CN102957472A - 稀疏阵列天线系统接收通信信号的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种稀疏阵列天线系统对通信信号接收方法及其装置，本发明方法的步骤包括：(1)设置阵元位置；(2)接收信号；(3)谱峰搜索；(4)角度迭代；(5)对接收信号进行处理。本发明通过多重信号分类公式对接收信号进行谱峰搜索得到信号的子空间功率谱，依次选取其中所有高谱峰值对应的角度，对这些角度进行迭代，再根据输出功率选取角度作为波达方向，得到自适应权向量与接收信号相乘，将各阵元的信号叠加输出。本发明可适应于任意排列的稀疏阵列接收系统，可有效地抵消掉阵列所产生的时延，同时避免伪峰对接收信号的影响。

Description

稀疏阵列天线系统接收通信信号的方法及装置

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稀疏阵列天线系统接收通信信号的方法及装置。本发明可用于通信系统中阵列天线接收通信信号，实现接收天线阵列排列任意、有效抵消阵列产生的时延。

背景技术

在通信系统中，天线波束具有强方向性、低旁瓣、易实现电扫和波束赋形，阵列天线已得到了广泛的应用，稀疏阵列比均匀阵列具有高分辨率、阵元之间干扰小、阵元数目少节省系统造价等优势，因此很多学者对稀疏阵列天线做了大量的理论研究与实验仿真测试。研究成果表明，稀疏阵列产生的时延对接收通信信号有很大影响，因此如何处理稀疏阵列产生的时延是改善阵列天线接收系统性能的关键。

电子科技大学提出的专利申请“一种针对均匀超稀疏阵列天线波束指向模糊的抑制方法”(申请号：201010132062.X，公开号：101813764A)中公开了一种针对均匀超稀疏阵列天线波束指向模糊的抑制方法，该方法是利用系统在主瓣指向相同时，采用不同工作频率信号对目标进行探测，其目标在主瓣指向上重合、而在栅瓣指向上呈分散状的特性；在系统发射和接收方面都以此采用三种不同频率且其波长均远小于阵元间隔的信号，并在探测的整个角度范围内设定主瓣指向的位置、分别进行扫描，再按常规方法将各个收发组件接收到的同一频率的回波信号送入加法器相加后、进入信号采集处理器经下变频、模/数转换和数字信号处理，最后再将处理后的速度、目标的有无及幅度等数据进行综合处理，以确定目标的有无、同时消除栅瓣引起的指向模糊；并在有目标时将目标在该探测位置的角度及距离、速度、幅度等消息一并输入数据处理器从而实现其目的。该方法以最大程度消除均匀超稀疏阵列天线波束栅瓣对测量接收信号波达方向的不利影响，可以有效地减少匀阵列天线数目，降低系统成本、扩大应用范围等目的。但是该方法还有不足之处是：第一，该法只是针对均匀超稀疏阵列天线，不适用于任意排列的稀疏阵列天线，有一定的局限性。第二，该方法需要利用三种不同频率且其波长均小于阵元间隔的信号进行探测，还需要利用其他信息对接收信号的波达方向进行辨别，这会一定程度上增加了通信系的复杂度。第三，该方法估计得到的角度精确不够，由估计角度设计得到的权向量无法有效地抵消阵列产生的时延。

发明的内容：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种稀疏阵列天线系统接收通信信号的方法及装置，以解决稀疏阵列所产生的时延及伪峰对接收信号的影响，提高了估计角度的精度。

实现本发明的基本思路是：对于任意排列的稀疏阵列接收系统，用多重信号分类公式对接收信号进行谱峰搜索得到信号的子空间功率谱，选取子空间功率谱中所有高谱峰值对应的角度分别作为角度迭代的初始角度，对这些初始角度分别进行角度迭代得到更精确的角度，再根据输出功率的大小选取角度作为波达方向，用所选取角度所对应的自适应权向量与接收信号相乘，最后将各阵元的信号叠加输出。

