CN103618567B - 一种用于动中通散射通信的自适应波束形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于动中通散射通信的自适应波束形成方法，收发两端都采用阵列天线，同时数字信号部分应用自适应阵列处理方法，发送端设置空域搜索范围，划分扫描方向，利用波束形成算法，发端依次在各扫描方向形成电子波束并发送探测信号，接收端收到探测信号后利用波达方向估计算法计算出发端方向并发送回应信号，发端收到回应信号后完成收发双方的握手确认，实现散射通信收发两端的快速初始建链以及移动场合下天线波束的自动跟踪对准。本发明具有无需借助辅助天线或者其它通信手段，准确高效，自动化程度高，操作方便等优点。特别适用于散射通信的快速建立链路，以及车载、舰载动中通环境下天线波束的实时对准。

Description

一种用于动中通散射通信的自适应波束形成方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域中一种用于动中通散射通信的天线波束的自动跟踪对准方法，特别适用于散射通信链路的快速建立，以及移动过程中收发双方天线波束的实时对准。

背景技术

目前，散射通信设备大多采用极窄波束的抛物面天线，且天线波束固定，在建立通信链路时，只能依靠人工或者机械旋转的方式进行收发天线波束的对准，操作不便，精度不高，而且耗费时间，实时性不足，只能适用于“静中通”或者“停即通”的使用模式，限制了散射通信的应用场合；通过增加宽波束的辅助天线进行波束对准的方法，同样是固定波束，依靠机械伺服装置进行波束在空间的扫描，智能化、自动化程度不高，而且宽波束天线会降低散射通信的抗干扰和抗侦收性能。

发明内容

本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供的一种用于动中通散射通信的自适应波束形成方法，无需借助辅助天线或者其它通信手段，依靠自适应波束形成技术，形成电子波束在空间扫描和跟踪，完成散射通信的自动快速建链，以及动中通环境中通信波束的实时对准功能。本发明具有准确高效，自动化程度高，操作方便等优点，解决了人工或者机械旋转方式进行天线对准操作困难、实时性差的问题。

本发明的目的是这样实现的：

一种用于动中通散射通信的自适应波束形成方法，具体包括以下步骤：

(1)设定搜索范围和扫描方向：发送端和接收端进行加电自检，在发送端设定搜索范围和搜索步长，得到扫描方向θ_i,i=1,2,…,n，n是大于1的自然数，并将一个扫描方向输出给自适应阵列处理单元；

(2)生成最优阵列加权值：自适应阵列处理单元根据扫描方向通过自适应算法计算得出最优的阵列复数加权值W_opt，并将最优的阵列复数加权值输送给数字波束形成单元；

(3)数字信号处理：数字波束形成单元根据收到的最优阵列加权值对调制解调单元输出的各支路数字信号进行复数加权，调整各支路数字信号的幅度和相位；

(4)形成扫描波束：调整后的各路数字信号经由D/A变换单元转化为模拟信号，经过混频单元完成上变频，上变频后的信号输出至射频单元进行射频通道的幅相一致性校正，校正后的射频信号由阵列天线发送出去，在设定的扫描方向形成扫描波束；

(5)发送端发送探测信号：发送端通过扫描波束在设定的扫描方向发送探测信号，并驻留一段时间，驻留时间长短通过协议设定，在驻留时间内发送端如果收到接收端的回应信号，则转入步骤（6），否则发送端将下一个扫描方向输送至自适应阵列处理单元，并转到步骤（2）；

(6)收发波束对准：发送端依靠自适应波束形成算法在接收端方向形成天线波束，收发双方互发确认信号进行握手后，完成收发天线波束的对准。

其中，步骤（5）中所述的回应信号是由接收端收到探测信号后，依靠波达方向估计方法，得到发送端的准确方向，然后利用波束形成方法得到的。

其中，发送端和接收端均采用阵列天线。

其中，步骤(2)中所述的最优波束形成权值W_opt计算方法如下式所示：

$W_{\mathrm{opt}}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\frac{R_X^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{a^H\left({\mathrm{\θ}}_i\right)R_X^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}$

式中，W_opt(θ_i)表示θ_i方向最优波束形成权值，表示发送或者接收信号的协方差矩阵求逆，a(θ_i)表示θ_i方向的导向矢量，a^H(θ_i)表示θ_i方向的导向矢量求转置。

