CN112887040A - 一种极化参数估计装置及方法 - Google Patents

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CN112887040A CN202110061089.2A CN202110061089A CN112887040A CN 112887040 A CN112887040 A CN 112887040A CN 202110061089 A CN202110061089 A CN 202110061089A CN 112887040 A CN112887040 A CN 112887040A
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    • H04B17/29—Performance testing

Abstract

本发明公开了一种极化参数估计的装置及方法，该装置至少包括：天线信号处理模块：用于将阵列天线接收到的模拟信号波束成型，并转换为数字信号；极化参数估计模块：用于将天线信号处理模块输出进行信号处理估计来波的极化参数。相对于传统的互相关能量比极化参数估计方法只利用x轴或者y轴极化方向的接收信号能量进行极化参数估计，特别地，当所采用极化方向的接收信号能量低时，极化参数估计的精度会大大下降。本发明采用平面混合双极化阵列来对信号进行接收，联合利用来波到达角估计信息对来波信号进行极化参数估计，从而获得最大比合并信号，同时联合利用两个正交的极化方向接收信号能量进行极化参数估计，从而提高极化参数估计的精度。

Description

一种极化参数估计装置及方法
技术领域
本发明涉及阵列信号处理领域，尤其涉及一种高精度的极化参数估计装置及方法。
背景技术
全数字天线阵列可以应用在无线通信系统中获得最优性能，但是其在未来大规模天线系统中引入的高成本及高实现复杂度使其难以实现。混合天线阵列作为一种支持未来毫米波高速通信的新型天线结构，在平衡硬件成本和性能、阵列增益和收发机尺寸等方面具有优势，因此受到了阵列信号处理领域的广泛关注。混合阵列由多个模拟子阵列组成，其中每个天线接收信号的相位由相移器进行调整，每个子阵列都连接一个数字处理链路。一方面，使用模拟子阵可以有效地产生天线增益，并减小射频链路的硬件成本。另一方面，多个数字链路可以提供灵活地复用能力并对系统性能进行联合优化。
传统天线并不考虑极化特性，因此只能接收到入射波的单方向电场分量，无法捕捉到完整的来波极化信息。尤其当天线的极化方向与入射波的极化方向垂直时，接收信号的强度为零。因此，双极化接收天线是最佳接收的必要条件。为了获得最佳接收，来波的极化信息需要进行估计来对接收信号进行极化最大比合并。混合双极化天线阵列的集成可以联合两者的优点来对系统性能进行大幅提升。
基于双极化阵列的信号极化参数估计在过去三十年里一直获得信号处理领域的广泛关注，期间许多经典及有效的估计方法被提出并深入研究。性能最优的最大似然估计方法要求相当大的计算量，因此在实际应用中无法被采用。经典的MUSIC和ESPRIT方法可以获得比较高的参数估计精度，但是协方差矩阵和奇异值分解引入的计算量与天线数量的立方成正比，使得这些算法仅适用于小数量的天线阵列，无法真正应用于未来大规模的天线阵列。近来被提出的基于混合双极化阵列的极化参数估计方法仅利用x轴或者y轴极化方向的接收信号能量进行极化参数估计，使得另一维的接收信号没有有效利用，导致估计的精度损失。
故，针对现有技术存在的技术缺陷，实有必要提出一种解决方案克服现有技术存在的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种极化参数估计的装置及方法，相对于传统的互相关能量比极化参数估计方法只利用x轴或者y轴极化方向的接收信号能量进行极化参数估计，传统方法当所采用极化方向的接收信号能量低时，极化参数估计的精度会大大下降。本发明采用平面混合双极化阵列来对信号进行接收，联合利用来波到达角估计信息对来波信号进行极化参数估计，从而获得最大比合并信号。本方法联合利用两个正交的极化方向接收信号能量进行极化参数估计，从而提高极化参数估计的精度。
为达到上述目的，本发明的技术方案具体是这样实现的：
一种极化参数估计的装置，该装置包括：
天线信号处理模块：用于将阵列天线接收到的模拟信号波束成型，并转换为数字信号；
极化参数估计模块：用于将天线信号处理模块输出进行信号处理估计来波的极化参数；
其中，天线信号处理模块包括多个子阵信号处理模块，所述子阵信号处理模块包括：
子阵天线子模块：包含多个由沿x轴和y轴极化方向的阵子组成的双极化阵子，用于接收来波模拟信号；
子阵相移器子模块：包含多个用于调节阵子接收信号相位的模拟相移器，其根据来波到达角信息进行设置；
子阵信号转换子模块：包含用于合并相移器输出的模拟信号合并器，并将合并信号转换到数字基带，包括将射频或中频信号下变频到基带；
所述极化参数估计模块包括：
