導(dǎo)航接收機(jī)射頻通道設(shè)計(jì)及其特性擬合技術(shù)研究

1、導(dǎo)航接收機(jī)射頻通道設(shè)計(jì)及其特性擬合技術(shù)研究文獻(xiàn)綜述自20世紀(jì)70年代，美國(guó)GPS全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)誕生以來(lái)，人們?cè)谌粘Ｉ钪性絹?lái)越多的品嘗到衛(wèi)星導(dǎo)航定位技術(shù)所帶來(lái)的便捷，從簡(jiǎn)單的車輛船舶等交通系統(tǒng)，到氣象、海洋、災(zāi)害預(yù)報(bào)、通信、勘探測(cè)繪等特殊行業(yè)，導(dǎo)航定位系統(tǒng)都為之提供高效的導(dǎo)航定位服務(wù)。目前，全球性的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)包括美國(guó)的GPS、俄羅斯的GLONASS，以及正在建設(shè)當(dāng)中的歐洲的Galileo和我國(guó)的北斗二號(hào)即Compass系統(tǒng)；區(qū)域性的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)或衛(wèi)星導(dǎo)航增強(qiáng)系統(tǒng)包括美國(guó)的 WAAS、歐洲的 EGNOS、我國(guó)的北斗一號(hào)、日本的MSAS和QZSS、印度的GAGAN和IRNSS系統(tǒng)，等等12

2、34。1 導(dǎo)航接收機(jī)陣列天線與通道衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)通常由三部分組成：空間段、控制段和用戶段1?？臻g段即衛(wèi)星星座，根據(jù)衛(wèi)星軌道高度不同可分為地球同步軌道（GEO）、地球中軌道（MEO）和傾斜同步軌道（IGSO）衛(wèi)星等，主要用于向用戶播發(fā)測(cè)距信號(hào)和數(shù)據(jù)電文；控制段包括主控站、監(jiān)測(cè)站和注入站，主要完成對(duì)空間衛(wèi)星的跟蹤和維護(hù)，監(jiān)測(cè)衛(wèi)星的健康狀況和信號(hào)的完好性，更新衛(wèi)星的時(shí)鐘校正量以及星歷等信息；用戶段包括各種軍用和民用用戶設(shè)備，主要對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行接收處理，根據(jù)不同的用戶需求完成定位、導(dǎo)航或授時(shí)等功能。以北斗一代導(dǎo)航衛(wèi)星的工作流程為例，說(shuō)明衛(wèi)星導(dǎo)航的過(guò)程。首先衛(wèi)星在接收到地面中心控制系統(tǒng)發(fā)送的問(wèn)詢信號(hào)后，會(huì)

3、利用其轉(zhuǎn)發(fā)器向服務(wù)區(qū)內(nèi)的用戶進(jìn)行廣播，而用戶接收到廣播后響應(yīng)其中某一顆衛(wèi)星的問(wèn)詢信號(hào)，向兩顆衛(wèi)星同時(shí)發(fā)送響應(yīng)信號(hào)，信號(hào)再經(jīng)衛(wèi)星的轉(zhuǎn)發(fā)回地面中心控制系統(tǒng)。接下來(lái)，地面中心控制系統(tǒng)將會(huì)根據(jù)用戶申請(qǐng)的服務(wù)內(nèi)容，對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。以定位申請(qǐng)為例，地面中心控制系統(tǒng)事先在計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)字化地形圖中存儲(chǔ)了用戶的高程值以供查詢，即可以得到用戶處于某一與地球基準(zhǔn)橢球面平行的橢球面上。同時(shí)，地面中心控制系統(tǒng)將計(jì)算出接收到的兩個(gè)相應(yīng)信號(hào)的時(shí)間延遲，由于中心控制系統(tǒng)和兩顆衛(wèi)星的位置均是己知的,因此由計(jì)算出來(lái)的兩個(gè)延遲量可以算出用戶到兩顆衛(wèi)星距離之和，以及用戶到第一顆衛(wèi)星的距離，從而得到用戶位于一個(gè)以兩顆

4、衛(wèi)星為焦點(diǎn)的橢球面和以第一顆衛(wèi)星為球心的球面之間的交線上。這樣,地面中心控制系統(tǒng)既可以最終計(jì)算出用戶所在點(diǎn)的三維坐標(biāo)，將這個(gè)坐標(biāo)經(jīng)加密后發(fā)送給用戶。最終流程可以簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)線通信系統(tǒng)，如圖 11所示。 圖 11 一般的無(wú)線通信系統(tǒng)無(wú)線通信系統(tǒng)中，射頻前端電路主要完成對(duì)射頻信號(hào)的處理，而基帶處理部分完成基帶信號(hào)的處理。無(wú)線通信系統(tǒng)工作在發(fā)送狀態(tài)時(shí)，基帶處理部分將信息進(jìn)行編碼、DA轉(zhuǎn)換，之后主要由射頻電路組成的發(fā)射機(jī)通過(guò)調(diào)制上變頻等方式，將基帶處理后的信號(hào)變換為適合在頻帶內(nèi)傳輸?shù)男问桨l(fā)射到信道中；工作在接收狀態(tài)時(shí)，射頻前端通過(guò)對(duì)特定頻段的信號(hào)進(jìn)行選取、濾波、放大等方式，提高信號(hào)的幅度和信噪比

