通道带内失配对抗干扰导航终端的影响及其自适应补偿

发布日期:2015/1/26

一、通道带内失配模型及其对抗干扰能力的影响

1.1 通道带内失配描述

通道带内失配指天线后端的低噪放及下变频器在信号带内表现出幅频响应及相频响应的不一致性。数学描述如下:

幅度失配函数:  ;                               (1)

相位失配函数: ;                                (2)

其中 为比对通道幅频响应, 为参考通道幅频响应, 为比对通道相频响应, 为参考通道的相频响应。

采用矢量网络分析仪对某一四阵元阵列天线的通道幅度及相位进行测试,得到以下三个实测图片。

图1-1:通道2相对幅频/相频响应                                 图1-2:通道3相对幅频/相频响应

图1-3:通道4相对幅频/相频响应

                                                 图1:通道幅频/相频响应实测图

提取起始频率、中心频率及终止频率三个点的幅度/相位相对于第一个通道的误差的到下表所示的三点通道失配表:

表1:三点通道失配表

通道号

 

起始频率

中心频率

终止频率

平均

最大波动

2

幅度/dB

-0.16397

0.09793

0.24893

0.18289

0.4129

相位/°

0.28404

-2.05028

-2.2365

-4.0027

-2.5205

3

幅度/dB

0.06043

0.10835

0.15940

0.3282

0.09897

相位/°

1.4269

0.11301

4.7597

6.2996

4.64669

4

幅度/dB

0.05334

-0.05239

0.01607

0.0170

0.10573

相位/°

-3.0481

-2.8019

-2.9807

-8.8307

-0.2462

 

 

由图1及表1可见,通道带内失配可以分为两个分量,分别为平均量及波动量。平均量在带内不随频率变化而变化,波动量是频率的函数。通道失配误差可以认为是这两个量的叠加。

由表1-1可以看出:幅度平均量最大为0.3282dB,相位平均量最大为-8.8307°,幅度波动量最大为0.4129dB,相位波动量最大为4.64669°。

1.2 通道带内失配模型及仿真

常用的通道失带内配模型为:正弦波动模型1。如下所示

                                 (3)

                                           (4)

其中 为幅度失配平均分量, 为幅度失配波动分量的波动幅度, 为幅度失配波动分量的初始相位。其中 为相位失配平均分量, 为相位失配波动分量的波动幅度, 为幅度失配波动分量的初始相位。 为信号带宽, 为带内波动个数。

图2-1: 正弦波动通道失配模型幅频响应

      

  图2-2: 正弦波动通道失配模型幅度失配曲线图

                                            

2-3: 正弦波动通道失配模型相位失配曲线

                                           图2: 正弦波动通道带内失配模型仿真

图2给出四路通道的幅频,相频响应曲线。图2-2,2-3分别给出三路幅度与相位相对于1通道的失配曲线。采用频域插值FIR滤波器可以很好的模拟出通道失配现象。

1.3 通道带内失配对抗干扰能力的影响

通道带内失配量可以分解为平均分量与波动分量,下面分为三种情况采用比较常见的空域自适应调零算法对四阵元的抗干扰性能进行分析。

三种情况的区别为:

1、通道完全一致,无失配;

2、通道失配量只有平均分量,幅度差2dB,相位差10°;

3、通道失配量只具有波动分量,幅度波动2dB,相位波动10°,不一致波纹数2个;

三种情况的共同点为:

1、半波长四元方阵天线,

2、干扰1:高斯白噪声,带宽等于信号带宽,干扰方向(30°,90°),干扰强度-60dBm;

   干扰2:高斯白噪声,带宽等于信号带宽,干扰方向(30°,270°),干扰强度-60dBm;

3、信号:信号方向(30°,180°),信号强度-120dBm;

图3-1: 通道完全一致下,功率增益—方位图                        

图3-2: 通道完全一致下,相关解扩输出

图3-3:只有失配平均分量下,功率增益—方位图                     图3-4:只有失配平均分量下,相关解扩输出

  

  图3-5:只有失配波动分量下,功率增益—方位图                       图3-6:只有失配波动分量下,相关解扩输出

                                      图3: 通道带内失配对抗干扰能力的影响

由图3可知可以看出,在通道带内失配只存在平均分量下,空域调零算法的抗干扰能力与通道完全一致情况下基本一样,对干扰的抑制能力都达到80dB,相关解扩后信号相关值没有明显变化。

但是当存在失配波动分量时抗干扰能力严重下降,最大的一个零陷只有不到-30dB。同时相关解扩后信号相关值淹没在干扰当中,从而阵列天线失去抗干扰能力。

二、STAP算法对通道带内失配的自适应补偿

STAP(空时联合滤波)相对于传统的空域滤波算法即考虑到了信号的空域特性又考虑到了信号的频域特性,极大的增强了滤波器的自由度3。如图4所示,对于一个M阵元,每个阵元抽头个数为N的STAP,自由度为(M-1)N4

