天线组阵全频谱合成效率分析

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1、万方数据第30卷第2期遥测遥控V01．30，No．22009年3月JournalofTelemetry，TrackingandCommandMarch2009天线组阵全频谱合成效率分析周三文1，一，卢满宏1,2，黄建国1(1西北工业大学西安7100722北京遥测技术研究所北京100076)摘要：天线组阵是一种提高天线等效增益的有效方法，而全频谱合成在信号解调前进行信号合成，提高解调时的信噪比，具有最佳的系统性能，是一种最优的天线组阵信号合成方案。为了给全频谱合成的系统设计提供指导，对其合成效率进行详细的理论分析与计算。结果表明，当采用SUMPLE相关算法进行天线组阵全频谱

2、合成时，如果天线数量越多，单个天线接收信号的信噪比越强，互相关带宽越窄，相位差闭环带宽越窄，那么合成效率就越高，反之，合成效率就越低．关键词：天线组阵；全频谱合成；合成效率中图分类号：文献标识码：A文章编号：CNll．1780(2009)02-0046．07引言随着深空航天器离地面越来越远，其送回地面的信号变得越来越弱，这使得单个天线接收信号的信噪比(sNR)也就越来越低。为了能可靠地解调出航天器送回的信息，需要能补偿SNR降低的方法。由于最大天线口径和最低接收机噪声温度已达到极限，一种能有效提高SNR的方法就是对来自几个天线的信号进行合成，即天线组阵【l，2l。深空测控

3、通信信号一般采用含副载波调制的PM调制方式【3】，对其进行组阵信号合成时，基本的合成方案有：①符号流合成(SSC)：②基带合成(BC)；⑨复符号合成(CSC)；④载波组阵(cA)；⑤全频谱合成(FSc)掣1．2】。当各个天线接收系统都能完成载波、副载波、符号流同步时(通常对应信号较强情况)，可以采用SSC：当各个天线接收系统能完成载波同步，但不能完成副载波和符号流同步时(通常对应调制度较低情况)，可以采用BC：当各个天线接收系统能完成副载波、符号流同步，但不能完成载波同步时(通常对应调制度较高情况)，可以采用CSC；当一个天线接收系统能完成载波锁定，而其他天线接收系统不能

4、完成载波锁定时(通常对应一个大天线与其他小天线组阵情况)，可以采用CA；当各个天线均不能完成载波、副载波和符号流同步时(通常对应信号较弱情况)，可以采用FSC。需要说明的是，不管在什么情况下，都可以瑶采用FSC，而且FSC由于在信号解调前就进行信号合成，提高了解调时的信噪比，因此具有最佳的系统性能，是人们研究的重点，也是蒿酞(DS就N)鬻裟矣曩鋈喜盔网中普遍采用的天线组阵1信号合成方式【11。收稿日期：2008-09-06收修改稿日期：2009．01—13图1FSC基本原理框图万方数据第30卷第2期周三文等，天线组阵全频谱合成效率分析·47·本文的主要目的就是分析FSC的

5、合成效率，找出影响系统性能的主要因素，为系统设计提供有效的指导。1FSC基本原理FSC是一种在中频进行信号合成的组阵技术，其基本原理框图如图l所示。天线接收射频信号首先下变频到中频，然后通过互相关来检测中频信号的延迟和相位差并进行调整，使其完全对齐，最后进行最大比合成，送给遥测接收机进行解调等处理。通常，各个天线接收系统的噪声不相关，当L个性能相同的天线信号进行完全相干(同步)合成时，信号功率增加f倍，而噪声功率只增加L倍。因此，合成信号的信噪比提高了L倍。2FSC合成效率分析设相位补偿后的中频信号为Kk)=√昂出矾”一(“卜A蛾耐k)】+吩瓴k7【2矾“+口(ft卜矗村

6、(“)J(1)式中，i表示天线i，rcf表示参考天线，丑表示天线i的信号功率，缸表示第k个采样时刻，正表示中频信号频率，口瓴)表示PM调制信号，△‰=缸f一丸f表示相位补偿后天线i-揪ref信号之间的残留相位误差，‰是天线i与天线ref信号之间的相位差，b是天线i与天线ref信号之间的相位差的估计值，ni(tk)为单边噪声功率谱密度为no，的热噪声的复包络。则L个天线合成信号可以表示为y纯)：壹屈0承出矾fl卯(k卜‰k)】+吩也k。【2奶气+一“H耐㈦碍(2)其中，屈为加权系数。令参考天线加权系数触=1，并将属最优化，使得合成输出信噪比最大，则有属=篑·等㈤其中，‰f为

7、参考天线的噪声功率谱密度，noi为天线i的噪声功率谱密度。合成后的噪声功率谱密度为‰=∑群‰(4)合成后的信号功率为Py=lY(tk)[A丸ef(tkl2--∑L∑L屈岛√虿巧-C唧c南(5)其中，％=P。‰饥)设△‰以)服从均值为0，方差为％2的高斯分布，则有J2E‰】=cj=&蚍㈦=￡P豇蔚1地出玎O-u2ef屈(6)其中，ci表示％的数学期望。设△‰f与△吮ref相互独立，则有万方数据·48·遥测遥控Ek％】-c_

8、『：EkJ‰¨‰“)】】：已一‰+响)／2其中，o表示‰c南的数学期望。上式中f≠j『，而当f=歹时有cf