自適應數字波束并行信號處理實現

景華麗

若干傳感器單元在空間隔離形成的，且在現實條件中可以實施自我調控的天線系統即為適應天線陣，它不但可以對需要信號的特點性質進行保護維持，還可以對周圍不明了的干擾環境進行及時的反應，并且降低干擾終止方向的增益或者在這個方向上設定零點。實時自適應處理器、方向圖形成網絡和天線陣是該系統的主要組成部分。其中，用自適應處理器可以完成調控方向圖形成網絡里面可變加權系數的工作。現如今，各行各業都在使用并行信號，如通信技術、雷達探測、地址探測以及醫學影像診斷等。所以，解決好并行信號處理問題對于人們的生活和各行業的發展都是十分重要的。

【關鍵詞】自適應 數字波束 并行信號

并行信號及陣列信號的分析處理技術是信號處理技術的兩大主要內容。并行信號與陣列信號不僅能夠對噪聲進行抑制、對干擾進行降低，而且能夠對有用的目的信號進行增強。相關研究工作者在歷經幾十年的不斷的建立和改善后，終于使并行信號的處理技術被成功應用到每一個需要它的地方，并且產生了許多不同的并行處理系統，每一個系統均在運行方式、結構、應用、算法等方面具有獨特之處。

利用自適應數字波束技術對并行信號進行處理，能夠有效減小干擾，進而更加精確的得到目標信號。

1 自適應數字波束形成技術的發展與研究現狀

雖然在現實中利用陣列信號可以減少信號干擾及噪音，可是也不可忽視它的導航和通信兩系統中含有的缺陷。舉例：傳送陣列及并行信號過程中，信號的相位及通道幅值也會出現誤差；為陣列信號在盡力降低噪音時會發生排布方式出現誤差等的情況。自適應數字波束并行信號技術的出現和發展可以有效避免誤差出現，充分彰顯陣列和并行信號的長處。自適應數學算法是它建立的基礎。數據量及計算量會由于增加的陣列信號量在空間范圍內造成信號天線的排布序列的增多而增多，這是計算性能在并行信號處理系統中面臨的巨大難題。自適應數字波束通過編成算法的方式加權計算大量并行信號，給信號挑選了最好的權值。設定最好的權值可以實現陣列和并行信號形成波束。需要注意的是，在采用此方法時，龐大的信號數據量及陣列數在信號處理方面形成了難題。

2 并行信號的自適應數字波束形成算法研究

2.1 并行信號的基本模型

并行機的高性能是處理并行信號的關鍵，如今被應用的最為普遍的是PC集群系統，它是由數臺PC計算機利用網絡進行連接，每個節點或工作站協同合作，以此使任務更準確和高效的完成。在信號處理過程中擴展性強、結構簡單且成本比較小時PC集群系統的優勢，在實際應用它時，為了實現既科學又效率高的目標，可以根據工程情況對其組成和建立進行適當調整。

對于自適應數字波束，我們可以通過信號類型及參考量的不同把它的形成分為下列幾類：第一種，空間域數字波束形成方式。此種方式是以空間域參考信息作為基礎的，它包含很多信息。此種自適應算法主要有MOVD擴展算法及MOVD算法等。MOVD算法是根據信號空間的來源及線約束方向的自適應算法，它的另一叫法為最小方差算法。一旦并行信號出現空間陣列及位置不確定的情況，它的效率就會大幅降低。第二種，時域數字波束形成方式。此法是在時域中以時間參考信息作為基礎的。它的穩定性比較強，主要有LMR算法等。它一般需在時域范圍中對信號的序列進行輸出，且對空間中信號的陣列排布及來源方向無要求。第三種，盲波束形成方式。此法無需基于以上幾種參考信息，僅需部分信號的先驗信息。

2.2 并行信號的數字模型

并行信號具有較廣的應用，自適應數字波束形成算法是在對并行信號進行處理時的前提，它的本質即為依據并行信號的方向對某種信號進行增強或抑制。若想對目標信號進行精準、準確的提取，傳統濾波器并做不到，而應用自適應數字波束形成算法就可以提取到想要的信號。它主要包括下面兩項：

2.2.1 MVDR算法

信號輸出功率為此算法的參考依據，它的目的是盡可能減小目標信號的輸出功率。利用此種算法時，信號的輸出端僅容許目標信號輸出，以此來保證輸出功率的最小化，做到無失真輸出，同時，利用此算法也可以避免噪音對信號的干擾，使得使用系統的信噪比得到提升。

2.2.2 約束算法

此算法以權值矢量作為基礎，對并行信號權值使用迭代算法，限制每次迭代的矢量。此法能對并行信號中的雷達接收及發射信號進行有效處理，且同時處理二者能夠提高雷達信號的處理技術及傳輸質量。

2.3 自適應數字波束并行信號處理的遞歸法

此法屬于自適應陣列的處理算法，遞歸計算直接算法需要的矩陣求逆是它的基本原理，所以運用此法時不需要直接矩陣求逆。利用矩陣求逆來進行引理，能夠使相同的基本的更新權過程演繹出不一樣的遞歸算法。自適應陣列出的遞歸處理算法本質上依據的還是最小二乘方法，它和卡爾曼濾波方法的關系十分緊密。遞歸處理算法在處于較穩定的環境下時，在每個采樣的瞬間所計算出的權值均是最佳的選擇以對接數據為基礎的最小二乘方法。

3 并行信號的數字波束形成算法的實現

對雷達傳送的信號進行實時處理，并輸出波束置零的權值是自適應抗干擾算法的作用。若要提升它的信號處理速度，不僅要選擇快速收斂算法，還應選用高速結構用于硬件系統。所以，在設計它的硬件系統過程中為了提升運算速度，既要基于算法本身的并行性，應用Systolic并行處理結構， 又要輔以高速數字信號儲存器和處理芯片等部件的應用。此外，通過進一步嚴謹的研究分析，還要選對陣列映射方式對算法進行完善，使節點數量變少。通常陣列映射方式分為三種：超平面映射、按Y方向映射和按X方向映射。

4 結束語

現如今，無論在工業方面，還是在軍事領域，并行信號和陣列信號的發展與應用都是十分重要且值得我們關注的。本文分析了自適應數字波束的發展與研究現狀，闡述了并行信號的自適應數字波束形成算法的研究，對自適應數字波束并行信號處理的實現提出了建議，希望可以使并行信號得到穩定、準確和高效率的處理。

參考文獻

[1]廖桂生，保錚，張林讓.基于特征結構的自適應波束形成新算法[J].電子學報，1998（26）：23-26.

[2]金啟華.高速并行自適應干擾抑制技術[C].研究生畢業淪文，1999.

[3]胡善清，劉峰，龍騰.高性能通用并行信號處理模塊的設計與實現[J].計算機工程，2007，33（05）：252-254.

[4]呂遵明，王彥剛.基于串行RapidIO的通用數字信號處理模塊設計[J].信息化研究，2009，35（09）：39-41.

[5]徐甲同，李學十.并行處理技術[M].西安電子科技大學出版社，1999（05）.

作者單位

南京長江電子信息產業集團有限公司 江蘇省南京市 210039endprint