專利名稱：：一種基于航空通信信道下的波束成形方法
技術領域：
：本發(fā)明涉及一種數(shù)字波束成形方法，特別涉及一種基于航空通信信道的數(shù)字波束成形方法，屬于信號處理和通信領域。
背景技術：
：在無線通信中，由于收信機和發(fā)信機之間的多條傳播路徑造成的多徑效應是一個普遍存在的問題。通常，航空信道被認為是由一個視距傳播(LOS)成分和一個多徑散射成分組成，稱為萊斯(Rice)衰落信道。其中多徑散射成分是由傳播環(huán)境中物體對電磁波的反射和散射產生的。在航空通信中，飛行器不同的狀態(tài)會導致不同的信道衰落形式，比如飛行器在飛行途中、跑道滑行以及停場狀態(tài)導致的信道衰落是不同的。一般來說，在停場狀態(tài)下，由于停機坪、機庫的影響，視距成分是不存在的，這導致了瑞利(Rayleigh)衰落，是最嚴重的衰落形式。而在其他狀態(tài)下，接收信號通常包含LOS成分和散射成分，這會導致萊斯衰落。同時在航空通信中還存在不同用戶對期望信號的干擾，在戰(zhàn)爭環(huán)境下，還存在來自敵方的同頻強干擾。因此應用于這種環(huán)境下的通信系統(tǒng)要同時具有抗多徑衰落以及抗干擾的性能。Rake接收方法是目前廣泛采用的一種抗衰落方法，它采用分集合并技術，對多個信號分別進行處理、合并從而獲得更大的益處。但是由于航空信道中可能存在較強的同頻干擾，采用Rake接收并不能很好地消除干擾。采用擴頻，跳頻技術可以使通信系統(tǒng)具有很強的抗干擾能力，但是該技術本身并不能消除多徑衰落的影響。當期望信號存在多個非相關多徑時，波束成形技術能夠保留其中的一路信號，而把零陷對準其它信號，這樣，陣列能夠減小由非相關多徑帶來的干擾，也可以消除不同到達角度上(DOA)的干擾信號。傳統(tǒng)的波束成形的實現(xiàn)方法是由多個輻射元排陣構成天線陣列，用波束形成網(wǎng)絡向陣列單元激勵所需的振幅和相位，以形成不同形狀的成形波束。它的優(yōu)點是可對波束數(shù)目和形狀進行靈活控制，并可控制波束作快速掃描；但結構較復雜，造價高。已知的另一種做法是利用數(shù)字芯片對采樣和下變頻得到的數(shù)字基帶信號作一系列的復數(shù)矩陣運算，這種做法所需的計算量較大，且處理過程帶來一定的誤差，使得處理結果難以達到空域濾波器的誤差指標。同時，應用于通信系統(tǒng)中的波束成形系統(tǒng)不同于傳統(tǒng)雷達中所采用波束天線陣列，由于雷達中回波的存在，可以方便估計期望信號的DOA，雖然在通信系統(tǒng)中可采用已有的多重信號分類(MUSIC)方法和旋轉不變信號參數(shù)估計(ESPRIT)方法估計通信系統(tǒng)中期望信號的DOA,但是實現(xiàn)復雜度高，且誤差較大。已知的最小均方誤差(MMSE)波束成形方法可以避免DOA估計，降低實現(xiàn)的復雜度，但是傳統(tǒng)的MMSE方法對接收端釆樣同步偏差較為敏感，該偏差會導致陣列輸出信擾噪聲比(SINR)下降，該方法在采樣同步偏差為10的情況下的輸出SINR在圖4中給出。
發(fā)明內容本發(fā)明的目的在于提供一種基于航空通信信道下的波束成形方法，該方法能夠有效解決航空通信信道中的多徑衰落以及干擾等問題，降低傳統(tǒng)方法的實現(xiàn)成本和復雜度，并且能夠克服傳統(tǒng)數(shù)字波束成形方法的DOA估計不準以及采樣同步偏差問題。本發(fā)明所采用的技術方案如下一種基于航空通信信道下的波束成形方法，一種基于航空通信信道下的波束成形方法，其實現(xiàn)步驟包括自相關矩陣處理、協(xié)方差向量處理、權值計算輸出，其流程圖如圖l所示，包括以下步驟步驟一利用長度為iV的訓練序列X。，其中X"為Mxl維的列向量，M為天線陣列的單元個數(shù)，估計基帶信號的自相關矩陣&M和協(xié)方差向量^,。估計公式為-<formula>formulaseeoriginaldocumentpage6</formula>(2)其中，《表示接收端在采樣時刻"的參考信號樣值，(.;f表示變量、向量以及矩陣的共軛計算。再由QR分解計算^^的逆矩陣A:"。