Electronic Technology ?
电子技术Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程? 57【关键词】二次雷达 有源相控阵 数字波束形
成 DBF 均匀线阵
通过用机械、机电与电子方式改变阵列
天线单元辐射信号的相位，实现天线波束指向
的技术，在雷达发展初期即已为人所知，但是
真正的发展则是从冷战开始，国际形势的紧张、
大型战略相控阵雷达研制成功、良好的应用效
果以及成本的降低等，极大的促进了相控阵技
术的发展。
1 相控阵雷达技术简介及优势
用电子控制方法，实现天线波束指向在
空间转动或扫描的天线称为电扫描天线，也即
相控阵天线。
相控阵雷达具有天线波束快速扫描能力、
天线波束形状的捷变能力、空间功率合成能力、
天线与雷达平台的共性能力、多波束形成能力、
空域滤波与空间定向能力等相较于传统机械扫
描雷达的明显优势。
2 均匀线阵波束形成理论
假定某单个辐射源在远场区P 点的电场
强度为：
式中，R 为天线单元至测试点距离；λ为电磁波长；为天线单元辐射方向图；I 0
为复振幅。
辐射源为多个阵元组成的阵列时，在远
区某测试点的总场强E 应用叠加定律可以认为
是线阵中N 个辐射单元在测试点的辐射场强
之和，有：式中，I i 可表示为，其中，为加权
系数；为均匀线阵中相邻天线单元之间的
馈电相位差。若各天线单元方向图相同，则总场强为：
相控阵空管二次雷达数字波束形成方案
文/杨见1 谭威2，式中，d 为均匀天线阵列单元间距，而r i 与r 0之差与雷达至观测点距离相比较小，对场强E 的影响可以忽略不计，则可以进一步简化为： ，为波束的最大指向。当指向法相时，。则上式可继续简化为： 由此可知，辐射场中某点的合成场强为所有天线单元方向图与阵列因子的乘积之和。天线单元的方向图在天线生产完毕后就已确定，故只需通过控制阵列因子也即下文的网络加权系数即可实现辐射场中合成波束的形成。3 加权网络系数为获得所需的天线副瓣电平，阵列中各天线单元的激励电流的幅度应按一定的照射函数进行加权；对采用数字式移相器的相控阵天线，在正常波束扫描要求的波束控制信号之外将相位加权控制信号加到阵列中某些单元的移相器上，改变阵列各天线单元激励电流的相位，同时，它可以用于降低有源相控阵天线的副瓣，允许每一个数字T/R 组件例的功率放大器具有相同的输出功率电平，而无须采用具有多种输出功率电平的放大器 。故加权网络系数的第一部分为形成理想波束的阵列加权值。如15个通道的二次雷达和通道发射加权序列如图1所示。相控阵天线馈线网络的每一个天线单元通道中，传输信号的幅度与相位应保持一致，以保证相控阵天线的性能。为了满足这一要求，必须对相控阵天线的馈线网络中个通道内信号传输过程中产生的幅度与相位进行测量与调整。因此网络加权系数第二部分则是保证通道初始状态幅相一致的补偿参数，即通过幅相校准采集的试验数据。第三部分则是在通过初始幅相补偿后，在微波暗室采集合成波束畸变修正数据。经过理论加权序列对天线阵列传输信号进行加权后，各个通道在实际空间中辐射形成的合成波束会存在一定程度的畸变，而通过重复多次采集数据、修正、验证的过程，最终获取形成的理想波束的补偿数据。三部分的网络加权系数相结合完成对发射/接收数据进行加权，最终实现辐射信号的波束合成。如图2所示。4 空管二次雷达数字波束形成4.1 发射波束形成空管二次雷达发射波束包括辐射询问信号的和波束以及用于旁瓣抑制的控制波束。和波束主要将能量集中与主瓣，同时需对波束宽度进行适当控制，而控制波束则是用于询问旁瓣抑制，合成的波束为等幅同相的胖波束，故两者的区别在于理论加权系数序列的不同。由于和通道辐射的波束包含P1、P3脉冲，控制通道辐射波束为P2脉冲，3两组脉冲由于不是在同一时刻辐射，故通过同一组阵列天线进行分时复用即可实现一组天线阵列辐射两个不同类型波束的目的。4.2 接收波束形成相控阵雷达相对于传统机械雷达优势更为明显的一点，即同一组天线接收的数据通过调用不同的接收加权参数即可实现多个接收波束的合成，每个波束的形成都是独立并行且互不干扰的。这在二次雷达领域的和接收波束、控制接收波束、差接收波束的形成上得到充分的应用。图3 即为空管二次雷达和通道数据经过接收波束合成后产生的正交数据。参考文献[1]相控阵雷达原理.张光义[M].国防工业出版社,2014.[2][美]BassemR.Mahafza 等著.雷达系统设计MATLAB 仿真[M].中国工信集团出版社/电子工业出版社
,2011.
