專利名稱：一種寬帶時域數(shù)字波束形成方法
技術領域：
本發(fā)明涉及雷達、聲納及無線通信領域，特別涉及寬帶時域數(shù)字波束形成方法。

背景技術：
波束形成是廣泛應用于雷達、聲納、通信、航天等領域的一項技術。波束形成器通常與聲波、電磁波、光波等的發(fā)射或接收陣列協(xié)同工作。
為了讓傳感器陣列增強從某個或多個特定方向來的信號，基本的波束形成方法是對每一路陣元接收的信號按該波束方向進行延時，然后再把補償至波前對齊的各路信號相加，得到該波束方向的波束輸出(參見圖1)。為了得到更高的性能，聲納、雷達、通信等系統(tǒng)常采用寬帶信號形式，波束形成一般在時域采用延時的方法，在頻域應用FFT方法。本發(fā)明涉及時域的延時方法來進行接收波束形成。
波束形成技術的一個關鍵問題是希望能夠將波束精確地定向在期望的方向上。在數(shù)字系統(tǒng)中，延時求和波束形成方法通過樣本序列的移位相加實現(xiàn)。為了得到較高的波束定向精度，需要對陣元序列進行精確的延時控制；由于延時的精度與信號采樣頻率成正比，因此需要很高的采樣頻率，大大增加硬件成本。為了降低采樣頻率，發(fā)展了內插波束形成方法，這種波束形成器的結構如圖2所示，通過補零內插得到一個較高等效采樣頻率的信號，通過軟件計算得到更精確的延時。
波束形成系統(tǒng)中一種常用的方法是正交采樣波束形成，包括四個基本的步驟 1)正交解調將各路帶通信號變換到復基帶，得到復包絡信號； 2)對復包絡信號進行采樣； 3)延時各路復包絡信號至波前對齊； 4)迭加各通道信號，得到復包絡波束輸出。
這一波束形成方法將帶通信號變換到基帶進行處理，但需要使用數(shù)量繁多的正交解調模擬電路和采樣器，不僅昂貴且各通道一致性無法精確控制，從而降低波束形成的性能。本發(fā)明中的設計思想著眼于減少模擬電路的使用，用單個采樣電路對多路信號進行時分復用采樣，同時用數(shù)字解調替代模擬解調，不僅可以較好地改善一致性的問題，同時也能使整個波束形成系統(tǒng)在體積、功耗、適用范圍以及協(xié)同工作方面得到改進。
上述步驟3)中的延時可以采用前述補零內插的方法來處理。在一定延時精度的條件下，采樣頻率和內插精度之間是相互制衡的關系，提高采樣頻率能夠降低內插精度的要求。本發(fā)明的設計思想著眼于在帶通采樣中設置較高的采樣頻率使得在采樣頻率和內插精度之間作適當?shù)恼壑裕⒆罱K通過本發(fā)明中級聯(lián)結構多通道FIR濾波器的輸出樣本抽取操作將采樣頻率降低到與信號帶寬匹配。
總之，本發(fā)明在前述正交采樣波束形成的基礎上，結合時分復用帶通采樣、復解調以及內插延時等方法對帶通信號進行波束形成，提出了具有以下特點的波束形成方法1、用單個采樣電路對多路帶通信號進行時分復用帶通采樣，設置合適的采樣頻率使得采樣輸出自然實現(xiàn)信號的解調；2、采用FIR濾波器一次性完成與信號匹配的低通濾波、內插延時和相位旋轉，實現(xiàn)真正的延時波束形成；3、內插系數(shù)由補零內插波束形成方法中獲取各路信號對應延時內插點的低通濾波系數(shù)確定；4、提出了一種級聯(lián)結構的多通道FIR濾波器，同一通道信號的濾波在不同的子濾波模塊中級聯(lián)完成，不同通道信號共享同一濾波模塊，濾波輸出的同時完成樣本抽取。
本發(fā)明中的寬帶時域數(shù)字波束形成方法是針對聲納系統(tǒng)的應用環(huán)境描述的，但其原理在雷達、通信系統(tǒng)中亦是相通的。


發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是針對多傳感器陣列信號接收的時分復用帶通采樣設計，提供一種寬帶時域數(shù)字波束形成方法。
