數字波束形成與智能天線技術

本書是工業和信息化部"十四五”規劃教材。本書從實用性和先進性出發，較全面地介紹數字波束形成與智能天線技術的理論和應用，總結國內外這個領域的技術發展成就、前沿進展和作者多年來的研究成果。全書共7章，主要內容包括數字波束形成的基本概念和基本原理、自適應數字波束形成算法的優化準則、經典的自適應波束形成算法、針對雷達系統的大陣列天線自適應波束形成技術、針對無線通信系統的多用戶自適應波束形成技術，以及數字陣列與智能天線在通信與雷達系統中的工程應用等。本書重點關註基本概念、基本分析方法、主要算法和工程應用，討論力求深入淺出和簡明扼要，配套數字教學資源和部分算法程序代碼，力求利用現代信息技術將抽象的知識形象化，以方便讀者學習和理解相關知識。

目 錄

第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 自適應主波束控制技術 3
1.3 自適應零陷控制技術 4
1.4 自適應數字波束形成技術 6
1.5 穩健自適應數字波束形成技術 8
1.5.1 附加線性約束類算法 8
1.5.2 對角加載類算法 8
1.5.3 特徵投影類算法 8
1.5.4 不確定集約束類算法 9
1.5.5 盲自適應波束形成類算法 9
1.6 大陣列天線自適應數字波束形成技術 10
1.6.1 稀布陣技術 10
1.6.2 部分自適應處理技術 10
1.6.3 並行自適應處理技術 12
1.6.4 快速自適應波束形成技術 13
1.7 自適應數字波束形成技術在雷達領域的應用 13
1.8 自適應數字波束形成技術在通信領域的應用 14
1.8.1 自適應數字波束形成技術在星載衛星通信領域的應用 14
1.8.2 自適應數字波束形成技術在蜂窩移動通信領域的應用 14
1.8.3 移動通信中與雷達中的智能天線的異同 15
參考文獻 16
第2章 數字波束形成的基礎 17
2.1 引言 17
2.2 波束形成的概念 17
2.3 陣列天線 18
2.3.1 陣列天線的基本指標 18
2.3.2 直線陣 19
2.3.3 圓環陣 20
2.3.4 矩形柵格平面陣 21
2.3.5 任意結構陣列 22
2.4 模擬波束形成 22
2.5 相控陣天線 24
2.6 數字波束形成天線 25
2.6.1 數字波束形成天線的結構與特點 25
2.6.2 陣元空間的波束形成 26
2.6.3 波束空間的波束形成 26
2.6.4 數字波束形成的矩陣表示 27
2.7 小結 28
思考題 28
參考文獻 28
第3章 經典的數字波束形成算法 29
3.1 引言 29
3.2 自適應數字波束形成算法的優化準則 29
3.2.1 自適應主波束控制的優化準則 29
3.2.2 方向圖自適應零陷控制的優化準則 31
3.2.3 自適應波束形成優化準則之間的關系 37
3.3 經典的自適應數字波束形成算法 37
3.3.1 梯度搜索法 38
3.3.2 最小均方誤差（LMS）算法 42
3.3.3 格裡菲思（Griffiths）LMS波束形成算法 44
3.3.4 多線性約束最小方差（LCMV）自適應波束形成算法 45
3.3.5 自適應旁瓣相消器（ASLC） 48
3.3.6 廣義旁瓣相消器（GSC） 49
3.3.7 線性約束廣義旁瓣相消器（LC-GSC） 52
3.4 寬帶數字波束形成算法 54
3.4.1 基於數字延時的寬帶波束形成 54
3.4.2 頻率不變寬帶波束形成 56
3.4.3 基於空時結構的自適應寬帶波束形成 60
3.4.4 基於空頻結構的自適應寬帶波束形成 65
3.5 小結 67
思考題 68
參考文獻 68
第4章 雷達系統中的自適應波束形成算法 69
4.1 引言 69
4.2 大陣列天線數字波束形成的部分自適應處理技術 69