图4: STAP滤波器结构图

因为自由度的提高,STAP滤波器能够抗击的窄带干扰数目大大提高,但是一个宽带干扰会占用接近N个自由度,所以对于宽带干扰,STAP滤波器的抗干扰个数没有改善。

本文通过仿真给出STAP滤波器的另一个优点:STAP滤波器在完成抗干扰的同时自适应补偿了通道失配,从而大大改善了阵列天线的抗干扰能力。

仿真条件同1.3节,在只有失配波动分量下进行仿真,STAP抽头个数为7个。

图5-1:只有失配波动分量下,STAP功率增益—方位图               图5-2:只有失配波动分量下,STAP相关解扩输出

                                  图5: STAP滤波器对通道带内失配的改善图

对比图5-1与图3-5。STAP算法在通道带内失配下最小的干扰零陷有66dB,而空域滤波算法最大零陷不超过30个dB。STAP算法的相关器输出与理想情况­(图3-2)几乎一样,说明STAP算法能够对通道失配进行有效补偿。

三、结论

本文通过仿真可以得出两个结论:

1、通道带内失配的波动分量对阵列天线的抗干扰能力影响很大;

2、STAP算法在扩大抗干扰个数的同时,完成了对通道带内失配的自适应补偿,从而大大提高了阵列天线的抗干扰能力。

【参考文献】

[1] 庞超,通道失配对旁瓣相消系统性能的影响研究,西安电子科技大学硕士学位论文,2012,16-17。

[2] 丁玉美,数字信号处理,西安电子科技大学出版社, 211-215。

[3] 石斌斌,高自由度GNSS抗干扰技术研究,国防科技大学硕士学位论文,2011,21。

[4] 基于加权波束形成的STAP抗干扰改进算法,电子工程设计,2013(17),1-2。

【作者简介】

柳丰收、男、西安航天恒星科技实业(集团)公司卫星终端事业部、信号与信息处理、卫星导航抗干扰技术、西安市长安区韦曲街道韦郭路504南门、邮编:710010、876740189qq.com、18291893775。

郭保稳、男、西安航天恒星科技实业(集团)公司卫星终端事业部、导航、制导与控制、卫星导航应用、西安市长安区韦曲街道韦郭路504南门、邮编:710010。

王玉玲、女、西安航天恒星科技实业(集团)公司卫星终端事业部、计算机科学与技术、卫星导航应用、西安市长安区韦曲街道韦郭路504南门、邮编:710010。

一、通道带内失配模型及其对抗干扰能力的影响

1.1 通道带内失配描述

通道带内失配指天线后端的低噪放及下变频器在信号带内表现出幅频响应及相频响应的不一致性。

其中 为比对通道幅频响应, 为参考通道幅频响应, 为比对通道相频响应, 为参考通道的相频响应。

采用矢量网络分析仪对某一四阵元阵列天线的通道幅度及相位进行测试,得到以下三个实测图片。

 

图1-1:通道2相对幅频/相频响应             图1-2:通道3相对幅频/相频响应

 

图1-3:通道4相对幅频/相频响应

图1:通道幅频/相频响应实测图

提取起始频率、中心频率及终止频率三个点的幅度/相位相对于第一个通道的误差的到下表所示的三点通道失配表:

表1:三点通道失配表

通道号

 

起始频率

中心频率

终止频率

平均

最大波动

2

幅度/dB

-0.16397

0.09793

0.24893

0.18289

0.4129

相位/°

0.28404

-2.05028

-2.2365

-4.0027

-2.5205

3

幅度/dB

0.06043

0.10835

0.15940

0.3282

0.09897

相位/°

1.4269

0.11301

4.7597

6.2996

4.64669

4

幅度/dB

0.05334

-0.05239

0.01607

0.0170

0.10573

相位/°

-3.0481

-2.8019

-2.9807

-8.8307

-0.2462

 

 

由图1及表1可见,通道带内失配可以分为两个分量,分别为平均量及波动量。平均量在带内不随频率变化而变化,波动量是频率的函数。通道失配误差可以认为是这两个量的叠加。

由表1-1可以看出:幅度平均量最大为0.3282dB,相位平均量最大为-8.8307°,幅度波动量最大为0.4129dB,相位波动量最大为4.64669°。

1.2 通道带内失配模型及仿真

常用的通道失带内配模型为:正弦波动模型1。如下所示

                              (3)

                                      (4)

其中 为幅度失配平均分量, 为幅度失配波动分量的波动幅度, 为幅度失配波动分量的初始相位。其中 为相位失配平均分量, 为相位失配波动分量的波动幅度, 为幅度失配波动分量的初始相位。 为信号带宽, 为带内波动个数。

采用频域插值FIR滤波器2对正弦波动模型进行仿真,参数设置如下:

; ; =0°; =5°;带内波纹数 ;四通道模型。

 

图2-1: 正弦波动通道失配模型幅频响应

     

