CN104883156B - 基于改进vfdf的实时宽带数字波束指向控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于改进VFDF的实时宽带数字波束指向控制方法。该方法采用数字可编程延时单元作为波束指向控制的基本控制单元，可以方便地实现宽带实时的波束指向控制；采用数字移相的方式实现对变频器的本振相位补偿，可以适应具有变频功能的超外差通道结构；采用基于复数分解的改进VFDF实现精确的数字可编程延时单元，在不增加额外资源的前提下将数字移相的功能集成到数字可编程延时单元中，而且还有效降低了数字可编程延时单元的整体资源消耗。该方法既具备控制精度高、内存开销小、切换速度快、运行效率高、环境适应性好的优点，同时还通过优化VFDF的实现方式，实现了资源消耗上的节省。
Description
技术领域
本发明涉及数字信号处理领域，具体是一种适用于宽带数字波束形成的波束指向控制方法，尤其是基于改进VFDF(Variable Fractional Delay Filter，可变分数延时滤波器)的实时宽带数字波束指向控制方法。
背景技术
数字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)是数字化、阵列信号处理和天线技术的有机融合。与传统的单个定向波束相比，数字波束具有更灵活的波束控制、较高的信号增益、较强的干扰抑制能力以及较高的空间分辨能力等优点，在通信、雷达、电子侦察、天文观测等领域得到了广泛研究和深入应用。
在实际应用中，随着不断增长的通信传输速率、探测距离和观测精度要求，DBF系统正朝着多阵元、大带宽的方向发展。而在宽带DBF系统中，传统的基于相位控制的窄带DBF处理方法已经不再适用。
波束指向控制是DBF系统的一个关键功能，一般通过调整权系数的方式来实现，通常需要预先存储“指向-加权系数表”；如果要提高调整的精细度，就需要大幅增加表的规模。与窄带DBF系统只需要通过调整通道相位的方式进行波束控制不同，宽带DBF系统的波束指向控制实质上需要控制不同阵元接收信号之间的时延，而且时延控制的精度要能够与载波周期的1％相比拟，时延控制的范围要大于天线孔径渡越时间。因此，与窄带DBF系统相比，宽带DBF系统的波束指向控制所需要的通道权系数大大增加，从而导致存储空间和更新时间的激增。
基于Farrow结构的可变分数延时滤波器(Variable Fractional Delay Filter，VFDF)是一种可以实现高精度时延控制的数字信号处理技术。该技术通过控制单个抽头变量，可以实现相应的延时控制；延时控制的精度由抽头变量的位宽决定，避免了大规模的加权系数表的存储；而且具备单节拍的响应速度，没有波束指向切换的时间开销。这种技术具有控制精度高、内存开销小、切换速度快、运行效率高、环境适应性好的特点，比较适合用于宽带DBF系统的实时波束指向控制。
经过对现有技术文献的检索发现，Colman Cheung等在“IEEE InternationalSymposium on Phase Array System&Technology(IEEE相控阵系统与技术国际研讨会)”(2013，pp448-455)上发表的“Time Delay Digital Beamforming for Wideband PulseRadar Implementation”，提出采用VFDF来实现宽带DBF。该方法相对于模拟波束合成技术，在性能和环境适应性上都具有非常显著的优点。但是该方法只是简单地用数字延时代替相移，只能适应对输入信号直接采样的结构，不支持带上下变频的超外差结构；因此使用频率范围受限于模数转换器和数模转换器的转换速率，很难超过1GHz的频率范围；而且基于直接型VFDF结构的实现方法，在系统资源消耗上也非常大。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于改进的可变分数延时滤波器(Variable Fractional Delay Filter，VFDF)的实时宽带数字波束指向控制方法。该方法改进了VFDF的实现方式，通过对VFDF的传递函数进行复数分解，不仅有效降低了VFDF的实现资源，而且在不增加任何额外资源的前提下，集成了变频器的本振相位补偿功能，从而可以适应超外差的通道结构，满足任意频段实时波束控制需求。该方法既具备VFDF波束指向控制方法控制精度高、内存开销小、切换速度快、运行效率高、环境适应性好的优点，又克服了现有VFDF波束指向控制方法适应频段受限的局限，同时还通过优化VFDF实现方式，实现了资源消耗上的节省。
