Частотно-независимое управление главным лепестком диаграммы направленности на основе КИХ-фильтров

Автор(и)

DOI:

https://doi.org/10.20535/S0021347020100027

Ключові слова:

формирование диаграммы направленности, антенная решетка, КИХ-фильтр, частотно-независимый метод, управление главным лепестком диаграммы направленности

Анотація

При использовании широкополосных антенных решеток типовые методы формирования узкополосной диаграммы направленности (ДН) являются неэффективными. Диаграмма направленности такой решетки имеет различную ширину во рабочем частотном диапазоне. Данную проблему помогают решить существующие методы формирования частотно-независимой ДН с использованием фильтров с конечной импульсной характеристикой (КИХ-фильтры). КИХ-фильтры обеспечивают частотную характеристику, необходимую для достижения частотно-независимых свойств ДН решетки, однако они имеют высокую вычислительную сложность. В данной статье представлен улучшенный метод формирования частотно-независимой ДН без использования функций минимизации или преобразования Фурье. Управление главным лепестком ДН достигается за счет использования КИХ-фильтров с различной крутизной АЧХ. Предложенный подход основан на синтезе КИХ-фильтров с определенными частотными характеристиками. Проведено сравнение полученных результатов с существующим методом формирования частотно-независимой ДН.

Посилання

X. Xiao, S. Zhao, D. L. Jones, E. S. Chng, H. Li, “On time-frequency mask estimation for mvdr beamforming with application in robust speech recognition,” in 2017 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), 2017, pp. 3246–3250, doi: https://doi.org/10.1109/ICASSP.2017.7952756.

K. Cho et al., “A comparison of frequency-invariant beamforming algorithms for hearing aids: differential microphone-based beamformers and the broadband beamformer,” Biomed. Eng. Lett., vol. 4, no. 2, pp. 166–175, 2014, doi: https://doi.org/10.1007/s13534-014-0131-5.

S. Haykin, K. J. R. Liu, Handbook on Array Processing and Sensor Networks. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc., 2010, doi: https://doi.org/10.1002/9780470487068.

P. Chiariotti, M. Martarelli, P. Castellini, “Acoustic beamforming for noise source localization – reviews, methodology and applications,” Mech. Syst. Signal Process., vol. 120, pp. 422–448, 2019, doi: https://doi.org/10.1016/j.ymssp.2018.09.019.

H. L. Van Trees, Optimum Array Processing: Part IV of Detection, Estimation, and Modulation Theory. New York: Wiley, 2002, uri: https://www.wiley.com/en-us/Optimum+Array+Processing%3A+Part+IV+of+Detection%2C+Estimation%2C+and+Modulation+Theory-p-9780471093909.

W. Liu, S. Weiss, Wideband Beamforming: Concepts and Techniques. New York: Wiley, 2010, uri: https://www.wiley.com/en-us/Wideband+Beamforming%3A+Concepts+and+Techniques-p-9780470713921.

Y. Huang, Y. Lu, Y. Xu, Z. Liu, “Direction-of-arrival estimation of circular and noncircular wideband source signals via augmented envelope alignment,” IEEE Syst. J., vol. 13, no. 2, pp. 1219–1230, 2019, doi: https://doi.org/10.1109/JSYST.2018.2851293.

G. Huang, J. Benesty, J. Chen, “On the design of frequency-invariant beampatterns with uniform circular microphone arrays,” IEEE/ACM Trans. Audio, Speech, Lang. Process., vol. 25, no. 5, pp. 1140–1153, 2017, doi: https://doi.org/10.1109/TASLP.2017.2689681.

S. Yan, Y. Ma, “Design of fir beamformer with frequency invariant patterns via jointly optimizing spatial and frequency responses,” in Proceedings. (ICASSP ’05). IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, 2005., 2005, vol. 4, pp. 789–792, doi: https://doi.org/10.1109/ICASSP.2005.1416127.

O. Rosen, I. Cohen, D. Malah, “FIR-based symmetrical acoustic beamformer with a constant beamwidth,” Signal Process., vol. 130, pp. 365–376, 2017, doi: https://doi.org/10.1016/j.sigpro.2016.07.019.

P. Pal, P. P. Vaidyanathan, “Frequency invariant mvdr beamforming without filters and implementation using mimo radar,” in 2009 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing, 2009, pp. 2081–2084, doi: https://doi.org/10.1109/ICASSP.2009.4960025.

