專利名稱：一種改善tdrss陣元信號群時延非一致性的自適應方法
技術領域：
本發(fā)明涉及TDRSS (跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng))，更具體地，涉及一種改善TDRSS反 向鏈路多路陣元信號群時延非一致性對星下DBF(數(shù)字波束形成)的指向精度影響的自適 應聯(lián)動方法。
背景技術：
TDRSS(跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng))以其高覆蓋率、高數(shù)據(jù)率和多目標測控能力在空間技術發(fā)展中起到了極其重要的作用，已受到世界各國的高度重視。TDRSS的反向鏈路是把遙測數(shù)據(jù)從用戶衛(wèi)星傳輸?shù)降孛嬲镜男畔鬏斖ǖ?，它能同時傳輸多個用戶(飛行器、用戶星等)的測控信息。為了同時跟蹤和轉發(fā)多個目標，TDRSS 的中繼衛(wèi)星上通常采用基于波束形成的相控陣天線。為了減少中繼星上數(shù)字處理環(huán)節(jié)，以 使衛(wèi)星上設備盡可能簡單，同時考慮到以后擴充跟蹤目標數(shù)的方便，TDRSS通常采用星下 DBF(數(shù)字波束形成)方案?；谛窍翫BF的TDRSS中，TDRS (中繼衛(wèi)星)上有30個獨立的 螺旋天線(陣元)，每一個陣元接收的信號都被獨立傳輸?shù)降孛娼K端站用于星下DBF，目前 是采用FDM(頻分復用)體制來傳輸30路陣元信號。根據(jù)30路陣元信號的相對相位和幅 度，進行地面波束合成，這就構成一種相控陣“地面多波束形成”系統(tǒng)?；谛窍翫BF的TDRS系統(tǒng)，由于采用FDM傳輸體制將TDRS星上30路天線陣元信 號傳輸?shù)降孛?，因相控陣?0個陣元天線，對應FDM就有30個獨立通道。由于30路通道 頻率、器件差異，30路通道間群時延一致性就會很差，因此地面終端站用來進行DBF的30路 陣元信號的群時延一致性也會很差，嚴重影響星下DBF的指向精度。特別是決定通道群時 延一致性的環(huán)節(jié)是地面站30路FDM分離濾波器組，其作用是提取30路窄帶FDM信號，過渡 帶要求陡峭以消除鄰道干擾，故濾波器因過渡帶陡峭而群時延就會很大，且30路FDM濾波 器群時延特性不相關，因此很難保證30路通道間群時延一致性。針對群時延對通信系統(tǒng)性能的影響問題，一般采用兩種方法來予以解決一是從 信道中產(chǎn)生群時延的主要環(huán)節(jié)入手，設計出群時延小的模塊。比如通信系統(tǒng)中，造成信號群 時延較大的一般是窄帶濾波器，因為這些濾波器要求過渡帶陡峭，從而濾波器的群時延特 性就會很差。要滿足過渡帶陡峭而群時延又很小的特性，現(xiàn)在一般采用基于頻率響應屏蔽 (FRM)技術的數(shù)字方式來實現(xiàn)有限沖激響應(FIR)的濾波器的設計。當然還可以采用模擬 電路來設計濾波器，通過負反饋補償?shù)确绞絹慝@得過渡帶陡峭而群時延小的濾波特性。另 一種是，為了減小信道群時延特性對信號的失真影響，一般在接收端加群時延均衡器，通過 訓練序列來調整均衡器的權系數(shù)，以校正信道的群時延特性。但是這兩種方法，通過查新發(fā) 現(xiàn)，基本都是針對單路信道的群時延特性，還沒有考慮多路群時延一致性問題。同時，這些 方法也不適合TDRSS系統(tǒng)這一背景的群時延特性改善，比如采用復雜的模擬電路來改善30 路信道群時延一致性，硬件規(guī)模很大，特別是很難實現(xiàn)30路模擬濾波器的群時延特性具有 相關性，從而很難保證30路陣元信號的群時延一致性。另外，采用基于已知訓練序列的群 時延均衡技術，由于在TDRS系統(tǒng)中，用戶信息通常情況下是未知的，所以也不可行。
