抗干扰-阵列信号处理88页PPT

第一章
绪论
信号处理研究的内容
信号处理主要 研究方向
从复杂环境中 提取有用信号
由检测到的信号中 提取信息
信号处理的发展
起源于17世纪 50年代前期 分离元件 速度低 体积大 可靠性差
速度高 体积小 可靠性高
60年代后期 集成电路
信号处理的发展
信号处理前期
信号处理后期
时域信号处理 （一维）
图像处理
特点： 与时间频率相对应，反映相位在空间的变化； 其值为：
v k = 2π / λ
是矢量函数，与方向有关； 与波长成反比； 是传播媒质的函数； 也称为相位常数；
慢矢量： 慢矢量： v v 定义 α = k / ω 示为：
，则波动方程的解可以表
v v v s( x, t ) = A exp[ jω(t − α ⋅ x )]
2 y
+ k
2 2
2 z
c
2.8
则波动方程有解，且其解为：
s ( x, y, z , t ) = A exp[ j (ωt − k x x − k y y − k z z )]
平面波定义： 在任意时刻 t ，在一个平面内 0 即， C为常数。 理论上真正的平面波不存在。 单频的平面波可以表示为：
v s( x , t 0 )
波束形成；
窗函数； 阵列的形成； 数字波束形成等；
阵列处理方法；
抗干扰； 超分辨；
空间目标参数的获取和估计； 两大类： 空间滤波； 空间谱估计；
阵列信号处理的主要目的： 1）增加信噪比 空间采样； 空间滤波； 2）利用阵列信号处理，对波源的个数、传播 方向、位置等参数进行估计。 3）对运动目标进行跟踪。
v s( x , t ) =

其中： SNRomni——接收机入口处的信噪比
CBlo(g 1SNR ) C——信道容量：bps B——接收机2 带宽：Hz
Omni
;.
25
波束成形天线示意图 天线阵的各个单元间距小于/2
发送波束成形
接收波束成形
;.
26
多天线系统的信道容量（2）
波束成形天线系统：将发射功率相等的分配到M个全向发射天线上，M个 全向收、发天线采用相位波束成形技术，则信道容量为：
;.
为什么要进行阵列信号处场的有用特征，获取信号源的属性等信息。 改善蜂窝和个人通信服务系统质量、覆盖范围和容量的强有力的工具。
研究兴趣：将接收天线阵列用于反向连接（客户到基站）
;.
;.
来看两个阵列在天线方面的应用
智能天线阵 分布多天线阵
智能天线阵 ;.
;.
29
多天线系统的信道容量比较
;.
30
传输环境对天线系统的影响
MIMO与波束成形天线的频谱效率 （[4,6]，SNR=10dB,中断率 10% ）
15
d
频谱效率 b/s/Hz
CBe a m sBlo2g(1M2SNORm)n i SN足 R 够B大 {2lo2g(M.SNORm}ni
;.
27
MIMO天线系统示意图
独立信道
天线阵
天线阵2
;.
28
多天线系统的信道容量（3）
如果发射功率分散到M个独立的信道中，并且各个信道具有相同的路径 损耗，则信道容量为：
CMIMOMlBo2g(1SNORm)ni S N足 R 够M 大{Blo2(gSNORm}n i
;.
平面波与阵列 天线应具有方向性——定向发射和接收 采用阵列天线——易于控制波束 阵列处理的对象——空间信号

