自適應(yīng)數(shù)字波束并行信號處理實現(xiàn)

景華麗

若干傳感器單元在空間隔離形成的，且在現(xiàn)實條件中可以實施自我調(diào)控的天線系統(tǒng)即為適應(yīng)天線陣，它不但可以對需要信號的特點性質(zhì)進(jìn)行保護(hù)維持，還可以對周圍不明了的干擾環(huán)境進(jìn)行及時的反應(yīng)，并且降低干擾終止方向的增益或者在這個方向上設(shè)定零點。實時自適應(yīng)處理器、方向圖形成網(wǎng)絡(luò)和天線陣是該系統(tǒng)的主要組成部分。其中，用自適應(yīng)處理器可以完成調(diào)控方向圖形成網(wǎng)絡(luò)里面可變加權(quán)系數(shù)的工作?，F(xiàn)如今，各行各業(yè)都在使用并行信號，如通信技術(shù)、雷達(dá)探測、地址探測以及醫(yī)學(xué)影像診斷等。所以，解決好并行信號處理問題對于人們的生活和各行業(yè)的發(fā)展都是十分重要的。

【關(guān)鍵詞】自適應(yīng) 數(shù)字波束 并行信號

并行信號及陣列信號的分析處理技術(shù)是信號處理技術(shù)的兩大主要內(nèi)容。并行信號與陣列信號不僅能夠?qū)υ肼曔M(jìn)行抑制、對干擾進(jìn)行降低，而且能夠?qū)τ杏玫哪康男盘栠M(jìn)行增強。相關(guān)研究工作者在歷經(jīng)幾十年的不斷的建立和改善后，終于使并行信號的處理技術(shù)被成功應(yīng)用到每一個需要它的地方，并且產(chǎn)生了許多不同的并行處理系統(tǒng)，每一個系統(tǒng)均在運行方式、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用、算法等方面具有獨特之處。

利用自適應(yīng)數(shù)字波束技術(shù)對并行信號進(jìn)行處理，能夠有效減小干擾，進(jìn)而更加精確的得到目標(biāo)信號。

1 自適應(yīng)數(shù)字波束形成技術(shù)的發(fā)展與研究現(xiàn)狀

雖然在現(xiàn)實中利用陣列信號可以減少信號干擾及噪音，可是也不可忽視它的導(dǎo)航和通信兩系統(tǒng)中含有的缺陷。舉例：傳送陣列及并行信號過程中，信號的相位及通道幅值也會出現(xiàn)誤差；為陣列信號在盡力降低噪音時會發(fā)生排布方式出現(xiàn)誤差等的情況。自適應(yīng)數(shù)字波束并行信號技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展可以有效避免誤差出現(xiàn)，充分彰顯陣列和并行信號的長處。自適應(yīng)數(shù)學(xué)算法是它建立的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)量及計算量會由于增加的陣列信號量在空間范圍內(nèi)造成信號天線的排布序列的增多而增多，這是計算性能在并行信號處理系統(tǒng)中面臨的巨大難題。自適應(yīng)數(shù)字波束通過編成算法的方式加權(quán)計算大量并行信號，給信號挑選了最好的權(quán)值。設(shè)定最好的權(quán)值可以實現(xiàn)陣列和并行信號形成波束。需要注意的是，在采用此方法時，龐大的信號數(shù)據(jù)量及陣列數(shù)在信號處理方面形成了難題。

2 并行信號的自適應(yīng)數(shù)字波束形成算法研究

2.1 并行信號的基本模型

并行機的高性能是處理并行信號的關(guān)鍵，如今被應(yīng)用的最為普遍的是PC集群系統(tǒng)，它是由數(shù)臺PC計算機利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接，每個節(jié)點或工作站協(xié)同合作，以此使任務(wù)更準(zhǔn)確和高效的完成。在信號處理過程中擴(kuò)展性強、結(jié)構(gòu)簡單且成本比較小時PC集群系統(tǒng)的優(yōu)勢，在實際應(yīng)用它時，為了實現(xiàn)既科學(xué)又效率高的目標(biāo)，可以根據(jù)工程情況對其組成和建立進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

