带通采样频域波束形成
频域宽带波束形成器优化设计
频域宽带波束形成器优化设计胡谨贤;张英波【摘要】将常规频域宽带波束形成运用到电子战侦察系统存在一个问题:分块DFT 处理会造成时域输出波形在块衔接处产生周期性失真,影响系统对信号时域参数的检测.为解决上述问题,在分析失真产生原因的基础上提出采用交叠DFT处理对传统方案予以改进,该方法首先对预处理数据进行交叠分段,再完成DFT运算及后续窄带处理.最后的仿真通过对比改进前后方案时域输出波形的保真度,验证改进后方法能有效缓解时域输出波形失真对系统的影响,并为工程实现提供了依据.%There exists a problem in the application of the conventional frequency-domain broadband beamforming in electronic warfare reconnaissance systems: the periodic distortion of time-domain output waveform occurs in block cohesion due to block DFT processing,which has an impact on signal time-domain parameters detection. To solve the above-mentioned problem, the overlapped DFT method is adopted for the improvement of the conventional scheme based on the analysis of the causes of the distortion in this paper. The proposed method is to carry out overlapped subsection for the pretreatment data, and then perform DFT operation and narrow-band processing. Finally, the simulation results are given to compare fidelity of time-domain output waveform produced by two methods. The results indicate that the improved scheme minimizes time-domain output waveform distortion effectively and provides the basis for the engineering application.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2012(035)015【总页数】4页(P15-18)【关键词】电子战;频域波束形成;周期性失真;交叠DFT【作者】胡谨贤;张英波【作者单位】江苏科技大学电子信息学院,江苏镇江212003;中船重工集团723研究所,江苏扬州 225001;中船重工集团723研究所,江苏扬州 225001【正文语种】中文【中图分类】TN97-340 引言随着电子技术的飞速发展和电磁信号环境的不断变化，新体制的电子战设备不断涌现，其中基于相控阵天线的电子战系统已经成为发展主流[1]。
第六章波束形成
数字信号处理 II
第六章 波束形成
15
6.3 时域FIR滤波器设计方法 时域 滤波器设计方法
二. 频率采样法
我们知道 我们知道，一个长度为 个长度为 N 的时域有限长序列 的时域有 长序列 h(n) 的频域特性可以用 的频域特性 N 个频域的采样值唯一确定，根据频率采样定理，有
1 zN H ( z) N
Directivity y
1 2 3
delay_1 d l delay_2 2 delay_3
∑
⋮
N
1 0.8 06 0.6 0.4 0.2 0 -90
⋯
delay_N
拟信号。对于数字信号处理来说，延迟的精 确度受采样频率的制约，往往很难保证，因 此并不适合。 该方式可以处理宽带信号。
数字信号处理 II
h(n)
0
N 为偶数
N 1
N 1 2
n
1 H ( ) b(n)cos[ (n )] 2 n1
N/2
( N 1)
b (n )
