CN104779989A - 一种宽带阵列校正滤波器系数计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽带阵列校正滤波器系数计算方法。第一步，选择第0个通道为参考通道，第1个到第M个通道为待校正通道；第二步，远场发射一个宽带信号f(t)用于校正滤波器系数计算，该信号频率范围等于阵列工作时接收信号的频率范围；第三步，在校正滤波器系数计算模块中，通过带内最小二乘拟合算法计算每个待校正通道校正滤波器系数，第m个待校正通道的校正滤波器系数矢量为h_m，其中m＝1,2,…,M；第四步，校正滤波器系数计算模块把h_m传递给第m个待校正通道的校正滤波器，作为滤波器系数。与传统频域校正滤波器系数计算方法相比，本发明方法在相同的滤波器阶数情况下，带内具有更高校正精度。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领域。

Description

一种宽带阵列校正滤波器系数计算方法

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通道幅相误差校正滤波器系数计算方法。

背景技术

早期的阵列天线技术主要针对窄带信号，随着通信业务的发展和通信信息量的增加，阵列天线系统向宽带化方向发展。理想宽带接收阵列天线的结构如图1所示，阵列阵面各阵元接收空间信号经射频前端后，下变频为中频信号，再经采样、数字正交化得到解析信号，然后进行数字波束形成。数字波束形成的条件是要求信号通过阵列射频前端时要保持它们之间的幅度和相位关系不变。由于宽带阵列天线接收信号是宽带信号，且阵列通道中往往包含有高频放大器、混频器、中频放大器、滤波器等模拟器件，这些模拟器件及其构成的有源电路不可避免地存在着幅度和相位差异，同时再加上其他外部因素的影响，例如：噪声、温度、器件老化等，势必使得宽带阵列通道间存在幅相特性不一致，即通道失配。通道失配会影响阵列系统的性能，致使旁瓣电平升高、干扰零陷变浅以及阵列增益的降低等，严重时甚至使阵列系统不能正常工作。因此，波束形成前必须要对宽带阵列的通道失配进行校正。

宽带阵列通道失配主要包括各通道之间的幅频特性和相频特性不一致，为了校正宽带阵列通道幅相误差，需在各阵列通道后附接一有限长冲击响应(FiniteImpulse Response，FIR)滤波器来补偿各失配通道的频率特性，使阵列通道总的频率响应实现无失真传输。校正滤波器对通道输出信号进行滤波校正，滤波器输出信号作为数字波束形成器的输入信号。通道幅相误差校正的关键在于求取滤波器权系数，根据求取方法的不同，通道校正分为时域方法和频域方法两种。其中，传统通道校正频域方法利用傅里叶变换将信号转换到频域，在整个第一奈奎斯特域内直接对校正滤波器的期望频率响应和实际频率响应做最小二乘拟合，进而求取校正滤波器权系数。由于是在整个第一奈奎斯特域进行校正，所以，滤波器频率特性不仅包括了信号所占频带，也包括了带外部分。但通道间的带外幅频不一致性，对阵列波束形成性能并没有影响。在校正滤波器阶数一定情况下，考虑带外幅频特性的校正，由于占用了滤波器自由度，会导致带内幅频特性校正精度降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：传统频域最小二乘拟合方法进行通道校正滤波器系数计算时，如果校正滤波器阶数一定，由于考虑了全带宽内的幅相误差校正，导致通道带内幅相误差校正精度降低。

解决上述问题的技术方案是一种宽带阵列校正滤波器系数计算方法，具体步骤如下：

第一步，宽带接收阵列包括M+1个接收通道，第0个通道为参考通道，由阵元、射频前端、模数转换器(ADC)，依次连接构成，第1个到第M个接收通道为待校正通道，每个待校正通道结构相同，由阵元、射频前端、模数转换器(ADC)、校正滤波器依次连接构成；每个待校正通道的校正滤波器为一个由L个系数构成的有限冲击响应(FIR)滤波器，其中L为大于1的整数；校正滤波器系数通过系数计算模块计算得到；

第二步，远场发射一个宽带信号f(t)用于校正滤波器系数计算，该信号的数字域频谱范围为[ω_L ω_H]，即该信号频率范围等于阵列工作时接收信号的频率范围，其中，ω_L表示频率范围下限，而ω_H表示频率范围上限，且0＜ω_L＜ω_H＜2π；参考通道的模数转换器(ADC)输出信号为f_ref(k)，而第m个待校正通道的模数转换器输出信号为f_m(k)，其中，k为采样序号，该序号从0开始编号，m＝1,2,…,M；

