一种改善TDRSS阵元信号群时延非一致性的自适应方法

摘要

本发明公开了一种改善跟踪与数据中继卫星系统(TDRSS)反向链路多路阵元信号群时延非一致性对星下波束形成(Digital Beam Forming，以下简称DBF)指向精度影响的自适应联动方法。该方法基于频分复用(FDM)分离滤波器组输出的30路阵元信号群时延的实际统计量

说明书

技术领域

本发明涉及TDRSS(跟踪与数据中继卫星系统)，更具体地，涉及一种改善TDRSS反向链路多路阵元信号群时延非一致性对星下DBF(数字波束形成)的指向精度影响的自适应联动方法。

背景技术

TDRSS(跟踪与数据中继卫星系统)以其高覆盖率、高数据率和多目标测控能力在空间技术发展中起到了极其重要的作用，已受到世界各国的高度重视。

TDRSS的反向链路是把遥测数据从用户卫星传输到地面站的信息传输通道，它能同时传输多个用户(飞行器、用户星等)的测控信息。为了同时跟踪和转发多个目标，TDRSS的中继卫星上通常采用基于波束形成的相控阵天线。为了减少中继星上数字处理环节，以使卫星上设备尽可能简单，同时考虑到以后扩充跟踪目标数的方便，TDRSS通常采用星下DBF(数字波束形成)方案。基于星下DBF的TDRSS中，TDRS(中继卫星)上有30个独立的螺旋天线(阵元)，每一个阵元接收的信号都被独立传输到地面终端站用于星下DBF，目前是采用FDM(频分复用)体制来传输30路阵元信号。根据30路阵元信号的相对相位和幅度，进行地面波束合成，这就构成一种相控阵“地面多波束形成”系统。

基于星下DBF的TDRS系统，由于采用FDM传输体制将TDRS星上30路天线阵元信号传输到地面，因相控阵有30个阵元天线，对应FDM就有30个独立通道。由于30路通道频率、器件差异，30路通道间群时延一致性就会很差，因此地面终端站用来进行DBF的30路阵元信号的群时延一致性也会很差，严重影响星下DBF的指向精度。特别是决定通道群时延一致性的环节是地面站30路FDM分离滤波器组，其作用是提取30路窄带FDM信号，过渡带要求陡峭以消除邻道干扰，故滤波器因过渡带陡峭而群时延就会很大，且30路FDM滤波器群时延特性不相关，因此很难保证30路通道间群时延一致性。

针对群时延对通信系统性能的影响问题，一般采用两种方法来予以解决：一是从信道中产生群时延的主要环节入手，设计出群时延小的模块。比如通信系统中，造成信号群时延较大的一般是窄带滤波器，因为这些滤波器要求过渡带陡峭，从而滤波器的群时延特性就会很差。要满足过渡带陡峭而群时延又很小的特性，现在一般采用基于频率响应屏蔽(FRM)技术的数字方式来实现有限冲激响应(FIR)的滤波器的设计。当然还可以采用模拟电路来设计滤波器，通过负反馈补偿等方式来获得过渡带陡峭而群时延小的滤波特性。另一种是，为了减小信道群时延特性对信号的失真影响，一般在接收端加群时延均衡器，通过训练序列来调整均衡器的权系数，以校正信道的群时延特性。但是这两种方法，通过查新发现，基本都是针对单路信道的群时延特性，还没有考虑多路群时延一致性问题。同时，这些方法也不适合TDRSS系统这一背景的群时延特性改善，比如采用复杂的模拟电路来改善30路信道群时延一致性，硬件规模很大，特别是很难实现30路模拟滤波器的群时延特性具有相关性，从而很难保证30路阵元信号的群时延一致性。另外，采用基于已知训练序列的群时延均衡技术，由于在TDRS系统中，用户信息通常情况下是未知的，所以也不可行。

发明内容

针对TDRSS反向链路存在多路阵元信号经过信道后群时延一致性较差以及还未有相关技术对此进行解决这一现状，本发明的目的是提供一种基于多路阵元信号群时延一致性最优的自适应联动方法，以改善TDRS系统中多路阵元信号群时延非一致性对星下DBF指向精度的影响。如说明书附件图1所示，本发明的目的是这样实现的：

A.地面终端站前级处理(1)接收30路阵元信号，进入A/D转换器及数字下变频(2)进行数模转换和数字下变频处理；

B.处理后的30路信号进入基于FRM技术的FIR窄过渡带滤波器组(3)，提取分离30路阵元信号；

C.(3)提取分离的30路阵元信号进入模块(5)中，以提取各路阵元信号的实时相位，并在(5)中进行求导等运算，即可得到各路滤波器输出的阵元信号的群时延最大值τ_i(i＝1，2，…，30)，从而得出多路群时延的实际统计量其中，为多路阵元信号群时延实际统计量的均值，为多路阵元信号群时延实际统计量的方差；

