为权值产生模块的一个输入。

对于阵面设计，自适应阵列天线的阵面为N个阵元构成的均匀平面阵，阵元的间距等于信号载波波长一半，阵面接收信号矢量x(t)＝[x₁(t)...x_N(t)]^T，x(t)为N×1维列矢量，符号“T”表示转置。

对于波束合成模块，其结构参考图2所示。自适应阵列天线波束合成模块完成加权求和功能，输入权矢量为w(t)，w(t)为N×1维列矢量，波束合成模块的输出信号为y(t)＝x(t)w^H(t)，其中，符号“H”表示对矢量取共轭转置。该信号就是阵列天线的输出信号，并传输给后级接收机信号处理模块。

对于信号处理模块，信号处理模块为接收机常规模块，完成解调功能，其实现方法是本领域公知技术。波束合成后的输出信号y(t)经过接收机信号处理模块，输出基带信号z(t)。显然，如果波束合成方法正确，该基带信号每隔T秒就出现一次标志帧信号；否则，说明当前波束合成工作方式不对，导致信号处理模块无法正常工作。

对于滑动相关模块，滑动相关模块把z(t)与接收机本地产生的伪随机码p做滑动相关运算，输出相关值c(t)，p与发射标志帧的伪随机码相同，把c(t)与接收机设定的门限值ε比较，比较结果用于阵列权矢量选择：如果在连续的T时间间隔内，c(t)出现大于ε情况，说明基带z(t)中出现了标志帧，采用当前使用的权矢量计算方法不变，滑动相关模块输出标志信号A给权值产生模块；如果在连续的T时间间隔内，c(t)一直小于门限ε，说明基带信号z(t)中未出现标志帧，当前波束合成方法需要改变，滑动相关模块输出标志信号B给权值产生模块。

对于权值产生模块，权值产生模块产生两种权矢量，一种是抗干扰模式下的权矢量，一种是相控阵模式下的权矢量。在系统开机情况下，初始波束合成采用相控阵工作方式，权矢量按照相控阵理论进行计算。在工作过程中，根据标志信号选择输出权矢量，当标志信号为A时，权值产生模块采用当前工作方式的权矢量计算方法不变；当标志信号为B时，自适应阵列天线改变当前工作方式，如果当前为相控阵方式，则切换到抗干扰方式，如果当前是抗干扰方式，则切换到相控阵方式。之所以在B时需要切换，具体原因是：当波束合成工作在相控阵方式，如果未出现标志帧，说明期望信号功率太小，干扰信号功率大，此时可以采用Frost算法进行抗干扰，而且不会产生“自零陷”问题；当波束合成工作在抗干扰方式，如果未出现标志帧，说明期望信号功率太大，出现了“自零陷”问题，可以采用相控阵工作方式。虽然相控阵工作方式不一定能对干扰进行有效抑制，但由于期望信号本身功率大，所以一般都能满足接收机灵敏度要求。

上述方法中的权值产生模块根据滑动相关模块比较判决结果，输出权矢量w(t)给波束合成模块。对于两种工作方式，其权矢量计算方法不同。当权矢量w(t)按照相控阵工作方式计算时，其表达式为 $w\left(t\right)={\left[\begin{array}{cccc}{e}^{{\mathrm{j\ω\τ}}_1}& e^{{\mathrm{j\ω\τ}}_2}& ...& e^{j{\mathrm{\ω\τ}}_N}\end{array}\right]}^T,$ 其中，ω为接收信号载波角频率，τ_n为第n个阵元接收信号相对于参考点信号的延时，n＝1,2,...,N。当权矢w(t)按照抗干扰工作方式计算时，采用自适应阵列天线中Frost算法计算权值：定义迭代步长α，期望信号方向矢量v₀，初始权矢量权值则更新方程为 $w(k+1)=P[w\left(k\right)-\mathrm{\αy}\left(k\right)x(k+1)]+\frac{v_0}{N},$

