一種零陷波束賦型器的系統設計

顏至悅 ， 黃永輝

（1.中國科學院大學 北京 100190；2.中國科學院空間科學與應用研究中心 北京 100190）

星間通信系統正朝著大容量、可變性的方向發展，如此以確保衛星通信系統擁有良好的系統性能?？辗謴陀檬且粋€相當具有吸引力的解決方法[1-2]。在目前的通信系統中，空分復用技術可與時分復用、頻分復用以及碼分復用等技術一起工作進而滿足人們日益增長的通信需求。一般而言，空分復用依賴于自適應波束成形技術[2-3]。在減小干擾情況下為了最大化波束的增益，星載波束賦型器將根據用戶的位置方向來優化天線陣列所產生的輻射方向圖。

考慮到實際通信場景，星間數據傳輸往往在時間上是間斷的，且衛星間的位置是實時變化的。因此，預設置的通信計劃不適用于該星間通信系統[2]，這將造成星間資源的極大浪費。由于波束賦型技術使得衛星可根據通信用戶的位置信息來制定通信方案，即在期望的信號方向上產生合適的方向圖。因此該技術十分適用于星間通信系統。

我們研究星間通信系統的主旨是建立一個信號恢復系統，該系統包含了可產生定向方向圖的陣列天線。該文章研究了均勻線陣和平面陣下的零陷波束賦型技術。根據計算所得的天線陣列的權重，我們得到了一種能夠接收期望信號并且抑制干擾信號的零陷波束賦型器。

1 系統描述

1.1 波束賦型器結構

波束賦型技術采用加權計算并把加權后得到的輸出信號相加從而形成具有指向性的輻射方向圖。換句話說，陣列天線系統能夠將主波束對準期望用戶的方向并且同時將零陷點對準干擾信號。因此，能夠提升星間通信系統的性能[5]。

圖1表示了零陷波束賦型器的結構框圖。天線陣列收到信號后輸出信號xi（t），把這些信號分別乘以波束賦型器的權重并累加，即得到了最終的輸出信號 y（t）[4]。

圖1 波束賦型器的結構示意圖Fig.1 Beam-former structure

系統輸出信號

上式中，N 表示天線單元的數目，W*表示復權重，xi（t）表示第i個天線的輸出信號。

波束賦型器的權重表示如下：

每個天線單元產生的信號為

波束賦型器的輸出信號為

上式中，T和H分別表示轉置和復共軛轉置。

對于一個波束賦型器系統，這些權重依賴于環境的改變。比如說用戶的方向，信噪比等。通過這些加權的值能讓主波束對準期望的信號方向。

1.2 均勻線陣

人們采用各式各樣的波束賦型器來提高系統性能，例如傳統的波束賦型器、零陷波束賦型器等。在文章中，我們主要研究了零陷波束賦型器。

零陷波束賦型器的工作原理是將產生的方向圖的零點對準已知的干擾方向從而有效抑制非期望信號。該波束賦型是通過賦型器的時延和累加得到的。陣列加權的值由下式獲得[4]：

A表示由所有信號方向上的導向矢量包括期望信號方向組成的矩陣，它的表達式為

并且 A（θi）表示在 θi方向上的導向矢量

上式中，d表示相鄰天線陣列單元之間的距離。

1.3 平面陣

根據以上均勻線陣的權重計算公式，不難得出平面陣的權重計算公式[6]。假設平面陣包含M×N相同天線單元。權重計算公式如下所示：

上式中， A′（θi，φi）表示在方向（θi，φi）上的導向矢量并且i代表陣列單元。

2 仿真分析

在仿真中，我們假設期望信號的方向和干擾信號的方向是已知的。因為在實際星間通信中，每個衛星上往往裝有GPS系統，故在進行通信時能夠及時獲取方向信息。在MATLAB仿真中，信號源的方向是任意給定的，通過該方向信息即可計算出相關的權重值以及獲得合適的輻射方向圖[6-8]。