本发明实现多值伪随机序列的方法的具体步骤如下：

(1)设置阵元位置

操作人员在选定的区域范围内，任意设置稀疏阵列的阵元位置，操作人员记录阵元位置坐标。

(2)接收信号

接收阵列天线各阵元接收单信号源远场窄带信号。

(3)谱峰搜索

3a)采用多重信号分类公式对接收信号进行谱峰搜索，得到接收信号的子空间功率谱；

3b)记录接收信号的子空间功率谱中所有高谱峰值对应的角度。

(4)角度迭代

4a)依次提取步骤3b)记录的角度作为角度迭代的初始角度，采用自适应权值向量公式计算各初始角度所对应的自适应权值向量；

4b)采用输出功率公式计算输出功率；

4c)采用输出功率求一阶导数公式计算输出功率的一阶导数；

4d)将步骤4a)的初始角度代入输出功率的一阶导数的公式中，获得该初始角度所对应输出功率的一阶导数值，判断该一阶导数值的绝对值是否小于10^-2，若小于，则停止该初始角度的迭代，记录该初始角度、该初始角度所对应的自适应权值向量以及其输出功率，转入执行步骤4g)；否则，转入执行步骤4e)；

4e)根据角度迭代公式对初始角度进行更新，获得一个新角度；

4f)将步骤4e)获得的新角度作为角度迭代的初始角度转入步骤4a)；

4g)比较各输出功率的大小，选取其中最大的输出功率所对应的初始角度作为波达方向，将该初始角度所对应的自适应权值向量作为处理信号的权向量。

(5)对接收信号进行处理

将步骤4g)获得的权向量与步骤(2)的接收信号的矢量进行相乘，随后将各阵元的信号进行合并，获得增强的接收信号，并输出该信号。

为了实现上述目的，本发明的装置包括由光纤顺序连接的稀疏阵列天线接收信号模块、谱峰搜索模块、权值自适应模块、角度选取模块、合路输出模块五个模块；其中：

稀疏阵列天线接收信号模块，用于接收远场窄带信号，阵列天线由多个呈直线型排列的阵元构成；

谱峰搜索模块，用于搜索接收信号的空间谱，并保存信号空间谱中所有高谱峰值对应的角度；

权值自适应模块，用于谱峰搜索模块所保存角度的迭代，并保存角度所对应的输出功率及自适应权向量；

角度选取模块，用于比较输出功率，选取最大输出功率，保存最大输出功率所对应的角度及该角度所对应自适应权向量；

合路输出模块，用于各阵元的自适应权值与各自对应阵元的接收信号进行相乘，随后将各支路的信号进行叠加输出。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

第一，本发明采用多重信号分类公式对接收信号进行谱峰搜索，随后利用角度迭代方法对角度进行精确估计，可以有效地克服现有技术采用不同工作频率信号对目标进行探测对角度估计精度不高带来阵列所产生的时延对接收信号影响的问题，使本发明得到的估计角度精度高，所获得的权向量接近于真实的导向矢量。

第二，本发明利用选取最大输出功率所对应的角度作为波达方向，可以有效地克服现有技术采用不同工作频率信号对目标进行探测无法有效地识别任意排列的稀疏阵列所产生的伪峰对接收信号影响的问题，使本发明可以应用于任意排列的稀疏阵列接收系统。

附图说明：

图1为本发明稀疏阵列天线系统接收通信信号的方法的流程图；

图2为本发明稀疏阵列天线系统接收通信信号的装置的方框图。

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，对本发明稀疏阵列天线系统接收通信信号的方法做进一步的描述，为了有助于理解本发明，在以下的描述中用m个接收天线阵元为本发明的实施例。

步骤1，设置阵元位置

操作人员在选定的区域范围内，任意的设置稀疏阵列的阵元位置，操作人员记录阵元位置坐标。稀疏阵列的阵元位置是指，相邻阵元间距不小于天线接收信号波长的一半，记录阵元位置坐标为x＝[x₁,x₂,...,x_m]^T，其中，x₁，x₂，...，x_m分别表示与天线接收阵元1，天线接收阵元2，...，天线接收阵元m对应的横坐标数值；m表示接收天线阵元数目；[·]^T表示矩阵转置。

