CN103346827A - 稳健gsc波束形成器及其波束优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信技术。本发明解决了现有GSC波束形成器在消除干扰时可能造成期望信号被抵消的问题，提供了一种稳健GSC波束形成器及其波束优化方法，其技术方案可概括为：稳健GSC波束形成器，与现有技术相比，增加了第三复加权模块及向量加法器，上支路相同，而下支路中阻塞矩阵模块的输出端与向量加法器的一个输入端连接，第一复加权模块的输出端还与第三复加权模块的输入端连接，第三复加权模块的输出端与向量加法器的另一个输入端连接，向量加法器的输出端与第二复加权模块的输入端连接，第二复加权模块的输出端与加法器的另一个输入端连接。本发明的有益效果是，避免在上、下支路信号相减时期望信号抵消的问题，适用于波束形成器。

Description

稳健GSC波束形成器及其波束优化方法

技术领域

本发明涉及通信技术，特别涉及智能天线传输技术。

背景技术

GSC(Generalized Sidelobe Canceler)波束形成器是智能天线接收技术的一个重要系统类型，它在保证期望信号接收增益的条件下通过调节复权值向量使接收端输出信号功率最小，因而最大限度地抑制其他方向干扰，使输出的信干噪比最大。GSC波束形成器的结构如图1所示，包括信号输入端、信号输出端、阻塞矩阵模块、第一复加权模块、第二复加权模块及加法器，其中，信号输入端与第一复加权模块连接，并与阻塞矩阵模块连接，阻塞矩阵模块与第二复加权模块连接，第二复加权模块与第一复加权模块分别于加法器的输入端连接，加法器的输出端与信号输出端连接，设GSC波束形成器接收端的天线数量为M，x(n)=[x₀(n),x₁(n),……,x_M-1(n)]^T是天线阵列的输入信号向量，x_i(n)(i=0,1,……,M-1)是第i根天线的输入信号，即信号输入端的输入信号；y₀(n)是GSC波束形成器的输出，即信号输出端的输出信号。GSC波束形成器的系统结构主要分为上支路与下支路，上支路主要是第一复加权模块的复加权向量w_c(M×1)；下支路主要由阻塞矩阵模块中的阻塞矩阵B((M-1)×M)与第二复加权模块的复加权向量w_a（（M-1）×1）组成。复加权向量w_c形成一个与期望信号的方向一致的波束，能让期望信号进入接收系统，但部分干扰信号也可能通过w_c波束的旁瓣进入。阻塞矩阵B的每一行都与w_c正交，即Bw_c=0，其目的是让与期望信号不同方向的干扰信号通过，并同时通过正交性阻止期望信号通过，因此称为阻塞矩阵。上支路信号主要包含期望信号及一定的干扰信号。下支路有(M-1)路信号，即Bx(n)((M-1)×1)，主要包含干扰信号，经w_a复加权后进入一个加法器A，与上支路信号在加法器A中进行相减运算后得到GSC波束形成器的输出。上、下支路信号相减就实现了干扰消除。系统通过自适应地计算w_a优化值取得干扰消除的效果，优化GSC波束形成器的系统性能，w_a可通过下面公式计算。

w_a=(BRB^H)^-1BRw_C

其中，R=E[x(n)x(n)^H]是输入信号的自相关矩阵，H是指共轭转置运算，本文所有n都指代离散时间。

GSC波束形成器系统结构的一个重要特点是利阻塞矩阵B与向量w_c的正交性来确保下支路的信号中只有干扰信号，以有效地实现干扰消除。但在实际应用中，由于硬件的不稳定性，温度变化，模数转换器的量化误差等多种因素，要保证B与w_c的完全正交是很困难的。当B与w_c不正交时，期望信号就可能通过B进入下支路，造成期望信号的抵消或部分抵消，导致GSC性能的明显下降。另外，当期望信号的入射方向与w_c的波束方向不完全一致时，期望信号也有可能通过矩阵B进入下支路，同样引起期望信号抵消的问题。这些问题的存在，使GSC波束形成器的实际应用受到了很大的制约。

