夏雙志，申建平，趙忠萍

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；

2.西安衛(wèi)星測(cè)控中心，陜西 西安 710043)

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大規(guī)模天線組陣SUMPLE合成算法分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法

夏雙志1，申建平2，趙忠萍1

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；

2.西安衛(wèi)星測(cè)控中心，陜西 西安 710043)

摘要對(duì)于大規(guī)模天線組陣系統(tǒng)，為了便于SUMPLE合成算法的硬件實(shí)現(xiàn)，提出了大規(guī)模天線組陣SUMPLE合成算法分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法。提出的分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法將所有天線分為若干天線組，各天線組計(jì)算組內(nèi)信號(hào)權(quán)值并對(duì)組內(nèi)信號(hào)進(jìn)行合成，之后各天線組將合成的信號(hào)傳輸至下一級(jí)繼續(xù)進(jìn)行合成處理。計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)表明，提出的分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法極大地降低了需要同時(shí)傳輸至信號(hào)合成器的信號(hào)路數(shù)，極大地降低了單個(gè)信號(hào)處理設(shè)備的計(jì)算復(fù)雜度，便于大規(guī)模天線組陣SUMPLE合成算法的硬件實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞天線組陣；信號(hào)合成；SUMPLE算法；分級(jí)實(shí)現(xiàn)

0引言

在深空探測(cè)任務(wù)中，天線組陣是提高接收信號(hào)信噪比的有效手段[1-4]。天線組陣常用的合成算法主要包括SIMPLE算法、SUMPLE算法、EIGEN算法和最小二乘算法；其中，SUMPLE算法由于硬件實(shí)現(xiàn)較為簡(jiǎn)單，運(yùn)算量合理，合成效率高，成為天線組陣中信號(hào)合成最重要算法之一[5-15]。

對(duì)于大規(guī)模天線組陣系統(tǒng)，SUMPLE合成算法需要將各天線接收信號(hào)與由其他所有天線接收信號(hào)的加權(quán)和進(jìn)行互相關(guān)，迭代地進(jìn)行權(quán)值計(jì)算，進(jìn)而對(duì)各天線接收信號(hào)進(jìn)行合成。可以看出，對(duì)于大規(guī)模天線組陣系統(tǒng)，直接應(yīng)用SUMPLE合成算法，需要將所有天線接收信號(hào)同時(shí)傳輸至信號(hào)合成器，信號(hào)合成器需要同時(shí)對(duì)所有天線接收信號(hào)進(jìn)行權(quán)值計(jì)算和合成處理。當(dāng)天線組陣系統(tǒng)規(guī)模較大時(shí)，受限于通信鏈路的帶寬，很難將所有天線的接收信號(hào)同時(shí)傳輸至信號(hào)合成器；受限于單個(gè)信號(hào)處理設(shè)備的處理能力，信號(hào)合成器也很難同時(shí)對(duì)所有天線接收信號(hào)進(jìn)行權(quán)值計(jì)算和合成處理；由此，限制了SUMPLE合成算法在大規(guī)模天線組陣系統(tǒng)中應(yīng)用。

對(duì)于大規(guī)模天線組陣系統(tǒng)，本文提出了SUMPLE合成算法的2種分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法。提出的2種分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法將所有天線分為若干天線組，首先對(duì)天線組內(nèi)的天線接收信號(hào)進(jìn)行合成，之后將合成的信號(hào)傳輸至下一級(jí)繼續(xù)進(jìn)行合成處理；避免了將所有天線接收信號(hào)同時(shí)傳輸至信號(hào)合成器，極大地降低了需要同時(shí)傳輸至信號(hào)合成器的信號(hào)路數(shù)；避免了信號(hào)合成器同時(shí)對(duì)所有天線接收信號(hào)進(jìn)行權(quán)值計(jì)算和合成處理，極大地降低了單個(gè)信號(hào)處理設(shè)備需要進(jìn)行權(quán)值計(jì)算和信號(hào)合成的信號(hào)路數(shù)；便于大規(guī)模天線組陣SUMPLE合成算法的硬件實(shí)現(xiàn)。

