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1、一 种 改 进 的 基 于 LC-GSC 的 主 瓣 干 扰 抑 制 方 法*张静宇*,王宇,楼大年( 空间电子信息技术研究院,西安 710100)摘 要:针对线性约束广义旁瓣相消器( LC-GSC) 存在主瓣干扰时天线自适应方向图会出现主瓣波束畸变及副瓣电平升高的问题,给出了一种通过阻塞矩阵对数据进行预处理的主瓣干扰抑制方法, 对线性约束广义旁瓣相消器进行了改进,先利用阻塞矩阵预处理实现主瓣干扰抑制,再通过线性约 束广义旁瓣相消器进行波束形成,有效地解决了波束主瓣变形及旁瓣电平升高的问题。 仿真分析验 证了改进方法的有效性。 关键词:自适应波束形成;线性约束广义旁瓣相消器;阻塞矩阵;主瓣干扰
2、抑制中图分类号:TN911. 7文献标志码:A文章编号:1001 -893X(2014)02 -0163 -06An Improved Mainlobe Interference Suppression MethodBased on Generalized Sidelobe CancellerZHANG Jing-yu,WANG Yu,LOU Da-nian( China Academy of Space Technology,Xi忆an 710100,China)Abstract:According to the linear constraints generalized sidelobe
3、 canceller ( LC-GSC) , the adapted pat鄄 tern suffers much distortion ( distorted mainlobe and high sidelobes) , when there exists main lobe interfer鄄 ence. An adaptive beam forming based on blocking matrix data-preprocessing is proposed, which is an im鄄 provement of linear constraints generalized si
4、delobe canceller. Firstly,a blocking matrix is constructed to cancel the mainlobe interference, then beamforming based on the linear constraints generalizes sidelobe canceller, which effectively solves the problem of beam deformation while suppressing the mainlobe inter鄄 ference. The method has been
5、 proven to be effective by the computer simulation.Key words:adaptive beam forming; linear constraints generalized sidelobe canceller; block matrix; main鄄lobe interference suppression移,主瓣电平降低;二是旁瓣电平升高,这都严重制1引言约了自适应波束形成在主瓣干扰条件下的应用 。4自适应波束形成技术可抑制副瓣干扰,关于这方面 的 研 究 已 经 有 大 量 的 文 献1-3 发 表。 然 而, 在 现代的环境下,干
6、扰很可能从主瓣进入,当存在主瓣 干扰时,常规的自适应波束形成技术便暴露出两个 严重的问题: 一 是 主 瓣 严 重 变 形, 出 现 主 瓣 指 向 偏一般的线性约束广义旁瓣相消器中的阻塞矩阵只进行期望信号的阻塞,然后利用上下支路干扰信 号的相关性通过维纳滤波对干扰进行抑制,因而可 以有效地抑制旁瓣干扰,但当存在主瓣干扰时,此方收稿日期:2013 -10 -08 ;修回日期:2013 -12 -24Received date:2013 -10 -08 ;Revised date:2013 -12 -24*基金项目:国家高技术研究发展计划(863 计划) 项目( 2012 AA01 A503 )
7、Foundation Item:The National High-Technology Research and Development Program(863 Program) of China (2012 AA01 A503 )* 通讯作者:Corresponding author:电讯技术2014 年 teleonline. cn法的性能通常不理想,会在干扰方向形成零点,对干扰进行抑 制 的 同 时 也 会 影 响 接 收 有 用 信 号。 文 献 5 中提出了一种利用阻塞矩阵对消主瓣干扰的方 法,使用的是直接式的方法,但在信号方向有偏差的 情况下对性能影响很大。本文给出了一种基于线性
