Energy-Efficient Large-Scale Antenna Systems with Hybrid Digital-Analog Beamforming Structure

A largescale antenna system （LSAS） with digital beamforming is expected to significantly increase energy efficiency （EE） and spectral efficiency （SE） in a wireless communication system. However, there are many challenging issues related to calibration, energy consumption, and cost in implementing a digital beamforming structure in an LSAS. In a practical LSAS deployment, hybrid digitalanalog beamforming structures with active antennas can be used. In this paper, we investigate the optimal antenna configuration in an N ＆#215; M beamforming structure, where N is the number of transceivers, M is the number of active antennas per transceiver, where analog beamforming is introduced for individual transceivers and digital beamforming is introduced across all N transceivers. We analyze the green point, which is the point of maximum EE on the EESE curve, and show that the logscale EE scales linearly with SE along a slope of lg2/N. We investigate the effect of M on EE for a given SE value in the case of fixed NM and independent N and M. In both cases, there is a unique optimal M that results in optimal EE. In the case of independent N and M, there is no optimal （N, M） combination for optimizing EE. The results of numerical simulations are provided, and these results support our analysis.

基于变步长SOCP的宽带发射鲁棒唯相位ADBF算法

针对宽带自适应发射数字波束的权矢量非恒模、高动态环境下干扰抑制能力下降的问题,提出了一种基于变步长迭代二阶锥(Second-Order Cone Programming, SOCP)的宽带发射鲁棒唯相位自适应波束形成(Adaptive Digital Beam Forming, ADBF)算法。采用抽头延迟线结构(Tapped Delay Line, TDL)并结合多相滤波器(Polyphase Filter, PF)对宽带信号进行子带划分;在各子带内联合多线性约束最小方差(Multiple Linear Constrained Minimum Variance, MLCMV)准则与零陷展宽算法求解鲁棒权矢量;构建小相位扰动模型,引入变步长SOCP算法求解唯相位权矢量;最后通过综合滤波器进行子带综合,形成宽带发射波束。仿真结果表明,该算法可有效展宽干扰零陷,显著提高收敛性,且易于工程实施。

数据模型协同驱动的MIMO系统性能预测方法

在具有未知同频干扰和信道状态信息具有不确定性的复杂场景下,现有的多输入多输出系统的性能分析和优化方案通常会退化甚至失效。为了适应这些挑战并更好地完成网络自动调优任务,提出了一个通用的数据模型协同驱动框架,该框架是真实通信系统的数字孪生,系统性能指标由系统参数决定。为了解释所提出的框架是如何工作的,将正则化迫零预编码作为实例。该实例中,首先在模型驱动方面,使用确定性等同理论来获得系统的性能近似结果。但是,该近似结果仅在理想条件下成立,例如系统已知信道状态信息不确定度、无穷天线数和没有任何未知同频干扰。因此在数据驱动方面,使用神经网络以网络参数和近似结果为输入,来进一步推断更准确的系统性能。因为利用了模型数据双驱动方法,轻量级的神经网络具有很好的性能。数据模型双驱动的性能估计器也是该系统的数字孪生。基于该数字孪生,设计了一个信道不确定度估计的流程和算法,以快速感知信道不确定度来支持该系统的自适应优化。该流程中,系统首先以一个初始信道不确定度做信号传输,并获得系统性能指标的检测结果。随后,根据性能估计器,使用梯度投影法,以该检测结果来反推信道不确定度,纠正环境非理想因素。仿真结果验证了所提算法的有效性,该数据模型协同驱动框架对于复杂场景下多输入多输出系统的性能预测具有研究意义。

星载MIMO-SAR与距离向DBF相结合系统研究

将星载MIMO-SAR系统与距离向数字波束形成技术相结合,设计了DBF-MIMO-SAR系统,能够解决星载MIMO-SAR系统距离模糊较大的问题.该系统方位向各孔径不是同时发射信号,而是按照一定的时间顺序,顺序发射.接收回波时,各孔径同时接收,在距离向使用DBF技术,分离回波信号和抑制距离模糊.同时分析了DBF-MIMO-SAR系统主要系统参数,包括脉冲重复频率、孔径间发射脉冲延时、雷达方程、数据率.仿真结果表明,该系统能有效地实现高分辨率宽测绘带模式,减小距离模糊和方位模糊.