1SUMPLE合成算法基本原理

設(shè)定天線組陣系統(tǒng)由N個(gè)天線組成，各天線接收信號(hào)可以表示為：

Sik=sik+nik,i=1,2,…,N。

(1)

式中，下標(biāo)k和i分別表示時(shí)間序號(hào)和天線序號(hào)；sik、nik和Sik分別表示第i個(gè)天線k時(shí)刻的信號(hào)、噪聲和含有噪聲的信號(hào)。

SUMPLE合成算法將每個(gè)天線接收信號(hào)與由其它所有天線接收信號(hào)的加權(quán)和進(jìn)行互相關(guān)，迭代地計(jì)算復(fù)權(quán)值，進(jìn)而對(duì)各天線接收信號(hào)進(jìn)行合成；復(fù)權(quán)值通常以0相位單位矢量開(kāi)始，每次迭代后，前一次計(jì)算的復(fù)權(quán)值被新的權(quán)值取代，所有天線最終收斂到一個(gè)共同相位；SUMPLE合成算法的收斂速度與每次迭代的符號(hào)數(shù)，天線數(shù)量和各天線輸入信噪比有關(guān)，一般經(jīng)過(guò)數(shù)次迭代就能夠收斂[4,7~10]。各天線復(fù)權(quán)值按照下式迭代計(jì)算[4]：

(2)

式中，下標(biāo)K表示迭代序號(hào)；WjK+1表示第K+1次迭代第j個(gè)天線的復(fù)權(quán)值；NC表示在一次迭代計(jì)算過(guò)程中積分采樣點(diǎn)數(shù)；上標(biāo)*表示復(fù)共軛；RK+1表示第K+1次迭代的歸一化系數(shù)，滿足如下條件：

(3)

計(jì)算得到權(quán)值后，合成的信號(hào)Ck可以表示為：

(4)

設(shè)定各天線信號(hào)信噪比相同，第K+1次迭代合成信號(hào)的信噪比SNRK+1可以表示為[4]：

(5)

式中，α為天線接收信號(hào)的信噪比；|s0|2表示天線接收信號(hào)的信號(hào)功率；歸一化系數(shù)RK+1滿足條件：

(6)

|n0|2表示各天線噪聲功率。

可以看出，直接應(yīng)用SUMPLE合成算法對(duì)多天線信號(hào)進(jìn)行合成，需要將N個(gè)天線接收的信號(hào)同時(shí)傳輸至信號(hào)合成器進(jìn)行處理，信號(hào)合成器需要同時(shí)對(duì)所有天線接收信號(hào)進(jìn)行權(quán)值計(jì)算和合成處理；當(dāng)天線陣規(guī)模較大時(shí)，很難將所有天線信號(hào)同時(shí)傳輸至信號(hào)合成器，信號(hào)合成器也很難同時(shí)對(duì)所有天線接收信號(hào)進(jìn)行權(quán)值計(jì)算和合成處理，進(jìn)而限制了SUMPLE算法在大規(guī)模天線組陣系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2SUMPLE合成算法的分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法

對(duì)于大規(guī)模天線組陣系統(tǒng)SUMPLE合成算法，為了避免將所有天線信號(hào)同時(shí)傳輸至信號(hào)合成器進(jìn)行處理，避免信號(hào)合成器同時(shí)對(duì)所有天線接收信號(hào)進(jìn)行權(quán)值計(jì)算和合成處理，便于SUMPLE合成算法的硬件實(shí)現(xiàn)，本文提出了SUMPLE合成算法的2種分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法：全增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法和部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法。提出的2種分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法將所有天線分為若干天線組，首先對(duì)天線組內(nèi)的天線接收信號(hào)的權(quán)值進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)天線組的信號(hào)進(jìn)行合成，然后將合成的信號(hào)傳輸至下一級(jí)繼續(xù)進(jìn)行合成處理；由此避免了將所有天線信號(hào)同時(shí)傳輸至信號(hào)合成器，極大地降低了需要同時(shí)傳輸至信號(hào)合成器的信號(hào)路數(shù)，避免了信號(hào)合成器同時(shí)對(duì)所有天線接收信號(hào)進(jìn)行權(quán)值計(jì)算和合成處理，極大地降低了單個(gè)信號(hào)處理設(shè)備的計(jì)算復(fù)雜度，便于大規(guī)模天線組陣系統(tǒng)SUMPLE合成算法的硬件實(shí)現(xiàn)。

