（电路与系统专业论文）自适应旁瓣对消中的通道均衡技术研究与实现.pdf

摘要 摘要 本文主要研究了自适应旁瓣对消技术和自适应通道均衡技术。自适应旁瓣对 消是利用数字信号处理技术抑制从天线旁瓣进入雷达系统的有源干扰的技术。而 自适应通道均衡技术是解决自适应旁瓣对消系统中的通道间幅相特性不一致性 ( 通道失配) 的有效方法。 本文首先从理论上分析了自适应旁瓣对消的基本工作原理，建立了它的数学 模型并进行了仿真分析，重点讨论了通道间的幅相不一致性对改善因子的影响问 题；然后介绍了自适应通道均衡的基本原理，并研究了它的算法实现，仿真分析 了影响自适应通道均衡效果的几个因素，仿真结果对选择自适应通道均衡参数具 有重要的指导作用；最后介绍了这两种技术在某科研项目中的实现和应用，同时 给出了在系统软硬件设计和调试中一些需要注意的问题和解决这些问题的方法。 关键字：自适应旁瓣对消改善因子 自适应通道均衡通道失配 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , t h ea d a p t i v es i d e l o b ec a n c e l l a t i o n t e c h n i q u ea n dt h ea d a p t i v e c h a n n e le q u a l i z a t i o nt e c h n i q u ea r em a i n l ys t u d i e d t h ea d a p t i v es i d e l o b ec a n c e l l a t i o n t e c h n i q u e i st or e s t r a i nt h ea c t i v ej a m m i n gf r o ms i d e l o b eo fr a d a ra n t e n n aw i t hd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e a n dt h ea d a p t i v ec h a n n e le q u a l i z a t i o nt e c h n i q u ei sa n e f f e c t i v em e t h o dt h a tc a ns o l v et h ep r o b l e mo ft h ec h a n n e lm i s m a t c hi nt h ea d a p t i v e s i d e l o b ec a n c e l l a t i o ns y s t e m f i r s t l y , t h ep r i n c i p l eo fa d a p t i v es i d e l o b ec a n c e l l a t i o ni sa n a l y z e dt h e o r e t i c a l l y , a n dt h em a t h e m a t i c sm o d e lo fa d a p t i v es i d e - l o b ec a n c e l l a t i o ni sb u i l ta n ds i m u l a t e d t h ep r o b l e mt h a tc h a n n e lm i s m a t c ha f f e c t si m p r o v e m e n tf a c t o ri sm a i n l yd i s c u s s e d s e c o n d l y , t h ea d a p t i v ec h a n n e le q u a l i z a t i o nt e c h n i q u ei si n t r o d u c e da n dt h er e a l i z a t i o n o ft h ea d a p t i v ec h a n n e le q u a l i z a t i o na l g o r i t h mi ss t u d i e d t h e ns e v e r a lf a c t o r st h a t a f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo fa d a p t i v ec h a n n e le q u a l i z a t i o na r ea n a l y z e da n ds i m u l a t e d t h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o np l a yam o s ti m p o r t a n tr o l ei ns e l e c t i n gp a r a m e t e r so f a d a p t i v ec h a n n e le q u a l i z a t i o