步骤2，接收信号

接收阵列天线各阵元接收单信号源远场窄带信号。信号入射的波达方向为θ，m个阵元在特定时刻t接收到的信号用矢量形式s(t)表示：

$s\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{s}_1\left(t\right)\\ s_2\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ s_m\left(t\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{e}^{-j{\mathrm{\ω}}_0{\mathrm{\τ}}_1\left(\mathrm{\θ}\right)}\\ e^{-j{\mathrm{\ω}}_0{\mathrm{\τ}}_2\left(\mathrm{\θ}\right)}\\ .\\ .\\ .\\ e^{-j{\mathrm{\ω}}_0{\mathrm{\τ}}_m\left(\mathrm{\θ}\right)}\end{array}\right]g\left(t\right)+\left[\begin{array}{c}{n}_1\left(t\right)\\ n_2\left(t\right)\\ .\\ .\\ .\\ n_m\left(t\right)\end{array}\right]=a\left(\mathrm{\θ}\right)\·g\left(t\right)+n\left(t\right)$

其中，s₁(t)，s₂(t)，…，s_m(t)分别为接收天线阵元1，接收天线阵元2，...，接收天线阵元m接收到的信号，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)分别为接收天线阵元1，接收天线阵元2，…，接收天线阵元m相对于接收天线阵元1产生的相对时延，g(t)为远场窄带信号，n₁(t)，n₂(t)，…，n_m(t)分别为接收天线阵元1，接收天线阵元2，…，接收天线阵元m接收端产生的噪声，a(θ)表示导向矢量。

步骤3，谱峰搜索

3a)采用多重信号分类公式对接收信号进行谱峰搜索，得到接收信号的子空间功率谱，多重信号分类公式如下：

$P_M\left(\mathrm{\φ}\right)=\frac{1}{a^H\left(\mathrm{\φ}\right){\hat{U}}_n{\hat{U}}_n^{H}a\left(\mathrm{\φ}\right)}$

其中：P_M(φ)表示接收信号的子空间功率谱，φ表示搜索角度，a(φ)为搜索导向矢量，a^H(φ)表示搜索导向矢量的共轭转置，

为噪声子空间矢量，

表示噪声子空间矢量的共轭转置。在进行谱峰搜索时搜索角度间隔为1度。

3b)记录接收信号的子空间功率谱中所有高谱峰值对应的角度。由于阵列的稀疏性，接收信号在进行谱峰搜索时会有伪峰产生，因此搜索得到的信号子空间功率谱有很多高谱峰，需要将这些高谱峰值所对应的角度都记录下来。

步骤4，角度迭代

4a)依次提取步骤3b)记录的角度作为角度迭代的初始角度，采用自适应权值向量公式计算各初始角度所对应的自适应权值向量，自适应权值向量公式如下：

$w={[w_1,w_2,...,w_m]}^T={[1,e^{j(x_2-x_1)h},...,e^{j(x_m-x_1)h}]}^T$

其中，w表示自适应权值向量，w₁，w₂，…w_m分别为天线接收阵元1、天线接收阵元2、…、天线接收阵元m的自适应权值；x₁，x₂，…，x_m分别表示与天线接收阵元1，天线接收阵元2，…，天线接收阵元m对应的横坐标数值；e表示自然常数；j表示虚数单位；h表示角度迭代参数，其值由

得到，λ表示天线接收信号的波长，

表示角度迭代的初始角度；[·]^T表示矩阵转置。

4b)采用输出功率公式计算输出功率，输出功率公式如下：

P＝w^Hss^Hw

其中，P表示阵列天线输出信号功率；w表示自适应权值向量；w^H表示自适应权值向量的共轭转置；s表示阵列天线接收到的信号；s^H表示阵列天线接收到的信号的共轭转置。

4c)采用输出功率求一阶导数公式计算输出功率的一阶导数，输出功率求一阶导数公式如下：

其中，表示输出功率对权值参数的一阶导数；Re(·)表示实部运算符；w表示自适应权值向量；

表示自适应权值向量对角度参数的一阶导数，

表示角度参数；H表示共轭转置；R表示接收信号的协方差矩阵。

4d)将步骤4a)的初始角度代入输出功率的一阶导数的公式中，获得该初始角度所对应输出功率的一阶导数值，判断该一阶导数值的绝对值是否小于10^-2，若小于，则停止该初始角度的迭代，记录该初始角度、该初始角度所对应的自适应权值向量以及其输出功率，转入步骤4g)；否则转入步骤4e)。