2.1　全增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法

在SUMPLE合成算法的全增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法中，將所有天線分成N2個(gè)天線組，每個(gè)天線組包含N1個(gè)天線；每個(gè)天線組僅將合成后的信號(hào)傳送給下一級(jí)；各天線組利用反饋的總合成信號(hào)進(jìn)行權(quán)值計(jì)算；SUMPLE合成算法的全增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法如圖1所示。

圖1　全增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法

從圖1中可以看出，SUMPLE合成算法的全增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法的處理步驟如下：

① 初始化所有天線接收信號(hào)的加權(quán)值；

② 各天線組進(jìn)行加權(quán)并合成；

③ 各天線組將合成的信號(hào)經(jīng)多級(jí)傳輸并合成得到總合成信號(hào)；

④ 將總合成信號(hào)反饋至各天線組；

⑤ 各天線組的天線利用反饋的總合成信號(hào)進(jìn)行權(quán)值計(jì)算；

重復(fù)步驟②~步驟⑤迭代并持續(xù)地對(duì)大規(guī)模組陣系統(tǒng)進(jìn)行信號(hào)合成。

參照?qǐng)D1，SUMPLE合成算法的全增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法的構(gòu)成如圖2所示。

圖2　全增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法構(gòu)成

在圖2中，信號(hào)處理設(shè)備主要完成權(quán)值計(jì)算和信號(hào)合成，信號(hào)傳輸合成設(shè)備主要完成信號(hào)的傳輸和合成。如圖1和圖2所示，設(shè)定：?jiǎn)蝹€(gè)信號(hào)處理設(shè)備能同時(shí)接收N1路天線信號(hào)和1路總合成信號(hào)，能計(jì)算N1路天線權(quán)值和對(duì)N1路天線信號(hào)進(jìn)行合成，能傳送1路天線組合成信號(hào)；單個(gè)信號(hào)傳輸合成設(shè)備能同時(shí)接收N3路合成信號(hào)和1路總合成信號(hào)，能對(duì)N3路合成信號(hào)進(jìn)行合成，能同時(shí)傳送N3路總合成信號(hào)和1路合成信號(hào)。由此，對(duì)由N個(gè)天線組成的大規(guī)模天線組陣系統(tǒng)，共需要1級(jí)信號(hào)處理設(shè)備，需要的信號(hào)處理設(shè)備數(shù)目NS1=ceil(N/N1)，其中，函數(shù)ceil()表示向上取整；需要第1級(jí)信號(hào)傳輸合成設(shè)備的數(shù)目NT1=ceil(NS1/N3)；如果NT1=1，則只需要1級(jí)信號(hào)傳輸合成設(shè)備就可以完成所有天線組合成信號(hào)的傳輸和合成處理；如果NT1≥2，則需要第2級(jí)信號(hào)傳輸合成設(shè)備的數(shù)目NT2=ceil(NT1/N3)，依此類推判斷是否需要下一級(jí)信號(hào)傳輸合成設(shè)備。

