通信网络-多波束天线通道幅相一致性校正及实现.pdf

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1、多波束天线通道幅相一致性校正及实现朱丽龚文斌杨根庆（中科院上海微系统与信息技术研究所,上海200050）摘要：本文针对多波束天线接收机的通道幅相一致性校正，提出了一种基于自适应算法的校正方法并在FPGA中实现了该方法。在满足系统要求的前提下，该方法不但实现起来相对容易，而且算法的精度和动态范围也有一定的保证。仿真和试验结果表明，该方法是可行的。关键词：多波束天线，通道失衡，幅相误差，最小均方误差，校正1．引言随着人们对卫星通信要求的不断提高，卫星通信技术得到了很大的发展。其中，卫星多波束天线目前己成为提高卫星通信性能、降低系统成本的一项关

2、键性技术。多通道接收机是DBF天线系统中信号的必经之路，正是这种多接收通道的结构，使DBF天线系统增加了幅度和相位误差的潜在来源。与多个天线阵列相连接的多个接收机通道必须要有很高的一致性，否则通道间的失配将严重影响数字波束系统的性能。对多通道间误差的[1]校正正是星载数字多波束天线的关键技术之一。由于目前国内对星载DBF天线的研究还处[2]于初级阶段，所以需要更多的借鉴智能天线、自适应天线和雷达等领域已有的研究成果。本文主要针对基于卫星应用的两维阵列DBF天线系统，采用目前最常用的LMS算法设计并在FPGA中实现了对其前端射频多通道接收机

3、的幅相校正系统，最后给出了测试结果。测试结果表明，这种采用定点数制的LMS算法对系统的幅相误差具有较好的校正性能。2．数字多波束天线的幅相校正原理数字多波束天线的组成如图1所示。前端天线阵是由多个天线单元组成两维阵列，阵元接收的信号经射频前端电路、A/D转换电路、数字下变频器后送入数字波束形成器处理。设计一个六边形排列的7单元天线阵，A/D后端的数字下变频器和波束形成器均采用FPGA实现。天线阵接收到的信号首先通过射频通道混频后得到中频信号，再将此模拟中频信号经过ADC后得到数字中频信号，然后送入DDC进行下变频；下变频后，每路信号分为正

4、交的I、Q两路，这些正交的信号再送入波束成形器中进行波束成形，最后的输出即为合成的波束。接收通道在制造时的各种误差、电路器件的选择，A/D的量化精度、DDC的性能、I/Q两路的正交误差等因素都会引起信号幅度和相位的变化。为了能够正确的波束成形，达到系统的精度要求，就必须要对多通道接收机进行校正，校正系统原理图如下图2所示。图1数字多波束天线的组成原理图图2一个通道的校正原理框图针对7单元的DBF天线阵，我们可以选择其中一路RF接收通道作为参考信道，在DBF天线系统开机使用时，首先注入校正信号通过自适应滤波器对多通道接收机进行幅相一致性的校

5、正，校正完毕后进入工作状态。考虑到器件老化、工作环境变化等问题，系统在使用过程中每隔一段时间还要进行一次自动校正。从多波束天线的原理图中可以看出，接收通道、A/D和DDC都可能产生幅相误差，因此将自适应滤波器置于DDC之后，这样就可以不具体讨论误差是由哪个模块产生的，而是直接对波束成形之前所有模块产生的累积误差进行校正。3.自适应算法的比较和选择根据自适应滤波算法优化准则的不同，自适应滤波算法可以分为两类最基本的算法：最小均方误差(LMS)算法和递推最小二乘(RLS)算法。目前常用的主要有以下几种：①变步长自适应滤波算法由于固定步长的自适

6、应滤波算法在收敛速度、时变系统跟踪速度与收敛精度方面对算法调整步长因子μ的要求是相互矛盾的，为了克服这一矛盾，人们提出了许多变步长自适应滤波算法，即在初始收敛阶段或未知系统参数发生变化时，步长应比较大，以便有较快的收敛速度和对时变系统的跟踪速度；而在算法收敛后，不管主输入端干扰信号v(n)有多大，都应保持很小的调整步长以达到很小的稳态失调噪声。②RLS自适应滤波算法RLS算法对输入信号的自相关矩阵Rxx（n）的逆进行递推估计更新，收敛速度快，收敛性能与输入信号的频谱特性无关。但RLS算法的计算复杂度很高，所需存储量极大，不利于[3]适时实

7、现；倘若被估计的自相关矩阵Rxx（n）的逆失去了正定特性，这还将引起算法发散。③变换域自适应滤波算法Dentino等1979年首先提出了变换域自适应滤波的概念，其基本思想是把时域信号转变为变换域信号，在变换域中采用自适应算法。这样就可以通过作某些正交变换使输入信号自相关矩阵的特征值发散程度变小，提高收敛速度。④仿射投影算法仿射投影算法最早由K.Ozeki和T.Umeda提出，它是能量归一化最小均方误差(NLMS)算法的多维推广。它的性能介于LMS算法和RLS算法之间，其计算复杂度比RLS算法低。除了上面介绍的自适应滤波算法之外，还有一些其

8、它的算法，如：系数部分更新自适应滤波算法、LMF(RLF)算法、Leaky-LMS算法等。其主要思想是在自适应滤波算法的每次迭代中，仅仅自适应滤波器的部分系数被更新，这使得整个自适应滤波算法的