N / 2
1
n
h(n)
N 为奇数
N 1
h(n) h( N 1 n) N 1 ( ) ( ) 2 2
(0 )
H (k ) H ( z )
H (k ) k 1 1 W k 0 N z
H (e
j 2 k N
数字信号处理 II
第六章 波束形成
8
四种线性相位FIR滤波器
h(n)
N 为奇数
N 1
h(n) h(N 1 n)
H ( )
n
( N 1) / 2
n 0
波束形成原理
波束形成原理波束形成原理是指在无线通信系统中，如何通过天线来形成指定方向的波束，从而实现对特定区域的信号覆盖和接收。
波束形成技术是无线通信系统中的重要技术之一，它可以提高系统的频谱利用率和抗干扰能力，同时也可以改善用户体验和网络覆盖范围。
本文将对波束形成原理进行详细介绍。
首先，波束形成的原理是基于天线阵列的。
天线阵列是由多个天线单元组成的，这些天线单元之间的间距是根据波束宽度和波束方向来设计的。
在波束形成过程中，通过控制各个天线单元的相位和振幅，可以使得发射的信号在特定方向上形成波束。
这样一来，就可以实现对特定区域的信号覆盖和接收。
其次，波束形成的原理是基于波束赋形技术的。
波束赋形技术是通过对发射信号的相位和振幅进行调节，从而使得信号在空间中形成指定方向的波束。
这种技术可以在不改变信号频率和功率的情况下，实现对特定方向的信号传输和接收。
通过波束赋形技术，可以有效地减小信号的波束宽度，提高信号的方向性和覆盖范围，从而提高系统的频谱利用率和抗干扰能力。
此外，波束形成的原理还涉及到波束跟踪技术。
波束跟踪技术是指在移动通信系统中，通过对移动用户的位置和运动状态进行监测和跟踪，从而实时调整波束的方向和角度，以保证信号能够准确地覆盖到移动用户所在的位置。
通过波束跟踪技术，可以有效地提高移动通信系统的覆盖范围和通信质量，同时也可以降低系统的功耗和干扰程度。
综上所述，波束形成原理是通过天线阵列、波束赋形技术和波束跟踪技术来实现的。
通过这些技术手段，可以实现对特定区域的信号覆盖和接收，提高系统的频谱利用率和抗干扰能力，改善用户体验和网络覆盖范围。
波束形成技术在5G和未来的通信系统中将扮演着越来越重要的角色，它将成为无线通信系统中的关键技术之一。
波束形成——精选推荐
波束形成3.5 两种特殊的波束形成技术3.5.1协⽅差矩阵对⾓加载波束形成技术常规波束形成算法中，在计算⾃适应权值时⽤XX R ∧代替其中的X X R 。
由于采样快拍数是有限的，则通过估计过程得到的协⽅差矩阵会产⽣⼀定误差，这样会引起特征值扩散。
从特征值分解⽅向来看，⾃适应波束畸变的原因是协⽅差矩阵的噪声特征值扩散。
⾃适应波束可以认为是从静态波束图中减去特征向量对应的特征波束图，即:m in1()()()()(()())Ni V V iv iv V i iG Q E E Q λλθθθθθλ*=-=-∑,其中()V G θ是是⾃适应波束图，()V Q θ是静态波束图，即没有来波⼲扰信号⽽只有内部⽩噪声时的波束状态。
i λ是矩阵X X R 的特征值。
()iv E θ是对应i λ的特征波束图。
由于X X R 是 Hermite 矩阵，则所有的特征值均为实数，并且其特征向量正交，特征向量对应的特征波束正交。
⽽最优权值的求解表达其中的X X R 是通过采样数据估计得到的，当采样快拍数很少时，对协⽅差矩阵的估计存在误差，⼩特征值及对应的特征向量扰动都参与了⾃适应权值的计算，结果导致⾃适应波束整体性能的下降。
鉴于项⽬中的阵列形式，相对的阵元数较少，采样数据⽐较少，很容易在估计协⽅差矩阵的时候产⽣⼤的扰动，导致波束的性能下降，所以采⽤对⾓加载技术来保持波束性能的稳定及降低波束的旁瓣有⽐较好的效果。
（1）对⾓加载常数λ当采样数据很少时，⾃适应波束副瓣很⾼，SINR 性能降低。
对因采样快拍数较少引起⾃相关矩阵估计误差⽽导致的波束⽅向图畸变，可以采⽤对⾓加载技术对采样协⽅差矩阵进⾏修正。
修正后的协⽅差矩阵为:XX XX R R I λ∧=+。
⾃适应旁瓣抬⾼的主要原因是对阵列天线噪声估计不⾜，造成协⽅差矩阵特征值分散。
通过对⾓加载，选择合适对⾓加载λ，则对于强⼲扰的⼤特征值不会受到很⼤影响，⽽与噪声相对应的⼩特征值加⼤并压缩在λ附近，于是可以得到很好的旁瓣抑制效果。
超声成像波束形成的基本理论汇总
超声成像波束形成的基本理论声场在成像场域的分布称为波束形成(beam forming)。