2.1 均勻直線陣列的仿真

表1顯示了當期望信號的方向在0°，干擾源的方向在-15°和 25°時，權重的值。

表1 7單元均勻線陣的權值Tab.1 Values of 7 elements uniform linear array

圖2顯示了具有7個單元的均勻線陣的陣因子方向圖（天線單元的間距是半個波長長度）。該仿真結果表明輻射方向圖的主波束能夠對準期望信號的方向（θ0=0°），并且方向圖的零陷點對準了干擾信號的方向（θ1=-15°，θ2=25°）。

圖2 陣因子方向圖Fig.2 Factor pattern， at angle-15°and 25°pattern is about to zero

2.2 平面陣的仿真

與均勻線陣的仿真類似，我們同樣對平面陣假設了3個方向，一個是期望信號的方向，另外兩個是干擾信號的方向。

圖3顯示了平面陣的3-D陣因子輻射方向圖。該圖說明輻射方向圖上的主波束可對準期望信號的方向 （θ0=10°，φ0=0°），并且將零陷點對準干擾信號源的方向（θ1=30°，φ1=60°）&（θ2=45°，φ2=145°）從而有效地抑制干擾信號。 其中，* 指示了前面假設的3個方向。

圖3 3-D輻射方向圖Fig.3 3-D radiation pattern

圖4～6分別表示了在不同特定方位角下，俯仰角切向上的輻射方向圖。圖4說明主波束能夠指向期望信號的方向（θ0=10°，φ0=0°）； 圖 5 表明了通過波束賦型器產生的方向圖能夠將零陷點放置在干擾信號源的方向上（θ1=30°，φ1=60°），從而對干擾信號進行有效地抑制；圖6所示的結果亦跟圖5相同。

圖4 方位角為0°時，輻射方向圖Fig.4 Radiation pattern at azimuth 0°

圖5 方位角為60°時，輻射方向圖Fig.5 Radiation pattern at azimuth 60°

3 結 論

圖6 方位角為145°時，輻射方向圖Fig.6 Radiation pattern at azimuth 145°

本文根據零陷波束賦型技術，分別在均勻線陣和平面陣情況下，求得了天線陣列的輻射方向圖。通過加權計算的方法，輻射方向圖的主波束能夠對準期望信號的方向同時將零陷點對準干擾信號的方向。利用該零陷技術設計的波束賦型器，系統能夠有效地接收期望信號并抑制干擾信號。

[1]Ilcev S D.Space Division MultipleAccess （SDMA）Applicable for Mobile Satellite Communications[C]//10th International Conference on Telecommunication in Modern Satellite Cable and Broadcasting Services，2011.

[2]Houssin L，Artigues C，Corbel E.Frequency allocation problem in a SDMA satellite communication system[C]//International Conference on Computers&Industrial Engineering，2009.

[3]Iclia Villordo-Jemenez， Ignacio E.Zaldivar-Huerta， G.M Galvan-Tejada， “An Overview of SDMA in Communications Systems”[C]//Circuit and System， MWSCAS06’， 49th IEEE Conference， Midwest Symposium， 6-9 August，2006.

[4]Godara L C.Application of antenna arrays to mobile communications，Part II:Beam-forming and Direction of Arrival Considerations[J].Proceeding of the IEEE，1997，85（8）:1195-1245.

[5]Godara L C.Smart Antenna[M].CRS Press，2004.

[6]Balanis C A.Antenna theory analysis and design[M].John Wiley and Sons，1997.

[7]操良平，董曉云，王澤鈺，等.基于雙光電反饋振蕩器的單向混沌同步通信[J].重慶師范大學學報：自然科學版，2014（4）:126-130.

[8]鄧勇.關于矩陣族的一致相隨性探討[J].重慶師范大學學報：自然科學版，2014（4）:78-81.

[9]李晨曦，趙鵬，劉斌，等.智能變電站優化組網的通信網絡研究[J].陜西電力，2014（8）:51-54.