为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：
根据本发明提供的一种基于改进VFDF的实时宽带数字波束指向控制方法，其中：
(1)采用数字可编程延时单元作为波束指向控制的基本控制单元,通过控制一个延时抽头和一个相移抽头进行宽带、实时的数字信号延时和相移，从而实现宽带实时的波束指向控制；
(2)针对具有变频功能的超外差通道结构，采用数字移相的方式实现对变频器的本振相位补偿；
(3)采用基于复数分解的改进VFDF实现精确的数字可编程延时单元，在不增加额外资源的前提下将数字移相的功能集成到数字可编程延时单元中，而且还有效降低了数字可编程延时单元的整体资源消耗；
其中，所述的基于复数分解的改进VFDF，在设计上包括以下三个步骤：
步骤一：采用窗函数法设计VFDF的冲激响应；
步骤二：对冲激响应进行复数分解，将VFDF的实现结构分解成奇偶分离的两个子VFDF和一个复数移相器；
步骤三：将本振相位补偿功能集成到步骤二分解之后的VFDF的复数移相器中。
优选地，所述的采用数字移相的方式实现对变频器的本振相位补偿，是指在超外差通道结构中的变频、放大和模数转换之后，在数字中频信号上加入一步移相处理，对本振的相位延时进行补偿，从而使对中频信号的延时处理达到与射频直接延时同样的效果。
优选地，所述步骤一，具体为：
期望归一化延时为d的VFDF的理想冲激响应hid(n)的表达式如下：
其中，n表示时刻；
采用窗函数法设计有限冲激响应滤波器来拟合Hid(ejω)，加窗的冲激响应h(n)如下：
h(n)＝w(n-D0-d)sinc(n-D0-d)forn＝0,1,...,N-1
其中，w(·)表示窗函数，N表示窗函数的长度；冲激响应hid(n)被截尾和加窗，并引入了常数时延D0＝(N-1)/2以保证因果特性；
所述步骤二，具体为：
对冲激响应h(n)进行复数分解，获得如下的表示形式：
其中，real[·]表示取实部；
相应的传递函数H(z)表示为如下的改进结构：
其中K＝(N-1)/2，k表示子滤波器的时刻，且有：
在改进VFDF的结构中，VFDF被分解成两个子VFDF和一个复数移相器；其中heven(k)采用Le阶的Farrow架构，分路滤波器长度为(K+1)；hodd(k)采用Lo阶的Farrow架构，分路滤波器长度为K。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、本发明通过精确DPDE来实现波束指向控制，对每个通道只需要控制一个延时抽头和一个相移抽头就能够实时地实现等效射频延时切换，不仅宽带性能和环境适应性好，而且具有控制方式简捷、控制精度高、切换速度快、运行效率高的特点。
2、本发明通过在DPDE中集成本振相位补偿功能，可以适应带变频功能的超外差通道结构，从而能够克服模数转换器和数模转换器的转换速率对应用频段的限制，实现任意频段的波束指向控制功能。
3、本发明通过对VFDF的改进设计，在不增加额外资源的前提下将本振相位补偿功能集成到VFDF中，而且可以有效降低DPDE的资源消耗，并进而同等比例地降低整个波束指向控制的资源消耗和功率消耗。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提出的实时宽带数字波束指向控制方法的单通道波束控制模块的实现结构框图；
图2为本发明提出的改进VFDF在不同的多项式阶数下的延迟误差性能仿真结果；
图3为用于对照的直接型VFDF在不同的多项式阶数下的延迟误差性能仿真结果；
图4为本发明提出的改进VFDF和直接型VFDF相比，在单通道波束控制模块实现时的系统资源消耗比较。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本实施例基于一维线性阵列接收DBF应用，M表示阵元数量，D表示阵元间距，φ表示入射角，相邻阵元接收信号的时间间隔τ可以表示为：
其中，c表示光速；
针对本实施例，基于一维线性阵列接收DBF应用的具体技术方案如下：