寬帶時域數(shù)字波束形成方法包括如下步驟 1)對P×N路接收陣元的帶通信號xi(t)＝Ii(t)cos(ωct)-Qi(t)sin(ωct)進行前置放大和抗混疊濾波等信號調理，其中Ii(t)和Qi(t)分別為帶通信號xi(t)的基帶同相和正交信號，P，N＝1，2，3…； 2)將每N路信號基于時分復用的法則混疊成一路信號，采用P個采樣電路，每個采樣電路對經過調理后的N路信號進行時分復用帶通采樣，使得每路信號的采樣輸出為{Ii，-Qi，-Ii，Qi，Ii…}或{Ii，Qi，-Ii，-Qi，Ii…}序列，各采樣電路的輸出形成P組數(shù)據(jù)流； 3)對步驟2)輸出的序列進行周期性符號反轉，使之補償成為{Ii，Qi，Ii，Qi，Ii…}序列； 4)對于選取的波束方向，確定各路信號波前對齊所需要的延時； 5)把從步驟3)輸出的包含N路信號的每一組數(shù)據(jù)流分別輸入到單個級聯(lián)結構多通道FIR濾波器，一次性完成與信號匹配的低通濾波、內插延時和相位旋轉，輸出各路信號經延時補償至波前對齊的基帶復包絡同相和正交分量，同時完成樣本抽取，濾波器系數(shù)由信號匹配低通濾波系數(shù)、對應信號同相和正交分量的兩組內插系數(shù)和以及相位旋轉系數(shù)合成，內插系數(shù)由補零內插波束形成方法中獲取各路信號對應延時內插點的低通濾波系數(shù)確定，產生各路信號延時至波前對齊的基帶同相和正交輸出的濾波系數(shù)viT、wiT以及相應的輸出IDi(nTO)、QDi(nTO)分別為 其中xi是第i路信號序列，τi是該路信號的延時，TO是復包絡信號的輸出采樣周期； 6)對從步驟5)中P個濾波器輸出的經過延時補償至波前對齊的P×N路基帶復包絡信號進行波束求和，序列輸出基帶上選定方向波束形成的結果； 7)對所有選定的波束方向執(zhí)行步驟4)到步驟6)，序列輸出基帶上各方向波束形成的結果。
所述的步驟3)合并到步驟5)中執(zhí)行。
所述的時分復用帶通采樣步驟 a)在符合帶通信號采樣準則的前提下設置每路信號的采樣頻率為接收帶通信號中心頻率的4/(4k+1)倍或者4/(4k+3)倍，其中k＝0，1，2…，使得每路信號的采樣輸出為{Ii，-Qi，-Ii，Qi，Ii…}或{Ii，Qi，-Ii，-Qi，Ii…}序列，自然實現(xiàn)信號的解調； b)每個采樣電路總的采樣頻率為接收帶通信號中心頻率的4N/(4k+1)倍或者4N/(4k+3)倍，其中k＝0，1，2…。
所述的內插系數(shù)的求取方法該系數(shù)是從補零內插方法的低通濾波系數(shù)中獲取的。內插等價于對補零信號進行線性時不變?yōu)V波，通過內插將一個序列轉換到一個較高的等效采樣頻率的內插序列，進行D倍的補零內插首先要在原始序列x(n)相鄰兩采樣點之間等間隔插入(D-1)個零值點，然后對補零后的序列xp(n)進行低通濾波，得到內插序列xD(n) 對應于某一個內插點xD(n)的插值系數(shù)只要選擇計算該內插點時對應原始信號的低通濾波系數(shù)h(n-rD)(-∞＜r＜+∞)，即為對應該延時的一個內插系數(shù)組。
所述的延時補償?shù)膬炔妩c的選取不僅補償信號到達各個接收陣元產生的相對延時，還補償因對各接收陣元采用時分復用采樣所引入的采樣相對延時。
所述的濾波系數(shù)的求取方法 c)該系數(shù)的確定包含對應信號同相和正交分量的兩組內插、相位旋轉計算與信號匹配低通濾波的級聯(lián)實現(xiàn)； d)若設計該內插系數(shù)的幅頻特性和信號匹配，則在內插延時的同時完成了與信號匹配的低通濾波，無需進行實際的級聯(lián)計算。
所述的級聯(lián)結構多通道FIR濾波器 e)由信號重組模塊和若干個子濾波模塊組成； f)子濾波模塊個數(shù)由總的濾波階數(shù)和子濾波模塊的階數(shù)共同確定； g)子濾波模塊的階數(shù)2M，為原始信號采樣頻率與濾波器輸出信號采樣頻率之比，其中M＝1，2，3…，濾波器輸出信號采樣頻率由信號基帶帶寬確定，一般選為基帶帶寬的2到4倍； h)每個子濾波模塊分別對每路信號完成2M階的濾波計算，濾波器輸出信號的采樣頻率等于原始信號采樣頻率的1/2M； i)濾波過程中采樣信號從第一級子濾波模塊依次流向最后一級子濾波模塊，子濾波模塊對每一個通道的濾波計算則從最后一級子濾波模塊開始，并把每一個通道的濾波結果依次往前一級子濾波模塊傳遞，在后一級子濾波模塊輸出某一通道信號的濾波結果到前一級子濾波模塊之后，前一級子濾波模塊開始該通道信號的濾波，最終在第一級子濾波模塊處完成整個濾波計算，輸出濾波結果。
