[发明专利]基于改进VFDF的实时宽带数字波束指向控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及数字信号处理领域，具体是一种适用于宽带数字波束形成的波束指向控制方法，尤其是基于改进VFDF(Variable Fractional Delay Filter，可变分数延时滤波器)的实时宽带数字波束指向控制方法。

背景技术

数字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)是数字化、阵列信号处理和天线技术的有机融合。与传统的单个定向波束相比，数字波束具有更灵活的波束控制、较高的信号增益、较强的干扰抑制能力以及较高的空间分辨能力等优点，在通信、雷达、电子侦察、天文观测等领域得到了广泛研究和深入应用。

在实际应用中，随着不断增长的通信传输速率、探测距离和观测精度要求，DBF系统正朝着多阵元、大带宽的方向发展。而在宽带DBF系统中，传统的基于相位控制的窄带DBF处理方法已经不再适用。

波束指向控制是DBF系统的一个关键功能，一般通过调整权系数的方式来实现，通常需要预先存储“指向-加权系数表”；如果要提高调整的精细度，就需要大幅增加表的规模。与窄带DBF系统只需要通过调整通道相位的方式进行波束控制不同，宽带DBF系统的波束指向控制实质上需要控制不同阵元接收信号之间的时延，而且时延控制的精度要能够与载波周期的1％相比拟，时延控制的范围要大于天线孔径渡越时间。因此，与窄带DBF系统相比，宽带DBF系统的波束指向控制所需要的通道权系数大大增加，从而导致存储空间和更新时间的激增。

基于Farrow结构的可变分数延时滤波器(Variable Fractional Delay Filter，VFDF)是一种可以实现高精度时延控制的数字信号处理技术。该技术通过控制单个抽头变量，可以实现相应的延时控制；延时控制的精度由抽头变量的位宽决定，避免了大规模的加权系数表的存储；而且具备单节拍的响应速度，没有波束指向切换的时间开销。这种技术具有控制精度高、内存开销小、切换速度快、运行效率高、环境适应性好的特点，比较适合用于宽带DBF系统的实时波束指向控制。

经过对现有技术文献的检索发现，Colman Cheung等在“IEEE International Symposium on Phase Array System&Technology(IEEE相控阵系统与技术国际研讨会)”(2013，pp448-455)上发表的“Time Delay Digital Beamforming for Wideband Pulse Radar Implementation”，提出采用VFDF来实现宽带DBF。该方法相对于模拟波束合成技术，在性能和环境适应性上都具有非常显著的优点。但是该方法只是简单地用数字延时代替相移，只能适应对输入信号直接采样的结构，不支持带上下变频的超外差结构；因此使用频率范围受限于模数转换器和数模转换器的转换速率，很难超过1GHz的频率范围；而且基于直接型VFDF结构的实现方法，在系统资源消耗上也非常大。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出了一种基于改进的可变分数延时滤波器(Variable Fractional Delay Filter，VFDF)的实时宽带数字波束指向控制方法。该方法改进了VFDF的实现方式，通过对VFDF的传递函数进行复数分解，不仅有效降低了VFDF的实现资源，而且在不增加任何额外资源的前提下，集成了变频器的本振相位补偿功能，从而可以适应超外差的通道结构，满足任意频段实时波束控制需求。该方法既具备VFDF波束指向控制方法控制精度高、内存开销小、切换速度快、运行效率高、环境适应性好的优点，又克服了现有VFDF波束指向控制方法适应频段受限的局限，同时还通过优化VFDF实现方式，实现了资源消耗上的节省。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：

根据本发明提供的一种基于改进VFDF的实时宽带数字波束指向控制方法，其中：

(1)采用数字可编程延时单元作为波束指向控制的基本控制单元,通过控制一个延时抽头和一个相移抽头进行宽带、实时的数字信号延时和相移，从而实现宽带实时的波束指向控制；

(2)针对具有变频功能的超外差通道结构，采用数字移相的方式实现对变频器的本振相位补偿；

(3)采用基于复数分解的改进VFDF实现精确的数字可编程延时单元，在不增加额外资源的前提下将数字移相的功能集成到数字可编程延时单元中，而且还有效降低了数字可编程延时单元的整体资源消耗；

其中，所述的基于复数分解的改进VFDF，在设计上包括以下三个步骤：