在圖1和圖2所示的SUMPLE合成算法的全增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法中，各天線組將合成后的信號(hào)傳送至下一級(jí)；總合成信號(hào)反饋至各天線組；在各天線組天線計(jì)算權(quán)值過(guò)程中，利用了所有天線合成的信號(hào)，相比于直接應(yīng)用SUMPLE合成算法，總合成信號(hào)沒(méi)有信噪比損失，可以按照式(5)計(jì)算總合成信號(hào)信噪比；對(duì)于由N個(gè)天線組成的天線組陣系統(tǒng)，需要同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)路數(shù)為max(N1,N3)，遠(yuǎn)小于N；單個(gè)信號(hào)處理設(shè)備需要進(jìn)行權(quán)值計(jì)算和信號(hào)合成的信號(hào)路數(shù)為N1，遠(yuǎn)小于N。但是，對(duì)于SUMPLE合成算法的全增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法，需要增加總合成信號(hào)至各天線組的反饋，用來(lái)各天線權(quán)值計(jì)算。

2.2　部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法

在SUMPLE合成算法的部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法中，將所有天線分成N2個(gè)天線組，各天線組包含N1個(gè)天線；各天線組單獨(dú)應(yīng)用SUMPLE合成算法進(jìn)行合成，并將合成后的信號(hào)傳輸至下一級(jí)再一次進(jìn)行SUMPLE合成算法合成，得到總合成信號(hào)。

SUMPLE合成算法的部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法的構(gòu)成示意圖如圖3所示。

圖3　部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法構(gòu)成

如圖3所示，設(shè)定：?jiǎn)蝹€(gè)信號(hào)處理設(shè)備能同時(shí)接收N1路信號(hào)，能計(jì)算N1路權(quán)值和對(duì)N1路信號(hào)進(jìn)行合成，能傳送1路合成信號(hào)。由此，對(duì)于由N個(gè)天線組陣的大規(guī)模天線組陣系統(tǒng)，需要的第1級(jí)信號(hào)處理設(shè)備數(shù)目NS1=ceil(N/N1)；如果NS1=1，則只需要1級(jí)信號(hào)處理設(shè)備；如果NS1≥2，則需要的第2級(jí)信號(hào)處理設(shè)備數(shù)目NS2=ceil(NS1/N1)；依此類推判斷是否需要下一級(jí)信號(hào)處理設(shè)備。

從圖3中可以看出，對(duì)于SUMPLE合成算法的部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法，各天線組單獨(dú)應(yīng)用SUMPLE合成算法進(jìn)行合成時(shí)，僅僅利用本天線組的合成信號(hào)進(jìn)行權(quán)值計(jì)算，沒(méi)有利用總合成信號(hào)，相比于直接應(yīng)用SUMPLE合成算法，部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法總合成信號(hào)存在信噪比損失。

設(shè)定各天線信號(hào)信噪比相同，同式(5)，第c個(gè)天線組第K+1次迭代合成信號(hào)的信噪比SNRc,K+1可以表示為：

(7)

式中，c=1,2,…,N2；歸一化系數(shù)Rc,K+1滿足條件

(8)

將各個(gè)天線組單獨(dú)應(yīng)用SUMPLE合成算法合成后的信號(hào)再一次進(jìn)行SUMPLE合成算法合成得到總合成信號(hào)，總合成信號(hào)的信噪比SNRZ,K+1如下所示。

(9)

(10)

在如圖3所示的SUMPLE合成算法的部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法中，各天線組單獨(dú)應(yīng)用SUMPLE合成算法進(jìn)行合成，并將合成后的信號(hào)傳輸至下一級(jí)再一次進(jìn)行SUMPLE合成算法合成，得到總合成信號(hào)；對(duì)于由N個(gè)天線組成的天線組陣系統(tǒng)，需要同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)路數(shù)為N1，遠(yuǎn)小于N；單個(gè)信號(hào)處理設(shè)備需要進(jìn)行權(quán)值計(jì)算和信號(hào)合成的信號(hào)路數(shù)為N1，遠(yuǎn)小于N。對(duì)于SUMPLE合成算法的部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法，相比于直接應(yīng)用SUMPLE合成算法，總合成信號(hào)信噪比有損失，可以按照式(7)計(jì)算各天線組合成信號(hào)的信噪比，進(jìn)一步可以按照式(9)計(jì)算總合成信號(hào)的信噪比。對(duì)于SUMPLE合成算法的部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法，不需要增加反饋鏈路。

