1、第4章 自适应天线原理及应用 第4章 自适应天线原理及应用 4.1 概述概述 4.2 自适应天线中的天线阵自适应天线中的天线阵 4.3 自适应天线的基本理论自适应天线的基本理论 4.4 原型自适应天线系统原型自适应天线系统旁瓣对消器旁瓣对消器 4.5 扩谱通信系统中的自适应天线阵列扩谱通信系统中的自适应天线阵列 4.6 频域自适应滤波频域自适应滤波 4.7 自适应波束形成算法自适应波束形成算法 第4章 自适应天线原理及应用 4.1 概概 述述 4.1.1 采用自适应天线阵的原因采用自适应天线阵的原因 1.常规接收机系统输入信干比低的原因及其提高方法常规接收机系统输入信干比低的原因及其提高方法
2、无论是民用通信还是军事通信，电磁环境的恶化常常使接收机输入信干比很低，使通信的性能恶化。造成信干比低的原因有以下几种：(1)内部、外部噪声干扰。(2)敌方施放的电子干扰（ECM）。(3)同一地区、空间电台间的无线电干扰。(4)多种散射体的杂乱回波造成的干扰。(5)天线运动及天线场地条件的不良。(6)电波传输中引起的多径效应（衰落干扰）。第4章 自适应天线原理及应用 以上所有的干扰都通过天线波束或通过主波束进入接收机，使接收机输入端信干比大大下降。为了改善和提高信干比，最佳的方法之一就是把干扰“拒之门外”。从天线入手抗干扰的效果最能令人满意。自适应天线阵抗干扰的基本思想就是通过实时控制天线的方向
3、图来强化信号，抑制干扰。也就是说，基于信号和干扰传来的方向差异，通过自动调整天线阵的内部参数，使方向图的主波束对准信号方向，边波束零方向对准干扰，以达到提高接收机输入端信干比之目标。第4章 自适应天线原理及应用 2.自适应天线阵的优点自适应天线阵的优点 自适应天线阵分为发射天线阵和接收天线阵两种。与常规天线阵相比，自适应天线阵具有以下优点：（1）具有自动感知干扰源存在并抑制其影响的能力，可根据所需增强接收信号的能力，而不需知道干扰和信号的先验信息。（2）与常规天线阵相比，自适应天线阵的性能更加稳定可靠。例如，常规阵只要有一个天线单元失效，边波束就会增大，阵灵敏度方向图的边波束结构就会明显变坏。
4、但自适应阵可以自动调整边波束小到可以接收的信号电平为止。第4章 自适应天线原理及应用 （3）自适应阵依靠空间特性改进(SNR)in，和扩谱通信相比，在相同的抗干扰能力下，靠波形处理抗干扰的扩谱通信需要更大的扩谱比。（4）自适应阵能够选出和鉴别空域、频域及极化上多种不同的信号。（5）自适应阵和其它抗干扰技术相配合，可获得更高的实际抗干扰能力。第4章 自适应天线原理及应用 4.1.2 自适应天线阵的技术现状及发展自适应天线阵的技术现状及发展 自适应天线发展到今天，已经有40多年的历史了。自适应天线首先在军事通信领域使用，主要用于抗敌方的干扰。近几年，在民用移动通信，如CDMA系统中也有了广泛的应用
5、。例如，采用自适应天线阵可实现空间滤波瑞克接收系统，多用户空间处理，下行链路波束形成，用户方向矢量估计及定位等。自适应天线阵的技术及研究内容大致经历了三个阶段。最初的一个主攻方向是使自适应阵能在工作环境中获得满意的信噪比(SNR)控制，即主要集中在自适应波束控制技术上，如反向波束技术、自适应相控技术、自适应聚束技术等。第二阶段主要研究如何获得快的暂态响应，从而使自适应天线系统迅速地自动适应变化着的所需信号和干扰环境。第三阶段的工作主要集中在空间谱估计上，如最大似然谱估计、特征空间正交谱估计等。在大规模集成电路和超大规模集成电路发展的促进下，自适应天线阵步入了广泛的实用阶段。第4章 自适应天线原
6、理及应用 4.1.3 自适应天线阵的组成及重点要解决的问题自适应天线阵的组成及重点要解决的问题 自适应天线阵的功能框图如图 4-1(a)所示，它给出了自适应阵系统的主要组成单元。要成功地达到既要增强接收所需信号又要抑制干扰信号这两个目标，自适应阵系统必须具备这些组成单元。自适应阵的组成单元包括：传感器阵(阵列天线)、方向图形成网络和自适应处理器(自适应方向图控制器)。其中，方向图形成网络与自适应处理器一起被称为自适应波束形成网络。第4章 自适应天线原理及应用 图 4-1 自适应天线阵(a)自适应天线阵的功能框图；(b)求Sk(t)的示意图 控制算法信号处理器wNXN(t)w1w2y(t)天线阵