ns y s t e m h n a l l y , t h er e a l i z a t i o na n da p p l i c a t i o no ft h e a d a p t i v es i d e l o b ec a n c e l l a t i o nt e c h n i q u ea n da d a p t i v ec h a n n e le q u a l i z a t i o nt e c h n i q u e i nap r o j e c ta l ei n t r o d u c e d m o r e o v e r , t h es o l u t i o n so fs o m em a t t e r st h a tw en e e dt o p a ya t t e n t i o nt oi nd e s i g n i n ga n dd e b u g g i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e ma l ea l s o g i v e no u t k e y w o r d ：a d a p t i v es i d e - l o b ec a n c e l l a t i o n a d a p t i v ec h a n n e le q u a l i z a t i o n i m p r o v e m e n tf a c t o r c h a n n dm i s m a t c h 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果：也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做 的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：垂盈塑!日期塑壁：兰：兰z 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全 部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名：垂猕 导师签名：垒! i 筮g l 日期2 卯，7 醐班6 丑习 第一章绪论 第一章绪论 1 1 引言 现代雷达技术已广泛应用于军事和民用方面，特别在军事方面，各种武器装 备越来越广泛地采用和依赖于无线电电子技术。各种武器装备威力的发挥，战区 的监视和警戒，诸兵种协同作战的调配、联系、指挥和控制等，都越来越多的依 赖于雷达的效能。雷达性能发挥的好坏关键因素之一就是其是否具备各种抗干扰 功能。这主要是因为现在雷达通常工作在日益复杂和恶化的工作环境中，其中既 有能反射电磁波的各种材料制成的无源干扰，又有由敌方干扰发射机故意发射的 有源干扰，所以如何减少和抑制干扰对雷达性能的影响就成为了雷达应用中急需 解决的问题。 在现代战争中，雷达干扰和抗干扰技术作为一个矛盾的两个方面在相互斗争 中发展。有雷达必定有干扰，有干扰必有反干扰。伴随着雷达电子干扰的发展， 雷达抗干扰技术也得到了迅速的发展。雷达抗干扰方法一般可分为两大类：一类 是在敌方干扰进入我方雷达接收机之前尽量排除它、削弱它，并提高有用信号的 电平；另一类是在敌方干扰进入我方雷达接收机之后，利用干扰信号与有用信号 在波形、频谱等结构上的不同加以区别，达到抑制干扰、从干扰背景中提取敌方 目标信息的目的【1 1 。雷达抗干扰方法是多种多样的，主要有采用脉冲压缩方法的功 率对抗技术、雷达频率捷变技术、单脉冲角跟踪技术、低截获概率技术、空间频 域滤波技术、旁瓣对消技术等。而自适应旁瓣对消技术正是抗干扰技术的方法之 一，尤其是在对付敌方的有源干扰的方面，自适应旁瓣对消是一种非常有效的方 法。而在自适应旁瓣对消系统中，通道间的幅度和相位不一致性导致了抗干扰性 能的下降，甚至可能导致整个雷达不能正常工作。为了解决通道间的幅相不一致 性，自适应通道均衡技术也越来越得到工程设计者的重视，从而自适应通道均衡 技术也得到了迅速发展。本文将对自适应旁瓣对消技术和自适应通道均衡技术进 行详细的讨论分析。 1 2 自适应旁瓣对消技术概述 在雷达系统中，尤其是在雷达电子对抗中，有源干扰信号通过雷达天线旁瓣 对雷达产生消极影响那么如何提高雷达抗副瓣干扰的能力呢? 主要的措施有采 用各种方法降低天线的副瓣电平，但是采用超低或极低副瓣天线的代价是非常昂 一2 自适应旁瓣对消中的通道均衡技术研究与实现 贵的。不过随着大规模集成电路、高速先进算法、并行处理技术以及信号处理芯 片的迅速发展，所有这些为利用信号处理技术来抑制干扰提供了一个广阔的应用 空间。 天线技术与信号处理技术结合在一起，使天线实现超低副瓣成为可能，这一 技术也就是自适应旁瓣对消技术。通常旁瓣对消系统是在雷达主天线附近安装一 个或多个辅助天线，构成旁瓣对消系统。