作者简介
杨见（1985-），男，湖北省利川市人。研究方向为数字信号处理。谭威（1982-），男，四川省中江县人。研究方向为电子信息。作者单位1.四川九洲空管科技有限责任公司 四川省绵阳市 621000
2.驻某单位军代室 四川省绵阳市 621000
图1：和通道发射幅度加权序列/相位加权序列图3：空管二次雷达和通道经过合成后的正交数据（包含应答信号序列）图2：修正前后合成波束示意图
第四章智能天线自适应波束成形算法简介 4.1 引言 智能天线技术作为一种新的空间资源利用技术，自20世纪90年代初由一些学者提出后，近年来在无线通信领域受到了人们的广泛关注。它是在微波技术、自动控制理论、数字信号处理(DSP)技术和软件无线电技术等多学科基础上综合发展而成的一门新技术。智能天线技术从实质上讲是利用不同信号在空间上的差异，对信号进行空间上的处理。与FDMA,TDMA及CDMA相对应，智能天线技术可以认为是一种空分多址SDMA技术，它使通信资源不再局限于时域、频域和码域，而是拓展到了空间域。它能够在相同时隙、相同频率和相同地址码情况下，根据用户信号在空域上的差异来区分不同的用户。智能天线技术与其它通信技术有机相结合，可以增加移动通信系统的容量，改善系统的通信质量，增大系统的覆盖范围以及提供高数据率传输服务等。 4.2 智能天线技术及其优点 智能天线，即具有一定程度智能性的自适应天线阵，自适应天线阵能够在干扰方向未知的情况下，自动调节阵列中各个阵元的信号加权值的大小，使阵列天线方向图的零点对准干扰方向而抑制干扰，增强系统有用信号的检测能力，优化天线方向图，并能有效地跟踪有用信号，抑制和消除干扰及噪声，即使在干扰和信号同频率的情况下，也能成功地抑制干扰。如果天线的阵元数增加，还可以增加零点数来同时抑制不同方向上的几个干扰源。实际干扰抑制的效果，一般可达25--30dB以上。智能天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个移动用户，同时抑制来自窄波束以外的干扰信号和噪声，使系统处于最佳的工作状态。 智能天线利用空域自适应滤波原理，依靠阵列信号处理和数字波束形成技术发展起来，它主要包括两个重要组成部分，一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角(DOA)估计，并进行空间滤波，抑制其它移动台的干扰；二是对基站发送信号进行数字波束形成，使基站发送信号能够沿着移动电波的到达方向发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其它移动台的干扰。在普遍采用扩频技术的CDMA系统中，采用智能天线的优势主要体现在以下几个方面： 1) 提高了基站接收机的灵敏度 基站接收到的信号，是来自各天线单元和收信机接收到的信号之和，如果采
南京理工大学电光学院通信工程系 Nanjing University of Science and Technology Department of Communication Engineering 数字波束形成与智能天线 盛卫星 南京理工大学电光学院通信工程系 Nanjing University of Science and Technology Department of Communication Engineering 数字波束形成与智能天线 第一章引言 DBF and Smart Antennas Nanjing University of Science & Technology Sheng Wei Xing 2004.03.03引言 1.1 数字波束形成与智能天线发展的简史 1.2 移动通信中与雷达中的智能天线的异同 DBF and Smart Antennas Nanjing University of Science & Technology Sheng Wei Xing 2004.03.03 1.1 数字波束形成与智能天线发展的简史 数字波束形成与智能天线的概念来源于军事上雷达和声纳所采用的自适应阵列天线，目的是为了自适应地控制天线波束的主瓣使其对准目标，控制天线波束的零陷，使其对准干扰源，从而可以在强干扰环境下有效地发现和探测目标。 自适应天线阵列的概念自1959年由Van Atta 提出以来，到目前已经经历了四十多年的发展历程，大体上可划分为四个阶段： 第一个十年的研究集中在自适应波束控制上（六十年代）。如：自适应相控阵列天线，自适应波束控制天线等 z 50年代，美国出于卫星通信增强信号的需要，开始研究最初意义上的自适应天线。 z 1964年5月，IEEE Trans. on AP 第一次出版自适应天线专辑，总结了主波束自适应控制阶段的发展。 1.1 数字波束形成与智能天线发展的简史 第三个十年的研究主要集中在空间谱估计上（八十年代）。如：最大似然谱估计，最大熵谱估计，特征空间正交谱估计等 z 1986年3月，IEEE Trans. on AP 第三次出版自适应天线专辑，总结了DOA 估计的空间谱估计阶段的发展。 z 在八十年代，自适应天线阵从理论研究进入了广泛应用阶段，但主要限于雷达和声纳领域。 第二个十年研究集中在自适应零陷控制上（七十年代）。 如：自适应滤波，自适应调零与旁瓣对消，自适应杂波控制等。 z 1976年9月，IEEE Trans. on AP 第二次出版自适应天线专辑，总结了零向自适应控制阶段的发展。 1.1 数字波束形成与智能天线发展的简史 最近十年的研究主要集中在： z 1. 结合移动通信的智能天线的实现技术上（九十年代至今） 时隙、频率资源复用，码分多址导致同频干扰，成为制约通信容量的重要因素。现在的移动通信系统中采用的天线是全向天线，主要是为了确保与各个方向的用户都能通信。智能天线能根据信号的来波方向，自适应地调整天线方向图，形成一个窄的主波束对准用户，其它方向副瓣很低。这样可以增强用户信号，抑制干扰，提高信干比，增加通信系统容量。同时还可以降低发射功率，提高通信覆盖范围。同时多波束时，又称SDMA , 空分多址，大大增加通信系统容量。 移动通信得到了迅猛的发展，一方面，用户数量急剧增加，另一方面，移动业务主要由原来窄带的话音业务，向宽带的多媒体业务扩展。导致无线频谱资源日趋紧张，现在应用的多址方式包括： TDMA(时隙上错开) FDMA （载波频率上错开）, CDMA （码分多址）。