所述的級聯(lián)結構多通道FIR濾波器 j)所述的信號重組模塊把按采樣所得的N路信號混疊排列順序轉換成2M個同一通道的信號連續(xù)排列的順序并依次輸出，重組后的采樣信號輸入到第一級子濾波模塊數(shù)據(jù)RAM的輸入端； k)所述的子濾波模塊包括一個共用的存儲采樣信號的雙端口數(shù)據(jù)RAM以及兩套分別獨立的存儲系數(shù)的雙端口系數(shù)RAM一、乘法器一、加法器一、二路選擇器一和系數(shù)RAM二、乘法器二、加法器二、二路選擇器二，分別進行對應兩組濾波系數(shù)的濾波，其中數(shù)據(jù)RAM分段連續(xù)存儲每個通道的2M個采樣信號，系數(shù)RAM一、二分別分段連續(xù)存儲和采樣信號對應的每個通道的2M個濾波系數(shù)，計算同相分量的第一套系數(shù)RAM、乘法器、加法器和二路選擇器的設置如下乘法器一的兩個輸入端連接數(shù)據(jù)RAM和系數(shù)RAM一的輸出端，完成采樣信號和對應濾波系數(shù)的乘積，并把乘積結果輸出至加法器一，乘法器一的輸出端和二路選擇器一的輸出端連接到加法器一的兩個輸入端，加法器一的輸出端同時連接到本級與前一級二路選擇器一的輸入端，本級二路選擇器一的兩個輸入端分別連接本級和后一級加法器一的輸出端，最后一級二路選擇器一的兩個輸入分別是本級加法器一的輸出和常數(shù)零，加法器一和二路選擇器一協(xié)同工作，在每路通道信號濾波的第一個周期二路選擇器一選通后一級加法器一的輸出同本級乘法器一的輸出相加，如此完成最后一級子濾波模塊至本級子濾波模塊濾波結果的累加，在剩余周期內二路選擇器一全部選通本級加法器一的輸出同乘法器一輸出進行相加；計算正交分量的第二套系數(shù)RAM、乘法器、加法器和二路選擇器的設置和第一套相仿。
所述的級聯(lián)結構多通道FIR濾波器 l)采用時分復用的結構，N個數(shù)據(jù)通道共享同一濾波器； m)濾波器時鐘與多路復用的采樣電路時鐘一致，濾波器每一時鐘周期內處理一路信號的一個數(shù)據(jù)，使得N路數(shù)據(jù)總的處理時間與N路數(shù)據(jù)總的采樣時間相等，除了在輸入與輸出之間加入一固定的延時外，實現(xiàn)N路數(shù)據(jù)的實時處理。
本發(fā)明的波束形成方法著重于用單個采樣電路對多路帶通信號進行時分復用采樣，用FIR濾波器一次性完成與信號匹配的低通濾波、內插延時和相位旋轉，實現(xiàn)真正的延時波束形成。在濾波的執(zhí)行方式上，公開了一種級聯(lián)結構的多通道FIR濾波器，同一通道信號的濾波在不同的子濾波模塊中級聯(lián)完成，不同通道信號共享同一濾波模塊，濾波輸出的同時完成樣本抽取，適合于在ASIC或FPGA中實現(xiàn)，較傳統(tǒng)濾波器執(zhí)行節(jié)省大量邏輯資源。



圖1是“延時求和”波束形成原理示意圖； 圖2是內插延時的波束形成器結構示意圖； 圖3(a)是補零內插方法中原始信號的頻譜示意圖； 圖3(b)是補零內插方法中補零信號的頻譜示意圖； 圖3(c)是補零內插方法中內插信號的頻譜示意圖； 圖4是本發(fā)明的原理示意圖由信號調理、時分復用帶通采樣、低通濾波、內插延時與相位旋轉以及波束求和等步驟組成； 圖5是級聯(lián)的多通道FIR濾波器結構框圖； 圖6是信號重組前后的信號排列方式示意圖； 圖7是子濾波模塊結構和數(shù)據(jù)流示意圖； 圖8是本發(fā)明一個優(yōu)選實施例的波束形成流程圖。

具體實施例方式 圖8示出了本發(fā)明的一個聲納波束形成優(yōu)選實施例，該例中采用單個采樣電路對N＝50路接收陣元的信號進行采樣，接收的水聲信號為150KHz-200KHz的帶通信號，中心頻率175KHz，解調后基帶帶寬25KHz，寬帶時域數(shù)字波束形成方法具體步驟如下所述 寬帶時域數(shù)字波束形成方法包括如下步驟 1)對50路接收陣元的帶通信號xi(t)＝Ii(t)cos(ωct)-Qi(t)sin(ωct)進行前置放大和抗混疊濾波等信號調理，其中Ii(t)和Qi(t)分別為帶通信號xi(t)的基帶同相和正交信號； 2)將50路信號基于時分復用的法則混疊成一路信號，采用一個采樣電路，每個采樣電路對經過調理后的50路信號進行時分復用帶通采樣，使得每路信號的采樣輸出為{Ii，-Qi，-Ii，Qi，Ii…}或{Ii，Qi，-Ii，-Qi，Ii…}序列，各采樣電路的輸出形成一組數(shù)據(jù)流； 3)對步驟2)輸出的序列進行周期性符號反轉，使之補償成為{Ii，Qi，Ii，Qi，Ii…}序列； 4)對于選取的波束方向，確定各路信號波前對齊所需要的延時； 