波束形成在整个超声中处于心位置，对成像质量起着决定性的作用，如图2.1。
本章以传统的延时叠加波束形成方法为中心来阐述波束形成的基本原理及其对波束形成的影响，并介绍了波束控制方法(聚焦偏转、幅度变迹、动态孔径)及成像质量的评价标准。
.1 延时叠加波束形成算法延时叠加波束形成是超声成像中最传统、最简单也是应用最广泛的成像方法，它包括发射聚焦和接收聚焦两种方式。
由于成像过程实际就是对成像区域逐点聚焦，所以一帧完整的图像需要进行至少上万次的聚焦才能完成。
如果采用发射聚焦方式来实现超声成像，则完成一帧超声图像需要非常长的时间(至少需要几分钟)，不符合实时成像的要求。
因此，平常所说的延时叠加波束形成一般是指接收聚焦，其形成过程如图2.2 所示。
1.1 声场分布的计算图像分辨率通常是评价图像质量的重要标准之一，而在超声成像系统中的图像横向分辨率是由超声波束的声场分布决定的[25]。
超声辐射声场的空间分布与换能器的辐射频率、辐射孔径及辐射面结构有关，称为换能器的空间响应特性为了表征换能器空间响应特性，常引入一指向性函数。
指向性函数是描述发射器辐射声场或接收器灵敏度的空间函数。
由于探头类型不尽相同，包括连续曲线阵、连续曲面阵、连续体性阵和离散阵四大类，因此指向性函数的类型也有所不同。
本节以常用的凸阵探头(离散阵)为例介绍超声空间发射声场的计算如图2.3 所示，设阵元数为N，阵元的半径为R，相邻两阵元间的距离为d，由于d << R，可近似得到相邻两个阵元之间的夹角为Q=d/R。
那么探头上任一阵元i 与中心线的夹角考虑到换能器的空间响应特性满足互易原理，它的接收空间响应特性与其发射空间响应特性是一致的。
因此，关于接收声场的计算，基本上和发射声场的计算方法相同，只是接收焦点的深度总是和计算深度z 相同。
1.2 波束仿真凸阵探头参数，参考图2.3。
波束形成基础原理总结
波束赋形算法研究包括以下几个方面:1.常规的波束赋形算法研究。
即研究如何加强感兴趣信号,提高信道处理增益,研究的是一般的波束赋形问题。
2.鲁棒性波束赋形算法研究。
研究在智能天线阵列非理想情况下,即当阵元存在位置偏差、角度估计误差、各阵元到达基带通路的不一致性、天线校准误差等情况下,如何保证智能天线波束赋形算法的有效性问题。
3.零陷算法研究。
研究在恶劣的通信环境下,即当存在强干扰情况下,如何保证对感兴趣信号增益不变,而在强干扰源方向形成零陷,从而消除干扰,达到有效地估计出感兴趣信号的目的。
阵列天线基本概念（见《基站天线波束赋形及其应用研究_白晓平》）阵列天线（又称天线阵）是由若干离散的具有不同的振幅和相位的辐射单元按一定规律排列并相互连接在一起构成的天线系统。
利用电磁波的干扰与叠加，阵列天线可以加强在所需方向的辐射信号，并减少在非期望方向的电磁波干扰，因此它具有较强的辐射方向性。
组成天线阵的辐射单元称为天线元或阵元。
相邻天线元间的距离称为阵间距。
按照天线元的排列方式，天线阵可分为直线阵，平面阵和立体阵。
阵列天线的方向性理论主要包括阵列方向性分析和阵列方向性综合。
前者是指在已知阵元排列方式、阵元数目、阵间距、阵元电流的幅度、相位分布的情况下分析得出天线阵方向性的过程；后者是指定预期的阵列方向图，通过算法寻求对应于该方向图的阵元个数、阵间距、阵元电流分布规律等。
对于无源阵，一般来说分析和综合是可逆的。
阵列天线分析方法天线的远区场特性是通常所说的天线辐射特性。
天线的近、远区场的划分比较复杂，一般而言，以场源为中心，在三个波长范围内的区域，通常称为近区场，也可称为感应场；在以场源为中心，半径为三个波长之外的空间范围称为远区场，也可称为辐射场。
因此，在分析天线辐射特性时观察点距离应远大于天线总尺寸及三倍的工作波长。
阵列天线的辐射特性取决于阵元因素和阵列因素。
阵元因素包括阵元的激励电流幅度相位、电压驻波比、增益、方向图、极化方式，阵列因素主要包括阵元数目、阵元排列方式、阵元间距。
波束形成基础原理总结
波束形成基础原理总结一、简述想象一下你在一个嘈杂的房间里，周围有各种各样的声音，但是当你调整麦克风的朝向，就能够选择性地接收特定方向的声音。
这个过程就是一种基础的波束形成，了解了波束形成的基本原理，我们就能更好地理解和应用各种声音设备，比如耳机、音响、麦克风等。
那么接下来我们就来详细了解一下波束形成的基础原理吧！1. 波束形成技术的背景与重要性波束形成技术，听起来好像是个很高大上的词汇，但其实它在我们的日常生活中有着非常重要的应用。