7、输出方向图形成网络X2(t)X1(t)d12N传感阵列s(t)波前(a)自适应处理器第4章 自适应天线原理及应用(b)d天线阵轴线天线天线阵垂线S(t)d sin天线图 4-1 自适应天线阵(a)自适应天线阵的功能框图；(b)求Sk(t)的示意图 第4章 自适应天线原理及应用 由图4-1 可知，传感器阵列的输出为 NktntStXkkk,2,1)()()(4-1-1)式中：Sk(t)为信号向量；nk(t)为噪声(干扰)向量。当自适应天线阵的阵列间距为等间距时，求Sk(t)的方法如图 4-1(b)所示。式(4-1-1)中：sin2exp)()(kdjtStSk(4-1-2)式中：为入射波波长。第
8、4章 自适应天线原理及应用 自适应天线阵的输出为,)()(21T21TTT1NNkNkkxxxXwwwWWXXWtXwty(4-1-3)(4-1-4)(4-1-5)自适应阵重点要解决的问题为：选择方向图形成网络中的复加权系数wk，使之性能最佳。所以必须研究出确定某种最佳系数的检测准则以及与之相应的有关自适应算法。第4章 自适应天线原理及应用 4.2 自适应天线中的天线阵自适应天线中的天线阵 4.2.1 信号环境信号环境 1.有源和无源传感器中的信号有源和无源传感器中的信号 （1）有源传感器能产生脉冲信号，这些信号通过传输媒质传播到某个目标后被反射，又返回原发射器。在侦收的大部分时间内，虽所需信
9、号结构和传来方向已知，但信号并不经常存在。例如雷达和声纳等。有源传感器只要有信号存在就很容易识别。第4章 自适应天线原理及应用 （2）无源传感器所需信号是目标对象本身产生的，在接收的大部分时间内信号都存在，但所需信号传来方向未知，所传输的信息也未知。例如通信信号。所需信号和干扰信号最主要的区别是它们占据的频带不同。扩谱系统使用已知的PN码调制传送波形，这就提供了一个方便地鉴别所需信号的方法。第4章 自适应天线原理及应用 2.信号模型信号模型 设有一个天线接收阵列，由N个传感器组成，所接收的波形对应N个输出：x1(t),x2(t),xN(t)。用接收信号矢量X(t)表示N个输出，则有 Tttxt
10、xtxtXN)()()()(21其中，t为观察时间间隔。第4章 自适应天线原理及应用 设接收信号矢量中的所需信号成分为S(t)，噪声为n（t），则 X(t)=S(t)+n(t)0tT(4-2-2)TttstststSN)()()()(21(4-2-3)式中的信号分量可精确已知（中心频率、带宽等）、粗略已知或只知道其统计特性。干扰是未知的，在最好的情况下，干扰噪声是平稳的随机过程，甚至完全未知，但其特点都是随时间的推移而变化的。第4章 自适应天线原理及应用 3.理想传播模型理想传播模型 通常假设，信号矢量S(t)与在空间某个信号源产生的标量信号s(t)的关系为 d)()()(stmtS(4-2-
11、4)式中,m(t)的第i分量mi(t)表示从源到第i个传感器的传播效应和第i个传感器的单位响应。在理想情况下，传播是无频散的，传感器是无畸变的，那么mi(t)就简单地是时间延迟(t-i)。这样，每一传感器单元所需信号分量除了时间延迟不同外，其余都相同，于是有)()()()(21NtstststS(4-2-5)第4章 自适应天线原理及应用 在实际中的处理方法是，将有用信号的传播特性看成是一个平面波的传播，如图4-2所示。S(t)为从方向来的平面波。不同的延时可表示为 vii(4-2-6)其中：v为速度;（点积）Ti,T表示转置;i为每个传感单元的坐标矢量。若能在每个传感器单元上用试验测定它们的相
12、对延时，那么可确定(未知的到达方向)。第4章 自适应天线原理及应用 ZYX波前传感器的位置4321S(t)图4-2 平面波传播示意图第4章 自适应天线原理及应用 4.2.2 天线阵列单元的配置天线阵列单元的配置 （1）天线阵具有克服单一传感器固有的灵敏度与波束宽度受局限的可能性，同时还有改善波束图形的可能性。（2）天线阵内的传感单元的配置，决定了阵列的分辨率和干涉效应（即形成栅状边波束效应）。若阵列维数n提高，则分辨率提高;若间距加大，则分辨率也提高。当有用信号与干扰方向的来波角差别比较小时，较高的阵列分辨率能提高最大输出SNR。而分辨率越高，阵列方向图的零值点波束更加陡峭。（3）一个由N个传
13、感单元组成的线天线具有N1个自由度。天线方向图将有N1个波束零点可独立地加以调整。第4章 自适应天线原理及应用 1.对称的传感单元对对称的传感单元对 如图4-3所示，天线、为相同的无方向天线，间距为d。设信号X(t)在含二元天线的一个平面内投射于二元上。信号源与阵法线的夹角为，信号到达元比到达元延迟一个时间：vdsin(4-2-7)令阵输出为y(t)y(t)=X(t)+X(t-)(4-2-8)若X(t)为一窄带信号，其中心频率为f0。因0=v/f0，延迟时间为，所以相当于相移为)rad(sin20d第4章 自适应天线原理及应用 d阵轴线天线天线X(t)d sin阵法线图4-3 等间距天线阵第4
