第21卷 第17期 V01.21 No.17 电子设计工程 Electronic Design Engineering 2013年9月 Sep.2013 基于加权波束形成的STAP抗干扰改进算法 杨阳.王艺 (西北工业大学电子信息学院,陕西西安710072) 摘要:传统空时自适应处理(S rAP)算法不能抑制和导航信号同一方向的窄带干扰并且输出信干噪比不理想。针对此 问题。本文提出了一种结合加权波束的改进STAP抗干扰算法。这种新的算法能有效地抑制窄带和宽带干扰,并提升 了输出信干噪比(SINR)。 关键词:GPS接收机;空时自适应处理;加权波束形成;抗干扰 中图分类号:TN911 文献标识码:A 文章编号:1674—6236(2013)17—0159—03 An improved STAP anti-jam algorithm based on weighted beam-forming YANG Yang,WANG Yi (School ofElectronic and Information,Noahwes ̄rn Polytechnical Unwemity,Xi’an 710072,China) Abstract:Traditional space-time adaptive processing algorithm cannot suppress narrowband ja/nmer which come from the same direction wih the tuseful signal and have a bad SINR.Focus on those problems,an improved STAP anti-jam method which combine weighted beam-forming was proposed.The new method can suppress both narrowband nd abroadband janlmcr effectively,which CanalsoimprovetheSINR. Key words:GPS receiver;space--time adaptive processing;weighted beam--forming;anti-jm a空时自适应处理(STAP)技术早在1972年被Frost等人 首次提出【l】。起初STAP技术由于其优良的抗干扰特性,被应 用在雷达、导航等相关领域。但随着GPS系统在20世纪90 ● 总功率P ̄=E{ly(k)I l最小化,同时保证期望信q's的阵列增益 不变。传统STAP算法是在干扰方向上形成零陷。零陷的宽度 由于扰信号的谱宽决定。干扰信号的功率越强,零陷的深度越 年代末逐渐成熟商用后。STAP技术才首次被应用在GPS抗 干扰接收机上闭。STAP技术继承了时域滤波和空域滤波的优 深。卫星导航信号到达接收机的功率非常微弱,一般小于噪声 功率20-30 dB,功率倒置算法对导航信号的影响很小。因此, 功率倒置算法也等价于最大输出信噪比算法。 卜\L,, : 匦 母: 良特性,对窄带干扰和宽带干扰都有很好的抑制效果。 加权自适应波束形成[31是利用信号同干扰的不同来 向,进行空间滤波,具有很强的抗干扰能力。通过对阵元 接收信号进行复数加权,既进行了相位的校正,也进行了 幅度的校正。在一定的准则下进行这种校正后,可以得到 J_ l - ) —— + _^{ ]_母 屯 十 ∑ Y, ) 最大信干噪比的输出,即不仅使主瓣对准了期望信号,也 使零陷对准干扰。 本文提出了一种基于加权波束形成的STAP改进抗干扰 + _{ ]-母 鞠"x,iJ-X,.1/  ̄LI 天线; 及射频前端 模数: 低噪声放大 方法。该方法不需要干扰位置的先验信息。可以进行盲干扰 抑制。并且能够很好的兼顾调零深度与卫星信号增益的矛 盾,能够很好的达到既能抑制干扰又能增强信号的目的,显 功率倒置 —— 图1基于功率倒置算法STAP的结构框图 Fig.1 The structure of STAP based on power inversion 著提高了输出信干噪比。 如果没有,当w=O时, 最小,结果没有意义,所以 1 传统的GPS抗干扰STAP算法 图1是传统S rAP算法的结构框图嗍。空时自适应处理器 由 个阵列元素组成,2 通道由J7、r次FIR滤波器组成,对 _+ 必须要有条件。条件是toHs=常数,s是期望信号向量。 不失一般性,令常数值为1,那么最优化准则为: —}+ Pa t=E{ty(k)I }s.t.toHs=I (1) 应的权值∞=【1,∞21,n ,…,∞2Ⅳ,…,∞ 。功率倒置算法使输出 从式(1)中可看出,功率倒置算法本质上是一种有严格约 束条件(∞ =1)的自适应算法。 