8、约束广义旁瓣相消器 的改进方法来实现对于主瓣干扰的有效抑制,与文 献5 所不同的是,本文利用了 GSC 框架,相比于直 接式的方法, 通 过 引 入 线 性 约 束, 充 分 发 挥 了 GSC 框架的性能优势。 此方法是在线性约束广义旁瓣相 消器结构之前利用阻塞矩阵对接收信号矢量进行数 据预处理,预先抑制掉主瓣干扰,然后再通过线性约 束广义旁瓣相消器进行数字波束形成,这样求出的 自适应权矢量不需要在主瓣干扰方向形成零陷,因 而不会出现主瓣变形等问题,同时还可以保持对旁 瓣干扰的有效抑制。方差无失真响应 ( MVDR) 波束形成 器 的 直 接 推 广,而广义 旁 瓣 相 消 器 ( GSC
9、) 与 MVDR 是 等 效 的, 对 GSC 进 行 推 广, 可 得 到 LCMV 的 广 义 旁 瓣 相 消 形 式线性约束广义旁瓣相消器( LC-GSC) 6 。线性约束最小方差波束形成器的权矢量可以表 示为W= arg minW R WLCMV XH(4)wHC = fH式中,C 为约束矩阵,f 为对应的约束响应矢量。 一般地,C = a( 兹 ) ,a( 兹 ) ,a( 兹 ) (5)(6)P01f = 1,0,0 T由此可以得到 LCMV 权矢量的直接形式:W= R-1H -1 -1X C ( C RX C) f(7)LCMV在 GSC 中, 静 态 权 矢 量 只 约 束 期
10、望 信 号 无 失真,Wq = a( 兹 ) ,如果静态权矢量满足线性约束 wH C0= fH ,即可得 到 与 LCMV 波 束 形 成 器 等 效 的 线 性 约束广义旁瓣相消器,如图 1 所示。2信号模型假设阵元数为 N 的均匀线阵,波长为 姿,阵元间隔 d = 姿 / 2,1 个期望信号和 P 个窄带干扰以平面波方式入射到阵列上,则阵列接收到的信号为PX( t) = a( 兹0 ) s0( t) + 移 a( 兹j ) sj( t) + N( t) ,图 1 LC-GSC 结构图Fig. 1 The structure diagram of LC-GSCj = 1j = 1,2,P(1
11、)式中,si( t) ,i = 0,1,P 为期望信号和干扰的复包络;a( 兹i ) , i = 0,1, , P 为 期 望 信 号 干 扰 的 导 向 矢量;N( t) 为噪声信号。假设期望信号、干扰和噪声都不相关,阵列接收信号的协方差矩阵为RX = E X( t) XH( t) =P线性约束广义旁瓣相消器的自适应对消干扰基于以下思想:利用已知的期望信号方向信息把阵列 接收信号变换为上下两个支路,其中上支路称为主支路,通过静态权矢量 Wq = C ( CH C) -1 f) 将 X( k) 变换后得到参 考 信 号 d ( k) = WH X ( k) , d ( k) 含 期 望q00信
12、号和干扰; 下 支 路 称 为 辅 助 支 路, 通 过 阻 塞 矩 阵B 阻塞掉期望信号和约束信号,通过阻塞矩阵得到滓2 a( 兹 ) aH( 兹 ) +滓2 a( 兹 ) aH( 兹 ) + R0移i jjN000X ( k) = B X( k) ,则 X ( k) 只含有干扰。 显然,上、下000支路的期望信号是相关的,通过对变换后的信号进行维纳滤波,则可自适应抵消干扰,同时上支路的期 望信号被无失真输出。这样可以得到j = 1(2)式中,滓2 ( i = 0,1,P) 为期望信号和干扰的功率,iRN 为噪声的协方差矩阵,H 表示共轭转置。实际中 RX 不能精确得知,通常是通过有限的 K
13、次快拍数据估计得到的,即RX = E X0( k) X ( k) = B R B00HH(8)(9)0 X Kr= E X ( k) d*( k) = B R W1R X =X( k) XH( k)X0d00 Xq00K 移(3)下支路的自适应权矢量为k = 1式中,R X 为阵列接收信号协方差矩阵的估计值。WZX0 rX0d0= R-1(10)由图 1 可以写出 LC-GSC 的权矢量为3线性约束广义旁瓣相消器线性约束最小方差( LCMV) 波束形成器是最小W= W -BH W = C ( CH C) -1 f-BH R-1 rLC-GSCqZX0 X0d0(11)164第 54 卷张静宇,
14、王宇,楼大年:一种改进的基于 LC-GSC 的主瓣干扰抑制方法第 2 期因此,广义旁瓣相消器中输出的误差信号即为阵列输出,即可以看出,本方法是在标准 LC - GSC 结构前增加一个阻塞矩阵 B,通过阻塞矩阵预先实现对 于 主 瓣干扰的抑制,然后再进行数字波束形成,同时完成对于旁瓣干扰的抑制。 阻塞矩阵的具体结构根据主 瓣内的干扰数目而定,当主瓣内为一个干扰时,B 是( N-1) 伊N 维矩阵,其结构如下所示:y( k) = 着0( k) = d0( k) -d 0( k)(12)这里说明一下,图 1 中的阻塞矩阵 B0 为( N-1)伊N 维行满秩矩阵,X0( k) 为( N-1 ) 伊1