14、章 自适应天线原理及应用 则 21)1()()(iijetxty(4-2-9)其中:sin20d 二元天线阵的方向图（即从不同方向来的某一特定频率上的信号响应的相对灵敏度）可由下式求得：0sin00221)1(sinsinsin2sin1)1(1)(djjjiijeddeeeA(4-2-10)第4章 自适应天线原理及应用 则 00sinsinsin2sin)(ddA(4-2-11)若以dB表示归一化方向图，则 22|)(|lg10)(NAG(4-2-12)设N=2,则式(4-2-12)变为 BAAGd4|)(|lg102|)(|lg10)(222第4章 自适应天线原理及应用 以不同的值代入，可
15、求得()的方向图曲线如图4-4所示。图4-4()的方向图曲线 010203090450 45 90G1()010203090450 45 90G2()010203090450 45 90G3()栅瓣主瓣5.00d10d5.10d)2sinsin()sinsin(|)(|A)sinsin()sin2sin(|)(|A)2sin3sin()sin3sin(|)(|A第4章 自适应天线原理及应用 当d/0=0.5时，只有一个基本波瓣主波瓣，在50有3 dB波束宽度，方向图的零点出现在=90处。这是因为两信号波前通过了两个传感单元，令信号准确地经历0/2的长度，这相当于在两个天线处产生了180的相位差
16、别，使得合成矢量等于零。当d/0 0.5时，天线方向图两零点从=90处向中心移动。当d=0时，零点在=30；当=90时,幅度等于主瓣在=0时的幅度。当d/01.5时，主瓣波束宽度进一步变窄，分辨率改善，方向图的两个零点进一步向中心移动，90处出现新零点。当d/0更大时，将出现更多的零点和栅状旁瓣，主波束宽度进一步变窄。第4章 自适应天线原理及应用 2.线天线阵列线天线阵列一个由N个等间距传感单元组成的线天线阵列的总响应为 Niijtxty11)-(e)()(4-2-13）阵列因子为 2sin2sinee)(1)-j(11)-(NANNiij(4-2-14）阵列归一化方向特性为 22|)(|lg
17、10)(NAG(4-2-15）第4章 自适应天线原理及应用 在上式中，当：（1）sin=0或=k2时有最大值。（2）当d/0足够大时，对N个振子来说，只要 Nd2sin20便输出一个数值为“0”的和，这个“0”值矢量和发生于1方向，且 dN011sin令阵列长度L=(N-1)d,则 dL01arcsin(4-2-16)第4章 自适应天线原理及应用 （3）保证间距不变，当d/0=0.5时，增加相同天线单元数，则归一化方向图主瓣变窄，边波束和方向图零点增加,见图4-5。图4-5 三元阵、四元阵线天线阵方向图 5.040d元阵45增益/dB增益/dB4504545090902010010055.03
18、0d元阵第4章 自适应天线原理及应用 （4）间距加大时将出现更多的波束和零点，因而呈现干涉方向图形式。（5）若在直线阵第二元内加进一个相移,在直线阵第三元内加进一个相移2,在直线阵第N元内加进一个相移(N-1)，则主波束转向一个角度：d021arcsin例如:=-30,七元阵，,转移 5.00d)arcsin(21arcsin0d图4-6为七元阵线天线阵方向图，当间距d增大时，阵列波束方向图发生变化。图 4-7为其实现原理框图。第4章 自适应天线原理及应用 图4-6 当间距d不同时七元阵线天线阵方向图 20100454509090方位角1.00d20100454509090方位角2.00d增益
19、/dB20100454509090方位角5.00d增益/dB20100454509090方位角5.00d增益/dB20100454509090方位角30 5.00d增益/dB30增益/dB第4章 自适应天线原理及应用 图4-7 相控方向图的七元直线阵原理框图 y(t)34562传感单元20dd第4章 自适应天线原理及应用 3.面天线阵列面天线阵列面天线阵列的整个天线阵共有NxNy个传感单元，如图4-8所示。图4-8 面天线阵列 传感单元zy在 x-y平面上的投影p(,)p(,)x(t)Nx个xdydx1Ny个第4章 自适应天线原理及应用 当只考虑单独一行传感单元时，有 xxNiijtxty1)
