李枝宏臺灣大學：電信工程學研究所蕭碩瑋Hsiao, Shuo-WeiShuo-WeiHsiao2007-11-272018-07-052007-11-272018-07-052006http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/58813圓形天線陣列因為具有全方位的特性因此適合做為無線通訊的基地台，我的研究是以窄頻/寬頻圓形天線陣列為基礎的強健式波束成型技術，其中寬頻與窄頻架構的不同在於寬頻天線陣列在每個元件後面接著一個FIR濾波器。 在理想環境下以LCMV等可適性波束成型器可以讓所要的信號保持固定的增益同時可壓抑雜訊以及消除干擾，在我的論文當中討論兩種會使得可適性波束成型技術失敗的情況：方位誤判以及信號同調問題。 本文中參考鄭光鵬的雜訊子空間投影法並將其應用在窄頻圓形陣列上以解決方位誤判問題。 關於同調干擾問題，本文使用虛擬一維陣列配合ITAM演算法並且與傳統的虛擬一維陣列配合前向/後向空間平均法做比較，但是這種方法只適用於所有信號皆在同平面上，所以也提出了二級空間平均法及二級非空間平均法來解決三維入射信號環境下的寬頻以及窄頻圓形陣列信號同調問題。With the characteristics of omni-directional coverage, Uniform Circular Array(UCA) is a suitable structure for base-station. Thesis focuses on adaptive narrowband/broadband UCA beamforming, the difference between narrowband and broadband UCA is that each sensor of broadband UCA beamformer is connected with a tap-delay-line FIR filter. Under ideal conditions, UCA with adaptive beamformer such as Linearly Constrained Minimum Variance (LCMV) has the ability of maintaining output power gain of desired signals while it could suppress output noise and reject interference signals. Two conditions, Direction of Arrival(DOA) mismatch and coherent interference, which make adaptive beamforming fail, are considered in this thesis. For overcoming DOA mismatch problem, a gradient method proposed by Cheng[1] is applied to narrowband UCA. For coherent interference, Spatial-DFT is applied to transforming narrowband UCA to virtual ULA and ITAM is applied to all signals without elevation angle. As to signals with elevation angle under coherent conditions. 2-stage Spatial Smoothing and 2-stage Without Spatial Smoothing are applied to both narrowband/broadband UCA beamformer.致謝.......................................................I 摘要.....................................................III Abstract..................................................IV 目錄.......................................................V 第一章 緒論.............................................1 1.1 研究背景............................................1 1.2 研究動機............................................2 1.3 研究目的............................................3 1.4 論文之主要貢獻......................................4 1.5 論文架構............................................5 第二章 圓形天線陣列信號處理之數學架構與基本概念.........7 2.1 窄頻圓形天線陣列....................................7 2.1.1 窄頻圓形天線陣列基礎架構.......................7 2.1.2 窄頻圓形天線陣列接收信號自相關矩陣及特徵空間特性 ..............................................12 2.2 寬頻圓形天線陣列...................................15 2.2.1 寬頻信號模型..................................15 2.2.2 寬頻圓形天線陣列基礎架構......................17 2.2.3 寬頻圓形天線陣列接收信號自相關矩陣及特徵空間特性 ..............................................20 2.3 可適性波束成型技術.................................22 2.4 同調信號環境所造成的秩缺陷以及信號抵銷現象.........25 第三章 於方位誤判下強健式窄頻圓形天線陣列波束成型技術..29 3.1 方位誤判之簡介.....................................29 3.2 微分限制法之介紹及推導.............................30 3.3 以雜訊子空間投影法解決方位誤判問題.................33 3.3.1 單一波束之修正................................33 3.3.2 多重波束之修正................................37 第四章 以強健式波束成型器解決窄頻圓形天線陣列之信號同調 問題.............................................39 