趙書蘇，何明亮，姚建國

(1.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210003； 2.上海貝爾股份有限公司，江蘇 南京 210003；3.南京郵電大學(xué) 江蘇省無線通信重點實驗室，江蘇 南京210003)

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北斗導(dǎo)航接收機旁瓣對消技術(shù)研究

趙書蘇1，何明亮2，姚建國3

(1.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京210003； 2.上海貝爾股份有限公司，江蘇 南京 210003；3.南京郵電大學(xué) 江蘇省無線通信重點實驗室，江蘇 南京210003)

北斗導(dǎo)航信號數(shù)字化處理技術(shù)的研究和發(fā)展越來越受到人們的關(guān)注，自適應(yīng)天線旁瓣對消技術(shù)在北斗導(dǎo)航接收機中得到了廣泛應(yīng)用。分析了自適應(yīng)天線旁瓣對消的基本原理，給出了在相對帶寬較寬的干擾下按照最小均方(LMS)準則求解最優(yōu)權(quán)值的計算過程以及基于Cholesky分解求取干擾信號自相關(guān)矩陣逆陣的方法。最后通過MATLAB對所設(shè)計的自適應(yīng)天線旁瓣對消系統(tǒng)進行仿真分析，其結(jié)果表明自適應(yīng)旁瓣對消技術(shù)可有效對抗寬帶干擾。

自適應(yīng)旁瓣對消；最小均方算法；矩陣求逆；仿真與分析

0 引言

我國第一代導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)已成功建成并運行，如今正在加快建設(shè)第二代導(dǎo)航系統(tǒng)，我國的“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)與美國的GPS系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)以及歐洲的GALILEO系統(tǒng)并稱為全球四大衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1]。最初設(shè)計的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)被用于軍事領(lǐng)域，但因其能夠提供高精度的全球三維定位、授時和導(dǎo)航的服務(wù)，如今在民用領(lǐng)域中也得到了廣泛的應(yīng)用。然而由于發(fā)射的導(dǎo)航衛(wèi)星離地球很遠，地面導(dǎo)航接收機接收到的衛(wèi)星信號功率相當?shù)?，接收機會很容易受到各種有意或無意的干擾，嚴重時將導(dǎo)致導(dǎo)航接收機無法正常工作[2]。隨著北斗二代系統(tǒng)的逐步建成并向全球定位的方向發(fā)展，研究衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾技術(shù)已經(jīng)成為我國軍事和民用應(yīng)用中迫切需要解決的問題。天線分布在衛(wèi)星導(dǎo)航接收機抗干擾系統(tǒng)的最前端[3]，天線抗干擾能力的強弱關(guān)乎整個衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)抗干擾的性能，因此有關(guān)自適應(yīng)天線抗干擾技術(shù)[4-5]的研究成為當前衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾研究中一個十分重要的課題。本文研究的主要內(nèi)容就是北斗導(dǎo)航接收機中自適應(yīng)天線旁瓣對消抗干擾技術(shù)。

1 自適應(yīng)天線旁瓣對消抗干擾技術(shù)原理

傳統(tǒng)的時域濾波和頻域濾波技術(shù)通常能夠處理多個窄帶干擾，但對寬帶干擾的抑制效果不佳，而基于自適應(yīng)調(diào)零天線陣列[6-7]的空域濾波技術(shù)解決了這一難題，它能很好地抑制窄帶和寬帶干擾。自適應(yīng)陣列天線旁瓣對消技術(shù)是一種空域濾波技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)對陣列方向圖的空域調(diào)零[8]。自適應(yīng)旁瓣對消系統(tǒng)的天線陣列一般由一個主天線陣元和一個或多個輔助天線陣元組成，輔助天線陣元后接一個復(fù)數(shù)加權(quán)器和一個信號處理器，信號處理器根據(jù)信號和干擾的實際環(huán)境，對主輔天線的各個陣元接收到的信號進行處理后，依據(jù)自適應(yīng)準則自動地調(diào)整輔助天線陣中各個陣元的加權(quán)系數(shù)，最后各輔助通道信號與相應(yīng)加權(quán)系數(shù)相乘后與主通道信號合并輸出。由于對輔助陣元加權(quán)系數(shù)的調(diào)整，使得陣列天線方向圖的主波束對準期望信號方向，干擾在其來向處形成零陷，從而減小干擾信號進入接收機的功率，信號干擾噪聲比得以提高，最終起到抑制干擾的作用。圖1為其原理框圖。