波束赋形算法研究包括以下几个方面: 1.常规的波束赋形算法研究。即研究如何加强感兴趣信号,提高信道处理增益,研究的是一 般的波束赋形问题。 2.鲁棒性波束赋形算法研究。研究在智能天线阵列非理想情况下,即当阵元存在位置偏差、 角度估计误差、各阵元到达基带通路的不一致性、天线校准误差等情况下,如何保证智能天线波束赋形算法的有效性问题。 3.零陷算法研究。研究在恶劣的通信环境下,即当存在强干扰情况下,如何保证对感兴趣信 号增益不变,而在强干扰源方向形成零陷,从而消除干扰,达到有效地估计出感兴趣信号的目的。 阵列天线基本概念（见《基站天线波束赋形及其应用研究_ 白晓平》） 阵列天线（又称天线阵）是由若干离散的具有不同的振幅和相位的辐射单元按一定规律排列并相互连接在一起构成的天线系统。利用电磁波的干扰与叠加，阵列天线可以加强在所需方向的辐射信号，并减少在非期望方向的电磁波干扰，因此它具有较强的辐射方向性。组成天线阵的辐射单元称为天线元或阵元。相邻天线元间的距离称为阵间距。按照天线元的排列方式，天线阵可分为直线阵，平面阵和立体阵。 阵列天线的方向性理论主要包括阵列方向性分析和阵列方向性综合。前者是指在已知阵元排列方式、阵元数目、阵间距、阵元电流的幅度、相位分布的情况下分析得出天线阵方向性的过程；后者是指定预期的阵列方向图，通过算法寻求对应于该方向图的阵元个数、阵间距、阵元电流分布规律等。对于无源阵，一般来说分析和综合是可逆的。 阵列天线分析方法 天线的远区场特性是通常所说的天线辐射特性。天线的近、远区场的划分比较复杂，一般而言，以场源为中心，在三个波长范围内的区域，通常称为近区场，也可称为感应场；在以场源为中心，半径为三个波长之外的空间范围称为远区场，也可称为辐射场。因此，在分析天线辐射特性时观察点距离应远大于天线总尺寸及三倍的工作波长。阵列天线的辐射特性取决于阵元因素和阵列因素。阵元因素包括阵元的激励电流幅度相位、电压驻波比、增益、方
论雷达技术的发展与应用及未来展望 摘要:雷达是用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置的装置。雷达的发展与使用过程，正是电子技术在军事中应用的缩影，而雷达的未来，更与电子技术息息相关。本文介绍了雷达的发展与应用的历史，重点介绍了相控阵雷达与激光孔径雷达两类雷达的原理与特点，并指出雷达的弱点及未来发展方向 关键词：雷达；发展；实战应用；种类；弱点；未来
雷达主要用于对远距离物体的方位、距离、高度做精确检测，可以说是现代军事电子技术的代表。随着不断的发展，雷达在战区的警戒、各种新式武器威力的发挥、协同作战的指挥中的地位愈发重要。 1雷达的发展与应用 雷达的基本工作原理是靠发射探测脉冲和接受被照射目标的回波发现目标。百年的时间里，随着新技术的发展和应用，雷达也在不断发展。 1.1雷达的发展史 下面是雷达出现前夜相关理论的一系列突破： 1842年多普勒（Christian Andreas Doppler）率先提出利用多普勒效应的多普勒式雷达。1864年马克斯威尔（James Clerk Maxwell）推导出可计算电磁波特性的公式。 1886年赫兹（Heinerich Hertz）展开研究无线电波的一系列实验。 1888年赫兹成功利用仪器产生无线电波。 1897年汤普森（JJ Thompson）展开对真空管内阴极射线的研究。 这些与电磁波相关的科技是雷达的最基本理论。1904年克里斯蒂安?豪斯梅耶（Christian Hulsmeyer）宣称他的“电动镜”可以传输音频，并能够接受到运动物体的回应。可以说，就是这位德国人奠定了这项技术。然而，在一战期间，德国军官们所注意的是无线电通讯。接下来雷达的出现就显得顺理成章了。1933年，鲁道夫?昆德（Rudolf Kunhold）提出毫米波长可能可以探测出水面船只及飞船的位置。两年后，威廉?龙格（Wilhelm Runge）已经能够根据飞机自身所发出的信号计算出50公里以外的飞机位置所在，即使是在夜晚或者有雾的时候。 第二次世界大战中的不列颠战役成为雷达正式登场的舞台。法国的迅速陷落，使希特勒有理由相信只需通过空袭便能征服英国。在这一大规模的空战中，纳粹德国空军拥有的飞机数量远远超过了英国皇家空军——2670架对1475架。而英国在雷达方面有优势。1936年1月英国W.瓦特在索夫克海岸架起了英国第一个雷达站。1938年，为保卫英格兰，用七部雷达组成"Chain Home"雷达网，雷达频率30兆赫。雷达网使德国轰炸机还没到达英吉利海峡即被发现，英国也因此取得了英伦空战的胜利。这场胜利也是第二次世界大战中较大的转折点之一。 之后四十年人们更加意识到雷达的重要作用，雷达也因此得到了不断发展，也分出了不同种类。本节余下部分将有选择地概括各个年代的重大进展。 1.1.1四十年代 四十年代初期(在二次大战期间)，由于英国发明了谐振腔式磁控管，从而在先驱的VHF雷达发展的同时，产生了微波雷达发展的可能性。它开拓了发展L波段(23q厘米波长)和S波段(10厘米波长)大型地面对空搜索雷达和X波段(3厘米波长)小型机载雷达的美好前景。1941年苏联最早在飞机上装备预警雷达。两年后美国麻省理工学院研制出机载雷达平面位置指示器，预警雷达。时至今日，雷达已成为各式飞机不可缺少的组成部分，是实施精确打击和自身防护的必要手段。 1.1.2五十年代 五十年代标志着雷达进入第二代。它在前两个十年发展的基础上扩展了工艺技术。雷达理论在此时也有了很大的进展。雷达理论的引入是雷达设计具有比以往更扎实的基础，使工程经验更具有信赖性。这个时期所发明的雷达理论概念如匹配滤波器、模糊函数、动目标显示理论已经被广大雷达工程师应用。 1.1.3六十年代 六十年代的标志是大型电控相控阵的出现以及六十年代后期开始的数字处理技术。相控阵雷达将在1.2.1中具体介绍。六十年代后期，数字技术的日益成熟引起了雷达信号处理的革命。
摘要 随着高速、超高速信号采集、传输及处理技术的发展,数字阵列雷达已成为当代雷达技术发展的一个重要趋势。数字波束形成(DBF)技术采用先进的数字信号处理技术对阵列天线接收到的信号进行处理,能够极大地提高雷达系统的抗干扰能力,是新一代军用雷达提高目标检测性能的关键技术之一。并且是无线通信智能天线中的核心技术。 本文介绍了数字波束形成技术的原理，对波束形成的信号模型进行了详细的推导，并且用matlab仿真了三种计算准则下的数字波束形成算法，理论分析和仿真结果表明以上三种算法都可以实现波束形成，并对三种算法进行了比较。同时研究了窄带信号的自适应波束形成的经典算法。研究并仿真了基于最小均方误差准则的LMS算法、RLS算法和MVDR自适应算法，并且做了一些比较。 关键词：数字波束形成、自适应波束形成、智能天线、最小均方误差、最大信噪比、最小方差