其中，所述的波达方向估计方法计算方法如下式所示：

${\widehat{\mathrm{\θ}}}_i=\arg \left(\frac{1}{a^H\left({\mathrm{\θ}}_i\right)R_X^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}\right)$

式中，表示对θ_i的估计值，arg(□)表示求复数的辐角，表示发送或者接收信号的协方差矩阵求逆，a(θ_i)表示θ_i方向的导向矢量，a^H(θ_i)表示θ_i方向的导向矢量求转置。

本发明相比背景技术具有如下优点：

1.本发明采用电子波束扫描方法，波束灵活可控，能够对信号方向进行估计和对动目标进行跟踪，操作方便，智能化、自动化程度高，避免了传统的人工或者机械旋转的方式进行天线对准操作困难、实时性差的缺点。

2.本发明无需增加宽波束的辅助天线或者其它通信手段，天线波束窄，抗干扰、抗侦收性能优良。

附图说明

图1是本发明的实施流程图；

图2是本发明实施例的结构方框图。

具体实施方式

根据图1至图2对本发明作进一步说明，本发明利用数字波束形成的方法形成电子波束在空间扫描和跟踪，完成散射通信的自动快速建链和动中通环境中天线波束的实时对准。自适应阵列处理单元8和数字波束形成单元6是本系统的核心组成部分，用于完成最优自适应权值的产生以及数字信号的幅度和相位的调整，实现自适应波束形成的功能；阵列天线1的功能是完成空间电磁信号与电流的相互转化，合理设计的阵列天线是本系统有效工作最基本的前提；通道校正单元2的功能是补偿多路射频通道，使其幅度和相位特性基本一致；射频单元3的功能是收发信号，获得最大的接收灵敏度，并将噪声影响和带外干扰减至最小；混频单元4的功能是完成射频信号与基带信号的相互转换；A/D(D/A)变换单元5的功能是完成模拟信号和数字信号的相互转换；调制解调单元7的功能是完成信息的调制与恢复；控制计算机9的功能是对空间扫描区域以及扫描间隔的设定，以及对本系统运行状态的监控和控制。

一种用于动中通散射通信的自适应波束形成方法，具体包括以下步骤：

(1)设定搜索范围和扫描方向：发送端和接收端进行加电自检，在发送端设定搜索范围和搜索步长，得到扫描方向θ_i,i=1,2,…,n，n是大于1的自然数，并将一个扫描方向输出给自适应阵列处理单元；

发送端和接收端均采用阵列天线。

(2)生成最优阵列加权值：自适应阵列处理单元根据扫描方向通过自适应算法计算得出最优的阵列复数加权值W_opt，并将最优的阵列复数加权值输送给数字波束形成单元；

其中，步骤(2)中所述的最优波束形成权值W_opt计算方法如下式所示：

$W_{\mathrm{opt}}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\frac{R_X^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{a^H\left({\mathrm{\θ}}_i\right)R_X^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}$

式中，W_opt(θ_i)表示θ_i方向最优波束形成权值，表示发送或者接收信号的协方差矩阵求逆，a(θ_i)表示θ_i方向的导向矢量，a^H(θ_i)表示θ_i方向的导向矢量求转置。

(3)数字信号处理：数字波束形成单元根据收到的最优阵列加权值对调制解调单元输出的各支路数字信号进行复数加权，调整各支路数字信号的幅度和相位；

(4)形成扫描波束：调整后的各路数字信号经由D/A变换单元转化为模拟信号，经过混频单元完成上变频，上变频后的信号输出至射频单元进行射频通道的幅相一致性校正，校正后的射频信号由阵列天线发送出去，在设定的扫描方向形成扫描波束；

(5)发送端发送探测信号：发送端通过扫描波束在设定的扫描方向发送探测信号，并驻留一段时间，驻留时间长短通过协议设定，在驻留时间内发送端如果收到接收端的回应信号，则转入步骤（6），否则发送端将下一个扫描方向输送至自适应阵列处理单元，并转到步骤（2）；

其中，步骤（5）中所述的回应信号是由接收端收到探测信号后，依靠波达方向估计方法，得到发送端的准确方向，然后利用波束形成方法得到的。

波达方向估计方法计算方法如下式所示：

${\widehat{\mathrm{\θ}}}_i=\arg \left(\frac{1}{a^H\left({\mathrm{\θ}}_i\right)R_X^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}\right)$