简单来说波束形成就是在处理声音或信号时，通过特定的技术手段，让信号源形成一束可控制的波束，使其按照一定的方向传播。
这样的技术究竟有什么背景与重要性呢？别着急我们来聊聊。
2. 波束形成技术的发展历程及现状波束形成技术从初步的探索到如今的广泛应用，经历了一段不平凡的发展历程。
说起来这项技术也真是与时俱进，紧跟着科技的步伐在前进。
记得小时候看科幻电影，里面就有通过特殊设备将声音定向传输的设定，这就是波束形成技术的雏形。
而在现实中，这项技术从最初的理论研究，逐步发展到实际应用，经历了数十年的时间。
随着科技的发展，现在的波束形成技术已经广泛应用于各个领域。
比如说现在的虚拟现实、增强现实设备中就经常用到波束形成技术，让用户在享受视听盛宴的同时，也能有方向性的声音体验。
还有在语音识别、通讯等领域，波束形成技术也是不可或缺的一环。
现在许多手机厂商都在宣传他们的手机拥有出色的波束形成技术，能够带来更清晰、更精准的通话和音频体验。
不过虽然波束形成技术发展迅速，但还有很多挑战需要我们去面对。
比如如何进一步提高波束的精度、如何降低能耗等等问题。
但无论如何，波束形成技术都在不断地进步和发展中，相信未来这项技术会带来更多的惊喜和改变。
二、波束形成基础概念你是不是常常在生活中看到或听到有关“波束形成”这个词可能感觉它很神秘、很高大上。
其实波束形成并不像我们想象的那么复杂，简单来说波束形成就是在处理声音或信号时，通过某种方式把分散的波动集中成一个方向性的波束，让它像一束光一样指向特定的方向。
带通采样频域波束形成
（） ａ 对每 个 阵 元接 收 的 信 号 采 样 得 到 ：
ｓＦ＝ ） ，（ １ ｉ） Ｓ０… 一） （， １
对 Ｓ 做时域Ｄ Ｔ ： ｉ Ｊ Ｆ 得
（ ３ ）
（ ４ ）
干 在 军 用 还 是 民 用 上 普 及 。因此 寻 求 有 效 的波束形成算 法显得十分 重要。 常 规 的 数 字 波 束 形 成 技 术 分 为 时 域 方 法 和 频 域 方 法 。 域 方 法 采 用 数 字 内 插 波 时
ｋ＝０１ ， … 一 ， １ （） ５
即对 Ｓ 做频 域 Ｈｉ ｒ变 换 ； ｆ ｌ ｔ ｂｅ
束 形 成 ， 果 较 好 ， 权 值 更新 、 波 处 理 效 但 滤 运 算 量 大 ， 系统 前 端 的 采样 率 要 求 高 ， 对 工 程 实 现 困 难 【 ３ 频 域 方 法 采 用 二 维 Ｄ Ｔ变 ｌ】 －， Ｆ 换 ， 以 用Ｆ ＴＪ 以 实 现 ， 此 比时 域 方 法 可 Ｆ ／ ｌ ｆ 因 快 ， 这 两 种 方 法 都 是 在 过 采 样 率 下 实 现 但 的 ， 解决波束形成高采样率的限制 ， 为 本文 则 提 出 在 一 种 基 于 带 通 采 样 的频 域 波 束 形 成快速算 法 ， 降低了Ａ 即 ＤＣ 采 样 率 和 后 的 续 的 计 算 量 又 能 保 证 其 指 向性 ， 满 足 多 以 波束 成像声纳 系统小型化 的要求。
才 能 保 证 采 样 后 的 信 号 频 谱 不 发生 混 叠 ，
做 Ｉ Ｆ 得 到 每 个 波 束 的波 形 。 Ｆ Ｔ， 补 偿 因子 ； 对于 带 通 采 样 频 域 波 束 形 成 则 有 所 不 Ｓ ＝ 一 ） ， 为 号； ｍ ／ ｍ 波束 同， 由于 带 通 采 样 后 信 号 的 频 谱 发 生 了搬 移， 因此 在 做 频 域 波束 形 成时 ， 需把 其 频 谱 ） 中ｋ所 对应的 为 分 量 搬 移 回到 真 实 频 谱 位 置 后 才 能 对 其 频 ｋ－ ｓＭ ＋ 一｛ ｛｜ 域波 束形成 。 体计算过 程如下 ： 具 其 中 假 设 一 个 Ｎ阵 元 的 等 间 隔 线 阵 接 收 系 统 ， ／ 信 号 载频 ， 带 。 每 个 ｄ＝ ２， 宽 对
波束形成和近场声全息方法在发动机噪声源识别上的应用
波束形成和近场声全息方法在发动机噪声源识别上的应用摘要根据专业机构对汽车市场的调查反应，消费者对发动机噪声的抱怨一致不断，因为它影响到驾乘人员的舒适感。
另外，国家针对汽车加速行驶车外噪声的要求也正在讨论降低噪声水平的要求。
根据汽车加速行驶车外噪声的征求意见稿，新的噪声水平要求降低1-4dB(A)，这对汽车的车外噪声提出了更高的要求。
经过大量的研究发现，发动机噪声是汽车加速行驶车外噪声的重要来源。
正是基于市场和国家法规的要求，对发动机的噪声水平提出了更高的要求。