發(fā)明內容
針對TDRSS反向鏈路存在多路陣元信號經(jīng)過信道后群時延一致性較差以及還未 有相關技術對此進行解決這一現(xiàn)狀，本發(fā)明的目的是提供一種基于多路陣元信號群時延一 致性最優(yōu)的自適應聯(lián)動方法，以改善TDRS系統(tǒng)中多路陣元信號群時延非一致性對星下DBF 指向精度的影響。如說明書附件圖1所示，本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的A.地面終端站前級處理(1)接收30路陣元信號，進入A/D轉換器及數(shù)字下變頻 (2)進行數(shù)模轉換和數(shù)字下變頻處理；B.處理后的30路信號進入基于FRM技術的FIR窄過渡帶濾波器組(3)，提取分離 30路陣元信號；C. (3)提取分離的30路陣元信號進入模塊(5)中，以提取各路陣元信號的實時 相位，并在(5)中進行求導等運算，即可得到各路濾波器輸出的陣元信號的群時延最大值ti(i = 1，2，…，30)，從而得出多路群時延的實際統(tǒng)計量
其中，
為多
路陣元信號群時延實際統(tǒng)計量的均值
為多路陣元信號群時延
實際統(tǒng)計量的方差；D.在多路群時延規(guī)定統(tǒng)計量(6)中，根據(jù)符合TDRS系統(tǒng)DBF指向精度要求的群時 延T(li(i = l，2，…，30)，計算出符合TDRS系統(tǒng)DBF指向精度要求的多路陣元信號的群時
延規(guī)定統(tǒng)計量
其中
為符合TDRS系統(tǒng)DBF指向精度要求的多路陣
元信號的群時延規(guī)定統(tǒng)計量的均值
為相應的方差；
toon] e.定義誤差信號
即為多路陣元信號的群時延實際統(tǒng)計量方差
與規(guī)定統(tǒng)計量方差之差的絕對值。根據(jù)系統(tǒng)要求設置閾值￡，當e(n) < e，則無需對濾波 器組權系數(shù)進行調整；當e(n) > e，則調用自適應LMS聯(lián)動算法(7)。如附圖4所示，LMS 算法根據(jù)誤差信號e(n)，計算各濾波器的權系數(shù)Wi，然后調整各路FDM分離濾波器組(3)的 權系數(shù)，使誤差信號e (n)滿足e (n) < e，以達到FDM分離濾波器組輸出的30路陣元信號 的群時延一致性最優(yōu)；F.通過自適應LMS聯(lián)動算法調整(3)的權系數(shù)后，F(xiàn)DM分離濾波器組輸出的30路 陣元信號的群時延一致性達到最優(yōu)，此后的信號進入地面終端站后級處理(4)完成解擴、 解調和數(shù)字波束形成等處理。由于通過自適應LMS聯(lián)動算法最優(yōu)地調整了 FDM分離濾波器組的權系數(shù)，使多路 陣元信號的群時延非一致性得到了改善，從而提高TDRS系統(tǒng)地面端DBF的指向精度。與其它的技術相比，本發(fā)明具有以下的優(yōu)點1、采用FRM(頻率響應屏蔽)技術來設計30路FDM分離濾波器，使其單路濾波器 滿足過渡帶陡峭而群時延又很小的要求，群時延特性只略高于理論最小值；
2、由于半帶濾波器的系數(shù)具有稀疏性，故以半帶濾波器為原型濾波器設計基于 FRM分離濾波器，此時設計的FIR濾波器的系數(shù)同樣具有稀疏性，因此實現(xiàn)復雜度低，同時 群時延特性只略高于理論最小值；3、基于多路群時延一致性最優(yōu)來設計30路FDM分離濾波器，相對于基于已知訓練 序列的群時延均衡技術，可以不需要訓練序列，提高了帶寬效率；4、由于(