(1)采用DPDE作为波束指向控制的基本控制单元，只需要控制一个延时抽头和一个相移抽头就能够实现宽带、实时的数字信号延时和相移，可以方便地实现宽带实时的波束指向控制。
在本实施例中，对相邻阵元接收信号的时间间隔τ进行补偿，就可以将入射方向为φ的平面波入射模型转化为垂直入射模型，其中相邻阵元间的延时补偿量Δτ为：
经过延时补偿后，垂直指向的波束就被旋转到角度为φ的方向，并且波束旋转的角度φ与输入信号频率无关，即达到宽带波束指向控制的效果。
(2)采用数字移相的方式实现对变频器的本振相位补偿，可以适应具有变频功能的超外差通道结构。
在本实施例中，为了适应具有变频功能的超外差通道结构，采用了数字移相的方式实现对变频器的本振相位补偿，具体来说就是在超外差通道结构中的变频、放大和模数转换之后，在数字中频信号上加入一步移相处理。图1以第m个通道为例，给出了采用DPDE进行宽带实时波束控制的单个阵元通道的结构，其中是第m个通道的相位补偿项，目的是对本振(用ω0表示)的相位延时进行补偿，从而使对中频信号的延时处理达到与射频直接延时同样的效果。对应表达式为：
进一步的，DPDE的延时控制精度τe的要求取决于波束指向控制精度φe和阵元间距D，同时也与波束扫描范围[-Φ,+Φ]有关，具体表达式如下：
对应的延时控制范围Tm需要满足：
(3)采用基于复数分解的改进VFDF实现精确的DPDE，在不增加额外资源的前提下将数字移相的功能集成到DPDE中，而且还有效降低了DPDE的整体资源消耗。
在本实施例中，所述基于复数分解的改进VFDF，在设计上包括以下三个步骤：
步骤一：采用窗函数法设计VFDF的冲激响应h(n)。
期望归一化延时为d的VFDF的理想冲激响应hid(n)形如通常的sinc函数，表达式如下：
其中，n表示时刻；
然而，hid(n)不但无限长而且是非因果的，因此无法在实际系统中实现。为此，采用窗函数法设计有限冲激响应(FIR)滤波器来拟合Hid(ejω)，加窗的冲激响应h(n)如下：
h(n)＝w(n-D0-d)sinc(n-D0-d)forn＝0,1,...,N-1
其中冲激响应hid(n)被截尾和加窗，并引入了常数时延D0＝(N-1)/2以保证因果特性；w(·)表示窗函数，N表示窗函数的长度。
步骤二：对冲激响应h(n)进行复数分解，将VFDF的实现结构分解成奇偶分离的两个子VFDF和一个复数移相器。
对冲激响应h(n)进行复数分解，获得如下的表示形式：
其中，real[·]表示取实部。
相应的传递函数H(z)可表示为如下的改进结构：
其中K＝(N-1)/2，k表示子滤波器的时刻，且有：
在改进的结构中，VFDF被分解成两个子VFDF和一个复数移相器。其中heven(k)采用Le阶的Farrow架构，分路滤波器长度为(K+1)；hodd(k)采用Lo阶的Farrow架构，分路滤波器长度为K。在给定的期望拟合误差条件下，设定直接拟合h(n)需要采用L阶Farrow架构，那么由于heven(k)和hodd(k)中延时量的变化范围只有h(n)的一半，因此要达到期望精度所需的阶数Le和Lo通常要小于L。复数相移可以用坐标旋转数字计算方法(COordinate RotationDIgital Computer,CORDIC)算子实现。这种结构需要((N-K)*(Le+1)+K*(Lo+1))个固定系数乘法器，比直接型的Farrow结构节省了((N-K)*(L-Le)+K*(L-Lo))个固定系数乘法器；同时比直接型的Farrow结构多了(Le+Lo-L)个可变系数乘法器和一个额外的CORDIC算子。当L-Le≥1,L-Lo≥1和N>>L的条件下(实际应用中通常可以满足)，这种结构至少可以节省N个固定系数乘法器，多付出的开销是少于L-2个可变系数乘法器和一个CORDIC算子，从而大大减少了整体的资源消耗。
步骤三：将本振相位补偿功能集成到上述分解之后的VFDF的复数移相器中。
在步骤二改进的VFDF实现结构中，包含一个CORDIC复数移相器，该移相器还可以直接集成图1所示的相位补偿单元，而不需要增加额外的资源消耗，这将进一步减少DPDE的资源消耗。
经过以上三个步骤设计的改进VFDF的实现，x(n)和y(n)分别表示VFDF的信号输入和信号输出，d/2和分别表示延时抽头和相移抽头。的具体表达式为：