2.3　2種分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法比較

對(duì)于SUMPLE合成算法的全增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法，各天線組將合成后的信號(hào)傳送至下一級(jí)；總合成信號(hào)反饋至各天線組；在各天線組天線計(jì)算權(quán)值過(guò)程中，利用了所有天線合成的信號(hào)，相比于直接應(yīng)用SUMPLE合成算法，總合成信號(hào)沒(méi)有信噪比損失。對(duì)于由N個(gè)天線組成的天線組陣系統(tǒng)，需要同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)路數(shù)為max(N1,N3)，遠(yuǎn)小于N；單個(gè)信號(hào)處理設(shè)備需要進(jìn)行權(quán)值計(jì)算和信號(hào)合成的信號(hào)路數(shù)為N1，遠(yuǎn)小于N。SUMPLE合成算法的全增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法需要1級(jí)信號(hào)處理設(shè)備和多級(jí)信號(hào)傳輸合成設(shè)備；需要增加總合成信號(hào)至各天線組的反饋，不利于GPU等架構(gòu)的批數(shù)據(jù)處理模式實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于SUMPLE合成算法的部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法，各天線組單獨(dú)應(yīng)用SUMPLE合成算法進(jìn)行合成，并將合成后的信號(hào)傳輸至下一級(jí)再一次進(jìn)行SUMPLE合成算法合成，得到總合成信號(hào)，相比于直接應(yīng)用SUMPLE合成算法，總合成信號(hào)存在信噪比損失。對(duì)于由N個(gè)天線組成的天線組陣系統(tǒng)，需要同時(shí)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)路數(shù)為N1，遠(yuǎn)小于N；單個(gè)信號(hào)處理設(shè)備需要進(jìn)行權(quán)值計(jì)算和信號(hào)合成的信號(hào)路數(shù)為N1，遠(yuǎn)小于N。SUMPLE合成算法的部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法需要多級(jí)信號(hào)處理設(shè)備，不需要增加總合成信號(hào)至各天線組的反饋。

3算法仿真與分析

下面進(jìn)行數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)SUMPLE合成算法的2種分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法的性能進(jìn)行比較分析。設(shè)定天線組陣系統(tǒng)由100個(gè)天線組成，每個(gè)天線接收信號(hào)信噪比為-25 dB。在不同分組情況下，SUMPLE合成算法的2種分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法對(duì)應(yīng)總合成信噪比損失如圖4所示。

從圖4中可以看出，相比于直接應(yīng)用SUMPLE合成算法，SUMPLE合成算法的全增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法總合成信號(hào)沒(méi)有信噪比損失；SUMPLE合成算法的部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法總合成信號(hào)存在信噪比損失。不管是SUMPLE合成算法的全增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法還是部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法，當(dāng)積分點(diǎn)數(shù)增加時(shí)，合成信號(hào)信噪比損失減小；固定積分點(diǎn)數(shù)，全增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法的總合成信號(hào)信噪比損失小于部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法；全增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法總合成信號(hào)信噪比與各天線接收信號(hào)信噪比、天線個(gè)數(shù)和積分點(diǎn)數(shù)有關(guān)；而部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法總合成信號(hào)信噪比與各天線接收信號(hào)信噪比、天線個(gè)數(shù)、積分點(diǎn)數(shù)和分組情況有關(guān)；固定積分點(diǎn)數(shù)，部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法(各天線組含25天線)合成信號(hào)信噪比損失小于部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法(各天線組含10天線)。

圖4　2種分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法合成信噪比損失

在不同分組情況下，需同時(shí)傳輸至信號(hào)合成器的信號(hào)路數(shù)和單信號(hào)處理設(shè)備需同時(shí)計(jì)算權(quán)值的信號(hào)路數(shù)如表1所示，其中實(shí)現(xiàn)方法A表示直接應(yīng)用SUMPLE合成算法，實(shí)現(xiàn)方法B表示全增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法，實(shí)現(xiàn)方法C表示部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法。