5、，下變頻、AD轉(zhuǎn)換之后，使之成為滿足基帶處理部分要求的信號(hào)?？梢?jiàn)，射頻前端是無(wú)線通信系統(tǒng)中最為關(guān)鍵的組成部分。在無(wú)線接收機(jī)所有組成部分中，射頻前端位于整個(gè)接收機(jī)系統(tǒng)的最前端，同時(shí)也是最為關(guān)鍵的組成部分。為了在基帶處理部分實(shí)現(xiàn)對(duì)基帶信號(hào)所包含信息的處理，首先就必須對(duì)空氣中的無(wú)線電信號(hào)進(jìn)行接收，然而這些信號(hào)往往是十分微弱的，同時(shí)還可能存在鄰近信道的噪聲干擾以及由于傳播路徑不同所產(chǎn)生的多徑效應(yīng)等等。以GPS為例，衛(wèi)星距離地球表面兩萬(wàn)公里以上，地面接收機(jī)收到的衛(wèi)星信號(hào)功率大約為10-16W4，很容易受到各種射頻干擾的影響，導(dǎo)航接收機(jī)處于嚴(yán)重的環(huán)境干擾中。下表總結(jié)了各種射頻干擾類型以及潛在的干擾源。表

6、11射頻干擾的類型和潛在的干擾源1干擾類型潛在干擾源寬帶帶限高斯故意的匹配帶寬的噪聲干擾機(jī)寬帶相位/頻率調(diào)制使導(dǎo)航接收機(jī)前端濾波器過(guò)載的電視發(fā)射機(jī)諧波或鄰近頻段的微波鏈路發(fā)射機(jī)寬帶匹配頻譜故意的匹配頻譜的干擾機(jī)、欺騙機(jī)或者附近的偽衛(wèi)星寬帶脈沖雷達(dá)或超寬帶（UWB）等脈沖發(fā)射機(jī)窄帶相位/頻率調(diào)制故意的線性調(diào)頻脈沖干擾機(jī)，或來(lái)自調(diào)幅無(wú)線電臺(tái)、民用波段電臺(tái)或業(yè)余無(wú)線電臺(tái)的諧波窄帶連續(xù)掃頻波故意的掃頻連續(xù)波干擾機(jī)或者調(diào)頻電臺(tái)發(fā)射機(jī)的諧波窄帶連續(xù)波故意的連續(xù)波干擾機(jī)或者鄰近頻段的未調(diào)制發(fā)射機(jī)的載波在實(shí)際接收環(huán)境中，來(lái)自衛(wèi)星的信號(hào)在傳播過(guò)程中經(jīng)常受到天線附近環(huán)境中反射物（建筑物、地面和水面等）的作用而產(chǎn)生

7、多徑信號(hào)12，如圖 12所示。 圖 12多徑信號(hào)的產(chǎn)生由于反射信號(hào)經(jīng)過(guò)的路徑總是比直達(dá)信號(hào)更長(zhǎng)，因而相對(duì)于直達(dá)信號(hào)而言多徑的到達(dá)是有延遲的。當(dāng)多徑延遲較大（例如對(duì)于 BPSK 調(diào)制信號(hào)，大于擴(kuò)頻碼符號(hào)周期的兩倍）時(shí)，只要接收機(jī)跟蹤到了直達(dá)信號(hào)（總是比任何多徑提早到達(dá)）那么可解的多徑對(duì)接收機(jī)性能的影響就不大。然而，由附近甚至遠(yuǎn)處物體反射的多徑可能比直達(dá)信號(hào)延遲很短的時(shí)間（如幾十或幾百納秒）到達(dá)，這種多徑會(huì)使接收機(jī)的合成（直達(dá)加上多徑）信號(hào)與本地產(chǎn)生的參考信號(hào)之間的相關(guān)函數(shù)產(chǎn)生畸變，同時(shí)也會(huì)引起接收信號(hào)合成相位的畸變，在偽距和載波相位測(cè)量值上引入誤差，從而造成位置、速度和時(shí)間解算的誤差89。根據(jù)對(duì)

8、大量多徑環(huán)境的分析和建模，可將多徑信號(hào)分為兩類：散射多徑和鏡面反射多徑8910。根據(jù)電波傳播理論，信號(hào)在傳播過(guò)程中遇到兩種不同媒質(zhì)的光滑界面而且界面的尺寸又遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生鏡面反射。由于衛(wèi)星與反射面的距離很遠(yuǎn)，因此可以應(yīng)用平面波的反射定律。如果反射面嚴(yán)重起伏不平，則其對(duì)信號(hào)的反射呈散射的情況，散射多徑信號(hào)可以看作多個(gè)鏡面反射多徑信號(hào)之和。假設(shè)地面接收天線陣由個(gè)全向陣元組成，如圖 13所示。 圖 13天線陣列及入射信號(hào)示意圖信號(hào)從空間遠(yuǎn)場(chǎng)以平面波入射到天線陣上，表示入射仰角，表示信號(hào)入射方位角，參考點(diǎn)接收信號(hào)的復(fù)數(shù)形式為 （1）其中，為虛數(shù)單位，為振幅調(diào)制信號(hào)，為載波角頻率，為相位調(diào)制信號(hào)