从天线的方向图我们可以知道，天线的 主瓣相当于滤波器的“通带”，那么副瓣就相当于“阻带”，整个天线相当于一个 空间滤波器，若引入辅助天线，使辅助天线具有弱方向性或无方向性的特点，其 增益仅与主天线的旁瓣相当，然后利用辅助天线的接收信号与主天线的接收信号 进行加权求和计算，那么可以形成一个新的空间滤波器，这个滤波器的“通带” 与主天线原来所形成的滤波器相比，变化不大，但通过加权处理使“阻带”特性 发生变化，也就是说副瓣特性变化了。 自适应旁瓣对消技术是当存在有源干扰时，自适应地修改辅助天线的权值， 使干扰信号输入功率最小，也就是新的空间滤波器在干扰信号到达的信号方向上 形成了空间零点，从而抑制了旁瓣的干扰。利用旁瓣对消处理能够在干扰方向上 有效实现超低瓣效果，从而达到抗有源干扰的目的。 旁瓣对消发展至今，其技术越来越完善。就结构而言通常有闭环算法和开环 算法两种形式。闭环即反馈控制技术，是通过逐渐改变加权系数来达到最佳对消。 闭环法简单便宜，且其具有自修正特性，因而不需要元件具有大动态范围和线形 特性，故闭环法非常适用于模拟实现，但其局限在于为了稳定工作，其收敛速度 受到了很大限制，而且闭环法需要一个与所需信号相关的参考信号。通常若要求 元件有很大的动态范围，精度高，则一般采用开环法。开环法对信号多次取样求 平均，并通过再次距离扫描的一定数量的采样数值计算出加权系数，因而具有快 速的响应时间，从而避免了闭环中出现的本征值分散以及收敛速度慢的问题。 本文中讨论的自适应旁瓣相消系统是指数字开环法实现的自适应旁瓣相消系 统。 1 3 自适应通道均衡技术概述 自适应旁瓣相消是相控阵雷达抑制旁瓣干扰的有效方法，因而得到了十分广 泛的应用，发展非常迅速。自适应旁瓣相消开环法虽然能够达到很好的性能，然 而，在工程实现上也遇到了一些需要解决的问题。通道失配就是其中的一个主要 问题。所谓通道失配，就是指接收机主通道与辅助通道的幅度和相位的不一致性。 那么主通道与辅助通道的幅度和相位不一致性是由什么因素引起的呢? 它主要是 由于接收机通道间的频率响应特性误差、通道噪声及a d 转换器的量化噪声等多 第一章绪论 种因素引起的。通道失配使主、辅通道信号产生去相关作用，而去相关作用使对 消性能大大下降。因此，自适应旁瓣相消系统的性能，受制于通道间频率特性失 配，严重的通道失配将引起对消比减小，干扰得不到很好的对消。在一般情况下， 可以通过接收系统的良好设计和制造来保证通道间的频率特性的一致性，但是在 宽带工作情况下，接收通道包括高放、混频、中放、相干检波、a d 等模拟组件， 不可避免地存在特性上的差异，致使各通道存在幅相特性的不一致性。对于阵列 天线雷达，这种不一致导致自适应旁瓣相消性能下降。显然对于成百上千的接收 通道器件做到完全一致，非但不经济，也是不可能的。接收通道各组成部分的幅 相不一致都最终反映到通道的传输函数中幅相的不一致，因此，校正通道失配不 能仅仅针对通道某一部分，而应该立足于调整整个通道的传输函数。为了消除通 道失配的影响可以采用自适应通道均衡技术。自适应通道均衡即采用一定的自适 应算法，求得均衡滤波器系数，并用f i r 滤波器对通道的频率特性进行校正。方 法是在天线接收端向各通道注入同样的一定带宽的标准信号，为了得到较好的性 能，校正信号的信噪比要大于3 0 分贝，在系统休止期间用d s p 算出滤波器系数 并把系数送入校正f i r 滤波器。利用数字自适应均衡技术校正通道相位与幅度的 不一致性，可以保证旁瓣对消的性能不受到影响。随着高性能数字信号处理芯片的 不断推出，自适应通道均衡器的实现已不再有什么困难。 从上面可以看出，在自适应通道均衡技术中，关键就是如何获得特性较好的 f i r 滤波器的系数，本文在后面将详细讨论获得f i r 滤波器系数的方法。 1 4 课题来源和论文的内容安排 本课题来源于某“特体仿真雷达”系统的设计。该“特体仿真雷达”包括雷 达回波模拟分机，中心控制分机和信号处理分机。而信号处理分机又分为d d s 板，时钟板，抗干扰板，脉冲压缩板，m t d 板五块电路板。自适应旁瓣对消和自 适应通道均衡技术这两项功能是抗干扰板的重要组成部分，这两项功能效果的好 坏直接影响着整个信号处理分机的性能。 论文的主要内容安排如下： 第一章绪论。首先介绍了抗干扰措旌在雷达应用中的重要性，然后介绍了本 文将要讨论分析的自适应旁瓣对消抗干扰技术和自适应通道均衡技术，最后介绍 本文课题的来源和论文的内容安排。 第二章自适应旁瓣对消的基本原理及仿真。先介绍了自适应旁瓣对消的基本 原理和自适应旁瓣对消的性能量度改善因子的定义，再仿真分析了通道间只有幅 度不一致性、只有相位不一致性以及幅度相位均不一致时对改善凶子的影响，最 后对本章的内容进行了总结。 ， 3 一4 自适应旁瓣对消中的通道均衡技术研究与实现 第三章自适应通道均衡技术的基本原理及仿真。本章首先介绍了自适应通道 均衡技术的基本原理，然后详细讨论了自适应通道均衡技术算法的频域和时域两 种实现方法，并给出了利用m a t l a b 仿真的自适应通道均衡前后的时域和频域图， 接着对影响自适应通道均衡效果的几个因素进行了讨论、仿真分析，最后对本章 内容进行了总结。 第四章自适应旁瓣对消及自适应通道均衡的系统设计与实现。