降维自适应阵列天线算法研究与硬件实现

摘要

自适应阵列天线技术在军用、民用通信领域都具有十分广泛的应用潜力。在过去的50年发展过程中，自适应阵列天线算法已经得到了广泛的研究以及长足的发展。为进一步发展与应用该技术，主要需要解决两个方面的问题：一是阵列天线单元间的互耦、单元的方向性等因素将影响自适应阵列的性能，需要结合阵列天线理论与自适应波束形成算法进行分析讨论；再者就是自适应阵列天线技术的实现成本较为高昂，算法的实时性也无法保证，特别是高性能的算法以及高复杂度的算法。这极大地限制了自适应阵列天线技术的应用。
　　针对以上所提出的问题，本文首先从基本阵列处理算法出发，结合阵列天线单元，讨论了阵列互耦环境以及单元的方向性对于自适应阵列信号处理算法性能的影响，并分析了其产生的原因。在此基础之上，利用阵列有源单元方向图的思想，建立了阵列环境中阵列接收数据模型及处理方法，并结合均匀直线阵列及柱面共形阵列的仿真算例验证了其有效性。
　　降维算法是降低自适应系统实现成本与提高系统实时性的有效方法。本文分析了降维自适应波束形成方法的基本原理，得出了降维变换矩阵的一般设计准则。在此基础之上，提出了基于 FIR滤波器设计方法的降维自适应波束形成方法。通过仿真算例验证，相比于传统的采样矩阵求逆算法(SMI)，所提出的算法在快拍数、克服导向矢量估计误差以及扫描性能等方面有了明显改进，提高了系统实时性与稳健性，同时也降低了处理维度，降低了系统实现成本。
　　在传统的基于QR分解的SMI处理方法的基础上，提出了降维预处理的FPGA实现方式，从而快速有效地完成了降维自适应波束形成方法在 FPGA上的设计并进行了片上测试，其测试结果与理论结果相近。同时，降维算法大幅减少了所使用的LUT单元数，具有更小的硬件开销；所需的快拍数也大幅减少，算法具有更好的实时性。
　　最后，本文完成了四通道数字中频采样接收机的设计与测试，并联合基带处理板卡，进行了自适应波束形成系统的模拟实验，其结果与理论结果吻合较好。

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第一章 绪 论

1.1 研究工作的背景与意义

1.2 国内外研究历史与现状

1.3 本文的主要工作

第二章 自适应波束形成技术基本原理

2.1 基本原理

2.2 互耦环境中信号接收模型及其处理方法

2.3 降维自适应波束形成方法的基本原理

2.4 本章小结

第三章 基于FIR滤波器设计方法的降维自适应波束形成方法

3.1 降维预处理单元的设计准则

3.2 基于FIR滤波器设计方法的降维预处理单元设计

3.3 降维自适应波束形成算法性能分析

3.4 本章小结

第四章 基于FPGA的降维自适应波束形成方法的硬件实现

4.1 降维预处理模块的设计

4.2 自适应权向量求解模块的设计

4.3 FPGA仿真与测试结果

4.4 小结

第五章 数字中频采样接收机设计

5.1 基本实现架构

5.2 各模块设计

5.3 SPI控制器的设计

5.4 数字中频采样接收机采样性能测试

5.5 小结

第六章 结束语

6.1 本文工作总结

6.2 研究前景展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果