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        多波束天線抗干擾技術(shù)在廣播電視中的應用

        2022-11-16 06:34:32張海象
        電視技術(shù) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:廣播電視方向信號

        張海象

        (棗莊市廣播電視微波站,山東 棗莊 277000)

        0 引 言

        廣播電視衛(wèi)星信號的傳播環(huán)境相對復雜,且廣播電視衛(wèi)星信道的頻率公開透明,傳統(tǒng)的自適應波束比較容易受到影響,難以發(fā)揮最大功效。因此,探究更加有效的抗干擾技術(shù),對于維護廣播電視衛(wèi)星通信系統(tǒng)的高效運行具有一定的積極意義。多波束天線抗干擾技術(shù)能夠產(chǎn)生多個獨立作用波束,同時完成對多個目標的通信任務(wù)[1]。自適應調(diào)零多波束天線抗干擾技術(shù),將能夠產(chǎn)生多波束的陣列天線與自適應波束形成器相結(jié)合,為信號提供了更加靈活的空域濾波形式。利用多波束天線抗干擾技術(shù),結(jié)合自適應波束形成方法,形成自適應多波束;通過計算波束導向矢量的指向,獲得信號加權(quán)最優(yōu)權(quán)值,從而實現(xiàn)多波束抗干擾,能夠保證廣播電視衛(wèi)星信號的傳輸質(zhì)量和效率,推動廣播電視衛(wèi)星信號抗干擾技術(shù)的發(fā)展進步。

        1 形成自適應多波束

        多波束天線通過自適應調(diào)零技術(shù)實現(xiàn)抗干擾,應用于廣播電視衛(wèi)星通信中,通過對天線陣列接收到的信號進行自適應調(diào)零處理,將空域濾波器的相應權(quán)值調(diào)整至最佳,控制波束導向矢量指向期望的空間方向,形成自適應多波束。約束波束指向在期望方向的陣列響應為1,有用信號的陣列輸出在特定方向上進行同向疊加,抑制其他方向的干擾信號和噪聲信號,控制陣列輸出信號總功率最小化,提高廣播電視衛(wèi)星信號信噪比,增強信號傳輸效果,保證其抗干擾性能最大化[2]。假設(shè)陣列天線接收信號總和為X,包括接收到的衛(wèi)星信號、噪聲信號以及干擾信號等全部總輸入信號,其矢量形式如式(1)所示:

        式中:xm為某一時刻的輸入信號,m=1,2,…,M;M為陣列天線陣元數(shù)。波束形成器的權(quán)值向量由 式(2)表示:

        式中:W為加權(quán)矢量,wm為權(quán)矢量,m=1,2,…,M。使用多波束抗干擾技術(shù)時,無需獲取干擾信號序列的先驗信息,但需要提前得到期望信號方向信息。而基于最小方差無失真響應(Minimum Variance Distortionless Response,MVDR)準則的自適應波束形成算法,在未獲得期望信號的先驗信息的情況下,同樣能夠計算得到最優(yōu)化準則下的加權(quán)權(quán)值[3]。因此,將多波束抗干擾技術(shù)與基于MVDR準則的自適應波束形成算法結(jié)合使用,可以對多波束抗干擾技術(shù)進行有效優(yōu)化。MVDR準則下的波束形成算法目標函數(shù)如式(3)所示:

        式中:RXX為陣列接收信號的空間相關(guān)協(xié)方差矩陣,a(θ,φ)為波束的導向矢量,θ表示目標波束指向的俯仰角,φ表示目標波束指向的方位角。假設(shè)衛(wèi)星信號和干擾信號及各通信信道噪聲信號間全部互不相關(guān),則當多個噪聲信號在某一時刻從不同方向到達接收機時,陣列接收信號的空間相關(guān)協(xié)方差矩陣RXX可以由式(4)表示:

        式中:k為噪聲信號數(shù)目,K表示輸出信號最大值。根據(jù)上述公式,利用拉格朗日乘子法進行約束優(yōu)化,建立拉格朗日函數(shù),通過該函數(shù)算法獲取信號最優(yōu)加權(quán)權(quán)值。具體計算如式(5)所示:

        式中:RXX-1為陣列接收信號的空間相關(guān)協(xié)方差矩陣RXX的逆矩陣。由于每一波束對應一個衛(wèi)星信號接收方向,當存在數(shù)量較多的衛(wèi)星信號時,每個衛(wèi)星信號都存在一組相對應的抗干擾權(quán)值,因此需要對波束導向矢量a(θ,φ)進行計算求取,以獲得相應的波束形成最優(yōu)權(quán)重,并對空域濾波器的加權(quán)權(quán)值進行相應的調(diào)整,控制天線陣列波束能夠在期望信號方向得到疊加,獲取信號增益,并在受到干擾的波束方向形成較深零陷,保證輸出信號質(zhì)量最大化,形成自適應多波束,為實現(xiàn)廣播電視的抗干擾提供路徑[4]。