波达角估计子模块：用于对子阵信号处理模块在两个正交极化方向的输出信号进行处理，进而估计到达角度信息；根据到达角估计信息反馈对子阵相移器子模块中的模拟相移器进行设置；
极化参数估计子模块：用于对子阵信号处理模块在两个正交极化方向的输出信号进行处理，获得两组可选的极化参数估计值，再根据功率计算子模块反馈确定期望的极化参数估计值并输出；
最大比合并子模块：用于通过波达角估计子模块和极化参数估计子模块输出计算最大比合并系数，对子阵信号处理模块输出信号进行最大比合并；根据功率计算子模块反馈确定期望的最大比合并系数，同时输出期望的最大比合并信号；
功率计算子模块：用于计算最大比合并子模块输出的两路信号功率，通过比较功率大小确定期望的信号，同时反馈给极化参数估计子模块和最大比合并子模块。
本发明还公开了一种极化参数估计的方法，该方法包括以下步骤：
对混合双极化阵列沿着x轴和y轴极化方向上的接收信号进行处理，获得到达角信息估计；
利用估计的到达角信息对相移器进行设置，得到每个子阵沿着x轴和y轴极化方向上的波束成型输出信号；
利用波束成型输出信号估计极化参数，获得两组可选估计；
利用到达角信息估计和可选极化参数估计对波束成型输出信号进行加权合并，从两组可选估计中确定期望极化参数估计和最大比输出信号。
作为进一步的改进方案，该方法由极化参数估计模块执行，其进一步包括以下步骤：
步骤S1：在波达角估计子模块中,利用所有子阵信号处理模块输出信号进行波达角估计，获得
Figure BDA0002902371430000031
步骤S2：利用
Figure BDA0002902371430000032
对每个子阵相移器子模块中的相移器的相移值，αn,n＝0,1,……,NxNy-1，按照(1)式进行设置；
Figure BDA0002902371430000033
其中，n＝nyNx+nx；nx＝0,1,……,Nx-1；ny＝0,1,……,Ny-1；
Figure BDA0002902371430000034
和
Figure BDA0002902371430000035
分别表示沿x轴和y轴方向子阵中相邻阵子的间距；这使得所有子阵模拟波束成型信号指向
Figure BDA0002902371430000036
方向；
步骤S3：在极化参数估计子模块中，计算第m个子阵信号处理模块输出信号
Figure BDA0002902371430000037
和
Figure BDA0002902371430000038
的互相关，
Figure BDA0002902371430000039
其中，
Figure BDA0002902371430000041
表示一个近似加性零均值高斯白噪声；计算第m个子阵信号处理模块输出信号瞬时功率：
Figure BDA0002902371430000042
其中，
Figure BDA0002902371430000043
也表示一个加性零均值高斯白噪声；利用等式(4)计算信号统计上的互相关与总功率的比值U+jV，
Figure BDA0002902371430000044
其中，I表示统计样点的数量；实际应用中，可按照极化参数估计的精度要求进行设定；
Figure BDA0002902371430000045
可以通过估计得到；
步骤S4：在极化参数估计子模块中，利用等式(5)进行极化参数估计，得到两组可选估计
Figure BDA0002902371430000046
Figure BDA0002902371430000047
步骤S5：在最大比合并子模块中，利用等式(6)计算最大比合并系数
Figure BDA0002902371430000048
其中：
Figure BDA0002902371430000049
Figure BDA00029023714300000410
输出两个可选最大比合并信号
Figure BDA00029023714300000411
Figure BDA00029023714300000412
步骤S6：在功率计算子模块中，利用等式(7)对最大比合并子模块123的输出信号sk[i](k＝1,2)的功率进行滤波,得到第i个时刻滤波后的平均功率：
Figure BDA00029023714300000413
其中，0<β<1是滤波系数；根据仿真选择最优的滤波系数；利用等式(8)确定期望索引，
Figure BDA0002902371430000051
这里I1表示迭代样点的要求数量；
步骤S7：将功率计算子模块124中确定的kE反馈给极化参数估计子模块和最大比合并子模块，同时输出期望的极化参数估计
Figure BDA0002902371430000052
和最大比合并信号
Figure BDA0002902371430000053
本发明的技术效果如下：
传统的互相关能量比极化参数估计方法只利用x轴或者y轴极化方向的接收信号能量进行极化参数估计，传统方法当所采用极化方向的接收信号能量低时，极化参数估计的精度会大大下降。相对于现有技术，本发明正是由于联合利用沿着x轴和y轴极化方向上的波束成型输出信号进行处理来估计极化参数，使得估计的精度大幅度提高。