圖1 自適應(yīng)天線旁瓣對消系統(tǒng)原理圖

1.1 自適應(yīng)天線旁瓣對消系統(tǒng)中最優(yōu)權(quán)值的計算

自適應(yīng)旁瓣對消系統(tǒng)中天線陣列結(jié)構(gòu)有多種形式，主要使用的有空域自適應(yīng)調(diào)零天線陣、空時聯(lián)合自適應(yīng)陣和空頻聯(lián)合自適應(yīng)陣。然而不論采用什么樣的陣列結(jié)構(gòu)，都需要得到各個輔助天線陣元的加權(quán)值。本文按照最小均方差(LMS)算法[9]求解。

設(shè)t時刻從主天線采樣到的信號為S(t)；從N個輔助天線采樣到的信號矢量為X(t)=[x1(t),x2(t),…,xN(t)]T，其中N代表輔助天線數(shù)；最優(yōu)權(quán)矢量表示為W=[w1,w2,…,wN]T，則加權(quán)相消后的輸出為Y(t)=S(t)-WHX(t)。計算最優(yōu)權(quán)值的準則是使剩余功率最小，剩余功率可以用E{|Y(t)|2}表示，即：

P=E{|Y(t)|2}=E[(S(t)-WHX(t))(S(t)-

WHRXXW

(1)

式(1)中：RXS表示輔助天線采樣信號與主天線采樣信號的N×1維互相關(guān)矩陣，即RXS=E[X(t)S*(t)]；RXX表示輔助天線采樣到的干擾信號的N×N維自相關(guān)矩陣，即RXX=E[X(t)XH(t)]。

由式(1)知剩余功率～權(quán)矢量函數(shù)P～W是一凹形拋物面，當該拋物面取得極小值時P值最小，故對式(1)求偏導(dǎo)，并令導(dǎo)數(shù)等于零：

(2)

由式(2)最終求得自適應(yīng)旁瓣對消最優(yōu)權(quán)值:

(3)

1.2 最優(yōu)權(quán)值計算過程中自相關(guān)矩陣求逆方法

對N×N維協(xié)方差矩陣求逆的方法有很多，如直接分塊求逆、Gauss消元法求逆、奇異值分解求逆等，但在協(xié)方差矩陣階數(shù)較大時，這些方法的運算量都很大。根據(jù)自相關(guān)矩陣RXX的正定Hermitian性，采用基于Cholesky分解[10]的矩陣求逆方法可以大大降低運算的復(fù)雜度。其步驟如下：

(1)對自相關(guān)矩陣做Cholesky分解得到下三角矩陣L；

(2)對下三角矩陣L求逆得到其逆矩陣P；

用Cholesky分解法求正定矩陣的逆矩陣的步驟如圖2所示。

圖2 矩陣求逆方案框圖

2 北斗導(dǎo)航接收機旁瓣對消系統(tǒng)的仿真與分析

自適應(yīng)天線旁瓣對消的前提是干擾源數(shù)目小于或等于輔助天線的數(shù)目[11]，這樣通過求解可以得到最優(yōu)的權(quán)系數(shù)，即可將主天線中的干擾信號抵消掉。本文設(shè)計了四天線陣元的北斗自適應(yīng)旁瓣對消系統(tǒng)，抵制存在于衛(wèi)星信號中的三個寬帶干擾。四陣元中一個是主天線陣元，另外三個是輔助天線陣元，通過MATLAB對包含三個寬帶干擾信號的模擬數(shù)據(jù)以及采集到的實測數(shù)據(jù)分別進行仿真實驗，觀察其對消效果，其中實測數(shù)據(jù)的干擾強度為-65 dB，仿真結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 模擬數(shù)據(jù)對消前后主通道信號幅度及頻譜圖

