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1、摘要摘 要随着高速、超高速信号采集、传输及处理技术的发展,数字阵列雷达已成为当代雷达技术发展的一个重要趋势。数字波束形成(DBF)技术采用先进的数字信号处理技术对阵列天线接收到的信号进行处理,能够极大地提高雷达系统的抗干扰能力,是新一代军用雷达提高目标检测性能的关键技术之一。并且是无线通信智能天线中的核心技术。本文介绍了数字波束形成技术的原理，对波束形成的信号模型进行了详细的推导，并且用matlab仿真了三种计算准则下的数字波束形成算法，理论分析和仿真结果表明以上三种算法都可以实现波束形成，并对三种算法进行了比较。同时研究了窄带信号的自适应波束形成的经典算法。研究并仿真了基于最小均方误差准则的
2、LMS算法、RLS算法和MVDR自适应算法，并且做了一些比较。关键词：数字波束形成、自适应波束形成、智能天线、最小均方误差、最大信噪比、最小方差I目录ABSTRACTWith the development of high-speed, ultra high-speed signal acquisition, transmission and processing technology, digital array radar has became an important trend in the development of modern radar technology. Digital
3、 beamforming (DBF) technology uses advanced digital signal processing technology to process the signal received by antenna array. It can improve the anti-jamming ability of radar system greatly and it is one of the key technology。It is the core of the smart antenna technology in wireless communicati
4、on too。This paper introduces the principle of digital beam forming technology, the signal model of beam forming was presented, And the digital beam forming algorithm under the three calculation criterion was simulated by MATLAB, theoretical analysis and simulation results show that the three algorit
5、hms can achieve beamforming, and made some comparison between the three algorithms. At the same time, made some study about the adaptive narrow-band signal beam forming algorithm. Learned and Simulateded the LMS algorithm base on minimum mean square error criterion and RLS algorithm and MVDR algorit
6、hm, and do some comparisonKey Words:DBF, ADBF, Smart antenna, The minimum mean square error, The maximum signal to noise ratioIII目 录目 录第1章绪论11.1背景介绍11.1.1 数字波束形成在国内外的发展及现状11.1.2 展望31.2 论文内容4第2章DBF原理及应用52.1窄带信号模型52.2 空间匹配滤波器62.3 阵列方向图72.4 阵列增益92.5 波束宽度102.6 相位扫描的带宽限制102.7 智能天线112.7.1 天线结构112.7.2 实现原理
7、112.7.3 技术分类122.7.4 应用领域132.8 本章小结14第3章最优波束形成准则153.1 最小均方误差准则153.2 最大信噪比准则173.3 线性约束最小方差（LCMV）准则183.4 仿真结果193.4.1 mmse准则下的仿真193.4.2 MSNR准则下的仿真203.4.3 LCMV准则下的仿真213.5 三种准则的对比223.6本章总结23第4章自适应波束形成算法244.1 经典自适应波束形成算法244.2 最小均方(LMS)算法254.3 递归最小二乘（RLS）算法264.4 最小方差无畸变响应(MVDR)274.5 经典自适应算法的仿真284.5.1 LMS算法的
8、仿真284.5.2 RLS算法仿真304.5.3 MVDR算法仿真324.5.4 三种算法比较334.6本章总结34第5章完成的工作355.1总结355.2 存在的问题与解决方法35参考文献36致谢37外文资料原文38外文资料译文42主要缩略语表主要缩略语表英文缩写英文全称中文释义DBFDigital Beamforming 数字波束形成ADBFAdaptive Digital Beamforming自适应波束形成FIRFinite Impulse Response有限脉冲响应LCMVLinearly Constrained Minimum Variance线性约束最小方差LMSLeast M
