基于波束形成的通信抗干扰算法与FPGA实现

摘要

卫星通信作为地面通信网的补充，在现代的生活、军事以及科技发展等领域展现出越来越多的作用。在地面网络出现异常无法正常工作时，卫星通信保证国家通信网的畅通具有重要作用。针对中卫星信号弱且易受到干扰，提出一种在阵列天线中基于波束形成的抗干扰的算法。卫星位置可以由卫星星历获得，期望信号位置已知。通过对阵列信号进行波束形成，将阵列天线主瓣指向信号源方向，并将合成后的波束作为期望信号进行抗干扰对消，可在实现抗干扰的同时提高信号的信噪比。本文以数字波束形成技术实现卫星通信抗干扰为研究课题，重点研究了一个基于和差网络的波束形成算法并进行仿真，讨论其抗干扰能力和信噪比改善的情况，并基于FPGA具体实现了该抗干扰算法。具体研究分为四个部分：
　　一、提出一种对于来向已知信号的基于波束形成抗干扰算法。建立阵列天线与干扰模型，调整阵列天线方向图，将天线主瓣指向期望信号。将指向后的信号通过和差网络，以和通道信号作为参考信号，将信号进行对消实现干扰抑制。在算法中，和通道由于叠加了有用信号，带来了增益，提高了输出信号信噪比，提高了通信质量。
　　二、建立阵列天线接收仿真模型，生成仿真阵列信号，对基于和差网络的波束形成抗干扰算法分别进行仿真。仿真结果显示在十六阵元均匀线阵列的情况下，基于和差网络的波束形成抗干扰算法输出信噪比对于输入信号提高了12dB。同时，针对不同的权值求解算法进行了仿真比较。此外，针对阵列方向图主瓣的指向误差和信号与干扰的角度差进行了仿真，并讨论了阵列方向图对二者的影响。
　　三、根据基于和差网络的波束形成抗干扰算法，设计在FPGA中实现的结构。设计信号预处理模块，将信号转为复信号并对通道进行校正和波束指向。针对FPGA中需要配置的参数如期望信号信息，定义串口通信协议，并编写测试用的上位机软件。抗干扰算法采用易于FPGA实现的延迟最小均方（DLMS）算法，设计了DLMS算法在FPGA中实现的结构以及算法各个部分的实现细节。
　　四、完成了抗干扰系统的测试，分别验证了通道校正与波束指向模块的正确性，并对算法抗干扰性能进行了测试。

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第一章 绪 论

1.1课题研究背景

1.2波束形成抗干扰的发展动态

1.3本文工作及内容安排

第二章 接收机模型及波束形成抗干扰算法基础

2.1阵列信号接收模型

2.2常见波束形成抗干扰算法

2.3抗干扰算法性能指标

2.4波束形成算法仿真

2.5本章小结

第三章 波束形成抗干扰算法研究及仿真

3.1基于和差网络的波束形成抗干扰算法

3.2空时二维抗干扰算法原理

3.3自适应波束形成算法的权值计算

3.4数字波束形成抗干扰算法仿真

3.5本章小结

第四章 波束形成抗干扰算法FPGA实现

4.1抗干扰系统整体结构

4.2数据预处理部分实现

4.3上位机与FPGA通信协议与上位机实现

4.4自适应处理模块的实现

4.5系统优化与资源使用报告

4.6本章小结

第五章 波束形成抗干扰系统的外场实验

5.1外场实验平台介绍

5.2通道校正模块测试

5.3波束指向与信号增益测试

5.4抗干扰性能测试

5.5本章小结

第六章 总结与展望

6.1本文总结

6.2今后工作的展望

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果