自适应波束成型

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自适应波束形成技术简介

自适应波束形成技术简介(总11页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--自适应波束形成技术简介摘要:介绍了自适应波束抗干扰技术的发展历程,以及各种自适应波束形成算法的原理和特点,讨论了自适应波束抗干扰技术的应用情况,探讨了该技术在工程应用上面临的主要问题以及解决途径和方法。

1 引言随着电子干扰理论与技术的迅速发展,电子干扰对雷达构成了严重的威胁。

天线相当于空间滤波器,是雷达抗干扰的第一道防线,天线抗干扰技术主要有低副瓣和超低副瓣、副瓣匿影、自适应副瓣对消、自适应阵列系统、波束控制、天线覆盖和扫描控制等。

传统的雷达天线具有固定的波束方向,不能在抵消干扰的同时自动跟踪期望信号的来向,无法适应未来复杂电磁环境下工作的需要。

自适应阵列天线技术作为一个新的理念,是利用算法对天线的波束实现自适应的控制。

自适应阵列天线抗干扰就是在保证期望信号大增益接收的前提下,自适应地使天线的方向图零陷对准干扰的方向,从而抑制掉干扰或者降低干扰信号的强度。

最初,自适应阵列天线技术主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信等领域,完成空间滤波和定位等。

近年来,随着移动通信及现代数字信号处理技术的迅速发展,利用数字技术在基带形成天线波束成为可能。

天线系统的可靠性与灵活程度得到了大大的提高。

自适应阵列天线技术在雷达中有以下的应用潜力:(1)抗衰落,减少多径效应电波在传播过程中经过反射、折射及散射等多种途径到达接收端。

随着目标移动及环境变化,信号瞬时值及延迟失真变化非常迅速且不规则,造成信号多径衰落。

采用自适应阵列天线控制接收方向,天线自适应地在目标方向形成主波束,并对接收到的信号进行自适应加权处理,使有用接收信号的增益最大,其它方向的增益最小,从而减少信号衰落的影响。

(2)抗干扰能力强利用自适应阵列天线,借助有用信号和干扰信号在入射角度上的差异,选择恰当的合并权值,形成正确的天线接收模式,即:将主瓣对准有用信号,零陷和低增益副瓣对准主要的干扰信号,从而可更有效地抑制干扰。

(完整版)自适应波束成型

新技术讲座阵列天线波束形成研究姓名：席艺学号：151130108摘要阵列信号处理是现代信号处理技术中一个重要的分支，它的应用涉及到雷达、通信及射电天文等多个领域，而波束形成是阵列信号处理中的重要研究方向，为了实现在一定准则下的最佳接收和空间滤波，我们通过调整权重向量来改变阵列方向图，使得波束主瓣指向信号，旁瓣指向干扰，从而提高输出信噪比。

本文在窄带信号的情况下，建立了均匀线阵和均匀圆阵的基本模型，为后续研究打下了良好的理论基础；介绍了均方误差性能量度，这是波束形成的关键；系统的介绍了波束形成的原理过程，并研究了两种经典波束形成算法，并进行仿真，取得了理想的成果。

关键词：阵列信号处理，自适应波束形成，Bartlett/Capon波束形成器ABSTRACTArray sigal processing is an important branch of signal processing and its applicationsinvolve many areas, such as radar, communications and medical imaging. Beamforming is an important research direction in the array signal processing. Aiming at achieving the best receiver in some criterions and attaining the purpose of the spatialfilter, we adjust the weight vector to change the pattern of the array, which makes pointing the beam main lobe at the desired signal, sidelobes null at the interfering signals, so that the SINR of the output can be improved.In this thesis, based on narrowband system, we built the mathematical model of an array antenna through modeling which is the foundation of the next study, and introduced the Mean Square Error , one of the performance metrics commonly used in adaptive control algorithm, and compared the advantages and disadvantages with other performance metrics. We introduced the process of beamforming and studied two classic beamforming algorithms, named Bartlett beamformer and Capon beamformer. Then, we used MATLAB to simulate their beamformsand compared their performance under different circumstances and gain ideal result.Key Words: array signal processing, beamforming, Bartlett/Capon beamformer目录摘要 (2)ABSTRACT (2)1. 绪论 (4)1.1 研究背景及意义 (4)1.2 国内外研究状况 (4)1.3 本文主要研究内容 (5)2. 阵列天线理论基础 (6)2.1 理性条件假设 (6)2.2 阵列天线数学模型 (6)2.2.1 阵列天线的基本模型 (6)2.2.2 均匀线阵模型 (7)2.2.3 均匀圆阵模型 (8)2.3 阵列信号处理的统计模型 (9)3. 自适应控制算法 (9)4. 波束形成算法 (10)4.1 最佳权向量 (10)4.2 Bartlett波束形成器 (10)4.3 Capon波束形成器 (11)5. 总结与展望 (12)参考文献 (12)。