15、维向量,且 B0满足 -1b-1左000 B a( 兹 ) = 00b 埙0000 左b-1(13)00 00 即阻塞矩阵 位 于 期 望 信 号 导 向 矢 量 的 正 交 补 空 间中。 阻塞矩阵 的 构 造 方 法 有 很 多 种, 文 献 7 的 附 录 A 中给出了两个基础简便的构造方法,本文使用 的是文献6 中给出的阻塞矩阵的构造方法:B = 左左 (16) 00 00-10b 0-j2仔dsin( 兹1) / 姿其中,b = e,兹1 为主瓣干扰的方向。a-1左00 -10 0a 埙0000 左 a-1采用这种形式的阻塞矩阵,是由于主瓣干扰的导向矢量为 00 B = 左左(14)
16、 00 0a( 兹 ) = ej2仔dmsin( 兹1) / 姿(17)100-10其中,m = 1,2,N-1,即a 00伊( -j2仔dsin( 兹1) / 姿) e1e-j2仔dsin( 兹1) / 姿左其中,a = e-j2仔dsin( 兹0) / 姿 ,兹为期望信号的入射方向。0e1伊( -j2仔dsin( 兹1) / 姿)a( 兹1 ) = 上面分析的是主瓣内存在一个干扰的情况。当 = 左主瓣内的干扰数目大于一个时,基于数据阻塞矩阵预处理的方法依然有效,只需要对阻塞矩阵的形式 进行相应的更改即可。 例如,当主瓣内存在两个干 扰时,阻塞矩阵 B0 的形式如下:( N-1) 伊( -j
17、2仔dsin( 兹1) / 姿) -j2仔d( N-1) sin( 兹1) / 姿 ee(18)因而Ba( 兹1 ) = 0(19)a11 左00a2a1左00 10 埙0000 左a2a1继续前面的推导,经过阻塞矩阵 B 可以得到 00 a2左00Y( k) = BX( k)(20)B =左左(15)式中,Y( k) 为 ( N - 1 ) 伊 1 维 向 量。 阻 塞 矩 阵 之 后 的结构与标准的 LC- GSC 结构相同,只是上支路的静态权矢量 Wq 选取( N-1) 维。上支路经过静态权矢量后得到0 00 a11a2 0-ju1-ju2式中,B0 为 ( N - 2 ) 伊 N 维
18、矩 阵, a1 = -e-e, a2 =d ( k) = W Y( k) =0qH-e-( ju1 +ju2) ,u = 2仔(d / 姿)sin(兹 ),u = 2仔(d / 姿)sin(兹 ),1122Wq BX( k) =H兹 和 兹 分别为两个主瓣干扰的方向。12WHPq B a( 兹0 ) s0( t) + a( 兹1 ) s1( t) +4改进的基于 LC-GSC 的主瓣干扰抑制方法针对 LC-GSC 等一般波束形成技术都无法有效 解决在抑制主瓣干扰的同时又可以保证主瓣不发生 畸变等诸多问题,本文给出了一种新的结构,如图 2 所示。移 a( 兹j ) sj( t) + N( t)
19、=j = 2WHP移j = 2q Ba( 兹0 ) s0( t) + Ba( 兹1 ) s1( t) +Ba( 兹j ) sj( t) + BN( t) (21)由于 Ba( 兹1 ) = 0,可以得到Pd ( k) = WH Ba( 兹 ) s ( t) +Ba( 兹 ) s ( t) + BN( t) 移qj j00 0j = 2(22)同时,下支路 的 阻 塞 矩 阵 B0 采 用 与 矩 阵 B 相 同的结构形式,只需将其中的 兹1 变为期望信号的方 向 兹 ,同时由于 Y 的 维 数 变 为 ( N - 1 ) 维, 因 而 阻 塞0图 2 本文方法的 BLOCK-GSC 结构框图F
20、ig. 2 The proposed BLOCK-GSC structure diagram矩阵 B 的维数为( N-2) 伊( N-1) 。0165电讯技术2014 年 teleonline. cnY (k) = B BX(k) =从图 3 中可以 看 出, LC - GSC 在 所 有 干 扰 的 方向( -55毅、- 35毅、3毅、15毅、65毅) 上均形成了零陷,包括 主瓣内 3毅方向上的主瓣干扰,所有的零陷深度基本 在-50 dB左右。 然而,在主瓣内形成的零陷导致主 瓣电平降低,波束指向偏移,同时旁瓣电平升高,从 图中可以看出, 主 瓣 波 束 指 向 偏 移 了 约 2毅, 电
21、平 下 降 了 约 2 dB, 同 时 第 一 旁 瓣 电 平 约 为 -6 dB。 BLOCK - GSC 同 样 在 所 有 旁 瓣 干 扰 处 均 形 成 超 过-60 dB的零陷, 从 图 中 可 以 看 出, 自 适 应 方 向 图 主 瓣指向为 0毅,主瓣电平为 -0. 3 dB,第一旁瓣电平为-13 dB,且所有 旁 瓣 电 平 均 较 LC - GSC 低10 dB 左 右,原因是由于不需要在主瓣内的干扰处形成零陷, 因而保证了主瓣的形状,同时获得了性能更好的旁 瓣电平效果。仿真 2:此仿真是对比存在两个主瓣干扰( 入射 角为-2毅 和 3毅 的 干 扰) 时 LC - GSC