先介绍了系统 的软硬件资源，然后详细说明了系统各个组成模块的软硬件设计和实现，再接着 介绍了系统设计及调试中需要注意的问题，最后总结本章内容。 第二章自适应旁瓣对消的基本原理及仿真 ! 第二章自适应旁瓣对消的基本原理及仿真 2 1 自适应旁瓣对消的基本原理 自适应旁瓣对消技术是自适应信号处理技术的应用，信号处理的任务是增强 和提取期望信号，同时滤除干扰信号。自适应信号处理就是在信号处理中引入在 任何时刻都被满足的最优准则。自适应系统的特征是：( 1 ) 对系统所处的环境条 件具有识别和感知能力，并且做出相应的判断；( 2 ) 能依据事先确定的某种最优 准则调节系统本身的状态和参数，使系统达到最佳性能；( 3 ) 具有自组织和学习 能力，无需人为综合。 当雷达处于强的有源的干扰环境时，干扰信号从天线的旁瓣进入接收机的概 率是极高的，从旁瓣进入的干扰信号有淹没目标信号的可能，这使得雷达不能正 常工作。为了消除这种影响，可以采用引入辅助天线的方法。利用主通道天线方 向图主瓣的强方向性来确定目标的方向，辅助天线呈弱方向性，在一定的小的角 度范围内，可以设计辅助天线的增益与主天线的旁瓣增益相当。这样就可以通过 信号处理算法使得主天线旁瓣的干扰信号与辅助天线的干扰信号等幅反相，从而 达到旁瓣相消的效果。 藓：+ 善 l 一主通道l 豳 l 一副通道l ； “ 。 信号到达方向 干扰到达方向 一 f 一 攀冀箨 八、八人 爹s 童舞。警 砌 算g j 匀蜉 萝罐 i 。l o - 8$42o246 ”81 0 薹。角度 ” i 溉二轧 一 一；栅i ， 一 。” “ “ u z 。 ! 自适应旁瓣对消中的通道均衡技术研究与实现 从主副通道天线的方向图( 图2 1 ) 可以看出，当存在旁瓣干扰时，主通道干 扰信号与辅助通道干扰信号幅度相当。不过由于主天线和辅助天线的位置不同而 存在波程差，这就引起接收到的干扰信号存在固定相移。如果对辅助通道的干扰 信号进行加权求和，再与主通道的干扰信号相减，通过调整加权值，可以使主通 道的干扰信号输出功率最小，从而达到抑制主通道干扰信号的效果。 当有目标回波信号通过主天线的主瓣进入接收机时，同时通过辅助天线进入 的目标回波信号要小大约3 5 d b ，这样，通过加权相消后，处理过的目标回波信号 损失很小，可以忽略不计，而通过主天线进入的干扰信号与从辅助天线进入的干 扰信号却消除了，从而实现了旁瓣干扰抑制。这就使得我们在研究自适应旁瓣相 消系统时可以不必考虑目标回波信号的损失【2 】o 自适应旁瓣相消技术从结构上来说有闭环算法和开环算法，不过由于闭环算 法存在收敛速度慢的问题，它需要一个收敛的过程才能达到稳态的最优权解，因 此也就限制了它在实际工程中的应用。而随着大规模集成电路与数字信号处理芯 片的迅速发展，开环算法的也得到了快速发展。本文主要讨论开环算法的自适应 旁瓣相消系统。开环法自适应旁瓣相消的原理框图如图2 2 所示： 相消输出 图2 2 开环法自适应旁瓣相消的原理框图 下面介绍基于数字式开环算法的自适应旁瓣对消原理。该系统由n 个辅助天 线和一个主天线构成。如图2 3 所示 辅辅 主助助 天天天 线线线 ln 图2 3n 个辅助天线的开环自适应旁瓣相消原理图 第二章自适应旁瓣对消的基本原理及仿真 设主天线的接收信号为x ，个辅助天线的接收信号为五，五，以，自适 应旁瓣对消处理后的输出信号为y ，则加权相消后输出为： y 一工一m l 五一o ) 2 x 2 一一噱以 式( 2 一1 ) 由于采用正交双通道零中频接收，所以其中鸭，q 为复数加权值。 如果相消输出信号中不含有任何从天线旁瓣进入的干扰信号，贝q 根据正交投 影定理，输出信号y 应与辅助天线的接收信号没有相关性，即： e ( 髓：) - 0 e 0 x d 一0 j e ( 掰：) t 0 把式( 2 - 1 ) 代入式( 2 - 2 ) ，得到： z ( x x ；一w l x 。x ：一甜：x ：x ：一一盖j 工：) ；o e ( x x ；一w i x 。x ：一o ) 2 x 2 x ：一- 6 0 x x d ；o i e ( 麒：一q x 。z w 2 x ：一一以z ) 一0 写成矩阵形式为： x z ： 墨z x 丑： x ： 邑z ： x z ： x 0 ： j ，n x ： x ： q ( 0 2 ( - o n e 强： 艇： 眉： 式( 2 - 3 ) 式( 2 - 4 ) 若z _ 【墨，x ：，瓦 r ，肜- q ，】r ，t 表示转置，拳表示共轭 则式( 2 - 4 ) 可以表示为： e k f 】缈- e x x ；】 式( 2 5 ) 设肘一e x x , 】，为辅助天线的自相关阵 s e x x ；】，为主天线与辅助天线的互相关阵。式( 2 5 ) 可简写为： m w 。s式( 2 - 6 ) 从而 - m l s 式( 2 7 ) 式( 2 - 7 ) 为唯纳一霍夫方程，满足此方程的w 解的滤波器称为唯纳滤波器， 记为h 0 ，矸0 能保证自适应天线旁瓣对消系统输出信号不含有旁瓣干扰信号，使 ! 自适应旁瓣对消中的通道均衡技术研究与实现 相消剩余功率最小。 