一種零陷波束賦型器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

顏至悅 ， 黃永輝

（1.中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100190；2.中國科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心 北京 100190）

星間通信系統(tǒng)正朝著大容量、可變性的方向發(fā)展，如此以確保衛(wèi)星通信系統(tǒng)擁有良好的系統(tǒng)性能。空分復(fù)用是一個(gè)相當(dāng)具有吸引力的解決方法[1-2]。在目前的通信系統(tǒng)中，空分復(fù)用技術(shù)可與時(shí)分復(fù)用、頻分復(fù)用以及碼分復(fù)用等技術(shù)一起工作進(jìn)而滿足人們?nèi)找嬖鲩L的通信需求。一般而言，空分復(fù)用依賴于自適應(yīng)波束成形技術(shù)[2-3]。在減小干擾情況下為了最大化波束的增益，星載波束賦型器將根據(jù)用戶的位置方向來優(yōu)化天線陣列所產(chǎn)生的輻射方向圖。

考慮到實(shí)際通信場景，星間數(shù)據(jù)傳輸往往在時(shí)間上是間斷的，且衛(wèi)星間的位置是實(shí)時(shí)變化的。因此，預(yù)設(shè)置的通信計(jì)劃不適用于該星間通信系統(tǒng)[2]，這將造成星間資源的極大浪費(fèi)。由于波束賦型技術(shù)使得衛(wèi)星可根據(jù)通信用戶的位置信息來制定通信方案，即在期望的信號(hào)方向上產(chǎn)生合適的方向圖。因此該技術(shù)十分適用于星間通信系統(tǒng)。

我們研究星間通信系統(tǒng)的主旨是建立一個(gè)信號(hào)恢復(fù)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含了可產(chǎn)生定向方向圖的陣列天線。該文章研究了均勻線陣和平面陣下的零陷波束賦型技術(shù)。根據(jù)計(jì)算所得的天線陣列的權(quán)重，我們得到了一種能夠接收期望信號(hào)并且抑制干擾信號(hào)的零陷波束賦型器。

1 系統(tǒng)描述

1.1 波束賦型器結(jié)構(gòu)

波束賦型技術(shù)采用加權(quán)計(jì)算并把加權(quán)后得到的輸出信號(hào)相加從而形成具有指向性的輻射方向圖。換句話說，陣列天線系統(tǒng)能夠?qū)⒅鞑ㄊ鴮?duì)準(zhǔn)期望用戶的方向并且同時(shí)將零陷點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)。因此，能夠提升星間通信系統(tǒng)的性能[5]。

圖1表示了零陷波束賦型器的結(jié)構(gòu)框圖。天線陣列收到信號(hào)后輸出信號(hào)xi（t），把這些信號(hào)分別乘以波束賦型器的權(quán)重并累加，即得到了最終的輸出信號(hào) y（t）[4]。

圖1 波束賦型器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Beam-former structure

系統(tǒng)輸出信號(hào)

上式中，N 表示天線單元的數(shù)目，W*表示復(fù)權(quán)重，xi（t）表示第i個(gè)天線的輸出信號(hào)。

波束賦型器的權(quán)重表示如下：

每個(gè)天線單元產(chǎn)生的信號(hào)為

波束賦型器的輸出信號(hào)為

上式中，T和H分別表示轉(zhuǎn)置和復(fù)共軛轉(zhuǎn)置。

對(duì)于一個(gè)波束賦型器系統(tǒng)，這些權(quán)重依賴于環(huán)境的改變。比如說用戶的方向，信噪比等。通過這些加權(quán)的值能讓主波束對(duì)準(zhǔn)期望的信號(hào)方向。

1.2 均勻線陣

人們采用各式各樣的波束賦型器來提高系統(tǒng)性能，例如傳統(tǒng)的波束賦型器、零陷波束賦型器等。在文章中，我們主要研究了零陷波束賦型器。

零陷波束賦型器的工作原理是將產(chǎn)生的方向圖的零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)已知的干擾方向從而有效抑制非期望信號(hào)。該波束賦型是通過賦型器的時(shí)延和累加得到的。陣列加權(quán)的值由下式獲得[4]：