附图说明
图1为本发明实施例的极化参数估计装置的结构示意图；
图2为本发明实施例的极化参数估计装置的混合双极化天线阵列示意图；
图3为本发明实施例的极化参数估计方法的步骤流程图；
图4为本发明实施例的极化参数估计均方误差MSE性能对接收信噪比的关系曲线图；
具体实施方式
为使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下将参照附图并举实施例，对本发明作进一步说明。
参见图1，所示为本发明提供的极化参数估计装置第一实施例的流程与结构示意图，包括：
天线信号处理模块11：用于将混合双极化天线阵列接收到的模拟信号波束成型并转换为数字信号，参见图2，所示为本发明实施例的极化参数估计装置的混合双极化天线阵列示意图；
极化参数估计模块12：用于将天线信号处理模块11输出信号进行处理，估计来波极化参数。
进一步天线信号处理模块11包括：
多个子阵信号处理模块111。
进一步子阵信号处理模块111包括：
子阵天线子模块1111：包含多个由沿x轴和y轴极化方向的阵子组成的双极化阵子，用于接收来波模拟信号；
子阵相移器子模块1112：包含多个用于调节阵子接收信号相位的模拟相移器，根据来波到达角信息进行设置；
子阵信号转换子模块1113：包含用于合并相移器输出的模拟信号合并器，并将合并信号转换到数字基带，这里包括将射频或中频信号下变频到基带；
进一步极化参数估计模块12包括：
波达角估计子模块121：用于对子阵信号处理模块111在两个正交极化方向的输出信号进行处理，进而估计到达角度信息。根据到达角估计信息反馈对子阵相移器子模块1112中的模拟相移器进行设置；
极化参数估计子模块122：用于对子阵信号处理模块111在两个正交极化方向的输出信号进行处理，获得两组可选的极化参数估计值，再根据功率计算子模块124反馈确定期望的极化参数估计值并输出；
最大比合并子模块123：用于通过波达角估计子模块121和极化参数估计子模块122输出计算最大比合并系数，对子阵信号处理模块111输出信号进行最大比合并。根据功率计算子模块124反馈确定期望的最大比合并系数，同时输出期望的最大比合并信号；
功率计算子模块124：用于计算最大比合并子模块123输出的两路信号功率，通过比较功率大小确定期望的信号，同时反馈给极化参数估计子模块122和最大比合并子模块123；
本发明提供的第二实施例是一种极化参数估计方法31，由极化参数估计模块12执行。
为了便于理解本实施例，下面给出一些预备知识。
1)假设采用MxNx×MyNy个双极化天线构成的均匀平面方阵接收一个来波信号
Figure BDA0002902371430000071
其中Mx和My分别表示沿x轴和y轴方向子阵的数量；Nx和Ny分别表示每个子阵中沿x轴和y轴方向阵子的数量。令第m＝myMx+mx(m＝0，1，......，MxMy-1；mx＝0，1，......，Mx-1；my＝0，1，......，My-1)个子阵对应的模拟波束成型在c(x或y)轴极化方向输出信号表示为
Figure BDA0002902371430000072
其中Ec表示c轴极化方向的天线响应；Ps(θ，φ)表示子阵的方向图；λ和(θ，φ)分别表示来波信号的波长，天顶角和方位角；
Figure BDA0002902371430000073
和
Figure BDA0002902371430000074
分别表示沿x轴和y轴方向子阵的间距；
Figure BDA0002902371430000075
表示对应子阵输出的加性零均值高斯白噪声，其功率表示为
Figure BDA0002902371430000076
需要估计的极化参数信息1)极化辅助角γ和2)极化相位差η包含在Ec中，他们的关系可以表示为
Ex＝sinγcosθcosφejη-cosγsinφ
Ey＝sinγcosθsinφejη+cosγcosφ
2)对模拟波束成型输出第i个时刻的采样信号
Figure BDA0002902371430000077
进行加权合并得到
Figure BDA0002902371430000078
Figure BDA0002902371430000079
表示第m个子阵在c轴极化方向的合并系数。
本发明还公开了一种极化参数估计方法，其步骤流程如图3所示，包括：
步骤S1：在波达角估计子模块121中，利用所有子阵信号处理模块111输出信号进行波达角估计，获得
Figure BDA00029023714300000710
步骤S2：利用
Figure BDA00029023714300000711
对每个子阵相移器子模块1112中的相移器的相移值，αn，n＝0，1，......，NxNy-1，按照(1)进行设置
Figure BDA00029023714300000712
这里n＝nyNx+nx；nx＝0，1，......，Nx-1；ny＝0，1，......，Ny-1。