對于自適應(yīng)數(shù)字波束，我們可以通過信號類型及參考量的不同把它的形成分為下列幾類：第一種，空間域數(shù)字波束形成方式。此種方式是以空間域參考信息作為基礎(chǔ)的，它包含很多信息。此種自適應(yīng)算法主要有MOVD擴(kuò)展算法及MOVD算法等。MOVD算法是根據(jù)信號空間的來源及線約束方向的自適應(yīng)算法，它的另一叫法為最小方差算法。一旦并行信號出現(xiàn)空間陣列及位置不確定的情況，它的效率就會大幅降低。第二種，時域數(shù)字波束形成方式。此法是在時域中以時間參考信息作為基礎(chǔ)的。它的穩(wěn)定性比較強，主要有LMR算法等。它一般需在時域范圍中對信號的序列進(jìn)行輸出，且對空間中信號的陣列排布及來源方向無要求。第三種，盲波束形成方式。此法無需基于以上幾種參考信息，僅需部分信號的先驗信息。

2.2 并行信號的數(shù)字模型

并行信號具有較廣的應(yīng)用，自適應(yīng)數(shù)字波束形成算法是在對并行信號進(jìn)行處理時的前提，它的本質(zhì)即為依據(jù)并行信號的方向?qū)δ撤N信號進(jìn)行增強或抑制。若想對目標(biāo)信號進(jìn)行精準(zhǔn)、準(zhǔn)確的提取，傳統(tǒng)濾波器并做不到，而應(yīng)用自適應(yīng)數(shù)字波束形成算法就可以提取到想要的信號。它主要包括下面兩項：

2.2.1 MVDR算法

信號輸出功率為此算法的參考依據(jù)，它的目的是盡可能減小目標(biāo)信號的輸出功率。利用此種算法時，信號的輸出端僅容許目標(biāo)信號輸出，以此來保證輸出功率的最小化，做到無失真輸出，同時，利用此算法也可以避免噪音對信號的干擾，使得使用系統(tǒng)的信噪比得到提升。

2.2.2 約束算法

此算法以權(quán)值矢量作為基礎(chǔ)，對并行信號權(quán)值使用迭代算法，限制每次迭代的矢量。此法能對并行信號中的雷達(dá)接收及發(fā)射信號進(jìn)行有效處理，且同時處理二者能夠提高雷達(dá)信號的處理技術(shù)及傳輸質(zhì)量。

2.3 自適應(yīng)數(shù)字波束并行信號處理的遞歸法

此法屬于自適應(yīng)陣列的處理算法，遞歸計算直接算法需要的矩陣求逆是它的基本原理，所以運用此法時不需要直接矩陣求逆。利用矩陣求逆來進(jìn)行引理，能夠使相同的基本的更新權(quán)過程演繹出不一樣的遞歸算法。自適應(yīng)陣列出的遞歸處理算法本質(zhì)上依據(jù)的還是最小二乘方法，它和卡爾曼濾波方法的關(guān)系十分緊密。遞歸處理算法在處于較穩(wěn)定的環(huán)境下時，在每個采樣的瞬間所計算出的權(quán)值均是最佳的選擇以對接數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的最小二乘方法。

3 并行信號的數(shù)字波束形成算法的實現(xiàn)

對雷達(dá)傳送的信號進(jìn)行實時處理，并輸出波束置零的權(quán)值是自適應(yīng)抗干擾算法的作用。若要提升它的信號處理速度，不僅要選擇快速收斂算法，還應(yīng)選用高速結(jié)構(gòu)用于硬件系統(tǒng)。所以，在設(shè)計它的硬件系統(tǒng)過程中為了提升運算速度，既要基于算法本身的并行性，應(yīng)用Systolic并行處理結(jié)構(gòu)， 又要輔以高速數(shù)字信號儲存器和處理芯片等部件的應(yīng)用。此外，通過進(jìn)一步嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难芯糠治?，還要選對陣列映射方式對算法進(jìn)行完善，使節(jié)點數(shù)量變少。通常陣列映射方式分為三種：超平面映射、按Y方向映射和按X方向映射。

4 結(jié)束語

現(xiàn)如今，無論在工業(yè)方面，還是在軍事領(lǐng)域，并行信號和陣列信號的發(fā)展與應(yīng)用都是十分重要且值得我們關(guān)注的。本文分析了自適應(yīng)數(shù)字波束的發(fā)展與研究現(xiàn)狀，闡述了并行信號的自適應(yīng)數(shù)字波束形成算法的研究，對自適應(yīng)數(shù)字波束并行信號處理的實現(xiàn)提出了建議，希望可以使并行信號得到穩(wěn)定、準(zhǔn)確和高效率的處理。

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作者單位

南京長江電子信息產(chǎn)業(yè)集團(tuán)有限公司 江蘇省南京市 210039endprint