22、 和 BLOCK - GSC 两种方法的自适应方向图,仿真结果见图 4。00B Ba(兹 )s (t) + Ba(兹 )s (t) +00011P移 Ba(兹j )sj(t) + BN(t) =j = 2PB Ba(兹 )s (t) +Ba(兹 )s (t) + BN(t)移jj000j = 2(23)最终可以得到PY ( k) =B Ba( 兹 ) s ( t) + B BN( t)移(24)0jj00j = 2这样在上下支路进行维纳滤波前,上支路d0( k)中含 有 期 望 信 号, 旁 瓣 干 扰 信 号 和 噪 声, 下 支 路Y ( k) 中只含有旁瓣干扰信号的噪声。 通过维纳滤0波
23、,上下支路相关的干扰信号实现对消,就可以得到无失真的期望信号。通过这种方式得到的自适应权矢量完全不需要 在主瓣内的干扰方向上形成零陷,保证了主瓣指向 的精确性,提高了对接收信号的增益,为保证可靠稳 定的通信奠定了坚实的基础。5仿真分析主要针对 LC-GSC 和 BLOCK-GSC 两种方法进行仿真,通过自适应方向图和输出信干噪比曲线图对比分析两种方法的性能。 仿真模型选择常使用的16 个阵元半波长等距线阵,有 5 个互不相干的干扰 信号分 别 由 - 55毅、 - 35毅、3毅、15毅 和 65毅 入 射 到 阵 列 上,由于主波束主瓣宽度约为 10毅,故主瓣内存在一 个干扰,干扰的信干噪比均
24、为40 dB, 目 标 信 号 方 向 为 0毅, 信噪比为0 dB,快拍数为 48。仿真 1:此仿真是对比存在一个主瓣干扰( 入射 角为 3毅的干扰) 时 LC -GSC 和 BLOCK -GSC 两种方 法的自适应方向图,仿真结果见图 3。图 4 两个主瓣干扰的自适应方向图的对比Fig. 4 The comparison diagram of adaptive pattern of the two methods with two mainlobe interferences通过图 4 中可以看出, 主瓣 内 存 在 - 2毅 和 3毅 两个主 瓣 干 扰, LC - GSC 由 于 在
25、主 瓣 内 形 成 了 两 个-50 dB 深 度 的 零 陷, 因 而 导 致 主 瓣 电 平 下 降 到-15 dB,第一旁瓣电平抬升至 -3 dB,主瓣已完全被 旁瓣淹没,而 BLOCK - GSC 由 于 不 需 要 在 主 瓣 内 形成零点,因此保持了良好的方向图效果。 从图中可以看 出, 主 瓣 电 平 为 -0. 6 dB, 第 一 旁 瓣 电 平 为-14 dB,且 各 旁 瓣 干 扰 处 的 零 陷 深 度 均 超 过 了-50 dB。仿真 3:此仿 真 是 对 比 两 种 方 法 对 于 主 瓣 内 存 在一个干扰,且干扰方向从- 3毅 到 + 3毅 滑动过程中得 到的自适
26、应方 向 图, 移 动 间 隔 为 0. 1毅, 仿 真 结 果 见图 5 和图 6。图 3 一个主瓣干扰的自适应方向图的对比Fig. 3 The comparison diagram of adaptive pattern ofthe two methods with one mainlobe interference166第 54 卷张静宇,王宇,楼大年:一种改进的基于 LC-GSC 的主瓣干扰抑制方法第 2 期由图 7 中可以看出,BLOCK - GSC 获得了比 LC-GSC 更好 的 输 出 信 干 噪 比 效 果, 原 因 是 LC - GSC 方法得到的 自 适 应 权 在 主
27、瓣 干 扰 方 向 也 形 成 了 零 点,造成了方向图主瓣变形,虽然抑制了干扰, 但同 时也降低了对于期望信号的接收增益;BLOCK -GSC 由于在 GSC 结 构 前 已 经 通 过 阻 塞 矩 阵 将 主 瓣 干 扰从接收数据中消除,实现了对于主瓣干扰的抑制,因而其输出信干噪比要明显优于 LC-GSC。6结论图 5LC-GSC 结构下主瓣干扰由-3毅 到+3毅 变化的自适应方向图提出了基于线性约束广义旁瓣相消器的改进方法,利用阻塞矩阵对接收信号数据的预处理,消除了 主瓣内干扰的影响,因此自适应波束形成不会对主 瓣范围内干扰进行零陷抑制,从而不会导致主波束 变形及副瓣电平升高,相比 LC
28、 - GSC 算法输出信噪 比改善了近4 dB。 并且,针对主瓣内 不 同 的 干 扰 数 目,利用不同形式的阻塞矩阵,亦可得到性能良好的自适应方向图。 此方法需要精确已知期望信号的方向和需要阻塞干扰的数目及其入射角度,对于实际 应用中存在的阵列误差,可以配合使用误差校准技 术。 另外,利用对角加载、方向导数约束以及最差性 能优化等技术也可以在方向未精确已知的情况下进行性能补偿,从而增加了算法的鲁棒性,大大加强了其工程实际应用的有效性和可靠性。参考文献:Fig. 5 The adaptive pattern of LC-GSC withthe mainlobe changing from -3