Figure BDA00029023714300000713
和
Figure BDA00029023714300000714
分别表示沿x轴和y轴方向子阵中相邻阵子的间距。这使得所有子阵模拟波束成型信号指向
Figure BDA00029023714300000715
方向。
步骤S3：在极化参数估计子模块122中，计算第m个子阵信号处理模块111输出信号
Figure BDA0002902371430000081
和
Figure BDA0002902371430000082
的互相关，
Figure BDA0002902371430000083
这里
Figure BDA0002902371430000084
表示一个近似加性零均值高斯白噪声。计算第m个子阵信号处理模块111输出信号瞬时功率，
Figure BDA0002902371430000085
这里
Figure BDA0002902371430000086
也表示一个加性零均值高斯白噪声。利用等式(4)计算信号统计上的互相关与总功率的比值U+jV，
Figure BDA0002902371430000087
这里I表示统计样点的数量。实际应用中，可按照极化参数估计的精度要求进行设定。这里
Figure BDA0002902371430000088
可以通过估计得到。
步骤S4：在极化参数估计子模块122中，利用等式(5)进行极化参数估计，得到两组可选估计
Figure BDA0002902371430000089
这里
Figure BDA00029023714300000810
步骤S5：在最大比合并子模块123中，利用等式(6)计算最大比合并系数
Figure BDA00029023714300000811
这里
Figure BDA00029023714300000812
Figure BDA00029023714300000813
输出两个可选最大比合并信号
Figure BDA00029023714300000814
Figure BDA00029023714300000815
步骤S6：在功率计算子模块124中，利用等式(7)对最大比合并子模块123的输出信号sk[i](k＝1,2)的功率进行滤波,得到第i个时刻滤波后的平均功率
Figure BDA0002902371430000091
这里0<β<1是滤波系数。实际应用中，可以根据仿真选择最优的滤波系数。利用等式(8)确定期望索引，
Figure BDA0002902371430000092
这里I1表示迭代样点的要求数量。
步骤S7：将功率计算子模块124中确定的kE反馈给极化参数估计子模块122和最大比合并子模块123，同时输出期望的极化参数估计
Figure BDA0002902371430000093
和最大比合并信号
Figure BDA0002902371430000094
需要指出的是，利用混合双极化阵列对到达角信息估计的方法采用现有技术方法，本发明重点在于提出极化参数估计装置及方法，因此具体的到达角信息估计的方法并未列出。
为评价本发明所提出的极化参数的估计方案，对极化参数估计均方误差(MSE)性能进行了计算机仿真，同时还将结果与只利用x轴或者y轴极化方向的接收信号能量进行极化参数估计的性能进行比较。在仿真中，我们采用Mx＝4,My＝1,Nx＝8,Ny＝1,d＝λ2的混合双极化阵列接收信号。
图4为本发明提供的方案极化参数估计MSE性能对阵子的平均接收信噪比的计算机仿真结果。为了获得统计性能,仿真假设到达角度和极化参数在设定范围内均匀分布，并执行50000次的独立仿真。假设步骤32中精确地获得到达角估计。一次估计采用的样点数量I＝I1＝8,功率滤波系数β＝0.25。从图4可以看出，与只利用x轴或者y轴极化方向的接收信号能量进行极化参数估计的方法比较，本发明方案提出的极化参数估计方法的MSE性能得到明显改善。
上述所提发明及所公开的装置适用于采用双极化天线收发的数据通信系统，例如卫星通信。
前述仅描述了本发明的一些实施例，本领域的技术人员可以在不偏离本发明的范围和精神的情况下对其进行修改和改变，所述实施例是说明性的而不是限制性的。如果这些修改和改变属于本发明权利要求及其等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些修改和改变在内。

Claims (3)

1.一种极化参数估计的装置，其特征在于，至少包括：
天线信号处理模块：用于将阵列天线接收到的模拟信号波束成型，并转换为数字信号；
极化参数估计模块：用于将天线信号处理模块输出进行信号处理估计来波的极化参数；
其中，天线信号处理模块包括多个子阵信号处理模块，所述子阵信号处理模块包括：
子阵天线子模块：包含多个由沿x轴和y轴极化方向的阵子组成的双极化阵子，用于接收来波模拟信号；
子阵相移器子模块：包含多个用于调节阵子接收信号相位的模拟相移器，其根据来波到达角信息进行设置；
子阵信号转换子模块：包含用于合并相移器输出的模拟信号合并器，并将合并信号转换到数字基带，包括将射频或中频信号下变频到基带；