自适应波束形成器的应用

自适应波束形成器的应用自适应波束形成器是一种能够提高通信信号质量的技术，其主要原理是通过调整阵列天线的相位和振幅，使得信号干扰最小化，从而提高通信信号的质量。

在现代通信领域中，自适应波束形成技术被广泛应用于军事通信、民用通信以及卫星通信等领域。

自适应波束形成器的应用包括以下几个方面：1.军事通信通过使用自适应波束形成器，军队可以减少通信中的干扰，提高信号质量，从而有效地防止敌方对通信的干扰和窃听。

此外，在军事作战中，自适应波束形成器可以通过实时调整阵列天线的方向和振幅，使得通信信号得到最优化的传输和接收。

2.民用通信自适应波束形成器在无线通信领域的应用正在逐渐增加，主要包括移动通信、广播电视、无线局域网（WLAN）、蓝牙等方面。

通过使用自适应波束形成技术，可以大幅度提高通信信号的质量和可靠性，从而为用户带来更好的通信体验。

3.卫星通信自适应波束形成技术在卫星通信中的应用越来越广泛。

通过使用自适应波束形成器，可以使得卫星信号传输更加稳定和可靠，从而为用户在极端气候、山区、海洋等恶劣环境下提供更好的通信服务。

此外，自适应波束形成器还可以为卫星通信提供更高的覆盖率和更多的带宽，以满足日益增长的数据传输需求。

4.医疗设备自适应波束形成技术还可以应用于医疗设备中，如医学成像设备、生物感应器等。

通过使用自适应波束形成器，可以减少外界干扰和杂波，提高医疗设备的精度和可靠性，从而为医疗工作者提供更好的工作条件和治疗效果。

5.雷达系统自适应波束形成技术在雷达系统中的应用也越来越广泛。

通过使用自适应波束形成器，可以实时调整阵列天线的方向和振幅，使得雷达信号得到最优化的传输和接收。

此外，自适应波束形成器还可以减少雷达信号的散射、反射和多径效应，提高雷达系统的探测距离和探测精度。

总结来看，自适应波束形成技术作为一种能够提高通信信号质量的技术，在现代通信领域中应用越来越广泛。

无论是在军事、民用、卫星通信、医疗设备还是雷达系统中，自适应波束形成器都可以为用户提供更好的服务和更高的性能。

基于最小误码率准则的快速自适应波束成型算法

基于最小误码率准则的快速自适应波束成型算法1 介绍自适应波束成型是无线通信系统中重要的技术之一。

它可以提高接收机的信噪比和抵抗干扰，从而提高通信质量。

自适应波束成型算法需要根据接收信号的情况调整发射天线的权系数，以达到最优的目标。

最小误码率准则是一种常用的调整权系数的方法，本文将介绍基于最小误码率准则的快速自适应波束成型算法。

2 最小误码率准则最小误码率准则是将误码率作为优化指标，通过调整波束成型器的权系数使误码率达到最小。

在自适应波束成型中，误码率可以表示为接收信号的期望与信噪比的函数。

因此，最小误码率准则可以理解为在信噪比不同的情况下，调整权系数使误码率最小。

3 快速自适应波束成型算法快速自适应波束成型算法是一种基于最小误码率准则的自适应波束成型方法。

它可以利用最小误码率准则来调整权系数，同时也可以在实时系统中快速计算权系数。

快速自适应波束成型算法包含以下几个步骤：3.1 初始权系数调整在开始自适应波束成型之前，需要确定初始的权系数。

初始权系数可以使用邻域搜索法进行调整。

具体操作是随机生成一组初始权系数，然后计算其误码率。

