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1、毕 业 设 计 （ 论 文 ） 开 题 报 告题目：有限字长对自适应波束形成算法的影响专 业 遥感科学与技术 学 生 孙策 学 号 1110540104 指导教师 胡航 日 期 2015-03-20 哈尔滨工业大学教务处制哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文)开题报告目录1 课题背景和来源 .12 课题目的 和意义 .13 国内外 研究现状 .23.1 自适应波束形成的发展与应用 .23.2 自适应波束形成算法的稳健性问题 .33.3 有限字长自适应波束形成算法 .44 研究内容 .55 研究方案 .55.1 最小均方算法 .55.2 样本矩阵求逆算法 .65.3 32BIT 与 64BIT 字长
2、算法性能与技术指标的比较 .75.4 仿真性能分析 .86 进度安排 .87 预期目标 .88 已具备的条件、存在的困难与问题 .89 参考文献 .8哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文)开题报告11 课题背景和来源近年来随着计算机技术和信号处理技术的飞速发展，相控阵技术得到了越来越多的应用和发展，随着相控阵雷达技术的发展，阵列信号处理成为信号处理的一个重要分支。阵列信号处理技术主要包括自适应数字波束形成(ADBF: Adaptive Digital Beamforming)和波达方向 (DOA: Direction of Arrival)估计，自适应数字波束形成能够有效地保留期望信号，同时滤除干
3、扰信号，以达到最优的输出信干噪比(SINR: Signal to Interference plus Noise Ratio)1。自适应波束形成算法在通信雷达、通信、电子对抗、声纳、生物医学工程等科技领域 中到了极为广泛的应用 2。但自适应波束形成及空间谱估计算法涉及大量矩阵与求逆运算，实现复杂、运算量大，浮点舍入误差的影响需认真考虑。为此研究算法在32bit有限字长下的性能与指标，为评价其在应用平台（如DSP）下的性能提供依据，具有工程参考价值。2 课题目的和意义自适应阵列天线技术利用信号传输的空间特性实现干扰抑制。实际上起着空间滤波的作用。在抗干扰处理中，有用信号与干扰信号往往来自不同的方
4、向，利用这个特点，可以控制天线阵列在有用信号入射方向上保持高增益，在干扰信号入射方向上形成零陷，从而达到抑制干扰的目的。自适应天线对干扰信号的抑制可以达到 20-30dB，并且可以根据有用信号和干扰信号入射角度的变化，自动调解天线阵的空间滤波特性，实现最佳接收。在发射模式，自适应天线可以实现定向发射，减小对其他用户的干扰。“波束形成(bamforming)”这个术语来源于早期的相控阵雷达，被设计用于形成锐方向性波束，以便在接收某一特定方向发出的信号的同时，衰减其它方向到来的信号。波束形成听起来是讲发射能量，但实际上波束形成既可用于接收能量也可用于发射能量。目前见诸文献比较多的是用于接收信号的波
5、束形成方法。实现波束形成要进行一系列运算，包括对空间各阵元接收到的信号进行加权、延时及求和 3。与传统单个传感器的一维信号处理相比，阵列信号处理具有更为灵活的波束指向控制，更高的输出信号处理增益，更为精确的空间分辨率等优点。因此，阵列信号处理得到了很大的发展，应用领域不断扩大，现已成功应用于雷达和声纳目标检测、无线通讯、射电天文、生物医学、地震探测等诸多工程领域 4。自适应波束形成算法核心是通过一些自适应波束形成算法获得天线阵列的最佳权重，并最终最后调整主瓣专注于所需信号的到达方向，以及抑制干扰信号，通过这些方式，天线可以有效接收所需信号。在实际应用中，自适应波束形成算法经常被用在DSP平台哈