4.2.1 降維自適應波束形成技術 70
4.2.2 基於降秩變換的自適應波束形成技術 71
4.2.3 基於MVB的快速降秩自適應波束形成算法 77
4.2.4 基於GSC的快速降秩自適應波束形成算法 83
4.3 大陣列天線數字波束形成的並行自適應處理技術 88
4.3.1 脈動並行自適應處理技術 88
4.3.2 分塊並行自適應處理技術 88
4.4 穩健的自適應波束形成算法 97
4.4.1 基於特徵投影的穩健自適應數字波束形成算法 97
4.4.2 基於附加線性約束的穩健降秩自適應和差波束形成算法 104
4.5 小結 118
思考題 118
參考文獻 118
第5章 無線通信系統中的自適應數字波束形成算法 121
5.1 引言 121
5.2 無線通信系統中的盲波束形成技術綜述 121
5.2.1 利用恆模特性的算法 121
5.2.2 利用循環平穩性的算法 122
5.2.3 利用有限碼集特性的算法 122
5.3 隨機梯度恆模算法 123
5.3.1 問題的數學模型 123
5.3.2 隨機梯度恆模算法原理 123
5.4 最小二乘恆模算法 124
5.4.1 靜態數據塊最小二乘恆模算法 124
5.4.2 動態數據塊最小二乘恆模算法 127
5.5 串聯型多目標恆模陣列 127
5.5.1 恆模陣列與自適應信號對消器 128
5.5.2 性能分析 130
5.5.3 多信號恢復的恆模陣列 131
5.5.4 輸出信乾噪比和信噪比 133
5.6 並聯型多目標恆模算法 134
5.6.1 多目標最小二乘恆模算法 134
5.6.2 信號的分揀 136
5.6.3 多目標決策指向算法 138
5.7 最小二乘解擴重擴多目標陣列及其改進 139
5.7.1 最小二乘解擴重擴多目標陣列 139
5.7.2 最小二乘解擴重擴多目標恆模陣列 143
5.8 星載智能天線的主瓣保形自適應波束形成算法 144
5.8.1 問題模型 145
5.8.2 算法原理 145
5.9 小結 155
思考題 156
參考文獻 156
第6章 無線通信中的智能天線系統 158
6.1 引言 158
6.2 移動通信與數字波束形成 158
6.3 SCDMA無線本地環路中的智能天線系統 158
6.3.1 無線本地環路及其智能天線系統的組成 159
6.3.2 基站的系統架構和硬件組成 160
6.4 3G通信中的智能天線系統 165
6.4.1 技術原理 165
6.4.2 技術優點 168
6.4.3 技術應用 168
6.5 5G通信中的智能天線系統 169
6.5.1 5G通信技術簡介 169
6.5.2 毫米波超大規模MIMO系統組成 171
6.5.3 毫米波超大規模MIMO系統數字子系統的設計與實現 173
6.5.4 毫米波超大規模MIMO系統模擬子系統的設計與實現 174
6.5.5 毫米波超大規模MIMO系統的實驗測試 175
6.6 低軌衛星通信載荷智能天線系統 180
6.6.1 低軌衛星智能天線覆蓋範圍分析 180
6.6.2 陣列天線結構與多波束覆蓋需求 181
6.6.3 智能天線系統及其測試環境構建 182
6.6.4 衛星通信智能天線方向圖性能測試 185
6.7 小結 190
思考題 190
參考文獻 190
第7章 雷達中的數字陣列天線系統 191
7.1 引言 191
7.2 數字陣列雷達的系統組成及工作原理 192
7.3 雷達系統中的數字波束形成架構 197
7.3.1 全陣列收發數字波束形成理論架構 197
7.3.2 級聯型的數字波束形成架構 199
7.4 數字陣列天線通道校準技術 201
7.5 典型的數字波束形成雷達 203
7.6 採用自適應數字波束形成技術的雷達系統及其發展趨勢 207
7.7 小結 211
思考題 211
參考文獻 211