W. Liu, “Adaptive wideband beamforming with sensor delay-lines,” Signal Process., vol. 89, no. 5, pp. 876–882, 2009, doi: https://doi.org/10.1016/j.sigpro.2008.11.005.

G. Huang, J. Chen, J. Benesty, “Insights into frequency-invariant beamforming with concentric circular microphone arrays,” IEEE/ACM Trans. Audio, Speech, Lang. Process., vol. 26, no. 12, pp. 2305–2318, 2018, doi: https://doi.org/10.1109/TASLP.2018.2862826.

Y. Wang, Y. Yang, Z. He, Y. Ma, B. Li, “Robust superdirective frequency-invariant beamforming for circular sensor arrays,” IEEE Signal Process. Lett., vol. 24, no. 8, pp. 1193–1197, 2017, doi: https://doi.org/10.1109/LSP.2017.2712151.

W. Liu, D. McLernon, M. Ghogho, “Frequency invariant beamforming without tapped delay-lines,” in 2007 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing - ICASSP ’07, 2007, vol. 2, pp. II-997-II–1000, doi: https://doi.org/10.1109/ICASSP.2007.366406.

M. Neinhüs, K. Solbach, “Finite impulse response-filter-based rf-beamforming network for wideband and ultra-wideband antenna arrays,” IET Microwaves, Antennas Propag., vol. 5, no. 7, p. 844, 2011, doi: https://doi.org/10.1049/iet-map.2010.0302.

P. Pal, P. P. Vaidyanathan, “Efficient frequency invariant beamforming using virtual arrays,” in 2010 Conference Record of the Forty Fourth Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, 2010, pp. 1097–1101, doi: https://doi.org/10.1109/ACSSC.2010.5757573.

Y. Liu, J. Cheng, K. Da Xu, S. Yang, Q. H. Liu, Y. J. Guo, “Reducing the number of elements in the synthesis of a broadband linear array with multiple simultaneous frequency-invariant beam patterns,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 66, no. 11, pp. 5838–5848, 2018, doi: https://doi.org/10.1109/TAP.2018.2862361.

T. Sekiguchi, Y. Karasawa, “Wideband beamspace adaptive array utilizing fir fan filters for multibeam forming,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 48, no. 1, pp. 277–284, 2000, doi: https://doi.org/10.1109/78.815503.

W. Liu, S. Weiss, “Design of frequency invariant beamformers for broadband arrays,” IEEE Trans. Signal Process., vol. 56, no. 2, pp. 855–860, 2008, doi: https://doi.org/10.1109/TSP.2007.907872.

S. Weiss, M. Hadley, J. Wilcox, “Implementation of a flexible frequency-invariant broadband beamformer based on fourier properties,” in 2017 Sensor Signal Processing for Defence Conference (SSPD), 2017, vol. 2017-Janua, pp. 1–5, doi: https://doi.org/10.1109/SSPD.2017.8233239.

A. A. Erokhin, E. R. Gafarov, Y. P. Salomatov, “Frequency-invariant beamforming with real fir-filters,” in 2019 Radiation and Scattering of Electromagnetic Waves (RSEMW), 2019, pp. 132–135, doi: https://doi.org/10.1109/RSEMW.2019.8792700.

A. V. Oppenheim, R. W. Schafer, Discrete-Time Signal Processing, 3rd ed. London: Pearson, 2010, uri: https://www.pearson.com/us/higher-education/program/Oppenheim-Discrete-Time-Signal-Processing-3rd-Edition/PGM212808.html.

W. Liu, S. Weiss, J. G. McWhirter, I. K. Proudler, “Frequency invariant beamforming for two-dimensional and three-dimensional arrays,” Signal Process., vol. 87, no. 11, pp. 2535–2543, 2007, doi: https://doi.org/10.1016/j.sigpro.2007.03.018.

Опубліковано

2020-10-22

Як цитувати

Ерохин, А. А., Гафаров, Е. Р., & Саломатов, Ю. П. (2020). Частотно-независимое управление главным лепестком диаграммы направленности на основе КИХ-фильтров. Вісті вищих учбових закладів. Радіоелектроніка, 63(10), 608–619. https://doi.org/10.20535/S0021347020100027

Номер

Розділ

Статті