CN101651483A - 基于随机布设天线阵的信号合成增强方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于随机布设天线阵的信号合成增强方法及装置，所述方法包括：采集多天线接收的多路信号；从所述多路信号中选择一路信号作为参考信号，将多路信号中除所述参考信号的其它信号作为输入信号；补偿输入信号与参考信号之间的信号差异；计算所述补偿后的输入信号的合成权值，并将所述参考信号和根据所述合成权值加权后的输入信号进行合并。应用本发明实施例时，多天线可以随意布设，无需知道每个天线的位置信息，且可以充分利用现有的多个独立接收机，就能够补偿信号间存在的各种信号差异，提高信号的接收质量，特别是可运用于信号信噪比较低、没有达到同步或检测门限等不良接收环境，提高了多天线信号合成的灵活性与通用性。

Description

基于随机布设天线阵的信号合成增强方法及装置

技术领域

本发明涉及雷达和无线通信技术领域，尤其涉及一种基于随机布设天线阵的信号合成增强方法及装置。

背景技术

在雷达和无线通信领域，通常利用对多天线接收信号进行处理来提高信号质量，对接收信号的处理需要考虑时延、接收机的振荡源频率及信号合成权值等问题。

发明人在对现有技术的研究过程中发现，现有基于多天线的信号合成技术中，多天线组成的天线阵也可以随机布设，但对于信号信噪比较低、未达到同步或检测门限时，要求各个接收机的振荡器采用统一的振荡源，信号间不能存在频率差；并且，某些技术的信号合成需要考虑信号的调制特点。

因此，在实际应用中，基于随机布设天线阵的信号处理过程需要考虑的因素较多，如果信号信噪比较低、未达到同步或检测门限，而且需要充分利用现有的多个同类型或不同类型接收机以及现有的多接收天线，则现有基于多天线的信号合成技术难以实现，缺乏灵活性和通用性。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种基于随机布设天线阵的信号合成增强方法及装置，以解决信号信噪比较低、未达到同步或检测门限时非同源本振的多天线信号合成问题，提高多天线信号合成的灵活性与通用性。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供如下技术方案：