表1　傳輸路數(shù)和計(jì)算路數(shù)

從表1中可以看出，直接應(yīng)用SUMPLE合成算法，需同時(shí)傳輸至信號(hào)合成器的信號(hào)路數(shù)為100，單信號(hào)處理設(shè)備需同時(shí)計(jì)算的信號(hào)路數(shù)也為100；當(dāng)各天線組天線個(gè)數(shù)為10時(shí)，全增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法和部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法需同時(shí)傳輸至信號(hào)合成器的信號(hào)路數(shù)都為10，單信號(hào)處理設(shè)備需同時(shí)計(jì)算的信號(hào)路數(shù)也都為10；當(dāng)各天線組天線個(gè)數(shù)為25時(shí)，全增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法和部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法需同時(shí)傳輸至信號(hào)合成器的信號(hào)路數(shù)都為25，單信號(hào)處理設(shè)備需同時(shí)計(jì)算的信號(hào)路數(shù)也都為25。由此可知，提出的SUMPLE合成算法的分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法極大地降低了需要同時(shí)傳輸至信號(hào)合成器的信號(hào)路數(shù)，極大地降低了單個(gè)信號(hào)處理設(shè)備需同時(shí)進(jìn)行權(quán)值計(jì)算和信號(hào)合成的信號(hào)路數(shù)，便于大規(guī)模天線組陣SUMPLE合成算法的硬件實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，各天線組天線個(gè)數(shù)需要根據(jù)信號(hào)處理設(shè)備和信號(hào)傳輸合成設(shè)備的處理能力進(jìn)行確定。

4結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)大規(guī)模天線組陣系統(tǒng)，本文提出了SUMPLE合成算法的全增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法和部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法2種分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法。2種分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法避免了將所有天線接收信號(hào)同時(shí)傳輸至信號(hào)合成器，極大地降低了需要同時(shí)傳輸至信號(hào)合成器的信號(hào)路數(shù)；避免了信號(hào)合成器同時(shí)對(duì)所有天線接收信號(hào)進(jìn)行權(quán)值計(jì)算和合成處理，極大地降低了單個(gè)信號(hào)處理設(shè)備需要同時(shí)進(jìn)行權(quán)值計(jì)算和信號(hào)合成的信號(hào)路數(shù)；便于大規(guī)模天線組陣SUMPLE合成算法的硬件實(shí)現(xiàn)。全增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法在各天線組天線計(jì)算權(quán)值過(guò)程中利用了所有天線合成的信號(hào)，相比于直接應(yīng)用SUMPLE合成算法，總合成信號(hào)沒(méi)有信噪比損失；但是，需要增加總合成信號(hào)至各天線組的反饋，不利于GPU等架構(gòu)的批數(shù)據(jù)處理模式實(shí)現(xiàn)。對(duì)于部分增益分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法，各天線組單獨(dú)應(yīng)用SUMPLE合成算法進(jìn)行合成，并將合成后的信號(hào)傳輸至下一級(jí)再一次進(jìn)行SUMPLE合成算法合成，得到總合成信號(hào)，相比于直接應(yīng)用SUMPLE合成算法，總合成信號(hào)存在信噪比損失。本文的結(jié)論對(duì)大規(guī)模天線組陣系統(tǒng)的工程實(shí)現(xiàn)有指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]黨宏杰,史學(xué)書(shū),袁嗣杰,等.應(yīng)用于深空陣列信號(hào)處理的可變步長(zhǎng)SUMPLE算法研究[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào),2008,27(6):27-31.

[2]李海濤,丁溯泉,董光亮,等.天線組陣技術(shù)研究及其在我國(guó)深空測(cè)控通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào),2008,27(3):10-14.