5)把從步驟3)輸出的包含50路信號的每一組數(shù)據(jù)流分別輸入到單個級聯(lián)結構多通道FIR濾波器，一次性完成與信號匹配的低通濾波、內插延時和相位旋轉，輸出各路信號經延時補償至波前對齊的基帶復包絡同相和正交分量，同時完成樣本抽取，濾波器系數(shù)由信號匹配低通濾波系數(shù)、對應信號同相和正交分量的兩組內插系數(shù)和以及相位旋轉系數(shù)合成，內插系數(shù)由補零內插波束形成方法中獲取各路信號對應延時內插點的低通濾波系數(shù)確定，產生各路信號延時至波前對齊的基帶同相和正交輸出的濾波系數(shù)viT、wiT以及相應的輸出IDi(nTO)、ODi(nTO)分別為 其中xi是第i路信號序列，τi是該路信號的延時，TO是復包絡信號的輸出采樣周期； 6)對從步驟5)中濾波器輸出的經過延時補償至波前對齊的50路基帶復包絡信號進行波束求和，序列輸出基帶上選定方向波束形成的結果。
7)對所有選定的波束方向分別采用類似級聯(lián)結構多通道FIR濾波器執(zhí)行步驟4)到步驟6)，序列輸出基帶上各方向波束形成的結果，各濾波器的唯一區(qū)別在于對應各波束方向延時的內插濾波系數(shù)的不同。
本例中根據(jù)采樣序列的正負號周期特性，對濾波系數(shù)進行周期性符號反轉，從而使步驟3)合并到步驟5)中執(zhí)行。
本例中的時分復用帶通采樣步驟 a)在符合帶通信號采樣準則的前提下設置每路信號的采樣頻率為接收帶通信號中心頻率的4/(4k+1)倍或者4/(4k+3)倍，其中k＝0，1，2…，使得每路信號的采樣輸出為{Ii，-Qi，-Ii，Qi，Ii…}或{Ii，Qi，-Ii，-Qi，Ii…}序列，自然實現(xiàn)信號的解調； b)每個采樣電路總的采樣頻率為接收帶通信號中心頻率的200/(4k+1)倍或者200/(4k+3)倍，其中k＝0，1，2…。
帶通信號可以表示為xi(t)＝Ii(t)cos(ωct)-Qi(t)sin(ωct)，其中Ii(t)和Qi(t)分別為帶通信號xi(t)的基帶同相和正交分量，ωc是信號的中心頻率，xi(t)的復包絡可表示為

若選擇采樣頻率fs＝4fc/(4k+3)，其中k＝0，1，2…，則采樣序列為{Ii，Qi，-Ii，-Qi，Ii…}；若選擇采樣頻率fs＝4fc/(4k+1)，其中k＝0，1，2…，則采樣序列為{Ii，-Qi，-Ii，Qi，Ii…}。在本例中選擇后者的k＝0情形，即采樣頻率fs＝4fc＝700KHz，這樣采樣序列為{Ii，-Qi，-Ii，Qi，Ii…}，自然實現(xiàn)信號的解調，解調的精度與ADC器件的精度和采樣脈沖時鐘源精度成正比。
經過解調的序列通過一個與信號帶寬匹配的低通濾波器提取實際數(shù)據(jù)中的信號成分，去除數(shù)據(jù)中的噪聲與干擾，因而提高信噪比。
本例中的延時補償?shù)膬炔妩c的選取不僅補償信號到達各個接收陣元產生的相對延時，還補償因對各接收陣元采用時分復用采樣所引入的采樣相對延時。如果把某路帶通信號延時τi時間 xi(t-τi)＝Ii(t-τi)cos(ωc(t-τi))-Qi(t-τi)sin(ωc(t-τi))＝IDi(t)cos(ωct)-QDi(t)sin(ωct) 其中 延時至波前對齊的基帶復包絡信號記為

IDi(t)和QDi(t)分別是延時至波前對齊的基帶信號的同相和正交分量。每一個具體的延時τi都分為整數(shù)周期延時和分數(shù)周期延時，整數(shù)周期延時可以由序列的簡單移位來得到，分數(shù)周期延時則由內插得到 其中Ii和Qi分別代表由一定數(shù)量的Ii(t)和Qi(t)樣本點組成的序列，aiT和biT為內插系數(shù)組，由補零內插波束形成方法中獲取各路信號對應延時內插點的低通濾波系數(shù)確定。
本例中的內插系數(shù)的求取方法該系數(shù)是從補零內插方法的低通濾波系數(shù)中獲取的。內插等價于對補零信號進行線性時不變?yōu)V波，通過內插將一個序列轉換到一個較高的等效采樣頻率的內插序列，進行D倍的補零內插首先要在原始序列x(n)相鄰兩采樣點之間等間隔插入(D-1)個零值點，然后對補零后的序列xp(n)進行低通濾波，得到內插序列xD(n) 對應于某一個內插點xD(n)的插值系數(shù)只要選擇計算該內插點時對應原始信號的低通濾波系數(shù)h(n-rD)(-∞＜r＜+∞)，即為對應該延時的一個內插系數(shù)組，如aiT和biT即為兩組內插系數(shù)組。通常h(n-rD)(-∞＜r＜+∞)只在r的有限區(qū)間上為非零值，所以實際執(zhí)行中aiT和biT皆為有限長度序列。