从上面的推导过程可以看出，在自适应旁瓣相消处理系统中，最重要的是最 优权值的估计。 为了简化起见，下面采用高斯消元法解线性方程组推导具有两个辅助天线和 一个主天线的自适应旁瓣相消系统的权值计算公式。 设置为辅助通道1 中的采样信号序列，x 1 一【墨。，墨：，x 。 邑为辅助通道2 中的采样信号序列，邑- i x 2 。，如，x 。】 j 为主通道中的采样信号序列，置| 置。，以：，也】 其中，i 。l 2 ，； 为采样信号的样本数目，辅助通道以一【x l ，x ：r 的自相关阵为m 。对于各 态历经的平稳随机信号，可以用时间平均代替集合平均，所以在这里采用了计算 样本平均的方法来替代集合平均，从而可以得到主通道和辅助通道信号的互相关 矩阵s ，辅助通道的自相关矩阵m 分别为： s t e c 以z ，一瞄：主薹；】一 x d x 0 x 。z 三f z 讣 主黯：篾汁 古荟如 古善x a 艺 式( 2 8 ) 式( 2 9 ) 仔细观察式( 2 8 ) 和式( 2 9 ) 可以看出，互相关矩阵s 和自相关矩阵肘都 可以由各辅助通道的采样信号和主通道的采样信号乘加之后计算得到。如果令各 采样信号的复数表达式为： x u l u + j 瓯 x 2 , 一厶f + j 如 x 6 一i n4 - i q d 其中i 一1 ，2 ，； 则s ，m 中的各项可以表示为式( 2 1 1 ) ： 式( 2 - 1 0 ) v臼v智 u 备 x z 以 如 y智v留 上 上 第二章自适应旁瓣对消的基本原理及仿真 x 。x ! ：i x 。x eq 一。2 - 4 1 9 【( 气如+ 玩玩) 一，( l q 缶一乞绋) 】一岛一线 式( 2 一i i ) x x 瓦。专著【( l l + q 玩) + ，( l 玩一厶玩) 】| g + ，c 口 d _ 专著x a e 。舌著e + q 三| d ， e 古善如_ 舌善 ( l 乞+ q “玩) + ，( 丸q 玉一，z i q u ) 】4 墨+ 心 f 一专善如瓦一古善 ( 乞易+ q 2 t 如) + ( i “如一乞如) 】即一如 c 【- b 【，c q 一8 q 从而矩阵m ，s 可以表示为： 肌b q 纠 叫嚣麓】 缈1 刚：急】 仟r - s 瞄搬h 别 阱 e d f c a d c b a f e b a d c 口 于是可以得到复数权值的解为： e d f ca f e b q 。五面i 吐。泵面i 这就是利用高斯消元法计算得到的权值的表达式。把式( 2 即可以得到旁瓣相消输出的表达式： y x g o l 五一d 0 2 x 2 式( 2 - 1 2 ) 式( 2 - 1 3 ) 式( 2 - 1 4 ) 式( 2 - 1 5 ) 式( 2 - 1 6 ) 式( 2 - 1 7 ) 式( 2 - 1 8 ) 1 8 ) 代入式( 2 1 ) ， 式( 2 - 1 9 ) v舒v臼 畸 咕 v鲁x臼v智 上 上 上 i 昌 l 4 口 c 一1 0 自适应旁瓣对消中的通道均衡技术研究与实现 同理可以推导出n 个辅助通道进行自适应旁瓣相消时的权值表达式。 下面简要解释一下为什么满足唯纳一霍夫方程的解能保证系统相消剩余功 率最小： 从式( 2 - 9 ) 和式( 2 1 1 ) 可以看出，自相关矩阵m 中4 为辅助通道1 的信 号功率，d 为辅助通道2 的信号功率，而口和c 分别为辅助通道l 中的信号在辅 助通道2 信号上的投影的矢量长度和辅助通道2 中的信号在辅助通道l 信号上的 投影的矢量长度。互相关矩阵s 中的e 为辅助通道1 中的信号在主通道信号上的投 影的矢量长度，f 为辅助通道2 中的信号在主通道信号上的投影的矢量长度。唯 纳一霍夫方程经过线性变换后，最优权值使辅助通道l 的信号和辅助通道2 的信号 正交。最优权值调整了辅助通道和矢量的位置，使和矢量与系统的相消输出y 正交， 和矢量在系统的相消剩余输出y 矢量上的投影为零，因此相消剩余输出y 中不会含 有辅助通道中的干扰信号，所以能保证系统相消剩余功率最小。 实际上，最优权值使雷达接收方向图旁瓣在干扰机方向上形成零陷，从而滤 除了干扰信号。而权值是不断更新的，因此这个零陷会自动地跟踪干扰机的方向， 从而实现了自适应旁瓣相消。 2 2 自适应旁瓣对消干扰改善的量度 随着雷达干扰与抗干扰技术的发展，雷达的抗干扰能力在现代雷达中的作用 越来越重要，已经成为衡量雷达系统性能的一项重要指标。自适应旁瓣对消技术 作为雷达抗干扰的措施之一，自然也有必要对其抗干扰的性能进行研究。 为了衡量干扰背景下雷达的抗干扰能力，1 9 7 4 年美国的约翰斯顿( j o h n s t o n ) 把动目标显示系统的改善因子的概念延伸到抗干扰中来，称它为抗干扰改善因子 e i 科1 i o ，作为度量抗干扰性能的标准，这个建议于1 9 7 7 年被美国i e e e 协会所采 纳。改善因子的定义为：未采用抗干扰措施时系统输出的干信功率比与采用了抗 干扰措施后，系统输出干信功率比的比值，即雷达采取抗干扰措施后信于比提高 的倍数。 e l f 。