宽带空时波束形成算法原理及MATLAB仿真
宽带阵列信号处理
空时波束形成、空时波束形成方向图
卫星导航空时抗干扰算法
MATLAB仿真
文章目录
- 前言
- 一、空时波束形成结构
- 二、空时波束形成方向图
- 三、MATLAB仿真
- 四、MATLAB源代码
- 总结
前言
\;\;\;\;\; 空时波束形成（Space-Time Beamforming）是一种结合空间和时间维度的信号处理技术，主要用于增强特定方向的信号并抑制干扰和噪声。它广泛应用于雷达、无线通信（如5G/6G）、声呐等领域，能够有效改善系统在复杂环境中的性能。空时波束形成结构由 Frost 最先在 1972 年提出，在传统的空域波束形成结构上添加了时间维度。其核心思想是在每个阵元后添加时域抽头，增加了阵列的自由度，通过组成 FIR 滤波器，从而捕捉宽带信号的频率信息。本文简介其原理后给出了MATLAB仿真结果。
提示：以下是本篇文章正文内容，转载请附上链接！
一、空时波束形成结构
\;\;\;\;\;
空时波束形成结构如下图所示：
假设单元数为
M
M
M ，每个阵元后时域抽头个数为
L
L
L ，则波束形成输出可以表示为：
y
[
n
]
=
∑
m
=
0
M
−
1
∑
l
=
0
L
−
1
w
m
,
l
∗
x
m
[
n
−
l
]
y[n] = \sum_{m=0}^{M-1} \sum_{l=0}^{L-1} w^*_{{m,l}} x_m[n-l]
y[n]=m=0∑M−1l=0∑L−1wm,l∗xm[n−l] 其中，
x
m
[
n
−
l
]
x_m[n-l]
xm[n−l] 表示阵元
m
m
m 经过
l
l
l 个延迟后的接收信号。将权值
w
m
,
l
∗
w^*_{{m,l}}
wm,l∗ 表示为向量形式为：
W
=
[
w
0
w
1
⋮
w
L
−
1
]
∈
C
M
L
×
1
\mathbf{W} = \begin{bmatrix} \mathbf{w}_0 \\ \mathbf{w}_1 \\ \vdots \\ \mathbf{w}_{L-1} \end{bmatrix} \in \mathbb{C}^{ML \times 1}
W=
w0w1⋮wL−1
∈CML×1 其中，
w
l
\mathbf{w}_l
wl ,
l
=
0
,
1
,
.
.
.
,
L
−
1
l = 0, 1, ..., L - 1
l=0,1,...,L−1表示第
l
l
l 阶抽头对应的权向量：
w
l
=
[
w
0
,
l
,
w
1
,
l
,
.
.
.
,
w
M
−
1
,
l
]
T
∈
C
M
×
1
\mathbf{w}_l = [w_{0,l}, w_{1,l}, ... , w_{M-1,l}]^T \in \mathbb{C}^{M \times 1}
wl=[w0,l,w1,l,...,wM−1,l]T∈CM×1 将接收信号按照同样方式排列为向量形式，即
x
[
n
]
=
[
x
0
[
n
]
x
1
[
n
]
⋮
x
L
−
1
[
n
]
]
∈
C
M
L
×
1
\mathbf{x}[n]=\begin{bmatrix} \mathbf{x}_0[n] \\ \mathbf{x}_1[n] \\ \vdots \\ \mathbf{x}_{L-1}[n] \end{bmatrix} \in \mathbb{C}^{ML\times 1}
x[n]=
x0[n]x1[n]⋮xL−1[n]
∈CML×1 其中，
x
l
[
n
]
,
l
=
0
,
1
,
.
.
.
,
L
−
1
\mathbf{x}_l[n], l=0, 1,..., L-1
xl[n],l=0,1,...,L−1表示第
l
l
l 抽头对应的信号向量：
x
l
[
n
]
=
[
x
0
,
l
[
n
]
x
1
,
l
[
n
]
.
.
.
x
M
−
l
,
l
[
n
]
]
T
=
[
x
0
[
n
−
l
]
x
1
[
n
−
l
]
.