本例中的濾波系數(shù)的求取方法 c)該系數(shù)的確定包含對應信號同相和正交分量的兩組內插、相位旋轉計算與信號匹配低通濾波的級聯(lián)實現(xiàn)； d)若設計該內插系數(shù)的幅頻特性和信號匹配，則在內插延時的同時完成了與信號匹配的低通濾波，無需進行實際的級聯(lián)計算。
進行寬帶波束形成不僅其復包絡需加以適當延時，還必須對其相位進行旋轉，即Ii和Qi分別與cos(ωcτi)和sin(ωcτi)交叉相乘。經過延時至波前對齊的基帶信號的同相和正交分量表示為 上式表明內插延時和相位旋轉這兩步可以合起來簡單地通過一個FIR濾波器來實現(xiàn)，避免了把帶通信號分解為同相和正交分量，再對經過延時的同相和正交分量交叉相乘。因為每路信號的數(shù)據(jù)是由Ii和Qi相間構成的，所以不需要把通道數(shù)據(jù)額外地分成Ii和Qi，直接讓通道數(shù)據(jù)通過級聯(lián)結構多通道FIR濾波器，輸出各路信號經延時補償至波前對齊的基帶復包絡同相和正交分量。產生各路信號延時至波前對齊的基帶同相和正交輸出的濾波系數(shù)viT、wiT以及相應的輸出IDi(nTO)、QDi(nTO)分別為 如圖4和圖8所示，系統(tǒng)完整的濾波系數(shù)由對應信號內插、相位旋轉操作的濾波與信號匹配低通濾波的級聯(lián)來確定，即通過信號匹配低通濾波系數(shù)與內插、相位旋轉濾波系數(shù)進行卷積來獲取。由于內插操作實質上等效于一低通濾波器，因此如果選擇其幅頻響應特性和信號匹配低通濾波一致或者相近，則在內插延時的同時完成了與信號匹配的低通濾波，無需進行實際的級聯(lián)計算，即級聯(lián)過程以隱含的方式完成。
本例中根據(jù)接收信號的通帶截止頻率、過渡帶寬及帶外衰減等指標要求對每路信號的同相和正交分量分別進行60階的低通濾波，同時根據(jù)波束形成的性能要求需要對采樣信號進行10倍的補零內插。在補零內插方法中，進行10倍的補零內插在頻譜上相當于對原始信號的頻率進行了10倍壓縮，如圖3所示，因此需要設計600階的低通濾波系數(shù)以供內插系數(shù)選取之用。然而濾波系數(shù)與所補的零數(shù)據(jù)相乘并不需要實際的運算操作，最終使用的內插濾波的階數(shù)仍為60階。由于本發(fā)明中采樣后信號的同相和正交分量是合在一路數(shù)據(jù)流中的，因此相當于對一路信號進行120階的濾波?？紤]選用15個8階子濾波模塊進行120階的濾波，濾波輸出每路信號的采樣頻率為87.5KHz，符合基帶信號的采樣定理。顯然，該級聯(lián)結構多通道FIR濾波器輸出也是50路信號交織在一起的一路數(shù)據(jù)流。
本例中所用的級聯(lián)結構多通道FIR濾波器如圖5所示 e)由信號重組模塊和若干個子濾波模塊組成； f)子濾波模塊個數(shù)由總的濾波階數(shù)和子濾波模塊的階數(shù)共同確定，本例中子濾波模塊個數(shù)為15； g)子濾波模塊的階數(shù)2M，為原始信號采樣頻率與濾波器輸出信號采樣頻率之比，其中M＝1，2，3…，本例中子濾波模塊的階數(shù)為8； h)每個子濾波模塊分別對每路信號完成8階的濾波計算，由于帶通采樣和正交解調后同相和正交分量相間排列，每個子濾波模塊等效于對同相和正交分量分別進行4階的濾波計算，該濾波器每隔8個信號樣本進行一次濾波計算，濾波器輸出信號的采樣頻率等于原始信號采樣頻率的1/8，即87.5KHz； i)濾波過程中采樣信號從第一級子濾波模塊依次流向最后一級子濾波模塊，子濾波模塊對每一個通道的濾波計算則從最后一級子濾波模塊開始，并把每一個通道的濾波結果依次往前一級子濾波模塊傳遞，在后一級子濾波模塊輸出某一通道信號的濾波結果到前一級子濾波模塊之后，前一級子濾波模塊開始該通道信號的濾波，最終在第一級子濾波模塊處完成整個濾波計算，輸出濾波結果。
本例中所用的級聯(lián)結構多通道FIR濾波器 j)信號重組模塊把按采樣所得的50路信號混疊排列順序轉換成8個同一通道的信號連續(xù)排列的順序并依次輸出，參見圖6，重組后的采樣信號輸入到第一級子濾波模塊數(shù)據(jù)RAM的輸入端。
