全通带多天线信号合成关键技术研究

发布时间：2017-03-30 18:09

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【摘要】：近年来,人们在深空探索领域取得了许多伟大的成就。随着深空探索的不断深入,探测距离越来越远,支持深空通信的方式也发生着巨大的变化。多天线信号合成技术应运而生,已发展成为当前深空通信领域对低信噪比信号进行可靠接收的重要分支。与传统单个大天线接收方式相比,多天线信号合成技术可以对弱信号进行更有效的接收,而且工作模式也更为稳健。鉴于多天线信号合成技术的诸多优势,得到了众多航天大国的高度重视。本论文围绕多天线信号合成技术应用于多目标信号的背景,针对高斯信道下多天线信号时延与相位对准及信号合成问题展开了研究。论文主要工作及创新点如下:1.针对多信号条件下的一体化合成问题,设计了基于频域处理的全通带多天线信号合成框架,在此处理框架下提出了一种基于固定参考的联合时延相位对准的合成算法。区别于传统的面向单信号的多天线信号合成处理模式,在多信号条件下,利用信号频域可分的特点,提出了全通带多天线信号合成的思路,设计了一种基于信号频域处理的全通带多天线信号合成通用处理框架。基于此框架,在各目标信号频谱信息已知的前提下,借鉴了一种频域分量最大比算法的思想,利用在高斯信道条件下目标信号频带内相位差随频率线性变化的特点,提出了一种基于固定参考的联合时延相位对准的合成算法(SIM-JTPAC)。仿真结果表明,SIM-JTPAC算法是一种适合多信号一体化合成的算法,在较高信噪比条件下,合成性能接近理论合成性能。2.针对SUMPLE算法存在的随机性相位中心与相位漂移问题,提出了一种基于双参考的算法,达到了相位中心可控、无相位漂移的目的。首先分析了SUMPLE算法的优势与产生相位漂移原因,基于全通带多天线信号处理框架,讨论了相位漂移对频域合成产生的严重影响,因此提出了一种双参考算法(MSUMPLE)。MSUMPLE算法在相关运算时以“准合成信号”为参考,而相位中心又以选定的某路天线信号为参考,从而能克服SUMPLE的相位漂移问题。理论证明表明了MSUMPLE算法的相位中心可控,且在收敛速度与相位对齐精度方面均与SUMPLE算法一致。仿真结果表明,MSUMPLE算法的相位中心会靠拢到选定天线的相位,相位中心可控,且相位漂移得到明显改善。3.针对SIM-JTPAC算法在低信噪比条件下合成性能大幅下降的问题,引入了双参考算法,提出了基于双参考的联合时延相位对准的合成算法。在全通带多天线信号合成的处理框架下,结合MSUMPLE算法,提出了基于频域的逐频点MSUMPLE合成算法。仿真结果表明,逐频点MSUMPLE算法在低信噪比条件下依然保持约8dB的信噪比增益,特别地,逐频点MSUMPLE算法可以在未知信号频谱信息的情况下实现盲合成处理。由于目标信号频带内各频率分量的能量有差异,使得利用逐频点MSUMPLE算法后各频率分量的相位对齐程度存在差异,这在一定程度上造成了合成性能的损失。考虑到各天线间在目标信号频带内的相位差是随频率变化的线性函数,将由逐频点MSUMPLE算法得到的权值向量的相位采用最小二乘算法拟合以权值进行修正,修正后的权值更符合频带内相位变化的规律,因此提出了一种基于双参考的联合时延相位对准的合成算法(MSUM-JTPAC)。仿真结果表明,由于利用了信号频谱相位差是随频率线性变化的特征,MSUM-JTPAC算法比逐频点MSUMPLE算法拥有更好的合成性能。4.结合理论研究成果,设计并实现了全通带多天线信号合成并行处理系统。针对全通带多天线信号合成处理中数据量大、处理时间长的问题,基于并行可行性分析,设计了并行处理系统的总体方案;然后进行模块化分解,针对每一个模块完成了并行化设计。搭建了8天线全通带多信号合成的测试平台,实际测试验证了方案的可行性和合成性能。
【关键词】：全通带多天线信号合成 固定参考 时延相位联合对准 双参考 最小二乘
【学位授予单位】：解放军信息工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN820
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-13
• 第一章 绪论13-23
• 1.0 论文研究背景13-14
• 1.1 多天线组阵技术发展14-15
• 1.2 研究现状15-19
• 1.2.1 多天线信号合成技术概述15-19
• 1.2.1.1 时差估计算法概述16-18
• 1.2.1.2 合成算法概述18-19
• 1.3 论文主要工作19-23
• 第二章 基于固定参考的全通带多天线信号合成技术23-35
• 2.0 引言23-24
• 2.1 全通带多天线信号合成框架与信号模型24-25
• 2.2 FMRC算法概述25-27
• 2.3 基于固定参考的联合时延相位对准的频域合成算法27-33
• 2.3.1 算法原理27-29
• 2.3.2 仿真实验29-33
• 2.4 本章小结33-35
• 第三章 基于双参考的全通带多天线信号合成技术35-55
• 3.0 引言35-36
• 3.1 SUMPLE算法相位漂移分析36-39
• 3.2 基于双参考的合成算法39-43
• 3.2.1 算法原理39-40
• 3.2.2 收敛特性证明40-42
• 3.2.3 仿真实验42-43
• 3.3 基于双参考的联合时延相位对准的频域合成算法43-54
• 3.3.1 双参考频域合成算法44-47
• 3.3.1.1 数据划分44-46
• 3.3.1.2 逐频点MSUMPLE算法46-47
• 3.3.2 基于线性相位约束的补偿算法47-48
• 3.3.3 仿真实验48-54
• 3.4 本章小结54-55
• 第四章 全通带多天线信号合成并行系统设计与实现55-67
• 4.0 引言55
• 4.1 系统总体方案55-56
• 4.2 合成系统并行化设计与实现56-61
• 4.2.1 可行性分析56
• 4.2.2 系统整体架构56-58
• 4.2.3 模块化58-61
• 4.2.3.1 通道FFT并行模块58-59
• 4.2.3.2 合成谱IFFT并行模块59-60
• 4.2.3.3 合成处理并行模块60-61
• 4.3 全通带多天线信号合成测试系统61-65
• 4.3.1 性能测试61-64
• 4.3.2 图片解析64-65
• 4.4 本章小结65-67
• 第五章 总结与展望67-69
• 致谢69-71
• 参考文献71-75
• 作者简历75

【参考文献】

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