阵列信号处理
2. 阵列信号协方差矩阵分解 阵列信号协方差矩阵R=E[XXH]可以写作
R
E[ x1 x1 ] E[x2 x1]
E[ x1 x2 ] E[x2 x2]
E[ x1 xM E[x2 xM
] ]
E[
xM
x1
]
E[xM x2]
E[
xM
xM
]
(7.1.11)
这是一个Hermitian方阵，则其特征分解为
di l c
1 c
( xi
sin
cosj
yi
cos
cosj
zi
sinj )
(7.1.4)
通常情况下，考虑空间有N个独立远场窄带信号入射到
M个阵元的阵列上，且有零均值高斯白噪声n(t)，可以得到
阵列的输出为
x1(t) exp( j2πf011)
x2 (t
)
exp(
j2πf0
21 )
UHRU=Σ
(7.1.13)
将R=ARSAH+σ2I代入上式，可得
UH(ARSAH+σ2I)U=Σ 而酉矩阵U满足UHU=I，因此
(7.1.14)
UHARSAHU=Σ－σ2I
(7.1.15)
由上面的分析可知，Σ可分为两部分: 一是与信号对应
的大特征值，由ARSAH和RN提供；二是与噪声对应的小特征 值σ2，由RN提供。即
则各阵元第k次快拍的采样值的矩阵形式为
X(k)=AS(k)+N(k)
(7.1.7)
由于S(k)随k变化，且其初相通常为均匀分布，一阶统
计量(均值)为零，所以不能直接采用一阶统计量来提取方向
信息。而二阶统计量可以消除信号S(k)的随机初相，可以用

▪平面阵
图1.5
▪立体阵
图1.6
b. 参数化数据模型
假设N元阵分布于二维平面上，阵 元位置为：
rl xl , yl ,l 1,2, , N
一平面波与阵面共面，传播方向矢
量为： 1 cos ,sin T
c
y
r
x 图1.7：二维阵列
几何结构
阵元
l 接收信号为：xl
t s rl,t
滤波：增强信噪比 获取信号特征：信号源数目 传输方向（定位）及波形 分辨多个信号源
定义：
➢传感器——能感应空间传播信号并且能以某 种形式传输的功能装置
➢传感器阵列(sensors array)——由一组传感 器分布于空间不同的位置构成
由于空间传播波携带信号是空间位置和时
间的四维函数，所以：
连续：面天线
波动方程的任意解可以分解为无穷多个“单频”
解的迭加（传播方向和频率分量均任意）。
波动方程的单频解可以写成单变量的函数：
sr,t Aexp[ j(t kT r) Aexp[ j t T r ]
式中 k ，其大小等于传播速度的倒数，其方向与 传播方向相同，常称为慢速矢量(slowness vector)。
2. G.Strang,"Linear Algerbra and Its Applications", Academic Press,New York ,1976.(有中译本， 侯自新译，南开大学出版社，1990)
§2.1线性空间和希尔伯特空间
一、符号及定义
1. 符号
以后我们常用字母加低杆表示矢量和矩阵，
实际阵列
空间采样方式 虚拟阵列（合成阵列如SAR）
空时采样示意图如下：

Ia
C1
C2
串模干扰示意图
电磁耦合引入串模干扰
12.11.2020
6
图3-1 串模干扰示意图
12.11.2020
7
3.1.2
串模抑制比：衡量系统抑制串模干扰的能力。 定义： NMRR = 20lg(Un / △Ui) (dB)
Un:串模干扰信号的幅值； △Ui：Un引起输出的改变折合到输入端的偏移量。 效果：△Ui越小，抗串模干扰的能力越强，即NMRR越大。
共模干扰的影响：共模干扰对放大器的影响，是因转换 成串模干扰而加到输入端的。
共模抑制比：衡量系统抑制共模干扰转化为串模干扰的 能力。
定义： CMRR = 20lg(Ucm/Un) (dB) Un:是共模干扰信号Ucm转换成串模干扰的电压幅值； 效果：Un越小，抗共模干扰的能力越强，即CMRR越大。
CMRR与信号的输入方式有关，分单端输入和差动输入2种 形式。
14
3.1.4
2、电磁场传播的干扰
(1)静电耦合：静电场干扰通过分布电容耦合进入系统
(2)
两根平行导线之间的、印刷线路之间、变压器线
匝之间、绕组之间都可能构成分布电容。
(3)(2)电磁耦合：电磁耦合干扰通过电感引入感应电势
(4)
两条平行导线间会产生磁场耦合
(5)(3) 辐射电磁场耦合：具有天线效应的电源线和长信号线 会对空间电磁场产生接收作用，感应出干扰信号。
力。是个定性的概念。 有两层含义： ① 在规定时间内无故障运行； ② 故障后维修方便。
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31
可靠性的定量描述：
如下图，系统运行时间 t k 后发生故障，需维修时间 T k
k 1,2, 。
可定义以下可靠性指标：

