CN107104710B - 一种数字相控阵天线的波束合成方法 - Google Patents

一种数字相控阵天线的波束合成方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种数字相控阵天线的波束合成方法，主要解决传统的数字相控阵天线波束合成方法消耗资源大的问题。其实现步骤是：(1)线阵接收到的信号经过射频前端后，再经过ADC采样成为数字信号；(2)该数字信号经过正交下变频成为复信号；(3)计算相控阵权矢量；(4)对阵列接收复信号进行加权求和；(5)设计一个实系数低通滤波器；(6)对加权求和输出信号进行低通滤波，即同时完成信道化滤波和正交化滤波。本发明在保证原有的滤波器性能不变的情况下，减少滤波器的数量，在工程实现中节约了FPGA中的DSP资源，可用于数字相控阵天线领域。

Description

一种数字相控阵天线的波束合成方法
技术领域
本发明涉及到数字相控阵天线领域，具体涉及到一种数字相控阵天线的波束合成方法。
背景技术
相控阵天线通过对接收信号进行加权处理，而让阵列天线所产生的波束的主瓣指向期望的来波方向。当接收的信号经过射频前端进入处理模块时，首先通过ADC将模拟信号转为数字信号，然后再完成波束合成部分，这就是数字波束合成(DBF)。参阅附图2，目前传统的数字波束合成方法都是将信号通过信道化滤波、正交下变频、正交化滤波、加权以及合并这几个步骤从而完成波束合成。
由于这类方法需要高速并且大量地处理数字信号，所以工程应用中基本都会采用FPGA来完成处理，方法中的滤波器结构则需要使用到FPGA中的DSP结构。对于滤波器而言，带外抑制越高，过渡带越窄，滤波器的性能越好，滤波器的阶数也就越高，所需要的DSP结构数量也就越多。即使FPGA有着高速时钟和丰富的逻辑门阵列资源，它的DSP资源依然非常有限。因此，减少滤波器结构以节约DSP资源成为这类方法的一个重要意义。
本发明采用滤波器后置的方法。首先是将信道化滤波与正交化滤波的滤波器合二为一，直接使用一个带外抑制很高的低通滤波器来替代。然后将该滤波器置于加权以及合并这个步骤以后，这样就只需要对一路信号进行滤波，而不需要像传统的方式一样对各个阵元的信号都进行滤波。这种方式能够在保证滤波器的带外抑制以及过渡带狭窄的情况下大量地节约FPGA中的DSP资源。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：在数字相控阵天线波束合成中，传统的数字波束合成方法资源消耗太大。
解决上述问题的方法是一种数字相控阵天线的波束合成方法，其实现步骤是：
(1)接收数字相控阵天线是一个阵元数量为L的线阵，阵元之间距离为d，其中L为大于2的正整数，d等于信号载波波长的一半；第l个阵元接收的模拟中频信号为sl(t)，中频载波频率为fIF，信号带宽为BW，该信号经过采样周期为Ts的ADC转换为数字信号sl(n)，其中，n表示采样序号，l＝1,...,L；
(2)在数字域产生复数本振信号x(n)＝xr(n)+jxi(n)，其中实部信号为xr(n)＝cos(2πfIFnTs)，虚部信号为xi(n)＝sin(2πfIFnTs)，j表示虚数单位；本振信号与第l个阵元接收中频数字信号进行相乘，得到第l路的输出复信号yl(n)＝ylr(n)+jyli(n)＝x(n)sl(n)，其中ylr(n)表示实部，yli(n)表示虚部；
(3)根据相控阵天线波束指向角度θ0，计算第l个阵元通道对应的复数权值wl(θ0)＝wlr(θ0)+jwli(θ0)，其中wlr(θ0)表示权值的实部，wli(θ0)表示权值的虚部；
(4)在第l个阵元对应通道中，把步骤(2)中得到的复信号yl(n)与步骤(3)中得到的复数权值wl(θ0)相乘，并合成所有支路的加权输出，得到相控阵天线加权输出复信号
Figure BDA0001255975380000021
其中zr(n)为实部，zi(n)为虚部；
(5)设计一个M阶的通带等于BW/2的低通数字滤波器，滤波器系数为实数，系数矢量为h＝[h0 h1 ... hM]，其中M为正整数；
(6)加权后的输出信号的实部和虚部分别经过滤波器h，得到数字相控阵天线最终输出复基带信号g(n)＝gr(n)+jgi(n)，其中实部信号
Figure BDA0001255975380000031
虚部信号
Figure BDA0001255975380000032
本发明的有益效果是：相比于传统的数字波束合成方法，本发明在保持传统波束合成方法性能基础上，通过信道化滤波器与正交化滤波器合二为一，并把滤波器后置的方法，节约了FPGA中DSP的资源。
本发明可以应用到数字相控阵天线领域。
附图说明：
图1是线阵的几何结构示意图；
图2是传统的数字波束合成方法系统结构图；
图3是本发明的数字波束合成方法系统结构图；
具体实施方法：
(1)接收数字相控阵天线是一个阵元数量为L的如图1所示的线阵，阵元之间距离为d，其中L为大于2的正整数，d等于信号载波波长的一半。空间远场平面波入射阵列角度为θ0。参阅图2和图3，第l个阵元接收的射频信号经过射频前端，得到模拟中频信号为sl(t)，中频载波频率为fIF，信号带宽为BW，该信号经过采样周期为Ts的ADC转换为数字信号sl(n)，其中，n表示采样序号，l＝1,...,L。
(2)参阅图3，在数字域产生复数本振信号x(n)＝xr(n)+jxi(n)，其中实部信号为xr(n)＝cos(2πfIFnTs)，虚部信号为xi(n)＝sin(2πfIFnTs)，j表示虚数单位；本振信号与第l个阵元接收中频数字信号进行相乘，得到第l路的输出复信号yl(n)＝ylr(n)+jyli(n)＝x(n)sl(n)，其中ylr(n)表示实部，yli(n)表示虚部。
(3)参阅图3，根据相控阵天线波束指向角度θ0，计算第l个阵元通道对应的复数权值wl(θ0)＝wlr(θ0)+jwli(θ0)，其中wlr(θ0)表示权值的实部，wli(θ0)表示权值的虚部；按照相控阵天线基本理论，这个权矢量等于信号入射的方向矢量。
(4)参阅图3，在第l个阵元对应通道中，把步骤(2)中得到的复信号yl(n)与步骤(3)中得到的复数权值wl(θ0)相乘，并合成所有支路加权输出，得到相控阵天线加权输出复信号
Figure BDA0001255975380000041
其中zr(n)为实部，zi(n)为虚部。
(5)参阅图3，设计一个M阶的通带等于BW/2的低通数字滤波器，滤波器系数为实数，系数矢量为h＝[h0 h1 ... hM]，其中M为正整数。
(6)参阅图3，加权后的输出信号的实部和虚部分别经过滤波器h，得到数字相控阵天线最终输出复信号g(n)＝gr(n)+jgi(n)，其中实部信号
Figure BDA0001255975380000042
虚部信号
Figure BDA0001255975380000043
相对于传统的数字波束合成方法，本发明不用对每一个阵元的接收到的信号都进行信道化滤波和正交化滤波，而是将信号加权并且合并以后再对这一路信号进行一个低通滤波。这样做的优势在于减少了一个滤波器，从而能够大量的节约FPGA中的DSP资源。本发明可以应用到数字相控阵天线领域，尤其是多目标数字相控阵天线的波束合成中。