k)子濾波模塊包括一個共用的存儲采樣信號的雙端口數(shù)據(jù)RAM以及兩套分別獨立的存儲系數(shù)的雙端口系數(shù)RAM一、乘法器一、加法器一、二路選擇器一和系數(shù)RAM二、乘法器二、加法器二、二路選擇器二，分別進行對應兩組濾波系數(shù)的濾波，其中數(shù)據(jù)RAM分段連續(xù)存儲每個通道的8個采樣信號，系數(shù)RAM一、二分別分段連續(xù)存儲和采樣信號對應的每個通道的8個濾波系數(shù)，計算同相分量的第一套系數(shù)RAM、乘法器、加法器和二路選擇器的設置如下乘法器一的兩個輸入端連接數(shù)據(jù)RAM和系數(shù)RAM一的輸出端，完成采樣信號和對應濾波系數(shù)的乘積，并把乘積結果輸出至加法器一，乘法器一的輸出端和二路選擇器一的輸出端連接到加法器一的兩個輸入端，加法器一的輸出端同時連接到本級與前一級二路選擇器一的輸入端，本級二路選擇器一的兩個輸入端分別連接本級和后一級加法器一的輸出端，最后一級二路選擇器一的兩個輸入分別是本級加法器一的輸出和常數(shù)零，加法器一和二路選擇器一協(xié)同工作，在每路通道信號濾波的第一個周期二路選擇器一選通后一級加法器一的輸出同本級乘法器一的輸出相加，如此完成最后一級子濾波模塊至本級子濾波模塊濾波結果的累加，在剩余周期內二路選擇器一全部選通本級加法器一的輸出同乘法器一輸出進行相加；計算正交分量的第二套系數(shù)RAM、乘法器、加法器和二路選擇器的設置和第一套相仿。在本例中，加法器一在每路通道濾波的最后一個周期產生該路信號延時至波前對齊的基帶同相輸出IDi(nTO)，加法器二在每路通道濾波的最后一個周期產生該路信號延時至波前對齊的基帶正交輸出QDi(nTO)。
其中共用的數(shù)據(jù)RAM如圖7所示，被劃分為50個連續(xù)的數(shù)據(jù)塊，每個數(shù)據(jù)塊連續(xù)存儲8個同一通道的采樣信號，參見圖6。本級數(shù)據(jù)RAM的輸出端連接到本級乘法器一、乘法器二的輸入端和后一級數(shù)據(jù)RAM的輸入端，第一級數(shù)據(jù)RAM的輸入端連接信號重組模塊的輸出端。在濾波過程中，每個時鐘周期數(shù)據(jù)RAM中的一個信號與其對應的濾波系數(shù)相乘，同時被送到后一級的數(shù)據(jù)RAM，如此完成每級數(shù)據(jù)RAM中信號的更新，各級數(shù)據(jù)RAM中的同一通道信號為不同時刻的采樣信號，第一級數(shù)據(jù)RAM為最近的采樣信號，最后一級數(shù)據(jù)RAM則為最早的采樣信號。按照數(shù)據(jù)RAM的存儲特性，各級系數(shù)RAM一和系數(shù)RAM二的各通道系數(shù)亦作對應配置，即分別分段連續(xù)存儲和采樣信號對應的每個通道的8個濾波系數(shù)，使得每個采樣信號都能和正確對應的濾波系數(shù)相乘。在本例中，從最后一級系數(shù)RAM一到第一級系數(shù)RAM一的同一通道的所有系數(shù)組成產生各路信號延時至波前對齊的基帶同相輸出的濾波系數(shù)viT，從最后一級系數(shù)RAM二到第一級系數(shù)RAM二的同一通道的所有系數(shù)組成產生各路信號延時至波前對齊的基帶正交輸出的濾波系數(shù)wiT。
綜上所述，本例中使用的級聯(lián)結構多通道FIR濾波器 l)采用時分復用的結構，50個數(shù)據(jù)通道共享同一濾波器； m)濾波器時鐘與多路復用的采樣電路時鐘一致，濾波器每一時鐘周期內處理一路信號的一個數(shù)據(jù)，使得50路數(shù)據(jù)總的處理時間與50路數(shù)據(jù)總的采樣時間相等，除了在輸入與輸出之間加入一固定的延時外，實現(xiàn)50路數(shù)據(jù)的實時處理。
前文為了說明本發(fā)明對上述優(yōu)選實施例進行披露。對于本領域中的技術人員來說變化和修改是顯而易見的，所有這些變化和修改均意欲為后續(xù)的權利要求書所包含。
權利要求
1.一種寬帶時域數(shù)字波束形成方法，其特征在于包括如下步驟
1)對P×N路接收陣元的帶通信號xi(t)＝Ii(t)cos(ωct)-Qi(t)sin(ωct)進行前置放大和抗混疊濾波等信號調理，其中Ii(t)和Qi(t)分別為帶通信號xi(t)的基帶同相和正交信號，P，N＝1，2，3…；