)是根據(jù)實際輸出信號反饋的多路群時延分布情況得到的，因此，該
算法不但可以平衡由FDM分離濾波器組自身造成的群時延非一致性，還可以改善整個信道 環(huán)節(jié)的群時延非一致性，尤其是該算法是通過反饋信號實時更新濾波器組的權系數(shù)，因此 該聯(lián)動算法還具有自適應，使群時延一致性不受信道特性改變而波動。
結合附圖閱讀本發(fā)明的以下詳細描述，可以更好地理解本發(fā)明及其優(yōu)點和其他特 征，其中附圖1示出了基于LMS自適應聯(lián)動算法的地面終端站；
附圖2示出了 FRM濾波器結構圖；附圖3示出了 N路橫向FIR濾波器結構圖；附圖4示出了 LMS算法流程圖。
具體實施例方式為了更好地理解本發(fā)明，下面將詳細描述本發(fā)明的具體實施方式
。首先，根據(jù)多路陣元信號的群時延一致性與DBF指向性的關系，在多用戶DBF指向 精度達到系統(tǒng)性能要求時，可以由附圖1中的多路群時延規(guī)定統(tǒng)計量計算(6)獲得多路陣 元信號的群時延一致性需要滿足的條件，即假定30路陣元信號的群時延分布規(guī)律服從規(guī)
定統(tǒng)計量(
)時，多路陣元信號的群時延非一致性對DBF指向精度的影響可以忽略，其
中
為多路陣元信號群時延的均值，
為方差，通常(
)可以通過計算機仿真獲得。其次，基于FRM的濾波器具有過渡帶陡峭而群時延又很小的特性，因此采用FRM技 術來設計單路FIR窄帶濾波器，附圖2示出了基于FRM技術濾波器的結構，附圖3示出了 N 路FIR橫向濾波器結果，兩者作用就是完成FDM信號的分離和提取。根據(jù)附圖2的濾波器 結構，可以得到該濾波器的群時延為
)，依據(jù)上述結構，并可得到以下 約束關系
5
其中k” k2和A是與影響原型濾波器過渡帶的比例因子以及權系數(shù)矢量信號長度 等有關的量。P是與h維數(shù)相同的方陣。式中的“ ”只表示對應約束關系。由式(1)(2) 和(3)可以得到FRM濾波器的群時延與權系數(shù)h的約束關系 K與ki、k2*A等有關。從式⑷可以發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)RM濾波器群時延與權系數(shù)h存在約 束關系，即FRM濾波器的群時延與其對應的權系數(shù)h有關，因此通過調節(jié)濾波器權系數(shù)h可 以改變FRM濾波器的群時延特性。TDRSS的反向鏈路地面終端站的基于FDM技術的FIR分離濾波器組(3)就由30個 附圖2和附圖3所示的FIR濾波器組成，其滿足過渡帶陡峭而單路帶內群時延小的要求，且 通過調節(jié)單路濾波器的權系數(shù)就可以改變對應的濾波器的群時延特性。最后，在TDRS系統(tǒng)的地面終端站中，由地面站的天線接收來自中繼星轉發(fā)器發(fā)射 的30路陣元的FDM信號，經(jīng)地面終端站的前級處理(1)的完成低噪聲放大、變頻、寬帶濾波 和FDM預分離等處理，然后送入A/D轉換器及數(shù)字下變頻(2)進行模數(shù)轉換和數(shù)字下變頻， 如有N路陣元信號，對應就有N個A/D轉換器及數(shù)字下變頻(2)。采用FRM技術設計具有過 渡帶陡峭而群時延又很小的N路基于FRM的FIR窄過渡帶濾波器(3)，其主要作用是采用 窄過渡帶濾波以消除相鄰頻道的鄰道干擾，和消除A/D后的混疊成分?