检测装置的抗干扰问题，实际上也是电子测量装置的抗‘于扰问题。为了 有效地防止干扰，必须首先要弄清干扰的类型、来源及其传送的方式，才能 根据不同的情况，提出相应的抗干扰措施，从而达到消除或减弱干扰的目的。
第一节 微弱信号放大
一、测量放大器电路原理
通常对一个单纯的微弱信号，可以采用运算放大器进行放大，如
AD521和AD522是AD公司推出 的单片精密测量放大器。 1. AD521 AD521的管脚功能与 基本接法如图7-3所示。
+IN RG -IN OFFSET V OFFSET OUTPUT
14 13 12F Rs COMD V+
+IN 8
14 10
Ui RG
2 3
5
4
-IN
13
6
12 11
7
U0
10KΩ
a)
b)
图7-3 AD521管脚功能与基本接法
a)管脚功能 b)基本接法
管脚OFFSET（1、6）用来调节放大器零点，调整方法
是将该端子接到10KΩ电位器的两个定端，滑动端接负点源
端。测量放大器计算公式为
Ku
U0 Ui
Rs RG
放大倍数在0.1到1000范围内调整，选用RS=100KΩ时， 可以得到较稳定的放大倍数。在使用AD521（或任何其他 测量放大器）时，都要特别注意为偏置电流提供回路。为此， 输入端（1或3）必须与电源的地线构成回路。可以直接相 连，也可以通过电阻相连。
下一节
我们可以采用运算放大器的差动接法，从比较大的共模信号中检出 差值信号并加以放大。对于传感器输出的微弱信号，通常是用一组运算 放大器构成的测量放大器来进行放大的，经典的测量放大器由三个运算 放大器构成，如图7-2所示。

DOA检测与估计
• DOA检测与估计算法分类 • 按照是否需要训练序列分类 ➢ 非盲DOA估计：LMS算法、AG算法、RLS算法、DMI算法… ➢ 盲DOA估计：CMA算法、空间谱估计算法、有限符号集算法、循环平
稳算法、判决反馈和模糊神经网络算法等 • 按照检测方法分类 ➢ 传统法：基于经典波束形成技术，要求阵元数多 ➢ 极大似然法：低信噪比环境性能好，运算量大 ➢ 综合法：充分利用信号特征，有前景 ➢ 子空间法：利用输入数据矩阵特征结构
• 多个辐射源 s1(t)s,2(t) ,,sK(t)不同来波方向 1,2,,K
•
阵列接收信号向量
K
x(t) a(k)sk(t)n(t)
k1
• 阵列方向矩阵(阵列流形) A{a()| }
• 阵列输出信号 y(t)wH(t)x(t) w w 1,w 2,,w NT
均匀园阵
• N个阵元均匀分布在半径为R的圆周上
射频 前端
ADC x1k
采样
射频
w1* k ADC x2 k
yk
前端
采样
w
* 2
k
...
射频 前端
ADC xL k
采样
w
* L
k
概述
• 阵列信号处理涉及的主要内容 ➢ 信源数估计：获取空间分布的信源数目 ➢ DOA检测与估计：检测和估计分布在不同空间位置的信源到达阵列天
线的来波方向 ➢ 波束形成/合成/赋形：依据来波方向调整阵列天线各个阵元的加权参
aH()Rx1xa()
• 空间谱
PCap(o)naH()R 1x 1xa()
传统法
存在的问题：对相关信号无效、要求高信噪比、运算量大
8阵元，SNR＝50dB，入射方向 5(1)、30(2)、40(3)度；信号1期 望，2、3干扰，且1、3相关