在此基础上，通过邻域搜索法来寻找误码率更小的权系数。

3.2 误差信号计算在接收端，需要计算误差信号。

误差信号是接收信号与理想信号之间的差异。

因此，误差信号可以表示为：$e(n)=d(n)-w^TH(n)$其中，$d(n)$表示接收信号，$w$表示权系数，$H(n)$表示接收信号的矩阵。

3.3 权序列的更新权序列的更新是通过最小误码率准则进行的。

在每次更新中，都需要计算误码率并寻找最小值。

在计算误码率时，需要使用积分法对误差信号进行处理。

在样本长度足够大的情况下，可以通过灰色系统理论估算误码率。

3.4 快速计算快速计算是快速自适应波束成型算法的重点之一。

由于实时系统需要实时计算权系数，因此需要使用高效的算法。

快速计算可以使用小波变换或卷积神经网络等方法。

根据具体的系统需要，选择最合适的算法来实现权系数的实时计算。

自适应波束形成及算法

第3章自适应波束形成及算法（3.2 自适应波束形成的几种典型算法）3.2 自适应波束形成的几种典型算法自适应波束形成技术的核心内容就是自适应算法。

目前已提出很多著名算法，非盲的算法中主要是基于期望信号和基于DOA 的算法。

常见的基于期望信号的算法有最小均方误差（MMSE ）算法、小均方（LMS ）算法、递归最小二乘（RLS ）算法，基于DOA 算法中的最小方差无畸变响应（MVDR ）算法、特征子空间（ESB ）算法等[9]。

3.2.1 基于期望信号的波束形成算法自适应算法中要有期望信号的信息，对于通信系统来讲，这个信息通常是通过发送训练序列来实现的。

根据获得的期望信号的信息，再利用MMSE 算法、LMS 算法等进行最优波束形成。

1．最小均方误差算法（MMSE ）最小均方误差准则就是滤波器的输出信号与需要信号之差的均方值最小，求得最佳线性滤波器的参数，是一种应用最为广泛的最佳准则。

阵输入矢量为： 1()[(),,()]TMx n x n x n =（3-24）对需要信号()d n 进行估计，并取线性组合器的输出信号()y n 为需要信号()d n 的估计值ˆ()dn ，即 *ˆ()()()()H T d n y n w x n x n w === （3-25）估计误差为：ˆ()()()()()H e n d nd n d n w x n =-=-（3-26）最小均方误差准则的性能函数为：2{|()|}E e t ξ= （3-27）式中{}E 表示取统计平均值。

最佳处理器问题归结为，使阵列输出()()Ty n w X n =与参考信号()d t 的均方误差最小，即：2{|()|}M i n E e t式（3-28）也就是求最佳权的最小均方准则。

由式（3-26）～（3-28）得：2*{|()|}{()()}E e t E e n e n ξ==2{|()|}2R e []T Hxdxx E d nw r w R w =-+ （3-29）其中，Re 表示取实部，并且：[()()]H xx R E x n x n = （3-30）为输入矢量()x n 的自相关矩阵。

第四章智能天线自适应波束成形算法简介

第四章智能天线自适应波束成形算法简介第四章智能天线自适应波束成形算法简介 4.1 引言智能天线技术作为一种新的空间资源利用技术，自20世纪90年代初由一些学者提出后，近年来在无线通信领域受到了人们的广泛关注。