发明内容

本发明的目的是要克服目前GSC波束形成器在消除干扰时可能造成期望信号被抵消的缺陷，提供一种稳健GSC波束形成器及其波束优化方法。

本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，稳健GSC波束形成器，包括信号输入端、信号输出端、阻塞矩阵模块、第一复加权模块、第二复加权模块及加法器，其特征在于，还包括第三复加权模块及向量加法器，所述信号输入端分别与第一复加权模块及阻塞矩阵模块的输入端连接，第一复加权模块的输出端分别与加法器的一个输入端及第三复加权模块的输入端连接，阻塞矩阵模块的输出端与向量加法器的一输入端连接，第三复加权模块的输出端与向量加法器的另一个输入端连接，向量加法器的输出端与第二复加权模块的输入端连接，第二复加权模块的输出端与加法器的另一个输入端连接，加法器的输出端与信号输出端连接；

所述信号输入端用于接收输入的信号向量，并将该信号向量传输给第一复加权模块及阻塞矩阵模块，该信号向量至少包含期望信号及干扰信号；

所述第一复加权模块用于对信号输入端输入的信号向量进行复加权操作，然后传输给加法器及第三复加权模块；

所述阻塞矩阵模块用于过滤信号输入端输入的期望信号向量，获得欲消除信号并传输给向量加法器，该欲消除信号中至少包括干扰信号；

所述第三复加权模块用于将第一复加权模块输出的复加权信号再次进行复加权操作，得到复加权信号向量，并传输给向量加法器；

所述向量加法器用于根据从第三复加权模块接收到的复加权信号向量对阻塞矩阵模块发送来的欲消除信号进行相减操作，获得干扰信号并将其传输给第二复加权模块；

所述第二复加权模块用于对向量加法器传输来的干扰信号进行复加权操作，然后传输给加法器；

所述加法器用于将接收到的第一复加权模块输出的复加权信号与第二复加权模块输出的复加权干扰信号相减，得到期望信号并传输给信号输出端。

具体的，所述向量加法器由多个加法器组成。

稳健GSC波束形成器的波束优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、信号输入端接收输入的信号向量，并将该信号传输给第一复加权模块及阻塞矩阵模块，该信号向量至少包含期望信号及干扰信号；

步骤2、第一复加权模块对信号输入端输入的信号向量进行复加权操作，然后传输给加法器及第三复加权模块；

步骤3、阻塞矩阵模块过滤信号输入端输入的信号向量，获得欲消除信号并传输给向量加法器，该欲消除信号中至少包括干扰信号；

步骤4、第三复加权模块将第一复加权模块输出的复加权信号再次进行复加权操作，得到复加权信号向量，并传输给向量加法器；

步骤5、向量加法器根据从第三复加权模块接收到的复加权信号向量对阻塞矩阵模块发送来的欲消除信号进行相减操作，获得干扰信号并将其传输给第二复加权模块，该干扰信号也为一个信号向量；

步骤6、第二复加权模块对向量加法器传输来的干扰信号进行复加权操作，然后传输给加法器；

步骤7、加法器将接收到的第一复加权模块输出的复加权信号与第二复加权模块输出的复加权干扰信号相减，得到期望信号并传输给信号输出端。

具体的，步骤2中，所述第一复加权模块进行复加权操作的方法为：第一复加权模块根据第一复加权向量对信号输入端输入的信号向量进行复加权操作，即将信号向量中的每一个信号分量与其相应的复加权值相乘后再求和，得到一路信号，所述第一复加权向量记为w_c。

进一步的，步骤4中，所述第三复加权模块将第一复加权模块输出的复加权信号再次进行复加权操作的方法为：第三复加权模块根据第三复加权向量对第一复加权模块输出的一路信号再次进行复加权操作，即将该路信号与第三复加权向量中的每个复加权值相乘但不求和，得到多路信号，所述第三复加权向量记为w_g，其计算公式为：

$w_g=\frac{r_s}{{{\mathrm{\σ}}_C}^2}$

其中，r_s=E[y_C(n)^*x_B(n)]，σ_C ²=E[|y_C(n)|²]，y_C(n)为第一复加权模块输出的复加权信号，x_B(n)是阻塞矩阵B输出的欲消除信号。