降低发动机噪声的有效途径是，找到发动机的主要噪声源，并有针对性的进行改进，才能取得事倍功半的效果。
但基于发动机声场的复杂性，传统的声源识别方法已经不能满足要求了，必须要开发出能够快速而精确识别噪声源的方法。
为了应对在传统声源识别技术上的缺陷，噪声源识别技术正向着可视化方向发展。
作为工程实际研究，本文讨论了波束形成和近场声全息这两种可视化噪声源识别技术，并将其应用在实际发动机噪声源识别的工程上。
本文首先从理论上研究了波束形成和近场声全息这两种可视化噪声源识别技术，介绍了波束形成的三种方法（基于平面波假设的延迟求和波束形成方法、基于球面波假设的延迟求和波束形成方法、去自谱的互普波束形成方法）及近场声全息的三种方法（二维空间Fourier变换法、边界元法、Helmholtz最小二乘法），研究了它们对声源识别的特点。
基于波束形成和近场声全息这两种可视化噪声源识别技术的特点，以音箱发出的低频和高频声音为声源，开展了这两种可视化噪声源识别技术的多项实验研究，确立了近场声全息方法在低频区域和波束形成方法在高频区域在对声源具有良好的识别能力这一特性。
最后，将波束形成和近场声全息这两种可视化噪声源识别技术应用在实际工程方面。
针对发动机前端面噪声源和发动机前端面异响，采用了近场声全息方法进行识别；针对发动机排气侧噪声和动力总成系统噪声识别采用波束形成方法进行识别，为发动机降低噪声提供了确实可信的指导方向。
波束形成
数学表达 阵元i接收到第n个信源的输出：
X in (t ) = Sn (t ) ⋅ exp{− j 2π (i − 1)l ⋅
d
cosθ n
λ
} + ni (t )
X i (t ) = ∑ Sn (t ) ⋅ exp{− jk (i − 1) cosθ n } + ni (t )
n =1
k = 2π
3.2.2基于频域LMS的自适应算法的结构 3.2.2
基于频域LMS的自适应算法结构见图3.2所示，该算法先对输入信号进 行FFT变换，再通过LMS算法实现了在频域上进行波束形成。根据前面 分析知道：通过对阵列天线接收到的信号x(n) 进行FFT，经过FFT后的 r(n)，自相关性下降，呈带状分布，这样LMS算法收敛速度就很快。当 存在相干信源，假设它们DOA不同，相干信源在时域相干，但在频域 是不相干的，所以基于频域LMS的自适应波束形成算法对相干信源具有 鲁棒性。
θ = arg max[ E{w H x(n) x H (n) w}] w
wba = a (θ ) a H (θ )a (θ )
2.3 波束形成的准则
·最大信号噪声比准则（MSNR） 使期望信号分量功率与噪声分量功率之比为最大。但是必须知道噪声的统计 量和期望信号的波达方向。 ·最大信干噪比准则（MSINR） 使期望信号分量功率与干扰分量功率及噪声分量功率之和的比为最大。 · ·最小均方误差准则（MMSE） 在非雷达应用中，阵列协方差矩阵中通常都含有期望信号，基于此种情况提 出的准则。使阵列输出与某期望响应的均方误差为最小，这种准则不需要知 道期望信号的波达方向。 ·最大似然比准则（MLH） 在对有用信号完全先验无知的情况，这时参考信号无法设置，因此，在干扰 噪声背景下，首先要取得对有用信号的最大似然估计。 ·线性约束最小方差准则（LCMV） 对有用信号形式和来向完全已知，在某种约束条件下使阵列输出的方差最小。
通信技术中的波束成形与形成技术
通信技术中的波束成形与形成技术波束成形技术是通信技术中的重要部分，它可以提供更可靠、高效的信号传输和接收方案。
在无线通信系统中，波束成形技术通过对信号进行控制，使其在特定的方向或区域内集中，从而提高信号的传输效率和覆盖范围。
波束成形技术的实现依赖于形成技术。
形成技术包括数字信号处理、多天线系统、自适应算法等，它们协同工作来实现波束成形技术的功能。
下面将逐一介绍这些形成技术的原理和应用。
首先，数字信号处理在波束成形技术中起到了重要的作用。
数字信号处理技术可以对接收到的信号进行采样、量化和处理，从而提取有用的信息。
在波束成形技术中，通过对接收到的信号进行数字信号处理，可以实现抑制干扰、提高信噪比等效果。
比如，在多径衰落环境中，通过数字信号处理技术可以抑制多径干扰，提高通信质量。
其次，多天线系统也是实现波束成形技术的关键。
通过设置多个天线，并合理控制每个天线的相位和振幅，可以形成特定方向的波束。
多天线系统可以分为线性阵列和面阵两种，线性阵列只有一维波束，而面阵可以形成二维波束。