一种基于随机布设天线阵的信号合成增强方法，包括：

采集多天线接收的多路信号；

从所述多路信号中选择一路信号作为参考信号，将所述多路信号中除所述参考信号的其它信号作为输入信号；

补偿所述输入信号与所述参考信号之间的信号差异；

计算所述补偿后的输入信号的合成权值，并将所述参考信号和根据所述合成权值加权后的输入信号进行合并。

所述采集多天线接收的多路信号后还包括：将所述多路信号进行下变频处理后变为多路复基带信号。

所述从所述多路信号中选择一路信号作为参考信号包括：

获取所述多路信号中每一路信号的信噪比；

选择所述每一路信号中信噪比最大的一路信号作为参考信号。

当所述信号差异为信号的频率差时，所述补偿所述输入信号与所述参考信号之间的信号差异包括：

估计所述输入信号与所述参考信号之间的频率差；

根据所述频率差获得单频信号；

将所述单频信号与所述输入信号相乘得到频率差补偿后的输入信号。

当所述信号差异为信号的时间差时，所述补偿所述输入信号与所述参考信号之间的信号差异包括：

估计所述输入信号与所述参考信号之间的时间差；

将所述输入信号输入群时延为所述时间差的横向滤波器后得到时间差补偿后的输入信号。

当所述信号差异为信号的相位差时，所述补偿所述输入信号与所述参考信号之间的信号差异包括：

估计所述输入信号与所述参考信号之间的相位差；

将根据所述相位差获得的相位补偿参数与所述输入信号相乘后得到相位差补偿后的输入信号。

所述计算所述补偿后的输入信号的合成权值包括：

设定所述参考信号的合成权值为1；

根据所述参考信号和所述输入信号的信噪比和功率计算所述输入信号相对于所述参考信号的合成权值。

一种基于随机布设天线阵的信号合成装置，包括：

采集单元，用于采集多天线接收的多路信号；

选择单元，用于从所述多路信号中选择一路信号作为参考信号，将所述多路信号中除所述参考信号的其它信号作为输入信号；

补偿单元，用于补偿所述输入信号与所述参考信号之间的信号差异；

计算单元，用于计算所述补偿后的输入信号的合成权值；

合并单元，用于将所述参考信号和根据所述合成权值加权后的输入信号进行合并。

还包括：

变频单元，用于将所述采集单元采集的所述多路信号进行下变频处理后变为多路复基带信号。

所述选择单元包括：

获取信噪比单元，用于获取所述多路信号中每一路信号的信噪比；

参考选择单元，用于选择所述每一路信号中信噪比最大的一路信号作为参考信号。

所述补偿单元用于补偿所述输入信号与所述参考信号之间的频率差时，包括：

频率差估计单元，用于估计所述输入信号与所述参考信号之间的频率差；

单频信号获得单元，用于根据所述频率差获得单频信号；

信号频率差补偿单元，用于将所述单频信号与所述输入信号相乘得到频率差补偿后的输入信号。

所述补偿单元用于补偿所述输入信号与所述参考信号之间的时间差时，包括：

时间差估计单元，用于估计所述输入信号与所述参考信号之间的时间差；

信号时间差补偿单元，用于将所述输入信号输入群时延为所述时间差的横向滤波器后得到时间差补偿后的输入信号。

所述补偿单元用于补偿所述输入信号与所述参考信号之间的相位差时，包括：

相位差估计单元，用于估计所述输入信号与所述参考信号之间的相位差；

信号相位差补偿单元，用于将根据所述相位差获得的相位补偿参数与所述输入信号相乘后得到相位差补偿后的输入信号。

所述计算单元包括：

权值设定单元，用于设定所述参考信号的合成权值为1；

权值计算单元，用于根据所述参考信号和所述输入信号的信噪比和功率计算所述输入信号相对于所述参考信号的合成权值。

可见，在本发明实施例中，采集多天线接收的多路信号，从多路信号中选择一路信号作为参考信号，将多路信号中除参考信号的其它信号作为输入信号，补偿输入信号与参考信号之间的信号差异，计算补偿后的输入信号的合成权值，并将参考信号和根据合成权值加权后的输入信号进行合并。应用本发明实施例时，多天线可以随意布设，无需知道每个天线的位置信息，且可以充分利用现有的多个独立接收机，就能够补偿信号间存在的各种信号差异，提高信号的接收质量，特别是可运用于信号信噪比较低、没有达到同步或检测门限等不良接收环境，提高了多天线信号合成的灵活性与通用性；并且，由于输出信号不改变输入信号的频段，在提高接收信号质量的情况下，无须改变对输出信号的后续处理流程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明基于随机布设天线阵的信号合成增强方法的第一实施例流程图；

图2A为本发明基于随机布设天线阵的信号合成增强方法的第二实施例流程图；

图2B为本发明一种基于随机布设天线阵的信号合成增强结构示意图；

图2C为本发明信号合成增强结构示意图中对频率差进行补偿的结构示意图；

图2D为本发明信号合成增强结构示意图中对时间差进行补偿的结构示意图；

图2E为本发明信号合成增强结构示意图中对相位差进行补偿的结构示意图；

图2F为本发明信号合成增强结构示意图中对信号进行合成的结构示意图；

图3为本发明基于随机布设天线阵的信号合成增强装置的第一实施例框图；

图4为本发明基于随机布设天线阵的信号合成增强装置的第二实施例框图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种基于随机布设天线阵的信号合成增强方法及装置。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请实施例中的技术方案，并使本申请实施例的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请实施例中技术方案作进一步详细的说明。

参加图1，为本发明基于随机布设天线阵的信号合成增强方法的第一实施例流程图：

步骤101：采集多天线接收的多路信号。

步骤102：从多路信号中选择一路信号作为参考信号，将多路信号中除参考信号的其它信号作为输入信号。

具体的，可以获取多路信号中每一路信号的信噪比，选择每一路信号中信噪比最大的一路信号作为参考信号。

其中，所获取的多路信号中每一路信号的信噪比可以不要求精确，也可以选择每一路信号中信噪比相对较大的一路信号作为参考信号，也就是说并不严格要求必需选择信噪比最大的一路信号。

步骤103：补偿输入信号与参考信号之间的信号差异。

其中，信号差异包括：信号的频率差、信号的时间差和信号的相位差。

步骤104：计算补偿后的输入信号的合成权值，并将参考信号和根据合成权值加权后的输入信号进行合并。

具体的，可以设定参考信号的合成权值为1，根据参考信号和输入信号的信噪比和功率计算所述输入信号相对于参考信号的合成权值。

参加图2A，为本发明基于随机布设天线阵的信号合成增强方法的第二实施例流程图：

步骤201：采集多天线接收的多路信号。

其中，多天线可以是随机布设的多个天线，也可以是具有一定规则布设的天线阵，且适用于不同类型的天线。在对多天线接收的多路信号进行同步数据采集时，可运用于随机布设天线阵列接收同一信号或者是单个天线接收不同频率的同一信号。