ABSTRACT With the development of high-speed, ultra high-speed signal acquisition, transmission and processing technology, digital array radar has became an important trend in the development of modern radar technology. Digital beamforming (DBF) technology uses advanced digital signal processing technology to process the signal received by antenna array. It can improve the anti-jamming ability of radar system greatly and it is one of the key technology。It is the core of the smart antenna technology in wireless communication too。 This paper introduces the principle of digital beam forming technology, the signal model of beam forming was presented, And the digital beam forming algorithm under the three calculation criterion was simulated by MATLAB, theoretical analysis and simulation results show that the three algorithms can achieve beamforming, and made some comparison between the three algorithms. At the same time, made some study about the adaptive narrow-band signal beam forming algorithm. Learned and Simulateded the LMS algorithm base on minimum mean square error criterion and RLS algorithm and MVDR algorithm, and do some comparison Key Words:DBF, ADBF, Smart antenna, The minimum mean square error, The maximum signal to noise ratio
现代电子技术Modern Electronics Technique 2014年4月1日第37卷第7期Apr.2014Vol.37No.70引言数字波束形成（DBF ）是在相控阵天线波束形成原 理的基础上，引入先进的数字信号处理方法而建立起来 的一门新技术，其基本原理与相控阵天线类似，都是通 过控制阵列天线每个阵元激励信号的相位产生方向可 变的波束[1?2]。数字波束系统由于波束扫描的速度更快， 控制灵活，便于实现各种复杂功能，近年来在测控领域 应用也越来越广泛[3?4]。 通过对阵列天线各通道数字相位加权实现数字波 束成形与控制是一种常用的方法，然而对于测控或通信 系统而言，相位加权波束成形存在失真，对这种失真影 响进行研究和分析，对于数字波束成形在测控系统中的 应用具有重要意义。1相位波束成形原理 阵列天线的布阵形式多种多样，其中均匀直线阵是 相控阵系统中一种最常见的阵列形式，如图1 所示。 图1均匀直线阵数字波束相位成形的基本原理是通过给阵列天线中每个单元天线按照一定规律相位加权，阵列单元在空间中辐射信号相干叠加，形成具有特定指向的波束[5?6]。设各辐射元为无方向性的点辐射元，其中相邻阵元间距为d ，阵元数为N 。阵列天线采用等幅馈电时，为使 合成波束指向θ0方向，可在每个辐射源中附加一个相 位，设各阵元附加相移分别为0，?，2?，…，(N -1)?，其中?=2πd sin θλ。在相对阵轴法线的θ方向上，两阵元波程差引起的相位差为ψ=2πd sin θλ。N 个阵元在θ方向远区某点辐射场的矢量和数字波束相位成形失真分析 汪沛 （中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081）摘要：数字波束系统中，通常采用相位加权实现波束成形，但这种方式对具有一定带宽的调制信号而言是存在失真的。为了研究这种失真对典型数字通信的影响，首先建立了一维线性均匀加权直线阵数字波束成形模型，介绍了这种阵列天线相位波束成形的原理，随后结合BPSK 调制信号，对数字波束相位成形过程进行推导，获得相位成形波束接收信号数学表达式。通过分析表明对于BPSK 调制信号而言，相位波束成形会引入码间串扰，并且串扰影响随着阵列规模增大、信息速率提高、波束扫描角度增大而加剧。 关键词：相位波束成形；调制信号失真；时延；能量损失 中图分类号：TN014?34文献标识码：A 文章编号：1004?373X （2014）07?0053?03 Distortion analysis of digital beam phased forming WANG Pei （The 54th Research Institute ，China Electronics Technology Group Corporation ，Shijiazhuang 050081，China ）Abstract ：In digital beam systems ，the beam forming is realized by phased weighting mechanism ，but for modulation sig?nal with wide?bands ，the distortion may arise.To research the influence of this kind of distortion on typical digital communica?tion ，a model of digital beam systems with ne?dimensional liner homogeneous weighting is established ，and the mechanism of phased weighting digital beam forming is introduced.The forming process of the