基于输出功率最大化的自适应波束成形算法及实现

作     者：杭玉婷 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：田斌

授予年度：2019年

学科分类：080904[工学-电磁场与微波技术] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：阵列天线 自适应波束成形 子阵划分 功率倒置算法 FPGA实现 

摘      要：近年来,智能天线以其能够提高频谱利用率和扩大系统容量的两大优势为人们所关注,并广泛应用于通信、雷达、声呐、侦察、地震勘探等多种军用和民用领域。自适应波束成形技术作为智能天线的核心技术之一,具有极高的研究价值。本文首先针对较高信干噪比环境下单用户波束成形问题提出一种自适应波束成形算法,并推广至强干扰扩频通信系统;而后针对大规模阵列天线波束成形问题,提出一种基于特殊阵列布局与子阵划分方式的子阵级波束成形算法;最后给出强干扰扩频通信系统中波束成形算法的硬件实现。本文的主要研究成果如下:1.针对信干噪比较高的通信环境,提出一种基于输出功率最大化(Maximize Output Power,MOP)的自适应波束成形算法,所提算法无需依赖训练序列,提高了频谱资源利用率,计算复杂度较低,易于硬件实现。分别从波束方向图,波束成形增益和收敛及稳态性能三方面对其进行了仿真分析。针对所提算法收敛速度与稳态性能的不足,采用三种改进算法,并分析了各种算法的优势与不足。(1)针对原算法收敛速度与稳态性能无法兼顾的不足,采用变步长自适应波束成形算法,在提高收敛速度的同时降低了稳态误差;(2)针对原算法在较低信噪比时,进入稳态后权值波动较大的不足,采用滤波型波束成形算法,降低了其稳态误差;(3)将变步长算法与滤波型算法相结合,提出一种变步长滤波型自适应波束成形算法,仿真表明,在较低信噪比时该算法具有优于前两种改进算法的收敛及稳态性能。2.针对强干扰扩频通信系统,提出一种将功率倒置算法与MOP算法相结合的波束成形方法,并对其性能进行仿真分析。仿真结果表明,所提算法相较于无波束成形的方案可获得更高的信噪比增益,从而提高误码性能。3.针对大规模阵列天线,提出了一种基于均匀交叉划分方式和特殊阵列布局方式的子阵级波束成形算法,并与阵元级自适应波束成形算法进行仿真对比。仿真结果表明,所提算法可在保证波束成形增益的同时降低硬件成本与计算复杂度,易于硬件实现。4.给出了强干扰扩频通信系统自适应波束成形算法硬件实现方案,阐述了自适应调零模块与自适应波束成形模块的FPGA设计与实现,并将板载测试结果与MATLAB仿真结果进行对比验证。