CN100488075C - 一种阵列天线信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列天线信号处理方法，包括以下步骤：a.确定参与阵列天线信号处理的天线单元数，并从阵列天线的所有天线单元中选择出用于参与阵列天线信号处理的天线单元；b.对所选择出的所有天线单元的接收信号进行信号估计处理，获得用户的特征参数估计；c.采用步骤b获得的用户特征参数估计，进行阵列天线所有天线单元的加权系数估计；d.利用步骤c估计出的加权系数完成阵列天线信号的接收与发射。采用本发明的方法能有效降低阵列天线信号处理的计算量，并提高接收信号的可靠性。

Description

一种阵列天线信号处理方法

技术领域

本发明涉及阵列天线技术，尤指一种简化的阵列天线信号处理方法。

背景技术

阵列天线是由多个天线单元按照一定分布方式构成的，主要用于在移动通信中提高包括高增益在内的天线系统性能。阵列天线中的每个天线单元是相互独立的单元，每个天线单元可以采用全向天线或定向天线，所有天线单元的分布可以是直线型、环型、平面型或立体型。阵列天线技术是通过所有天线单元之间的相互配合完成各种环境下用户信号的接收与发送，一般来说，阵列天线技术通过对接收信号的估计来计算确定发射信号在每个天线单元上的加权参数，进而利用计算出的加权参数完成天线阵列信号的合并接收和/或发射。具体地说，现有阵列天线发射技术就是对所有天线单元上的接收信号进行处理，确定各天线单元的加权系数。这里，所述对接收信号的处理是采用各种收发波束赋形技术、接收分集技术以及闭环发射分集技术。

现有技术中，基于参数估计的阵列天线信号处理过程是这样：

a)确定当前所用阵列天线的天线单元数M，这里，天线单元数也可以称作阵列天线的维数，每个天线单元对应一路信号；

b)对所接收的M路信号进行处理，获得用户的特征参数估计，这里，对接收信号采用不同的处理方法，可获得不同的用户特征参数，比如：对所接收的M路信号进行用户来波估计，那么，经过对M路信号进行信道估计、相关矩阵计算、谱估计，最终得到用户的来波方向，所得到的来波方向就作为用户特征参数；

c)利用所得到的用户特征参数进行所有天线单元加权系数的估计，这里，可采用赋形权系数为特征参数的函数进行估计运算。

从上述阵列天线信号处理过程中可以看出，阵列天线信号处理的计算量会随着天线单元数的增加而增加，其中主要的计算量是对各天线加权系数的计算。

另外，对于复杂的无线环境来说，阵列天线的接收信号是复杂的，一般来说，不同天线单元的信号衰落是不同的，如果某个天线单元处于深衰落状态，其接收信号的可信度就会降低，这种情况下，就存在如何有效利用所有天线单元，提高接收信号可靠性的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种阵列天线信号处理方法，能有效降低阵列天线信号处理的计算量，并提高接收信号的可靠性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种阵列天线信号处理方法，该方法包括以下步骤：

a.确定参与阵列天线信号处理的天线单元数，并从阵列天线的所有天线单元中选择出用于参与阵列天线信号处理的天线单元；

b.对步骤a选择出的所有天线单元的接收信号进行信号估计处理，获得用户的特征参数估计；

c.采用步骤b获得的用户特征参数估计，进行阵列天线所有天线单元的加权系数估计；

d.利用步骤c估计出的加权系数完成阵列天线信号的接收和/或发射。

其中，步骤b中所述信号估计处理根据阵列天线当前采用的阵列天线信号处理算法确定。那么，如果当前阵列天线信号处理算法为发射波束赋形算法，则步骤b中所述信号估计处理为对接收信号进行用户来波估计；所述用户特征参数为来波方向；所述信号估计处理具体包括：

b1.估计出用户信号在所选出的天线单元上的信道估计矩阵；

b2.根据所选出天线单元上的阵列信道冲激响应，得到用户的空间相关矩阵，再根据所选出天线单元的阵列响应矢量得到用户的离散谱估计图；

b3.根据用户的离散谱估计图估计出用户信号的来波方向。

上述方案中，步骤a中所述确定天线单元数根据系统的处理能力确定，或是根据天线单元接收信号的质量确定。步骤a中所述选出参与阵列天线信号处理的天线单元根据阵列天线形式选择，或是根据天线单元接收信号的质量高低选择。步骤c中所述的加权系数估计根据用户特征参数与加权系数之间的函数关系进行。其中，步骤c中所采用的用户特征参数与加权系数之间的函数关系根据阵列天线形式确定，或根据阵列天线当前采用的阵列天线信号处理算法确定。