digital beam phased is deduced in combination with BPSK modulated signal ，and the mathematical expression is obtained.Through analysis it is proved that for BPSK modulated signal ，the inter?symbol interference would be brought into phase beam forming ，the influence of which is increasing with the en? largement of array size ，the enhancing of the information rate and increasing of beam scanning range.Keywords ：beam phased forming ；modulation signal distortion ；delay ；energy loss 收稿日期：2013?12?2453
GPS伪卫星理论、设计与应用" 作者斯图尔特﹒科布 出版中国科学技术出版社/ 2005-08-01 定价￥25.00 详细介绍…… 伪卫星(地基发射机)可以在几秒钟内初始化载波一相位差分GPS(CDGPS)导航系统来达到实时动态 定位小于1cm(1盯)的精度。以前的CDGPS系统已极少使用，因为累赘的初始化过程长达30分钟，而通 过伪卫星来初始化载波一相位整周模糊度则消除了这个制约因素。本文将叙述用于CDGPS应用的经过优 化设计的伪卫星，其费用比以前的伪卫星减少了两个数量级。 本文也对从全球定位系统(GPS)卫星获得定时的同步伪卫星进行了介绍。同步伪卫星可以替代CDGPS参 考站和数据链，同时也可以初始化CDGPS导航，即使在只有一颗GPS卫星的信号可用的情况下，通过 适当放置一组同步伪卫星也能使CDGPS导航。 本文设计了一种由伪卫星和同步伪卫星来实现初始化的CDGPS系统的原型，并对其开展了试验。该系统 称为完好信标着陆系统(IBLS)，其目标是在恶劣的天气为飞机着陆提供精确和可靠的导航。得到了该系统 的飞行试验结果，包括由IBLS控制的波音(Boe。i。g)737客机的1lO次全自动着陆的结果。 本文还介绍了现有伪卫星的应用情况，包括室内导航实验的GPS星座仿真；研制了同步伪卫星导航算法并 对其进行了分析；提出了伪卫星和同步伪卫星的新的应用；给出了关于远一近问题的理论和实际工作等。 GPS伪卫星发射器的设计与实现 2006年硕士学位论文 【中文摘要】: 全球定位系统(GPS)可以向全球用户提供位置、速度和时间信息,在航空 航天、海上及陆地等许多领域,特别是军事领域得到了广泛的应用,成为 一种主要的导航手段。但是GPS系统的高精度、可靠性和完好性等诸多 优越性能都依赖于跟踪的可视卫星的数量及卫星的几何分布情况。GPS 卫星在受遮挡的情况下很难发挥作用,在一些特殊地区如矿区、隧道、室 内和地下,这些地方由于视野不开阔或无法接收到GPS信号,满足不了定 位要求。伪卫星是解决这些问题的一条有效途径,利用伪卫星能够增加可 见星的数目并改善其几何图形分布。本文研究伪卫星增强GPS定位技术。 首先综述了卫星导航系统的发展、现状及存在的问题,介绍了GPS伪卫星 的发展历史。针对伪卫星发射器设计与实现,详细研究了伪码扩频通信技 术,分析了m序列的构成及性能、伪卫星信号C/A码的构成、导航电文的 格式及内容,给出了GPS伪卫星的几种基本的定位模式。在理论研究和分 析的基础上,设计了基于GPS信号的伪卫星发射器。系统采用单片机和嵌 入式C语言实现了导航电文,用VHDL语言与CPLD芯片完成了C/A码的设 计以及与导航电文叠加的合成码设计,用BPSK调制方式将合成码调制到 载波上... GPS卫星导航能力最重大的改进将从2003年发射洛克希德·马丁首批ⅡR-M(修改的ⅡR)卫星开始。ⅡR-M卫星将发射增强的L1民用信号，同时发射新的L2民用信号和军用码（M码）。进一步的改进将从发射波音ⅡF批次卫星的2005年开始，ⅡF批次卫星除发射增强的L1、L2民用信号和M码外，将在1176.45兆赫增加第3个民用信号（L5）。在ⅡF发射以前，M码将
3.5 两种特殊的波束形成技术 3.5.1协方差矩阵对角加载波束形成技术 常规波束形成算法中，在计算自适应权值时用XX R ∧ 代替其中的X X R 。由于采样快拍数是有限的，则通过估计过程得到的协方差矩阵会产生一定误差，这样会引起特征值扩散。从特征值分解方向来看，自适应波束畸变的原因是协方差矩阵的噪声特征值扩散。自适应波束可以认为是从静态波束图中减去特征向量对应的 特征波束图，即:m in 1 ()()( )()(()())N i V V iv iv V i i G Q E E Q λλθθθθθλ* =-=-∑,其中()V G θ是 是自适应波束图，()V Q θ是静态波束图，即没有来波干扰信号而只有内部白噪声时的波束状态。i λ是矩阵X X R 的特征值。()iv E θ是对应i λ的特征波束图。 由于X X R 是 Hermite 矩阵，则所有的特征值均为实数，并且其特征向量正交，特征向量对应的特征波束正交。而最优权值的求解表达其中的X X R 是通过采样数据估计得到的，当采样快拍数很少时，对协方差矩阵的估计存在误差，小特征值及对应的特征向量扰动都参与了自适应权值的计算，结果导致自适应波束整体性能的下降。鉴于项目中的阵列形式，相对的阵元数较少，采样数据比较少，很容易在估计协方差矩阵的时候产生大的扰动，导致波束的性能下降，所以采用对角加载技术来保持波束性能的稳定及降低波束的旁瓣有比较好的效果。 （1）对角加载常数λ 当采样数据很少时，自适应波束副瓣很高，SINR 性能降低。对因采样快拍数较少引起自相关矩阵估计误差而导致的波束方向图畸变，可以采用对角加载技术对采样协方差矩阵进行修正。修正后的协方差矩阵为:XX XX R R I λ∧ =+ 。 自适应旁瓣抬高的主要原因是对阵列天线噪声估计不足，造成协方差矩阵特征值分散。通过对角加载，选择合适对角加载λ ，则对于强干扰的大特征值不会受到很大影响，而与噪声相对应的小特征值加大并压缩在λ附近，于是可以得到很好的旁瓣抑制效果。对于以上介绍的通过 LCMV 准则求得的权值o p t w 经过对角加载后的最优权值为：111()(())H opt XX XX w R I A A R I A f λλ---=++ （2）广义线性组合加载技术 对角加载常数λ 来修正采样协方差矩阵，能够有效实现波束旁瓣降低的同时提高波束的稳健性。但是对加载值λ 的确定有一定难度，目前还是使用经验值较多。于是，来考虑另外一种能够有效实现协方差矩阵的修正，而且组合参数