圖4 實測數(shù)據(jù)對消前后主通道信號幅度及頻譜圖

圖3為對MATLAB中函數(shù)生成的模擬數(shù)據(jù)進行仿真的對消后主通道信號幅度及頻譜圖，圖4為對采集到的包含干擾的北斗信號進行的仿真。其中,圖4(a)表示自適應(yīng)天線系統(tǒng)對消前主通道內(nèi)的信號幅度和頻譜，圖4(b)表示自適應(yīng)天線系統(tǒng)對消后主通道內(nèi)的信號幅度和頻譜。從圖4中可以看出，對消后主通道內(nèi)信號幅度有明顯降低，說明系統(tǒng)對干擾信號起到了一定的抑制作用。表1列出了兩種數(shù)據(jù)對消前后信號平均值以及系統(tǒng)所實現(xiàn)的干擾對消比。

表1 對消前后數(shù)據(jù)結(jié)果

由表1可知，所設(shè)計的四天線抗干擾系統(tǒng)對模擬數(shù)據(jù)以及實測數(shù)據(jù)所實現(xiàn)的對消比均能達到15 dB以上，即對干擾信號能夠起到很好的抑制作用。

3 結(jié)論

本文介紹了北斗自適應(yīng)天線旁瓣對消技術(shù)的基本原理，以最小均方算法作為天線旁瓣對消自適應(yīng)算法并結(jié)合基于Cholesky分解的快速矩陣求逆方法求取最優(yōu)權(quán)系數(shù)，利用模擬數(shù)據(jù)以及實測數(shù)據(jù)對自適應(yīng)天線系統(tǒng)進行仿真實驗，驗證了北斗自適應(yīng)天線旁瓣對消系統(tǒng)抗寬帶干擾的有效性。

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Research on adaptive sidelobe cancellation technology in Beidou navigation receiver

Zhao Shusu1,He Mingliang2,Yao Jianguo3

(1.College of Telecommunications and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications,Nanjing 210003, China; 2.Alcatel-Lucent Shanghai Bell Co.,Ltd.,Nanjing 210003,China;3. Jiangsu Key Laboratory of Wireless Communications, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China)

The research and development of digital processing technology about Beidou navigation signal is concerned by more and more people,and adaptive antenna sidelobe cancellation technology has been widely applied in the Beidou navigation receiver.This paper analyzes the basic principle of adaptive antenna sidelobe cancellation, and gives the process in term of least mean square (LMS) rule to calculate the optimal weights under the interference of relatively wide bandwidth and the method to calculate inverse matrix of interfering signal autocorrelation matrix based on Cholesky decomposition.At last,the paper simulates the designed adaptive antenna sidelobe cancellation system through MATLAB to analyze the performance,and the results show that the adaptive sidelobe cancellation system performs well in suppress broadband interference.

adaptive sidelobe cancellation;least mean square algorithm;matrix inversion;simulation and analysis

TN973.3

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.20.016

趙書蘇，何明亮，姚建國. 北斗導(dǎo)航接收機旁瓣對消技術(shù)研究[J].微型機與應(yīng)用，2016,35(20)：58-60.

2016-05-31)

趙書蘇(1990-)，女，碩士研究生，主要研究方向：信息和信號處理算法。

何明亮(1979-)，男，碩士，工程師，主要研究方向：信號處理算法和實現(xiàn)。

姚建國(1965-)，男，碩士，研究員，主要研究方向：移動通信理論與關(guān)鍵技術(shù)。