地点之间存在一个电位差Ucm。这个Ucm是加在放大器
输入端上共有的干扰电压，故称共模干扰电压。
既然共模干扰产生的原因是不同“地”之间存在的电压， 以及模拟信号系统对地的漏阻抗。因此，共模干扰电压的 抑制就应当是有效的隔离两个地之间的电联系，以及采用 被测信号的双端差动输入方式。具体的有变压器隔离、光 电隔离与浮地屏蔽等三种措施。
但干扰是客观存在的，所以，人们必须 研究干扰，以采取相应的抗干扰措施。本章主 要讨论干扰的来源、传播途经及抗干扰的措施。
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3
8.1 干扰的来源与传播途径
❖ 8.1.1 干扰的来源 ❖ 8.1.2 干扰的传播途径
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4
8.1.1 干扰的来源
干扰的来源是多方面的，有时甚至是错综复杂的。 干扰有的来自外部，有的来自内部。
路电流i2。反之，也如此。
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8.2 硬件抗干扰措施
❖ 引言 ❖ 8.2.1 串模干扰的抑制 ❖ 8.2.2 共模干扰的抑制 ❖ 8.2.3长线传输干扰的抑制 ❖ 8.2.4 信号线的选择与敷设 ❖ 8.2.5 电源系统的抗干扰 ❖ 8.2.6 接地系统的抗干扰
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引言
了解了干扰的来源与传播途径，我们就可 以采取相应的抗干扰措施。在硬件抗干扰措 施中，除了按照干扰的三种主要作用方式— —串模、共模及长线传输干扰来分别考虑外， 还要从布线、电源、接地等方面考虑。
外部干扰由使用条件和外部环境因素决定。外部干 扰环境如图8-1所示，有天电干扰，如雷电或大气电 离作用以及其他气象引起的干扰电波；天体干扰， 如太阳或其他星球辐射的电磁波；电气设备的干扰， 如广播电台或通讯发射台发出的电磁波，动力机械、 高频炉、电焊机等都会产生干扰；此外，荧光灯、 开关、电流断路器、过载继电器、指示灯等具有瞬 变过程的设备也会产生较大的干扰；来自电源的工 频干扰也可视为外部干扰。

3.
当一个直流电源对几个电路同时供电时，为了避免通过电
源内阻造成几个电路之间互相干扰，应在每个电路的直流进线
与地线之间加装退耦滤波器。图3-21是RC和LC退耦滤波器的应
用方法示意图。应注意，LC滤波器有一个谐振频率，其值为
fγ
2
1 LC
(3-16)
应将这个谐振频率取在电路的通频带之外。在谐振频率时，滤
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图3-16 浮置的温度测量系统
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图3-16所示的温度测量系统中，其前置放大器通 过三个变压器与外界联系。B1是输出变压器，B2是反 馈变压器，B3是电源变压器。前置放大器的两个输入 端子均不接外壳和屏蔽层， 也不接大地。两层屏蔽之 间互相绝缘，外层屏蔽接大地，内层屏蔽延伸到信号 源处接地。从图中可明显看出，采用浮置后地电位差 所造成的干扰电流大大减小，而且该电流为容性漏电 流。
第25页/往往被几个电路共 用。因此， 为了减弱经共用电源内阻在各电路之间形 成的噪声耦合，对直流电源输出端还需加装滤波器。 图3-20(a)、(b) 是滤除高、低频成分干扰的两种滤波 器。
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图3-20 高、 低频干扰电压滤波器
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1.
在电子测量系统中，地的含义包括两种。一是代 表一个系统或一个电路的等电位参考点，接地的目的 是为系统或电路的各部分提供一个稳定的基准电位， 并以低的阻抗为信号电流回流到信号源提供通路。这 种地又称为信号地。显然，没有信号地， 系统或电路 是无法工作的。二是指地球的大地。系统或电路的某 些部分需要与该地连接，接地的目的是为电气设备提 供一个保护接地，或者是满足静电屏蔽的需要。
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图3-13 (a) 多点接地方式； (b)