通过调整天线间的距离和相位差，可以实现波束的形成和指向。
多天线系统还可以应用于多用户通信系统中，通过空间复用技术实现用户之间的分离和干扰抑制。
此外，自适应算法也是波束成形技术中的重要一环。
自适应算法可以根据信道状况不断调整波束的形状和指向，从而适应不同的通信环境。
自适应算法主要包括最小均方误差（MMSE）算法、最大信噪比（MMSE）算法等。
这些算法通过对接收到的信号进行采样、估计和计算，不断优化波束的形状和参数。
通过自适应算法，可以实现适应性波束形成，提高通信系统的性能。
波束成形技术在通信系统中的应用十分广泛。
首先，在移动通信系统中，波束成形技术可以提高信号传输的距离和速率，增强通信的可靠性和稳定性。
其次，在无线局域网和无线电视等应用中，通过波束成形技术可以实现宽带高速通信和高清视频传输。
此外，波束成形技术还可以应用于雷达系统、无人机通信等领域，提供更高效、精确的信号传输和接收方案。
线性调频连续波带通采样波束形成定位方法
ｃｔ ｎｒｓｌｔ ｎ ｓｒｎ ｎｉａ ａｉ ｏｕｉ ，ｔ ｇａ ｔｊｍｍｉ ｅｆｍｍ ｃ ｎ Ｏｏ． ｏ ｅ ｏ ｏ － ｎ ｐｒ ｇ ｏ ｎｅａｄＳ ｎ
Ｋｅ ｒ ：ｏ ａ ｉ ｔ ｎ； ＦＭ Ｃ ； ｅ ｍ ｏ ｉｇ； ａ ｄ ｐ ｓ － ａ ｌ ｇ ｙ ｗｏ ｄｓ ｌ ｃ ｌ ａ ｉ Ｌ ｚ ｏ Ｗ ｂ ａ ｆ ｒ ｎ ｂ ｎ — ａ ｓｓ ｍｐ ｉ ｍ ｎ
第 ３ 卷 第 ５期 ２
２１ 年 １ ００ Ｏ月
探 测 与 控 制 学 报
Ｊｏ ｎａ ｆＤｅ ｅ ｔｏ ＆ Ｃｏ ｒ ｌ ｕｒ ｌｏ ｔ ｃ ｉｎ ｎｔｏ
Ｖｏ ． ２ Ｎｏ ５ １３ ．
０ｃ ． Ｏ Ｏ ｔ ２ １
线 性 调 频 连 续 波 带 通 采样 波束 形 成 定 位 方 法
Ａｂ ｔａ ｔ ＬＦ Ｃ ａ ｎｙｂ ｓｄｆｒｒｎ ｅｌｃ ｔ ｎ ｂ ｔ ｏ ｏ ｉｅｔ ｎｆ ｄｎ ， ｎ ｌ ｂ ｉｇｂｇａ ｕ ｔ ｓｒ ｃ ： Ｍ Ｗ ｃ ｎｏ ｌ ｅｕ ｅ ｏ ａ ｇ ａｉ ， ｕ ｔ ｒ ｒｃｉ ｉ ｉｇ ａ ｄｉ ｗｉ ｒ ｉ ｍｏ ｎ ｏ ｏ ｎ ｆ ｄ ｏ ｎ ｔ ｌ ｎ
ｏ ｐ ｒ ｔ ｎ ｅ ｅ ｍ ｏ ｍ ｓｄ ｒ ｃ ｌ ｔ ｉ ｅ ｅ ｔ ｌ ｒ ｑ ｅ ｃ ｉｎ １ ｈ ｓ ｐ ｐ ｒｐ ｔｆ ｒ ｒ ｏ ａ ｉ ｔ ｎ ｆｏ ｅ ａ ｉ ｓｗｈ ｎ ｂ ａ ｆ ｒ ｉ ｔ ｗｉ ｄ ｆ ｒ ｎ ｉ ｅ ｕ ｎ ｙ ｓｇ ａ． ｉ ａ ｅ ｕ ｏ ｗａ ｄ ａ ｌｃ ｌ ａ ｉ ｏ ｅ ｙ ｈ ｆ ａ ｆ Ｆ ｚ ｏ
黄 辉 黄 峥 任俊峰 李楚宝 ， ， ， ， 黄 涛
（． 电工程与控 制国家级重点 实验室 ， １机 陕西 西安 ７ ０ ６ ；． １０ ５ ２ 西安机 电信 息研究所 ， 陕西 西安 ７０６ ） １ ０ ５
第四章 波束形成(Beamforming)
e
j 2πf c t
]
(4.1.2)
Z τ ( t ) = Z ( t τ ) e j 2πf cτ
窄带(带宽足够小)可以认为Z(t)的变化非常缓慢. 即有 Z (t τ ) ≈ Z (t ) ,因此有
(4.1.3)
Zτ (t ) ≈ Z (t )e
窄带定义:
j 2πf cτ
(4.1.4)
1 τ << B
空间波束:
H BF (θ ) = WBF a (θ )
(4.2.3)
特点:最优权和所需信号匹配,而无法抑制干扰. 分辨能力取决于阵列的几何结构和信噪比. 4.2 .2 Capon波束形成器 Bartlett波束形成器不是自适应的,不能适应不同的干 扰环境.为了针对不同的环境做自适应处理,波束形成器 必须自动对消干扰信号,具有自适应功能.
S ( t ) = Re Z ( t ) e j 2π f c t
[
]
(4.1.1)
基带信号Z(t)是接收信号的复包络, 通过对S(t) 解调得到. 阵元接收信号时,各阵元对同一信号有时间延迟.
Sτ ( t ) = S ( t τ ) = Re Z ( t τ ) e
延迟信号的复包络为:
[
j 2 π f cτ
H R = U s ∑ s U sH + U n ∑ n U n
=
∑
i =1
p
λi ui uiH +
i = p +1
∑
M
λi ui uiH
(4.1.13)
此式和 R = APA H + σ 2 I 对应,所以各个方向向量 (方向矩阵的各列)均位于信号子空间里,它们与噪声子 空间正交.
