CN102394686B - 高精度阵列天线接收系统角度估计的装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高精度阵列天线接收系统角度估计的装置及其方法，主要解决现有技术角度估计精度低、运算复杂度高和系统稳定性差的问题。其装置包括阵列天线接收信号模块、射频模块、自适应权值设置模块、角度估计模块。其方法步骤包括：(1)阵列天线接收系统接收信号；(2)对各个阵元设置自适应权值；(3)计算该系统的输出信号功率；(4)选择自适应迭代方法及确定该迭代过程的初值和停止迭代条件；(5)搜索最佳权值向量。本发明具有角度估计精度高、运算复杂度低和系统稳定性好的优点。

Description

高精度阵列天线接收系统角度估计的装置及其方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及阵列信号处理领域中一种对阵列天线接收系统的信号到达角度估计的装置及其方法。本发明基于阵列天线接收系统运用信号功率最大化自适应迭代方法，实现高精度的阵列天线接收系统角度估计。

背景技术

随着通信技术的发展，为了提高系统容量，很多系统中已经用到了阵列天线，这就会涉及到阵列天线接收系统的角度估计，目前这方面已经有大量的理论研究和实验测试结果，研究成果表明，角度估计精度的高低决定了阵列天线接收系统性能的好坏，因此提高角度估计的精度是改善阵列天线接收系统性能的关键。

中兴通讯股份有限公司提出的专利申请“一种波达角估计方法”(申请号：200710165963.7，公开号：101431354A)中公开了一种基于共轭重排后的空间协方差矩阵进行谱估计的角度估计方法。该方法的特征是需要获得用户的信道冲击响应矩阵H，并且对该矩阵H或H对应的空间协方差矩阵R的复共轭矩阵R^*进行共轭重排，得到共轭重排的空间协方差矩阵R′，对R_m＝α×R′+β×R进行谱估计获得波达方向角度估计值。该方法可降低用户多径信号之间的相关性，可以改善系统中利用高分辨算法对期望用户多径信号的角度估计性能。但是，该方法的不足之处在于角度估计的精度不高，且由需要获得用户的信道冲击响应矩阵及后续的计算步骤可知计算复杂度高，稳定性差。

中兴通讯股份有限公司提出的专利申请“一种智能天线系统中计算到达方向的方法及装置”(申请号：200710117782.7，公开号：101330334A)中公开了一种智能天线系统中计算到达方向的方法，该方法实施步骤是：步骤1，自适应权值计算单元使用非到达方向参考算法计算出用户波束赋形权值；步骤2，到达方向估计单元采用空间搜索的方法计算出整个角度范围内的赋形方向幅度；步骤3，到达方向估计单元从所述赋形方向幅度中找出最大峰值点及其对应的角度。该方法能够直接根据波束赋形权值获取到达角度和多径到达角度，解决了非到达角度参考法的到达角度获取问题。该方法的不足之处是：在具体实施步骤中，当设定峰值检测门限值时，该门限值要根据要求检测的多径功率相对主径功率的差值获得，而此差值较难获得，所以该方法的可行性差，要求系统的信号的信噪比偏高，而且角度估计的精度会随着信号信噪比的下降而下降。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种高精度阵列天线接收系统角度估计的装置及其方法，可以精确地估计出阵列天线接收系统的到达角度。

本发明的思路是：在阵列天线接收系统中，设定特有的权值向量，该权值向量中的每个权值跟设定参数具有特定关系，根据该系统的接收信号及设定的权值向量计算出该系统的输出信号功率，使该功率最大搜索最佳的权值参数，再根据权值参数与到达角度的关系估计出信号的到达角度。

本发明的装置包括四个模块：阵列天线接收信号模块、射频模块、自适应权值设置模块、角度估计模块。其中，阵列天线接收信号模块，用于接收远场信号，阵列天线由M个阵元呈直线型等间距排列构成；射频模块，用于接收系统无线射频信号，该模块由各个阵元对应的射频天线构成；自适应权值设置模块，用于设置角度估计需要的权值；角度估计模块，用于估计接收信号的波达角度，该模块由计算单元、确定单元及搜索单元组成。

