一種寬帶陣列校正濾波器系數(shù)計(jì)算方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及寬帶接收陣列天線領(lǐng)域，具體涉及一種寬帶接收陣列通道幅相誤差校 正濾波器系數(shù)計(jì)算方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 早期的陣列天線技術(shù)主要針對(duì)窄帶信號(hào)，隨著通信業(yè)務(wù)的發(fā)展和通信信息量的增 加，陣列天線系統(tǒng)向?qū)拵Щ较虬l(fā)展。理想寬帶接收陣列天線的結(jié)構(gòu)如圖1所示，陣列陣面 各陣元接收空間信號(hào)經(jīng)射頻前端后，下變頻為中頻信號(hào)，再經(jīng)采樣、數(shù)字正交化得到解析信 號(hào)，然后進(jìn)行數(shù)字波束形成。數(shù)字波束形成的條件是要求信號(hào)通過(guò)陣列射頻前端時(shí)要保持 它們之間的幅度和相位關(guān)系不變。由于寬帶陣列天線接收信號(hào)是寬帶信號(hào)，且陣列通道中 往往包含有高頻放大器、混頻器、中頻放大器、濾波器等模擬器件，這些模擬器件及其構(gòu)成 的有源電路不可避免地存在著幅度和相位差異，同時(shí)再加上其他外部因素的影響，例如：噪 聲、溫度、器件老化等，勢(shì)必使得寬帶陣列通道間存在幅相特性不一致，即通道失配。通道失 配會(huì)影響陣列系統(tǒng)的性能，致使旁瓣電平升高、干擾零陷變淺以及陣列增益的降低等，嚴(yán)重 時(shí)甚至使陣列系統(tǒng)不能正常工作。因此，波束形成前必須要對(duì)寬帶陣列的通道失配進(jìn)行校 正。
[0003] 寬帶陣列通道失配主要包括各通道之間的幅頻特性和相頻特性不一致，為了校 正寬帶陣列通道幅相誤差，需在各陣列通道后附接一有限長(zhǎng)沖擊響應(yīng)（Finite Impulse Response，F(xiàn)IR)濾波器來(lái)補(bǔ)償各失配通道的頻率特性，使陣列通道總的頻率響應(yīng)實(shí)現(xiàn)無(wú)失 真?zhèn)鬏?。校正濾波器對(duì)通道輸出信號(hào)進(jìn)行濾波校正，濾波器輸出信號(hào)作為數(shù)字波束形成器 的輸入信號(hào)。通道幅相誤差校正的關(guān)鍵在于求取濾波器權(quán)系數(shù)，根據(jù)求取方法的不同，通道 校正分為時(shí)域方法和頻域方法兩種。其中，傳統(tǒng)通道校正頻域方法利用傅里葉變換將信號(hào) 轉(zhuǎn)換到頻域，在整個(gè)第一奈奎斯特域內(nèi)直接對(duì)校正濾波器的期望頻率響應(yīng)和實(shí)際頻率響應(yīng) 做最小二乘擬合，進(jìn)而求取校正濾波器權(quán)系數(shù)。由于是在整個(gè)第一奈奎斯特域進(jìn)行校正，所 以，濾波器頻率特性不僅包括了信號(hào)所占頻帶，也包括了帶外部分。但通道間的帶外幅頻不 一致性，對(duì)陣列波束形成性能并沒(méi)有影響。在校正濾波器階數(shù)一定情況下，考慮帶外幅頻特 性的校正，由于占用了濾波器自由度，會(huì)導(dǎo)致帶內(nèi)幅頻特性校正精度降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：傳統(tǒng)頻域最小二乘擬合方法進(jìn)行通道校正濾波器 系數(shù)計(jì)算時(shí)，如果校正濾波器階數(shù)一定，由于考慮了全帶寬內(nèi)的幅相誤差校正，導(dǎo)致通道帶 內(nèi)幅相誤差校正精度降低。
[0005] 解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案是一種寬帶陣列校正濾波器系數(shù)計(jì)算方法，具體步驟如 下：