步驟二將經步驟一得出的^/'與^,相乘，即得到MMSE的權值向量步驟三求取貝葉斯(Bayesian)權值向量^，方法如下假設實際信號的到來方向w服從先驗密度函數(shù)《(w)的隨機變〗^w)是由i:個離散點WpW2,…，^所組成的先驗參數(shù)空間，lO^ISO的情況下，①計算后驗概率密度》(",IX《)為1X《)=《(w,)exp(a(w》"^^'a(w》，這里考慮在干擾存在(3)其中，a(",)-'1...e"々(M-i)w,(4)(-f表示矩陣或向量的共軛轉置運算，表示天線之間的單位相位偏移<②根據(jù)后驗概率密度1XJ，求出平均空間響應I:"2a("/)尸("/IX^)/=1其中，丄為先驗參數(shù)空間的維數(shù)。(5)步驟四將W,與貝葉斯W^目加，即可得出空域濾波器所需要的權值W:w=w,+w2(7)至此，就完成了波束的成形。有益效果本發(fā)明方法對比現(xiàn)有技術，能夠在采樣同步偏差存在的情況下形成期望的空間響應波形，輸出的SINR接近于最佳情況，降低了傳統(tǒng)方法的實現(xiàn)成本和復雜度圖1為本發(fā)明的波束成形方法的流程圖；圖2為理論上最佳權值所產生的波束特性曲線示意圖；圖3為實現(xiàn)的波束成形器所產生的波束特性曲線示意圖；圖4為輸出的信擾比隨訓練序列變化特性曲線示意圖。具體實施例方式下面結合附圖及實施例對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式做進一步詳細說明。步驟一分別由公式(1)和公式(2)，估計基帶信號的Au和^,。訓練序列的長度最好為2的冪次。估計Axx的計算過程分為求積和求和兩個部分①計算出各個采樣時刻向量的積，即R。-x"x/。該過程僅用到復數(shù)乘法運算，由于^滿足議/=議，所以在計算時可以只計算該矩陣的主對角線以及主對角線以上的矩陣元素，這樣能夠節(jié)省M(M-1)/2個復數(shù)乘法器以及復數(shù)加法器。②將①中計算的R"由計算自相關矩陣6n，該過程用到復數(shù)求和運算，由于W為2的整數(shù)冪，上式的除法運算可通過將求和結果右移1(^2^位來實現(xiàn)，該矩陣中的其他元素可以通過對上三角矩陣中的相應元素求共軛得到，即~=。,'(eRxx)。③利用QR分解求出自相關矩陣^,的逆矩陣RJ1。協(xié)方差向量^^的估計也可以參照&u的估計過程，分為復數(shù)求積與復數(shù)求和的過程，該計算可以在求解^,的逆矩陣時進行，復用A^計算中的乘法器與累加器，這樣可以進一步減少系統(tǒng)資源的消耗。步驟二將經步驟一得出的A^—'與^,相乘，Ww|=6xx-》xrf。步驟三由公式(3)估計》"IX^)。在計算中，由于a()中的元素是模值為1的復數(shù)，所以》("/IXK)的值可以通過先對^J中的列向量通過旋轉a(",Z中的元素的相位角并求和得到lxM維的行向量h,,計算公式為h,-Srot(^，(w-l)仍)(8)其中，rot(^，(w-l)爐,)表示將藝'旋轉相位角(w—1M,^=-_/>rw〃！^為^/'的行向量。再將分別將^中的各元素旋轉a(",)中的元素的相位角，并求和得到最終的》(",IX"，即MIX/cH》ot(C)(9)其中/^為行向量h,中的元素。w=l估計出》(W/IX"后，由公式(4),(5)，(6)計算Bayesian權值W2步驟四由(7)計算最終的權值w。至此，就完成了波束的成形。實施例設定接收端從天線經多路接收機下變頻的中頻信號，接收端的天線陣列單元數(shù)量為4，中頻頻率為70MHz，在AD中經過64MHz的帶通采樣得到6MHz的信號，送入FPGA中進行處理。FPGA系統(tǒng)主時鐘為32MHz，經下變頻到基帶輸出I，Q兩路數(shù)據(jù)到波束成形模塊，I，Q兩路均為16bit量化的數(shù)據(jù)信息。現(xiàn)利用本發(fā)明方法對I，Q兩路為16bit量化的數(shù)據(jù)信息進行波束成形處理。步驟一利用長度為64的訓練序列，估計由下變頻器輸出的基帶采樣數(shù)據(jù)的自相關矩陣^的逆矩陣R;1。逆矩陣^，—'如下0.0047.0.0021_0.0177+_/0細90.0235+J0細40.01940.01910.0229-)0.00030.0173+乂0.00150.0229+70.00030.04350,0386+y0.0049R"=0.0173-j.O.OO150,0386-_/0.00490.04380.0047+70.00210.0177-j'0.00190.0235-j'0.0004a(",)=a("。)