CN103888209A - 一种宽带接收阵列天线通道幅相误差时域校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽带接收阵列天线通道幅相误差时域校正方法。本方法在每个被校正通道的输出和数字波束合成模块之间连接一个横向滤波器，工作时该横向滤波器用于对通道接收信号进行滤波校正。同时，采用一个自适应均衡器与横向滤波器并联，均衡器用于确定横向滤波器系数。均衡器采用宽带BPSK信号作为校正参考信号，通过LMS自适应滤波算法获得收敛权矢量，该收敛权矢量作为均衡器输出，传递给横向滤波器。本发明克服了宽带接收阵列天线时域校正方法中，采用线性调频信号作为均衡器参考信号时权矢量不收敛问题，并且实现简单。本发明可以应用于宽带接收阵列天线的通道幅相误差精确校正。

Description

一种宽带接收阵列天线通道幅相误差时域校正方法

技术领域

本发明涉及宽带接收阵列天线领域，具体涉及一种宽带接收阵列天线通道幅相误差时域校正方法。

背景技术

宽带接收阵列天线系统每个阵元都对应一个独立完整的通道，该通道包含了天线阵元和射频前端，射频前端通常包括低噪声放大器、混频器、滤波器、中频放大器和模/数变换器等模拟器件，而波束合成则在数字域完成。上述理想宽带接收阵列天线的结构如图1所示。由于阵列天线接收信号是宽带信号，每个通道的传输特性必然存在着幅度和相位上的差异，而且不同的频点，幅度和相位误差的大小是不同的。为了克服通道幅相误差，可以采用频域和时域两种校正方法。

频域校正是通过傅里叶变换，在频域把宽频带信号转换为多个窄带信号，对每个窄带信号进行校正，再合成一个宽带信号，最后通过傅里叶反变换获得校正后信号。该过程实现复杂。

时域校正方法是在每个通道输出和数字波束合成模块之间，连接一个横向滤波器，该横向滤波器对通道接收信号进行滤波校正，滤波器输出信号作为数字波束合成器的输入信号。但确定横向滤波器的系数，是校正实现的前提。为了获得上述横向滤波器系数，每个通道需要采用一个均衡器，该均衡器与横向滤波器并联，在均衡中采用自适应滤波算法，获得横向滤波器的系数。

已有时域校正方法中，采用线性调频信号作为均衡器的参考信号，但是，由于线性调频信号是非平稳的信号，均衡器的权矢量无法收敛，所以，不能获得稳定的横向滤波器系数。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：采用线性调频信号作为参考信号的宽带接收阵列天线通道幅相误差时域校正中，均衡器权值不收敛，无法获得稳定横向滤波器系数。

解决上述问题的技术方案是一种宽带接收阵列天线通道幅相误差时域校正方法，具体步骤如下：

第一步：微波暗室内，在远场发射一个宽带二进制相移键控（Binary PhaseShift Keying，BPSK）信号作为校正信号，该信号频谱覆盖被校正接收阵列天线的工作频带，同时，发射的BPSK信号垂直入射到被校正接收阵列天线阵面；

第二步：从被校正接收阵列天线的M+1个通道中，选择一个通道作为参考通道，其输出数字信号z_ref(k)作为参考信号d(k)，用于对其余M个通道的校正，M为正整数，k表示采样序号；

第三步：每个被校正通道后连接一个L阶横向滤波器和一个L阶均衡器，二者是并联关系，L为正整数；第m个均衡器的输出是一个L维列矢量w_{m_out}=[w_m1…w_mL]^T，该列矢量w_{m_out}作为第m个横向滤波器的系数，其中，m=1,2,…,M，符号“[]^T”表示求转置；阵列天线正常工作时，横向滤波器完成对接收信号的校正功能；

第四步：M个被校正通道的均衡器各自独立工作，都采用时域最小均方（Least Mean Square，LMS）自适应滤波方法，经过k次迭代，第m个均衡器获得收敛后的权矢量w_m(k)，并把该权矢量作为输出，传递给第m个横向滤波器，作为横向滤波器系数，即w_{m_out}=w_m(k)。

