CN1388384A - 一种提高接收信号波达方向估计准确度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高接收信号波达方向估计准确度的方法,该方法通过将天线接收到的信号矩阵进行时延行变换和空域列变换,最后使用变换后的矩阵中幅值满足要求的元素进行时延和波达方向的估计,这样,在估计信号波达方向时,增加了关于信号时延的限制,因此通过同时估计信号的时延和波达方向,以利用不同信号的时延和波达方向不可能同时相等的特点,减小了不同信号之间的干扰,提高了信号波达方向估计结果的准确度。

Description

一种提高接收信号波达方向估计准确度的方法

本发明涉及无线通信系统接收机中的接收技术，具体说涉及到无线通信系统接收信号的波达方向(DOA)估计技术。

DOA估计常用的方法是针对一次快拍采样应用FFT(快速傅立叶变换)方法，或者是利用多次快拍采样数据进行统计信号处理得到信号波达方向的估计。由于这种方法没有很好地利用接收信号时间上的信息，因此在无线通信系统中应用时容易受不同时间到达的多径信号的影响，导致波达方向估计的不准确。尤其是在窄带无线通信中，带宽限制使得不同传播路径的信号相互之间的干扰比较大，会对估计结果的准确性造成极其不利的影响。

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种能够提高接收信号的波达方向估计准确度的方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种提高接收信号波达方向估计准确度的方法，该方法包括以下步骤：

(1)判断信号接收天线是环形天线还是线形天线，如果是线形天线，转步骤(3)继续操作，否则继续以下操作；

(2)对于环形天线，利用已知的或者已经估计出来的信号到达方向的俯仰角，应用公式y(m)＝Ty₀(m)，m＝1，2，…W做线性变换；

(3)利用线形天线的接收到的原始数据或环形天线的经过变换后的数据，构成形如

的数据矩阵X；

(4)对数据矩阵X的每一行做时延行变换；

(5)对经过上述步骤(4)变换后得到的矩阵的每一列做空域列变换；

(6)对经过上述变换后得到的具有公式

结构的矩阵Y的元素求幅值，寻找峰值点；

(7)对峰值点按照数值的大小实行降序排序，取出前L_k个元素，数值L_k即是要估计时延和波达方向的信号的数目，通过它们在矩阵Y中的位置，按照信号接收天线是环形天线还是线形天线两种情况估计相应的信号的时延和波达方向。

在上面所述的操作中，也可以在所述步骤(4)对数据矩阵X的每一列做空域列变换，在所述步骤(5)对经过所述步骤(4)变换后得到的矩阵的每一行做时延行变换；

上面所述对矩阵的每一行做时延行变换，按照如下方法进行：对于形如

的任一行[x^(m)(1)x^(m)(2)…x^(m)(W)]，其中m∈[1，P]，进行如下处理：a1)将信号时延变换到频率域，计算FFT，得到[X^(m)(1)X^(m)(2)…X^(m)(W)]；a2)令W₂为不大于W/2的最大整数，调整得到新的行向量：

[X^(m)(W₂+1)…X^(m)(W)X^(m)(1)…X^(m)(W₂)]；a3)将新的行向量通过补零，扩充到希望的长度L₂；a4)对扩充后的行向量重新计算FFT。

上面所述对矩阵的每一列做空域列变换，按照如下方法进行：对于形如

的任一列[x⁽¹⁾(n)x⁽²⁾(n)…x^(P)(n)]，其中n∈[1，W]，进行如下处理：b1)将列向量[x⁽¹⁾(n)…x^(P)(n)]^T通过补零，扩充到希望的长度L₁；b2)对扩充后的列向量计算FFT。

通过上述本发明采用的技术方案可以看出，由于本发明采用空间和时间两维信号的处理方法，在估计信号波达方向时，增加了关于信号时延的限制，因此通过同时估计信号的时延和波达方向，以利用不同信号的时延和波达方向不可能同时相等的特点，减小了不同信号之间的干扰，使得信号波达方向估计结果的正确性有所提高，从而可以改善无线通信接收的性能。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的描述。

图1是本发明实施例的程序流程意图；

首先对本发明所依据的原理进行详细说明。

本发明的方法是针对天线各个阵元接收到的基带信号的处理。通过导频符号获得单个用户的各阵元上的信道估计，以符号h⁽ⁿ⁾(m)表示，n＝1，2，…，N代表不同阵元，m＝1，2，…，W表示不同时刻的采样。

针对采用的天线的不同，本发明的方法也要做一些不同的处理。环形天线的接收信号相对于线形天线的接收信号而言，需要对信号进行如下的预处理：

假设环形天线的圆环半径为r，载波波长λ，到达信号俯仰角θ∈[0，π/2]假设已知或者已经估计出，令M为不大于min{2πr/λ，N/2}的最大整数，min{a，b}代表取a，b中较小的数，ζ＝2πrsinθ/λ，(2M+1)×N的变换矩阵为：其中，