具体的，步骤6中，所述第二复加权模块对向量加法器传输来的干扰信号进行复加权操作的方法为：第二复加权模块根据第二复加权向量对向量加法器传输来的干扰信号进行复加权操作，所述第二复加权向量记为w_a，其计算公式为：

$w_a=\frac{r_c}{{{\mathrm{\σ}}_c}^2}$

其中，

σ_C ²=E[|y_C(n)|²]，y_C(n)为第一复加权模块输出的复加权信号，

x_B(n)为欲消除信号，y_C(n)w_g为步骤4中得到的复加权信号向量。

本发明的有益效果是，在本发明方案中，通过上述稳健GSC波束形成器及其优化方法，通过第三复加权模块输出的复加权信号向量及向量加法器，在上、下支路信号相减前利用w_c波束信号对阻塞矩阵B输出的欲消除信号x_B(n)进行优化处理，将混杂在其中的期望信号分量消除或抑制，得到的信号更为纯净，称为干扰信号，然后再将其送入加法器，由此避免在上、下支路信号相减时期望信号抵消的问题。这样，在阻塞矩阵B与w_c不正交时，GSC系统的输出信噪比相对现有技术将会明显提高；当信号入射方向偏离时，GSC系统的性能不会像现有GSC系统那样明显下降，仍然能基本保持原有性能，体现出较高的系统稳健性。

附图说明

图1是现有GSC波束形成器的系统框图。

图2是本发明稳健GSC波束形成器的系统框图。

图3是本发明实施例中向量加法器的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，详细描述本发明的技术方案。

本发明的稳健GSC波束形成器的系统框图如图2。本发明的稳健GSC波束形成器，包括信号输入端、信号输出端、阻塞矩阵模块、第一复加权模块、第二复加权模块、加法器、第三复加权模块及向量加法器，其中，信号输入端分别与第一复加权模块及阻塞矩阵模块的输入端连接，第一复加权模块的输出端分别与加法器的一个输入端及第三复加权模块的输入端连接，阻塞矩阵模块的输出端与向量加法器的一个输入端连接，第三复加权模块的输出端与向量加法器的另一个输入端连接，向量加法器的输出端与第二复加权模块的输入端连接，第二复加权模块的输出端与加法器的另一个输入端连接，加法器的输出端与信号输出端连接，这里，信号输入端用于接收输入的信号向量，并将该信号向量传输给第一复加权模块及阻塞矩阵模块，该信号向量至少包含期望信号及干扰信号；第一复加权模块用于对信号输入端输入的信号向量进行复加权操作，然后传输给加法器及第三复加权模块；阻塞矩阵模块用于过滤信号输入端输入的信号向量，获得欲消除信号并传输给向量加法器，该欲消除信号中至少包括干扰信号；第三复加权模块用于将第一复加权模块输出的复加权信号再次进行复加权操作，得到复加权信号向量，并传输给向量加法器；向量加法器用于根据从第三复加权模块接收到的复加权信号向量对阻塞矩阵模块发送来的欲消除信号进行相减操作，获得干扰信号并将其传输给第二复加权模块；第二复加权模块用于对向量加法器传输来的干扰信号进行复加权操作，然后传输给加法器；加法器用于将接收到的第一复加权模块输出的复加权信号与第二复加权模块输出的复加权干扰信号相减，得到期望信号并传输给信号输出端。

本发明的稳健GSC波束形成器的波束优化方法中，当信号输入端接收输入的信号向量时，将该信号向量传输给第一复加权模块及阻塞矩阵模块，该信号向量至少包含期望信号及干扰信号，该期望信号是指最后希望得到的信号，然后第一复加权模块对信号输入端输入的信号向量进行复加权操作，然后传输给加法器及第三复加权模块；阻塞矩阵模块过滤信号输入端输入的信号向量，获得欲消除信号并传输给向量加法器，该欲消除信号中至少包括干扰信号，该欲消除信号为一个信号向量；第三复加权模块将第一复加权模块输出的复加权信号再次进行复加权操作，得到复加权信号向量，并传输给向量加法器，向量加法器根据从第三复加权模块接收到的复加权信号向量对阻塞矩阵模块发送来的欲消除信号进行相减操作，获得干扰信号并将其传输给第二复加权模块，该干扰信号也为一个信号向量，第二复加权模块再对向量加法器传输来的干扰信号进行复加权操作，然后传输给加法器，加法器最后将接收到的第一复加权模块输出的复加权信号与第二复加权模块输出的复加权干扰信号相减，得到期望信号并传输给信号输出端。