9、，為隨機(jī)相位。個(gè)陣元接收到的信號(hào)可以表示為 （2）多信號(hào)同時(shí)入射天線陣時(shí)，假設(shè)有用信號(hào)的導(dǎo)向矢量為，其余信號(hào)視作干擾（既包括各種射頻干擾，也包括來(lái)自多徑或其它衛(wèi)星信號(hào)的干擾），第個(gè)干擾信號(hào)的導(dǎo)向矢量為，則陣列接收信號(hào)可表示為 （3）2 射頻通道頻帶分割自適應(yīng)天線陣是天線自適應(yīng)波束形成技術(shù)的重要基礎(chǔ)，具有自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境變化，增強(qiáng)系統(tǒng)有用信號(hào)，自適應(yīng)干擾置零、天線自校準(zhǔn)，抑制和消除干擾及噪聲等優(yōu)點(diǎn)，在雷達(dá)、通訊、地震探測(cè)系統(tǒng)等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際系統(tǒng)中，由于接收機(jī)是由高放、混頻器等模擬電路組成，在射頻級(jí)混入大量的干擾信號(hào)，難以保證各接收通道的幅頻一致性，導(dǎo)致通道失配1112。通道失配會(huì)嚴(yán)重影

10、響自適應(yīng)陣列的性能，對(duì)通道失配的機(jī)理進(jìn)行深入研究，建立準(zhǔn)確且可控性好的仿真模型是非常必要的。頻帶分割技術(shù)是寬帶信號(hào)數(shù)字化接收和高性能實(shí)時(shí)處理方法之一，基于頻帶分割的多通道綜合方法可降低采樣速率，使子帶信號(hào)相對(duì)帶寬下降，提高了數(shù)據(jù)傳輸與處理性能，更加有利于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用。將較寬的帶寬通過(guò)子帶濾波器組的分析帶通濾波器分解為若干個(gè)窄帶，這樣就可以利用處理窄帶信號(hào)的方法處理寬帶信號(hào)1314。由頻帶分割技術(shù)實(shí)現(xiàn)的多速率信號(hào)處理系統(tǒng)得到廣泛的研究，文獻(xiàn)15對(duì)子帶處理算法和實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了總結(jié)分析，詳細(xì)介紹了多速率系統(tǒng)，濾波器組，子帶自適應(yīng)濾波器和交叉濾波器的消除等；還有學(xué)者進(jìn)一步對(duì)通道失配在多通道信號(hào)處

11、理中的影響進(jìn)行分析，如文獻(xiàn)16對(duì)通道失配在多通道子帶合成SAR性能造成的影響進(jìn)行分析，提出了基于多普勒分析的通道失配補(bǔ)償，未建立標(biāo)準(zhǔn)的子帶通道及全通道失配模型，對(duì)幅度和相位失配的驗(yàn)證有失一般性。2.1 頻帶分割濾波器組設(shè)計(jì)濾波器組設(shè)計(jì)在頻帶分割技術(shù)中有著非常重要的作用，也是實(shí)現(xiàn)頻帶分割的關(guān)鍵。在寬帶數(shù)字信號(hào)處理中，為了確保信號(hào)處理的正確性，必須使用可實(shí)現(xiàn)重構(gòu)的濾波器組進(jìn)行頻帶分割。目前在信號(hào)分割與合成中應(yīng)用最廣的是調(diào)制濾波器組，其分析、綜合濾波器組是由一個(gè)或多個(gè)原型濾波器調(diào)制產(chǎn)生的，優(yōu)點(diǎn)在于便于系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，而且可以將對(duì)濾波器組的優(yōu)化轉(zhuǎn)化為對(duì)原型濾波器的優(yōu)化，降低計(jì)算量和實(shí)現(xiàn)難度。由此對(duì)原型濾波器

12、的選取和設(shè)計(jì)也是形成分割濾波器組的關(guān)鍵。為了得到良好的重構(gòu)特性，原型濾波器應(yīng)盡可能滿足以下兩個(gè)條件：； （4）式中，為原型濾波器的頻率響應(yīng)，是頻帶分割的通道個(gè)數(shù)。滿足式（1）條件后，子帶間不存在混疊失真和幅度失真；同時(shí)，選擇合適的相位因子，可以克服子帶間的相位失真。依據(jù)式（1）可以得到設(shè)計(jì)濾波器的思路：對(duì)其加權(quán)約束，使目標(biāo)函數(shù)最小化：； （5） 其中，、為加權(quán)因子。設(shè)寬帶信號(hào)的頻譜范圍為，表示的理想矩形濾波器，此時(shí) （6）則濾波器組是通過(guò)一個(gè)低通的原型濾波器進(jìn)行頻移得到的，即 （7） 其中是大于的最小整數(shù)。在之前的研究中，有關(guān)頻帶分割濾波器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于可重構(gòu)性，以保證通帶在分割前與分割后達(dá)到