步骤202：将多路信号进行下变频处理后变为多路复基带信号。

步骤203：获取多路信号中每一路信号的信噪比。

步骤204：选择每一路信号中信噪比最大的一路信号作为参考信号。

其中，所获取的多路信号中每一路信号的信噪比可以不要求精确，也可以选择每一路信号中信噪比相对较大的一路信号作为参考信号，也就是说并不严格要求必需选择信噪比最大的一路信号。

参见图2B，为本发明一种基于随机布设天线阵的信号合成结构示意图，其中d(n)为参考信号，x(n)为输入信号，x₁(n)为经过频率差补偿模块A后的输入信号，x₂(n)为所述x₁(n)经过时间差补偿模块B后的输入信号，x₃(n)为所述x₂(n)经过相位差补偿模块C后的输入信号，y(n)为x₃(n)与d(n)经过权值估计与合成模块D后的输出信号。

后续将结合具体步骤对每个模块的实现进行详细描述。

步骤205：补偿输入信号与参考信号之间的频率差。

其中，估计输入信号与所述参考信号之间的频率差，根据频率差获得单频信号，将单频信号与输入信号相乘得到频率差补偿后的输入信号。

参见图2C，为本发明信号合成结构示意图中对频率差进行补偿的结构示意图，其中，Δω为频率差，e^jΔωn为单频信号，E为频率差估计模块，F为单频信号产生模块。

图2C中，将参考信号d(n)和输入信号x(n)送入频率差估计模块E，得到估计的频率差Δω。频率差Δω的估计方法可以采用幅度谱互相关法，即先对d(n)和x(n)分别做傅立叶变换，得到D(ω)和X(ω)，之后利用|D(ω)|和|X(ω)|做互相关，并将搜索得到的最大相关值对应的频率作为频率差Δω的估计值；将频率差Δω送入单频信号产生模块F，得到单频信号e^jΔωn，单频信号可以由cos(Δωn)+j sin(Δωn)计算得到；将单频信号e^jΔωn与输入信号x(n)相乘，完成频率差的补偿，得到信号x₁(n)。

步骤206：补偿输入信号与参考信号之间的时间差。

其中，估计输入信号与参考信号之间的时间差，将输入信号输入群时延为所述时间差的横向滤波器后得到时间差补偿后的输入信号。

参见图2D，为本发明信号合成结构示意图中对时间差进行补偿的结构示意图，其中，Δτ为时间差，G为时延差估计模块，H为时延差补偿模块。

图2D中，将参考信号d(n)与前述经过频率差补偿的信号x₁(n)送入时延差估计模块G，得到所估计的时延差Δτ，时延差Δτ的估计算法通常有互相关法、相位法、或循环相关法等，本发明优选可采用互相关法直接估计得到Δτ；将时延差Δτ与x₁(n)输入时延差补偿模块H，完成时延差补偿，得到信号x₂(n)，其中，信号x₂(n)可以具体由x₁(n)通过群时延为Δτ的横向滤波器后得到。

步骤207：补偿输入信号与参考信号之间的相位差。

其中，估计输入信号与所述参考信号之间的相位差，将根据相位差获得的相位补偿参数与所述输入信号相乘后得到相位差补偿后的输入信号。

参见图2E，为本发明信号合成结构示意图中对相位差进行补偿的结构示意图，其中，Δθ为相位差，I为相位差估计模块。

图2E中，将参考信号d(n)与前述经过时延差补偿的信号x₂(n)送入相位差估计模块I，得到所估计的相位差Δθ；对参考信号d(n)与信号x₂(n)做互相关函数

的相位即为相位差Δθ的估计值；将e^jΔθ与x₂(n)相乘，完成相位差补偿，得到信号x₃(n)，其中，e^jΔθ由cos(Δθ)+jsin(Δθ)计算得到。

步骤208：设定参考信号的合成权值为1。

步骤209：根据参考信号和输入信号的信噪比和功率计算输入信号相对于参考信号的合成权值。

步骤210：将参考信号和根据合成权值加权后的输入信号进行合并。

参见图2F，为本发明信号合成结构示意图中对信号进行合成的结构示意图，其中，w为输入信号的权值，x₄(n)为x₃(n)经加权后的信号，J为权值估计模块。

图2F中，设参考信号d(n)的权值为1，将参考信号d(n)与前述经过相位差补偿的信号x₃(n)送入权值估计模块J，得到信号x₃(n)的权值w，权值w的计算可以通过估计参考信号d(n)与信号x₃(n)的信噪比(分别为SNR(d)和SNR(x₃))和功率(分别为P_d和