实施例

本发明实施例的稳健GSC波束形成器的系统框图如图2。本例的稳健GSC波束形成器，包括信号输入端、信号输出端、阻塞矩阵模块、第一复加权模块、第二复加权模块、加法器、第三复加权模块及向量加法器，其中，信号输入端分别与第一复加权模块及阻塞矩阵模块的输入端连接，第一复加权模块的输出端分别与加法器的一个输入端及第三复加权模块的输入端连接，阻塞矩阵模块的输出端与向量加法器的一个输入端连接，第三复加权模块的输出端与向量加法器的另一个输入端连接，向量加法器的输出端与第二复加权模块的输入端连接，第二复加权模块的输出端与加法器的另一个输入端连接，加法器的输出端与信号输出端连接，这里，信号输入端用于接收输入的信号向量，并将该信号向量传输给第一复加权模块及阻塞矩阵模块，该信号向量至少包含期望信号及干扰信号；第一复加权模块用于对信号输入端输入的信号向量进行复加权操作，然后传输给加法器及第三复加权模块；阻塞矩阵模块用于过滤信号输入端输入的信号向量，获得欲消除信号并传输给向量加法器，该欲消除信号中至少包括干扰信号；第三复加权模块用于将第一复加权模块输出的复加权信号再次进行复加权操作，得到复加权信号向量，并传输给向量加法器；向量加法器用于根据从第三复加权模块接收到的复加权信号向量对阻塞矩阵模块发送来的欲消除信号进行相减操作，获得干扰信号并将其传输给第二复加权模块；第二复加权模块用于对向量加法器传输来的干扰信号进行复加权操作，然后传输给加法器；加法器用于将接收到的第一复加权模块输出的复加权信号与第二复加权模块输出的复加权干扰信号相减，得到期望信号并传输给信号输出端。

这里，向量加法器由多个加法器组成，如图3所示，每个加法器有两路输入端，一路输入端对应阻塞矩阵模块输出的欲消除信号中的一个信号，另一路输入端对应第三复加权模块输出的复加权信号向量中的一个信号，加法器的数量大于或等于信号向量中的信号数量。

使用时，当信号输入端接收输入的信号向量时，并将该信号传输给第一复加权模块及阻塞矩阵模块，该信号向量至少包含期望信号及干扰信号，该期望信号是指最后希望得到的信号，然后第一复加权模块对信号输入端输入的信号向量进行复加权操作，然后传输给加法器及第三复加权模块，阻塞矩阵模块过滤信号输入端输入的信号向量，获得欲消除信号并传输给向量加法器，该欲消除信号中至少包括干扰信号，该欲消除信号为一个信号向量，第三复加权模块将第一复加权模块输出的复加权信号再次进行复加权操作，得到复加权信号向量，并传输给向量加法器，向量加法器根据从第三复加权模块接收到的复加权信号向量对阻塞矩阵模块发送来的欲消除信号进行相减操作，获得干扰信号并将其传输给第二复加权模块，该干扰信号也为一个信号向量，第二复加权模块再对向量加法器传输来的干扰信号进行复加权操作，然后传输给加法器，加法器最后将接收到的第一复加权模块输出的复加权信号与第二复加权模块输出的复加权干扰信号相减，得到期望信号并传输给信号输出端。

具体的，第一复加权模块进行复加权操作的方法为：第一复加权模块根据第一复加权向量对信号输入端输入的信号向量进行复加权操作，该第一复加权向量记为w_c。

第三复加权模块将第一复加权模块输出的复加权信号再次进行复加权操作的方法为：第三复加权模块根据第三复加权向量对第一复加权模块输出的复加权信号再次进行复加权操作，即将第一复加权模块输出的复加权信号与第三复加权模块中的每个复加权值相乘，得到多路信号，该第三复加权向量记为w_g，其计算方法及具体推导为：

