Обычные и адаптивные Beamformers
Этот пример показывает, как применить обычное и адаптивное формирования луча в Simulink ® к узкополосному сигналу, принимаемому антенной решёткой. Модель сигнала включает шум и помехи. Этот пример основан на примере Обычных и Адаптивных Beamformers.
Доступные реализации примера
Этот пример включает две модели Simulink ®:
Обычное формирование луча с шумом: slexBeamformerExample.slx
Обычные и адаптивные Beamformers с интерференцией: slexBeamformerInterferenceExample.slx
Обычное формирование луча с шумом
Первая модель моделирует прием прямоугольного импульса со смещением задержки на 10-элементной равномерно линейной антенной решетке (ULA). Источник импульса расположен на азимуте 45 степеней и повышении 0 степеней. Шум со степенью 0,5 Вт добавляется к сигналу у каждого элемента массива. Затем применяется фазосдвигатель луча. Пример сравнивает выход фазосдвигателя с сигналом, принятым в одном из антенных элементов.
Модель состоит из каскада симуляции сигнала и каскада обработки сигнала. Блоки, которые соответствуют каждому этапу модели, являются:
Симуляция сигнала
Rectangular- Создает прямоугольные импульсы.Offset waveform-Delayблок задерживает каждый импульс на 150 выборки.Signal direction-Constantблок задает направление падения импульсов наNarrowband Rx Arrayблок.Narrowband Rx Array- Моделирует сигналы, принятые в ULA. Первый вход в этот блок является вектором-столбцом, который содержит принятые импульсы. Импульсы приняты узкополосными с частотой несущей, равной рабочей частоте, заданной в диалоговой панели блока. Второй вход (Ang) задает направление падения импульсов. Строение антенной решетки создаётся вспомогательным скриптом как переменная в рабочей области MATLAB ®. На эту переменную ссылаетсяSensor Arrayвкладка диалоговой панели блока. Использование переменной облегчает совместное использование строения антенной решетки в нескольких блоках. Каждый столбец выхода соответствует сигналу, принимаемому на каждом элементе антенной решетки.Receiver Preamp- Добавляет тепловой шум к принимаемому сигналу.
Обработка сигналов
Angle to beamform-Constantблок задает значениеPhase Shift Beamformerнаправление формирования луча.Phase Shift Beamformer- Выполняет узкополосное задержку-и-сумма формирования луча на матрице, переданной через порт входаXпо направлению, заданному через порт входаAng.2-D Selector- Выбирает принятый сигнал на одном из антенных элементов.
Исследование примера
Несколько параметров модели вычисляются вспомогательной функцией helperslexBeamformerParam. Чтобы открыть функцию из модели, нажмите Modify Simulation Parameters блок. Эта функция выполняется один раз, когда модель загружена. Он экспортирует в рабочую область структуру, на поля которой ссылаются диалоговые панели модели. Чтобы изменить любые параметры, либо измените значения в структуре из командной строки, либо отредактируйте функцию helper и перезапустите ее, чтобы обновить структуру параметра.
Результаты и отображения
На дисплеях ниже показан вывод одного элемента (не сформированного лучом) по сравнению с опорным импульсом и выходом формирователя луча по сравнению с опорным импульсом. Когда принятый сигнал не сформирован лучом, импульс не может быть обнаружен из-за шума. Отображение выхода устройства формирования луча показывает, что сигнал формирования луча намного больше, чем шум. ОСШ выхода примерно в 10 раз больше, чем ОСШ принимаемого сигнала на одной антенне, потому что массив с 10 элементами производит коэффициент усиления массива 10.
Обычные и адаптивные Beamformers с интерференцией
Вторая модель иллюстрирует формирование луча в присутствии двух сигналов интерференции, поступающих от 30 степеней и 50 степеней по азимуту. Амплитуды помех намного больше, чем амплитуда импульса. Уровень шума устанавливается на -50 дБВ, чтобы выделить только эффект интерференции. Сдвиг фазы, MVDR и LCMV светоформеры применяются к полученному сигналу и их результаты сравниваются.
К блокам, используемым в предыдущей модели, добавляется несколько новых блоков:
Random Source- Два блока генерируют Гауссовы векторы, чтобы симулировать сигналы интерференции (маркированныеInterference1иInterference2)Concatenate- Конкатенирует выходыRandom SourceиRectangularблокирует в матрицу 3 столбца.Signal direction-Constantблок задает направления падения импульсов и сигналов помех кNarrowband Rx Arrayблок.MVDR Beamformer- Выполняет формирование луча MVDR по заданному направлению.LCMV Beamformer- Выполняет формирование луча LCMV с заданной матрицей ограничений и желаемой характеристикой.
Исследование примера
Вспомогательная функция, используемая в этом примере, является helperslexBeamformerParam. Чтобы открыть функцию из модели, нажмите Modify Simulation Parameters блок. Импульс, сигнал помехи и направления формирования луча также могут быть изменены во время выполнения путем изменения углов на Signal directions и Angle to beamform блоки без остановки симуляции.
Результаты и отображения
Рисунок ниже показывает выходы фазированного светоформера. Он не может обнаружить импульсы, потому что сигналы интерференции намного сильнее, чем импульсный сигнал.
Следующий рисунок показывает выходы устройства формирования луча MVDR. Блок формирования луча MVDR сохраняет сигнал, поступающий в требуемом направлении, пытаясь подавить сигналы, поступающие из других направлений. В этом примере оба сигнала помех были подавлены, и импульс в 45 степенях азимута был сохранен.
Однако MVDR-формирователь луча очень чувствителен к направлению формирования луча. Если целевой сигнал принимается в направлении, слегка отличающемся от желаемого направления, диаграмма направленности MVDR подавляет его. Это происходит потому, что MVDR beamformer рассматривает все сигналы, за исключением того, который находится в желаемом направлении, как нежелательные помехи. Этот эффект иногда упоминается как «self-nulling» сигнала. Следующее отображение показывает, что произойдет, если мы изменим направление целевого сигнала в Signal directions блокируйте на 43 вместо 45. Заметьте, как полученные импульсы были подавлены по сравнению с ссылкой импульсом.
Можно использовать LCMV-формирователь луча, чтобы предотвратить самостоятельное обнуление сигнала путем расширения области, окружающей направление сигнала, где вы хотите сохранить сигнал. В этом примере накладываются три отдельных, но тесно расположенных ограничения, которые сохраняют ответ в направлениях, соответствующим 43 , 45 и 47 степеням азимута. Все желаемые отклики в этих направлениях установлены на единицу. Как показано на рисунке ниже, импульс сохранен.