它是在微波技术、自动控制理论、数字信号处理(DSP)技术和软件无线电技术等多学科基础上综合发展而成的一门新技术。

智能天线技术从实质上讲是利用不同信号在空间上的差异，对信号进行空间上的处理。

与FDMA,TDMA及CDMA相对应，智能天线技术可以认为是一种空分多址SDMA技术，它使通信资源不再局限于时域、频域和码域，而是拓展到了空间域。

它能够在相同时隙、相同频率和相同地址码情况下，根据用户信号在空域上的差异来区分不同的用户。

智能天线技术与其它通信技术有机相结合，可以增加移动通信系统的容量，改善系统的通信质量，增大系统的覆盖范围以及提供高数据率传输服务等。

4.2 智能天线技术及其优点智能天线，即具有一定程度智能性的自适应天线阵，自适应天线阵能够在干扰方向未知的情况下，自动调节阵列中各个阵元的信号加权值的大小，使阵列天线方向图的零点对准干扰方向而抑制干扰，增强系统有用信号的检测能力，优化天线方向图，并能有效地跟踪有用信号，抑制和消除干扰及噪声，即使在干扰和信号同频率的情况下，也能成功地抑制干扰。

如果天线的阵元数增加，还可以增加零点数来同时抑制不同方向上的几个干扰源。

实际干扰抑制的效果，一般可达25--30dB以上。

智能天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个移动用户，同时抑制来自窄波束以外的干扰信号和噪声，使系统处于最佳的工作状态。

智能天线利用空域自适应滤波原理，依靠阵列信号处理和数字波束形成技术发展起来，它主要包括两个重要组成部分，一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角(DOA)估计，并进行空间滤波，抑制其它移动台的干扰;二是对基站发送信号进行数字波束形成，使基站发送信号能够沿着移动电波的到达方向发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其它移动台的干扰。

毫米波通信系统中的自适应波束成形技术研究

毫米波通信系统中的自适应波束成形技术研究
汇报人：xxx
目录
01
毫米波通信系统概述
02
自适应波束成形技术原理
03
自适应波束成形技术在毫米波通信系统中的应用
04
自适应波束成形技术的实现方法
05
自适应波束成形技术的挑战与展望
毫米波通信系统概述
PART 01
毫米波通信系统的特点
抗干扰能力强：毫米波通信系统由于频率高，可以减少与其他通信系统的干扰。
指向性：波束成形技术能够实现高指向性，提高信号传输效率
抗干扰能力：自适应波束成形技术能够有效抑制干扰信号，提高通信质量
灵活性：自适应波束成形技术能够根据环境变化自适应调整波束，提高通信可靠性
传输距离：自适应波束成形技术能够实现远距离信号传输，提高通信覆盖范围
自适应波束成形技术在毫米波通信系统中的应用
增强毫米波通信系统的抗干扰能力
应用场景：适用于5G、物联网、车联网等需要高速率、低延时通信的领域
抗干扰能力：自适应波束成形技术可以提高毫米波通信系统在复杂电磁环境中的抗干扰能力
毫米波通信系统：工作在毫米波频段，具有高速率、大容量、低延时等优点
自适应波束成形技术：通过调整天线阵元相位和幅度，形成指向性波束，提高信号传输质量
THANK YOU
汇报人：xxx
05
权值计算复杂度：与天线数、信号维数等相关
06
权值稳定性：权值更新过程中的稳定性分析
基于优化目标的自适应波束成形算法
优化目标：最大化信噪比或最小化误差
算法原理：通过调整天线权值，使得信号在期望方向上得到增强
自适应算法：根据环境变化和信号特征，实时调整天线权值
应用领域：毫米波通信系统、雷达系统、无线通信系统等

