[发明专利]一种高效时域宽带波束形成电路及方法

说明书

本发明公开了一种采用级联FIR横向滤波结构的高效时域宽带波束形成电路，由N个通道延时和均衡模块、1个数据合成模块以及1个数字低通滤波和通道均衡器系数计算模块组成。其中，每个通道延时和均衡模块，由可变整数/分数延时模块、数字下变频模块、数字低通滤波和通道均衡一体化模块组成。本发明通过联合优化数字下变频低通滤波器和通道均衡滤波器的系数，仅使用一个可变系数FIR滤波器实现两者功能，有效减少资源消耗。本发明采用级联FIR横向滤波结构，通过延时功能前置和FIR滤波器联合优化技术，有效降低了资源消耗，高效地实现了时域宽带波束形成和通道均衡功能，可以广泛应用于雷达宽带数字波束形成、麦克风阵列和声纳阵列等系统。

技术领域

本发明属于宽带阵列信号处理领域，特别是一种采用级联FIR横向滤波结构的高效时域宽带波束形成电路及方法。

背景技术

数字波束形成是指利用放置在空间不同位置的多个传感器，构成传感器阵列，对信号进行采集，然后通过数字波束形成算法在数字域形成期望方向图，在空域提高有用信号质量，抑制干扰信号。

数字波束形成的基本原理是控制信号在阵内的延时以抵消来自不同方向的信号在空间的延时，以使各阵元间的信号能够同相相加，从而获得波束指向和方向增益。由于传统的数字阵列系统大多是收发频率变化相对很小的窄带系统，因此可以采用相位控制来近似代替延时控制。但对于宽带的数字阵列系统，如果仍然沿用以相位控制来近似代替延时控制的技术手段，那么在较大频带范围内同一相位对应的延迟时间就会相差较大，信号产生的阵内延时就不能在整个带宽内抵消信号的空间延时，从而使天线的波束指向发生偏移，使天线的方向增益下降，在宽角扫描时更为严重。这种现象在相控阵天线中被称为孔径效应，解决孔径效应的方法就是采用直接的延时控制来代替间接的相位控制。

宽带数字阵列系统工作带宽较大，要求阵列天线及各射频组件具有较大的带宽。模拟器件及其构成的电路特性的差异会使通道产生随频率变化的幅度和相位特性不一致，通常称为通道失配。通道失配是宽带数字阵列雷达的一种重要误差，会对宽带数字波束形成(Wideband digital beamforming,简称WDBF)、脉冲压缩、旁瓣对消等产生较大的影响，需要在每个通道内插入通道均衡滤波器来补偿这种与频率有关的幅相误差。

现有基于时域延时的宽带数字波束形成电路及方法，一般针对固定波束指向的宽带波束形成应用，无法快速和灵活的调整波束指向，且没有考虑与通道均衡技术的联合优化实际问题，结构复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种采用级联FIR横向滤波结构的高效时域宽带波束形成电路及方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种采用级联FIR横向滤波结构的高效时域宽带波束形成电路，包括N个通道延时和均衡模块、1个数据合成模块以及1个数字低通滤波和通道均衡器系数计算模块，所述N个通道延时和均衡模块均与数据合成模块相连，将处理后的数据传输给数据合成模块，每个通道延时和均衡模块均包括依次相连的可变整数/分数延时模块、数字下变频模块、数字低通滤波和通道均衡一体化模块，可变整数/分数延时模块将延时后的数据传输给数字下变频模块，数字下变频模块将正交基带数据传输给数字低通滤波和通道均衡一体化模块，其中，数字下变频模块还将数据传输给数字低通滤波和通道均衡器系数计算模块，数字低通滤波和通道均衡器系数计算模块将计算出的滤波器系数传输给数字低通滤波和通道均衡一体化模块。

一种基于上述电路的工作方法，包括三种工作模式，分别为：初始化模式、通道均衡模式和正常工作模式，其中初始化模式包括以下步骤：

步骤1、根据设定的延时精度和带宽内延时误差，确定Farrow滤波器的系数，置入可变整数/分数延时模块的可变分数延时Farrow滤波器的固定系数；

步骤2、将数字低通滤波和通道均衡一体化模块的可变FIR滤波器系数置为P阶数字低通滤波器的系数；

步骤3、将可变整数/分数延时模块的时钟周期整数倍和分数倍延时置为0；