D.在多路群时延规定统计量(6)中，根据符合TDRS系统DBF指向精度要求的群时延τ_0i(i＝1，2，…，30)，计算出符合TDRS系统DBF指向精度要求的多路阵元信号的群时延规定统计量其中，为符合TDRS系统DBF指向精度要求的多路阵元信号的群时延规定统计量的均值，为相应的方差；

E.定义误差信号即为多路阵元信号的群时延实际统计量方差与规定统计量方差之差的绝对值。根据系统要求设置阈值ε，当e(n)≤ε，则无需对滤波器组权系数进行调整；当e(n)＞ε，则调用自适应LMS联动算法(7)。如附图4所示，LMS算法根据误差信号e(n)，计算各滤波器的权系数w_i，然后调整各路FDM分离滤波器组(3)的权系数，使误差信号e(n)满足e(n)≤ε，以达到FDM分离滤波器组输出的30路阵元信号的群时延一致性最优；

F.通过自适应LMS联动算法调整(3)的权系数后，FDM分离滤波器组输出的30路阵元信号的群时延一致性达到最优，此后的信号进入地面终端站后级处理(4)完成解扩、解调和数字波束形成等处理。

由于通过自适应LMS联动算法最优地调整了FDM分离滤波器组的权系数，使多路阵元信号的群时延非一致性得到了改善，从而提高TDRS系统地面端DBF的指向精度。

与其它的技术相比，本发明具有以下的优点：

1、采用FRM(频率响应屏蔽)技术来设计30路FDM分离滤波器，使其单路滤波器满足过渡带陡峭而群时延又很小的要求，群时延特性只略高于理论最小值；

2、由于半带滤波器的系数具有稀疏性，故以半带滤波器为原型滤波器设计基于FRM分离滤波器，此时设计的FIR滤波器的系数同样具有稀疏性，因此实现复杂度低，同时群时延特性只略高于理论最小值；

3、基于多路群时延一致性最优来设计30路FDM分离滤波器，相对于基于已知训练序列的群时延均衡技术，可以不需要训练序列，提高了带宽效率；

4、由于是根据实际输出信号反馈的多路群时延分布情况得到的，因此，该算法不但可以平衡由FDM分离滤波器组自身造成的群时延非一致性，还可以改善整个信道环节的群时延非一致性，尤其是该算法是通过反馈信号实时更新滤波器组的权系数，因此该联动算法还具有自适应，使群时延一致性不受信道特性改变而波动。

附图说明

结合附图阅读本发明的以下详细描述，可以更好地理解本发明及其优点和其他特征，其中：

附图1示出了基于LMS自适应联动算法的地面终端站；

附图2示出了FRM滤波器结构图；

附图3示出了N路横向FIR滤波器结构图；

附图4示出了LMS算法流程图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面将详细描述本发明的具体实施方式。

首先，根据多路阵元信号的群时延一致性与DBF指向性的关系，在多用户DBF指向精度达到系统性能要求时，可以由附图1中的多路群时延规定统计量计算(6)获得多路阵元信号的群时延一致性需要满足的条件，即假定30路阵元信号的群时延分布规律服从规定统计量时，多路阵元信号的群时延非一致性对DBF指向精度的影响可以忽略，其中为多路阵元信号群时延的均值，为方差，通常可以通过计算机仿真获得。

其次，基于FRM的滤波器具有过渡带陡峭而群时延又很小的特性，因此采用FRM技术来设计单路FIR窄带滤波器，附图2示出了基于FRM技术滤波器的结构，附图3示出了N路FIR横向滤波器结果，两者作用就是完成FDM信号的分离和提取。根据附图2的滤波器结构，可以得到该滤波器的群时延为τ_f(ω)＝-(dφ_f/dω)，依据上述结构，并可得到以下约束关系：

$\left(\begin{array}{c}{\mathrm{d\phi }}_f/\mathrm{d\omega }\approx k_1({\mathrm{d\phi }}_d/\mathrm{d\omega },d{\phi }_e/\mathrm{d\omega })\\ {\mathrm{d\phi }}_d/\mathrm{d\omega }={\mathrm{d\phi }}_1/\mathrm{d\omega }+{\mathrm{d\phi }}_3/\mathrm{d\omega }\\ d{\phi }_e/\mathrm{d\omega }={\mathrm{d\phi }}_2/\mathrm{d\omega }+{\mathrm{d\phi }}_4/\mathrm{d\omega }\end{array}\right)---\left(1\right)$

$\frac{{\mathrm{d\phi }}_i}{\mathrm{d\omega }}\approx \frac{1}{A_i^2}{h}_i^T{P}_i{h}_i,i=\mathrm{1,3,4}---\left(2\right)$

dφ₂/dω≈k₂dφ₁/dω                                            (3)

其中k₁、k₂和A是与影响原型滤波器过渡带的比例因子以及权系数矢量信号长度等有关的量。P是与h维数相同的方阵。式中的“≈”只表示对应约束关系。由式(1)(2)和(3)可以得到FRM滤波器的群时延与权系数h的约束关系：