13、最大限度的一致，由此衍生出多種濾波器組，如基于原型濾波器調(diào)制的離散Fourier變換調(diào)制（DFT）濾波器組和余弦調(diào)制濾波器組（CMFB）；基于小波理論的濾波器組設(shè)計(jì)方法，包括由正交鏡像濾波器設(shè)計(jì)的模擬頻帶分割濾波器和基于最小頻域方差準(zhǔn)則的正交鏡像濾波器設(shè)計(jì)等。圖 21給出了優(yōu)化的低通原型濾波器，具有線性相位；圖 21是基于低通原型濾波器的DFT濾波器組，用來(lái)進(jìn)行頻帶分割和子帶合并。 圖 21經(jīng)過(guò)優(yōu)化的低通原型濾波器 圖 22基于原型濾波器的濾波器組 2.2 頻帶分割方法實(shí)現(xiàn)子帶分解的濾波器組可分為均勻?yàn)V波器組合非均勻?yàn)V波器組兩類17。均勻?yàn)V波器組是低通濾波器經(jīng)過(guò)頻譜搬移形成，可以根據(jù)需要調(diào)整分

14、割子帶數(shù)目與分割濾波器的頻譜范圍。在不考慮通道的各類特性下對(duì)整個(gè)頻帶進(jìn)行分割，設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。非均勻?yàn)V波器組是針對(duì)均勻?yàn)V波器組不能充分利用信號(hào)的特征來(lái)進(jìn)行分割這一缺點(diǎn)提出。根據(jù)設(shè)定的參照依據(jù)，如通道的幅頻特性、功率譜等，先通過(guò)均勻?yàn)V波器組實(shí)現(xiàn)頻帶分割，進(jìn)而根據(jù)約束算法進(jìn)行子帶合并，達(dá)到非均勻分割的目的。非均勻分割方法具有動(dòng)態(tài)地調(diào)整濾波器的帶寬和中心頻率的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)靈活。傳統(tǒng)的非均勻分割是為了便于對(duì)分割后的子帶應(yīng)用數(shù)字信號(hào)處理算法，依據(jù)算法的某些特性來(lái)制定分割規(guī)則，而失配模型的建立則是根據(jù)通道幅頻特性來(lái)用濾波器進(jìn)行逼近。由此，在本文中，我們使用重新定義的子帶分割方法：（1）均勻分割：根據(jù)

15、設(shè)計(jì)的原型濾波器組對(duì)頻帶進(jìn)行均勻分割，在原型濾波器組通帶帶寬一定時(shí)，當(dāng)整個(gè)通道的帶寬已知，那么對(duì)頻帶分割為子帶的數(shù)目也是定值。圖 23中，對(duì)歸一化的頻帶分割為5份，每份帶寬占總帶寬的1/5.（2）非均勻分割：通過(guò)對(duì)濾波器設(shè)計(jì)系數(shù)的調(diào)整，對(duì)原型濾波器的通帶帶寬進(jìn)行約束，獲得不同通帶帶寬的濾波器。根據(jù)通道的幅頻特性等，設(shè)定所選用的分割濾波器，進(jìn)而對(duì)頻帶實(shí)現(xiàn)非均勻分割。圖 23中，通過(guò)調(diào)整原型濾波器的通帶帶寬，將頻帶分割為5份，子帶帶寬所占總帶寬的比例不同。 圖 23均勻分割濾波器組 圖 24非均勻分割濾波器組3 通道特性均衡3.1 通道失配為了分析通道失配的影響，首先需要建立合理的通道失配模型。目

16、前的研究中，通道失配模型大致可分為兩類：一類是窄帶模型，即認(rèn)為各通道引入了一個(gè)不同的幅度誤差因子和誤差相移，可用一個(gè)復(fù)數(shù)表征兩通道之間的失配；另一類是寬帶模型，通道失配不能簡(jiǎn)單地用復(fù)數(shù)表征，而需要用一組表示通道特性的頻率響應(yīng)來(lái)描述17。針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收天線陣，陣列通道主要由天線和射頻前端組成，根據(jù)文獻(xiàn)18-19的測(cè)量結(jié)果，各個(gè)天線陣元的幅度、相位（群延遲）響應(yīng)在通帶內(nèi)均存在波動(dòng)，并且波動(dòng)情況與信號(hào)的入射方向有關(guān)，因此應(yīng)采用寬帶模型來(lái)表示。為了深入研究通道失配對(duì)陣列性能的影響機(jī)理，需要對(duì)通道失配的性能指標(biāo)進(jìn)行定量描述。文獻(xiàn)20基于正弦波動(dòng)的幅頻響應(yīng)、群時(shí)延響應(yīng)模型，定義了通道幅度起伏峰峰值和起伏