利用上述装置，本发明实现高精度阵列天线接收系统角度估计方法的具体步骤如下：

(1)接收信号

阵列天线接收信号模块中的各阵元分别接收远场信号。

(2)设置权值

在自适应权值设置模块中按照下式设置自适应权值向量：

w＝[w₁，w₂，…，w_M]^T＝[1，e^-jφ，…，e^-j(M-1)φ]^T

其中，w为自适应权值向量，w₁，w₂，…w_M分别为阵元1、阵元2、…、阵元M的权值，上标T表示向量的转置，e为自然常数，j为虚数单位，φ是给定的权值参数。

(3)计算输出功率

在角度估计模块的计算单元中按下式计算阵列天线接收系统的输出信号功率

P＝w^Hxx^Hw

其中，P为阵列天线输出信号功率，w为自适应权值向量，x为阵列天线接收信号向量，上标H表示矩阵的共轭转置。

(4)确定自适应迭代参量

4a)采用Capon法估计接收信号的到达角度，将与该角度对应的权值参数作为自适应迭代的初值；

4b)求阵列天线接收系统输出功率对权值参数的导数，得到权值参数导数；

4c)按公式p＝|x(t)|²求阵元接收信号的功率，其中，p为阵元的接收信号功率，x(t)为阵元的接收信号，t为时间变量，|·|²表示取模的平方；

4d)用权值参数导数除以阵元的接收信号功率，得到比值，将该比值的绝对值小于允许误差ε作为自适应迭代停止条件；

4e)对权值参数进行自适应迭代。

(5)搜索最佳权值参数

5a)对迭代参数初始化：置迭代序数k＝1，采用Capon法确定权值参数的初值φ₁、允许误差ε＝10^-5；

5b)分别计算三个参数：求阵列天线接收系统输出功率对权值参数的一阶导数

求该导数与阵元接收信号功率的比值

求阵列天线接收系统输出功率对权值参数的二阶导数其中，P为阵列天线接收系统输出功率，φ_k为第k个权值参数；

5c)判断

是否成立，其中ε是允许误差，若成立，则停止迭代，得到最佳权值参数φ^*＝φ_k；否则，转步骤5d)；

5d)修改权值参数：

其中，φ_k+1为第k+1个权值参数，φ_k为第k个权值参数，

为阵列天线接收系统输出功率对权值参数的二阶导数的倒数，

为阵列天线接收系统输出功率对权值参数的一阶导数，置迭代序数k：＝k+1，转步骤5b)。

(6)获得角度值

按下式求出阵列天线接收系统的角度估计值，

${\mathrm{\θ}}^{*}=\arcsin \frac{{\mathrm{\λ\φ}}^{*}}{2\mathrm{\πd}}$

其中，θ^*为阵列天线接收系统的角度估计值，λ为信号波长，φ^*为最佳权值参数，d为阵元间距。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

第一，由于本发明的装置中采用了自适应权值设置模块，简化了权值的设置过程，克服了现有技术中设置权值较复杂的问题，使得本发明的装置既简单，又能估计出高精度信号到达角度的优点。

第二，由于本发明的功率最大化自适应迭代是以Capon法确定初值为前提估计阵列天线接收系统的信号到达角度，克服了现有技术中角度估计精度不够高的问题，使得本发明具有角度估计精度高的优点。

第三，由于本发明的阵列天线各阵元的权值是权值参数的函数，自适应迭代是一维搜索优化过程，克服了现有技术中将各权值孤立开来而导致自适应迭代为多维搜索优化过程的问题，使得本发明具有运算复杂度低的优点。

附图说明

图1为本发明装置示意图；

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照附图1，本发明的装置包括四个模块：阵列天线接收信号模块、射频模块、自适应权值设置模块、角度估计模块。其中，阵列天线接收信号模块，用于接收远场信号，阵列天线由M个阵元呈直线型等间距排列构成，间距为信号波长的一半；射频模块，用于接收系统无线射频信号，该模块由各个阵元对应的射频天线构成；自适应权值设置模块，用于设置角度估计需要的权值；角度估计模块，用于估计接收信号的波达角度。该模块由计算单元、确定单元及搜索单元组成，各单元分别通过信号传输线相连，计算单元用于计算系统输出信号功率，确定单元用于确定自适应迭代搜索的参数和方法，搜索单元用于自适应迭代搜索。

参照附图2，对本发明的实现方法做进一步描述。

步骤1，接收信号

阵列天线接收系统的各阵元分别接收信号，考虑到达角度为θ某个远场窄带信号s(t)入射到空间该阵列天线上时，各阵元接收到信号后经各自的传输信道送到波束成形处理器，处理器接收来自M个阵元的数据。将M个阵元在特定时刻t接收的信号排列成一个列向量如下：