式中，表示对θ_i的估计值，arg(□)表示求复数的辐角，表示发送或者接收信号的协方差矩阵求逆，a(θ_i)表示θ_i方向的导向矢量，a^H(θ_i)表示θ_i方向的导向矢量求转置。

(6)收发波束对准：发送端依靠自适应波束形成算法在接收端方向形成天线波束，收发双方互发确认信号进行握手后，完成收发天线波束的对准。

工作原理：

本系统采用阵列天线和多路射频通道进行信号的收发，数字信号处理采用阵列处理的方式，通过控制计算机输出的扫描方位，利用自适应阵列处理单元获得在此方位形成波束时各支路的最优加权值，最优加权值输出给数字波束形成单元，由数字波束形成单元调整各路信号的幅度和相位，确保各路信号合并之后能够在期望的扫描方位形成主波束，通过设定不同的扫描方位可以完成电子波束在空间的扫描，通过自适应波束形成算法可以完成移动过程中波束的动态对准。

Claims (4)

1.一种用于动中通散射通信的自适应波束形成方法，其特征在于具体包括以下步骤：

(1)设定搜索范围和扫描方向：发送端和接收端进行加电自检，在发送端设定搜索范围和搜索步长，得到扫描方向θ_i,i＝1,2,…,n，n是大于1的自然数，并将一个扫描方向输出给自适应阵列处理单元；

(2)生成最优阵列加权值：自适应阵列处理单元根据扫描方向通过自适应算法计算得出最优的阵列复数加权值W_opt，并将最优的阵列复数加权值输送给数字波束形成单元；

(3)数字信号处理：数字波束形成单元根据收到的最优阵列加权值对调制解调单元输出的各支路数字信号进行复数加权，调整各支路数字信号的幅度和相位；

(4)形成扫描波束：调整后的各路数字信号经由D/A变换单元转化为模拟信号，经过混频单元完成上变频，上变频后的信号输出至射频单元进行射频通道的幅相一致性校正，校正后的射频信号由阵列天线发送出去，在设定的扫描方向形成扫描波束；

(5)发送端发送探测信号：发送端通过扫描波束在设定的扫描方向发送探测信号，并驻留一段时间，驻留时间长短通过协议设定，在驻留时间内发送端如果收到接收端的回应信号，则转入步骤(6)，否则发送端将下一个扫描方向输送至自适应阵列处理单元，并转到步骤(2)；

(6)收发波束对准：发送端依靠自适应波束形成算法在接收端方向形成天线波束，收发双方互发确认信号进行握手后，完成收发天线波束的对准；

其中，步骤(2)中所述的最优波束形成权值W_opt计算方法如下式所示：

$W_{opt}\left({\mathrm{\θ}}_i\right)=\frac{R_X^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}{a^H\left({\mathrm{\θ}}_i\right)R_X^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}$

式中，W_opt(θ_i)表示θ_i方向最优波束形成权值，表示发送或者接收信号的协方差矩阵求逆，a(θ_i)表示θ_i方向的导向矢量，a^H(θ_i)表示θ_i方向的导向矢量求转置。

2.根据权利要求1所述的一种用于动中通散射通信的自适应波束形成方法，其特征在于：步骤(5)中所述的回应信号是由接收端收到探测信号后，依靠波达方向估计方法，得到发送端的准确方向，然后利用波束形成方法得到的。

3.根据权利要求1所述的一种用于动中通散射通信的自适应波束形成方法，其特征在于：发送端和接收端均采用阵列天线。

4.根据权利要求2所述的一种用于动中通散射通信的自适应波束形成方法，其特征在于：所述的波达方向估计方法的计算方法如下式所示：

${\widehat{\mathrm{\θ}}}_i=\arg \left(\frac{1}{a^H\left({\mathrm{\θ}}_i\right)R_X^{-1}a\left({\mathrm{\θ}}_i\right)}\right)$

式中，表示对θ_i的估计值，arg(·)表示求复数的辐角，表示发送或者接收信号的协方差矩阵求逆，a(θ_i)表示θ_i方向的导向矢量，a^H(θ_i)表示θ_i方向的导向矢量求转置。