MVDR自适应波束形成算法研究解读

MVDR自适应波束形成算法研究摘要波束形成技术和信号空间波数谱估计是自由空间信号阵列处理的两个主要研究方面。

MVDR是一种基于最大信干噪比（SINR）准则的自适应波束形成算法。

MVDR算法可以自适应的使阵列输出在期望方向上功率最小同时信干噪比最大。

将其应用于空间波数谱估计上可以在很大程度上提高分辨率和噪声抑制性能。

本文将在深入分析MVDR算法原理的基础上，通过计算机仿真和海上试验数据处理的结果，分析了MVDR算法在高分辨率空间波数谱估计应用中的性能。

同时通过比较对角加载前后的数据处理结果，分析对角加载对MVDR的改进效果。

关键词：波束形成；空间波数谱估计；MVDR；对角加载Study of MVDR Self-adapting Beam-forming AlgorismAbstractBeamforming technology and signal special beam-number spectral estimation are the two major researching emphasis in array signal processing. MVDR is a self-adapting algorism based on the maximal SINR principle. It can self-adaptingly make the array output reach maximum on the expected direction with the lowest SINR. Applying this algorism to special beam-number spectral estimation can to great extent increase the resolution and the inhibition capability. This paper makes a further analysis of MVDR algorism with the result of computer emulation and the processing of experimental data. Furthermore, this paper also shows the improvement of diagonal-loading technology to MVER algorism.Keywords: Beam-forming ；Spatial Wave-number spectral estimation；MVDR；Diagonal loading目录1．引言 (4)2．MVDR自适应波束形成算法原理 (4)2．1 MVDR权矢量 (4)2．2 协方差矩阵估计 (6)2．3 MVDR性能分析 (7)2．4 MVDR算法在空间波数谱估计中的应用 (8)仿真实验1 (8)仿真实验2 (9)应用实例1 (9)3．MVDR性能改善 (11)3．1 快拍数不足对MVDR算法的影响 (11)仿真实验3 (13)3．2 对角加载 (14)仿真实验4 (15)3．3∧xxR替代∧NNR的误差分析 (16)仿真实验5 (17)3．4 对角加载应用实例 (18)应用实例2 (18)总结 (21)参考文献 (22)一．引言MVDR （Minimum Variance Distortionless Response ）是Capon 于1967年提出的一种自适应的空间波数谱估计算法。

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新技术讲座阵列天线波束形成研究姓名：**学号：*********摘要阵列信号处理是现代信号处理技术中一个重要的分支，它的应用涉及到雷达、通信及射电天文等多个领域，而波束形成是阵列信号处理中的重要研究方向，为了实现在一定准则下的最佳接收和空间滤波，我们通过调整权重向量来改变阵列方向图，使得波束主瓣指向信号，旁瓣指向干扰，从而提高输出信噪比。

天线正在从单波束天线向多波束天线发展，而天线的波束形成技术是其中的关键技术之一。

有了波束形成技术阵列天线才能发挥它波束扫描、实现极低副瓣和多波束等优势。

波束形成是通过对阵列中阵元方向图的加权叠加来实现接收某些角度的信号并提高其信噪比，而对另外一些角度的信号进行抑制。

波束形成技术可以用到接收系统和发射系统中。

通常阵列天线波束形成可分为非自适应波束形成与自适应波束形成。

在非自适应波束形成中，阵元激励在阵列设计时已经给定而并不随着外界环境的改变而改变。

但在很多应用中，由于外界环境的改变，为了最大化接收目标信号并且抑制干扰和噪声而采用自适应天线系统。

自适应天线能根据环境的变化，在特定的方向上形成主波束接收有用信号并且通过在干扰方向上形成零点来抑制其它方向的干扰信号，从而在给定的优化准则下自动的调整权值，实质上是一种具有多个通道的阵列信号处理系统。

它不同于一般信号的时域处理与频域处理，是一种空域滤波概念。

叠加在一起或同时到达的几个信号因为占有的频带相同，所以一般的时域滤波与频域滤波已经不能分开它们。

但这些信号的来向一般不同，波束形成技术就是利用这种空域的分离性来实现信号的空域处理的。

自适应天线系统有广泛的应用，如在军事应用中，自适应波束赋形可以降低某个角度的敏感度从而抵消敌对发射机发射的干扰信号。

1.2 国内外研究状况阵列信号处理的理论研究开始于上世纪六十年代，迄今为止已经有五十多年的历史了。

它主要经历了如下的三个阶段：上世纪六十年代的研究热点主要聚集于自适应波束控制上，例如自适应相控天线等，而上世纪七十年代的研究热点主要是自适应零点控制，例如自适应滤波和自适应干扰置零等技术，上世纪八十年代的研究热门是空间谱估计，例如最大熵(Maximum Entropy, ME)估计、最大似然(Maximum likelihood, ML)估计等。