本发明所提供的阵列天线信号处理方法，具有以下的优点和特点：

1)由于选择部分天线单元进行加权系数的估计运算，降低了阵列信号的处理维数，因此一定程度的减小了阵列天线信号处理的计算量和复杂度。

2)本发明在计算用户特征参数时仅利用部分天线单元的接收信号，而在进行加权系数估计时扩展为所有天线单元的加权系数，保证了整个阵列天线对用户信号的发射效果，有效利用了所有的天线单元。

3)本发明在选择参与信号处理的天线单元时，可根据阵列的形式选择，或是根据天线单元接收信号质量选择，选择方式灵活，且能充分利用接收信号质量高的天线单元。

4)本发明中，所采用的扩展方法可以根据阵列天线的阵列形式，或是根据阵列信号处理算法的特点选择确定，实现方式灵活多样，适用性更强。

附图说明

图1为本发明方法的实现流程图；

图2a为本发明实施例中阵列天线简化前的组成结构图；

图2b为本发明实施例中阵列天线简化后的组成结构图；

图3为本发明实施例的方法实现流程图。

具体实施方式

本发明的核心思想是：减少阵列天线信号的处理维数，仅采用部分天线单元接收信号进行用户特征参数的估计，然后再用估计出的用户特征参数计算全部天线单元的加权系数。

这里，所采用的部分天线单元是根据阵列天线形式，或是根据天线单元的接收信号质量预先选定的。本发明中，阵列信号的加权系数是根据估计出的用户特征参数确定的，因此本发明方法适用于基于用户特征参数估计的阵列信号处理方法。

假设阵列天线的维数为M，选择其中的N(N≤M)路接收信号进行处理，得到用户特征参数，进而估计出每个天线上的接收/发射加权系数。如图1所示，本发明基于用户特征参数估计的阵列天线信号处理方法包括以下步骤：

步骤101：确定M维阵列天线的信号处理维数N(N≤M)，也就是说，先确定要选用多少个天线单元的接收信号参与处理。其中，处理维数的选择原则可以是根据系统的处理能力预先确定，也可以根据天线单元的接收信号质量来进行选择。

步骤102：从所有天线单元中选择出用于参与加权系数估计的N路信号。

这里，N路信号的选择可以根据阵列形式因素确定，也可以根据天线单元的接收信号质量高低来选择。在根据阵列形式确定时，基本的原则是保持阵列的间距结构及阵列口径与原阵列天线相当，尽量不去除相邻的天线单元，其中，阵列间距是指天线单元之间的距离，阵列口径是指整个阵列天线的最大尺寸，比如：对于直线形阵列天线，阵列口径就是该阵列天线的直线长度。在根据接收信号质量高低选择时，可按照信号功率大小来选择，比如：M路接收信号的功率估计值为P₁≥P₂≥…≥P_M，则可以选择接收信号功率最大的N路信号参与加权系数的估计。

步骤103：对步骤102所选出的N路接收信号进行信号估计处理，获得用户的特征参数估计c_k。这里，所述的信号估计处理可以通过采用不同的阵列信号处理算法得到不同的用户特征参数，比如：通过对接收信号进行用户来波估计，获得用户来波方向；或者，通过在波束切换算法中估计用户信号所在的波束序号来确定下行赋形参数。

步骤104：根据公式(1)，利用步骤103得到的用户特征参数估计c_k进行所有天线单元加权系数的估计。

w＝w(c_k)，k＝1，…，K          (1)

其中，k＝1，…，K是用户的序号，w为阵列天线的加权系数，w(c_k)表示赋形权系数是特征参数的函数。

本步骤中，如何根据用户特征参数估计c_k估计阵列天线的加权系数，可根据阵列天线的形式选用相应的算法，也可以根据当前采用的阵列信号处理算法选择相应的算法。这里，阵列信号处理算法并不限于具体算法，本发明可适用于所有基于参数估计的阵列信号处理算法。

步骤105：利用估计出的加权系数完成阵列天线信号的接收与发射。

下面通过一具体实施例详细说明本发明方法的实现过程，如图2a所示，本实施例采用的阵列天线为8单元的均匀环形阵列，即M＝8，圆环的半径为0.65λ，λ为载波波长。本实施例中，根据阵列形式预先确定信号处理维数为6，即N＝6，并选定用于信号处理的单元为#2、#4、#5、#6、#7、#8，如图2b所示。本实施例中，阵列信号处理算法为发射波束赋形算法，相应的，赋形权系数即加权系数估计方法为来波估计波束赋形法。如图3所示，本实施例实现阵列天线信号处理的方法包括以下步骤：

