第9章智能天线数字波束形成ppt课件.ppt

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1、第9章智能天线数字波束形成(DBF)1本章及第十章、第十一章空域自适应滤波技术。数字波束形成（DBF）、自适应阵列、自适应天线、智能天线等。著作Monzingo[9-2]、Hudson[9-3]、Farina[9-8]、L.berti和Rappapoort[9-13]综述文章Steyskal[9-4][9-7]、Compton[9-5]、VanVeen[9-6]、Gabrial[9-1][9-9]、Godara[9-10][9-11]。2§9.1数字波束形成(DBF)概述9.1.1波束形成时域滤波器在通带频率范围内通过需要信号，在阻带频率范围内滤除

2、或抑制不需要信号或干扰。时间频率滤波器频率响应H(f)当输入为等幅正弦波时滤波器输出与时间频率f的关系。3在空域滤波中，对应于时间频率的空间频率为时间频率滤波器对应于空间频率滤波器，空域滤波器。空域滤波器在主波束方向范围内通过需要信号在主波束之外的方向范围内滤除或抑制不需要信号或干扰。空域滤波器的响应H(θ)则表示当到来波为等幅平面波时，滤波器输出与空间频率或者说θ的关系空间滤波器为阵列天线处理系统。接收阵列天线处理系统输出与平面波到来角的关系就是阵列天线的接收波束图。因此，空域滤波器又称波束形成器。根据互易原理，若保持同样的参数则发射波束图与接收波

3、束图是一样的4阵元m收到的信号为:§9.2阵列天线输入矢量及相关矩阵(9.2.2)(9.2.3b)（9.2.3a）参考点收到的信号(9.2.3a)(9.2.4)延时相移5式(9.2.2)可表示为：考虑复基带信号时有：M个阵元收到的信号可用矢量表示为：方向矢量为：（9.2.8）（9.2.9）6且在参考点的入射信号分别为若有L个平面波以入射角入射到阵上，则相应的阵输入的复基带信号矢量为阵列对信号的方向矩阵信号矢量(9.2.10)7带噪声的阵输入矢量可写成：8对于间距为d的M元均匀线阵，第m阵元的位置矢量为对于M元均匀圆阵，第m阵元的位置矢量为9对于间距为

4、d的M元均匀线阵，复基带信号为操纵矢量10对于均匀线阵情况，若真正的需要信号为:定向干扰信号为：则：信号的操纵矢量：定向干扰的操纵矢量：其中干扰矢量：11阵列输入矢量的相关矩阵定义为：埃尔米特性：非负定性：12非负定埃米特矩阵，故有M个非负排序后的特征值：且有相应的M个归一化正交的特征矢量或13设L个信号源互不相关，则可以证明，M个特征值中有L个大于0，M-L个等于0，即：噪音相关矩阵是的特征矢量，对应特征值为：14对应于信号，其展成的子空间称为信号子空间：对应于噪音，其展成的子空间称为噪音子空间：特征矢量是归一化正交的，所以中任一矢量均垂直于中的所

5、有矢量，即即与一样组成信号子空间。15信号子空间和噪音子空间的通常处理方法:对进行特征分解，并将特征值按大小排序：信号子空间由L个大的特征值对应的特征矢量张成噪音子空间由其余M-L个小的特征值对应的特征矢量张成记信号子空间矩阵：噪音子空间矩阵到信号子空间的投影矩阵为：到噪声子空间的投影矩阵为：16§9.3普通波束形成和多波束形成17权矢量输入操纵矢量幅度波束图为9.3.1线阵波束形成18波束指向法线方向此时波束图为(9.3.6)19图9.48阵元均匀线性波束图20波束图有以下特点：波束成形状，其最大值为M波束主瓣半功率点宽度为：最大付瓣为第一付瓣，且

6、为-13.4dB。为了降低付瓣，必须采用幅度加权，即取：21图9.5采用海明加权和未加权的8元均匀线阵波束图22根据式(9.3.6)，波束不但在瞄准方向θ=0时取最大值，而且在满足下式的所有θ角均取得最大值（栅瓣）：不出现栅瓣条件为23波束电扫波束指向θ0的权为：波束图为不出现栅瓣条件为24图9.6包括幅度加权、波束指向控制和自适应处理的波束形成器25信噪比改善若带噪音时的输入矢量为信号功率噪音功率输入信噪比阵输出之信号功率阵输出之噪音功率输出信噪比269.3.2多波束图9.7用DFT形成多波束27输出为令有FFT表达式：第l个波束的权矢量为：28图

7、9.8采用FFT形式的16波束（阵元数=16，阵元间距=，未加窗）29波束最大指向对相移加以修正图9.8采用FFT形式的16波束（阵元数=16，阵元间距=，未加窗）30对于窄带信号均匀线阵，采用最小二乘法设计波束形成设需要的波束为均匀线阵权矢量为时实际波束为选择，使实际波束在等P个方向与需要波束尽可能接近。令则最小二乘法通过下列优化式求最佳解为：器的方法简述如下:9.3.3赋形波束319.3.4面阵波束形成图9.9矩形均匀面阵的几何关系32MXN矩形面阵波束图可用下式表示：33图9.10用2维FFT实现矩形面阵多波束349.3.5发射波束形成图9.1

8、1产生指向θ0的发射波束的原理35方向为的远区测试点或接收点，其电场强度可表示为测试点的归一化电场强度为：3