導航抗干擾接收機中通道誤差的影響及校準方法

李　強，王　昊

(南京理工大學，江蘇 南京 210094)

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導航抗干擾接收機中通道誤差的影響及校準方法

李強，王昊

(南京理工大學，江蘇 南京 210094)

摘要：針對導航抗干擾天線陣列的通道間幅相誤差對抗干擾性能的影響問題，分析了接收機部分幅相誤差的形成原因。并通過Matlab軟件分析了在單通道存在幅相誤差和多通道均有幅相誤差的情況下，對抗干擾性能進行仿真，總結(jié)了不同幅相誤差造成的影響。最后給出了在數(shù)字處理部分校準通道幅相誤差的方法，該方法只需在測試或組裝前進行一次校準操作即可。給出的仿真結(jié)果證明了該方法的能夠有效校準通道的幅相。

關(guān)鍵詞：抗干擾;通道誤差;導航;FFT校準

0引言

導航接收部分，主要是通過處理各路通道接收的數(shù)據(jù)，提取出幅度和相位信息，通過空時算法算出權(quán)值，使方向圖上的零陷對準干擾，實現(xiàn)濾波及抑制空間干擾[1]。然而天線與數(shù)字處理部分的通道誤差卻使得零陷偏移干擾方向，降低了抗干擾的性能。因此，研究幅相誤差對自適應陣列性能的影響是自適應陣列在應用中首先要考慮的問題[2,3]。

結(jié)合目前做的導航抗干擾項目中遇到的幅相誤差在未校準情況下，搜星和抗干擾效果不理想，首先分析了幅相誤差對LCMV算法產(chǎn)生的零陷的影響，最后提出了一種輔助信號源[4]，在數(shù)字部分做一次FFT校準，將校準值寫入存儲器，以后可以直接調(diào)用，不需要再校準。同時也避免了對人力、物力資源的需求，有精確、簡單和靈活的優(yōu)點。

1通道誤差分析

1.1誤差來源

在導航抗干擾接收機系統(tǒng)中，由于從接收陣元到數(shù)字處理部分還有濾波器、低噪放、射頻端以及各部分間的連線，最終影響各通道間信號的幅度、相位和群時延。其中群時延的誤差會通過角頻率的作用體現(xiàn)在相位誤差上，因此影響波束性能的主要因素可以歸結(jié)為幅度誤差和相位誤差[5]。北斗導航抗干擾接收機系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　導航抗干擾接收機系統(tǒng)圖

1.2誤差模型

考慮4元圓陣，間距為d，Γ為通道幅相不一致系數(shù)矩陣，n(t)為通道噪聲向量。為了方便對比，下面的仿真使用一個干擾信號，其復包絡(luò)為J(t)，導向矢量為A0。則用向量形式表示的接收數(shù)據(jù)模型為：X(t)=ΓA0J(t)+n(t)。

式中，Γ=diag[r1,r2,r3,r4]，其中令ri=Aiejφi，Ai、φi分別表示第i個通道的幅度誤差和相位誤差[6,7]。

2對抗干擾的影響

本文中的天線陣列為4元圓陣，陣元間距為半波長。方向圖的主要性能指標包括：零陷增益、零陷方位角和零陷對應的頻率等[8]。為了更清晰地對比誤差對抗干擾的效果，下面將分單通道誤差和多通道不一致的誤差來分析。

2.1單通道誤差及影響

本系統(tǒng)總共有4路通道，在Matlab中測試第2路的幅度相位誤差對整個系統(tǒng)抗干擾性能的影響。先用Matlab產(chǎn)生方向為(20,20)的點頻干擾，用空時算法算出權(quán)值[9]，并用方向圖乘積定理畫出三維方向圖。

對比了在以下4種情況下的抗干擾零陷效果：沒有誤差、僅有幅度誤差(90%)、僅有相位誤差(5°)以及同時有幅相誤差(90%，5°)的情況如圖2所示。

圖2　幅相誤差抗干擾效果對比圖

由圖2可得到：單通道幅度誤差會使零陷發(fā)散，且深度變淺；單通道相位誤差會使零陷角度偏移，且深度變淺；單通道幅相都有誤差會使零陷偏移發(fā)散，嚴重影響抗干擾效果。