2)將每N路信號基于時分復用的法則混疊成一路信號，采用P個采樣電路，每個采樣電路對經過調理后的N路信號進行時分復用帶通采樣，使得每路信號的采樣輸出為{Ii，-Qi，-Ii，Qi，Ii…}或{Ii，Qi，-Ii，-Qi，Ii…}序列，各采樣電路的輸出形成P組數(shù)據(jù)流；
3)對步驟2)輸出的序列進行周期性符號反轉，使之補償成為{Ii，Qi，Ii，Qi，Ii…}序列；
4)對于選取的波束方向，確定各路信號波前對齊所需要的延時；
5)把從步驟3)輸出的包含N路信號的每一組數(shù)據(jù)流分別輸入到單個級聯(lián)結構多通道FIR濾波器，一次性完成與信號匹配的低通濾波、內插延時和相位旋轉，輸出各路信號經延時補償至波前對齊的基帶復包絡同相和正交分量，同時完成樣本抽取，濾波器系數(shù)由信號匹配低通濾波系數(shù)、對應信號同相和正交分量的兩組內插系數(shù)和以及相位旋轉系數(shù)合成，內插系數(shù)由補零內插波束形成方法中獲取各路信號對應延時內插點的低通濾波系數(shù)確定，產生各路信號延時至波前對齊的基帶同相和正交輸出的濾波系數(shù)viT、wiT以及相應的輸出IDi(nTO)、QDi(nTO)分別為
其中xi是第i路信號序列，τi是該路信號的延時，TO是復包絡信號的輸出采樣周期；
6)對從步驟5)中P個濾波器輸出的經過延時補償至波前對齊的P×N路基帶復包絡信號進行波束求和，序列輸出基帶上選定方向波束形成的結果；
7)對所有選定的波束方向執(zhí)行步驟4)到步驟6)，序列輸出基帶上各方向波束形成的結果。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種寬帶時域數(shù)字波束形成方法，其特征在于所述的步驟3)合并到步驟5)中執(zhí)行。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種寬帶時域數(shù)字波束形成方法，其特征在于所述的時分復用帶通采樣步驟
a)在符合帶通信號采樣準則的前提下設置每路信號的采樣頻率為接收帶通信號中心頻率的4/(4k+1)倍或者4/(4k+3)倍，其中k＝0，1，2…，使得每路信號的采樣輸出為{Ii，-Qi，-Ii，Qi，Ii…}或{Ii，Qi，-Ii，-Qi，Ii…}序列，自然實現(xiàn)信號的解調；
b)每個采樣電路總的采樣頻率為接收帶通信號中心頻率的4N/(4k+1)倍或者4N/(4k+3)倍，其中k＝0，1，2…。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種寬帶時域數(shù)字波束形成方法，其特征在于所述的內插系數(shù)的求取方法該系數(shù)是從補零內插方法的低通濾波系數(shù)中獲取的。內插等價于對補零信號進行線性時不變?yōu)V波，通過內插將一個序列轉換到一個較高的等效采樣頻率的內插序列，進行D倍的補零內插首先要在原始序列x(n)相鄰兩采樣點之間等間隔插入(D-1)個零值點，然后對補零后的序列xp(n)進行低通濾波，得到內插序列xD(n)
對應于某一個內插點xD(n)的插值系數(shù)只要選擇計算該內插點時對應原始信號的低通濾波系數(shù)h(n-rD)(-∞＜r＜+∞)，即為對應該延時的一個內插系數(shù)組。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種寬帶時域數(shù)字波束形成方法，其特征在于所述的延時補償?shù)膬炔妩c的選取不僅補償信號到達各個接收陣元產生的相對延時，還補償因對各接收陣元采用時分復用采樣所引入的采樣相對延時。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種寬帶時域數(shù)字波束形成方法，其特征在于所述的濾波系數(shù)的求取方法
c)該系數(shù)的確定包含對應信號同相和正交分量的兩組內插、相位旋轉計算與信號匹配低通濾波的級聯(lián)實現(xiàn)；
d)若設計該內插系數(shù)的幅頻特性和信號匹配，則在內插延時的同時完成了與信號匹配的低通濾波，無需進行實際的級聯(lián)計算。
7.根據(jù)權利要求1所述的一種寬帶時域數(shù)字波束形成方法，其特征在于所述的級聯(lián)結構多通道FIR濾波器
e)由信號重組模塊和若干個子濾波模塊組成；
f)子濾波模塊個數(shù)由總的濾波階數(shù)和子濾波模塊的階數(shù)共同確定；