第三步，在校正滤波器系数计算模块中，通过带内最小二乘拟合方法计算每个通道待校正滤波器系数，第m个待校正通道的校正滤波器系数矢量为h_m，其中h_m＝[h_m0 ... h_mL-1]^T，符号“[]^T”表示转置，m＝1,2,…,M；带内最小二乘拟合方法计算第m个待校正通道的校正滤波器系数的步骤为：

(1)在参考通道中，取连续的K个采样信号f_ref(k)，在第m个待校正通道中，取连续的K个采样信号f_m(k)，其中k＝0,1,…,K-1，K为大于L的正整数；

(2)分别对序列f_ref(k)和f_m(k)做离散傅里叶变换，序列f_ref(k)的离散傅里叶变换输出序列为F_ref(n)，f_m(k)的离散傅里叶变换输出序列为F_m(n)，其中k＝0,1,…,K-1，n＝0,1,…,K-1；

(3)通过序列F_ref(n)和序列F_m(n)对应元素相除，得到第m个待校正通道的校正滤波器频域响应序列其中n＝0,1,…,K-1；

(4)根据信号频率范围，确定两个正整数n_L和n_H，其中，n_L为满足的最小整数，n_H为满足的最大整数；在序列H_m(n)中，取n_H-n_L+1个元素，构成列矢量符号“[]^T”表示转置；

(5)定义(n_H-n_L+1)×L维频率因子矩阵

(6)计算第m个待校正通道的校正滤波器系数矢量其中符号“[]^H”表示求共轭转置，符号“()^-1”表示求逆矩阵；

第四步，校正滤波器系数计算模块把h_m传递给第m个待校正通道的校正滤波器，作为滤波器系数，用于阵列工作时对接收信号的校正，其中m＝1,2,…,M。

本发明的有益效果是，滤波器系数计算仅仅考虑信号所占频带范围，通过采用基于带内最小二乘拟合的频域算法获得均衡器权系数矢量h_m，在相同滤波器阶数条件下，能够提高带内校正精度。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通道校正方法框图

图3校正滤波器结构框图

图4带内最小二乘拟合频域算法流程图

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、射频前端和模数转换器(ADC)依次连接构成，通道输出为数字信号x_m(k)，波束形成功能在数字域完成，波束形成输出y(k)就是整个阵列天线的输出。

图2所示为通道校正方法框图，为了校正宽带接收阵列天线的通道幅相误差，需在各通道输出与数字波束形成模块之间加入一校正滤波器，当阵列正常工作时实现对通道输出信号的滤波校正。阵元0对应通道为参考通道，无需校正。其余通道，在ADC后接一个FIR滤波器，作为校正滤波器，校正滤波器输出用于波束合成计算。校正滤波器的权系数矢量由系数计算模块实现，系数计算模块的输入为每个通道的ADC输出信号，系数计算模块的输出则是每个待校正通道的滤波器系数矢量。校正滤波器采用抽头数为L的横向FIR滤波器实现，其结构如图3所示，其中T为延时间隔。当阵列天线正常工作时，校正滤波器对阵列接收信号进行校正，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形成。

下面针对本发明方法进行详细阐述，一种基于带内最小二乘拟合的宽带阵列通道幅相误差校正方法，其具体步骤如下：

第一步，宽带接收阵列包括M+1个接收通道，第0个通道为参考通道，由阵元、射频前端、模数转换器(ADC)，依次连接构成，第1个到第M个接收通道为待校正通道，每个待校正通道结构相同，由阵元、射频前端、模数转换器(ADC)、校正滤波器依次连接构成；每个待校正通道的校正滤波器为一个由L个系数构成的有限冲击响应(FIR)滤波器，其中L为大于1的整数；校正滤波器系数通过系数计算模块计算得到；

第二步，远场发射一个宽带信号f(t)用于校正滤波器系数计算，该信号的数字域频谱范围为[ω_L ω_H]，即该信号频率范围等于阵列工作时接收信号的频率范围，其中，ω_L表示频率范围下限，而ω_H表示频率范围上限，且0＜ω_L＜ω_H＜2π；参考通道的模数转换器(ADC)输出信号为f_ref(k)，而第m个待校正通道的模数转换器输出信号为f_m(k)，其中，k为采样序号，该序号从0开始编号，m＝1,2,…,M；

第三步，在校正滤波器系数计算模块中，通过带内最小二乘拟合方法计算每个通道待校正滤波器系数，第m个待校正通道的校正滤波器系数矢量为h_m，其中h_m＝[h_m0 ... h_mL-1]^T，符号“[]^T”表示转置，m＝1,2,…,M；

第四步，校正滤波器系数计算模块把h_m传递给第m个待校正通道的校正滤波器，作为滤波器系数，用于阵列工作时对接收信号的校正，其中m＝1,2,…,M。

在上述校正方法第三步中，第m个待校正通道的校正滤波器系数矢量h_m采用基于带内最小二乘拟合的频域算法获得，算法流程图如图4所示，其具体实现步骤为：

(1)在参考通道中，取连续的K个采样信号f_ref(k)，在第m个待校正通道中，取连续的K个采样信号f_m(k)，其中k＝0,1,…,K-1，K为大于L的正整数；