)得到，即 $w=\sqrt{\frac{P_d\mathrm{SNR}\left(x_3\right)(1+\mathrm{SNR}\left(x_3\right))}{P_{x_3}\mathrm{SNR}\left(d\right)(1+\mathrm{SNR}\left(d\right))}},$ 其中信噪比的估计算法有SSME、M2M4、或奇异值分解法等，本发明实施例优选采用对信号自相关矩阵的奇异值分解进行盲信噪比估计；将权值w与x₃(n)相乘，得到加权后信号x₄(n)；将参考信号d(n)与信号x₄(n)相加，得到合成输出信号y(n)。

与本发明基于随机布设天线阵的信号合成方法的实施例相对应，本发明还提供了基于随机布设天线阵的信号合成装置的实施例。

参见图3，为本发明基于随机布设天线阵的信号合成增强装置的第一实施例框图，该装置包括：采集单元310、选择单元320、补偿单元330、计算单元340和合并单元350。

其中，采集单元310，用于采集多天线接收的多路信号；

选择单元320，用于从所述多路信号中选择一路信号作为参考信号，将所述多路信号中除所述参考信号的其它信号作为输入信号；

补偿单元330，用于补偿所述输入信号与所述参考信号之间的信号差异；

计算单元340，用于计算所述补偿后的输入信号的合成权值；

合并单元350，用于将所述参考信号和根据所述合成权值加权后的输入信号进行合并。

参见图4，为本发明基于随机布设天线阵的信号合成增强装置的第二实施例框图，该装置包括：采集单元410、变频单元420、选择单元430、补偿单元440、计算单元450和合并单元460。

其中，采集单元410，用于采集多天线接收的多路信号；

变频单元420，用于将所述采集单元采集的所述多路信号进行下变频处理后变为多路复基带信号；

选择单元430，用于从所述多路信号中选择一路信号作为参考信号，将所述多路信号中除所述参考信号的其它信号作为输入信号；

补偿单元440，用于补偿所述输入信号与所述参考信号之间的信号差异；

计算单元450，用于计算所述补偿后的输入信号的合成权值；

合并单元460，用于将所述参考信号和根据所述合成权值加权后的输入信号进行合并。

其中，选择单元430可以包括(图4中未示出)：获取信噪比单元，用于获取所述多路信号中每一路信号的信噪比；参考选择单元，用于选择所述每一路信号中信噪比最大的一路信号作为参考信号。

其中，补偿单元可以用于补偿所述输入信号与所述参考信号之间的频率差；和/或用于补偿所述输入信号与所述参考信号之间的时间差，和/或用于补偿所述输入信号与所述参考信号之间的相位差。

具体的，补偿单元用于补偿所述输入信号与所述参考信号之间的频率差时，可以包括：频率差估计单元，用于估计所述输入信号与所述参考信号之间的频率差；单频信号获得单元，用于根据所述频率差获得单频信号；信号频率差补偿单元，用于将所述单频信号与所述输入信号相乘得到频率差补偿后的输入信号。

具体的，补偿单元用于补偿所述输入信号与所述参考信号之间的时间差时，可以包括：时间差估计单元，用于估计所述输入信号与所述参考信号之间的时间差；信号时间差补偿单元，用于将所述输入信号输入群时延为所述时间差的横向滤波器后得到时间差补偿后的输入信号。

具体的，补偿单元用于补偿所述输入信号与所述参考信号之间的相位差时，可以包括：相位差估计单元，用于估计所述输入信号与所述参考信号之间的相位差；信号相位差补偿单元，用于将根据所述相位差获得的相位补偿参数与所述输入信号相乘后得到相位差补偿后的输入信号。

其中，计算单元450可以包括(图4中未示出)：权值设定单元，用于设定所述参考信号的合成权值为1；权值计算单元，用于根据所述参考信号和所述输入信号的信噪比和功率计算所述输入信号相对于所述参考信号的合成权值。

通过以上的实施方式的描述可知，采集多天线接收的多路信号，从多路信号中选择一路信号作为参考信号，将多路信号中除参考信号的其它信号作为输入信号，补偿输入信号与参考信号之间的信号差异，计算补偿后的输入信号的合成权值，并将参考信号和根据合成权值加权后的输入信号进行合并。应用本发明实施例时，多天线可以随意布设，无需知道每个天线的位置信息，且可以充分利用现有的多个独立接收机，就能够补偿信号间存在的各种信号差异，提高信号的接收质量，特别是可运用于信号信噪比较低、没有达到同步或检测门限等不良接收环境，提高了多天线信号合成的灵活性与通用性；并且，由于输出信号不改变输入信号的频段，在提高接收信号质量的情况下，无须改变对输出信号的后续处理流程。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上和对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。