20、1(e)()(4-2-17)cossin20 xxd(4-2-18)yyNkkjtxty1)1(e)()(sinsin20yyd(4-2-19)(4-2-20)第4章 自适应天线原理及应用 即输出信号与投影的方位角及仰角有关。则由所有传感单元接收引入的总的信号的向量和为 yxyxkjNiNkijtxty1)-(111)-(ee)()(（4-2-21）则矩形面天线阵的方向特性可由下式求得 yyxxyxyxNkiyNkixyxkNiNkiAAAAA11)-j(11)-j(1)-j(111)-j(e),(e),(),(),(ee),(（4-2-23）（4-2-22）即面天线方向图可由两个线天线阵因子
21、的乘积求得。第4章 自适应天线原理及应用 4.2.3 天线阵的性能天线阵的性能 1.用调节天线阵响应的方法改善信号接收质量用调节天线阵响应的方法改善信号接收质量 这里通过一个例子具体讨论如何选择天线阵列内部插入电路的复加权值，以实现天线阵方向性的“调节”，达到提高信干比的目的。其电路原理图如图4-9所示。该天线阵全方向具有相同阵元，入射角=/6。设P(t)、I(t)的中心频率相同，都为0。在两阵元之间连线的中心点上，P(t)与I(t)同相（这里为了分析方便，不是必要条件），每个阵元加复加权网络。第4章 自适应天线原理及应用 w1 jw2w3 jw420d阵输出所需信号干扰信号6tptP0je)
22、(tNtI0je)(图4-9 复加权值调节电路第4章 自适应天线原理及应用 P(t)在输出端时，有)()(e)(4231j10wwjwwptyt（4-2-24）为了P(t)能输出，上式必满足：w1+w3=1,w2+w4=0（4-2-25）I(t)在输出端时，有)(e)(e)(e)(e)(434j214j43sin2j21sin2j2000000jwwNjwwNjwwNjwwNtyttdtdt（4-2-26）第4章 自适应天线原理及应用 因为)1(e 21e),1(e 21e0000j4jj4jjjtttt为了I(t)能输出，y2(t)=0,必满足下列条件：0043214321wwwwwwww则
23、有：w1=1/2，w2=1/2，w31/2，w41/2。当加权因子满足上述条件时，阵列输出P(t)，抑制I(t)。第4章 自适应天线原理及应用 这种通过复加权值抑制干扰的方法，并不是自适应天线阵十分有效的方法，因为此方法仅考虑干扰从一定方向输入的情况，又假定信号、干扰都为正弦信号，而且利用了有参频率和信号入射方向的先验信息，这些都是特殊条件，没有一般性。但该例也表明，调整加权 w 能提供自适应天线阵系统实现的可能性。第4章 自适应天线原理及应用 2.天线阵设计原则天线阵设计原则 天线阵设计原则：阵元个数N尽量少，分辨率高，旁瓣电平要低，其相互关系必须折中考虑。空间随机配置传感单元，平均间距大于
24、23波长（可略去互相耦合的影响），则无需大量阵元个数，便可设计出窄波束主瓣和宽带天线。此理论由Lo（罗远祉）提出和发展。它提供了用概率的概念预测各种单元配置结果的比较有效的办法。这种预测可在任何具体计算之前进行，可使天线阵设计成功的可能性增大。第4章 自适应天线原理及应用 随机配置传感单元的天线阵具有以下特性：（1）必要的N与要求的旁瓣电平有关，一般情况下，N应大大小于等间隔数。（2）分辨率与天线尺寸有关。（3）增益G与N成正比。（4）N固定时，采用随机配置单元法，相应的天线分辨率和带宽的改善因子可达10、100或更大，其旁瓣电平不会很高。第4章 自适应天线原理及应用 以上分析条件：N50，大
25、多数单元在广阔空间分散配置开。天线的旁瓣电平分布为：4-r)e1()(2aNrrxp旁瓣电平其中：pr（xr）为xr的概率;4a为最接近4a的两个整数中较大的一个;N为阵元总数;r为主波束最大值归一化为1时的边波束电平；a为以波长计算的尺寸。第4章 自适应天线原理及应用 4.2.4 天线阵各种阵列效应对调零的限制作用天线阵各种阵列效应对调零的限制作用 1.用用 wwpwpn)()(0来衡量各天线阵列效应对调零的限制作用 抵消有害干扰的有效性是通过来衡量的，其中，p0(w)为阵列总输出的噪声功率谱密度，pn(w)为各通路上内部噪声功率谱密度。下面以二元阵为例来说明。如图4-10所示，到达单元1的