        2 多波束天線抗干擾

        2.1 計算導向矢量

        根據(jù)自適應多波束,計算其導向矢量,以一個N元平面均勻圓陣模型為參考,選取一個接收點作為坐標原點,建立空間直角坐標系。以原點至第1陣元的連線作為x軸,利用右手法則確認y軸,以陣平面法線方向為z軸。假設(shè)平面均勻圓陣半徑為R,陣元數(shù)目為M,以θ表示信號入射俯仰角,以φ表示信號入射方位角,如圖1所示。

        圖1 N元平面均勻圓陣模型

        由于導向矢量的本質(zhì)是對信號的空間相位差進行描述,因此,求取波束導向矢量,需要先計算陣列信號相位差[5]。規(guī)定在某一時刻陣列接收到的廣播電視信號,其空間相位差的表示如式(6)所示:

        式中:?m為原點與第m陣元接收信號空間相位差,m=2,3,…,M;R為陣元間距,λ為入射信號波長,M為天線陣列陣元數(shù)。利用信號相位差公式進行傅里葉變換,推導陣列波束的導向矢量,則此平面均勻圓陣的波束導向矢量a(θ,φ)的函數(shù)可以由式(7)表示:

        通過計算出波束導向矢量,獲得波束形成的最優(yōu)加權(quán)權(quán)值。根據(jù)最優(yōu)權(quán)值對天線陣列波束形成方向進行對應的調(diào)整和改進,使信號能夠在干擾源方向形成較深零陷,增加波束的抗干擾性能。

        2.2 實現(xiàn)多波束抗干擾

        多波束天線抗干擾技術(shù)通過天線陣列的增益,在指向廣播電視衛(wèi)星信號方向形成多波束。經(jīng)過自適應調(diào)零算法和多波束指向的抗干擾算法的處理后,對波束權(quán)矢量進行約束,形成自適應多波束。在期望信號方向進行信號保護,同時調(diào)整波束主瓣指向期望信號方向,在衛(wèi)星信號方向形成主波束,帶來信號增益,保證波束能夠在干擾方向形成深度調(diào)零,有效抑制多徑干擾的影響,且自適應多波束能夠?qū)Σㄊ靼陮市盘柗较蜻M行信號加強,維持陣列輸出信號總功率最小,通過自適應處理器加權(quán)后得到的對應陣列輸出信號表示方式如式(8)所示:

        式中:Y為經(jīng)過自適應調(diào)零處理后的加權(quán)信號總和,(·)H表示共軛轉(zhuǎn)置。使輸出信號達到最大信噪比,能夠發(fā)揮抑制干擾信號、增益有用信號的作用,實現(xiàn)多波束抗干擾。

        3 仿真實驗

        3.1 實驗準備

        為了驗證本文多波束天線抗干擾技術(shù)方案的性能,在實驗室中使用軟件接收機進行仿真實驗。利用MATLAB軟件生成中心頻率為840.00 MHz的廣播電視陣列信號,模擬多波束天線陣列接收衛(wèi)星信號、干擾信號以及噪聲信號。設(shè)定接收天線陣列為多陣元有核均勻圓陣,采樣頻率為60 MHz,衛(wèi)星輸入信號入射方向為(θ,φ),θ表示信號入射俯仰角,取值范圍為0~90°;φ表示信號入射方位角,取值范圍為0~360°。以此進行仿真實驗,驗證自適應多波束技術(shù)抗干擾能力。

        3.2 實驗結(jié)果

        隨機挑選6個不同方向接收到的廣播電視衛(wèi)星信號,通過分別獲取在常規(guī)信號和自適應多波束算法下的信號強度,將結(jié)果整理成表格,得到廣播電視信號的抗干擾增益數(shù)據(jù),結(jié)果如表1所示。

        結(jié)合表1數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn),經(jīng)過自適應多波束形成算法處理的信號相對于常規(guī)信號,強度有明顯提升,同時處理后信號的抗干擾輸出能力較強,抗干擾增益穩(wěn)定保持在5 dB以上,使廣播電視傳輸信號質(zhì)量得到有效提升。而且通過本文設(shè)計的技術(shù)方法實現(xiàn)的自適應多波束形成指向準確率更高。因此,本文提出的多波束天線抗干擾技術(shù)可以滿足廣播電視衛(wèi)星信號的抗干擾需求。

        表1 抗干擾實驗結(jié)果

        4 結(jié) 語

        多波束天線抗干擾技術(shù)能夠較好地抑制信號干擾問題,通過對多波束的自適應調(diào)零處理形成自適應多波束,計算波束導向矢量獲得空域濾波器最優(yōu)權(quán)重,精確波束約束方向,在干擾方向能夠形成較深零陷,增加信號抗干擾輸出,從而將廣播電視信號受到的干擾影響降低至最小程度,更好地提升傳輸?shù)馁|(zhì)量及效率。通過多波束天線抗干擾技術(shù)優(yōu)化廣播電視信號傳播效率效果,能夠推動廣播電視抗干擾技術(shù)的發(fā)展進步,深化抗干擾技術(shù)在廣播電視領(lǐng)域的應用。

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