掣0式( 2 2 0 ) j | s e ，f ：抗干扰改善因子o ，s ：未采用抗干扰措施的系统干扰功率j 和信号功率s 之比； ，s ：系统采用抗干扰措施后，系统干扰功率，和信号功率s 之比。 在自适应旁瓣相消系统中，可以近似认为：s = s ，因此可以定义改善因子的 分贝表达式为： 第二章自适应旁瓣对消的基本原理及仿真 啦圳 l o g 等- 1 0 * l 0 9 7 j 式( 2 - 2 1 ) 在实际的工程实践中，由于信号功率的测量不是很方便，而信号的幅度却可 以使用示波器等仪器很容易的得到，所以在计算改善因子的指标时，经常采用先 测量出未采用抗干扰措旌的系统干扰信号的幅度最大值，再测量采用抗干扰措施 后的干扰信号的幅度最大值，最后取两者的比值，以这个比值来代替前面的改善 因子来衡量自适应旁瓣对消系统的改善因子指标，从而得到实际工程实践中的改 善因子为： e i f 2 2 0 吧昭c 净 p r 眦：未采用抗干扰措施的系统干扰信号幅度的最大值； p 幺：采用抗干扰措施的系统干扰信号幅度的最大值。 在本文后面的仿真及实际应用中就是采用上述的改善因子作为衡量自适应旁 瓣对消抗干扰效果的标准，在仿真中计算权值时的样本数为3 0 。不难看出，改善 因子越大则表明抗干扰性能越好。 2 3 通道幅相不一致性及其对改善因子的影响 前面两节我们已经介绍了自适应旁瓣对消的基本原理及其抗干扰效果的度量 改善因子的定义，这一节将深入讨论在自适应旁瓣对消系统中主通道与辅助通道 的幅度与相位不一致性的原因及其对改善因子的影响。 2 3 1 通道幅度相位不一致性原因分析 在自适应旁瓣对消系统中，每一个接收通道都是一个独立而完整的通道，各 个通道中包括高放，混频，中放，a d 变换器等模拟前端器件，在理想情况下， 这些模拟前端器件不会对回波信号产生不良的幅相调制，完全保持信号的回波特 性。而在实际情况下，这些模拟器件会对信道产生污染而影响了接收信号的幅度 相位的一致性。所谓污染，包括设备内部产生的热噪声以及寄生调幅和调相噪声， 模数变换器的量化噪声，采样脉冲产生的孔径抖动噪声，由设备的非线性产生的 谐波，互调频率和杂散频率等。这些污染带来了各通道幅度与相位响应的不一致， 又称通道失配。特别对于宽带系统，这种通道失配尤为严重。它对自适应旁瓣相 旦自适应旁瓣对消中的通道均衡技术研究与实现 消系统的抗干扰性能的影响是很大的。 2 3 2 通道幅度相位不一致性对改善因子的影响 2 3 2 1 主通道和辅助通道信号的数学模型 为了能有效地仿真分析通道幅度相位不一致性对改善因子的影响，首先建立 通道信号的数学模型。 设在n 个辅助通道中存在k 个独立的干扰源，干扰信号为连续复信号，其表 达式为： e x p ( j q t ) ，j 2e x p ( j t ) ，以e x p ( j o ) j ) 其中，：，以为干扰信号幅度增益。 如果主天线的旁瓣收到的干扰信号为： y ( f ) ；j 1 e x p ( j ( o m t ) + j 2 e x p ( j ( 0 2 t ) + + 以e x p ( j c o 。t ) + n o ( t ) 式( 2 2 3 ) 那么各个辅助天线收到的信号为： 墨( f ) j l e x p j ( q t 0 1 1 ) + c x p j ( m z t 一0 1 2 ) + + 以e x p j ( c o e t 一钆) + 坞 x z ( o 。以c x p ，一0 2 t ) + 如e x p ，一屹) + 以c x p j 一) + n a t ) 式( 2 - 2 4 ) 瓦( f ) 一 e 印，( 唧一q 。) + c x p j ( 哆- e ：) + + 以唧( 一) + ( f ) 其中： 吩o ) ，j - o - n 是相互独立且均值为零，功率为6 2 的接收机内高斯噪声。 ，j 一0 一，- 0 一k 是由于各信号到达各天线的波程差引起的固定相移。 对于由波程差引起的固定相移0 i ，i 一0 一n ，- 0 一| i ，设主天线的相位中心0 ， 辅助天线的等效相位中心为d ，雷达的工作波长为九，干扰源信号的入射角为0 ， 从图2 4 波程差示意图可以看出固定相移与干扰信号入射角度、波程差和雷达工 作波长都有关。 由图2 4 可知：r t d s i n ( o ) 式( 2 2 5 ) 而o “一t o t = 2 卅t 一2 a r t 九= 2 9 s i n ( o ) ( d 九) 式( 2 2 6 ) 其中： 0 干扰信号入射角 第二章自适应旁瓣对消的基本原理及仿真一1 3 d 两天线之间的距离 r 被程差 九雷达的工作波长 图2 4 波程差示意图 为了简单起见，在这里只考虑自适应旁瓣对消系统只有一个辅助通道来对消 一个有源干扰的情况。 对于只有一个辅助通道对消一个有源干扰的系统，系统各通道的信号模型如 下： 主通道信号： r ( t ) - j 。c x p ( j o 吗t ) + n o ( t ) 式( 2 2 7 ) 辅助通道信号：x x 。( t ) - j 。