17、數(shù)、通道群時(shí)延起伏峰峰值和起伏數(shù)、平均群時(shí)延等指標(biāo)來(lái)描述通道特性；雖然該模型易于仿真實(shí)現(xiàn)，但峰峰值、起伏數(shù)等指標(biāo)難以反映通道失配的本質(zhì)特點(diǎn)，而通道特性的實(shí)際測(cè)量結(jié)果通常并不是正弦波動(dòng)的。因此，有必要研究符合實(shí)際測(cè)量結(jié)果的通道失配模型，并合理提取通道失配的性能指標(biāo)，以揭示通道失配對(duì)陣列性能影響的本質(zhì)原因。目前，通道失配模型分為以下四類：第一類是系統(tǒng)頻率響應(yīng)函數(shù)模型，通過(guò)調(diào)整頻率響應(yīng)函數(shù)來(lái)表示不同的通道特性21，通過(guò)響應(yīng)函數(shù)設(shè)計(jì)的濾波器可以直觀反映通道特性，但難以設(shè)計(jì)出任意頻響的濾波器，而且在寬帶信號(hào)中需要很高的濾波器階數(shù)；第二類是基于FIR濾波器和IIR濾波器的零點(diǎn)擾動(dòng)模型2223，該模型對(duì)濾波

18、器系數(shù)進(jìn)行零值擾動(dòng)，實(shí)現(xiàn)濾波器響應(yīng)的隨機(jī)變化，易于實(shí)現(xiàn)，但是經(jīng)過(guò)擾動(dòng)的濾波器系數(shù)與通道幅頻特性沒(méi)有明確的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此最終效果與實(shí)際誤差較大；第四類是濾波器級(jí)聯(lián)描述類型，即文獻(xiàn)24提出基于濾波器級(jí)聯(lián)描述的通道失配仿真模型的方法，該模型各通道分別通過(guò)4個(gè)濾波器來(lái)控制通道的幅度相位起伏、群時(shí)延起伏、平均群時(shí)延偏差等性能指標(biāo)，雖然能夠描述不同通道之間特性的不同，但不能靈活對(duì)特定的帶寬內(nèi)仿真，如模擬帶內(nèi)突變，或幅度或相位的非平坦變化等，而且由于用于整個(gè)通道的濾波器的自身帶外特性，不能完全實(shí)現(xiàn)帶外的仿真。由于每個(gè)通道的頻率響應(yīng)在不同方向上的起伏波動(dòng)不同，因此需要對(duì)所有可能的接收方向進(jìn)行通道校正。為了校正

19、與頻率有關(guān)的通道失配，通常在每一通道后接一個(gè)校正濾波器，該濾波器的計(jì)算需要獲得校正前各通道的頻率響應(yīng)。通道頻率響應(yīng)的獲取方式有兩種：離線方式和在線方式。對(duì)通道頻率響應(yīng)的離線測(cè)量亦可分為有線測(cè)量和無(wú)線測(cè)量?jī)煞N。有線測(cè)量，即采用信號(hào)源生成校正信號(hào)（通常為線性調(diào)頻信號(hào)），通過(guò)注入校正信號(hào)到各陣列通道，測(cè)量出各通道的頻率特性，由于校正信號(hào)通常從接收機(jī)射頻入口注入，因此往往無(wú)法解決天線之間頻率特性不一致的問(wèn)題；無(wú)線測(cè)量指在開(kāi)闊場(chǎng)地或微波暗室對(duì)天線陣通道特性進(jìn)行測(cè)量，該方法不僅需要對(duì)信號(hào)環(huán)境進(jìn)行嚴(yán)格控制，例如避免電磁干擾和多徑的影響，還需要對(duì)校正源的方位以及天線轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行精確測(cè)量和校準(zhǔn)，成本較高。離線測(cè)量方

20、法的研究和使用較早，但當(dāng)天線陣安裝于實(shí)際工作環(huán)境中之后，通道特性很可能隨安裝方位以及環(huán)境溫度等產(chǎn)生變化，達(dá)不到預(yù)期的校正效果。在數(shù)字信號(hào)處理能力大大提高的條件下，利用接收信號(hào)進(jìn)行在線校正是一種理想的校正方法。2009年，Ohio大學(xué)的Church等人提出了一種利用衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)對(duì)陣列通道特性進(jìn)行在線估計(jì)的方法，該方法不僅可以解決天線陣元間的通道失配，還可避免微波暗室與實(shí)際安裝環(huán)境之間的不一致等問(wèn)題。該方法利用多組空時(shí)權(quán)值系數(shù)對(duì)陣列輸出信號(hào)與本地偽碼的相關(guān)函數(shù)進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而估計(jì)出陣元通道特性的泰勒展開(kāi)系數(shù)。由于每更換一次空時(shí)權(quán)值系數(shù)都需要對(duì)偽碼相位重新捕獲跟蹤，因此估計(jì)一次通道特性所需的時(shí)間較長(zhǎng)，