基于DBF技术的星载SAR宽测绘带实现方法

在研究距离向使用数字波束形成(Digital Beanforming,DBF)实现星载SAR宽测绘带原理的基础上,分析了星载DBF-SAR距离模糊与传统星载SAR距离模糊的不同,并利用阵列天线零点指向技术实现宽零陷的原理,展宽模糊点所对应位置零陷宽度,从而在提高星载SAR宽测绘带基础上有效地减小距离模糊,提高成像质量。通过仿真和比较分析,表明使用具有宽零陷指向特性的DBF技术实现星载SAR宽测绘带模式的可行性。

距离向DBF-SAR系统抗欺骗干扰研究

该文利用距离向DBF技术,提出使用DBF-SAR系统抗欺骗干扰的方法。DBF-SAR系统抗欺骗干扰主要思想是,根据欺骗干扰回波方向和真实目标回波方向不同的原理,利用距离向多孔径,增大系统自由度,对各孔径接收回波使用距离向DBF技术,通过谱估计,估计出欺骗干扰方向,然后计算加权系数形成等效距离向天线方向图,在干扰方向形成零陷,实现空域滤波,抑制干扰方向信号,从而达到抗欺骗干扰的目的。仿真结果表明,距离向DBF-SAR系统能有效地抗欺骗性干扰,提高成像质量。

一种基于DBF的双基地雷达系统的性能分析与实验研究

讨论了一种基于数字波束形成的脉冲追赶式双基地雷达系统的构成和基本工作原理 ,对该双基地雷达的性能进行了理论分析 。

数字波束形成技术(DBF)在雷达中的应用

数字波束形成技术是天线波束形成原理与数字信号处理技术相结合的产物,其广泛应用于阵列信号处理领域。由于电磁工作环境的恶化和大量射频干扰的存在,在极低的信干噪比(SINR)条件下进行目标检测和信息提取十分困难。对于阵列系统,往往采用自适应数字波束形成(ADBF)技术,来抑制强干扰和方向性干扰对有用信号的影响。介绍了数字波束形成器的基本原理及其DSP的实现结构。

面向阵列级同时同频收发的宽带自干扰空域抑制

具备阵列级同时同频收发能力的多功能一体化平台,面临发射阵列对接收阵列的强自干扰问题。针对这一问题,该文设计了一种宽带自干扰空域抑制方法,构造了限制主波束增益损失条件下,最小化残余自干扰和噪声功率的非凸优化问题,提出了交替迭代的优化算法联合求解发射和接收数字波束成形系数,从理论上分析了所提算法的自干扰抑制极限性能,并给出了所提算法的计算复杂度。分析和仿真结果表明,给定2.4 GHz工作频率,100 MHz带宽,主波束增益损失限制在3 dB时,收发各30阵元的相控阵列宽带自干扰空域抑制能力,即有效各向同性隔离度达到168 dB,距离自干扰抑制性能极限差距7 dB。

DBF-SAR系统1比特量化设计

为解决DBF-SAR系统数据率巨大和星上处理复杂的问题,提出了一种将各通道回波和距离向匹配滤波器都1比特量化的处理方法。首先证明当回波信噪比较低时,符号位已包含了目标的幅度信息,从而为1比特量化提供了可能;在此基础上,利用各通道间信号相关性强而噪声相关性弱的特点,通过数字波束成形技术,提高了系统信噪比。接着探讨了该方法的硬件实现结构和资源消耗情况。最后,仿真结果表明了方法的有效性。该方法在不明显降低成像质量的前提下,简化了系统电路设计和减小了数据率,对DBF-SAR系统的工程实现有一定参考价值。

DBF及脉冲追赶技术在双基地雷达中的应用

分析了数字波束形成的一般原理和通道校正算法,以及脉冲追赶技术原理及双基地雷达空间同步方法,并且介绍了一种数字波束形成及脉冲追赶模块及其在某双基地雷达中的应用。

基于波束空间的DBF协方差矩阵估计方法

该文对波束空间数字波束合成(Digital Beamforming,DBF)的前后向平滑协方差矩阵估计算法进行了改进,利用对称阵列特殊结构,把复数运算转化为实数运算,从而减少了运算量。文章介绍了算法的原理和实现过程,并分析了运算量。而仿真表明,改进算法在减少运算量的同时,保持了阵列抑制干扰性能。

多维波形编码SAR俯仰向级联DBF成像性能分析

在采用多维波形编码(MWE)技术的新体制合成孔径雷达(SAR)系统中,利用俯仰向的数字波束形成(DBF)来实现多个发射波形重叠回波的可靠分离是一个关键问题。该文详细研究了星上实时波束控制与地面后置零陷控制相结合的混合俯仰向DBF分离方法的成像性能问题。作为一种包括星地两级DBF网络的级联结构,其中的星上部分通过在划分的多个天线子孔径上实现实时主瓣波束指向控制,确保在整个测绘上足够的信号接收增益;而后置自适应DBF网络主要完成零陷抑制的任务,以消除其它发射波形带来的距离向干扰,可自适应于地形高度起伏变化带来的视角变化。根据对发射波形时频结构先验信息的利用情况,提出了两种星上实时波束形成器的实现方式。对混合DBF方法下的成像信噪比和模糊度性能进行了理论建模与仿真实验评估。实验结果表明,混合DBF方法可以为优化图像模糊度和信噪比性能提供额外的设计自由度,并降低星上数据通道数目。与纯地面DBF网络相比,采用混合DBF网络可以在显著减少星上输出数据量的同时获得满意的性能,在给出的实例中,实现相近性能的条件下,相应的星上数据通道数从10个减少到6个。