.
.
x
M
−
l
[
n
−
l
]
]
T
∈
C
M
×
L
\begin{aligned} \mathbf{x}_l[n]&=[x_{0,l}[n]\quad x_{1,l}[n]\quad ... \quad x_{M-l,l}[n]]^T\\ &=[x_{0}[n-l]\quad x_{1}[n-l]\quad ... \quad x_{M-l}[n-l]]^T \in \mathbb{C}^{M\times L} \end{aligned}
xl[n]=[x0,l[n]x1,l[n]...xM−l,l[n]]T=[x0[n−l]x1[n−l]...xM−l[n−l]]T∈CM×L 因此，阵列输出可表示为如下的向量形式:
y
[
n
]
=
w
H
x
[
n
]
y[n]=\mathbf{w}^H\mathbf{x}[n]
y[n]=wHx[n] 不难看出，空域波束形成结构为空时波束形成结构
L
=
1
L=1
L=1 时的特殊形式。
权向量的计算公式和文章 卫导调零天线功率倒置算法原理及MATLAB仿真 中的一样，只需要将
r
a
0
\mathbf{r}_{a0}
ra0 和
R
a
a
\mathbf{R}_{aa}
Raa的计算用空时接收信号向量
x
[
n
]
\mathbf{x}[n]
x[n]计算即可。
二、空时波束形成方向图
\;\;\;\;\;
设空域导向矢量为:
a
S
(
θ
)
=
[
1
,
e
−
j
2
π
f
τ
1
,
⋯
,
e
−
j
2
π
f
τ
M
−
1
]
T
\mathbf{a}_{S}(\theta)=[1, e^{-j2\pi f\tau_{1}}, \cdots, e^{-j2\pi f\tau_{M-1}}]^{\mathrm{T}}
aS(θ)=[1,e−j2πfτ1,⋯,e−j2πfτM−1]T 时域导向矢量为:
a
T
(
f
)
=
[
1
,
e
−
j
2
π
f
T
s
,
⋯
,
e
−
j
2
π
f
(
L
−
1
)
T
s
]
T
\mathbf{a}_{T}(f)=[1, e^{-j2\pi fT_{s}}, \cdots, e^{-j2\pi f(L-1)T_{s}}]^{\mathrm{T}}
aT(f)=[1,e−j2πfTs,⋯,e−j2πf(L−1)Ts]T 则空时导向矢量
a
S
T
(
θ
,
f
)
\mathbf{a}_{ST}(\theta, f)
aST(θ,f) 可表示为空域导向矢量和时域导向矢量的克罗内克积 (Kronecker Product), 即
a
S
T
(
θ
,
f
)
=
a
S
(
θ
)
⊗
a
T
(
f
)
\mathbf{a}_{ST}(\theta, f)=\mathbf{a}_{S}(\theta) \otimes \mathbf{a}_{T}(f)
aST(θ,f)=aS(θ)⊗aT(f) 则空时方向图为:
P
S
T
(
θ
,
f
)
=
w
H
a
S
T
(
θ
,
f
)
\begin{aligned} P_{ST}(\theta,f) =\mathbf{w}^\mathrm{H}\mathbf{a}_{ST}(\theta,f) \end{aligned}
PST(θ,f)=wHaST(θ,f)
三、MATLAB仿真
\;\;\;\;\;
参数设置如下：
\;\;\;\;\;
仿真结果如下，从图中可以看出4阵元能抑制4个干扰，比阵元个数还多1，这就是空时结构的优点，增加了阵列的自由度。
下图是信号参数的计算，在命令行窗口打印显示。
阵元数不变，改为6个干扰，如下：
thetai=[-48 -30 -17 15 30 46]; % 干扰入射角度
四、MATLAB源代码
空时波束形成(抗干扰)算法MATLAB仿真源代码
总结
\;\;\;\;\; 以上就是今天要分享的全部内容，本文介绍了空时波束形成的原理，展示了MATLAB仿真的结果，直观展示了空时波束形成算法抗干扰的效果。