29、毅 to +3毅图 6BLOCK-GSC 结构下主瓣干扰由-3毅 到+3毅 变化的自适应方向图Fig. 6 The adaptive pattern of BLOCK-GSC withthe mainlobe changing from -3毅 to +3毅从图 5 和图 6 中可以看出,无论干扰存在于主瓣内的哪个方向,BLOCK -GSC 都可以很好地保证主瓣 的波束形状,从而保证了通信系统良好的增益效果。仿真 4:此仿真是对比 LC-GSC 和 BLOCK -GSC 两种方法的 输 出 信 干 噪 比 随 输 入 信 噪 比 的 变 化 曲 线,输入信噪比为 - 15 25 dB,间隔为1
30、 dB,快拍数 为1 600,仿真结果见图 7。1SU Baowei, WANG Yongliang, ZHOU Liangzhu. A main鄄lobe interference canceling method C / / Processings of3rd International Conference on Signal Processing. Bei鄄jing:IEEE, 2005:23 -26.覃岭,黄茜,李会勇. 主瓣干扰下宽带圆阵自适应波束形 成方法J. 电子科技大学学报,2009,38(3):359-362.QIN Ling,HUANG Xi,LI Hui -yong.
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33、. 系统工程与电子技术,2005,27(11):1080-1083.SU Bao - wei, WANG Yong - liang, LI Rong - feng, et al.167234图 7 输出信干噪比随输入信噪比的变化曲线Fig. 7 The curve of output SINR vs. the input SNRof the two methods5电讯技术2014 年 teleonline. cnMainlobe interference cancelling method via block matrix J . Systems Engineering and Electr
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35、e Wiener Filter Based on Orthogonal Projec鄄 tions J . IEEE Transactions on Information Theory,1998, 44(7) :2943 -2959.space communication technique.Email:jy_zhang 163. com王 宇(1973) ,男,宁夏银川人, 1998 年 于 西 安 空 间 无线电技术研究所获空间信息系统专业硕士学位,现为研究 员,主要研究方向为卫星通信;WANG Yu was born in Yinchuan, Ningxia Hui Autono鄄 m
36、ous Region, in 1973. He received the M. S. degree from Xian Institute of Space Information Systems in 1998. He is now a re鄄 search fellow. His research concerns satellite communication.楼大年(1980) ,男,陕西西安人, 2006 年 于 西 安 空 间 无线电技术研究所获空间信息系统专业硕士学位,现为高级 工程师,主要研究方向为卫星通信、阵列信号处理等。LOU Da-nian was born in Xi忆
37、an,Shaanxi Province,in 1980. He received the M. S. degree from Xian Institute of Space Informa鄄 tion Systems in 2006. He is now a senior engineer. His research concerns satellite communication, array signal processing, etc.作者简介:张静 宇 (1984), 男, 陕 西 礼 泉 人, 2007年于西安电子科技大学获工学学士学位,现为 硕士研究生,主要研究方向为空间通信技术;ZHANG Jing-yu was born in Liquan, Shaanxi Province, in 1984. He received the B. S. degree from Xidian University in 2007. He is now a graduate student. His research concerns168