$\left[\begin{array}{c}{x}_1\left(t\right)\\ x_2\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ x_M\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{e}^{-j{\mathrm{\ω}}_0{t}_1\left(\mathrm{\θ}\right)}\\ e^{-j{\mathrm{\ω}}_0{t}_2\left(\mathrm{\θ}\right)}\\ .\\ .\\ .\\ e^{-j{\mathrm{\ω}}_0{\mathrm{\τ}}_M\left(\mathrm{\θ}\right)}\end{array}\right]s\left(t\right)+\left[\begin{array}{c}{n}_1\left(t\right)\\ n_2\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ n_M\left(t\right)\end{array}\right]$

其中，x₁(t)，x₂(t)，…，x_M(t)分别为阵元1，阵元2，…，阵元M的接收信号，e为自然常数，j为虚数单位，ω₀为信号角频率，τ₁(θ)，τ₂(θ)，…τ_M(θ)分别为阵元1，阵元2，…，阵元M相对于阵元1的延迟时间，s(t)为远场窄带信号，n₁(t)，n₂(t)，…，n_M(t)分别为阵元1，阵元2，…，阵元M的噪声。

步骤2，设置权值

在自适应权值设置模块中按照下式设置自适应权信向量：

w＝[w₁，w₂，…，w_M]^T＝[1，e^-jφ，…，e^-j(M-1)φ]^T

其中，w为自适应权值向量，w₁，w₂，…w_M分别为阵元1、阵元2、…、阵元M的权值，上标T表示向量的转置，e为自然常数，j为虚数单位，φ是给定的权值参数。

步骤3，计算输出功率

在角度估计模块的计算单元中按下式计算阵列天线接收系统的输出信号功率：

P＝w^Hxx^Hw

其中，P为阵列天线输出信号功率，w为自适应权值向量，x为阵列天线接收信号向量，上标H表示矩阵的共轭转置。

步骤4，确定自适应迭代参量

首先，采用Capon法估计接收信号的到达角度，将与该角度对应的权值参数作为自适应迭代的初值。

按照下式计算空间功率谱：

$P\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{a^H\left(\mathrm{\θ}\right)R_x^{-1}a\left(\mathrm{\θ}\right)}$

其中，P(θ)为每个信号到达角度θ对应的空间功率，θ为信号到达角度，a(θ)为导向向量，R_x＝E{xx^H}为接收信号x的协方差矩阵，上标H和-1分别表示矩阵共轭转置和矩阵逆运算；

在空间功率谱全部信号到达角度范围内搜索，当功率谱中的功率最大时停止搜索，得到对应的信号到达角度θ_d。

按照下式求解权值参数初值：

${\mathrm{\φ}}_1=\frac{2\mathrm{\πd}}{\mathrm{\λ}}\sin {\mathrm{\θ}}_d$

其中，φ₁为权值参数初值，d为阵元间距，λ为信号波长，θ_d为信号到达角度。

其次，求阵列天线接收系统输出功率对权值参数的导数，得到权值参数导数；按公式p＝|x(t)|²求阵元接收信号的功率，其中，p为阵元的接收信号功率，x(t)为阵元的接收信号，t为时间变量，|·|²表示取模的平方；用权值参数导数除以阵元的接收信号功率，得到比值，将该比值的绝对值小于允许误差ε作为自适应迭代停止条件，允许误差ε的取值范围为10^-7～10^-3。

最后，对权值参数进行自适应迭代，自适应迭代方法用梯度下降法或牛顿法，梯度下降法实现较简单，一般情况下可用梯度下降法，牛顿法实现相对复杂，在要求收敛速度快的情况下可用牛顿法。

步骤5，搜索最佳权值参数

5a)对迭代参数初始化：置迭代序数k＝1，确定权值参数的初值φ₁，允许误差ε＞0；

5b)分别计算三个参数：求阵列天线接收系统输出功率对权值参数的一阶导数

求该导数与阵元1接收信号功率的比值

求阵列天线接收系统输出功率对权值参数的二阶导数

其中，P为阵列天线接收系统输出功率，φ_k为第k个权值参数；

5c)判断

是否成立，其中ε是允许误差，若成立，则停止迭代，得到最佳权值参数φ^*＝φ_k；否则，转步骤5d)；

5d)修改权值参数：

其中，φ_k+1为第k+1个权值参数，φ_k为第k个权值参数，

为阵列天线接收系统输出功率对权值参数的二阶导数的倒数，

为阵列天线接收系统输出功率对权值参数的一阶导数，置迭代序数k：＝k+1，转步骤5b)。

步骤6，获得角度值

按下式求出阵列天线接收系统的角度估计值：

${\mathrm{\θ}}^{*}=\arcsin \frac{{\mathrm{\λ\φ}}^{*}}{2\mathrm{\πd}}$

其中，θ^*为角度估计值，λ为信号波长，φ^*为最佳权值参数，d为阵元间距。

上面结合附图2对本发明的具体实施例进行了详细说明，但本发明并不限于上述实例，如本发明的实现方法中修改权值参数步骤5d)可采用其他的自适应迭代算法。因此在不脱离本发明权利要求范围的情况下，本领域的技术人员可作出各种修改或改型。

