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
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
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4.1 概述 4.2 自适应天线中的天线阵 4.3 自适应天线的基本理论 4.4 原型自适应天线系统——旁瓣对消器 4.5 扩谱通信系统中的自适应天线阵列 4.6 频域自适应滤波 4.7 自适应波束形成算法
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4.1 概 述
4.2 自适应天线中的天线阵
4.2.1 信号环境 1. 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。
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（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。
(4-1-1)
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：
Sk
(t)

S(t) exp

j
2π kd

sin

式中：λ为入射波波长。
(4 - 1 - 2)
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自适应天线阵的输出为
N
y(t) wk X k (t) [W ]T[ X ] [ X ]T[W ]
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（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。
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1 波前
s(t)
2
X1(t) d
X2(t)
方向图形成网络 w1
w2 ∑
y(t) 天 线 阵 输 出
… …

N
传 感 阵 列
XN(t)
…
wN 控制算法 信号处理器
自适应处理器 (a)
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
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2. 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，
（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。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。
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S(t)
d sin
天线Ⅱ
d 天线阵垂线
天线Ⅰ
天线阵轴线
(b)
图 4 - 1 自适应天线阵 wk.baidu.coma) 自适应天线阵的功能框图； (b) 求Sk(t)的示意图
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由图4 - 1 可知，传感器阵列的输出为
X k (t) Sk (t) nk (t) k 1,2,, N 式中：Sk(t)为信号向量；nk(t)为噪声(干扰)向量。
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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。
k 1
[W ]T [w1, w2, wN ] [ X ]T [x1, x2, xN ]
(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。
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4.1.2 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。 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。
4.1.1 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 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
(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）。