对环形天线接收信号所做的预处理就是：对天线接收到的N×1的基带信号列向量y₀(m)做如下变换

      y(m)＝Ty₀(m)，m＝1，2，…，√W    (1)

其中 J_m(ζ)是阶数为m的第一类贝舍尔函数，diag{a，b}代表主对角元素分别为a，b的对角阵，V^H代表取矩阵V的共轭转置，y₀(m)＝[h⁽¹⁾(m)…h^(N)(m)]^T，上标T代表转置操作。变换后的等效信号列向量y(m)的元素个数为P＝2M+1，这里定义y(m)＝[x⁽¹⁾(m)…x^(P)(m)]^T。

考虑到上述变换，假设待处理的数据为x⁽ⁿ⁾(m)，n＝1，…，P，m＝1，2，…，W。对环形天线而言，P的定义如前所述；对于线形天线而言，P＝N，x⁽ⁿ⁾(m)＝h⁽ⁿ⁾(m)。定义P×W矩阵：

分别对矩阵X的行和列处理，对于X的每一行的处理过程，以第一行为例：a1)将信号时延变换到频率域，计算FFT，得到[X⁽¹⁾(1)X⁽¹⁾(2)…√X⁽¹⁾(W)]；a2)令W₂为不大于W/2的最大整数，调整得到新的行向量

[X⁽¹⁾(W₂+1)…X⁽¹⁾(W)X⁽¹⁾(1)…X⁽¹⁾(W₂)]；a3)将新的行向量通过补零，扩充到希望的长度L₂；a4)对扩充后的行向量重新计算FFT。

为了方便，命名上述操作步骤为时延行变换。对于X的每一列的处理过程与上述时延行变换是相互独立的，因此这里仍然针对X的第一列说明操作步骤：b1)提高波达方向估计的分辨率，将列向量[x⁽¹⁾(1)…x^(P)(1)]^T通过补零，扩充到希望的长度L₁；b2)对扩充后的列向量计算FFT。

同样为了方便，命名上述操作步骤为空域列变换。

对于上面所述的对数据矩阵的每一列做空域列变换以及对矩阵的每一行做时延行变换，没有必然的顺序，实际中既可以先进行空域列变换，也可以先进行时延行变换。

假设经过上述行和列的变换后得到的矩阵为：

上面所述长度L₁和长度L₂是根据对时延估计的分辨率要求确定的。

对矩阵Y的每个元素求幅值，找出峰值点，并且按照数值的大小进行降序排序，根据多径信号能量估计，选择估计L_k径信号的时延和波达方向，则取排序后的前L_k个元素，其中L_k是要估计时延和波达方向的信号的数目。记录这些数对应的行和列的位置，假设元素

是前L_k个元素中的任一元素，则元素对应的信号的时延为[W-W·(m₂-1)/L₂]·T_c，其中T_c是码片周期，如果m₂＝1，则信号的时延估计为0。对应环形天线的信号的波达方向方位角估计为2π·(m₁-1)/L₁，单位是弧度。对应线形天线的估计需要分两步计算：首先计算u＝λ·(m₁-1)/(2d·L₁)，如果u＞1，则u＝u-1；然后计算信号波达方向为sin^-1(u)，其中，λ是载波波长，d是线形天线相邻阵元之间的距离，sin^-1(·)代表反正弦函数。

下面通过本发明应用于TD-SCDMA(时分同步码分多址)系统对本发明做进一步描述。

在时分同步码分多址(TD-SCDMA)系统中，用于时延与波达方向联合估计的信号是经过解扩后的中间导频(midamble)码信号，也可以是经过联合检测后得到的信道估计信号。假设系统采用的天线为环形天线，该天线得到的信号为 其中j＝1，…，∞J代表不同阵元，k＝1，…，K代表不同用户，n＝1，…，W代表不同时刻的信道的估计。由于针对不同用户的信号处理步骤完全一致，因此后面的介绍中代表用户的下标k被省略。