其中包含了相位补偿因子实现了相位补偿功能的集成。奇偶两个子VFDF都分别采用Lo阶和Le阶的Farrow架构来实现，相比于直接Farrow结构能够用更低的多项式阶数达到期望的性能，从而达到了节省资源消耗的效果。
本实施例选取D＝5cm，φe＝1°，Φ＝60°，M＝32，采样间隔Ts＝4ns的应用场景，相应的延时控制精度τe应达到2ps，延时控制范围Tm应达到6ns。针对2ps的延时精度要求，选取VFDF的冲激响应阶数N＝33，加窗类型为凯泽窗，窗型系数β＝9.0。图2和图3分别仿真了直接型VFDF结构和本发明思路提出的改进VFDF结构在不同的多项式阶数下的延迟误差的均方根(Root Mean Square,RMS)值。从图中可以看出，采用直接型VFDF结构需要L≥6才能保证延迟误差在0.5％(对应2ps)以下，而采用本发明改进VFDF结构，Le＝4,Lo＝4时就足够了。图4给出了采用Altera公司Stratix II系列的现场可编程门阵列(Field ProgrammableGate Array，FPGA)实现时，两种结构下单通道宽带实时波束控制模块的资源消耗情况比较。可以看到，采用本发明的方法虽然多用了少量的可变系数乘法器和CORDIC算子资源，但是节省了大量的固定系数乘法器资源；以逻辑单元(Logic Element,LE)为单位计算，整体上节省了接近20％的FPGA等效资源。总的说来，采用本发明的方法不仅支持相位补偿功能，可以适应带变频功能的超外差通道结构；而且节省了大量的固定系数乘法器资源，实现了资源消耗的有效节省。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (2)
1.一种基于改进VFDF的实时宽带数字波束指向控制方法，其特征在于：
(1)采用数字可编程延时单元作为波束指向控制的基本控制单元，通过控制一个延时抽头和一个相移抽头进行宽带、实时的数字信号延时和相移，从而实现宽带实时的波束指向控制；
(2)针对具有变频功能的超外差通道结构，采用数字移相的方式实现对变频器的本振相位补偿；
(3)采用基于复数分解的改进VFDF实现精确的数字可编程延时单元，在不增加额外资源的前提下将数字移相的功能集成到数字可编程延时单元中，而且还有效降低了数字可编程延时单元的整体资源消耗；
其中，所述的基于复数分解的改进VFDF，在设计上包括以下三个步骤：
步骤一：采用窗函数法设计VFDF的冲激响应；
步骤二：对冲激响应进行复数分解，将VFDF的实现结构分解成奇偶分离的两个子VFDF和一个复数移相器；
步骤三：将本振相位补偿功能集成到步骤二分解之后的VFDF的复数移相器中；
所述步骤一，具体为：
期望归一化延时为d的VFDF的理想冲激响应hid(n)的表达式如下：
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其中，n表示时刻；
采用窗函数法设计有限冲激响应滤波器来拟合Hid(ejω)，加窗的冲激响应h(n)如下：
h(n)＝w(n-D0-d)sinc(n-D0-d)for n＝0,1,...,N-1
其中，w(·)表示窗函数，N表示窗函数的长度；冲激响应hid(n)被截尾和加窗，并引入了常数时延D0＝(N-1)/2以保证因果特性；
所述步骤二，具体为：
对冲激响应h(n)进行复数分解，获得如下的表示形式：
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其中，real[·]表示取实部；
相应的传递函数H(z)表示为如下的改进结构：
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在改进VFDF的结构中，VFDF被分解成两个子VFDF和一个复数移相器；其中heven(k)采用Le阶的Farrow架构，分路滤波器长度为(K+1)；hodd(k)采用Lo阶的Farrow架构，分路滤波器长度为K。
2.根据权利要求1所述的基于改进VFDF的实时宽带数字波束指向控制方法，其特征在于，所述的采用数字移相的方式实现对变频器的本振相位补偿，是指在超外差通道结构中的变频、放大和模数转换之后，在数字中频信号上加入一步移相处理，对本振的相位延时进行补偿，从而使对中频信号的延时处理达到与射频直接延时同样的效果。
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