В этом примере показано, как применять традиционное и адаптивное формирование луча в Simulink ® к узкополосному сигналу, принимаемому антенной решеткой. Модель сигнала включает в себя шум и помехи. Этот пример основан на примере обычных и адаптивных формирователей луча.
В этом примере представлены две модели Simulink ®:
Традиционное формирование луча с шумом: slexBeamformerExample.slx
Обычные и адаптивные формирователи луча с пересечениями: slexBeamformerInterferureExample.slx
Первая модель моделирует прием прямоугольного импульса со смещением задержки на 10-элементной равномерно линейной антенной решетке (ULA). Источник импульса расположен по азимуту 45 градусов и отметке 0 градусов. К сигналу на каждом элементе матрицы добавляют шум мощностью 0,5 Вт. Затем применяют фазовращающий формирователь луча. Пример сравнивает выходной сигнал фазовращающего формирователя луча с сигналом, принятым в одном из антенных элементов.
Модель состоит из этапа моделирования сигнала и этапа обработки сигнала. Блоки, соответствующие каждому этапу модели:
Моделирование сигналов
Rectangular - создает прямоугольные импульсы.
Offset waveform - Delay блок задерживает каждый импульс на 150 выборок.
Signal direction - Constant блок задает направление падения импульсов на Narrowband Rx Array блок.
Narrowband Rx Array - Имитирует сигналы, принятые в ULA. Первый вход в этот блок является вектором столбца, который содержит принятые импульсы. Импульсы принимают узкополосными с несущей частотой, равной рабочей частоте, заданной на диалоговой панели блока. Второй вход (Ang) определяет направление падения импульсов. Конфигурация антенной решетки создается с помощью вспомогательного сценария в качестве переменной в рабочей области MATLAB ®. На эту переменную ссылается Sensor Array на вкладке диалоговой панели блока. Использование переменной упрощает совместное использование конфигурации антенной решетки в нескольких блоках. Каждый столбец выходного сигнала соответствует сигналу, принимаемому на каждом элементе антенной решетки.
Receiver Preamp - Добавляет тепловой шум к принятому сигналу.
Обработка сигналов
Angle to beamform - Constant блок указывает на Phase Shift Beamformer направление формирования луча.
Phase Shift Beamformer - Выполняет формирование узкополосной задержки и суммарной диаграммы направленности на матрице, передаваемой через входной порт. X вдоль направления, указанного через входной порт Ang.
2-D Selector - Выбирает принятый сигнал в одном из антенных элементов.
Изучение примера
Несколько параметров модели вычисляются вспомогательной функцией helperslexBeamformerParam. Чтобы открыть функцию из модели, щелкните значок Modify Simulation Parameters блок. Эта функция выполняется один раз при загрузке модели. Он экспортирует в рабочую область структуру, на поля которой ссылаются диалоговые панели модели. Чтобы изменить любые параметры, измените значения в структуре из командной строки или отредактируйте вспомогательную функцию и повторно запустите ее для обновления структуры параметров.
Результаты и отображение
На приведенных ниже дисплеях показаны выходные данные одного элемента (не сформированного в виде луча) по сравнению с опорным импульсом и выходные данные формирователя луча по сравнению с опорным импульсом. Когда принятый сигнал не формируется, импульс не может быть обнаружен из-за шума. Отображение выходного сигнала формирователя луча показывает, что сформированный сигнал луча намного больше, чем шум. Выходное ОСШ приблизительно в 10 раз больше, чем у принятого сигнала на одной антенне, поскольку 10-элементная решетка дает коэффициент усиления решетки 10.
Вторая модель иллюстрирует формирование луча в присутствии двух интерференционных сигналов, поступающих от 30 градусов и 50 градусов по азимуту. Амплитуды помех намного больше амплитуды импульсов. Уровень шума устанавливается равным -50 дБВт для выделения только эффекта помех. Фазовый сдвиг, MVDR и LCMV формирователи луча применяются к принятому сигналу и их результаты сравниваются.
К блокам, использовавшимся в предыдущей модели, добавляется несколько новых блоков:
Random Source - Два блока генерируют гауссовы векторы для моделирования сигналов помех (помечены Interference1 и Interference2)
Concatenate - Объединяет выходные сигналы Random Source и Rectangular блоки в матрицу из 3 столбцов.
Signal direction - Constant блок определяет направления падения импульсов и интерференционных сигналов на Narrowband Rx Array блок.
MVDR Beamformer - выполняет формирование луча MVDR вдоль указанного направления.
LCMV Beamformer - выполняет формирование луча LCMV с заданной матрицей ограничений и требуемым откликом.
Изучение примера
В этом примере используется вспомогательная функция helperslexBeamformerParam. Чтобы открыть функцию из модели, щелкните значок Modify Simulation Parameters блок. Импульсный сигнал, интерференционный сигнал и направления формирования луча также могут быть изменены во время выполнения посредством изменения углов на Signal directions и Angle to beamform блоки без остановки моделирования.
Результаты и отображение
На рисунке ниже показан выходной сигнал формирователя луча с фазовым сдвигом. Он не способен обнаруживать импульсы, поскольку сигналы помех намного сильнее, чем импульсный сигнал.
На следующем рисунке показан выходной сигнал формирователя луча MVDR. Формирователь луча MVDR сохраняет сигнал, поступающий в нужном направлении, пытаясь подавить сигналы, поступающие из других направлений. В этом примере оба сигнала помех были подавлены, и импульс при 45 градусах азимута был сохранен.
Однако формирователь луча MVDR очень чувствителен к направлению формирования луча. Если целевой сигнал принимается вдоль направления, немного отличного от желаемого направления, формирователь луча MVDR подавляет его. Это происходит потому, что формирователь луча MVDR обрабатывает все сигналы, за исключением сигнала в нужном направлении, как нежелательные помехи. Этот эффект иногда называют «самоликвидированием сигнала». На следующем дисплее показано, что происходит, если изменить направление целевого сигнала в Signal directions блок в 43 вместо 45. Обратите внимание на подавление принятых импульсов по сравнению с опорным импульсом.
Можно использовать формирователь луча LCMV для предотвращения самоликвидации сигнала путем расширения области, окружающей направление сигнала, в которой требуется сохранить сигнал. В этом примере накладываются три отдельных, но близко расположенных ограничения, которые сохраняют отклик в направлениях, соответствующих 43, 45 и 47 градусам по азимуту. Требуемые отклики в этих направлениях установлены на единицу. Как показано на рисунке ниже, импульс сохраняется.