4.1 簡介...............................................39 4.2 窄頻二級圓形天線陣列...............................40 4.3 空間平均法之介紹...................................47 4.4 使用空間平均法解決圓形天線陣列之信號同調問題.......48 4.4.1 空間平均法用於一維線性陣列解決秩缺陷之推導....48 4.4.2 關於空間平均法用於一維線性陣列子陣列需求量之推導 ..............................................52 4.4.3 空間平均法用於圓形天線陣列解決秩缺陷之推導....53 4.4.4 以空間平均法配合二級圓形天線陣列解決信號同調問題 ..............................................56 4.5 以非空間平均法重建之自相關矩陣解決信號同調問.......56 4.5.1 方法介紹......................................56 4.5.2 重建之自相關矩陣解決秩缺陷問題之推導..........57 4.5.3 以非空間平均法配合二級圓形天線陣列解決信號同調 問題..........................................59 4.6 利用Spatial DFT將圓形天線陣列轉化為虛擬線性天線列陣 ...................................................60 4.6.1 Spatial DFT之推導.............................60 4.6.2 前向/後向空間平均法配合Spatial DFT解決信號同調問 題.............................................64 4.6.3 ITAM演算法配合Spatial DFT解決信號同調問題.....65 第五章 以強健式波束成型器解決寬頻圓形天線陣列之信號同調問 題...............................................70 5.1 簡介...............................................70 5.2 寬頻二級圓形天線陣列...............................71 5.3 運用空間平均法解決寬頻圓形天線陣列信號同調問題.....76 5.3.1 空間平均法解決寬頻圓形天線陣列秩缺陷之推導....76 5.3.2 以寬頻二級圓形天線陣列配合空間平均法解決信號同調 問題..........................................79 5.4 運用非空間平均法解決寬頻圓形天線陣列信號同調問題...80 5.4.1 非空間平均法解決寬頻圓形天線陣列秩缺陷之推導...80 5.4.2 以寬頻二級圓形天線陣列配合非空間平均法解決信號同 調問題.........................................84 第六章 窄頻圓形天線陣列方位誤判實驗....................85 6.1 干擾信號功率0dB之三取一實驗.......................86 6.2 干擾信號功率10dB之三取一實驗......................96 6.3 干擾信號功率0dB之四取二實驗......................106 6.4 干擾信號功率10dB之四取二實驗.....................116 6.5 干擾信號功率0dB之五取三實驗......................126 6.6 干擾信號功率10dB之五取三實驗.....................136 6.7 數據分析及結論...................................145 第七章 窄頻同平面圓形陣列同調干擾實驗.................149 7.1 干擾信號功率0dB之三取一實驗......................151 7.2 干擾信號功率10dB之三取一實驗.....................157 7.3 干擾信號功率0dB之四取二實驗......................163 7.4 干擾信號功率10dB之四取二實驗.....................169 7.5 干擾信號功率0dB之五取三實驗......................175 7.6 干擾信號功率10dB之五取三實驗.....................181 7.7 數據分析及結論...................................187 第八章 窄頻三維入射信號圓形陣列同調干擾實驗...........191 8.1 干擾信號功率0dB之三取一實驗......................193 8.2 干擾信號功率10dB之三取一實驗.....................204 8.3 干擾信號功率0dB之四取二實驗......................215 8.4 干擾信號功率10dB之四取二實驗.....................226 8.5 干擾信號功率0dB之五取三實驗......................237 8.6 干擾信號功率10dB之五取三實驗.....................248 8.7 數據分析及結論...................................259 第九章 寬頻圓形天線陣列同調干擾實驗...................261 9.1 干擾信號功率0dB之三取一實驗......................263 9.2 干擾信號功率10dB之三取一實驗.....................274 9.3 干擾信號功率0dB之四取二實驗......................285 9.4 干擾信號功率10dB之四取二實驗.....................296 9.5 干擾信號功率0dB之五取三實驗......................307 9.6 干擾信號功率10dB之五取三實驗.....................318 9.7 數據分析及結論...................................329 第十章 實驗總結以及未來方向...........................333 參考文獻.................................................33414873782 bytesapplication/pdfen-US圓形天線陣列波束成型Uniform Circular ArrayBeamformingthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/58813/1/ntu-95-R93942078-1.pdf