摘要：阐述了数字波束形成(DBF)的基本原理，为了实现波束在特定方向具有抗干扰特性，深入研究了谢昆诺夫多项式零陷形成算法。在此基础上，利用System Generator对数字波束形成系统进行建模，将四元阵数字波束的零陷形成进行算法实现。给出了仿真结果，为下一步的硬件实现提供了一定的参考。

　　关键词：数字波束形成 谢昆诺夫多项式 System Generator 零陷形成

　　Abstract：This paper explained the basic theory of DBF (digital beam forming) .In order to make the beam pattern resist the interference from the special direction, the nulls placement technology based on Schelkunoff polynomial method is deeply studied. Then the model of BDF system is realized with System Generator, and the simulation of 4 elements linear array DBF nulls placement is carried out .The simulation result is given and offered a certain reference in the implement of the hardware.

　　Key words digital beam forming; Chelkunoff polynomial; System Generator; nulls placement

　　1引言

　　与传统天线阵比较，DBF天线系统的波束具有灵活性、可重构性、抗干扰特性，而这些特性的实现是不需要传统的移相器和可变的功率放大器的。除此之外，DBF还能在没有复杂的射频馈电分布网络的条件下实现多波束功能。其实质是对来自不同方向的来波信号进行滤波，相当于一个空域滤波器。对于几何分布一定的天线阵而言，DBF滤波功能的实现是通过控制权值来实现的。

　　System Generator是一个算法级的设计工具。在以FPGA为核心器件设计信号处理系统时，可以使用XILINX System Generator for DSP在MATLAB/Simlink的环境下建立数字信号处理系统的抽象算法，并将之转化为可靠的硬件实现，它是数字信号处理系统设计与XINLINX FPGA实现的”桥梁”。实现的具体过程为：在Simlink提供运行环境中进行图形化设计与仿真，完成算法的建模，然后生成相应的工程，ISE可对工程进行仿真和综合，最后完成算法的硬件化。其中的过程是反复迭代修正的。而这些过程的完成System Generator是其中不可或缺的纽带。

　　2 DBF的基本原理及组成

　　2.1DBF基本原理

　　数字波束形成技术是对数字基带信号的加权技术。通过不同的权值系数控制阵列输出，达到天线的最大波束方向指向期望方向，零陷方向对准干扰方向，副瓣电平处于一定水平等目的。其原理框图如图1所示：

　　图1 DBF原理框图

其中，是每路信号相应的加权权系数，设各个阵元接收的信号为，那么经过加权求和后的输出信号为：

　　数字波束形成器主要有两个部分组成，一个是权值控制器，在这个模块中根据某种准则完成权值系数的计算与控制;另一个是各个信号加权模块，这个模块的作用就是完成数字基带信号与权系数的相乘，求和进而得到波束信号。

　　2.2基于DBF的接收机系统组成

　　结合上面DBF的基本原理，下面给出基于DBF的接收机的系统组成，其组成框图如图2所示。

　　图2 DBF接收机原理框图

　　其中LAN是低噪声放大器，RF Translator是射频变换部分，ADC是模数转换器实现模拟信号到数字信号的转换，将信号变成数字信号，DDC(数字下变频)是数字域的频率变换，将数字信号转换成数字基带信号。DSP模块功能是实现权值的产生与更新以及将输入的数字基带的信号与权值进行相乘，即完成权值控制和空域滤波的功能，这是DBF的核心器件。

　　3基于System Generator的DBF接收机系统的建模与仿真

　　根据以上的分析结果在Simulink环境下利用System Generator对四元线阵接收机系统进行建模，其数字波束形成部分框图如图3所示：

　　图3 数字波束形成建模框图

进行建模后根据谢昆诺夫多项式的方法确定出零陷形成的相应权值，将其量化后写入Constant模块中。系统的仿真是用信息信号(正弦信号)乘以频率相同相位不同的信号作为各个阵元的接收信号，在仿真开始时各个阵元的相位差等效于来波信号从天线阵的端射方向进入。当仿真运行时，各个阵元的载波相移差不断地变化等效为输入信号来自不同的入射方向，当仿真结束时信号不同阵元的输入信号等效为从另一端射方向入射。整个仿真过程相当于将信号进行了~的扫描，通过接收来自不同方向的信号来验证理论结果。

　　4仿真结果

仿真条件：载波频率为5.25GHz，中频频率为3MHz，输入信号带宽为2MHz，阵元数N=4，阵元间距。

下面给出利用谢昆诺夫多项式方法得到零陷点处于，，的方向图，如图4所示。图6，图5分别为在System Gennerator的仿真下数字波束形成器的同相支路和正交支路的输出，以及仿真得到的方向图。从方向图可以看出在来波信号，，方向形成了零陷对该方向的干扰起到了抑制作用，通过仿真验证了结论。

　　图4 理想四元线阵零陷方向图

图5 仿真四元线阵零陷方向图 I路，Q路波形输出