所述极化参数估计模块包括：
波达角估计子模块：用于对子阵信号处理模块在两个正交极化方向的输出信号进行处理，进而估计到达角度信息；根据到达角估计信息反馈对子阵相移器子模块中的模拟相移器进行设置；
极化参数估计子模块：用于对子阵信号处理模块在两个正交极化方向的输出信号进行处理，获得两组可选的极化参数估计值，再根据功率计算子模块反馈确定期望的极化参数估计值并输出；
最大比合并子模块：用于通过波达角估计子模块和极化参数估计子模块输出计算最大比合并系数，对子阵信号处理模块输出信号进行最大比合并；根据功率计算子模块反馈确定期望的最大比合并系数，同时输出期望的最大比合并信号；
功率计算子模块：用于计算最大比合并子模块输出的两路信号功率，通过比较功率大小确定期望的信号，同时反馈给极化参数估计子模块和最大比合并子模块。
2.一种极化参数估计的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
对混合双极化阵列沿着x轴和y轴极化方向上的接收信号进行处理，获得到达角信息估计；
利用估计的到达角信息对相移器进行设置，得到每个子阵沿着x轴和y轴极化方向上的波束成型输出信号；
利用波束成型输出信号估计极化参数，获得两组可选估计；
利用到达角信息估计和可选极化参数估计对波束成型输出信号进行加权合并，从两组可选估计中确定期望极化参数估计和最大比输出信号。
3.根据权利要求2所述极化参数估计的方法，其特征在于，
该方法由极化参数估计模块执行，其进一步包括以下步骤：
步骤S1：在波达角估计子模块中,利用所有子阵信号处理模块输出信号进行波达角估计，获得
Figure FDA0002902371420000021
步骤S2：利用
Figure FDA0002902371420000022
对每个子阵相移器子模块中的相移器的相移值，αn,n＝0,1,……,NxNy-1，按照(1)式进行设置；
Figure FDA0002902371420000031
其中，n＝nyNx+nx；nx＝0，1，......，Nx-1；ny＝0，1，......，Ny-1；
Figure FDA0002902371420000032
和
Figure FDA0002902371420000033
分别表示沿x轴和y轴方向子阵中相邻阵子的间距；这使得所有子阵模拟波束成型信号指向
Figure FDA0002902371420000034
方向；
步骤S3：在极化参数估计子模块中，计算第m个子阵信号处理模块输出信号
Figure FDA0002902371420000035
和
Figure FDA0002902371420000036
的互相关，
Figure FDA0002902371420000037
其中，
Figure FDA0002902371420000038
表示一个近似加性零均值高斯白噪声；计算第m个子阵信号处理模块输出信号瞬时功率：
Figure FDA0002902371420000039
其中，
Figure FDA00029023714200000310
也表示一个加性零均值高斯白噪声；利用等式(4)计算信号统计上的互相关与总功率的比值U+jV，
Figure FDA00029023714200000311
其中，I表示统计样点的数量；实际应用中，可按照极化参数估计的精度要求进行设定；
Figure FDA00029023714200000312
可以通过估计得到；
步骤S4：在极化参数估计子模块中，利用等式(5)进行极化参数估计，得到两组可选估计
Figure FDA00029023714200000313
Figure FDA0002902371420000041
步骤S5：在最大比合并子模块中，利用等式(6)计算最大比合并系数
Figure FDA0002902371420000042
其中：
Figure FDA0002902371420000043
Figure FDA0002902371420000044
输出两个可选最大比合并信号
Figure FDA0002902371420000045
步骤S6：在功率计算子模块中，利用等式(7)对最大比合并子模块123的输出信号sk[i](k＝1，2)的功率进行滤波，得到第i个时刻滤波后的平均功率：
Figure FDA0002902371420000046
其中，0＜β＜1是滤波系数；根据仿真选择最优的滤波系数；利用等式(8)确定期望索引，
Figure FDA0002902371420000047
这里I1表示迭代样点的要求数量；
步骤S7：将功率计算子模块124中确定的kE反馈给极化参数估计子模块和最大比合并子模块，同时输出期望的极化参数估计
Figure FDA0002902371420000048
和最大比合并信号
Figure FDA0002902371420000049
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