阵列雷达数字波束形成技术仿真与研究 【摘要】本文首先介绍了数字波束形成的基本原理，随后对普通波束形成及基于LCMV准则和MVDR准则的单多波束自适应形成技术分别进行了原理介绍和仿真分析。仿真结果表明，基于自适应技术的数字波束形成能有效提取有用信号，并在干扰方向上形成零陷，有效的抑制噪声和干扰，大大提高了阵列雷达的天线性能。 【关键词】阵列雷达；波束形成；自适应 1.引言 波束形成（Beam Forming，BF）[1]是指将一定几何形状排列的多元阵列各阵元的输出经过加权、时延、求和等处理，形成具有空间指向性波束的方法。BF技术的广泛应用赋予了雷达、通信系统诸如多波束形成、快速、灵活调整方向图综合等许多优点。阵列天线的波束形成可以采用模拟方式，也可以采用数字方式，采用数字方式在基带实现滤波的技术称为数字波束形成（Digital Beaming Forming，DBF），它是天线波束形成原理与数字信号处理技术结合的产物，是对传统滤波技术的空域拓展，在通信领域中也称为智能天线技术。 2.普通波束形成 2.1 普通波束形成的基本原理 要研究数字波束形成技术，首先要建立阵列信号的表示形式。假设接收天线为N元均匀线阵，阵元间的间隔为d，各阵元的加权矢量为W=[w1，w2，…，wN]，假设信号为窄带信号S（t），信号波长为，来波方向为，经过加权控制的阵列天线示意图如图1所示[2]。 图1 阵列天线波束形成示意图 若以阵元1为参考点，则各阵元接收信号可以写成： （1） （2） 将上式写成矢量形式，得： （3） 称为为方向矢量或导向矢量。在窄带条件下，它只依赖于阵列的几何结构和波的传播方向，因此，均匀线阵的导向矢量可表示为：
Industry Observation 产业观察 DCW 27 数字通信世界 2019.05 从1964年美国成立国际卫星通信组织（Intelsat ），并于次年发射第一颗商用通信卫星（“Early Bird ”）以来，卫星通信技术蓬勃发展，卫星通信作为地面通信的一种补充通信方式取得巨大的成功，卫星通信已经成为了人们生活中不可或缺的一部分。 1 V SAT 技术时代 在卫星通信技术早期，甚小孔径终端（VSAT ）解决了天线尺寸和成本对卫星通信发展的限制，这也决定了天线系统的基本拓扑结构是由一个大型中心站与大量小口径天线终端共同构成的一个星型网，通过中心站天线的高G/T 值来弥补小站天线因口径小所导致的链路余量不足的弱点。早期基于VSAT 的卫星通信系统是通信频段集中于L 、S 、C 波段的窄带通信系统。 随着技术进步和人民生活水平提高，对宽带卫星通信的需求应运而生。由于L 、S 、C 的频段带宽资源有限和日趋紧张，国外于上世纪八九十年代就开始了对Ka 频段宽带卫星通信技术的研究。2005年，美国Wild Blue 通信公司成功发射世界第一颗Ka 频段宽带通信卫星并试点应用，此后各国的Ka 频段宽带通信卫星开始向着系统容量更大、用户终端更小、业务速率更大的高通量方向发展。 2 多波束天线技术时代 由于VSAT 天线系统的灵活性不足，并且无法利用频率复用技术来提高频谱效率，卫星通信天线的发展已经转向多波束天线。多波束天线（Multiple Beam Antenna ）从2000年开始迅速发展，由于它能够实现高增益的点波束覆盖，又能在广域覆盖范围中实现频率复用，从而在卫星通信天线系统中得到广泛应用。 多波束天线与数字波束成形不同，它使用大量的点波束实现广域范围覆盖，可用带宽被分为很多个子波段，从而在大量空间独立的点波束之间可以实现每个子波段的复用，这与地面蜂窝通信网络相似，显著地增加了频谱利用率和卫星通信容量。多波束天线技术提高了转发器的功率使用效率和频谱资源利用率，是发展大容量卫星通信系统和增强卫星通信市场竞争力的关键技术，高通量通信卫星时代随之而来。 3 窄带卫星通信VS 宽带卫星通信VS 高通量卫星通信 从早期的窄带卫星通信系统实现基本的卫星通信，到Ka 宽带卫星通信以Ka 频段、大容量、提供宽带互联网接入为标志，开辟了卫星互联网接入的新业务，再到今日以多点波束和频率复用（可以在任何频段复用，目前大多采用Ka 频段）和高波束增益为标志的高通量通信卫星（HTS ，High Throughput Satellite ），通信容量通过分配频谱和频率的服用次数得到大幅度扩大，开启了卫星通信新纪元。 高通量卫星（HTS ）已成为宽带卫星通信的主流，高通量通信卫星在使用相同频率资源的条件下，大幅提升了容量并降低了单位带宽成本，单颗容量可达几十Gb/s 到上百Gb/s ，通信容量比传统通信卫星高数倍甚至数十倍。 4 市场主流卫星通信系统一览 卫星通信技术的发展和通信容量的需求促进了卫星通信从窄带走向宽带，又走向如今的高通量时代，卫星通信系统作为连接底层卫星天线和上层通信应用的重要环节，也在不断的发展演进，结合自己2016年和2017年两次参加中国卫星应用大会以及平常的关注，将当前市场上主流的卫星通信系统整理如下，个别系统资料不足，还需进一步完善。4.1 C omtech 的Heights 系统 2017年5月，Comtech EF Data 公布了Heights 动态网络接入（H-DNA ）技术的性能优势。通过H-DNA ，Heights 网络平台提高了卫星终端用户的体验质量。 Comtech 为Heights 网络平台的返回链路设计了H-DNA 。它为用户、服务提供商和卫星运营商带来了很多新的好处。新的波形、增强带宽管理算法和多级别服务质量（QoS ）的应用使得该返回链路接入方案能够自动响应实时流量需求，根据客户的服务水平协议和网络策略提供最佳的解决方案。 H-DNA 提供亚秒级响应时间来改变用户需求和链接条件，而且不会带来通常与其他返回链路接入技术相关联的过度抖动和延迟。另外，H-DNA 还采用了VersaFEC-2高性能低密度奇偶校验（LDPC ）波形、自适应编码和调制、动态功率控制、互联网协议优化、较低的帧开销、多级QoS 和WAN 优化，与同类的其他解决方案相比，它提供了最多的每赫兹用户IP 数据。 H-DNA 根据网络范围的需求分配容量，并确保随着需求的变化，为网络中的用户和站点即时提供带宽，还可以按照用户需求和服务协议级别，为用户分配所有可用带宽，以确保随时使用所有容量。4.2 C omtech 的ViperSat 系统 Viper sat 系统主站由570L 、564L/562L 以及VMS 、VCS 、VNO 服务器等组成，远端站由570L 、564L/562L 组成，带有网口，可以直接传输IP 数据。 