步骤301～302：根据阵列天线的形式，确定阵列天线的处理维数N＝6，并选定#2、#4、#5、#6、#7、#8天线单元的6路信号用于加权系数估计。

假设8路接收信号序列分别为e_m，m＝1，…，M，为L×1维序列，L为接收信号序列长度，则用于加权系数估计的6路接收信号序列为：e₂、e₄、e₅、e₆、e₇、e₈。

步骤303：对所选择的6路接收信号e₂、e₄、e₅、e₆、e₇、e₈进行信号估计处理，在本实施例中，所述信号估计处理是利用6路接收信号进行用户来波估计，具体的来波估计过程包括：

步骤303a：先估计出用户信号在6根天线上的信道估计矩阵H：

H＝[h₂，h₄，h₅，h₆，h₇，h₈]

其中，矩阵的维数为6×W，W为信道估计的估计窗长，本实施例中选择W＝16，信道估计算法可以根据系统特点选择，这点属于现有技术，在此不再赘述。

步骤303b：根据6个天线单元上的阵列信道冲激响应，得到用户的空间相关矩阵R：

R＝H^HH

其中，H^H表示矩阵H的共轭转置运算，用户的空间相关矩阵R就等于矩阵H与其共轭转置矩阵之积。

步骤303c：根据6个天线单元的阵列响应矢量得到用户的离散谱估计图，本实施例中，谱估计方法采用Bartlett谱估计方法，即：

其中，

为6个天线单元的阵列响应矢量，R为步骤303b得到的用户的空间相关矩阵，本实施例中，为：

其中，

为方位角的离散值，这里

例如：

时， $a_6\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)$ 为：

$a_6\left(\frac{\mathrm{\π}}{2}\right)=\left[\begin{array}{c}1.0000+0.0000i\\ -0.9227+0.3856i\\ -0.7375-0.6753i\\ -0.9227+0.3856i\\ 1.0000+0.0000i\\ -0.9227-0.3856i\\ -0.7375+0.6753i\\ -0.9227-0.3856i\end{array}\right];$

步骤303d：根据用户的离散谱估计图

估计出用户信号的来波方向

然后将估计出的来波方向

作为用户特征参数估计值。

步骤304：利用所得到的用户特征参数估计

进行所有天线单元的加权系数估计。本实施例中是根据阵列形式进行所有天线单元的加权系数估计，具体来说，由于本实施例采用的阵列天线是均匀环形阵列，环形的半径大小和天线单元的位置都是已知的。那么，相邻天线单元之间的夹角是相同的，根据天线单元之间的夹角和半径就可以得到阵列天线赋形权系数与用户特征参数估计

之间的关系，进而得到8天线的赋形权系数。比如：

那么，得到的赋形权系数w为：

其中，

表示复矩阵

的共轭运算。

步骤305：采用估计出的赋形权系数完成阵列天线信号的加权接收与发射。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (7)

1、一种阵列天线信号处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

a.确定参与阵列天线信号处理的天线单元数，并从阵列天线的所有天线单元中选择出用于参与阵列天线信号处理的天线单元；

b.对步骤a选择出的所有天线单元的接收信号进行信号估计处理，获得用户的特征参数估计；

c.采用步骤b获得的用户特征参数估计，进行阵列天线所有天线单元的加权系数估计；

d.利用步骤c估计出的加权系数完成阵列天线信号的接收和/或发射。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b中所述信号估计处理根据阵列天线当前采用的阵列天线信号处理算法确定。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，当前阵列天线信号处理算法为发射波束赋形算法，则步骤b中所述信号估计处理为对接收信号进行用户来波估计；所述用户特征参数为来波方向；所述信号估计处理具体包括：

b1.估计出用户信号在所选出的天线单元上的信道估计矩阵；

b2.根据所选出天线单元上的阵列信道冲激响应，得到用户的空间相关矩阵，再根据所选出天线单元的阵列响应矢量得到用户的离散谱估计图；

b3.根据用户的离散谱估计图估计出用户信号的来波方向。

4、根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，步骤a中所述确定天线单元数根据系统的处理能力确定，或是根据天线单元接收信号的质量确定。

5、根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，步骤a中所述选出参与阵列天线信号处理的天线单元根据阵列天线形式选择，或是根据天线单元接收信号的质量高低选择。

6、根据权利要求1或3所述的方法，其特征在于，步骤c中所述的加权系数估计根据用户特征参数与加权系数之间的函数关系进行。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤c中所采用的用户特征参数与加权系数之间的函数关系根据阵列天线形式确定，或根据阵列天线当前采用的阵列天线信号处理算法确定。

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