高速率深空通信中天線組陣關鍵技術的研究.pdf

1、近年來,隨著人類對電磁波傳播理論的深入研究,以及對深空探測活動的不斷探索,天線組陣技術由于其低成本、高性能、高可靠性以及高靈活度等諸多優(yōu)點,受到了中外學者的廣泛關注,在高速率深空通信中具有良好的應用前景。本文在對國內外天線組陣研究現狀進行總結后,分析了在高速率深空通信中實現天線組陣的關鍵難點;針對其通信頻帶內的相位特性,研究了子頻帶分割與接收信號重建技術;并在進一步完善了經典相關算法理論體系后,提出了新的高性能自適應相關算法;最終設計出

2、了適用于高速率深空通信的天線組陣仿真系統(tǒng);另一方面,針對可用于天線組陣原理樣機的功分器與阻抗變換器進行了深入研究。本文所取得的主要研究成果為如下:
　　1.在高速率深空通信中實現天線組陣的關鍵難點。經過系統(tǒng)的分析、推導與研究,得出了本課題中所需解決的關鍵問題與技術難點主要包括:在極低接收信噪比條件下快速、準確的獲得各接收信號間的相位關系;消除在通信頻帶內上述相位值分布的2π模糊現象,及其引起的時延計算值錯誤;降低由時延校正殘余量帶

3、來的頻帶內相位滑動現象,及其導致的信號間相關性下降。
　　2.子頻帶分割與接收信號重建技術在天線組陣中的應用。針對天線組陣中高速率寬帶信號合成面臨的2π模糊和相位滑動現象,論述了子頻帶分割技術在天線組陣中的應用原理,通過理論分析與推導得出了不同條件下滿足信號合成要求所需的子頻帶數目,并提出了相應子頻帶分割方法所能實現的時延差校正范圍。然后,將多相濾波器組信道器應用于對接收信號的分割與重建中,設計了可重建的512路信道分解器與合成器

4、,實現了對連續(xù)頻譜信號進行有效的頻帶分割與重建,并通過仿真實驗對比了不同子頻帶數目下對于QPSK調制信號的重建誤差以及對子頻帶相位信息完成解卷繞后系統(tǒng)的時延差校正能力。
　　3.經典相關算法理論體系的完善。首先,推導出了Matrix-Free算法的合成性能估算公式,并與文獻中 SUMPLE算法的合成性能估算公式做對比,得出Matrix-Free算法在相同條件下的合成損失低于SUMPLE算法。然后,通過引入天線陣接收信號的協(xié)方差矩陣

5、,推導出了SUMPLE算法收斂速率的依賴關系,得出在相同條件下SUMPLE算法比Matrix-Free算法擁有更快的收斂速度。
　　4.高性能相關算法的研究。首先,通過分析 Matrix-Free算法和SUMPLE算法在運行過程中權值更新量方差的特性,找到了其隨迭代計算過程運行的變化趨勢,并給出了兩種算法的權值更新量方差的估計方法。然后,通過引入 Sigmoid函數,以權值更新量方差作為引導參數,提出了一種高性能的自適應相關算法。

6、在不增加運算空間復雜度的情況下,SVS-MF算法具有與Matrix-Free算法接近的合成效率以及與SUMPLE算法接近的收斂速度,從而具有最優(yōu)的綜合性能。
　　5.參數化天線組陣技術仿真系統(tǒng)的研究。提出了適用于高速率深空通信中天線組陣技術的信號合成方案,并基于SVS-MF相關算法以及子頻帶分割與重建技術設計了參數靈活可調的天線組陣仿真系統(tǒng)。在進行了大量仿真試驗后得出,通過設置適當的相關平均間隔,仿真系統(tǒng)可以針對不同的組陣形式在極