21、其計(jì)算方法和操作步驟存在進(jìn)一步優(yōu)化和改進(jìn)的空間。 采用陣列天線的處理，也稱空域?yàn)V波，與時(shí)域 FIR 濾波器的時(shí)間采樣線性濾波處理相類似，陣列處理是一種空間采樣處理技術(shù)，即通過(guò)一定布置的空間陣元對(duì)空間信號(hào)場(chǎng)進(jìn)行采樣，然后經(jīng)加權(quán)相加處理得到期望的輸出結(jié)果。陣列處理可以方便地進(jìn)行波束控制，有效地抑制空間干擾和噪聲、增強(qiáng)有用信號(hào)。陣列處理系統(tǒng)可與空間譜估計(jì)技術(shù)相結(jié)合，既可估計(jì)空間信源的到達(dá)方向，又可自適應(yīng)地抑制干擾，且譜估計(jì)的結(jié)果可直接應(yīng)用于自適應(yīng)空間濾波，這使系統(tǒng)的電子戰(zhàn)能力和性能進(jìn)一步提高。在工程上需要關(guān)注的實(shí)際問(wèn)題是各通道的頻帶不一致性。在一個(gè)實(shí)際的陣列天線系統(tǒng)中，接收部分包括射頻饋線、放大器、

22、中放、正交相位檢波器和 A/D 等模擬器件，具有一定的帶寬。這些電路特性的變化，會(huì)引起系統(tǒng)頻率特性的變化，而這種變化是隨機(jī)的，因此各個(gè)通道之間頻率特性是不一致的，并且是時(shí)變的，這種頻帶不一致性是自適應(yīng)天線提高抗干擾性能的主要瓶頸之一，因此解決通道頻率特性失配問(wèn)題十分重要。3.2 通道均衡與特性擬合目前的解決方法主要有兩種，一是在每個(gè)通道內(nèi)加抽頭延遲線（FIR 濾波器）進(jìn)行自適應(yīng)補(bǔ)償，這實(shí)質(zhì)上是一種空時(shí)二維處理技術(shù)，這種空時(shí)自適應(yīng)通道補(bǔ)償方法有干擾抑制和通道補(bǔ)償同時(shí)進(jìn)行的優(yōu)點(diǎn)，并且不需要校正源，但是，當(dāng)通帶內(nèi)頻率特性失配的波紋數(shù)增加時(shí)，自適應(yīng)補(bǔ)償所需的抽頭延遲數(shù)需要大大增加，這將直接導(dǎo)致處理的運(yùn)

23、算量成倍增加，從而不能滿足實(shí)時(shí)處理的需要；二是在系統(tǒng)內(nèi)加通道均衡器，它通常是從天線的接收端向每個(gè)接收通道注入一定帶寬的校正信號(hào)，先測(cè)出各個(gè)接收通道之間的頻率特性的不一致性，然后用 FIR 濾波器進(jìn)行校正。圖 31為均衡實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)。 圖 31均衡實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu) 圖中校正信號(hào)是系統(tǒng)工作在校正狀態(tài)時(shí)，被同時(shí)注入?yún)⒖纪ǖ篮痛馔ǖ雷鳛殛嚵邢到y(tǒng)的訓(xùn)練信號(hào)，以求得濾波器正常工作時(shí)的系數(shù)。整個(gè)均衡過(guò)程假定是在短時(shí)平穩(wěn)的環(huán)境下。文獻(xiàn)25提出了傳統(tǒng)自適應(yīng)通道補(bǔ)償方法的基本思想，即在通道后加抽頭延遲線以提供一些額外的自由度，來(lái)補(bǔ)償通道的失配效應(yīng)。在文獻(xiàn)26給出了通道均衡的時(shí)域算法，文獻(xiàn)27給出了通道均衡的頻域算法。這些

24、是通道均衡的傳統(tǒng)算法，但是傳統(tǒng)自適應(yīng)通道補(bǔ)償方法的有一定的缺點(diǎn)，為了改善均衡性能相繼出現(xiàn)了對(duì)傳統(tǒng)算法的改進(jìn)算法。文獻(xiàn)28通過(guò)對(duì)子陣DBF在理想條件下及通道存在失配的條件下對(duì)方向函數(shù)分析，得出了其和差波束方向性函數(shù)特性，利用基于恢復(fù)理想回波信號(hào)的通道均衡法對(duì)通道失配進(jìn)行了校正，并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真，得出了該方法適用于通道內(nèi)和通道間的失配校正，且對(duì)陣元級(jí)DBF和子陣DBF均使用。文獻(xiàn)29主要分析了對(duì)角加載對(duì)均衡性能的影響。前面介紹的通道均衡方法所能均衡的只是接收機(jī)部分的頻帶不一致性，對(duì)天線至接收機(jī)前端的饋線傳輸通道的相位不一致性并沒(méi)有校正，從而會(huì)影響后續(xù)的自適應(yīng)處理性能?；谶@種考慮，文獻(xiàn)30提出了參

25、考通道修正法與整體失配特性修正法兩種改進(jìn)的自適應(yīng)均衡方法，它們都能同時(shí)均衡饋線和接收機(jī)之間的頻帶失配。文獻(xiàn)31則考慮到如果通道頻率響應(yīng)為非最小相位系統(tǒng)時(shí)，傳統(tǒng)的均衡算法效果是不夠好的，并提出了一種對(duì)待均衡通道的輸出進(jìn)行延遲的算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)非最小相位系統(tǒng)的失配通道均衡。對(duì)于寬帶或超寬帶陣列系統(tǒng)，當(dāng)通道失配特性曲線隨頻率發(fā)生劇烈波動(dòng)產(chǎn)生高次畸變時(shí)，常規(guī)的均衡法無(wú)法進(jìn)行補(bǔ)償。雖然增加均衡階數(shù)可以取得一定的補(bǔ)償效果，但同時(shí)也帶來(lái)了系統(tǒng)復(fù)雜度和系統(tǒng)成本的增加。而且，在用數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)時(shí)，增加階數(shù)所帶來(lái)的量化誤差、各抽頭延遲線誤差積累起來(lái)，反而會(huì)降低均衡器性能。文獻(xiàn)28在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于帶寬分

