多阵列天线快速波束成形技术的研究

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1、摘要阵列天线既可以用来增加卫星通信系统容量，也可以用来抑制干扰。波束成形是阵列天线的关键技术，通过构成一定形状的波束来指向期望方向，提高信噪比。本文通过对期望信号的来波方向（DOA，DirectionOfArrival）估计实现波束成形。DOA估计的目的是确定各信号或干扰到达阵列的方向角，利用估计的方向角调整各阵元的权矢量来实现波束成形。论文主要研究成果如下：1．提出了一种十字交叉面的阵列天线模型。此阵列模型通过估计出的均匀线阵参数来推导面阵参数，先进行线阵的DOA估计，再计算出面阵的方向角和俯仰角。

2、仿真结果表明此阵列可以实现快速波束成形，降低信号处理的复杂度仿真并分析了CBF、Capon、MUSIC和DFT算法。结果表明：MUSIC和Capon分辨率较高，但复杂度也高，难以硬件实现；高分辨率DFT算法精度适中，算法简单，易于硬件实现。2．设计了一种低复杂度的快速波束成形实现方案。该方案首先通过对少量快拍数据做低分辨率的DFT估计出能量谱峰序号，在此基础上，用较多的快拍数据做局部高分辨率的DFT。分析表明该方案可以降低计算复杂度，节省硬件资源。3．将所设计的实现方案应用到直接序列扩频系统中进行波束

3、成形，对关键模块进行了FPGA设计。关键字：波束成形DOA估计多阵元天线扩频系统AbstractArrayAntennacanbeusedtoimprovethesystemcapacityandinhibitnoiseinsatellitecommunicationsystem,AsthekeytechnologyofArrayAntenna.Beamformingusesacertainshapeofthebeamtopointtotheexpecteddirectionofarrivalwave

4、inordertoimprovethesignal-to-noiseratio.Inthispaper,beamformingisachievedbyestimatingDOA(DirectionOfArrival)oftheexpectedsignals.ThepurposeofDOAestimationisdeterminingthedirectionangleofeachsignal,thenusingtheestimateddirectionangle.Beamformingcanbeachi

5、evedbyadjustingtheweightvectorofeacharrayelement.Themainresearchresultsareasfollows:1.Acrossplanararrayhasbeenproposed.Planararrayparametersarededucedbytheestimateduniformlineararrayparametersforthepurposeoffastbeamforming.Basedontheuniformlineararray,D

6、OAhasbeenestimated,thenthedirectionangleandpitchangleoftheplanararraycanbecalculated.ThisArraymodelcanreducethecomplexityofsignalprocessing.2.TheperformancesofCapon,MUSICandDFTalgorithmsareanalyzedandcomparedviasimulation.TheresultsshowthatMUSICandCapon

7、algorithmhasthehigherresolution.ButbothCaponandMUSICaremorecomplextoimplementbyhardware;ThehighresolutionDFTalgorithmwhichaccuracyismoderatelessincomplexityandcanbeimplementedeasilybyhardware.3.Alow-complexityfastbeamformingimplementationschemahasbeende

8、signed.First,theindexofenergyspectrumpeakisobtainedbylow-resolutionDFTusingsmallamountofsnapshotdata,thenpartialhigh-resolutionDFTcanbedoneusinglargeramountofsnapshotdata.Theschemeshowsthatitcanreducecalculationcomplexityandsaveh