26、干扰信号为s(t),到达单元2的干扰信号为s(t-)，且 wwpwpn)()(0sinvd(4-2-27)其中，为干扰方向与阵法线方向的夹角。第4章 自适应天线原理及应用 图4-10 自适应噪声对消器 Y(t)w1s(t)1w2s(t)2dpJ f0阵法线第4章 自适应天线原理及应用 经加权后有)()()()()(212211tswtswtswtswty(4-2-28)对上式作复式变换，得)e)()(-j21wwswy(4-2-29)为了在特定f0上准确抵消干扰，必须满足下式：e1)()(e)-(j-1j1200wsyww令|s()|2=pJ,则|y()|2=|w1|22-2 cos(-0)p
27、J 第4章 自适应天线原理及应用 则阵列输出的总噪声功率谱密度p0(w)为 Jpwwp)(cos1|2)(0210(4-2-30)其中：pN为各通路上内部噪声功率谱密度。输出噪声功率谱密度pn(w)=2|w1|2pN，则 N00)(cos11)()(pwpwpn(4-2-31)其中：pJ/pN为每条通路上干扰功率谱密度与内部噪声功率谱密度之比。在中心频率0上，要求天线阵图的零点准确对准干扰机方向。所以p0/pn=1。由于干扰信号有一定带宽，因此除f0外，输出干扰的其它频率成分不会被全部衰减。第4章 自适应天线原理及应用 例如，有二元阵的干扰信号带宽为10 MHz，则其 曲线如图4-11所示。从
28、图4-11中可以看出，在频带边沿10MHz处残留的干扰为12 dB，也就是说，有12dB未抵消的干扰功率。当d、增大时，零值带宽变窄，零值带宽与单元间距成反比，与的sin值成反比，即 wwpwpn)()(0NJnppwwvdwpwp)(sincos11)()(00（4-2-32）第4章 自适应天线原理及应用 图4-11 wwpwpn)()(0曲线 029530030524681012f/MHzdB 30NJppdB 40MHz 30029000NJppfddB/)(0wppn第4章 自适应天线原理及应用 2.干扰信号带宽对对消比的影响干扰信号带宽对对消比的影响 这里以二单元天线阵为例来说明干扰
29、信号带宽对对消比的 影响，见图4-12。设干扰是具有带宽为B Hz的平坦功率谱密度，可得到对消比：220)()(sin1BBppJ(4-2-33)其中，p0为对消后输出的剩余功率。此式的证明可参考Introduction to Adaptive Arrays的第2章Robert A.Monzingo和Thomas W.Miller,1980版。第4章 自适应天线原理及应用 图4-12 二元干扰对消器原理图w1s(t)dpJ干扰对消输出第4章 自适应天线原理及应用 图4-13 对消比与干扰信号带宽传播延时积的关系 0.010.0010.1B2030405060dB/0Jpp第4章 自适应天线原理
30、及应用 3.多支路间幅度和相位失配对对消比的影响多支路间幅度和相位失配对对消比的影响 幅度、相位失配模型如图4-14所示，此处略去延时效应。图4-14 相位失配模型图 y(t)相位误差 ej12通道增益 a第4章 自适应天线原理及应用 由图4-14可知：je1)(aty(4-2-34)对消后的输出功率为 cos21|e1|)(|22j2aaaty(4-2-35)第4章 自适应天线原理及应用 图4-15 对消比 与a、的关系 Jpp0 实际工作中要求：幅度误差在0.5dB以内，相位误差在2.8范围以内时，对消比可达25dB。20304050600.010.1110仅有幅度误差(0)仅有相位误差(
31、a1)dB/0Jpp误差注：幅度误差用dB表示；相位误差用度()表示。第4章 自适应天线原理及应用 4.2.5 关于窄带与宽带信号处理的问题关于窄带与宽带信号处理的问题 1.用正交混合电路实现复加权（窄带干扰信号的处理方用正交混合电路实现复加权（窄带干扰信号的处理方法）法）前面讨论的抑制干扰的二元阵可用复加权网络来实现，见图4-16。每个传感单元阵的输出实现复加权的常用方法是采用正交混合电路，采用正交混合电路实现复加权网络的方法见图4-17。第4章 自适应天线原理及应用 图 4-16 二元阵复加权网络 w1 jw2w3 jw4Y(t)第4章 自适应天线原理及应用 图4-17 采用正交混合电路实