基于∑-Δ技术的DBF中抽取滤波器设计

介绍了在基于∑-Δ技术的数字波束合成(DBF)中抽取滤波器系统设计方法和具体实现方案。CIC滤波器、补偿滤波器、FIR滤波器三级级联方式一方面降低了采样率,另一方面对∑-Δ调制完成解调。通过实例仿真,证明了设计的可行性。

通道失配对超视距雷达DBF副瓣电平的影响

在超视距雷达中 ,需要经过 FFT来获得距离信息。FFT对于正弦信号而言是匹配滤波器 ,随着积累时间的增加匹配滤波器的带宽会随之减少。不同距离单元的幅相不一致性与不同的频率相对应。随着 FFT点数的增加 ,每个距离门对应的带宽会不断减小 ,带内的起伏会随之减小。同一距离门之间的幅相误差趋于固定 ,经过校正后 ,DBF的性能也会有提高 。

基于QPSK的智能天线固定多波束基带DBF算法

射频 (RF)波束形成算法 ,难以直接采用数字信号处理 (DSP)技术 ,实时完成数字波束形成 (DBF)计算 .对于相移键控 (PSK)调制方式 ,本文认为RF波束形成算法可等效在基带实现 .针对四相相移键控 (QPSK)调制方式 ,本文提出了一种新的智能天线固定多波束基带DBF算法 .与RF波束形成算法相比 ,提出的算法可实现同样的辐射方向图 ,但需要的计算量却大幅度地降低 .基带DBF算法 ,使智能天线的实现更为简单、应用更为灵活、性能更为优良 。

一种改进的星载SAR俯仰向DBF处理技术

在星载SAR系统的高分辨率宽测绘带成像应用中,为了增大接收增益,提高回波的信噪比,可利用数字波束形成(DBF)技术实现俯仰向多通道接收并处理回波信号。该文分析并推导出了俯仰向通道的响应函数。基于这一结果,提出了一种时变加权与FIR滤波相结合的DBF处理方法,并且给出了系统实现框图。与其它DBF方法相比,该方法能在不增加系统实现复杂度的前提下,实现对长脉冲的接收增益最大化与系统性能最优化。仿真结果表明,该方法能够近似达到理论上的系统性能最优值。

远距离支援干扰下DBF雷达作用距离分析

在平面相控阵中应用DBF技术对于提高雷达系统性能具有重要意义。研究了数字波束形成(DBF)在平面相控阵雷达中的应用。建立了子阵级DBF的信号模型,根据一维阵元级DBF推广得到了子阵级DBF,引入雷达方程和干扰方程,总结得到了雷达作用距离与雷达、干扰和目标参数的关联关系。分析了远距离支援干扰对DBF雷达作用距离的影响,并给出了仿真分析,仿真结果表明:子阵级DBF能在很大程度上改善雷达的作用距离,为研究DBF雷达的抗干扰性能提供支撑。

DSP+FPGA的DBF基带系统设计

数字波束合成(DBF)数据基带系统设计中,为了实现实时数据传输和处理功能,需要合理利用各种现代电子开发工具。DSP实现数据运算方便,而FPGA则可以达到较高速度,利用二者各自优势,在DSP中,首先进行波达方向估计,并用直接矩阵求逆算法计算权值;而在FPGA中,则完成输入数据的缓存和加权求和,从而实现系统功能。实验结果表明,该方法可以实现波达方向估计,权值求解,加权求和功能,并满足实时性要求。

重叠子阵平面相控阵ADBF的方向图控制

提出了二维子阵级ADBF的信号模型,适用于任意的平面相控阵。研究了基于失配最优检测器的二维子阵级ADBF,它是对常规二维子阵级ADBF的一种修正,通过引入一个失配的导向向量,可对方向图进行有效的控制。该方法在无干扰时可得到所希望的静态方向图,因而解决了ADBF在自适应与非自适应工作模式之间的转换问题;而在存在干扰的情况下,与常规方法相比,明显改善了旁瓣电平。基于失配最优检测器的方法对重叠子阵和非重叠子阵均适用,克服了基于归一化的方法只适用于非重叠子阵的局限性。仿真结果证明了所提出方法的有效性。