$t_f\left(\omega \right)=\frac{{\mathrm{d\phi }}_f}{\mathrm{d\omega }}\approx {\mathrm{Kh}}^T\mathrm{Ph}---\left(4\right)$

K与k₁、k₂和A等有关。从式(4)可以发现，FRM滤波器群时延与权系数h存在约束关系，即FRM滤波器的群时延与其对应的权系数h有关，因此通过调节滤波器权系数h可以改变FRM滤波器的群时延特性。

TDRSS的反向链路地面终端站的基于FDM技术的FIR分离滤波器组(3)就由30个附图2和附图3所示的FIR滤波器组成，其满足过渡带陡峭而单路带内群时延小的要求，且通过调节单路滤波器的权系数就可以改变对应的滤波器的群时延特性。

最后，在TDRS系统的地面终端站中，由地面站的天线接收来自中继星转发器发射的30路阵元的FDM信号，经地面终端站的前级处理(1)的完成低噪声放大、变频、宽带滤波和FDM预分离等处理，然后送入A/D转换器及数字下变频(2)进行模数转换和数字下变频，如有N路阵元信号，对应就有N个A/D转换器及数字下变频(2)。采用FRM技术设计具有过渡带陡峭而群时延又很小的N路基于FRM的FIR窄过渡带滤波器(3)，其主要作用是采用窄过渡带滤波以消除相邻频道的邻道干扰，和消除A/D后的混叠成分。基于式(4)单路滤波器的群时延与滤波器权系数的关系，可采用说明书附图4所示的基于自适应联动算法的FRM滤波器组来实现30路阵元信号的群时延一致性最优。自适应联动算法是采用LMS算法来优化各个滤波器的权系数，以调整单路滤波器群时延特性，并让各路滤波器的群时延变化具有相关性。其调整的过程是：

①根据30路滤波器组(3)输出的多路阵元信号，在(5)中提取各路阵元信号的实时相位，并在(5)中与对应频率进行求导，即可得到各路滤波器输出的阵元信号的群时延最大值τ_i，i＝1，2，…，30；

②根据各路阵元信号的群时延最大值，在(5)中计算出滤波器组实时输出信号的多路群时延的实际统计量其中为多路阵元信号实际群时延的均值，为方差；

③基于所得到的多路阵元信号的群时延实际统计量和满足TDRS系统DBF指向精度要求的多路阵元信号的群时延规定统计量定义误差信号根据系统的实际要求设定阈值ε。如果e(n)≤ε，则无需调整30路FRM滤波器组的权系数；如果e(n)＞ε，则在(7)中采用最小均方(LMS)算法来调节FDM分离滤波器组的各路滤波器(3)的权系数w_i，使误差信号e(n)满足e(n)≤ε，从而使FDM分离滤波器组输出的30路阵元信号的群时延一致性最优；

④把滤波器组(3)调整了群时延一致性的各路信号送入地面终端站的后级处理模块(4)进行数字波束形成、解扩和解调等处理。由于滤波器组(3)改善了多路阵元信号的群时延非一致性，因此能够提高地面DBF的指向精度。

按照上述设计步骤获得的FDM分离滤波器组，其单路滤波器群时延的参数设定是基于滤波器组的群时延一致性最优，因此各路滤波器群时延变化具有相关联动性，也许单路滤波器的群时延并不一定最好，但是滤波器组的群时延一致性肯定是最优的。因此，FDM分离滤波器组的各路滤波器的权系数具有相关联动性(故称：联动算法)。

采用说明书附图所示的滤波器组权系数联动算法，可以获得30路FDM分离滤波器，其满足单路滤波器过渡带陡峭而多路群时延一致性又是最优的要求。同时，由于是根据实际输出信号反馈的多路群时延分布情况得到的，因此，该算法不但可以平衡由FDM分离滤波器组自身造成的群时延非一致性，还可以改善整个信道环节的群时延非一致性。尤其是该算法是通过反馈信号实时更新滤波器组的权系数，因此该联动算法还具有自适应。

需要说明的是：采用数字化的FRM技术来设计分离滤波器组，需要在FRM滤波器之前加入A/D环节，为了不造成A/D变化时引起信号混叠，因此“FDM分离模块”应包含预分离滤波器组，这预分离滤波器组可采用常规的带通滤波器，其过渡带可以适当放宽(因为根据TDRSS的FDM频道设置，两路频点之间设有保护间隔)，因此预分离滤波器组因过渡带较宽，其群时延相对可以忽略。为了进一步消除FDM预分离后阵元信号间邻道干扰，以及选取A/D后有用信号，采用FRM技术来设计A/D后的滤波器组。由于是在原方案A/D后必须存在的数字滤波器组的基础上加入FRM技术，并且是采用软件算法就可以实现，因此不会增加系统硬件规模。