[3]DAVIDH.Antenna Arraying Techniques in the Deep Space Network[M].Jet Propulsion Laboratory,California,2003,1:73-76.

[4]ROGSTADD H.The SUMPLE Algorithm for Aligning Arrays of Receiving Radio Antennas:Coherence Achieved with Less Hardware and Lower Combining Loss[R].The Interplanetary Progress Report,42,California:Jet Propulsion Laboratory,2005:1-29.

[5]王騫,于宏毅.深空網(wǎng)中的天線組陣技術(shù)及其發(fā)展[J].信息工程大學(xué)學(xué)報(bào),2009,10(3):365-368.

[6]沈彩耀,胡赟鵬,于宏毅.SUMPLE算法的合成權(quán)值相位性能分析與仿真[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2012,24(10):2 177-2 202.

[7]史學(xué)書(shū),洪家財(cái),黨宏杰,等.深空組陣算法合成性能對(duì)比分析研究[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2012,23(1):98-103.

[8]于曉黎,孫甲琦.異地天線組陣相關(guān)處理技術(shù)研究[J].無(wú)線電工程,2012,42(4):41-43.

[9]陳少卿,劉友永.相關(guān)噪聲條件下SUMPLE算法權(quán)值估計(jì)方法[J].無(wú)線電工程,2012,42(12):58-61.

[10]沈彩耀,于宏毅.天線組陣中SUMPLE算法的合成相位漂移補(bǔ)償[J].飛行器測(cè)控學(xué)報(bào),2011,30(6):42-45.

[11]孔德慶,施滸立.天線組陣中相位差的遞推最小二乘估計(jì)與濾波[J].宇航學(xué)報(bào),2010,31(1):211-216.

[12]周三文,盧滿宏,黃建國(guó).天線組陣全頻譜合成效率分析[J].遙控遙測(cè),2009,30(2):46-52.

[13]孔德慶,施滸立.非均勻天線組陣SUMPLE權(quán)值信噪比及信號(hào)合成性能分析[J].宇航學(xué)報(bào),2009,30(5):1 941-1 946.

[14]孔德慶,施滸立.非均勻天線組陣SUMPLE合成相位補(bǔ)償及信號(hào)強(qiáng)度估計(jì)[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2009,24(4):632-637.

[15]黨宏杰,袁嗣杰,史學(xué)書(shū).天線組陣信號(hào)SUMPLE與SIMPLE算法的仿真研究[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2008,19(4):78-82.

夏雙志男，(1984—)，博士,工程師。主要研究方向：航天測(cè)控、目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤。

申建平男，(1971—)，高級(jí)工程師。主要研究方向：航天測(cè)控技術(shù)。

Multi-stage Implementation of SUMPLE Algorithm in

Large Antenna Array

XIA Shuang-zhi1,SHEN Jian-ping2,ZHAO Zhong-ping1

(1.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;

2.Xi’anSatelliteControlCenter,Xi’anShannxi710043,China)

AbstractThe multi-stage implementation of SUMPLE algorithm of large antenna array is proposed so that SUMPLE algorithm can be conveniently achieved in the hardware device of large antenna array.The proposed multi-stage implementation method divides large antenna array into several antenna clusters; each cluster calculates weights of all its signals,combines all its signals,and transmits the synthesized signal to the next stage for further synthesis.The computer simulation result shows that the proposed multi-stage implementation method reduces considerably the number of signals which need to be simultaneously transmitted to the signal combiner,and the computational complexity of single signal processing device.

Key wordsantenna array;signal synthesis;SUMPLE algorithm;multi-stage implementation

作者簡(jiǎn)介

基金項(xiàng)目：國(guó)家部委基金資助項(xiàng)目。

收稿日期：2015-03-13

中圖分類號(hào)V556

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2015)06-0049-06

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.06.14

引用格式：夏雙志，申建平,趙忠萍.大規(guī)模天線組陣SUMPLE合成算法分級(jí)實(shí)現(xiàn)方法[J].無(wú)線電工程，2015，45(6)：49-54.