26、割的自適應(yīng)通道補(bǔ)償方法，不僅可以有效補(bǔ)償高次畸變條件下的通道失配，而且自適應(yīng)權(quán)系數(shù)求解的運(yùn)算量也顯著低于常規(guī)均衡法。 自適應(yīng)通道均衡器是解決通道間失配的有效手段，根據(jù)求解均衡器權(quán)系數(shù)不同的計(jì)算，均衡算法可以分為時(shí)域均衡和頻域均衡兩種基本算法。時(shí)域均衡的思想是利用均衡器產(chǎn)生的響應(yīng)波形補(bǔ)償已畸變的波形，使最終的波形滿足實(shí)際要求，其優(yōu)點(diǎn)是不必預(yù)先詳細(xì)知道幅頻、相頻特性，可用觀察波形的方法直接進(jìn)行調(diào)節(jié)，缺點(diǎn)是校正精度有限，實(shí)現(xiàn)起來(lái)不方便。頻域均衡的思想是利用可調(diào)濾波器的頻率特性去補(bǔ)償失配通道的頻率特性，是包括可調(diào)濾波器在內(nèi)的系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)滿足實(shí)際性能的要求，理論上可以以很高的精度來(lái)補(bǔ)償幅頻、相頻特性

27、的失真，它是一種接近平攤的固定式均衡，適用于通道特性緩變的系統(tǒng)。本章重點(diǎn)分析時(shí)域算法。頻域算法和時(shí)域算法理論上是等效的。頻域均衡的思想是利用可調(diào)濾波器的頻率特性去補(bǔ)償失配通道的頻率特性，使包括可調(diào)濾波器在內(nèi)的系統(tǒng)總的傳遞函數(shù)滿足實(shí)際性能的要求，理論上可以以很高的精度來(lái)補(bǔ)償幅頻、相頻特性的失真，它是一種接近平攤的固定式均衡，適用于通道特性緩變的系統(tǒng)。本章介紹頻域算法。頻域算法也稱基于傅里葉變換的通道均衡算法，其基本思想是直接對(duì)均衡通道與參考通道的頻率響應(yīng)做最小二乘擬合。影響均衡性能的首要因素就是通道頻率響應(yīng)的失配程度，若通道的失配程度較輕，那么就可以采用階數(shù)較低的均衡器就可達(dá)到均衡效果，另一種極

28、端情況，若通道的失配程度特別嚴(yán)重，均衡器也會(huì)失去作用。信號(hào)的信噪比（校正信號(hào)與噪聲功率之比）對(duì)均衡器性能的影響也是需要考慮的因素，若信號(hào)信噪比太低，則難以得到較好的自相關(guān)矩陣和相互關(guān)矢量的估計(jì)值，此時(shí)獲得的均衡器權(quán)系數(shù)不準(zhǔn)確，得到的均衡器與期望逼近的均衡器差距就比較大，從而均衡效果也就不理想。在通道中插入均衡器，能夠補(bǔ)償頻率相關(guān)的幅度和相位誤差，其核心是均衡器通過(guò)插入抽頭延遲線而增大自由度。當(dāng)均衡器抽頭數(shù)較小時(shí)，隨著抽頭數(shù)的增加，剩余幅度失配和剩余相位失配減少的非?？?，但隨后曲線趨于平緩，逐漸接近某一較小值，主要原因是受到噪聲和計(jì)算誤差的影響，使得剩余幅度失配和剩余相位失配的均方根不可能無(wú)限地

29、小。均衡器抽頭數(shù)越大，自由度越大，均衡性能也越好，但是均衡器的抽頭數(shù)越大，雷達(dá)系統(tǒng)所付出的代價(jià)也越大，且均衡器的抽頭數(shù)不能取得無(wú)限大，實(shí)際中受到數(shù)字處理芯片及計(jì)算量的限制。所以存在一個(gè)最佳階數(shù)，這個(gè)最佳階數(shù)即若小于這個(gè)最佳階數(shù)，均衡效果不是很理想，若大于這個(gè)最佳階數(shù)，均衡效果雖然可以達(dá)到，但造成了浪費(fèi)，雷達(dá)系統(tǒng)付出的代價(jià)太大。采樣率對(duì)均衡性能的影響非常大，1/fs即為均衡器的單位時(shí)延。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，在B/fs=1時(shí)無(wú)論均衡器階數(shù)取多大，均衡性能都沒(méi)有得到明顯的改進(jìn)，因?yàn)楫?dāng)采樣頻率小于或等于信號(hào)帶寬，由于抽樣均衡器的頻率響應(yīng)產(chǎn)生周期延拓，存在頻譜混疊，使均衡性能難以提高，當(dāng)B/fs接近0