在第四步中，第m个均衡器采用LMS自适应滤波方法计算输出权矢量w_{m_out}，其实现步骤为：

第一步：第m个均衡器的输入信号包括两部分，一是参考信号d(k)，二是输入信号矢量x_m(k)，该信号矢量由第m个通道的输出数字信号x_m(k)的连续L个采样值构成，即x_m(k)=[x_m(k)…x_m(k-L+1)]^T，k<0时，x_m(k)=0；

第二步，设k=0，选定迭代步长μ，并设置初始化权矢量w_m(0)=[0…0]^T；

第三步：计算输出误差

其中，符号“[]^H”表示求共轭转置；

第四步：计算更新权矢量 $w_m(k+1)=w_m\left(k\right)+{\mathrm{\&mu;e}}_m^{*}\left(k\right)x_m\left(k\right),$ 其中，符号“*”表示取共轭；

第五步：判断权矢量是否收敛，如果没收敛，则k=k+1，跳转到第三步；否则，此时的权矢量w_m(k)作为均衡器输出权矢量w_{m_out}=w_m(k)，并停止迭代计算。

本发明的有益效果是，通过采用BPSK信号作为参考信号，在均衡器中LMS自适应滤波算法可以收敛，从而获得稳定的横向滤波器系数，实现对宽带接收阵列天线通道幅相误差的校正，并且比频域校正方法更简单。本发明可以应用于宽带接收阵列天线的通道幅相误差校正。

附图说明

图1宽带接收阵列天线结构框图

图2被校正通道横向滤波器结构图

图3被校正通道均衡器框图

图4宽带接收阵列天线通道幅相误差时域校正方法示意图

图5被校正通道均衡器LMS自适应算法流程图

具体实施方式

一个由M+1个通道构成的理想宽带接收阵列天线如图1所示。理想宽带接收阵列天线的通道由阵元和射频前端构成，通道输出为数字信号x_m(k)，波束合成功能在数字域完成，波束合成输出y(k)就是整个阵列天线的输出。

为了校正宽带接收阵列天线的通道幅相误差，在通道输出与数字波束合成模块之间加入阶数为L的横向滤波器，其结构如图2所示，其中T为延时间隔。在阵列天线正常工作时，滤波器对接收信号进行校正，使每个通道具有与参考通道相同的传输特性，经滤波后的接收信号再进行后级的数字波束合成。为了获得横向滤波器的系数，需要一个与横向滤波器并联的均衡器。均衡器是一个有限冲激响应（Finite Impulse Response，FIR）滤波器，阶数也是L，结构如图3所示，其中T为延时间隔。通过在微波暗室内发射远场校正信号，均衡器采用时域LMS自适应滤波算法，获得收敛权矢量。该权矢量作为均衡器输出，传递给相同通道对应的横向滤波器，作为横向滤波器的系数。从而完成宽带接收阵列天线通道幅相误差的校正方法，该方法示意图如图4所示。

上述宽带接收阵列天线通道幅相误差时域校正方法的具体实施步骤为：

第一步：微波暗室内，在远场利用信号源和一个发射天线，发射一个宽带BPSK信号作为校正信号。该信号频谱覆盖被校正接收阵列天线的工作频带，同时，发射的BPSK信号垂直入射到被校正接收阵列天线阵面。

第二步：从被校正接收阵列天线的M+1个通道中，选择一个通道作为参考通道，其输出数字信号z_ref(k)作为参考信号d(k)，用于对其余M个通道的校正，M为正整数，k表示采样序号。由于通道内包含了模/数转换模块，所以，通道输出是数字信号。

第三步：每个被校正通道后连接一个L阶横向滤波器和一个L阶均衡器，二者是并联关系。第m个均衡器的输出是一个L维列矢量w_{m_out}=[w_m1…w_mL]^T，该矢量w_{m_out}作为第m个横向滤波器的系数，其中，m=1,2,…,M，符号“[]^T”表示求转置。运用自适应滤波算法，均衡器权矢量收敛后，才产生输出。阵列天线正常工作时，横向滤波器系数是固定不变的，用于完成对接收信号的校正功能。

第四步：M个被校正通道的均衡器各自独立工作，都采用时域LMS自适应滤波方法，经过k次迭代，第m个均衡器获得收敛后的权矢量w_m(k)，并把该权矢量作为输出，传递给第m个横向滤波器，作为横向滤波器系数，即w_{m_out}=w_m(k)。