6、尔滨工业大学本科毕业设计(论文)开题报告2上。为了解决运算量大，浮点舍入误差等一系列工程应用中的问题，这次研究将聚焦于有限字长（32bit）对自适应波束形成算法的影响，并在Matlab 的帮助下进行实验。3 国内外研究现状3.1 自适应波束形成的发展与应用最早的自适应波束形成器是旁瓣相消器， 其由一个主天线和一个辅助天线组成，辅助天线用来估计主天线中的干扰信号，然后在主天线输出中减掉估计的干扰信号来实现自适应。接着Applebaum又提出了最大信干噪比自适应阵列求权准则 6，通过对各个阵元进行相应的自适应加权来实现自适应干扰抑制。通过自适应波束形成所利用的自由度的不同，可以分为阵元级完全自适应
7、波束形成(又称为满秩自适应波束形成)和部分自适应波束形成。完全自适应波束形成运用了所有可用的自由度，运用的自适应自由度越多，数据处理的维数就越大，运算量就越大，从而导致收敛速度慢。部分自适应一般应用于大型阵列，包括降维和降秩两种处理方式，降维自适应处理通常可以由子阵级处理来实现，在进行自适应处理之前先降低阵列处理的维数。降秩自适应处理是通过将剩余自由度舍弃或转化为约束自由度来实现的，主要包括直接主分量法、正交投影法和降秩共轭梯度法等。上世纪 80 年代西德首次公开报道将ADBF系统应用于ELRA实验型相控阵雷达，能有效实现多波束数字化自适应空域滤波。接着GE公司和雷声公司的作战型超视距雷达以及
8、荷兰Signaal 公司的远程监视雷达SMART-L相继应用了ADBF技术，美国罗马实验室开发了一种实验型快速数字波束形成(FDBF:Fast Digital Beamformer)系统，能够同时形成 32 个独立波束，并首次采用了最新的自适应校准系统。瑞典国防研究机构制作了一个工作于 2.83.3GHz 频率范围内的实验型 S波段天线，采用25.8MHz的采样速率对19.35MHz的中频信号进行采样，然后对其进行ADBF。实验证明，采用DBF技术可以通过阵元级的加权和移相器作用来补偿各阵元间的幅度和相位误差，而且DBF技术能够获得的主瓣宽度很窄同时能够获得超低旁瓣电平。由MIT林肯实验室、美
9、国海军研究实验室(NRL)和NSWC联合开发的一种采用数字波束形成技术的L波段有源相控阵，其自适应方向图具有较低的旁瓣和窄的不随频率变化的主波束。MIT林肯实验室开发了一种先进的信号处理和数字波束形成系统用于“发现者II空基雷达上。这一系统可有效地实施合成孔径雷达(SAR)地形测绘和地面动目标显示(GMTI) 。其运用旁瓣对消结构(SLC)，阵列天线由 4 个旁瓣对消天线和 12 个子阵(主阵列)组成。该雷达系统具有脉冲压缩、多普勒处理、旁瓣相消处理、空时自适应和数字波束形成等功能。智能天线是自适应阵列处理在通信系统中应用的体现，即通信系统中的自适应阵列与其他相关设备的结合，近年来智能天线随着
10、移动通信技术的迅猛发展已成为自适应阵列技术领域的研究热点。日本ATR光电通信技术研究所研制了一种基于智能软件天线概念的波束空间处理方式的多波束智能天线；加拿大McMaster大学研究开发了采用了恒模哈尔滨工业大学本科毕业设计(论文)开题报告3算法(CMA)的4元阵列天线;欧洲通信委员会在RACE计划中由德国、英国、丹麦和西班牙联合实施了第一阶段智能天线的研究。该项目组 1995 年初开始在DECT基站基础上构造智能天线的现场试验模型。中国邮电电信科研院信威公司、美国ArrayComm公司和美国的Metwave公司对智能天线进行了大量研究开发，将其用于CDMA 、FDMA、TDMA系统。3.2 自适应波束形成算法的稳健性问题传统的算法在设计波束形成器时，都是假定在其训练数据中不含有期望信号。这时的波束形成器对于，阵列响应误差和有限次快拍数据的稳健性非常好。但是在许多情况下，干扰和噪声信号的观测数据不可避免地要被期望信号所污染，这将导致波束形成算法性能的急剧下降。其中一个典型的原因是由于获得的期望信号阵列