收稿日期:2013—04—02 稿件编号:2013040l8 159- 作者简介:杨阳(1989一),男,陕西西安人,硕士研究生。研究方向:GPS抗干扰。 —.《电子设计工程)2013年第17期 如果s=【l,0,0…ol ̄,那么权向量是一个MN维向量to=[1, o21, ∞,…t, ,…, 。 改变波束形成向量的辐角实现,从而使波束主瓣对准不同的 方向。 2.1均匀加权波束形成 Min( )=E{1),(j})I } =E{Ix1(Jj})Ⅷ21X2(|i})++ 2~ 2(k-N+1)+… 均匀加权波束形成就是对阵列各阵元的输出信号进 +to ̄lXM(k)+…+to ̄nvXM(|i}一Ⅳ+1)Il =行相同的幅度加权,只是施加为使主波束方向指向期望方 向所需要的相应的时间延迟.对应的波束形成向量可以表 (2) 示为 ( )=a( ;)。不难看出,若从空间 方向入射一 . E{Ix1( )+6口 ( )l 1 = + +toUR tou 其中 Ⅳ( )=Ix2(Ji}), 2(|i}一1),…, 2(j}一Ⅳ+1),…, Jlf( ), 信号时,Ⅳ元阵列的输出响应为最大。对于Ⅳ元均匀分布 (七一1),…斯( 一Ⅳ+1)】 , . (JI})】,Rx ̄x,=E[XM(k)础( )】 ( ) ( rX (k)xf 线阵列有: ( :告[1’ej2 ̄fdsinS,/c,…,e 』V r (7) 如果 取最小值那么加权为∞脚,令n 的梯度为0,那么 VtOM ̄=2rx ,+ .x.wM=一rx Rx, 可以求得,Ⅳ元均匀分布线阵列经均匀加权后,指向 方向的归一化指向性函数为: OtM=O (3) (4) sin(N'rr a(sin0一sin0,)) D( )=J———— —————一I Nsin( ̄r (sin0一sine)) 、(8) 脚 一R -1 rxg, (5) A 2.2 Dolph-Chebyshev加权波束形成 对阵元进行幅度加权的目的在于改善阵的方向性。常用 最佳加权为: 州=【1,∞ T_【1,-R -1 rx.x.r (6) 的标准有:在给定旁瓣高度的要求下获得最窄的主瓣宽度; 在给定主瓣宽度的条件下获得最低的旁瓣级;在一定阵元数 下.满足给定的主旁瓣高度之比等等。为了降低旁瓣区域来 的干扰的影响,我们通常希望尽量降低波束的旁瓣级,这就 2加权波束形成原理 波束形成目就是根据传感器阵列输出数据重构来自某方 向的期望信号,同时抑制干扰和随机噪声。波束形成技术是 需要在补偿时间延迟的同时.对各阵元的输出信号进行一定 的幅度加权。幅度加权的方式有很多种。 Dolph.Chebyshev加权加权具有以下两个特点: 卫星通信和移动通信领域的一项关键技术,它能够根据通信 环境的变化自适应地在干扰方向形成零陷.在所有期望信号 方向形成接收波束.从而显著提高信干噪比。 加权波束形成方法就是要对特定几何形状和尺度阵列 1)在给定的任意旁瓣级下,Dolph.Chebyshev加权能使主 瓣宽度最窄; ‘ 2)在给定主瓣宽度的条件下,Dolph—Chebyshev加权能使 的波束图,按某种要求进行控制,也叫做“束控”。通常要对波 束图进行控制的项目有:主波束出现的方位,主瓣宽度和旁 瓣级的高低以及旁瓣结构等。对于一定几何形状的阵列,对 各个阵元接收信号施加不同的权值 ( ),可以得到满足不 旁瓣级最低。 这两个特点使得Dolph.Chebyshev加权成为均匀线列阵 中最为常见的加权方式。采用Dolph-Chebyshev加权时.各阵 元的加权系数由公式可以求出。我们假定Ⅳ为阵元总数,i为 阵元号,w(i)为第 号阵元上的加权。 当J7、,为偶数时.计算公式为: i=I,N 同要求的指向性函数。通过调整各阵元的幅度分布来实现控 制波束图的方法称为幅度束控;而通过调整各阵元相位分布 来实现控制波束图的方法称为相位柬控。相位束控可以通过 r i生!)i = 2 1(生墨二 j! zg-傅“ ×( 一1) 】 ( )= ( )!( 一1)!(Ⅳ. 一1)! (N-i) O 2,…, ^, .+ (9) …IV+l,,Ⅳ_1 e/se 1.N r i 2I 1 2 1( 墨二 埘( )= (i—Jc)!( 一 一1)!(Ⅳ一i一1)! w(N-i) 0 (2/+1)x( _1)1= 越, , (10) +1, e/se 当Ⅳ为奇数时’计算公式为: 13 性能仿真 其中 = [( ) +(专)古】,7为主旁瓣额幅度比。 它与最大旁瓣级的关系为:D=一201og7。 .实验一:提高输出信干噪比实验 根据式(7)、(8),取N=7,d=0.05,A=0.1, =l0。。可得波束 160— 杨阳。等图的仿真图形如图2所示。 基于加权波束形成的STAP抗干扰改进算法 间距为半波长,期望信号的波达方向(DOA)是O。,两个不相 厂\ 干的宽带干扰波达方向分别是20。