[0006] 第一步，寬帶接收陣列包括M+1個(gè)接收通道，第0個(gè)通道為參考通道，由陣元、射頻 前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)，依次連接構(gòu)成，第1個(gè)到第M個(gè)接收通道為待校正通道，每個(gè)待校 正通道結(jié)構(gòu)相同，由陣元、射頻前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)、校正濾波器依次連接構(gòu)成；每個(gè)待 校正通道的校正濾波器為一個(gè)由L個(gè)系數(shù)構(gòu)成的有限沖擊響應(yīng)（FIR)濾波器，其中L為大 于1的整數(shù)；校正濾波器系數(shù)通過(guò)系數(shù)計(jì)算模塊計(jì)算得到；
[0007] 第二步，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射一個(gè)寬帶信號(hào)f(t)用于校正濾波器系數(shù)計(jì)算，該信號(hào)的數(shù)字域 頻譜范圍為ω Η]，即該信號(hào)頻率范圍等于陣列工作時(shí)接收信號(hào)的頻率范圍，其中， 表示頻率范圍下限，而ωΗ表示頻率范圍上限，且〇 < ω ,< ω Η< 231 ;參考通道的模數(shù)轉(zhuǎn) 換器（ADC)輸出信號(hào)為fMf(k)，而第m個(gè)待校正通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)為f m(k)，其中， k為米樣序號(hào)，該序號(hào)從0開(kāi)始編號(hào)，m = 1，2,…，M ;
[0008] 第三步，在校正濾波器系數(shù)計(jì)算模塊中，通過(guò)帶內(nèi)最小二乘擬合方法計(jì)算每個(gè)通 道待校正濾波器系數(shù)，第m個(gè)待校正通道的校正濾波器系數(shù)矢量為h m，其中hm= [hm(l ... Ut，符號(hào)"[]τ"表示轉(zhuǎn)置，m= 1，2,…，Μ;帶內(nèi)最小二乘擬合方法計(jì)算第m個(gè)待校正通道 的校正濾波器系數(shù)的步驟為：
[0009] (1)在參考通道中，取連續(xù)的K個(gè)采樣信號(hào)fMf(k)，在第m個(gè)待校正通道中，取連 續(xù)的K個(gè)采樣信號(hào)f m(k)，其中k = 0, 1，"·，κ-1，κ為大于L的正整數(shù)；
[0010] ⑵分別對(duì)序列fMf(k)和fm(k)做離散傅里葉變換，序列f Mf(k)的離散傅里葉變 換輸出序列為FMf(n)，fm(k)的離散傅里葉變換輸出序列SF m(n)，其中k = 0, 1，"·，Κ-1，η =〇, 1，…，K-I ;
[0011] (3)通過(guò)序列FMf(n)和序列Fm(n)對(duì)應(yīng)元素相除，得到第m個(gè)待校正通道的校正 濾波器頻域響應(yīng)序列j
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種寬帶陣列校正濾波器系數(shù)計(jì)算方法，其具體步驟如下： 第一步，寬帶接收陣列包括M+1個(gè)接收通道，第0個(gè)通道為參考通道，由陣元、射頻前 端、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)，依次連接構(gòu)成，第1個(gè)到第M個(gè)接收通道為待校正通道，每個(gè)待校正 通道結(jié)構(gòu)相同，由陣元、射頻前端、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)、校正濾波器依次連接構(gòu)成；每個(gè)待校 正通道的校正濾波器為一個(gè)由L個(gè)系數(shù)構(gòu)成的有限沖擊響應(yīng)（FIR)濾波器，其中L為大于 1的整數(shù)；校正濾波器系數(shù)通過(guò)系數(shù)計(jì)算模塊計(jì)算得到； 第二步，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射一個(gè)寬帶信號(hào)f(t)用于校正濾波器系數(shù)計(jì)算，該信號(hào)的數(shù)字域頻譜 范圍為[c^ ?H]，即該信號(hào)頻率范圍等于陣列工作時(shí)接收信號(hào)的頻率范圍，其中，表示 頻率范圍下限，而《H表示頻率范圍上限，且〇 < ? ^< ? H< 2JT;參考通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)輸出信號(hào)為fMf (k)，而第m個(gè)待校正通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸出信號(hào)為fm (k)，其中，k為 米樣序號(hào)，該序號(hào)從〇開(kāi)始編號(hào)，m= 1，2,…，M; 第三步，在校正濾波器系數(shù)計(jì)算模塊中，通過(guò)帶內(nèi)最小二乘擬合方法計(jì)算每個(gè)通道待 校正濾波器系數(shù)，第m個(gè)待校正通道的校正濾波器系數(shù)矢量為hm，其中hm=[hm(l . . .h^] T，符號(hào)"[]T"表示轉(zhuǎn)置，m= 1，2,…，M;帶內(nèi)最小二乘擬合方法計(jì)算第m個(gè)待校正通道的校 正濾波器系數(shù)的步驟為： (1) 在參考通道中，取連續(xù)的K個(gè)采樣信號(hào)fMf (k)，在第m個(gè)待校正通道中，取連續(xù)的K 個(gè)采樣信號(hào)fm(k)，其中k= 0, 1，…，K-l，K為大于L的正整數(shù)； (2) 分別對(duì)序列fMf(k)和fm(k)做離散傅里葉變換，序列fMf(k)的離散傅里葉變換輸 出序列為FMf(n)，fm(k)的離散傅里葉變換輸出序列為匕(1〇,其中k= 0, 1，…，K-l，n= 〇, 1，…，K-1 ; (3) 通過(guò)序列FMf(n)和序列Fm(n)對(duì)應(yīng)元素相除，得到第m個(gè)待校正通道的校正濾波 器頻域響應(yīng)序歹！
，其中n= 0, 1，…，K-1 ; (4) 根據(jù)信號(hào)頻率范圍，確定兩個(gè)正整數(shù)&*nH，其中，^為滿足
的最小 整數(shù)，nH為滿足
的最大整數(shù)；在序列Hm(n)中，取nH-n!+l個(gè)兀素，構(gòu)成列矢量
符號(hào)"[]T"表示轉(zhuǎn)置； (5) 定義（njrnjDXL維頻率因子矩陣
(6) 計(jì)算第m個(gè)待校正通道的校正濾波器系數(shù)矢量
，其中符號(hào)"[] H"表示求共軛轉(zhuǎn)置，符號(hào)"（r1 "表示求逆矩陣； 第四步，校正濾波器系數(shù)計(jì)算模塊把hm傳遞給第m個(gè)待校正通道的校正濾波器，作為 濾波器系數(shù)，用于陣列工作時(shí)對(duì)接收信號(hào)的校正，其中m= 1，2,…，M。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種寬帶陣列校正濾波器系數(shù)計(jì)算方法。第一步，選擇第0個(gè)通道為參考通道，第1個(gè)到第M個(gè)通道為待校正通道；第二步，遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射一個(gè)寬帶信號(hào)f(t)用于校正濾波器系數(shù)計(jì)算，該信號(hào)頻率范圍等于陣列工作時(shí)接收信號(hào)的頻率范圍；第三步，在校正濾波器系數(shù)計(jì)算模塊中，通過(guò)帶內(nèi)最小二乘擬合算法計(jì)算每個(gè)待校正通道校正濾波器系數(shù)，第m個(gè)待校正通道的校正濾波器系數(shù)矢量為hm，其中m＝1,2,…,M；第四步，校正濾波器系數(shù)計(jì)算模塊把hm傳遞給第m個(gè)待校正通道的校正濾波器，作為濾波器系數(shù)。與傳統(tǒng)頻域校正濾波器系數(shù)計(jì)算方法相比，本發(fā)明方法在相同的濾波器階數(shù)情況下，帶內(nèi)具有更高校正精度。本發(fā)明可以應(yīng)用于寬帶接收陣列天線的通道幅相誤差校正領(lǐng)域。
【IPC分類】H04B7-08
【公開(kāi)號(hào)】CN104779989
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510238103
【發(fā)明人】曾浩, 劉陸軍, 楊清昆, 周建文, 崔悅琪, 劉玲, 董濤
【申請(qǐng)人】重慶大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年7月15日
【申請(qǐng)日】2015年5月11日