；谑?4)單路濾 波器的群時延與濾波器權系數(shù)的關系，可采用說明書附圖4所示的基于自適應聯(lián)動算法的 FRM濾波器組來實現(xiàn)30路陣元信號的群時延一致性最優(yōu)。自適應聯(lián)動算法是采用LMS算法 來優(yōu)化各個濾波器的權系數(shù)，以調整單路濾波器群時延特性，并讓各路濾波器的群時延變 化具有相關性。其調整的過程是①根據(jù)30路濾波器組(3)輸出的多路陣元信號，在(5)中提取各路陣元信號的實 時相位，并在(5)中與對應頻率進行求導，即可得到各路濾波器輸出的陣元信號的群時延 最大值 T i，i = 1,2, -,30 ；②根據(jù)各路陣元信號的群時延最大值，在(5)中計算出濾波器組實時輸出信號的多路群時延的實際統(tǒng)計量
，其中^為多路陣元信號實際群時延的均值，為方差；③基于所得到的多路陣元信號的群時延實際統(tǒng)計量
和滿足TDRS系 統(tǒng)DBF指向精度要求的多路陣元信號的群時延規(guī)定統(tǒng)計量
定義誤差信號
根據(jù)系統(tǒng)的實際要求設定閾值￡。如果e(n)≤e，則無需調整30路FRM
濾波器組的權系數(shù)；如果e(n) > e，則在(7)中采用最小均方(LMS)算法來調節(jié)FDM分離 濾波器組的各路濾波器(3)的權系數(shù)&，使誤差信號e(n)滿足e(n) ^ e，從而使FDM分 離濾波器組輸出的30路陣元信號的群時延一致性最優(yōu)；④把濾波器組(3)調整了群時延一致性的各路信號送入地面終端站的后級處理 模塊(4)進行數(shù)字波束形成、解擴和解調等處理。由于濾波器組(3)改善了多路陣元信號 的群時延非一致性，因此能夠提高地面DBF的指向精度。按照上述設計步驟獲得的FDM分離濾波器組，其單路濾波器群時延的參數(shù)設定是 基于濾波器組的群時延一致性最優(yōu)，因此各路濾波器群時延變化具有相關聯(lián)動性，也許單
6路濾波器的群時延并不一定最好，但是濾波器組的群時延一致性肯定是最優(yōu)的。因此，F(xiàn)DM 分離濾波器組的各路濾波器的權系數(shù)具有相關聯(lián)動性(故稱聯(lián)動算法)。采用說明書附圖所示的濾波器組權系數(shù)聯(lián)動算法，可以獲得30路FDM分離濾 波器，其滿足單路濾波器過渡帶陡峭而多路群時延一致性又是最優(yōu)的要求。同時，由于
是根據(jù)實際輸出信號反饋的多路群時延分布情況得到的，因此，該算法不但可以平
衡由FDM分離濾波器組自身造成的群時延非一致性，還可以改善整個信道環(huán)節(jié)的群時延非 一致性。尤其是該算法是通過反饋信號實時更新濾波器組的權系數(shù)，因此該聯(lián)動算法還具 有自適應。需要說明的是采用數(shù)字化的FRM技術來設計分離濾波器組，需要在FRM濾波器之 前加入A/D環(huán)節(jié)，為了不造成A/D變化時引起信號混疊，因此“FDM分離模塊”應包含預分離 濾波器組，這預分離濾波器組可采用常規(guī)的帶通濾波器，其過渡帶可以適當放寬(因為根 據(jù)TDRSS的FDM頻道設置，兩路頻點之間設有保護間隔)，因此預分離濾波器組因過渡帶較 寬，其群時延相對可以忽略。為了進一步消除FDM預分離后陣元信號間鄰道干擾，以及選取 A/D后有用信號，采用FRM技術來設計A/D后的濾波器組。由于是在原方案A/D后必須存在 的數(shù)字濾波器組的基礎上加入FRM技術，并且是采用軟件算法就可以實現(xiàn)，因此不會增加 系統(tǒng)硬件規(guī)模。