e x p j ( q t o l 。) + o ) 式( 2 2 8 ) 根据式( 2 2 7 ) 和式( 2 2 8 ) 可以得到自相关矩阵和互相关矩阵分别为： 自相关矩阵：m j 1 2 + 6 2 式( 2 - 2 9 ) 互相关矩阵：s - 2 e x p j ( 8 1 。) 】+ 6 2 式( 2 3 0 ) 在理想情况下，即主通道和辅助通道不存在噪声且通道的各方面特性完全一 致，可以很容易求得最优权值为： 一e x p j ( o 1 1 ) 1 式( 2 3 1 ) 在这种情况下，有源干扰几乎可以完全对消，具体仿真见图2 5 但在实际的工程系统中，往往不可避免的存在着噪声，考虑噪声时，不能完 全对消，具体的仿真如图2 6 所示。最优权值如下式： 一地辫烂 粼2 抛， l ：+ 0 1 自适应旁瓣对消中的通道均衡技术研究与实现 图2 5 理想情况下，利用一个辅助通道对消一个有源干扰 第二章自适应旁瓣对消的基本原理及仿真 图2 6 考虑噪声时，利用一个辅助通道对消一个有源干扰 自适应旁瓣对消中的通道均衡技术研究与实现 从图2 5 和图2 6 对比可知，当考虑噪声时，对消后剩余要比理想情况下大得 多，从而对消的改善因子大大的下降了。这其中有一个原因就是噪声引起了通道 问的不一致性，而通道的不一致性会导致改善因子的下降。下面我们分别对通道 问只有幅度不一致性、通道问只有相位不一致性以及两者综合考虑的情况进行仿 真分析。 2 3 2 2 通道问只有幅度不一致性对改善因子的影响 前面我们仿真分析了在理想情况和有噪声种情况下的自适应旁瓣对消效果， 发现在实际系统中，存在的噪声会影响自适应旁瓣对消的性能。这其中有一个因 素就是噪声导致了主通道和辅助通道的幅度相位特性不一致引起的。 现在我们考虑通道间只有幅度不一致性对自适应旁瓣对消性能量度改善因子 的影响。 假设主通道和辅助通道只有幅度特性上的差别，且干扰信号的功率谱在接收 频带内是均匀的，其它特性完全一致。通常用余弦起伏特性来分析幅度起伏对自 适应旁瓣对消系统改善因子的影响。设h 。( f ) ，h ( f ) 分别表示主通道和辅助通道 的频率响应特性。辅助通道h ，( f ) 的传递函数如式( 2 - 3 3 ) 和图2 7 ( a ) 所示。 。一f _ f l b 爿 【o ，其它j ( a ) 辅助通道( b ) 主通道 图2 7 主通道和辅助通道传输函数 而主通道h 。( f ) 为在辅助j s j 萱h ，( f ) 的顶部有附加的余弦起伏，起伏幅度为归 第二章自适应旁瓣对消的基本原理及仿真翌 一化值a 。主通道的传递函数如式( 2 3 4 ) 瑚和图2 7 ( b ) 所示。 h o ( f ) 一h 1 ( f ) x ( 1 + a c o s ( 2 坷f b ) ) 其中a 为信号最大的起伏幅度，b 为信号带宽。 图2 8 是改善因子与最大起伏幅度a 的关系曲线，从图中可以看出，主通道与 辅助通道间的通道幅度不一致性会引起自适应旁瓣对消系统性能的严重下降。当 两通道的幅度不一致性达到0 1 2 ( i d b ) 时，此时的改善因子才1 9 1 8 5 d b ，而当最 大起伏幅度a 为0 2 1 时，此时的改善因子连1 5 d b 都达不到，只有1 4 9 9 6 d b ，这已 经严重影响了自适应旁瓣对消系统的性能，干扰得不到很好的对消。 图2 8 改善因子与最大起伏幅度关系图 2 3 2 3 通道问只有相位不一致性对改善因子的影响 除了幅度不一致性外，主通道与辅助通道间的相位不一致性同样也会影响自 适应旁瓣对消的性能，下面我们假设主通道和辅助通道只有相位特性上的差别， 而其它特性完全一致。相位特性的不一致性又可分为余弦相位波动和线性相位波 动，下面我们分别对这两种情况进行仿真分析。 ( 1 ) 当两通道的相位特性不一致性为余弦波动时，设主辅两通道的相位相应 分别为( 厂) 和( ，) ，两通道的相位差为一余弦函数“1 ： a 尹( ，) = p o ( f ) - f f z ( f ) - b c o s ( 2 z f e ) 自适应旁瓣对消中的通道均衡技术研究与实现 式( 2 3 5 ) 中，b 为最大的波动相位，b 为信号的带宽。a f t ( f ) 如图2 9 ( a ) 所示。 j b 靴 、 b 2f wu 7 ( a ) 余弦相位波动 j b 一刁， 一 b 彪 ( b ) 线性相位波动 图2 9 主通道与辅助通道相位波动图 图2 1 0 是改善因子与余弦相位波动的最大波动相位b 的曲线图，从图中可以 看出，当最大波动相位b 为o 0 6 时，改善因子已经下降为2 4 2 2 6 d b ，而当最大波 动相位b 为0 1 8 时，改善因子更是下降到1 5 d b 以下，才1 4 7 1 8 d b ，这时的自适应 旁瓣对消性能已经很差了，甚至已经不能满足实际工程系统的要求。 