基于時延補償的寬帶干擾源抑制算法研究

劉春靜　張錦中　馬利祥

摘? 要：寬帶自適應波束形成在雷達工程、電子對抗、通信、麥克風陣列等很多領域都得到了廣泛應用，尤其是針對寬帶干擾源的抑制越來越重要。傳統的基于自適應波束形成的寬帶干擾源抑制算法都是通過頻域變換后進行處理的，隨著信號帶寬的增大，算法的復雜度也越來越大。為了降低算法復雜度，研究了一種基于時延補償的寬帶干擾源抑制算法，以時延補償的方式旋轉陣列，將干擾源的入射角度調整到陣列法向方向，從而消除寬帶信號的色散效應。計算機仿真表明，該算法能夠取得較好的信干噪比改善效果。

關鍵詞：時延補償;寬帶干擾;波束形成

中圖分類號：TN911.7 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）34-0012-02

Abstract： Wideband adaptive beamforming has been widely used in radar engineering， electronic countermeasures， communications， microphone arrays and many other fields. In particular， the suppression of wideband interference sources is becoming more and more important. The traditional wideband interference suppression algorithm based on adaptive beamforming is processed by frequency domain transformation. With the increase of signal bandwidth， the complexity of the algorithm is also increasing. In order to reduce the complexity of the algorithm， a wideband interference suppression algorithm based on time-delay compensation is studied. The array is rotated by time-delay compensation， and the incidence angle of the interference source is adjusted to the normal direction of the array， thus eliminating the dispersion effect of wideband signals. Computer simulation shows that the proposed algorithm can achieve better signal-to-interference-noise ratio （SINR） improvement.

Keywords： time delay compensation; wideband interference; beamforming

自適應波束形成[1-5]是一種已經廣泛應用的陣列處理技術，涉及的領域包括通信、雷達、導航、聲吶、麥克風陣列和射電天文等諸多方面。隨著半導體技術的飛速發展，射頻信號的工作帶寬越來越寬，傳統的窄帶波束形成算法已不能夠滿足現有的需求，因此，寬帶波束形成算法的研究逐漸成為了最新的研究熱點。從實際應用來看，5G寬帶通信、寬帶相控陣雷達、寬帶聲吶系統等的研究都在如火如荼地開展，這些射頻電子系統的推廣與應用，增大了系統間的相互干擾，從而對天線陣列前端寬帶波束形成器的需求也越來越迫切。

文獻[6]研究了基于均勻圓陣的魯棒的寬帶波束形成算法，將圓陣導向矢量分解到模式空間上，從而達到算法簡化的目的。文獻[7]提出了一種固定的頻率不變的波束形成算法，算法設計不需要最小化約束函數，還能夠求解出最優的實波束形成系數。文獻[8]設計了一種基于時頻分布的寬帶自適應波束形成算法，能夠實現更優的檢測性能和更好的魯棒特性。文獻[9]討論了802.11ac與4.9GHz下的寬帶自適應波束形成陣列，實現了不同基站或移動端要求下的波束設計指標，對指導工程實踐具有重要意義。

本文研究了一種基于時延補償的寬帶干擾源抑制算法，在已知干擾源方向的條件下，對天線陣列的接收信號進行相應的延時補償，將干擾源方向調整到與帶寬無關的陣列法向上，再完成陣列接收數據的加權自適應波束形成。

1 基于時延補償的寬帶干擾源抑制算法

在寬帶干擾環境下，由于干擾源的頻率分量增加，傳統的窄帶干擾抑制算法已經不能夠滿足要求;根據前一節的分析，我們注意到陣列法線方向（？準=0）入射信號的特殊性質，如果通過時延補償方法將寬帶干擾信號的入射角度調整為0°，則可以在補償完成后采用窄帶的干擾抑制算法。令

其中？準J為寬帶干擾源的入射角度，diag{·}表示向量的對角化運算。

對陣列接收信號的時延補償可改寫為如下表達式：

（1）

其中x（n）為天線陣列接收的原始信號，xtd（n）為經過時延補償后的陣列接收信號。此時的陣列相關矩陣為

（2）

基于時延補償的寬帶干擾源抑制算法中的Dm（m=1，2，...，M）為第m個陣元對應的干擾源角度的時延補償，時延補償值由v（？準J）的相對波達時延差決定，參考陣元的時延補償D1設為0，自適應權值的估計結果為

wm（m=1，2，...，M）為向量w的第m個元素。

2 仿真實驗

假設均勻直線陣列的陣元個數為10，工作頻率為10GHz，天線陣元間距為半波長，期望信號入射角度為-30度，功率為0dB，干擾信號角度為20度，功率為60dB，干擾帶寬為100MHz，采樣樣本為4000，SINR損失定義為

其中Ri+n為干擾與噪聲組合的相關矩陣。

仿真對比了窄帶最優波束形成器、理想的最優寬帶SMI算法和基于時延補償的寬帶干擾源抑制算法，分別如圖1～3所示。圖1為SINR損失隨角度變化的關系曲線，可以看出通過對干擾信號的抑制，在干擾方向上的SINR損失是最小的。圖2為SINR損失隨寬帶干擾源帶寬變化的關系曲線，窄帶最優波束形成器的SINR損失最小，尤其需要注意的是，隨著干擾信號帶寬的增大，SINR損失是逐漸增大的。圖3為三種算法形成的自適應波束圖對比，基于時延補償的寬帶干擾源抑制算法對干擾方向進行了補償，因此形成的干擾零點位置為0度，抑制深度為-98.2dB。

3 結論

本文通過詳細分析基于時延補償的寬帶干擾源抑制算法的基本原理，闡述了實現寬帶干擾抑制的設計流程，通過數值仿真分析對比了干擾抑制算法與理想SMI算法的性能，驗證了所述算法的有效性。后續工作將進一步展開對多個寬帶干擾源抑制算法的研究，以拓展時延補償算法的適用范圍。

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