Vipersat 的网管系统由VMS 服务器（1∶1热备份）、VMS 客户端、VCS 服务器和VNO 服务器。其出境TDM 载波，入境S-TDMA （自适应TDMA ）载波，其中TDM 载波为64kb/s ，S-TDMA 载波为128kb/s 。网络为星状网。 Vipersat 系统的业务传输采用的是dSCPC （动态SCPC ）载波，modem570L 会自动检测（根据QoS 、协议等）网口收到的数据，并根据需求向主站发送业务申请。主站收到业务申请后会通过TDM 载波发送配置参数，调整远端站（主-远端通信或者（远端-远端）的参数，建立2M 甚至以上的SCPC 通信连接。当通信结束后，modem570L 检测到网口没有收到类似数据时，向主站发送申请，主站通过TDM 下发配置参数，断掉SCPC 链路，远端站改为发S-TDMA 载波。 Vipersat 系统中使用的570L 采用的调制编码与纠错方式是DVB-S 体制，其调制方式为：B/SK/ QPSK/8PSK16QAM 等调制方式，前向纠错编码方式为TPC 、viterb 、RS 和TCM 码。4.3 S TE 的iDirect 系统 iDi rect 系统主站为插卡式设备，主要由电源板、调制板、 卫星通信系统汇总 任 政，陈 霁 摘要：本文综合介绍了各种卫星通信系统，阐述了卫星通信作为地面通信的一种补充通信方式取得巨大的成功，卫星通信已经成为了人们生活中不可或缺的一部分。 关键词：卫星通信系统；VSAT ；多波束；高通量doi ：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2019.05.015中图分类号：TN927+.2 文献标示码：A 文章编码：1672-7274（2019）05-0027-03
基于RLS算法自适应滤波器的设计 摘要 自适应滤波器是统计信号处理的一个重要组成部分。在实际应用中，由于没有充足的信息来设计固定系数的数字滤波器，或者设计规则会在滤波器正常运行时改变，因此需要研究自适应滤波器。凡是需要处理未知统计环境下运算结果所产生的信号或需要处理非平稳信号时，自适应滤波器可以提供非自适应方法所不可能提供的新的信号处理能力。而且其性能通常远优于用常方法设计的固定滤波器。 本文从自适应滤波器研究的意义入手，介绍了自适应滤波器的基本理论思想，具体阐述了自适应滤波器的基本原理、算法及设计方法。自适应滤波器的算法是整个系统的核心。对 RLS算法自适应滤波器做了详细的介绍，采用改进的RLS算法设计自适应滤波器，并采用MATLAB进行仿真，通过实验结果来体现该滤波器可以根据信号随时修改滤波参数，达到动态跟踪的效果，使滤波信号更接近于原始信号。 关键词：自适应滤波器，RLS算法，噪声消除，FIR
第1章绪论 1.1 课题研究意义和目的 滤波技术是信号处理中的一种基本方法和技术，尤其数字滤波技术使用广泛，数字滤波理论的研究及其产品的开发一直受到很多国家的重视。 对自适应滤波算法的研究是当今自适应信号处理中最为活跃的研究课题之一。Windrow等于1967年提出的自适应滤波系统的参数能自动的调整而达到最优状况，而且在设计时，只需要很少的或根本不需要任何关于信号与噪声的先验统计知识。这种滤波器的实现差不多像维纳滤波器那样简单，而滤波器性能几乎如卡尔曼滤波器一样好。自适应滤波器与普通滤波器不同，它的冲激响应或滤波参数是随外部环境的变化而变化的,经过一段自动调节的收敛时间达到最佳滤波的要求。自适应滤波器本身有一个重要的自适应算法，这个算法可以根据输入、输出及原参量信号按照一定准则修改滤波参量，以使它本身能有效的跟踪外部环境的变化。因此，自适应数字系统具有很强的自学习、自跟踪能力和算法的简单易实现性。 自适应滤波技术的核心问题是自适应算法的性能问题，提出的自适应算法主要有最小均方（LMS）算法、递归最小二乘（RLS）算法及相应的改进算法如：归一化（NLMS）算法、变步长（SVSLMS）算法、递归最小二乘方格形（RLSL）算法等。这些算法各有特点，适用于不同的场合。研究自适应算法是自适应滤波器的一个关键内容。递归最小二乘（RLS）算法是线性自适应滤波算法中最基本的两类算法之一，由于基于LMS准则的自适应滤波算法的收敛速度通常较慢，有些在调整过程种的延时也较大。为了克服LMS的算法，我们采用在每个时刻对所有已输入信号重估的平方误差之和最小这样的准则，即RLS算法。RLS算法复数乘法正比于2k，使其自适应速度更快。目前应用最多的是系统辨识、回波消除、自适应谱线增强、自适应信道均衡、语音线性预测、自适应天线阵等诸多领域。1.2 国内外研究发展状况 自适应滤波的基本理论通过几十年的发展已日趋成熟，近十几年来自适应滤波器的研究主要针对算法与硬件实现。算法研究主要是对算法速度和精度的改
导向矢量失配条件下的稳健自适应波束成形研究近年来数字天线阵列技术在现代国防军事工业、移动通信和声纳等领域发挥了越来越重要的作用。自适应波束成形作为数字阵列的核心技术,它的不断发展极大的推动了数字阵列的研究。 与数据独立型波束成形方法相比,自适应波束形成具有更高的分辨率和更强的干扰抑制能力,并且这些特性都是建立在期望信号导向矢量等信息精确已知的前提下。但是,与传统的相控阵一样,数字阵列在工作时,也面临了诸多误差因素的影响,例如,阵元间互耦、幅相误差、阵元位置误差等。 而一般的自适应波束成形方法对误差因素造成的导向矢量失配是比较敏感的。因此,近年来,大量的研究工作将重心放在了如何提高自适应波束形成器在导向矢量失配条件下的稳健性上。 本文在已有工作的基础上,研究了几种新的稳健自适应波束成形方法。本文首先在导向矢量的椭球不确定集基础上,以最小化误差敏感性为目标来设计稳健自适应波束形成器。 与传统的输出性能最佳化法相比,误差敏感性最小化法在导向矢量失配程度一定的前提下,对算法中导向矢量误差范数上界的取值不敏感。理论上,误差敏感性最小化法仍然属于基于导向矢量不确定集的稳健自适应波束成形。 但是,对于这一大类稳健波束成形方法来说,当参考导向矢量与实际的导向矢量之间的失配程度较高时,其输出信干噪比会出现较为明显的下降。接着,针对以上所述方法的输出性能在较大导向矢量失配度下出现下降的问题。 本文利用特征子空间分解定理构造了关于导向失配度的估计方程,并以这些方程为基础发展出了具有自适应可调误差半径的迭代稳健自适应波束成形技术。