在第四步中，第m个均衡器采用LMS自适应滤波方法计算输出权矢量w_{m_out}，算法流程图如图5所示，实现步骤为：

第一步：第m个均衡器的输入信号包括两部分，一是参考信号d(k)，二是输入信号矢量x_m(k)，该信号矢量由第m个通道的输出数字信号x_m(k)的连续L个采样值构成，即x_m(k)=[x_m(k)…x_m(k-L+1)]^T，k<0时，x_m(k)=0；

第二步，设k=0，选定迭代步长μ，并设置初始化权矢量w_m(0)=[0…0]^T；

第三步：计算输出误差

其中，符号“[]^H”表示求共轭转置；

第四步：计算更新权矢量 $w_m(k+1)=w_m\left(k\right)+{\mathrm{\&mu;e}}_m^{*}\left(k\right)x_m\left(k\right),$ 其中，符号“*”表示取共轭；

第五步：判断权矢量是否收敛，如果没收敛，则k=k+1，跳转到第三步；否则，此时的权矢量w_m(k)作为均衡器输出权矢量w_{m_out}=w_m(k)，并停止迭代计算。

本发明是一种宽带接收阵列天线通道幅相误差校正的时域方法，通过采用BPSK信号作为参考信号，利用时域均衡LMS自适应滤波算法，获得横向滤波器的系数。方法克服了采用线性调频信号作为参考信号导致的均衡器权值不收敛问题，并且比频域校正方法更简单。本发明可以应用于宽带接收阵列天线的通道幅相误差校正。

Claims (2)

1.一种宽带接收阵列天线通道幅相误差时域校正方法，具体步骤如下：

第一步：微波暗室内，在远场发射一个宽带BPSK信号作为校正信号，该信号频谱覆盖被校正接收阵列天线的工作频带，同时，发射的BPSK信号垂直入射到被校正接收阵列天线阵面；

第二步：从被校正接收阵列天线的M+1个通道中，选择一个通道作为参考通道，其输出数字信号z_ref(k)作为参考信号d(k)，用于对其余M个通道的校正，M为正整数，k表示采样序号；

第三步：每个被校正通道后连接一个L阶横向滤波器和一个L阶均衡器，二者是并联关系，L为正整数；第m个均衡器的输出是一个L维列矢量w_{m_out}＝[w_m1…w_mL]^T，该列矢量w_{m_out}作为第m个横向滤波器的系数，其中，m＝1,2,…,M，符号“[]^T”表示求转置；阵列天线正常工作时，横向滤波器完成对接收信号的校正功能；

第四步：M个被校正通道的均衡器各自独立工作，都采用时域LMS自适应滤波方法，经过k次迭代，第m个均衡器获得收敛后的权矢量w_m(k)，并把该权矢量作为输出，传递给第m个横向滤波器，作为横向滤波器系数，即w_{m_out}＝w_m(k)。

2.根据权利要求1所述的一种宽带接收阵列天线通道幅相误差时域校正方法，其特征在于：第四步中，第m个均衡器采用LMS自适应滤波方法计算输出权矢量w_{m_out}，其实现步骤为：

第一步：第m个均衡器的输入信号包括两部分，一是参考信号d(k)，二是输入信号矢量x_m(k)，该信号矢量由第m个通道的输出数字信号x_m(k)的连续L个采样值构成，即x_m(k)＝[x_m(k)…x_m(k-L+1)]^T，k＜0时，x_m(k)＝0；

第二步，设k＝0，选定迭代步长μ，并设置初始化权矢量w_m(0)＝[0…0]^T；

第三步：计算输出误差

其中，符号“[]^H”表示求共轭转置；

第四步：计算更新权矢量 $w_m(k+1)=w_m\left(k\right)+{\mathrm{\&mu;e}}_m^{*}\left(k\right)x_m\left(k\right),$ 其中，符号“*”表示取共轭；

第五步：判断权矢量是否收敛，如果没收敛，则k＝k+1，跳转到第三步；否则，此时的权矢量w_m(k)作为均衡器输出权矢量w_{m_out}＝w_m(k)，并停止迭代计算。

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