A表示由所有信號(hào)方向上的導(dǎo)向矢量包括期望信號(hào)方向組成的矩陣，它的表達(dá)式為

并且 A（θi）表示在 θi方向上的導(dǎo)向矢量

上式中，d表示相鄰天線陣列單元之間的距離。

1.3 平面陣

根據(jù)以上均勻線陣的權(quán)重計(jì)算公式，不難得出平面陣的權(quán)重計(jì)算公式[6]。假設(shè)平面陣包含M×N相同天線單元。權(quán)重計(jì)算公式如下所示：

上式中， A′（θi，φi）表示在方向（θi，φi）上的導(dǎo)向矢量并且i代表陣列單元。

2 仿真分析

在仿真中，我們假設(shè)期望信號(hào)的方向和干擾信號(hào)的方向是已知的。因?yàn)樵趯?shí)際星間通信中，每個(gè)衛(wèi)星上往往裝有GPS系統(tǒng)，故在進(jìn)行通信時(shí)能夠及時(shí)獲取方向信息。在MATLAB仿真中，信號(hào)源的方向是任意給定的，通過該方向信息即可計(jì)算出相關(guān)的權(quán)重值以及獲得合適的輻射方向圖[6-8]。

2.1 均勻直線陣列的仿真

表1顯示了當(dāng)期望信號(hào)的方向在0°，干擾源的方向在-15°和 25°時(shí)，權(quán)重的值。

表1 7單元均勻線陣的權(quán)值Tab.1 Values of 7 elements uniform linear array

圖2顯示了具有7個(gè)單元的均勻線陣的陣因子方向圖（天線單元的間距是半個(gè)波長長度）。該仿真結(jié)果表明輻射方向圖的主波束能夠?qū)?zhǔn)期望信號(hào)的方向（θ0=0°），并且方向圖的零陷點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)了干擾信號(hào)的方向（θ1=-15°，θ2=25°）。

圖2 陣因子方向圖Fig.2 Factor pattern， at angle-15°and 25°pattern is about to zero

2.2 平面陣的仿真

與均勻線陣的仿真類似，我們同樣對(duì)平面陣假設(shè)了3個(gè)方向，一個(gè)是期望信號(hào)的方向，另外兩個(gè)是干擾信號(hào)的方向。

圖3顯示了平面陣的3-D陣因子輻射方向圖。該圖說明輻射方向圖上的主波束可對(duì)準(zhǔn)期望信號(hào)的方向 （θ0=10°，φ0=0°），并且將零陷點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)源的方向（θ1=30°，φ1=60°）&（θ2=45°，φ2=145°）從而有效地抑制干擾信號(hào)。 其中，* 指示了前面假設(shè)的3個(gè)方向。

圖3 3-D輻射方向圖Fig.3 3-D radiation pattern

圖4～6分別表示了在不同特定方位角下，俯仰角切向上的輻射方向圖。圖4說明主波束能夠指向期望信號(hào)的方向（θ0=10°，φ0=0°）； 圖 5 表明了通過波束賦型器產(chǎn)生的方向圖能夠?qū)⒘阆蔹c(diǎn)放置在干擾信號(hào)源的方向上（θ1=30°，φ1=60°），從而對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行有效地抑制；圖6所示的結(jié)果亦跟圖5相同。

圖4 方位角為0°時(shí)，輻射方向圖Fig.4 Radiation pattern at azimuth 0°

圖5 方位角為60°時(shí)，輻射方向圖Fig.5 Radiation pattern at azimuth 60°

3 結(jié) 論

圖6 方位角為145°時(shí)，輻射方向圖Fig.6 Radiation pattern at azimuth 145°

本文根據(jù)零陷波束賦型技術(shù)，分別在均勻線陣和平面陣情況下，求得了天線陣列的輻射方向圖。通過加權(quán)計(jì)算的方法，輻射方向圖的主波束能夠?qū)?zhǔn)期望信號(hào)的方向同時(shí)將零陷點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)干擾信號(hào)的方向。利用該零陷技術(shù)設(shè)計(jì)的波束賦型器，系統(tǒng)能夠有效地接收期望信號(hào)并抑制干擾信號(hào)。

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