其中，矩阵 $P=I-v_0{\left(v_0^H{v}_0\right)}^{-1}{v}_0^H,$ I为N×N维单位矩阵。

本发明的有意效果是解决了自适应阵列天线在期望信号为大动态输入情况下，Frost算法产生“自零陷”的问题，并且实现简单，满足工程设计要求。本发明可以应用于各种抗干扰无线通信的收发机中。

Claims (1)

1.一种反馈判决式大动态自适应阵列天线波束合成方法，其特征在于：发射机在发射信号时，每隔T秒发射一个标志帧，该标志帧的基带信号由整周期伪随机码p构成，其周期为L个比特，L为自然数；接收机阵列天线包括阵面、权值产生模块、波束合成模块、信号处理模块、滑动相关模块；阵面接收信号x(t)作为权值产生模块的一个输入和波束合成模块的输入，权值产生模块输出的权矢量w(t)输入波束合成模块；波束合成后的信号y(t)作为信号处理模块和权值产生模块的输入；信号处理模块输出z(t)作为滑动相关模块的输入，而滑动相关模块的输出则作为权值产生模块的一个输入；自适应阵列天线的阵面为N个阵元构成的均匀平面阵，阵元的间距等于信号载波波长一半，阵面接收信号矢量x(t)，x(t)为N×1维列矢量；自适应阵列天线波束合成模块完成加权求和功能，输入权矢量为w(t)，w(t)为N×1维列矢量，波束合成模块的输出信号为y(t)＝x(t)w^H(t)，其中，符号“H”表示对矢量取共轭转置；信号处理模块为接收机常规模块，完成解调功能，波束合成后的输出信号y(t)经过接收机信号处理模块，输出基带信号z(t)；滑动相关模块把z(t)与接收机本地产生的伪随机码p做滑动相关运算，输出相关值c(t)，p与发射标志帧的伪随机码相同，把c(t)与接收机设定的门限值ε比较，比较结果用于阵列权矢量选择：如果在连续的T时间间隔内，c(t)出现大于ε情况，则输出标志信号A给权值产生模块，如果在连续的T时间间隔内，c(t)一直小于门限ε，则输出标志信号B给权值产生模块；权值产生模块产生相控阵工作方式和抗干扰工作方式两种权矢量，权值产生模块根据滑动相关模块比较判决结果，输出权矢量w(t)给波束合成模块；当权矢量w(t)按照相控阵工作方式计算时，其表达式为 $w\left(t\right)={\left[\begin{array}{cccc}{e}^{{\mathrm{j\ω\τ}}_1}& e^{{\mathrm{j\ω\τ}}_2}& ...& e^{{\mathrm{j\ω\τ}}_N}\end{array}\right]}^T,$ 其中，ω为接收信号载波角频率，符号“T”表示矢量的转置，τ_n为第n个阵元接收信号相对于参考点信号的延时，n＝1,2,...,N；当权矢量w(t)按照抗干扰工作方式计算时，采用自适应阵列天线中Frost算法计算权值：定义迭代步长α，期望信号方向矢量v₀，初始权矢量权值 $w\left(0\right)=\frac{v_0}{N},$ 则更新方程为 $w(k+1)=P\[w\left(k\right)-\mathrm{\α}y\left(k\right)x(k+1)\]+\frac{v_0}{N},$ 其中，矩阵I为N×N维单位矩阵；系统开机的初始工作方式为相控阵方式，工作过程中，权值产生模块根据标志信号选择其中一种权矢量输出给波束合成模块：当标志信号为A时，自适应阵列天线保持当前采用的工作方式，权矢量计算方法不变；当标志信号为B时，自适应阵列天线改变当前采用的工作方式，如果当前为相控阵方式，则切换到抗干扰方式，如果当前是抗干扰方式，则切换到相控阵方式；权矢量的计算方式也相应从一种转换为另一种。