基于改進vfdf的實時寬帶數(shù)字波束指向控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及數(shù)字信號處理領(lǐng)域，具體是一種適用于寬帶數(shù)字波束形成的波束指向 控制方法，尤其是基于改進VFDF(VariableFractionalDelayFilter，可變分數(shù)延時濾波 器）的實時寬帶數(shù)字波束指向控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 數(shù)字波束形成（DigitalBeamForming，DBF)是數(shù)字化、陣列信號處理和天線技術(shù) 的有機融合。與傳統(tǒng)的單個定向波束相比，數(shù)字波束具有更靈活的波束控制、較高的信號增 益、較強的干擾抑制能力以及較高的空間分辨能力等優(yōu)點，在通信、雷達、電子偵察、天文觀 測等領(lǐng)域得到了廣泛研宄和深入應用。
[0003] 在實際應用中，隨著不斷增長的通信傳輸速率、探測距離和觀測精度要求，DBF系 統(tǒng)正朝著多陣元、大帶寬的方向發(fā)展。而在寬帶DBF系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的基于相位控制的窄帶 DBF處理方法已經(jīng)不再適用。
[0004] 波束指向控制是DBF系統(tǒng)的一個關(guān)鍵功能，一般通過調(diào)整權(quán)系數(shù)的方式來實現(xiàn)， 通常需要預先存儲"指向-加權(quán)系數(shù)表";如果要提高調(diào)整的精細度，就需要大幅增加表的規(guī) 模。與窄帶DBF系統(tǒng)只需要通過調(diào)整通道相位的方式進行波束控制不同，寬帶DBF系統(tǒng)的 波束指向控制實質(zhì)上需要控制不同陣元接收信號之間的時延，而且時延控制的精度要能夠 與載波周期的1%相比擬，時延控制的范圍要大于天線孔徑渡越時間。因此，與窄帶DBF系 統(tǒng)相比，寬帶DBF系統(tǒng)的波束指向控制所需要的通道權(quán)系數(shù)大大增加，從而導致存儲空間 和更新時間的激增。
[0005]基于Farrow結(jié)構(gòu)的可變分數(shù)延時濾波器（VariableFractionalDelayFilter， VFDF)是一種可以實現(xiàn)高精度時延控制的數(shù)字信號處理技術(shù)。該技術(shù)通過控制單個抽頭變 量，可以實現(xiàn)相應的延時控制；延時控制的精度由抽頭變量的位寬決定，避免了大規(guī)模的加 權(quán)系數(shù)表的存儲；而且具備單節(jié)拍的響應速度，沒有波束指向切換的時間開銷。這種技術(shù)具 有控制精度高、內(nèi)存開銷小、切換速度快、運行效率高、環(huán)境適應性好的特點，比較適合用于 寬帶DBF系統(tǒng)的實時波束指向控制。
[0006] 經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，ColmanCheung等在"IEEEInternational SymposiumonPhaseArraySystem&Technology(IEEE相控陣系統(tǒng)與技術(shù)國際研討 會）"(2013，pp448_455)上發(fā)表的"TimeDelayDigitalBeamformingforWidebandPulse RadarImplementation"，提出采用VFDF來實現(xiàn)寬帶DBF。該方法相對于模擬波束合成技 術(shù)，在性能和環(huán)境適應性上都具有非常顯著的優(yōu)點。但是該方法只是簡單地用數(shù)字延時代 替相移，只能適應對輸入信號直接采樣的結(jié)構(gòu)，不支持帶上下變頻的超外差結(jié)構(gòu)；因此使用 頻率范圍受限于模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率，很難超過1GHz的頻率范圍；而且基 于直接型VFDF結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)方法，在系統(tǒng)資源消耗上也非常大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種基于改進的可變分數(shù)延時濾波器 (VariableFractionalDelayFilter，VFDF)的實時寬帶數(shù)字波束指向控制方法。該方法 改進了VFDF的實現(xiàn)方式，通過對VFDF的傳遞函數(shù)進行復數(shù)分解，不僅有效降低了VFDF的 實現(xiàn)資源，而且在不增加任何額外資源的前提下，集成了變頻器的本振相位補償功能，從而 可以適應超外差的通道結(jié)構(gòu)，滿足任意頻段實時波束控制需求。該方法既具備VFDF波束指 向控制方法控制精度高、內(nèi)存開銷小、切換速度快、運行效率高、環(huán)境適應性好的優(yōu)點，又克 服了現(xiàn)有VFDF波束指向控制方法適應頻段受限的局限，同時還通過優(yōu)化VFDF實現(xiàn)方式，實 現(xiàn)了資源消耗上的節(jié)省。
[0008] 為了實現(xiàn)上述目標，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0009] 根據(jù)本發(fā)明提供的一種基于改進VFDF的實時寬帶數(shù)字波束指向控制方法，其中： [0010] (1)采用數(shù)字可編程延時單元作為波束指向控制的基本控制單元，通過控制一個 延時抽頭和一個相移抽頭進行寬帶、實時的數(shù)字信號延時和相移，從而實現(xiàn)寬帶實時的波 束指向控制；
[0011] (2)針對具有變頻功能的超外差通道結(jié)構(gòu)，采用數(shù)字移相的方式實現(xiàn)對變頻器的 本振相位補償；
[0012] (3)采用基于復數(shù)分解的改進VFDF實現(xiàn)精確的數(shù)字可編程延時單元，在不增加額 外資源的前提下將數(shù)字移相的功能集成到數(shù)字可編程延時單元中，而且還有效降低了數(shù)字 可編程延時單元的整體資源消耗；