32、现复加权 90w1同相支路w2输出为 Aej正交支路第4章 自适应天线原理及应用 图4-17中，输出为Aej，其中:222112,arctgwwAww其中，w1、w2是从正到负连续变化的。以上公式仅适用于窄带信号，即f1。假定带通滤波器是窄带的，因而02B式中以Hz为单位的B是带通滤波器的带宽。于是由消息调制所产生的带宽远小于载频。对于实际的0值，与1和2的任何时间变化有关的带宽也远小于0。第4章 自适应天线原理及应用 (4)90移相器的设计：移相器用1/4波长的延时使预期信号产生90相移。虽然延时不会对调制波形有重大影响，但因|0-1|1时，表明参考通路中有强的信号，在输出端将导致所需信号对
33、消。第4章 自适应天线原理及应用 当ir1时，导致输出信噪比o小于基本天线的输入信噪比i，即oi，自适应性能与单个天线比较性能下降。因为，所以当Grs远小于Grj时，对保证r较小值是有益的。结论：让参考天线波束指向干扰方向最理想的实现方法是，采用波束调向网络，使参考天线去搜索大功率干扰信号或有特征的干扰信号。nrjrsrGG第4章 自适应天线原理及应用 4.4.3 旁瓣对消器的应用举例旁瓣对消器的应用举例 1.陷波器陷波器 陷波器的构成，是由旁瓣对消器电路(见图4-26)改造而成的。改造的方法是：在参考天线端注入未调制载波作为X1(t)，则自适应系统在载频上表现为一个陷波器。此时，参考天线未加
34、入，则c10，j(t)、j(t)为常数。由式(4-4-5)可得 X1(t)=c2Aj(t)cos1t+j(t)+2y(t)=As(t)cos0t+s(t)=s(t)第4章 自适应天线原理及应用 因为 2110psrsGGc，所以Grs=0,代入式(4-4-25)得到 21rspjrjpsGGGG(很大的有限值)因此，式(4-4-23)中的第二项 0)(cos)(1210tttAss。又因为c1=0,所以 ,这恰好抑制掉1分量。也就是说,若要抑制1分量，从参考天线入端注入X1(t)Ajcos1t+j即可。0j211rcc第4章 自适应天线原理及应用 2.自适应零调向自适应零调向 我们通过自适应调
35、向来说明自适应天线系统的作用。因为不是寻求到的结果，而只是解释原有的结果，所以我们假定1 来简化数学分析。于是式(4-4-23)中的第二项与第一项相比可以忽略，而第三项与第四项相比可以忽略。公式推导如下：)(cos)()(cos)()(cos)()(cos)()(cos)(1)(cos)()()1(21j1jr0s211jr1jr210s0srtttAtttAtttAtttAtttAtttAtysjjss第4章 自适应天线原理及应用 令)(cos)()()(cos)()(21j0j1s0stttAtJtttAts分解二次项得：)(11)(1)()()(1rrrr1tJtstJtsty式中：s(
36、t)+J1(t)为基本天线所产生的响应；)(11)(11rrrrtJts为等效辐射图所产生的响应。第4章 自适应天线原理及应用 经整理后得y(t)为)(11)()(1rrrtJtsty即)()()()1(1rtJtstyr(4-4-26)y(t)为基本天线所产生的响应减去等效辐射图所产生的响应。等效对消辐射图或自适应波束在所需信号方向的增益为 ps2rrs1GG1 第4章 自适应天线原理及应用 干扰方向的增益为 pj2rrj11GG1 在所需信号方向和干扰方向上由自适应天线系统总的等效辐射图提供的增益分别为 ps2r2s11GGGGsps第4章 自适应天线原理及应用 2r2r2r2r2rrps
37、2rrr2r2rpsrr2rrpsrrps2rrps2rr2ps2rrpsps2)1()1(221)1()1(2)1(121112111212)(psrpsspssspsGGGGGGGGGGGGGGG第4章 自适应天线原理及应用 pj2rr21GGGGjpjj(4-4-27)假如r1，则GsGps。假如r小到使r2B（B为带通滤波器的带宽）不满足时，旁瓣对消器的性能将下降。所以对于宽带信号的自适应系统，必须更加精心制作。例如，使用多抽头延迟线。自适应波束形成和零调向图见图4-27。第4章 自适应天线原理及应用 图4-27 自适应波束形成和零调向图 基本天线辐射图对消辐射图总辐射图所需信号干扰第
38、4章 自适应天线原理及应用 4.5 扩谱通信系统中的自适应天线阵列扩谱通信系统中的自适应天线阵列 4.5.1 对扩谱通信系统中应用自适应天线阵列的要求对扩谱通信系统中应用自适应天线阵列的要求 对扩谱通信系统中应用自适应天线阵列的要求有如下几点：(1)自适应天线阵列加权是个随机过程，且阵列权对有用信号进行调制，因此必须选择有用信号的波形，以使该调制不会破坏通信系统的有效性。(2)有用信号和干扰波形间必须存在不同，以使阵列能区别这些信号。(3)当阵列用于系统时，必须设法产生参考信号所需响应d(t)和捕捉系统的定时或频率。第4章 自适应天线原理及应用 4.5.2 参考信号参考信号R(t)的实现方法的