30、時(shí)，均衡性能也有所下降，這是因?yàn)殡S采樣間隔趨于零，均衡器的持續(xù)時(shí)間也趨于0，這就等價(jià)于沒(méi)有使用均衡器，給定階數(shù)的均衡器等同于只有一個(gè)抽頭的橫向?yàn)V波器。3.3 通道特性擬合示例在實(shí)際雷達(dá)通道中，由于接收機(jī)中模擬濾波器等器件的作用，造成失配通道和參考通道的輸出信號(hào)存在時(shí)間延遲，該時(shí)延差一般在幾納秒至幾十納秒的量級(jí)上，對(duì)于線性調(diào)頻信號(hào)，該時(shí)延造成相位差隨頻率的增加而增加，該延遲被稱為群延遲。群延遲也對(duì)信道均衡產(chǎn)生了很大影響。設(shè)定已經(jīng)獲得了真實(shí)的數(shù)據(jù)，接下來(lái)要做的是盡可能的對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，獲得通道信息，為盡可能準(zhǔn)確的對(duì)信道特性研究做準(zhǔn)備。原始數(shù)據(jù)在MATLAB仿真中的圖形如圖所示。 圖 32等間隔

31、抽取 圖 33最小二乘法擬合 圖 34最小二乘法誤差 圖 35三次樣條插值 圖 36三次樣條插值誤差表 31不同擬合方式的誤差分析 采樣方式擬合方式等間隔抽取最大誤差算術(shù)平均誤差方差最小二乘法（8）2.5153-6.8656e-120.5032三次樣條插值（spline）0.0077-2.9221e-047.4015e-06以上是對(duì)幾種擬合方法做一簡(jiǎn)要分析，下面簡(jiǎn)要說(shuō)明對(duì)通道特性擬合的濾波器設(shè)計(jì)，以切比雪夫帶通濾波器和巴特沃斯帶通濾波器為例，如下圖所示。 圖 37切比雪夫帶通濾波器 圖 38巴特沃斯帶通濾波器參 考 文 獻(xiàn)1 Kaplan E D 著, 寇艷紅譯. GPS 原理與應(yīng)用(第二版)

32、 M. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.2 譚述森. 衛(wèi)星導(dǎo)航定位工程(第二版) M. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2010.3 Pratap Misra, Per Enge 著，羅鳴，曹沖，肖雄兵等譯. 全球定位系統(tǒng)信號(hào)、測(cè)量與性能(第二版) M. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2008.4 干國(guó)強(qiáng), 邱致和. 導(dǎo)航與定位現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的北斗星 M. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2000.5 IRE Subcommittee 7.9 on Noise, “Description of Noise Performance in Receiving Systems,” Proc. IRE, 51, 436

33、, 1963.6 楊志勇. 美軍打響“導(dǎo)航戰(zhàn)”.1/mil/htm/20001113/214233.htm7 邱致和, 王萬(wàn)義. 國(guó)外導(dǎo)航戰(zhàn)技術(shù)的發(fā)展. wxyyjb/2000/1601.htm8 金育兵, 蔣謝彬. GPS系統(tǒng)多徑干擾分析及消除技術(shù) J. 無(wú)線電通信術(shù),2001,27(3): 33-34.9 殷海濤, 熊永良. GPS測(cè)量中多路徑效應(yīng)的研究 J, 鐵路航測(cè), 2003, 3:12-14.10 劉薈萃. 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的多徑誤差分析與抑制技術(shù)研究 D. 長(zhǎng)沙: 國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究生院, 2010.11王青松，習(xí)友寶，肖鵬，等.一種數(shù)字矢量調(diào)制

34、幅相誤差的校正方法J.通信技術(shù)，2010,43(05):19-2312劉毅，何春，張旭東. 一種自適應(yīng)通道均衡技術(shù)及其實(shí)現(xiàn)J.通信技術(shù)，201113郭文飛，鄭建生，張?zhí)嵘?，李超? 子帶自適應(yīng)陣列處理的實(shí)現(xiàn)與性能分析J，宇航學(xué)報(bào)，201114許小東，張煒，戴旭初. 基于功率譜的非均勻子帶自適應(yīng)濾波J.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，201215Diniz P S R 著，劉郁林，景曉軍，譚剛兵等譯. 自適應(yīng)濾波：算法與實(shí)現(xiàn)（第二版）. 北京：電子工業(yè)出版社，200416郜參觀，鄧云凱，馮錦. 通道失配對(duì)多通道子帶合成SAR性能的影響分析與補(bǔ)償J，電子與信息學(xué)報(bào)，201217楊慶坤. 基于子帶分解的信道均衡研

35、究M. 電子科學(xué)技術(shù)大學(xué)，201218 Chanf L, Yeh C C. Effect of pointing error on the performance of the projection beamformer J. IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1993, 41(8):1045-1056.19 武思軍，張錦中. 存在指向誤差時(shí)的穩(wěn)健自適應(yīng)波束形成算法 J. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2005, 26(4): 531-535.20 Monzingo R A，Miler T WIntroduction to adaptive arraysNew York：J