[0013] 其中，所述的基于復數(shù)分解的改進VFDF，在設(shè)計上包括以下三個步驟：
[0014] 步驟一：采用窗函數(shù)法設(shè)計VFDF的沖激響應；
[0015] 步驟二：對沖激響應進行復數(shù)分解，將VFDF的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)分解成奇偶分離的兩個子 VFDF和一個復數(shù)移相器；
[0016] 步驟三：將本振相位補償功能集成到步驟二分解之后的VFDF的復數(shù)移相器中。
[0017] 優(yōu)選地，所述的采用數(shù)字移相的方式實現(xiàn)對變頻器的本振相位補償，是指在超外 差通道結(jié)構(gòu)中的變頻、放大和模數(shù)轉(zhuǎn)換之后，在數(shù)字中頻信號上加入一步移相處理，對本振 的相位延時進行補償，從而使對中頻信號的延時處理達到與射頻直接延時同樣的效果。
[0018] 優(yōu)選地，所述步驟一，具體為：
[0019] 期望歸一化延時為d的VFDF的理想沖激響應hid(n)的表達式如下：
[0020]
[0021] 其中，n表不時刻；
[0022] 采用窗函數(shù)法設(shè)計有限沖激響應濾波器來擬合Hid(e>)，加窗的沖激響應h(n)如 下：
[0023] h(n) =w(n-D〇-d)sine(n-D〇-d)forn= 0, 1,. . . ,N-l
[0024] 其中，《(?)表示窗函數(shù)，N表示窗函數(shù)的長度；沖激響應hid(n)被截尾和加窗，并 引入了常數(shù)時延DQ= (N-l)/2以保證因果特性；
[0025] 所述步驟二，具體為：
[0026] 對沖激響應h(n)進行復數(shù)分解，獲得如下的表示形式：
[0027]
[0028] 其中，real[?]表示取實部；
[0029] 相應的傳遞函數(shù)H(z)表示為如下的改進結(jié)構(gòu)：
[0030]
[0031] 其中K= (N-l)/2,k表示子濾波器的時刻，且有：
[0032]
[0033]
[0034] 在改進VFDF的結(jié)構(gòu)中，VFDF被分解成兩個子VFDF和一個復數(shù)移相器；其中 heven(k)采用Le階的Farrow架構(gòu)，分路濾波器長度為（K+1) ;]!_〇〇采用L。階的Farrow架 構(gòu)，分路濾波器長度為K。
[0035] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
[0036] 1、本發(fā)明通過精確DPDE來實現(xiàn)波束指向控制，對每個通道只需要控制一個延時 抽頭和一個相移抽頭就能夠?qū)崟r地實現(xiàn)等效射頻延時切換，不僅寬帶性能和環(huán)境適應性 好，而且具有控制方式簡捷、控制精度高、切換速度快、運行效率高的特點。
[0037] 2、本發(fā)明通過在DPDE中集成本振相位補償功能，可以適應帶變頻功能的超外差 通道結(jié)構(gòu)，從而能夠克服模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速率對應用頻段的限制，實現(xiàn)任 意頻段的波束指向控制功能。
[0038] 3、本發(fā)明通過對VFDF的改進設(shè)計，在不增加額外資源的前提下將本振相位補償 功能集成到VFDF中，而且可以有效降低DPDE的資源消耗，并進而同等比例地降低整個波束 指向控制的資源消耗和功率消耗。
【附圖說明】
[0039] 通過閱讀參照以下附圖對非限制性實施例所作的詳細描述，本發(fā)明的其它特征、 目的和優(yōu)點將會變得更明顯：
[0040] 圖1為本發(fā)明提出的實時寬帶數(shù)字波束指向控制方法的單通道波束控制模塊的 實現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖；
[0041] 圖2為本發(fā)明提出的具有相位補償功能的改進VFDF的實現(xiàn)結(jié)構(gòu)框圖；
[0042] 圖3為本發(fā)明提出的改進VFDF在不同的多項式階數(shù)下的延遲誤差性能仿真結(jié) 果；
[0043] 圖4為用于對照的直接型VFDF在不同的多項式階數(shù)下的延遲誤差性能仿真結(jié) 果；
[0044] 圖5為本發(fā)明提出的改進VFDF和直接型VFDF相比，在單通道波束控制模塊實現(xiàn) 時的系統(tǒng)資源消耗比較。
【具體實施方式】
[0045] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。以下實施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù) 人員進一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應當指出的是，對本領(lǐng)域的普通技術(shù) 人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進。這些都屬于本發(fā)明 的保護范圍。
[0046] 本實施例基于一維線性陣列接收DBF應用，M表示陣元數(shù)量，D表示陣元間距，巾 表示入射角，相鄰陣元接收信號的時間間隔t可以表示為：
[0047]
[0048] 其中，c表示光速；
[0049] 針對本實施例，基于一維線性陣列接收DBF應用的具體技術(shù)方案如下：
[0050] (1)采用DPDE作為波束指向控制的基本控制單元，只需要控制一個延時抽頭和一 個相移抽頭就能夠?qū)崿F(xiàn)寬帶、實時的數(shù)字信號延時和相移，可以方便地實現(xiàn)寬帶實時的波 束指向控制。
[0051] 在本實施例中，對相鄰陣元接收信號的時間間隔t進行補償，就可以將入射方向 為小的平面波入射模型轉(zhuǎn)化為垂直入射模型，其中相鄰陣元間的延時補償量At為：
[0052]
[0053] 經(jīng)過延時補償后，垂里指冋的波束就被旋轉(zhuǎn)到角度為巾的方向，并且波束旋轉(zhuǎn)的 角度巾與輸入信號頻率無關(guān)，即達到寬帶波束指向控制的效果。
[0054] (2)采用數(shù)字移相的方式實現(xiàn)對變頻器的本振相位補償，可