39、实现方法 1.对扩频系统的回顾对扩频系统的回顾 设直接序列扩谱信号为 S(t)=A cos0t+(t)(4-5-1)其中:相位(t)为二进制波形，取值为0或，且有(t)=1(t)2(t)(模数为2)其中：1(t)为数据引入的相位;2(t)为PN码引入的相位。1(t)是由通信系统发送的有用信息引入的，它的比特速率为fd比特/秒；2(t)是由伪噪声码最长线性移位寄存器序列引入的，2(t)的速率为fc比特/秒。第4章 自适应天线原理及应用 扩频比为 Nffdc(N为整数)将1(t)、2(t)和(t)用波形表示见图4-28。第4章 自适应天线原理及应用 图4-28 扩谱系统波形示意图 0ttt001(
40、t)2(t)(t)Td2Td3Td4TdTd2Td3Td4TdTd2Td3Td4Td第4章 自适应天线原理及应用 2.R(t)产生办法产生办法适应阵列的R(t)提取电路如图4-29所示。图4-29 R(t)提取电路 数据带宽滤波器(1)l(t)比特检测(t)阵列出 s(t)限幅本地码r1(t)第4章 自适应天线原理及应用 收发码必须做到：两码间的定时偏移在半个比特以内时，阵列准确地跟踪有用信号;超过半个比特时，阵列抑制有用信号。由图4-29可知：阵列输出信号s(t)与本地码r(t)相乘。解扩的数据和干扰在(1)处被本地码“打乱”成为噪声，经数据带宽滤波器滤除干扰噪声后，干扰被抑制，恢复数据。由
41、于数据带宽滤波器输出信号幅度有起伏，因此经过限幅再与本地码r1(t)相乘便能产生期望信号R(t)。经过限幅器后，有用信号恒幅并有一定时延，但基本没有大的变化。例如，天线送入为等幅连续波CW干扰信号，经过环路被PN码破坏，R(t)中所含干扰部分必与CW不相关。第4章 自适应天线原理及应用 3.限幅器的作用限幅器的作用 (1)R(t)的幅度决定阵列输出幅度，限幅电平要能使其幅度落在乘法器正常工作范围之内。(2)R(t)幅度通过限幅器保证一个适当固定幅度，以使阵列输出获得最大信干噪比。(3)为使权重wi正常工作，限幅器要保证R(t)的幅度与阵列输出没有线性关系。若R(t)形成电路(见图4-26)是线
42、性的，对于有用信号,K1时,环路将返回一个大于阵列天线输出的R(t)，使阵列权重无限地增加。所以，R(t)幅度为一个定值，保证稳定工作。(4)由于限幅器使R(t)幅度固定，无论有用信号的入射信号大小如何变化，阵列输出有用信号的电压还是固定不变的。这对码跟踪定时的延迟锁相环路是非常重要的，它使码捕捉的置位门限与输入信号强度无关。第4章 自适应天线原理及应用 4.本方案提供的处理增益本方案提供的处理增益GpGp是两种抑制干扰系统级联而成的处理增益，即 Gp=Gt+GDS 其中：Gt为自适应天线阵抑制干扰的增益;GDS为扩谱通信系统的抗干扰增益。Gp可以很容易地达到 50dB的抗干扰处理增益。第4章
43、 自适应天线原理及应用 4.5.3 扩谱通信系统中的自适应天线阵列扩谱通信系统中的自适应天线阵列 图4-30 自适应天线阵一 w1(t)R(t)x1(t)w2x2(t)正交混合电路w2M1(t)x2M1(t)正交混合电路x2M(t)w2M(t)反馈控制误差信号S(t)(1tx)(txM第4章 自适应天线原理及应用 图4-31 自适应天线阵二(a)自适应反馈环路；(b)R(t)所需响应的产生 Xi(t)阵列输出信号来自其他单元的信号R(t)(t)(a)接收机信号处理(t)R(t)(b)第4章 自适应天线原理及应用 对R(t)和处理环路的要求：（1）R(t)与天线阵输出中的有用信号有高度相关关系。
44、（2）R(t)与天线阵输出中的干扰分量极不相关。天线阵列的反馈环路是相关电路，因此，这样的R(t)将使天线阵以所需的方式工作。R(t)与Xi(t)间的相关量影响权重wi。（3）信号处理环路允许有用信号分量通过而无变化。但是，若只要求R(t)与有用信号分量保持高度相关，则有用信号的某些失真和延迟是允许的。（4）R(t)应固定幅度，且与天线阵列输出中有用信号幅度无关。（5）处理环路应改变干扰分量的波形，使R(t)中的干扰分量与天线阵输出中的干扰分量不发生相关，即破坏原来波形的相关性。第4章 自适应天线原理及应用 自适应天线与直扩混合系统的特点是：(1)在锁相时，阵列提供充分的干扰防护，即干扰抑制与