4e)根据角度迭代公式对初始角度进行更新，获得一个新角度，角度迭代公式如下：

其中，

表示角度迭代得到的新角度；

表示角度迭代的初始角度；μ表示角度迭代步长；

表示初始角度代入输出功率的一阶导数公式获得的一阶导数值。

4f)将步骤4e)获得的新角度作为角度迭代的初始角度转入步骤4a)；将初始角度进行迭代更新直到角度满足终止条件为止。

4g)比较各输出功率的大小，选取其中最大的输出功率所对应的初始角度作为波达方向，将该初始角度所对应的自适应权值向量作为处理信号的权向量。角度的选取是根据相干解调思想而来，当最佳权向量与信号的导向矢量相等时，可以将阵列所产生的时延完全抵消掉，选取得到的输出功率中最大功率所对应的作角度为波达方向，得到的权向量接近于最佳权向量，同时也可以有效地避免伪峰对接收系统的影响。

步骤5，对接收信号进行处理

将步骤4g)获得的权向量与步骤(2)的接收信号的矢量进行相乘，随后将各阵元的信号进行合并，获得增强的接收信号，并输出该信号。所得到的权向量与导向矢量接近，可以有效地抵消掉阵列产生的时延，从而使接收信号功率增强。

参照附图2，本发明的稀疏阵列天线系统接收通信信号装置中，包括由光纤顺序连接的稀疏阵列天线接收信号模块、谱峰搜索模块、权值自适应模块、角度选取模块、合路输出模块五个模块，信号在光纤中传输的时延已知。其中，稀疏阵列天线接收信号模块，用于接收远场窄带信号，阵列天线由多个呈直线型排列的阵元构成，稀疏阵列天线的间距大于接收信号波长的一半，天线各阵元的位置可以移动；谱峰搜索模块，用于搜索接收信号的空间谱，并保存信号空间谱中所有高谱峰值对应的角度；权值自适应模块，用于谱峰搜索模块所保存角度的迭代，并保存角度所对应的输出功率及自适应权向量；角度选取模块，用于比较输出功率，选取最大输出功率，保存最大输出功率所对应的角度及该角度所对应自适应权向量；合路输出模块，用于各阵元的自适应权值与各自对应阵元的接收信号进行相乘，随后将各支路的信号进行叠加输出。

Claims (9)

1.稀疏阵列天线系统接收通信信号的方法，包括如下步骤：

(1)设置阵元位置

操作人员在选定的区域范围内，任意设置稀疏阵列的阵元位置，操作人员记录阵元位置坐标；

(2)接收信号

接收阵列天线各阵元接收单信号源远场窄带信号；

(3)谱峰搜索

3a)采用多重信号分类公式对接收信号进行谱峰搜索，得到接收信号的子空间功率谱；

3b)记录接收信号的子空间功率谱中所有高谱峰值对应的角度；

(4)角度迭代

4a)依次提取步骤3b)记录的角度作为角度迭代的初始角度，采用自适应权值向量公式计算各初始角度所对应的自适应权值向量；

4b)采用输出功率公式计算输出功率；

4c)采用输出功率求一阶导数公式计算输出功率的一阶导数；

4d)将步骤4a)的初始角度代入输出功率的一阶导数的公式中，获得该初始角度所对应输出功率的一阶导数值，判断该一阶导数值的绝对值是否小于10^-2，若小于，则停止该初始角度的迭代，记录该初始角度、该初始角度所对应的自适应权值向量以及其输出功率，转入执行步骤4g)；否则，转入执行步骤4e)；