电磁波的信号处理方法有哪些？
电磁波的信号处理方法有哪些？在当今的科技时代，电磁波无处不在，从我们日常使用的手机、无线网络，到医疗设备、航空航天等领域，都离不开对电磁波信号的处理。
那么，电磁波的信号处理方法都有哪些呢？首先，滤波是一种常见且重要的电磁波信号处理方法。
滤波的作用就像是一个筛子，它可以让特定频率范围内的电磁波信号通过，而将其他频率的信号衰减或阻挡。
比如说，在无线电通信中，我们需要从接收到的复杂信号中筛选出我们所需要的特定频率的信号，这时候就会用到滤波器。
滤波器有多种类型，比如低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。
低通滤波器允许低于某个截止频率的信号通过，高通滤波器则相反，允许高于截止频率的信号通过，带通滤波器允许在特定的频率范围内的信号通过，带阻滤波器则阻挡这个特定频率范围的信号。
其次，调制和解调也是关键的处理方法。
调制就是将原始的信号（比如声音、图像等）加载到高频的电磁波上，以便于信号的传输。
而解调则是在接收端从已调制的电磁波中提取出原始的信号。
常见的调制方式有幅度调制（AM）、频率调制（FM）和相位调制（PM）等。
以幅度调制为例，就是让高频电磁波的幅度随着原始信号的变化而变化，在接收端通过相应的解调方法，就可以还原出原始信号。
然后是放大。
当电磁波信号在传输过程中会有衰减，为了能够有效地处理和利用这些信号，需要对其进行放大。
放大器能够增加信号的强度，使其能够满足后续处理和传输的要求。
但需要注意的是，放大的过程中要尽量减少噪声的引入，以保证信号的质量。
还有采样和量化。
在数字信号处理中，由于计算机和数字设备只能处理数字信号，所以需要将连续的电磁波模拟信号转换为离散的数字信号。
采样就是在时间上对模拟信号进行离散化，量化则是在幅度上进行离散化。
通过合理的采样频率和量化精度，可以在尽可能保留原始信号信息的同时，将其转换为数字形式，以便进行数字信号处理。
在处理电磁波信号时，频谱分析也是必不可少的方法。
它可以帮助我们了解信号在不同频率上的能量分布情况。
软件无线电中的带通采样分析
软件无线电中的带通采样分析刘丽华,赵宗印(北京跟踪与通信技术研究所,北京100094)摘 要 近年来,软件无线电技术以其强大的通用性和灵活性得到了广泛发展和应用。
研究了软件无线电中广泛采用的带通采样技术。
在给出带通采样定理一般结论的基础上,重点分析了实现无混叠带通采样的条件,得到了边界频率点上4种不同取值情况下带通采样频率的取值范围,并利用时域内插进行了带通采样信号的完全重建。
最后,采用Matlab 进行了仿真验证。
关键词 软件无线电;带通采样;采样速率;频谱混叠中图分类号 T N911.2 文献标识码 A 文章编号 1003-3106(2007)01-0026-04Analysis of B andpass Sampling in Softw are Defined R adioLI U Li 2hua ,ZH AO Z ong 2yin(Beijing Institute o f Tracking and Telecommunication Technology ,Beijing 100094,China )Abstract In recent years ,s oftware defined radio technology has been developed and applied widely because of its powerful universality and flexibility.In this paper ,bandpass sampling technology widely used in s oftware defined radio is studied.Based on bandpass sampling principle ,conditions of alias 2free bandpass sampling are mainly analyzed and sampling frequency ranges under four different conditions of taking values at edge frequency points are given.C omplete reconstruction of the signal is carried out by utilization of time domain interpolation.Finally ,verification of the simulation is carried out by Matlab.K ey w ords s oftware defined radio ;bandpass sampling ;sampling rate ;spectrum alias收稿日期:20062072280 引言带通采样是以经典时域采样定理为理论基础,能够实现较低采样速率的采样,因此,目前广泛应用于软件无线电技术中。
带通采样定理证明
带通信号的采样与重建一、带通采样定理的理论基础基带采样定理只讨论了其频谱分布在（0，H f ）的基带信号的采样问题。
作为接收机的模数转换来说：接收信号大多为已调制的射频信号。
射频信号相应的频率上限远高于基带信号的频率上限。
这时如果想采用基带采样就需要非常高的采样速率！这是现实中的A/D 难以实现的。
这时，低通采样定理已经不能满足实际中的使用要求。
带通采样定理是适用于这样的带通信号的采样理论基础，下面给出定理。
带通采样定理：设一个频率带限信号()x t 其频带限制在(,)L H f f 内，如果其采样速率s f 满足式：s f =2()21L H f f n ++（2-1） 式中,n 取能满足2()s H L f f f ≥-的最大整数（0，1，2…），则用s f 进行等间隔采样所得到的信号采样值()s x nT 能准确的确定原信号()x t 。