Claims (4)

1.一种高精度阵列天线接收系统角度估计方法，包括如下步骤： 

(1)阵列天线接收信号模块中的各阵元分别接收远场信号； 

(2)设置权值 

在自适应权值设置模块中按照下式设置自适应权值向量： 

w＝[w₁，w₂，…，w_M]^T＝[1，e^-jφ，…，e^-j(M-1)φ]^T

其中，w为自适应权值向量，w₁，w₂，…w_M分别为阵元1、阵元2…阵元M的权值，上标T表示向量的转置，e为自然常数，j为虚数单位，φ是给定的权值参数； 

(3)计算输出功率 

在角度估计模块的计算单元中按下式计算阵列天线接收系统的输出信号功率 

P＝w^Hxx^Hw 

其中，P为阵列天线输出信号功率，w为自适应权值向量，x为阵列天线接收信号向量，上标H表示矩阵的共轭转置； 

(4)确定自适应迭代参量 

4a)采用Capon法估计接收信号的到达角度，将与该角度对应的权值参数作为自适应迭代的初值； 

4b)求阵列天线接收系统输出功率对权值参数的导数，得到权值参数导数； 

4c)按公式p＝｜x(t)|²求阵元接收信号的功率，其中，p为阵元的接收信号功率，x(t)为阵元的接收信号，t为时间变量，|·|²表示取模的平方； 

4d)用权值参数导数除以阵元的接收信号功率，得到比值，将该比值的绝对值小于允许误差ε作为自适应迭代停止条件； 

4e)对权值参数进行自适应迭代； 

(5)搜索最佳权值参数 

5a)对迭代参数初始化：置迭代序数k＝1，采用Capon法确定权值参数的初值 φ₁、允许误差ε＝10^-5； 

5b)分别计算三个参数：求阵列天线接收系统输出功率对权值参数的一阶导数 

求该导数与阵元接收信号功率的比值求阵列天线接收系统输出功率对权值参数的二阶导数

其中，P为阵列天线接收系统输出功率，φ_k为第k个权值参数； 

5c)判断是否成立，其中ε是允许误差，若成立，则停止迭代，得到最佳权值参数φ^* =φ_k；否则，转步骤5d)； 

5d)修改权值参数：

其中，φ_k+1为第k+1个权值参数，φ_k为第k个权值参数，

为阵列天线接收系统输出功率对权值参数的二阶导数的倒数，为阵列天线接收系统输出功率对权值参数的一阶导数，置迭代序数k：＝k+1，转步骤5b)； 

(6)获得角度值 

按下式求出阵列天线接收系统的角度估计值， 

其中，θ^*为阵列天线接收系统的角度估计值，λ为信号波长，φ^*为最佳权值参数，d为阵元间距。 

2.根据权利要求1所述的高精度阵列天线接收系统角度估计方法，其特征在于，步骤4a)和步骤5a)所述的Capon法如下： 

第一，按照下式计算空间功率谱： 

其中，P(θ)为每个信号到达角度θ对应的空间功率，θ为信号到达角度，a(θ)为导向向量，R_x＝E{xx^H}为接收信号x的协方差矩阵，上标H和-1分别表示矩阵共轭转置和矩阵逆运算； 

第二，在空间功率谱全部信号到达角度范围内搜索，当功率谱中的功率最大时停止搜索，得到对应的信号到达角度θ_d； 

第三，按照下式求解权值参数初值： 

其中，φ₁为权值参数初值，d为阵元间距，λ为信号波长，θ_d为信号到达角度。 

3.根据权利要求1所述的高精度阵列天线接收系统角度估计方法，其特征在于，步骤4d)所述的允许误差ε的取值范围为10^-7～10^-3。 

4.根据权利要求1所述的高精度阵列天线接收系统角度估计方法，其特征在于，步骤4e)所述的自适应迭代方法可采用梯度下降法或牛顿法。 

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