和45。,另外一个窄带干扰 f’ n nI ∞ \ /-、 . ; 与期望信号同向设置为O。。 如图5所示.传统的STAP算法对20。和45。的宽带干扰 -、 _ l v 匝 抑制效果很好,但是当窄带干扰和期望信号来自同方向时, 卜 I 彳 套 .t.1-. 抑制。 在该方向(O。)产生了零陷,因此对期望信号也产生了很大的 图2均匀加权波束形成波束图 : Fig.2 Evenly weighted beam-forming 取N=16,d=0.05,A=O.1,0,=10。,对均匀波束形成加以 :1 Dolph-Chebyshev窗,可得仿真图形如图3所示。 ・ -- 一1 —2 出 。;, —3 \ 1 , 圈 :・r -4 。 7 -50,l[ j-i l il-! - ——-- D01ph—Che★ byshev -40-20 0 2O 40 6O 80 方位角 图3 Dolph—Chebyshev窗波束形成图 Fig.3 Dolph—Chebyshev window beam・forming 从图3中可以明显的看出,加窗以后可以降低旁瓣级, 同时大大增加了主瓣宽度,从而增加了输出信干噪比。然后 将SNR设置为一32 dB。输入信干比为一50 dB。快拍数从100 移动至50o.改进S11AP算法和传统STAP算法输出的信干噪 比如图4所示。改进的算法在小快拍数下有显著的优势。但 是随着快拍数的增加,优势逐渐减小。所以文中提出的改进算 法在小快拍数条件下改善输出信干噪比有着非常好的效果。 一2 法 —2 ∞ I2 蹩一3 象一。 一3 —3 快拍数 图4改进的STAP算法与传统算法的输出信噪比比较 Fig.4 Comparison between improved STAP algorithm and traditional algorithm on SINR 实验二:抑制同方向窄带干扰实验 窄带干扰设置为载波频率的点频信号,宽带干扰设置为 信号带宽相同的高斯白噪声。采用7元均匀线阵天线,阵元 如图6所示.改进后的STAP算法不仅对20。和45。的宽 带干扰有很好的扰抑效果。而且并没有对0。期望信号产生抑 制,因为同方向的窄带干扰提前已经被滤除。改进的算法很 接近理想最优的输出(前提是没有任何干扰和噪声条件下的 .输出)。羚 一 0 —10 。:.、k j…r … … . /二r :黜:. - j 、、 1 = .■/? i 一… ~I 20 一 ——30 。 ∞ 一4 I:.》 .. :…j 『:0… …. : 一5 0 … ~ —60 70 … {._’嚣… 一・・q-・-一4--一・ …i --+…}…一 ——80 —1 角度/。 图5传统的STAP算法仿真结果 Fig.5 Traditional STAP simulation result 角度/。 图6改进的STAP算法仿真结果 Fig.6 Improved STAP simulation result 4结 论 当接收机接收不同方向的干扰和导航信号时.干扰可以 被传统接收机有效地抑制。但是,当干扰和导航信号来自同 一方向的时。传统的STAP算法会在该方向产生很深的零陷, 从而滤除一部分有用导航信号。本文提出的结合加权波束形 成STAP算法,不仅有效地抑制宽带干扰和窄带干扰,同时也 大大地增加了小快拍数情况下的输出信干噪比。对于干扰源 快速变化和高动态环境下GPS接收机的抗干扰技术,有着非 常广泛的实际应用价值 参考文献: [1】0.L.Frost.An algorithm for linearly constrained adaptive (下转第166页) 一161一 一《电子设计工程)2013年第17期 3结束语 开发结束以后,在模拟环境下对L2TPV3的工作性能进 行了测试,测试结果显示系统的数据延迟、稳定性、丢包率都 在合理范围内,系统性能稳定,各项功能正常,基本达到了预 定的开发目的。VPNe4]是当今社会企业网络的发展趋势,它 能够综合开放网络的共享性能和私有保护网络的安全性,提 供远程访问公共网络和企业内部网的功能.而且建设和维护 成本合理;随着计算机信息技术的不断发展,应用层面的不 断扩展,以及VPN实现技术的日益完善,越来越稳定、高速、 安全的VPN实现技术会不断出现。 参考文献: French S,Pendarakis D.Optical Virtual Private Networks: [4] Applications,Functionality and Implementationc[J】.Journal Photonic Network Communications,2o( ,7(3):227-238. 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