本发明可用于众多通用或专用的计算系统环境或配置中。例如：个人计算机、服务器计算机、手持设备或便携式设备、平板型设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒、可编程的消费电子设备、网络PC、小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等。

本发明可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本发明，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。

虽然通过实施例描绘了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，希望所附的权利要求包括这些变形和变化而不脱离本发明的精神。

Claims (14)

1、一种基于随机布设天线阵的信号合成增强方法，其特征在于，包括：

采集多天线接收的多路信号；

从所述多路信号中选择一路信号作为参考信号，将所述多路信号中除所述参考信号的其它信号作为输入信号；

补偿所述输入信号与所述参考信号之间的信号差异；

计算所述补偿后的输入信号的合成权值，并将所述参考信号和根据所述合成权值加权后的输入信号进行合并。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述采集多天线接收的多路信号后还包括：将所述多路信号进行下变频处理后变为多路复基带信号。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从所述多路信号中选择一路信号作为参考信号包括：

获取所述多路信号中每一路信号的信噪比；

选择所述每一路信号中信噪比最大的一路信号作为参考信号。

4、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述信号差异为信号的频率差时，所述补偿所述输入信号与所述参考信号之间的信号差异包括：

估计所述输入信号与所述参考信号之间的频率差；

根据所述频率差获得单频信号；

将所述单频信号与所述输入信号相乘得到频率差补偿后的输入信号。

5、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述信号差异为信号的时间差时，所述补偿所述输入信号与所述参考信号之间的信号差异包括：

估计所述输入信号与所述参考信号之间的时间差；

将所述输入信号输入群时延为所述时间差的横向滤波器后得到时间差补偿后的输入信号。

6、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所述信号差异为信号的相位差时，所述补偿所述输入信号与所述参考信号之间的信号差异包括：

估计所述输入信号与所述参考信号之间的相位差；

将根据所述相位差获得的相位补偿参数与所述输入信号相乘后得到相位差补偿后的输入信号。

7、根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述补偿后的输入信号的合成权值包括：

设定所述参考信号的合成权值为1；

根据所述参考信号和所述输入信号的信噪比和功率计算所述输入信号相对于所述参考信号的合成权值。

8、一种基于随机布设天线阵的信号合成装置，其特征在于，包括：

采集单元，用于采集多天线接收的多路信号；

选择单元，用于从所述多路信号中选择一路信号作为参考信号，将所述多路信号中除所述参考信号的其它信号作为输入信号；

补偿单元，用于补偿所述输入信号与所述参考信号之间的信号差异；

计算单元，用于计算所述补偿后的输入信号的合成权值；

合并单元，用于将所述参考信号和根据所述合成权值加权后的输入信号进行合并。

9、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括：

变频单元，用于将所述采集单元采集的所述多路信号进行下变频处理后变为多路复基带信号。

10、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述选择单元包括：

获取信噪比单元，用于获取所述多路信号中每一路信号的信噪比；

参考选择单元，用于选择所述每一路信号中信噪比最大的一路信号作为参考信号。

11、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述补偿单元用于补偿所述输入信号与所述参考信号之间的频率差时，包括：

频率差估计单元，用于估计所述输入信号与所述参考信号之间的频率差；

单频信号获得单元，用于根据所述频率差获得单频信号；

信号频率差补偿单元，用于将所述单频信号与所述输入信号相乘得到频率差补偿后的输入信号。

12、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述补偿单元用于补偿所述输入信号与所述参考信号之间的时间差时，包括：

时间差估计单元，用于估计所述输入信号与所述参考信号之间的时间差；

信号时间差补偿单元，用于将所述输入信号输入群时延为所述时间差的横向滤波器后得到时间差补偿后的输入信号。

13、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述补偿单元用于补偿所述输入信号与所述参考信号之间的相位差时，包括：

相位差估计单元，用于估计所述输入信号与所述参考信号之间的相位差；

信号相位差补偿单元，用于将根据所述相位差获得的相位补偿参数与所述输入信号相乘后得到相位差补偿后的输入信号。

14、根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述计算单元包括：

权值设定单元，用于设定所述参考信号的合成权值为1；

权值计算单元，用于根据所述参考信号和所述输入信号的信噪比和功率计算所述输入信号相对于所述参考信号的合成权值。

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