带通采样定理使用的前提条件是：只允许在其中一个频带上存在信号，而不允许在不同的频带同时存在信号，否则将会引起信号混叠[1]。
如图2.3所示，为满足这一条件的一种方案，采用跟踪滤波器的办法来解决，即在采样前先进行滤波[1]，也就是当需要对位于某一个中心频率的带通信号进行采样时，就先把跟踪滤波器调到与之对应的中心频率0n f 上，滤出所感兴趣的带通信号()n x t ，然后再进行采样，以防止信号混叠。
这样的跟踪滤波器称之为抗混叠滤波器。
图2.3带通信号采样式（2-1）用带通信号的中心频率0f 和频带宽度B 也可用式（2-2）表示：0214s n f f +=（2-2） 式中，()02L H f f f =+，n 取能满足2s f B ≥（B 为频带宽度）的最大正整数。
当频带宽带B 一定时，为了能用最低采样速率即两倍频带宽度的采样速率（2s f B =）,带通信号的中心频率必须满足0212n f B +=。
也即信号的最高或最低频率是信号的整数倍。
带通采样理论的应用大大降低了所需的射频采样频率，为后面的实时处理奠定了基础。
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带通采样频域波束形成
摘要:常规波束形成算法都是基于过采样率的,这使得多波束成像声呐系统因采样率高、数据吞吐量大,体积、成本和功耗等都很大。
本文提出了一种基于带通采样的频域波束形成算法,将带通采样信号的各频谱分量搬移到原始频谱位置,再进行相位补偿,进而实现带通采样频域波束形成。
对其算法进行了仿真,并通过处理海试数据,验证该算法的有效性,为解决多波束成像声呐系统的小型化提供了技术支撑。
关键字:带通采样波束形成FFT 多波束声呐
引言多波束成像声呐具有分辨率高和成像快等特点,是获取水下信息的最有效设备。
由于其波束形成算法的复杂,要求ADC采样率高,数据处理量大,使得多波束成像声呐系统在体积,功耗及成本上都很大,不利于在军用还是民用上普及。
因此寻求有效的波束形成算法显得十分重要。
常规的数字波束形成技术分为时域方法和频域方法。
时域方法采用数字内插波束形成,效果较好,但权值更新、滤波处理运算量大,对系统前端的采样率要求高,工程实现困难[1-3];频域方法采用二维DFT变换,可以用FFT加以实现,因此比时域方法快,但这两种方法都是在过采样率下实现的,为解决波束形成高采样率的限制,本文则提出在一种基于带通采样的频域波束形成快速算法,即降低了ADC的采样率和后续的计算量又能保证其指向性,以满足多波束成像声纳系统小型化的要求。
2 带通采样频域波束形成算法原理及仿真
2.1 带通采样原理对信号时域的采样,从频域上看是对信号频谱的周期搬移,对于截止频率分别为[fL,fH]的带通信号,根据香农采样定理,其采样频率必须大于乃奎斯特率2fH,才能保证采样后的信号频谱不发生混叠,这样才能无失真地恢复出原始信号。
而带通采样定理允许采样率可以选取比乃奎斯特率2fH低,大于信号带宽2B的某些值,即可保证采样后的信号频谱不发生混叠。
带通采样率可由式(1)确定[4]。
这样带通采样带来较低的ADC采样速率和较低后端数据处理量等好处。
2.2 带通采样频域波束形成原理常规的频域宽带波束形成算法是先将各阵元接收的时间序列分别进行FFT,然后对将各阵元相同频率分量进行相位补偿,或进行空域FFT,最后将各波束的频谱做IFFT,得到每个波束的波形。
对于带通采样频域波束形成则有所不同,由于带通采样后信号的频谱发生了搬移,因此在做频域波束形成时,需把其频谱分量搬移回到真实频谱位置后才能对其频域波束形成。
具体计算过程如下:假设一个N阵元的等间隔线阵接收系统,d=λ0/2,信号载频f0,
宽带B。
对每个阵元接收到的信号做时域带通采样,由带通采样公式(1)可算出采样率,每M(2的整数次幂)点记为一组[5];(a)对每个阵元接收的信号采样得到:
2.3 算法仿真算法可简化为四个步骤,第一步对每个阵元接收的信号做时域FFT变换;第二步对每个阵元每个频谱分量进行修正,即乘修正因子Uk(j),并补零使空间阵元数扩展至M;第三步对每个频谱分量做空间FFT变换,最后对每个阵元的序列补零移项做IFFT变换。
假
设一等间隔直线阵,d=λ0/2,N=13,设阵元接收的信号形式为:f0=10kHz,B=2kHz的LFM信号,声波入射角为26°。
按照公式(1)、(2)计算出I=2.3.4.5.,这里I=5,取4.5kHz;波束形成后的最大波束及指向性如图1,2所示。
由图1和图2可看出用带通采样频域波束形成算法计算出的包络和指向性与延迟累加波束形成算法的结果基本一致。
3 海上试验数据处理试验采用13个阵元,频率为10kHz,半倍波长等间隔水平直线阵,在基阵的正前方50m处放置一个半径1m的铁皮球,发射信号形式为9～11kHz的LFM信号,脉宽为200ms。
其中几个通道的信号如图3所示。
对原始信号采用上一节讨论的算法进行计算,波束形成后最大波束信号和指向性图与常规延迟累加方法的对比结果如图4、5所示。
由图4可看出由带通采样频域波束形成算法得到的最大波束包络与常规延迟累加波束形成算法得到的基本一致。
由图5可看出,延迟累加波束形成算法受到海洋噪声的影响,旁瓣能量有所增加,而带通采样频域波束形成的指向性图基本保持不变,这是由于带通采样频域波束形成算法只用带通采样频率宽的频谱去逼近真实信号的频谱,这样相当于经过一次带通滤波器,滤掉了非信号频谱的噪声,使得信噪比更高,有效抑制了旁瓣能量。
4 结语本文对带通采样频域波束形成算法进行了分析和仿真,其实质就是将带通采样后信号的频谱搬移到真实频谱位置后再采用频
域波束形成算法;并通过对试验数据处理,论证了该算法的有效性。
该算法对采样率要求较低,而且采用FFT算法,具有很高的计算效率,大大降低了成本和功耗,对便携式多波束成像声呐的研发有着重要作用。
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