權利要求
一種改善TDRSS陣元信號群時延非一致性的自適應方法，其特征采用以下步驟A、在多用戶DBF指向精度達到系統(tǒng)性能要求時，可以獲得多路陣元信號的群時延一致性需要滿足的條件，即假定30路陣元信號的群時延τ0i(i＝1，2，…，30)分布規(guī)律服從規(guī)定統(tǒng)計量時，多路陣元信號的群時延非一致性對DBF指向精度的影響就可以忽略。其中，為多路陣元信號群時延規(guī)定統(tǒng)計量的均值，為對應方差；B、采用頻率響應屏蔽(FRM)技術來設計單路有限沖激響應(FIR)窄過渡帶濾波器，其滿足過渡帶陡峭而帶內群時延小的要求，且通過調節(jié)單路濾波器的權系數(shù)就可以改變對應的FIR濾波器的群時延特性，采用30個這樣的FIR濾波器構成TDRSS的反向鏈路地面終端站的頻分復用(FDM)分離濾波器組；C、根據(jù)濾波器組30路濾波器輸出陣元信號的實際相位和對應的頻率，計算出各路濾波器輸出陣元信號的群時延最大值τi(i＝1，2，…，30)，以得到濾波器組輸出的30路陣元信號的群時延實際統(tǒng)計量其中為多路陣元信號實際群時延統(tǒng)計量的均值，為對應的方差；D、定義誤差信號根據(jù)系統(tǒng)的實際要求設定閾值ε。當e(n)≤ε，也即系統(tǒng)多路陣元信號的群時延特性滿足DBF指向精度的要求，此時則無需調整FRM濾波器組的權系數(shù)；當e(n)＞ε，也即系統(tǒng)多路陣元信號的群時延特性不能滿足DBF指向精度的要求，此時根據(jù)多路群時延的實際統(tǒng)計量和規(guī)定統(tǒng)計量采用最小均方(LMS)算法，優(yōu)化調整FDM分離濾波器組的各路濾波器權系數(shù)，使誤差信號e(n)滿足e(n)≤ε。FSA00000127175200011.tif,FSA00000127175200012.tif,FSA00000127175200013.tif,FSA00000127175200014.tif,FSA00000127175200015.tif,FSA00000127175200016.tif,FSA00000127175200017.tif,FSA00000127175200018.tif,FSA00000127175200019.tif
全文摘要
本發(fā)明公開了一種改善跟蹤與數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)(TDRSS)反向鏈路多路陣元信號群時延非一致性對星下波束形成(Digital Beam Forming，以下簡稱DBF)指向精度影響的自適應聯(lián)動方法。該方法基于頻分復用(FDM)分離濾波器組輸出的30路陣元信號群時延的實際統(tǒng)計量和滿足系統(tǒng)DBF指向性能要求時30路陣元信號群時延的規(guī)定統(tǒng)計量采用最小均方(LMS)算法優(yōu)化濾波器組的權系數(shù)，通過改變?yōu)V波器權系數(shù)來調整單路濾波器群時延以滿足FDM分離濾波器組輸出陣元信號群時延一致性最優(yōu)。本發(fā)明的自適應聯(lián)動算法可為改善TDRSS的DBF指向偏差(因多通道群時延非一致性引起)提供新的解決思路。
文檔編號H04B7/185GK101848028SQ20101017369
公開日2010年9月29日 申請日期2010年5月17日 優(yōu)先權日2010年5月17日
發(fā)明者劉煜, 張建慧, 曾孝平, 朱斌, 王雪萍, 甘平, 胡友強, 胡洋, 譚曉衡, 鄢海燕 申請人:重慶大學