Claims (1)

1.一种数字相控阵天线的波束合成方法，其实现步骤是：
(1)接收数字相控阵天线是一个阵元数量为L的线阵，阵元之间距离为d，其中L为大于2的正整数，d等于信号载波波长的一半；第l个阵元接收的模拟中频信号为sl(t)，中频载波频率为fIF，信号带宽为BW，该信号经过采样周期为Ts的ADC转换为数字信号sl(n)，其中，n表示采样序号，l＝1,...,L；
(2)在数字域产生复数本振信号x(n)＝xr(n)+jxi(n)，其中实部信号为xr(n)＝cos(2πfIFnTs)，虚部信号为xi(n)＝sin(2πfIFnTs)，j表示虚数单位；本振信号与第l个阵元接收中频数字信号进行相乘，得到第l路的输出复信号yl(n)＝ylr(n)+jyli(n)＝x(n)sl(n)，其中ylr(n)表示实部，yli(n)表示虚部；
(3)根据相控阵天线波束指向角度θ0，计算第l个阵元通道对应的复数权值wl(θ0)＝wlr(θ0)+jwli(θ0)，其中wlr(θ0)表示权值的实部，wli(θ0)表示权值的虚部；
(4)在第l个阵元对应通道中，把步骤(2)中得到的复信号yl(n)与步骤(3)中得到的复数权值wl(θ0)相乘，并合成所有支路的加权输出，得到相控阵天线加权输出复信号
Figure FDA0001255975370000011
其中zr(n)为实部，zi(n)为虚部；
(5)设计一个M阶的通带等于BW/2的低通数字滤波器，滤波器系数为实数，系数矢量为h＝[h0 h1 ... hM]，其中M为正整数；
(6)加权后的输出信号的实部和虚部分别经过滤波器h，得到数字相控阵天线最终输出复基带信号g(n)＝gr(n)+jgi(n)，其中实部信号
Figure FDA0001255975370000012
虚部信号
Figure FDA0001255975370000013
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