在每一步迭代中都可以依据一定的准则估计出导向矢量不确定集的半径。 随后以该误差半径为基础,求解出相应的最优导向矢量,并将其作为下一步 迭代中使用的参考向量。该处理方法能够有效提高较大导向矢量失配度下自适应波束形成器的输出性能。 另一方面,该迭代搜索法也可被推广到椭球不确定集中。但是,以上的迭代处理法在改善稳健性的同时也增加了计算的复杂度。 所以,本文又提出了一类新的基于泰勒级数展开的迭代稳健自适应波束成形。该方法无需构建导向矢量的不确定集,其在输出性能和处理复杂度之间进行了一定的平衡。 最后,考虑到均匀矩形平面阵中阵元间互耦的对称性,本文进一步研究了具 有低互耦敏感度的稳健自适应波束成形。通过在均匀矩形面阵的四周添加若干层辅助阵元,可以在不构建导向矢量不确定集的前提下,也能够有效改善自适应波 束形成器的性能。 但是辅助阵元的引入也会造成在特定互耦系数条件下的空间谱估计中出现 盲角问题,该问题可以通过使用不维度的噪声子空间进行循环空间谱估计来解决。
通俗易懂的MIMO技术简介 MIMO概述 MIMO技术已经广泛应用在许多现代通信标准中，特别是消费领域。原因是相对于SISO，MIMO技术有很明显的优势。 MIMO是多路输入多路输出的意思，指的是当一个报文在发射端被一根或者多跟天线传输，而在接收侧被一根或者多根天线接收的情况。与之比对的是单输入单输出（SISO），SISO指发送和接收都用1根天线，而另外有种说法叫单输入多输出（SIMO），SIMO指发送用一根，接收有多根天线。 可能有人会对SIMO的输入和输出定义有点奇怪，其实这是因为当初在贝尔实验室最开始定义这个名称时，工程师在发送和接收侧都是分别测试的，而不是整个无线链路测试，因此他们把“IN”定义为发送功能，“OUT”定义为了接收，一直沿用至今。 什么是多天线技术？ 在发送和接收侧的多天线引入了信号自由度的概念，这在SISO系统是没有的。这里的自由度主要指的是空间自由度。这种空间自由度可以被定义三种，分别为“分集”，“复用”或者这两种的组合。 分集（diversity） 简单点来说，分集意味着重复：举个例子，多根天线接收同一个信号，就代表发射分集。由于每根天线在接收数据时也接收到了各自的噪声，但由于各个噪声的不相关性，合并多个天线信号能够消除部分噪声，从而得质量更好的信号。打个比方，如果从两个不同的方面来看同一个物件，那么得到的评价也会更可靠。需要说明的是，分集并不一定要多个接收天线才能实现，后面就会讲到，分集也可以使用多个发送天线通过空时编码（STC）技术来实现。空间复用（Spatial Multiplexing） 第二个主要的MIMO技术为空间复用，空间复用可以在不增加带宽和发送功率的情况下通过成对的MIMO发送、接收来增加系统吞吐量。空间复用增加的吞吐量与发送或接收
相控阵雷达数字波束形成的实现 王涛[1][2]雷宏[1] （（1）中国科学院电子学研究所北京 100080；（2）中国科学院研究生院北京 100080）摘要：数字波束形成系统是现代雷达一个重要的组成部分。相控阵天线通过它可以实现自适应波束、低旁瓣波束，并通过对移相器、衰减器的控制实现波束扫描。本文介绍的数字波束形成系统充分利用现有的硬件技术，实现了雷达在多种工作模式下的波束实现及控制要求。 关键词：、数字波束形成（DBF）、相控阵天线、雷达 Realize Digital Beam Forming in Phased Array Radar Wangtao1,2Leihong1 (1 Institute of Electronics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China； 2 Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China) Digital Beam Forming is a important part of modern radar. Equipted with it,phased array radar could have Adaptive beam, lower Side-lobe beam and beam scanning. This paper present a DBF system which can realize the request of multi-mode working state of phased array radar. 一 引言 目前，有源电扫阵列雷达已像探测传感器王冠上的宝石，正在成为各种飞机、卫星上的装备。而有源相控阵天线要发挥它的威力，数字波束形成系统则是必不可少的组成部分。数字波束形成系统可以实现雷达所需的低旁瓣、自适应波束，还可以校正因天线的稳定性而带来的误差。本文介绍一种采用DSP＋ARM 方式实现的雷达数字波束形成系统。该系统灵活、可靠性高、扩展性好。 二 数字波束形成系统的硬件方案设计 2.1方案综述 数字波束形成系统作为雷达天线的组成部分，不但要满足雷达的基本工作要求，而且必须具有强大的功能，快速的响应能力，此外，由于它安装在天线平台上，所以必须在恶劣条件下稳定、可靠的工作。因此，数字波束形成系统的设计要求体现在以下几个方面： 功能强大。不同工作模式对于波束控制的要求不同，系统必须具备强大的功能为不同的工作模式服务。 较快的响应能力、高效的处理能力。波束控制系统必须能够快速地处理来自监控主机的命令，实现波束的快速切换和对相控阵工作状态的监测，并且能够及时地向系统主机发送报告。 较高可靠性和较强电磁兼容性。由于系统安装在飞机或卫星上，其工作环境比较恶劣，为保证系统稳定、可靠的工作，系统必须具备较高可靠性和较强电磁兼容性。 体积小，扩展性好。尽可能的采用小体积，同时在保证系统基本功能正常的前提下，为潜在的系统升级预留资源和功能扩展的空间，这样才能保证在不同阶段和不同的对抗背景下系统始终处于优势。 2.2 硬件原理设计 根据以上系统总体设计思想，数字波束形成系统的硬件设计采用二级结构：主系统＋锁存驱动子系统的方式。主系统接收监控计算机的工作模式、波束指向角、偏流角等命令；通过内置的软件完成波束的求解，得到天线移相单元需要的移相码。锁存驱动子系统则接收主系统的移相码，锁存并对移相器驱动输出。因此，设计内容包括两部份：主系统的设计、锁存驱动子系统的设计。 数字波束形成主系统包含功能模块有：CPU模块、SDRAM模块、系统自举功能模、DC/DC变换功能模块、RS232接口模块、CPLD模块。其中，其核心器件选用的是功能高度集成的双CPU处理器TMS320VC5470[3]，它集成了一个基于TMS320C54x核的DSP子系统和一个基于ARM7TDMI核的MCU （它是一种低功耗的32位RISC处理器）微处理器子系统。DSP模块内包含72 K×16位的SRAM，一个定时器，一个DMA控制器，一个外存储器接口和2个多通道缓冲串口；MCU内包括3个定时器、通用I/O 口、SPI口、UART口和一个外存储器接口。在设计中，DSP主要负责数字波束运算，MCU则负责整个波