求解下面优化问题：

$\underset{w_g}{\min }E\left[{\left|\right|x_B\left(n\right)-y_C\left(n\right)w_g\left|\right|}^2\right]$

即寻求一个w_g，使下支路信号向量x_B(n)与向量y_C(n)w_g的范数均方差最小。由于向量y_C(n)w_g主要包括期望信号分量，优化w_g的取值即可使向量x_B(n)与向量y_C(n)w_g相减后的范数均方差最小，这样必然会抑制或消除下支路信号x_B(n)中的期望信号分量，而保留干扰信号。

将上式展开，求解过程如下：

J=E[||x_B(n)-y_C(n)w_g||]

=[x_B(n)-y_C(n)w_g]^H[x_B(n)-y_C(n)w_g]

$\frac{\∂J}{{{\∂w}_g}^H}=-E\left[y_C{\left(n\right)}^{*}{x}_B\left(n\right)\right]+w_{g}E\left[{\left|y_C\left(n\right)\right|}^2\right]=0$

因此得

$w_g=\frac{r_s}{{{\mathrm{\σ}}_C}^2}$

其中，r_s=E[y_C(n)^*x_B(n)]，σ_C ²=E[|y_C(n)|²]，y_C(n)为第一复加权模块输出的复加权信号，x_B(n)为欲消除信号向量。

第二复加权模块对向量加法器传输来的干扰信号进行复加权操作的方法为：第二复加权模块根据第二复加权向量对向量加法器传输来的干扰信号进行复加权操作，所述第二复加权向量记为w_a，其计算方法及具体推导为：

求解下面优化问题：

$\underset{w_a}{\min }E\left[{\left|\right|{w_a}^H{\tilde{x}}_B\left(n\right)-y_C\left(n\right)\left|\right|}^2\right]$

即寻求一个w_a，使来自下支路加权合并后的干扰信号

与来自上支路的信号y_C(n)的范数均方差最小，这里，

是消除期望信号分量后的下支路干扰信号向量。信号

与信号y_C(n)之差也是GSC波束形成器的输出。由于向量

主要包括干扰信号，根据上式要求优化w_a的取值可以在保留期望信号的前提下最大限度地去除干扰信号分量，明显提高GSC波束形成器输出的信干噪比。

将上式展开，求解过程如下：

$J=E\left[{\left|\right|{w_a}^H{\tilde{x}}_B\left(n\right)-y_c\left(n\right)\left|\right|}^2\right]$

$={[{w_a}^H{\tilde{x}}_B\left(n\right)-y_c\left(n\right)]}^H[{w_a}^H{\tilde{x}}_B\left(n\right)-y_c\left(n\right)]$

$\frac{\∂J}{{{\∂w}_a}^H}=-E\left[y_c{\left(n\right)}^{*}{\tilde{x}}_B\left(n\right)\right]+{w_a}^E\left[{\left|y_c\left(n\right)\right|}^2\right]=0$

因此得

$w_a=\frac{r_c}{{{\mathrm{\σ}}_c}^2}$

其中，

σ_C ²=E[|y_C(n)|²],y_C(n)为第一复加权模块输出的复加权信号，

x_B(n)为欲消除信号，y_C(n)w_g为上面得到的复加权信号向量。

Claims (6)

1.稳健GSC波束形成器，包括信号输入端、信号输出端、阻塞矩阵模块、第一复加权模块、第二复加权模块及加法器，其特征在于，还包括第三复加权模块及向量加法器，所述信号输入端分别与第一复加权模块及阻塞矩阵模块的输入端连接，第一复加权模块的输出端分别与加法器的一个输入端及第三复加权模块的输入端连接，阻塞矩阵模块的输出端与向量加法器的一输入端连接，第三复加权模块的输出端与向量加法器的另一个输入端连接，向量加法器的输出端与第二复加权模块的输入端连接，第二复加权模块的输出端与加法器的另一个输入端连接，加法器的输出端与信号输出端连接；