45、本地伪噪声码定时无关。因为，阵列在摆动期间消除了干扰，所以延迟锁相环根本不用再去对付干扰。当收到干扰时，不用改变环中的积分时间、摆动速度和锁定的时间。(2)当码定时被校正时，阵列输出中的有用信号具有固定幅度，它与输入信号强度无关。这是由于阵列迫使输出的有用信号幅度与参考信号幅度一致而产生的(参考信号幅度受到限幅器的依次控制)。第4章 自适应天线原理及应用 图4-32 自适应天线与直扩混合系统的实现原理方框图 30 MHz带通滤波器平方10 MHz带通滤波器包络检波器开方Xx/y平方包络检波器开方限幅本地振荡器25 MHz信号输入70 MHzs(t)本地振荡器100 MHzPN1PN2/21 2
46、 3 4 nA定时获得定时捕捉电压比较器捕获门限电平转接器扫描电压中心频率微调电压Yy1(t)30 MHz带通滤波器5 MHz带通滤波器5 MHz带通滤波器5 MHz带通滤波器5 MHz带通滤波器电压控制频率振荡器低通滤波器晶振A至伪码产生器的输入10 MHz带通滤波器第4章 自适应天线原理及应用 4.5.4 自适应波束形成器在跳频扩谱技术中的应用自适应波束形成器在跳频扩谱技术中的应用 跳频通信系统具有良好的抗干扰性能，但由于其干扰容限有限，当遇到多个窄带强干扰时，便超出了它的容限范围，使系统性能变坏。而采用跳频加自适应的方式，可以使通信质量明显改善。由于自适应波束形成器不仅可以用于窄带信号，
47、也可以用于宽带信号，因而，一般说来它与扩谱技术是兼容的。可应用自适应波束形成器来减少方向性的自然或人为干扰的影响。可以看出，当波束形成器输入端的干扰愈强时，对它所形成的方向图凹口就愈深。然而，用自适应波束形成器很难完全消除干扰，如在传输之前对信号数据进行扩谱编码，并在接收端对自适应波束形成器的接收数据进行适当的译码，即可达到可靠的数据传输。第4章 自适应天线原理及应用 一种扩谱方法可采用“跳频”方式。它是基于如下想法来实现的，即将一个称为时间“片（chip）”的一段固定时间用于传输每一个码比特,并对数据进行编码。在这个片内产生一个特定频率的正弦波以表示一个码比特，“0”用一个特定的相位，“1”
48、相应于“0”差180相位。这就是“相移键控”。为了频率跳变，正弦波载频将在时间片之间变化，且变化是随机的，但却为发射机与接收机所共知。片的时间长度应能使载频有若干个周期。在接收端，接收机采用相关技术来确定每一个时间片的载频相位。若采用长的时间片（即低的二进制数据率），即便在存在严重噪声干扰的情况下也能可靠地确定出正确的相位来。用此方法，原始的二进制数据可以恢复。第4章 自适应天线原理及应用 采用跳频扩谱技术，自适应算法可以极大地减小或消除以上讨论的目标信号对消现象。图4-33表示一个用跳频信号工作的弗罗斯特自适应波束形成器。它通过频率的不同将干扰和信号区分开来，以使图中采用自适应算法的波束形成
49、器没有信号进入。天线信号被加到一组与之同步的“跳频限波滤波器”上，这些滤波器除了在单个凹口处以外，均具有平坦的振幅响应和线性相位特性。凹口处的频率通过电子开关加以控制，使它和输入目标信号的频率相对应。信号频率的片间跳变按一个已知随机序列来进行，利用时钟同步在接收机频率码发生器复制该序列，并将控制限波器的频率与本地正弦波发生器。片内积分将完成对码比特相位的测定，以获得“0”、“1”判决。第4章 自适应天线原理及应用 图4-33 有噪声干扰时的跳频接收系统 自适应波束形成器复加权弗罗斯特波束形成器跳频陷波滤波器波束控制延迟线频率码发生器正弦波发生器片内积分片内积分输出正弦频率设定凹口处频率设定跳频
50、陷波滤波器跳频陷波滤波器跳频陷波滤波器第4章 自适应天线原理及应用 跳频陷波滤波器的作用是将信号分量滤除，仅有干扰出现在弗罗斯特自适应波束形成器的输入端。在自适应过程中，主波束约束得到维持，而干扰则被调零，且不会产生信号的对消现象。由于弗罗斯特处理器的输出不包括目标信号，因而该处理器仅用于实现自适应算法。自适应权将被复制到上面的从处理器中。从处理器的输入直接来自天线单元，而不经过跳频陷波滤波器，因而它的输出会以单位增益再现探视方向的目标信号。第4章 自适应天线原理及应用 图4-34 积分器输出波形(a)图4-33中的跳频自适应；(b)普通的弗罗斯特波束形成器 不再有数据不再有数据tt00u(t