图2 1 0 改善因子与最大波动相位关系曲线 ( 2 ) 当两通道的相位特性不一致性为线性波动时m ，设主辅两通道的相位相 应分别为( ，) 和竹( ，) ，两通道的相位差为一线性函数： 第二章自适应旁瓣对消的基本原理及仿真 a 伊( ，) 一9 ( ，) 一吼( ，) 一2 f , f b 式( 2 3 6 ) 在式( 2 3 6 ) 中，当b ) 0 时，表示主通道的相位比辅助通道超前，即主通道 比辅助通道短；当bt 0 时，表示主通道的相位比辅助通道滞后，即主通道比辅助 通道长，a 伊( 厂) 如图2 9 ( b ) 所示。 图2 1 1 是改善因子与线性相位波动系数b 的曲线图，从图中可以看出，当线 性波动相位系数b 为0 0 4 时，改善因子已经下降为2 1 2 1 7 d b ，而当线性波动相位 系数b 为0 0 9 时，改善因子更是下降到1 5 d b 以下，才1 4 2 0 2 d b ，这时改善因子也 已经不能满足实际工程的要求。 图2 1 1 改善因子与线性相位波动系数b 曲线图 2 3 2 4 通道间幅度和相位均不一致时对改善因子的影响 前面仿真分析了只有幅度不一致性和只有相位不一致性对自适应旁瓣对消性 能量度改善因子的影响。现在我们综合考虑通道间同时存在幅度和相位不一致性 对改善因子的影响。 在实际的自适应旁瓣到对消系统中，主通道和辅助通道通常同时存在幅度和 相位不一致性，这两者都会严重影响自适应旁瓣对消系统的性能。下面将仿真分 析两者同时存在对改善因子的影响。 设通道| 日j 的幅度和相位不一致特性都为余弦波动，如式( 2 - 3 4 ) 和式( 2 - 3 5 ) 所示。图2 1 2 是改善因子与幅度和相位的波动系数的关系曲线图。从图中可以看 自适应旁瓣对消中的通道均衡技术研究与实现 出，当幅度和相位波动系数都为0 0 2 时，改善因子就已经下降为2 1 0 4 8 d b 了，而 当幅度和相位波动系数都为0 0 5 时，改善因子只有1 3 2 2 2 d b 了，两者综合考虑对 改善因子的影响更加严重了。 i f 、 、 、 ； 图2 1 2 改善因子与幅度和相位波动系数b 的关系 从上面仿真分析可知，主通道与辅助通道之间的幅度不一致性和相位不一致 性都严重影响着自适应旁瓣对消的性能，这就使得我们在实际应用中必须认真考 虑它们对系统的影响，从而采用某种方法来消除这种影响，下一章我们将详细讨 论自适应通道均衡技术。利用自适应通道均衡技术能校正通道的不一致性，从而 改善自适应旁瓣对消系统的性能。 2 4 本章小结 伴随着大规模集成电路和高性能数字信号处理器的迅速发展，自适应旁瓣对 消技术受到了越来越多工程设计人员的应用。实现自适应旁瓣对消的方法主要有 数字开环法和闭环法，本章主要介绍的是开环法。在讨论了自适应旁瓣对消的基 本原理基础上，仿真分析了通道幅度相位不一致性对自适应旁瓣对消性能量度改 善因子的影响，并给出了仿真分析图。 第三章自适应通道均衡技术的基本原理及仿真 第三章自适应通道均衡技术的基本原理及仿真 在自适应旁瓣对消系统中，主通道和辅助通道接收到的信号进入到接收通道 中，接收通道通常包括接收机的高压放大器、混频器、中频放大器和a d 转换器 等模拟组件组成的电路。主通道和辅助通道虽然都由相同型号的器件组成，但通 道电参数总会存在一定的差异，而且这些参数会随着工作频率、电源电压、环境 温度和器件老化等因素的变化而漂移，使得各个通道必然存在着随频率变化的幅 度和相位的不一致性，即通道失配。通道失配使主通道和辅助通道信号的相关性 降低，从而导致对消性能下降，干扰得不到很好的对消。 3 1 自适应通道均衡的基本原理 为了解决通道间幅相不一致的问题，对于多通道、宽频带系统可采用自适应 通道均衡技术，自适应通道均衡即是以某种方法测出各个通道问频率幅相响应的 不一致性，并用f i r 滤波器进行校正，从而使各个接收通道的特性达到一致( 或达 n 嘶d ) t 1 5 】。处理多通道间的均衡，可选择一个频响特性在通带内较为平坦、畸变 较小的通道作为参考通道，并将其余各通道与它作比较，以取得一致的、有良好 滤波特性的频率传递函数。均衡器可以选用具有一定幅、相频率特性的f i r 滤波 器。这样k 个通道需要k - 1 个均衡器，这样做仅仅保证了各通道频率特性相一致， 而每一个通道不一定具有良好的滤波特性，因为参考通道同样可能存在误差。另 一种方案是以理想的中频滤波器特性为“参考”，所有通道中全部加入均衡器，使 所有通道的频率特性尽可能地接近理想状态。这样做也有缺点，一是实现比较复 杂，二是由于作为“参考”的不是实际通道，因此它的输入信号不是实际测试信 号，所以假若输入信号有非线性误差，这就不可避免地会将误差引入到均衡过程 中。然而怎样才能获得通道的频率特性呢? 常用的测量通道频率特性的方法是在 天线的接收端向各通道注入同样的一定带宽的标准信号，如线性调频信号，经过 通道后的输出信号就应该能反映各个通道的频率特性。获得了各个通道的频率特 性后，就可以测出各通道相对于参考通道的幅相失配，然后用f i r 滤波器进行校 正。多通道均衡示意图如图3 1 所示。 自适应旁瓣对消中的通道均衡技术研究与实现 2 ， k - l k 图3 i 多通道均衡不惫图 假设共有k 个待均衡通道和一个参考通道，设参考通道的原频率响应为 。，( j ) ，待均衡通道的