所述信号输入端用于接收输入的信号向量，并将该信号向量传输给第一复加权模块及阻塞矩阵模块，该信号向量至少包含期望信号及干扰信号；

所述第一复加权模块用于对信号输入端输入的信号向量进行复加权操作，然后传输给加法器及第三复加权模块；

所述阻塞矩阵模块用于过滤信号输入端输入的期望信号向量，获得欲消除信号并传输给向量加法器，该欲消除信号中至少包括干扰信号；

所述第三复加权模块用于将第一复加权模块输出的复加权信号再次进行复加权操作，得到复加权信号向量，并传输给向量加法器；

所述向量加法器用于根据从第三复加权模块接收到的复加权信号向量对阻塞矩阵模块发送来的欲消除信号进行相减操作，获得干扰信号并将其传输给第二复加权模块；

所述第二复加权模块用于对向量加法器传输来的干扰信号进行复加权操作，然后传输给加法器；

所述加法器用于将接收到的第一复加权模块输出的复加权信号与第二复加权模块输出的复加权干扰信号相减，得到期望信号并传输给信号输出端。

2.如权利要求1所述的稳健GSC波束形成器，其特征在于，所述向量加法器由多个加法器组成。

3.稳健GSC波束形成器的波束优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、信号输入端接收输入的信号向量，并将该信号传输给第一复加权模块及阻塞矩阵模块，该信号向量至少包含期望信号及干扰信号；

步骤2、第一复加权模块对信号输入端输入的信号向量进行复加权操作，然后传输给加法器及第三复加权模块；

步骤3、阻塞矩阵模块过滤信号输入端输入的信号向量，获得欲消除信号并传输给向量加法器，该欲消除信号中至少包括干扰信号；

步骤4、第三复加权模块将第一复加权模块输出的复加权信号再次进行复加权操作，得到复加权信号向量，并传输给向量加法器；

步骤5、向量加法器根据从第三复加权模块接收到的复加权信号向量对阻塞矩阵模块发送来的欲消除信号进行相减操作，获得干扰信号并将其传输给第二复加权模块，该干扰信号也为一个信号向量；

步骤6、第二复加权模块对向量加法器传输来的干扰信号进行复加权操作，然后传输给加法器；

步骤7、加法器将接收到的第一复加权模块输出的复加权信号与第二复加权模块输出的复加权干扰信号相减，得到期望信号并传输给信号输出端。

4.如权利要求3所述的稳健GSC波束形成器的波束优化方法，其特征在于，步骤2中，所述第一复加权模块进行复加权操作的方法为：第一复加权模块根据第一复加权向量对信号输入端输入的信号向量进行复加权操作，即将信号向量中的每一个信号分量与其相应的复加权值相乘后再求和，得到一路信号。

5.如权利要求3所述的稳健GSC波束形成器的波束优化方法，其特征在于，步骤4中，所述第三复加权模块将第一复加权模块输出的复加权信号再次进行复加权操作的方法为：第三复加权模块根据第三复加权向量对第一复加权模块输出的复加权信号再次进行复加权操作，即将该路复加权信号与第三复加权向量中的每个复加权值相乘但不求和，得到多路信号，所述第三复加权向量记为w_g，其计算公式为：

$w_g=\frac{r_s}{{{\mathrm{\σ}}_C}^2}$

其中，r_s=E[y_C(n)^*x_B(n)]，σ_C ²=E[|y_C(n)|²]，y_C(n)为第一复加权模块输出的复加权信号，x_B(n)为欲消除信号。

6.如权利要求3所述的稳健GSC波束形成器的波束优化方法，其特征在于，步骤6中，所述第二复加权模块对向量加法器传输来的干扰信号进行复加权操作的方法为：第二复加权模块根据第二复加权向量对向量加法器传输来的干扰信号进行复加权操作，所述第二复加权值记为w_a，其计算公式为：

$w_a=\frac{r_c}{{{\mathrm{\σ}}_c}^2}$

其中，

σ_C ²=E[|y_C(n)|₂]，y_C(n)为第一复加权模块输出的复加权信号，

x_B(n)为欲消除信号，y_C(n)w_g为步骤4中得到的复加权信号向量。

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