自適應波束形成開題報告

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1、哈爾濱工業(yè)大學（威海）畢業(yè)設計（論文）開題報告題目幾種自適應波束形成算法性能分析專業(yè)電子信息工程學號100250210姓名付鵬成指導教師王軍2014年3月24日哈爾濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（開題報告）1課題來源及研究的目的和意義1.1課題來源自適應陣列天線的研究可以追溯到20世紀60年代,其中最具代表性的工作包括Adams提出的基于SNR輸出的自適應處理器以及Widrow提出的寬帶和窄帶自適應陣列結(jié)構(gòu)。自適應波束形成通過不同的準則來確定自適應權(quán),并利用不同的自適應算法來實現(xiàn)。主要的準則有:最小均方誤差(MSE)準則;最大信噪比(S

2、NR)準則;最大似然比(LH)準則;最小噪聲方差(NV)準則等。Monzingo和Miler在他們的專著中闡述了理想情況下這4種準則是等價的。不管選擇什么樣的準則,都是要采用一定的算法調(diào)整陣波束方向圖,從而實現(xiàn)自適應控制。自適應算法的分類有幾種,按照算法的實現(xiàn)可以分為開環(huán)算法和閉環(huán)算法。早期主要注重于閉環(huán)算法的研究,主要的閉環(huán)算法有最小均方(LMS)算法、差分最陡下降(DSD)算法、加速梯度(AG)算法以及它們的變形算法。閉環(huán)算法簡單、性能可靠,不需數(shù)據(jù)存儲。但其主要缺點是收斂于最佳權(quán)的響應時間取決于數(shù)據(jù)特征值分布,在某些干擾分

3、布情況下,算法收斂速度較慢,從而大大限制了它的應用場合。因此,近20年來,人們把興趣更多集中在開環(huán)算法研究上。REED等人最早提出了著名的開環(huán)算法:直接求逆(DMI或SMI)法。DMI法通過直接干擾方差矩陣的逆來求解Winner-Hopf方程以獲得最優(yōu)權(quán)值,然后作加權(quán)相消,它的收斂速度和相消性能都比閉環(huán)算法好得多。隨著數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展,高速度芯片的產(chǎn)生為開環(huán)算法提供了更好的前提條件。近年來，自適應波束形成算法在通信雷達、聲納、生物醫(yī)學工程等科技領域中到了極為廣泛的應用。在實際應用中，如果信號源、天線陣列出現(xiàn)誤差，傳統(tǒng)的自適應波

4、束形成算法性能將會下降。但是對于穩(wěn)健的自適應波束形成算法。環(huán)境及天線陣列的誤差和不確定性是必須要考慮的關鍵問題。這里對穩(wěn)健的自適應波束形成算法的研究現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)進行了較為詳細的評述。傳統(tǒng)的算法在設計波束形成器時，都是假定在其訓練數(shù)據(jù)中不含有期望信號。這時的波束形成器對于陣列響應誤差和有限次快拍數(shù)據(jù)的穩(wěn)健性非常好。但是在許多情況下，干擾和噪聲信號的觀測數(shù)據(jù)不可避免地要被期望信號所污染。而即使在理想情況下，這時精確的知道期望信號的方向向量，在有限次快拍訓練數(shù)據(jù)中含有的響應之間的不匹配。自適應陣列信號處理對于這類誤差的反應非常敏感。

5、因為這時期望信號分量會被當作干擾抑制掉。陣列校正誤差及觀測方向的偏差等現(xiàn)象在實際中經(jīng)常出現(xiàn)。引起自適應波束形成算法性能降低的原因除了陣列響應誤差外，由于信道的不穩(wěn)定、干擾和天線的移動、天線的轉(zhuǎn)動等所造成的波束形成器訓練數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性也是一個主要原因。首先即使在訓練數(shù)據(jù)中不包含期望信號，這種不穩(wěn)定性也會限制自適應波束形成算法的性能進而當在訓練數(shù)據(jù)中含有期望信號時，波束形成器性能會進一步嚴重降低；最后如果出現(xiàn)快速移動的干擾。波束形成器的性能將會崩虧。因為這時自適應權(quán)向量的收斂速度跟不上干擾的變化，不能有效的對干擾形成零陷。-7-哈爾

6、濱工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（開題報告）1.1研究的目的和意義自適應波束形成算法核心是通過一些自適應波束形成算法獲得天線陣列的最佳權(quán)重，并最終最后調(diào)整主瓣專注于所需信號的到達方向，以及抑制干擾信號，通過這些方式，天線可以有效接收所需信號。在實際應用中，收斂性，復雜性和魯棒性的速度是在選擇自適應波束形成算法時要考慮的主要因素。這次研究將聚焦于最小均方（LMS）算法和樣本矩陣求逆（SMI）的算法，分析它們的性能，并在Matlab的幫助下將這兩個算法應用于自適應。2國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析自適應波束形成算法被廣泛用于天線陣列、通信、雷

7、達系統(tǒng)以及生物醫(yī)學工程。有幾種自適應波束形成算法，如最小平均平方算法、采樣矩陣求逆算法、恒模算法、遞歸最小二乘算法、共軛梯度法，等等。在實際應用中，如果信號源、天線陣列出現(xiàn)誤差，傳統(tǒng)的自適應波束形成算法性能將會下降。但是對于穩(wěn)健的自適應波束形成算法．環(huán)境及天線陣列的誤差和不確定性是必須要考慮的關鍵問題。如今穩(wěn)健的自適應波束形成算法成為實際應用中的主流。3主要研究內(nèi)容及研究方案3.1.1波束成形波束成形，源于自適應天線的一個概念。接收端的信號處理，可以通過對多天線陣元接收到的各路信號進行加權(quán)合成，形成所需的理想信號。從天線方向圖(

8、pattern)視角來看，這樣做相當于形成了規(guī)定指向上的波束。例如，將原來全方位的接收方向圖轉(zhuǎn)換成了有零點、有最大指向的波瓣方向圖。同樣原理也適用用于發(fā)射端。對天線陣元饋電進行幅度和相位調(diào)整，可形成所需形狀的方向圖。波束成形技術(shù)屬于陣列信號處理的主要問題：使陣列