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

Автор(и)

  • Алексей А. Ерохин Сибирский федеральный университет, Красноярск, Російська Федерація https://orcid.org/0000-0002-7707-8792
  • Евгений Р. Гафаров Сибирский федеральный университет, Красноярск, Російська Федерація https://orcid.org/0000-0002-7810-7196
  • Юрий П. Саломатов Сибирский федеральный университет, Красноярск, Російська Федерація https://orcid.org/0000-0003-4309-226X

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.

##submission.downloads##

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

Том 63 № 10 (2020)

Розділ

Оригінальні статті

Ліцензія

Авторське право (c) 2020 Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника

Издатель журнала Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника (сокр. "Известия вузов. Радиоэлектроника"), Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", учитывает, что доступ автора к его статье является важным как для самого автора, так и для спонсоров его исследований. Мы представлены в базе издателей SHERPA/RoMEO как зеленый издатель (green publisher), что позволяет автору выполнять самоархивирование своей статьи. Однако важно, чтобы каждая из сторон четко понимала свои права. Просьба более детально ознакомиться с Политикой самоархивирования нашего журнала.

Политика оплаченного открытого доступа POA (paid open access), принятая в журнале, позволяет автору выполнить все необходимые требования по открытому доступу к своей статье, которые выдвигаются институтом, правительством или фондом при выделении финансирования. Просьба более детально ознакомиться с политикой оплаченного открытого доступа нашего журнала (см. отдельно).

Варианты доступа к статье:

1. Статья в открытом доступе POA (paid open access)

В этом случае права автора определяются лицензией CC BY (Creative Commons Attribution).

2. Статья с последующим доступом по подписке

В этом случае права автора определяются авторским договором, приведенным далее.

  • Автор (каждый соавтор) уступает Издателю журнала «Известия высших учебных заведений. Радиоэлектроника» НТУУ «КПИ» на срок действия авторского права эксклюзивные права на материалы статьи, в том числе право на публикацию данной статьи издательством Аллертон Пресс, США (Allerton Press) на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems». Передача авторского права охватывает исключительное право на воспроизведение и распространение статьи, включая оттиски, переводы, фото воспроизведения, микроформы, электронные формы (он- и оффлайн), или любые иные подобные формы воспроизведения, а также право издателя на сублицензирование третьим лицам по своему усмотрению без дополнительных консультаций с автором. При этом журнал придерживается Политики конфиденциальности.
  • Передача прав включает право на обработку формы представления материалов с помощью компьютерных программам и систем (баз данных) для их использования и воспроизводства, публикации и распространения в электронном формате и внедрения в системы поиска (базы данных).
  • Воспроизведение, размещение, передача или иное распространение или использование материалов, содержащихся в статье должно сопровождаться ссылкой на Журнал и упоминанием Издателя, а именно: название статьи, имя автора (соавторов), название журнала, номер тома, номер выпуска, копирайт авторов и издателя "© Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт"; © автор(ы)".
  • Автор (каждый соавтор) материалов сохраняет все права собственника материалов, включая патентные права на любые процессы, способы или методы и др., а также права на товарные знаки.
  • Издатель разрешает автору (каждому соавтору) материалов следующее:
  1. Право пользоваться печатными или электронными вариантами материалов статьи в форме и содержании, принятыми Издателем для публикации в Журнале. Подробнее см. политики Оплаченного открытого доступа, подписки и самоархивирования.
  2. Право бесплатно копировать или передавать коллегам копию напечатанной статьи целиком или частично для их личного или профессионального использования, для продвижения академических или научных исследований или для учебного процесса или других информационных целей, не связанных с коммерческими целями.
  3. Право использовать материалы из опубликованной статьи в написанной автором (соавторами) книге, монографии, учебнике, учебном пособии и других научных и научно-популярных изданиях.
  4. Право использовать отдельные рисунки или таблицы и отрывки текста из материалов в собственных целях обучения или для включения их в другую работу, которая печатается (в печатном или электронном формате) третьей стороной, или для представления в электронном формате во внутренние компьютерные сети или на внешние сайты автора (соавторов).
  • Автор (соавторы) соглашаются, что каждая копия материалов или любая ее часть, распространенная или размещенная ими в печатном или электронном формате, будет содержать указание на авторское право, предусмотренное в Журнале и полную ссылку на Журнал Издателя.
  • Автор (соавторы) гарантирует, что материалы являются оригинальной работой и представлены впервые на рассмотрение только в этом Журнале и ранее не публиковались. Если материалы написаны совместно с соавторами, автор гарантирует, что проинформировал их относительно условий публикации материалов и получил их подписи или письменное разрешение подписываться от их имени.
  • Если в материалы включаются отрывки из работ или имеются указания на работы, которые охраняются авторским правом и принадлежат третьей стороне, то автору необходимо получить разрешение владельца авторских прав на использование таких материалов в первом случае и сделать ссылку на первоисточник во втором.
  • Автор гарантирует, что материалы не содержат клеветнических высказываний и не посягают на права (включая без ограничений авторское право, права на патент или торговую марку) других лиц и не содержат материалы или инструкции, которые могут причинить вред или ущерб третьим лицам. Автор (каждый соавтор) гарантирует, что их публикация не приведет к разглашению секретных или конфиденциальных сведений (включая государственную тайну). Подтверждением этого является Экспертное заключение (см. перечень документов в Правила для авторов).
  • Издатель обязуется опубликовать материалы в случае получения статьей положительного решения редколлегии о публикации на основании внешнего рецензирования (см. Политика рецензирования).
  • В случае публикации статьи на английском языке в журнале «Radioelectronics and Communications Systems» (Издатель: Аллертон Пресс, США, распространитель Springer) автору (соавторам) выплачивается гонорар после выхода последнего номера журнала года, в котором опубликована данная статья.
  • Документ Согласие на публикацию, который подают русскоязычные авторы при подаче статьи в редакцию, является краткой формой данного договора, в котором изложены все ключевые моменты настоящего договора и наличие которого подтверждает согласие автора (соавторов) с ним. Аналогичным документом для англоязычных авторов является Copyright Transfer Agreement (CTA), предоставляемый издательством Allerton Press.
  • Настоящий Договор вступает в силу в момент принятия статьи к публикации. Если материалы не принимаются к публикации или до публикации в журнале автор (авторы) отозвал работу, настоящий Договор не приобретает (теряет) силу.