图2-2: 正弦波动通道失配模型幅度失配曲线图            2-3: 正弦波动通道失配模型相位失配曲线

图2: 正弦波动通道带内失配模型仿真

图2给出四路通道的幅频,相频响应曲线。图2-2,2-3分别给出三路幅度与相位相对于1通道的失配曲线。采用频域插值FIR滤波器可以很好的模拟出通道失配现象。

1.3 通道带内失配对抗干扰能力的影响

通道带内失配量可以分解为平均分量与波动分量,下面分为三种情况采用比较常见的空域自适应调零算法对四阵元的抗干扰性能进行分析。

三种情况的区别为:

1、通道完全一致,无失配;

2、通道失配量只有平均分量,幅度差2dB,相位差10°;

3、通道失配量只具有波动分量,幅度波动2dB,相位波动10°,不一致波纹数2个;

三种情况的共同点为:

1、半波长四元方阵天线,

2、干扰1:高斯白噪声,带宽等于信号带宽,干扰方向(30°,90°),干扰强度-60dBm;

   干扰2:高斯白噪声,带宽等于信号带宽,干扰方向(30°,270°),干扰强度-60dBm;

3、信号:信号方向(30°,180°),信号强度-120dBm;

 

图3-1: 通道完全一致下,功率增益—方位图             图3-2: 通道完全一致下,相关解扩输出

 

图3-3:只有失配平均分量下,功率增益—方位图               图3-4:只有失配平均分量下,相关解扩输出

  

图3-5:只有失配波动分量下,功率增益—方位图              图3-6:只有失配波动分量下,相关解扩输出

图3: 通道带内失配对抗干扰能力的影响

由图3可知可以看出,在通道带内失配只存在平均分量下,空域调零算法的抗干扰能力与通道完全一致情况下基本一样,对干扰的抑制能力都达到80dB,相关解扩后信号相关值没有明显变化。

但是当存在失配波动分量时抗干扰能力严重下降,最大的一个零陷只有不到-30dB。同时相关解扩后信号相关值淹没在干扰当中,从而阵列天线失去抗干扰能力。

二、STAP算法对通道带内失配的自适应补偿

STAP(空时联合滤波)相对于传统的空域滤波算法即考虑到了信号的空域特性又考虑到了信号的频域特性,极大的增强了滤波器的自由度3。如图4所示,对于一个M阵元,每个阵元抽头个数为N的STAP,自由度为(M-1)N4

 

图4: STAP滤波器结构图

因为自由度的提高,STAP滤波器能够抗击的窄带干扰数目大大提高,但是一个宽带干扰会占用接近N个自由度,所以对于宽带干扰,STAP滤波器的抗干扰个数没有改善。

本文通过仿真给出STAP滤波器的另一个优点:STAP滤波器在完成抗干扰的同时自适应补偿了通道失配,从而大大改善了阵列天线的抗干扰能力。

仿真条件同1.3节,在只有失配波动分量下进行仿真,STAP抽头个数为7个。

 

图5-1:只有失配波动分量下,STAP功率增益—方位图      图5-2:只有失配波动分量下,STAP相关解扩输出

图5: STAP滤波器对通道带内失配的改善图

对比图5-1与图3-5。STAP算法在通道带内失配下最小的干扰零陷有66dB,而空域滤波算法最大零陷不超过30个dB。STAP算法的相关器输出与理想情况­(图3-2)几乎一样,说明STAP算法能够对通道失配进行有效补偿。

三、结论

本文通过仿真可以得出两个结论:

1、通道带内失配的波动分量对阵列天线的抗干扰能力影响很大;

2、STAP算法在扩大抗干扰个数的同时,完成了对通道带内失配的自适应补偿,从而大大提高了阵列天线的抗干扰能力。

【参考文献】

[1] 庞超,通道失配对旁瓣相消系统性能的影响研究,西安电子科技大学硕士学位论文,2012,16-17。

[2] 丁玉美,数字信号处理,西安电子科技大学出版社, 211-215。

[3] 石斌斌,高自由度GNSS抗干扰技术研究,国防科技大学硕士学位论文,2011,21。

[4] 基于加权波束形成的STAP抗干扰改进算法,电子工程设计,2013(17),1-2。

【作者简介】

柳丰收、男、西安航天恒星科技实业(集团)公司卫星终端事业部、信号与信息处理、卫星导航抗干扰技术、西安市长安区韦曲街道韦郭路504南门、邮编:710010、876740189qq.com、18291893775。

郭保稳、男、西安航天恒星科技实业(集团)公司卫星终端事业部、导航、制导与控制、卫星导航应用、西安市长安区韦曲街道韦郭路504南门、邮编:710010。

王玉玲、女、西安航天恒星科技实业(集团)公司卫星终端事业部、计算机科学与技术、卫星导航应用、西安市长安区韦曲街道韦郭路504南门、邮编:710010。

 

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