9、ean Square最小方差INRInterference to Nosie Ratio干扰信噪比MMSEMinimum Mean Square Error最小均方误差SNRSignal to Noise Ratio信噪比MVDRMinimum Variance Distortionless Response最小方差无畸变法RLSRecursive Least square递归最小二乘 V第1章 绪论第1章 绪论1.1背景介绍信号是信息的载体与表现形式,信息蕴含在信号的某些特征之中。信号处理的目的就是提取、恢复和最大限度的利用包含在信号特征中的信息。信号处理技术早期的研究主要集中在一维信号处理
10、中,并在一维信号处理与分析中取得了很多重要成果。随着信号处理技术的发展,人们将传感器布置在空间的不同位置而组成传感器阵列,用传感器阵列对空间信号进行接收和釆样,将信号处理技术从时域扩展到空域, 开辟了空域阵列信号处理这一技术领域9。阵列信号处理是将一组传感器按照一定的规则布置在空间的不同位置,组成传感器阵列,利用传感器阵列对接收到的空间信号进行空域或者空时多维处理的方式,以增强有用目标信号,抑制无关干扰和噪声信号,提取信号的相关特征,估计信号的参数。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
11、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10。阵列信号处理主要研究内容包括数字波束形成(DBF)和自适应波束形成（ADBF）等。ADBF技术又称为自适应空域滤波,通过对各阵元输入信号自适应加权以实现空域自适应滤波,ADBF技术可以有效增强有用信号,抑制干扰和噪声信号,具有极其重要的理论意义和工程应用价值,本文的研究也正围绕此方面展开。1.1.1 数字波束形成在国内外的发展及现状数字波束形成的概念来源于军事上雷达和声纳所采用的自适应阵列天线，目的是为了自适应的控制天线波束的主瓣使其对准目标，控制天线波束的零陷，使其对
12、准干扰源，从而可以在强干扰环境下有效地发现和探测目标。数字波束形成的概念自1959年由Van Atta提出以来，到目前已经经历了四十多年的发展历程，大体上可以划分为四个阶段1：第一个十年的研究集中在自适应波束控制上（六十年代）。如：自适应相控阵列天线，自适应波束控制天线等。50年代，美国出于卫星通信增强信号的需要，开始研究最初意义上的自适应天线。1964年5月，IEEE Trans.on AP第一次出版自适应天线专辑，总结了主波束自适应控制阶段的发展2。第二个十年研究集中在自适应零陷控制上（七十年代）。如：自适应滤波，自适应调零与旁瓣对消，自适应杂波控制等。1976年9月，IEEE Trans
13、.on AP第二次出版自适应天线专辑，总结了零向自适应控制阶段的发展。第三个十年的研究主要集中在空间谱估计上（八十年代）。如：最大似然谱估计，最大熵谱估计，特征空间正交谱估计等。1986年3月，IEEE Trans.on AP第三次出版自适应天线专辑，总结了DOA估计的空间谱估计阶段的发展。在八十年代，自适应天线阵从理论研究进入了广泛应用阶段，但主要限于雷达和声纳领域。最近十年的研究主要集中在：(1)结合移动通信的智能天线的实现技术上(九十年代至今)1390年代初陆续有人提出将自适应阵列天线技术应用于移动通信，90年代初开始世界各大通信公司纷纷介入智能天线研究：美国Array Comm公司率先
14、推出智能天线系统应用于无线本地环路（WLL），美国Metawave公司已有针对GSM和IS95的智能天线产品。在日本，ATR光电通信研究所研制基于加锁处理的自适应波束形成处理方式的智能天线。欧洲通信委员会在RACE计划中开展了TSUNAMI子计划，它由德国，英国，丹麦和西班牙合作完成。在中国，信息产业部电线科学技术研究院所属的信威公司成功的开发出用于WLL的TDD方式S-CDMA产品，并计划将其改进，推广应用于我国提出的TD-SCDMA方案中。深圳华为、中兴新通信目前均有一只队伍进行智能天线方面的研究。(2)DBF在有源相控阵雷达系统中的应用5COBRA雷达：欧洲先进雷达技术集团总承包，法国汤
15、姆逊公司、德国西门子公司、英国桑伊美公司、美国马丁玛丽埃塔公司等参加。AN/TPQ-47炮位侦校雷达：国内，14所，38所在“95”期间研制了一维DBF实验阵，我们学校与206所合作于“十五”期间研制出一个二维的DBF接收阵。随着移动通信技术的发展,宽带无线通信技术受到广泛的关注。由于正交频分复用(OFDM)技术具有高的抗干扰和抗多径衰落的能力，因此已经被公认为下一代无线通信系统的核心技术。尽管OFDM技术能够克服符号间干扰(ISI)的影响，但是由于无线信道是一个多用户信道，存在多径衰落，时延扩展和频率扩展等问题，解决上述问题的传统方法主要包括调制解调、信道编码、均衡、分集和交织等技术，而智能天线技术为这些问题的解决带来了新的思路，认为是无线移动通信技术“最后的疆界”，而数字波束形成技术是智能天线的一个重要研究领域。当存在干扰甚至强干扰的时候，使用数字波束形成技术能够抑制干扰，降低通信系统误码率，扩大系统容量。因此在宽带无线系统中，将数字波束形成技术应用到OFDM系统中可以实现高速可靠的数据传输。同时雷达作为一种