2.2多通道誤差及影響

為了觀察多通道幅相誤差情況下，抗干擾的效果，在Matlab里仿真通道誤差，隨機產(chǎn)生一個誤差矩陣：

這時還用(20,20)的干擾來對比，4路通道的幅相誤差用模型Γ，產(chǎn)生的零陷如圖3所示。

圖3　多通道幅相誤差抗干擾效果圖

由圖3可以看出，當多通道存在多通道的幅相誤差時，零陷已經(jīng)嚴重變形，位置已經(jīng)偏移了干擾方向，零陷的深度也已經(jīng)變淺。并且在項目實測過程中，如果不校準，則搜星效果很差。

3FFT校準法

3.1FFT校準原理

為了正確獲取4路信號到達數(shù)字板的幅度和相位，采用“頻率重心校正法”，對4路信號各自做FFT，求出準確的頻率、幅度和相位[9]。然后再由數(shù)字處理部分按照各路通道的幅相差值，生成一個校正矩陣B=diag[b1,b2,b3,b4]，并在導航模式下，所有通道的信號進入數(shù)字處理部分時，便進行幅相校準。

3.2校準實際操作

在成品安裝完成后，通過在陣元正上方放置一個信號源[10]，保證到達四陣元的幅相一致。此時在數(shù)字板抗干擾處理部分，對FPGA發(fā)送命令，切換為校準模式，將接收到的4路128快拍數(shù)據(jù)分別做FFT，算出各路信號的幅度和相位，以第一路信號為基準，算出其他各路信號與第一路的差值，得到校準矩陣B。

3.3校準后的效果

為了更直觀地觀察性能，所采用的誤差矩陣為2.2節(jié)中多通道誤差的矩陣，經(jīng)過校準程序后，得到校準矩陣為：

該校正算法可以將法線方向的信號校準為等幅同相。經(jīng)仿真測試，帶入校準矩陣后，能夠恢復理想情況下的抗干擾效果如圖4所示，并且在實測中，加入了多個干擾信號，如果幅相誤差不進行校準，則抗干擾效果不理想。在通道校準后的抗干擾后，電腦終端從接收機接收到的衛(wèi)星導航信息，觀察到了搜星能達到不錯的抗干擾效果如圖5所示。

圖4　校準后的Matlab抗干擾方向圖

圖5　校準后的搜星效果圖

4結(jié)束語

陣列天線的通道一致性是陣列天線進行導航抗干擾的前提，通道間的誤差因素將直接影響零陷的角度和深度，進而影響抗干擾的效果。從仿真和實測效果可以看出，本文討論并實現(xiàn)了一種通道幅相一致性校準方法，通過該方法充分保證了多通道數(shù)據(jù)的幅相一致性。

參考文獻

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[10]李彩菊，賈云東，李亞安.基于單輔助源的陣列幅相誤差校正方法[J].探測與控制學報，2009(S1):37-39.

Effect of Amplitude-and-Phase Errors on the Performance of Anti-jamming Antennas and Its Channel Calibration

LI Qiang,WANG Hao

(Nanjing University of Science and Technology,Nanjing Jiangsu 210094,China)

Abstract：For Navigation channel interference between the antenna array amplitude and phase errors on the impact of anti-jamming capability,the causes of amplitude-and-phase errors in receiver portion is analyzed.And Matlab software is used for anti-jamming performance simulation in case of single-channel and multi-channel amplitude and phase errors,and the effect of different amplitude and phase errors is also summarized.Finally,the method in the digital processing section for calibration channel is proposed,which just need one calibration operation prior to testing or assembling.Simulation results prove that the method of amplitude and phase provide an effective calibration for channel amplitude and phase.

Key words：anti-jamming;amplitude-and-phase;Navigation Satellite System;FFT calibration

中圖分類號：TN957.8

文獻標識碼：A

文章編號：1003-3114(2016)02-77-3

作者簡介：李強(1991—)，男，碩士研究生，主要研究方向：衛(wèi)星導航、互耦補償。王昊(1980—)，男，副研究員，主要研究方向：電磁場與電磁波、微帶天線。

收稿日期：2015-10-20

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.20

引用格式：李強，王昊.導航抗干擾接收機中通道誤差的影響及校準方法[J].無線電通信技術(shù),2016,42(2):77-79.