(2)分别对序列f_ref(k)和f_m(k)做离散傅里叶变换，序列f_ref(k)的离散傅里叶变换输出序列为F_ref(n)，f_m(k)的离散傅里叶变换输出序列为F_m(n)，其中k＝0,1,…,K-1，n＝0,1,…,K-1；

(3)通过序列F_ref(n)和序列F_m(n)对应元素相除，得到第m个待校正通道的校正滤波器频域响应序列其中n＝0,1,…,K-1；

(4)根据信号频率范围，确定两个正整数n_L和n_H，其中，n_L为满足的最小整数，n_H为满足的最大整数；在序列H_m(n)中，取n_H-n_L+1个元素，构成列矢量符号“[]^T”表示转置；

(5)定义(n_H-n_L+1)×L维频率因子矩阵

(6)计算第m个待校正通道的校正滤波器系数矢量其中符号“[]^H”表示求共轭转置，符号“()^-1”表示求逆矩阵

本发明是一种宽带阵列校正滤波器系数计算方法，该方法通过采用基于带内最小二乘拟合的频域算法获得校正滤波器权系数矢量。与传统频域校正滤波器系数计算方法相比，滤波器系数计算仅仅考虑信号所占频带范围，通过采用基于带内最小二乘拟合的频域算法获得均衡器权系数矢量h_m，在相同滤波器阶数条件下，能够提高带内校正精度。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 (1)

1.一种宽带阵列校正滤波器系数计算方法，其具体步骤如下：

第一步，宽带接收阵列包括M+1个接收通道，第0个通道为参考通道，由阵元、射频前端、模数转换器(ADC)，依次连接构成，第1个到第M个接收通道为待校正通道，每个待校正通道结构相同，由阵元、射频前端、模数转换器(ADC)、校正滤波器依次连接构成；每个待校正通道的校正滤波器为一个由L个系数构成的有限冲击响应(FIR)滤波器，其中L为大于1的整数；校正滤波器系数通过系数计算模块计算得到；

第二步，远场发射一个宽带信号f(t)用于校正滤波器系数计算，该信号的数字域频谱范围为[ω_L ω_H]，即该信号频率范围等于阵列工作时接收信号的频率范围，其中，ω_L表示频率范围下限，而ω_H表示频率范围上限，且0＜ω_L＜ω_H＜2π；参考通道的模数转换器(ADC)输出信号为f_ref(k)，而第m个待校正通道的模数转换器输出信号为f_m(k)，其中，k为采样序号，该序号从0开始编号，m＝1,2,…,M；

第三步，在校正滤波器系数计算模块中，通过带内最小二乘拟合方法计算每个通道待校正滤波器系数，第m个待校正通道的校正滤波器系数矢量为h_m，其中h_m＝[h_m0 ... h_mL-1]^T，符号“[]^T”表示转置，m＝1,2,…,M；带内最小二乘拟合方法计算第m个待校正通道的校正滤波器系数的步骤为：

(1)在参考通道中，取连续的K个采样信号f_ref(k)，在第m个待校正通道中，取连续的K个采样信号f_m(k)，其中k＝0,1,…,K-1，K为大于L的正整数；

(2)分别对序列f_ref(k)和f_m(k)做离散傅里叶变换，序列f_ref(k)的离散傅里叶变换输出序列为F_ref(n)，f_m(k)的离散傅里叶变换输出序列为F_m(n)，其中k＝0,1,…,K-1，n＝0,1,…,K-1；

(3)通过序列F_ref(n)和序列F_m(n)对应元素相除，得到第m个待校正通道的校正滤波器频域响应序列其中n＝0,1,…,K-1；

(4)根据信号频率范围，确定两个正整数n_L和n_H，其中，n_L为满足的最小整数，n_H为满足的最大整数；在序列H_m(n)中，取n_H-n_L+1个元素，构成列矢量 ${\hat{H}}_m={\left[\begin{array}{ccc}{H}_m\left(n_L\right)& ...& H_m\left(n_H\right)\end{array}\right]}^T,$ 符号“[]^T”表示转置；

(5)定义(n_H-n_L+1)×L维频率因子矩阵

(6)计算第m个待校正通道的校正滤波器系数矢量其中符号“[]^H”表示求共轭转置，符号“()^-1”表示求逆矩阵；

第四步，校正滤波器系数计算模块把h_m传递给第m个待校正通道的校正滤波器，作为滤波器系数，用于阵列工作时对接收信号的校正，其中m＝1,2,…,M。