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阵列波束形成算法及其硬件实现方法研究

作　者: 马晨
导　师: 郭书军；邢志强
学　校: 北方工业大学
专　业: 信号与信息处理
关键词: DOA 波束形成 多径干扰 主瓣干扰 复数矩阵
分类号: TN967.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


2010年1月17日0时12分,我国在西昌卫星发射中心用“长征三号丙”运载火箭,成功将第三颗北斗导航卫星送入预定轨道,这标志着北斗卫星导航系统工程建设又迈出重要一步,同时也标志着我国加速步入导航大国行列。本文的研究正是基于这个背景下开展的。北斗系统作为我国未来军用、民用的一个趋势,不仅需要导航接收机具有精确定位信号的能力,而且需要在当面临特定环境时采用有效的抗干扰技术来保证系统可靠性和稳定性。通过分析针对目前导航接收机各种抗干扰技术以及阵列信号处理技术发展的现状,本文提出了基于天线阵列的空域滤波技术来实现抑制干扰。为具体实现上述策略,文中对阵列信号处理技术的关键问题-DOA估计算法和数字波束形成进行了具体的论述。文章针对基于非相干信号DOA估计的常规自适应波束形成方法进行了理论推导和Matlab仿真分析,得出了经典MUSIC算法在各种环境下的性能和常规波束形成方法的使用条件；进而研究了当存在多个干扰源,且干扰信号为多径到达情况下的波束形成算法,特别是当某一干扰信号处于期望信号主瓣内时的稳健的波束形成算法。文中主要采用了四阶累积量+前后向空间平滑+经典MUSIC算法的联合来实现对干扰信号按干扰源的分组和解相关,进而有效去除干扰的多径影响；利用上述方法得到的干扰信号波达角信息,运用阻塞矩阵预处理的方法实现了对主瓣内干扰信号的有效抑制。本文在给出详细理论推导过程的同时也给出了直观的Matlab仿真结果,证明本文提出的方法可以实现多源多径干扰的有效抑制。在自适应波束形成的工程实现上,比较成熟的应用尚未出现,其瓶颈主要集中在如何利用FPGA实现对复数矩阵的求逆的运算。本文提出了常规自适应波束形成算法中复数矩阵求逆运算在FPGA上实现的方法,并通过从算法模型到硬件实现的自上而下策略在半实物仿真平台上进行了软硬件联合仿真实验,验证了算法的可行性。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
1 引言  10-15
  1.1 本文研究背景  10-11
  1.2 导航接收机抗干扰技术简介  11-12
  1.3 自适应阵列信号处理技术的发展现状  12-14
  1.4 本文研究的主要内容和结构的安排  14-15
2 自适应阵列天线理论及波束形成技术研究  15-32
  2.1 自适应阵列天线  15-20
    2.1.1 自适应阵列天线的基本原理  15-18
    2.1.2 阵列天线的基本模型  18-20
  2.2 非相干信号DOA估计算法  20-24
    2.2.1 经典MUSIC算法DOA估计  20-23
    2.2.2 求根MUSIC算法DOA估计  23-24
  2.3 自适应数字波束形成方法  24-26
    2.3.1 数字波束形成概念  24-26
    2.3.2 常规波束形成方法  26
  2.4 仿真分析  26-31
  2.5 本章小节  31-32
3 多源多径干扰环境下具有主瓣干扰抑制能力的波束形成算法  32-48
  3.1 相干信号数学模型  32-33
  3.2 单源多径干扰情况下稳健的波束形成算法  33-38
    3.2.1 前向空间平滑算法  34-35
    3.2.2 前后向空间平滑算法  35-37
    3.2.3 抑制主瓣干扰波束形成算法  37-38
  3.3 基于高阶累积量的稳健多源多径干扰抑制波束形成算法  38-44
    3.3.1 高阶矩与高阶累积量的定义  39-41
    3.3.2 基于四阶累积量的抑制主瓣干扰波束形成算法  41-44
  3.4 仿真分析  44-47
  3.5 本章小节  47-48
4 自适应波束形成算法的软硬件联合仿真研究  48-65
  4.1 基于FPGA的数字信号处理技术  48-52
    4.1.1 基于System Generator for DSP软件开发技术简介  48
    4.1.2 System Generator开发流程简介  48-51
    4.1.3 基于MATLAB的AccelDSP软件简介  51-52
  4.2 自适应数字波束形成算法模型  52-56
    4.2.1 波束形成的算法流程  52-53
    4.2.2 复数矩阵求逆硬件实现方法研究  53-56
  4.3 数字波束形成的软硬件联合仿真  56-64
    4.3.1 基于MATLAB/SIMULINK的波束形成算法软件仿真  56-58
    4.3.2 基于FPGA的常规波束形成算法软硬件联合仿真  58-64
  4.4 本章小节  64-65
5 结论  65-66
参考文献  66-69
在学研究成果  69-70
致谢  70

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线电导航 > 各种体制的导航系统 > 卫星导航系统
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