人们的不断研究使得阵列信号处理理论日臻完善。

波束形成技术是使得阵列方向图的主瓣指向所需的方向，从而提高阵列输出需要的信号强度；零点技术是将天线的零点对准干扰信号方向，从而降低干扰信号强度。

以上所述技术的目的均是提高阵列输出信噪比。

另一种技术是空间谱估计技术，该技术则侧重于研究多传感器阵列对感兴趣的信号包含的多种参数进行准确估计的能力，该技术主要用来对信号的信源位置或空域参数进行估计。

“空间谱”用来表示信号在空间各方向上的能量分布。

这样一来，若是能够得到信号的“空间谱”就能得到信号的波达方向(DOA)，因此，空间谱估计常被称作“DOA 估计”。

从二十世纪七十年代末开始，在DOA估计技术上出现了大量的研究成果及文献，许多研究人员在国际相关的学术会议及重要的学术期刊上发表了大量文章。

这些文章中以美国Schmidt等人提出的多重信号分类MUSIC算法最为突出，该算法不仅实现了向现代超分辨测向技术的飞跃，也促进了基于特征值分解的子空间技术的兴起。

不过此类算法需要空间谱计算及谱峰扫描，大大增加了计算复杂度。

之后Roy及Kailath提出了ESPRIT算法，该算法通过应用子空间的旋转不变特性进行DOA估计，接着该算法被成功推广到二维DOA估计当中，此类算法的优点是运算量大大降低。

可是MUSIC算法与ESPRIT算法均建立在信号不相干或是低相干的情况下，这两种算法在多径传播的情况之下就会失效。

然而在实际应用环境中，由于山脉、云层、建筑物等因素的存在及一些人为和非人为的因素，多径传播是无法避免的。

正是由于这些原因，现在有越来越多的研究人员开始研究多径传播情况下DOA估计的算法，希望能够通过这些算法估计可以获得更多的有用信息，直接用于军事与生产生活。

无论是传统常规波束形成器，还是Capon最小方差无失真响应MVDR波束形成器，在波束形成时，均需要事先知道基阵对期望信号的方向向量这个先验信息，才能够进一步构造波束形成器的权向量来完成波束形成任务。

MUSIC、WSF 等高分辨算法对多个信号具有高分辨能力以及对信号的参数可以行高精度估计，但这些依赖于阵列流形的高分辨算法主要是利用了信号的空域先验知识，如：阵列几何结构、阵元的幅相响应、目标源信号的波达方向等。

当这些先验信息完全精确(即假设的阵列流形与实际的完全相同时，高分辨算法都具有很好的性能。

但是在实际应用场合，这些先验信息往往不是很精确，很小的阵列流形误差也可能导致高分辨处理性能的严重恶化，这正是理论上高性能的阵列信号高分辨处理方法还没有获得广泛实际应用的一个主要原因。

同时，为了克服高分辨算法在应用上的不足，研究阵列误差校正问题也是非常重要的。

但是因为必须进行频繁的阵列校正，每次校正均需要储存阵列流形信息，而且还需校正信号源，况且校正算法造成的很小的误差均会大大降低系统性能，所以想要用于实际情况，还得花费很多精力进行研究。

针对以上问题研究人员提出了很多盲波束形成算法，这些算法的共同特点在于不需要阵列校验、波达方向、训练序列、干扰和噪声的空间自相关矩阵等先验信息，它是利用信号本身特性实现波束形成的。

信号本身特性包含非高斯性、循环平稳性与恒模性等。

非高斯性就是指数字调制信号的分布为非高斯分布，利用该性质的算法的计算比较复杂。

循环平稳性是很多通信信号都具有的统计特征，利用该性质已经发展出了很多算法，这些算法也包含非常常见的SCORE算法，这类算法的收敛比较慢，而且不能够区分出多径信号。

恒模性就是指很多常见的信号具有恒定的包络，恒模算法(CMA)就是基于信号的恒模性提出来的。

常见的恒模算法有随机梯度恒模算法、最小二乘恒模算法等。

恒模算法因为收敛迅速，易于实现，计算复杂度较低等突出的优点，成为一类重要的盲波束形成算法。

1.3 本文主要研究内容本文围绕阵列信号处理中的波束成形问题展开论述，全文的主要内容安排如下：第一章综述了本文的研究背景、波束形成在国内外的研究现状。

第二章介绍了阵列信号处理的理论基础。