g)子濾波模塊的階數(shù)2M，為原始信號采樣頻率與濾波器輸出信號采樣頻率之比，其中M＝1，2，3…，濾波器輸出信號采樣頻率由信號基帶帶寬確定，一般選為基帶帶寬的2到4倍；
h)每個子濾波模塊分別對每路信號完成2M階的濾波計算，濾波器輸出信號的采樣頻率等于原始信號采樣頻率的1/2M；
i)濾波過程中采樣信號從第一級子濾波模塊依次流向最后一級子濾波模塊，子濾波模塊對每一個通道的濾波計算則從最后一級子濾波模塊開始，并把每一個通道的濾波結果依次往前一級子濾波模塊傳遞，在后一級子濾波模塊輸出某一通道信號的濾波結果到前一級子濾波模塊之后，前一級子濾波模塊開始該通道信號的濾波，最終在第一級子濾波模塊處完成整個濾波計算，輸出濾波結果。
8.根據(jù)權利要求7所述的一種寬帶時域數(shù)字波束形成方法，其特征在于所述的級聯(lián)結構多通道FIR濾波器
j)所述的信號重組模塊把按采樣所得的N路信號混疊排列順序轉換成2M個同一通道的信號連續(xù)排列的順序并依次輸出，重組后的采樣信號輸入到第一級子濾波模塊數(shù)據(jù)RAM的輸入端；
k)所述的子濾波模塊包括一個共用的存儲采樣信號的雙端口數(shù)據(jù)RAM以及兩套分別獨立的存儲系數(shù)的雙端口系數(shù)RAM一、乘法器一、加法器一、二路選擇器一和系數(shù)RAM二、乘法器二、加法器二、二路選擇器二，分別進行對應兩組濾波系數(shù)的濾波，其中數(shù)據(jù)RAM分段連續(xù)存儲每個通道的2M個采樣信號，系數(shù)RAM一、二分別分段連續(xù)存儲和采樣信號對應的每個通道的2M個濾波系數(shù)，計算同相分量的第一套系數(shù)RAM、乘法器、加法器和二路選擇器的設置如下乘法器一的兩個輸入端連接數(shù)據(jù)RAM和系數(shù)RAM一的輸出端，完成采樣信號和對應濾波系數(shù)的乘積，并把乘積結果輸出至加法器一，乘法器一的輸出端和二路選擇器一的輸出端連接到加法器一的兩個輸入端，加法器一的輸出端同時連接到本級與前一級二路選擇器一的輸入端，本級二路選擇器一的兩個輸入端分別連接本級和后一級加法器一的輸出端，最后一級二路選擇器一的兩個輸入分別是本級加法器一的輸出和常數(shù)零，加法器一和二路選擇器一協(xié)同工作，在每路通道信號濾波的第一個周期二路選擇器一選通后一級加法器一的輸出同本級乘法器一的輸出相加，如此完成最后一級子濾波模塊至本級子濾波模塊濾波結果的累加，在剩余周期內二路選擇器一全部選通本級加法器一的輸出同乘法器一輸出進行相加；計算正交分量的第二套系數(shù)RAM、乘法器、加法器和二路選擇器的設置和第一套相仿。
9.根據(jù)權利要求7所述的一種寬帶時域數(shù)字波束形成方法，其特征在于所述的級聯(lián)結構多通道FIR濾波器
l)采用時分復用的結構，N個數(shù)據(jù)通道共享同一濾波器；
m)濾波器時鐘與多路復用的采樣電路時鐘一致，濾波器每一時鐘周期內處理一路信號的一個數(shù)據(jù)，使得N路數(shù)據(jù)總的處理時間與N路數(shù)據(jù)總的采樣時間相等，除了在輸入與輸出之間加入一固定的延時外，實現(xiàn)N路數(shù)據(jù)的實時處理。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種寬帶時域數(shù)字波束形成方法。該方法包括時分復用帶通采樣、正交解調、低通濾波、內插延時與相位旋轉以及波束求和等步驟。本發(fā)明的波束形成方法著重于用單個采樣電路對多路帶通信號進行時分復用采樣，用FIR濾波器一次性完成與信號匹配的低通濾波、內插延時和相位旋轉，實現(xiàn)真正的延時波束形成。在濾波的執(zhí)行方式上，公開了一種級聯(lián)結構的多通道FIR濾波器，同一通道信號的濾波在不同的子濾波模塊中級聯(lián)完成，不同通道信號共享同一濾波模塊，濾波輸出的同時完成樣本抽取，適合于在ASIC或FPGA中實現(xiàn)，較傳統(tǒng)濾波器執(zhí)行節(jié)省大量邏輯資源。
文檔編號H01Q21/00GK101304404SQ20081006263
公開日2008年11月12日 申請日期2008年6月27日 優(yōu)先權日2008年6月27日
發(fā)明者文 徐, 陳其璋, 夏夢璐 申請人:浙江大學