本例中，本发明的具体实施过程如下，参考图1。在步骤1，判断信号接收是环形天线还是线形天线，由于本例系统采用的是环形天线，因此继续以下操作；在步骤2，针对环形天线接收到的基带信号，需要首先经过线性变换处理，对每个向量 都要执行公式 的变换。在步骤3，利用上述步骤2经过变换的数据按照公式(2)构造矩阵X，如前文所述，假设矩阵X是一个P行W列的矩阵，希望将矩阵X通过补零扩充为M行N列的矩阵，再通过信号处理得到时延和波达方向的估计，则在步骤4，可以先对X的每一行做时延行变换，得到一个P行N列的矩阵，再在步骤5对新的矩阵的每一列执行空域列变换；或者在所述步骤4先对X的每一列做空域列变换，得到一个M行W列的矩阵，再在步骤5对新的矩阵的每一行执行时延行变换，两种方法都可以得到最终需要的M行N列的矩阵Y。在空域列变换和时延行变换中，FFT计算也可以替换为IFFT(快速傅立叶反变换)计算，只需要在后面找出峰值点以后，在计算信号时延和波达方向估计值时作相应的调整即可。在步骤6，求解Y的每一个元素的幅值，找出峰值点。假设只需要估计两径信号的时延或波达方向，则选出最大的两个峰值点。在步骤7，对峰值点按照数值的大小实行降序排序，通过它们在矩阵Y中的位置记录各峰值点分别处于矩阵Y的第几行和第几列，则可以由此按下述方法估计出这两个峰值点所对应的信号时延和波达方向：对于上述两个元素中的任何一个元素 则对应的信号的时延为[W-W·(m₂-1)/L₂]·T_c，对应环形天线的信号的波达方向方位角估计为2π·(m₁-1)/L₁。

本发明适用于需要进行信号时延或者波达方向估计的移动通信系统，可以提供更为准确的信号时延和波达方向的估计。

Claims (7)

1、一种提高接收信号波达方向估计准确度的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)判断信号接收天线是环形天线还是线形天线，如果是线形天线，转步骤(3)继续操作，否则继续以下操作；

(2)对于环形天线，利用已知的或者已经估计出来的信号到达方向的俯仰角，应用公式y(m)＝Ty₀(m)，m＝1，2，…，W做线性变换；

(3)利用线形天线的接收到的原始数据或环形天线的经过变换后的数据，构成形如

的数据矩阵X；

(4)对数据矩阵X的每一行做时延行变换；

(5)对经过上述步骤(4)变换后得到的矩阵的每一列做空域列变换；

(6)对经过上述变换后得到的具有公式

结构的矩阵Y的元素求幅值，寻找峰值点；

(7)对峰值点按照数值的大小实行降序排序，取出前L_k个元素，数值L_k即是要估计时延和波达方向的信号的数目，通过前L_k个元素在矩阵Y中的位置，按照信号接收天线是环形天线还是线形天线两种情况估计相应的信号的时延和波达方向。

2、根据权利要求1所述的提高接收信号波达方向估计准确度的方法，其特征在于：在所述步骤(4)对数据矩阵X的每一列做空域列变换，在所述步骤(5)对经过所述步骤(4)变换后得到的矩阵的每一行做时延行变换；

3、根据权利要求1或2所述的提高接收信号波达方向估计准确度的方法，其特征在于：所述对矩阵的每一行做时延行变换，按照如下方法进行：对于形如

的任一行[x^(m)(1)x^(m)(2)…x^(m)(W)]，其中m∈[1，P]，进行如下处理：a1)将信号时延变换到频率域，计算FFT，得到[X^(m)(1)X^(m)(2)…X^(m)(W)]；a2)令W₂为不大于W/2的最大整数，调整得到新的行向量：

[X^(m)(W₂+1)…∠X^(m)(W)X^(m)(1)…∠X^(m)(W₂)]；a3)将新的行向量通过补零，扩充到希望的长度L₂；a4)对扩充后的行向量重新计算FFT。

4、根据权利要求1或2所述的提高接收信号波达方向估计准确度的方法，其特征在于：所述对矩阵的每一列做空域列变换，按照如下方法进行：对于形如

的任一列[x⁽¹⁾(n)x⁽²⁾(n)…x^(P)(n)]，其中n∈[1，W]，进行如下处理：b1)将列向量[ x⁽¹⁾(n)…x^(P)(n)]^T通过补零，扩充到希望的长度L₁；b2)对扩充后的列向量计算FFT。

5、根据权利要求3所述的提高接收信号波达方向估计准确度的方法，其特征在于：所述长度L₂是根据对时延估计的分辨率要求确定的。

6、根据权利要求4所述的提高接收信号波达方向估计准确度的方法，其特征在于：所述长度L₁是根据对波达方向估计的分辨率要求确定的。

7、根据权利要求4所述的提高接收信号波达方向估计准确度的方法，其特征在于：所述按照信号接收天线是环形天线还是和线形天线两种情况估计相应的信号的时延和波达方向，按照下述方法进行：

对于前L_k个元素中的任何一个元素 则对应的信号的时延为[W-W·(m₂-1)/L₂]·T_c，其中T_c是码片周期；对应环形天线的信号的波达方向方位角估计为2π·(m₁-1)/L₁，单位是弧度，对应线形天线的估计按下述步骤得到：首先计算u＝λ·(m₁-1)/(2d·L₁)，如果u＞1，则u＝u-1；然后计算信号波达方向为sin^-1(u)，其中，λ是载波波长，d是线形天线相邻阵元之间的距离，sin^-1(·)代表反正弦函数。