4e)根据角度迭代公式对初始角度进行更新，获得一个新角度；

4f)将步骤4e)获得的新角度作为角度迭代的初始角度转入步骤4a)；

4g)比较各输出功率的大小，选取其中最大的输出功率所对应的初始角度作为波达方向，将该初始角度所对应的自适应权值向量作为处理信号的权向量；

(5)对接收信号进行处理

将步骤4g)获得的权向量与步骤(2)的接收信号的矢量进行相乘，随后将各阵元的信号进行合并，获得增强的接收信号，并输出该信号。

2.根据权利要求1所述的稀疏阵列天线系统接收通信信号的方法，其特征在于，步骤(1)所述的稀疏阵列的阵元位置是指，相邻阵元间距不小于天线接收信号波长的一半。

3.根据权利要求1所述的稀疏阵列天线系统接收通信信号的方法，其特征在于，步骤(3)所述的多重信号分类公式如下：

$P_M\left(\mathrm{\φ}\right)=\frac{1}{a^H\left(\mathrm{\φ}\right){\hat{U}}_n{\hat{U}}_n^{H}a\left(\mathrm{\φ}\right)}$

其中：P_M(φ)表示接收信号的子空间功率谱，φ表示搜索角度，a(φ)为搜索导向矢量，a^H(φ)表示搜索导向矢量的共轭转置，

为噪声子空间矢量，

表示噪声子空间矢量的共轭转置。

4.根据权利要求1所述的稀疏阵列天线系统接收通信信号的方法，其特征在于步骤4a)所述的自适应权值向量公式如下：

$w={[w_1,w_2,...,w_m]}^T={[1,e^{j(x_2-x_1)h},...,e^{j(x_m-x_1)h}]}^T$

其中，w表示自适应权值向量，w₁，w₂，…w_m分别为天线接收阵元1、天线接收阵元2、…、天线接收阵元m的自适应权值；x₁，x₂，…，x_m分别表示与天线接收阵元1，天线接收阵元2，…，天线接收阵元m对应的横坐标数值；e表示自然常数；j表示虚数单位；h表示角度迭代参数，其值由

得到，λ表示天线接收信号的波长，

表示角度迭代的初始角度；[·]^T表示矩阵转置。

5.根据权利要求1所述的稀疏阵列天线系统接收通信信号的方法，其特征在于步骤4b)所述的输出功率公式如下：

P＝w^Hss^Hw

其中，P表示阵列天线输出信号功率；w表示自适应权值向量；w^H表示自适应权值向量的共轭转置；s表示阵列天线接收到的信号；s^H表示阵列天线接收到的信号的共轭转置。

6.根据权利要求1所述的稀疏阵列天线系统接收通信信号的方法，其特征在于步骤4c)所述的输出功率求一阶导数公式如下：

其中，

表示输出功率对权值参数的一阶导数；Re(·)表示实部运算符；w表示自适应权值向量；

表示自适应权值向量对角度参数的一阶导数，

表示角度参数；H表示共轭转置；R表示接收信号的协方差矩阵。

7.根据权利要求1所述的稀疏阵列天线系统接收通信信号的方法，其特征在于步骤4c)所述的角度迭代公式如下：

其中，

表示角度迭代得到的新角度；

表示角度迭代的初始角度；μ表示角度迭代步长；表示初始角度代入输出功率的一阶导数公式获得的一阶导数值。

8.稀疏阵列天线系统接收通信信号装置，包括由光纤顺序连接的稀疏阵列天线接收信号模块、谱峰搜索模块、权值自适应模块、角度选取模块、合路输出模块五个模块；其中：

所述的稀疏阵列天线接收信号模块，用于接收远场窄带信号，阵列天线由多个呈直线型排列的阵元构成；

所述的谱峰搜索模块，用于搜索接收信号的空间谱，并保存信号空间谱中所有高谱峰值对应的角度；

所述的权值自适应模块，用于谱峰搜索模块所保存角度的迭代，并保存角度所对应的输出功率及自适应权向量；

所述的角度选取模块，用于比较输出功率，选取最大输出功率，保存最大输出功率所对应的角度及该角度所对应自适应权向量；

所述的合路输出模块，用于各阵元的自适应权值与各自对应阵元的接收信号进行相乘，随后将各支路的信号进行叠加输出。

9.根据权利要求6所述的稀疏阵列天线系统接收通信信号装置，其特征在于，所述的稀疏阵列天线的间距设置应大于接收信号波长的一半，所述的稀疏阵列天线各阵元的位置可以移动。

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