-卩a(",)-[la("2)=[la("3)=[la("4)=la("5)=[la("6)=pa("7)=[la("8)=[la("9)-卩a(wl0)-[l利用長度為64的訓練序列，計算出協(xié)方差向量^d:^=[-1.8562+/0.12980.2415-".16631.0116+".1238-2.3901+_/0,3200『步驟二將經步驟一得出的自相關矩陣R^的逆矩陣R^-'與經步驟二得出的協(xié)方差向量^d相乘，即w,:6^'L，得到最小均方誤差(MMSE)的權值向且里。w,=[-0.0054-乂0.00160.0043+_/0.00040.004-j0.00380.0077vU0019]廠步驟三求取貝葉斯權值向量W2，方法如下先驗密度函數(shù)《(")是由11個離散點"。，^…，",。所組成的先驗參數(shù)空間，在干擾存在的情況下，后驗概率密度》(",ix《)為P("/IX《)-《(w,)expa()a(",))、\z乂=e—M…')"了，分別為0.9511+)0.30900.8090+j'0.58780.5878+)0.8090f0.9686+乂'0.24870.8763+/0.48180.7290+7'0.6845f0.9823+乂0.18740.9298+)0.36810.8443+_/0.5358f0.9921+乂.0.12530.9686+/0.24870.9298+/0.368lf"0.9980+_/0.06280.9921+/0.12530.9823+0:1874f11lf0.9980-_/0,06280.9921-乂O.12530.9823力'0.1874f0.992W0.12530細6-;0.24870.9298-y。.368lf0.9823-y'0.18740.9298-_/0.36810.8443-_/0.5358f0.9686-j'0.24870.8763-_/0.48180.7290-/0.6845f0.95110.30900.8090-_/0.58780.58780，8090f根據(jù)》(K/IX《)，求出L厶a^Za(W/)/(w,|X《)=[10.9802"0.00(B0.9223-y'0.00060.8303-/0.0009/='則Bayesian權值向量w2為U、If5"='><mtable><mtr><mtd><msub><mi>p</mi><mn>1</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>p</mi><mn>2</mn></msub></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>.</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>.</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>.</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><msub><mi>p</mi><mi>M</mi></msub></mtd></mtr></mtable></mfenced><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>其中，dn表示接收端在采樣時刻n的參考信號樣值，(·)*表示變量、向量以及矩陣的共軛計算，再由QR分解計算id="icf0005"file="A2009100844800002C5.tif"wi="6"he="6"top="134"left="103"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>的逆矩陣id="icf0006"file="A2009100844800002C6.tif"wi="11"he="6"top="134"left="132"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>步驟二將經步驟一得出的id="icf0007"file="A2009100844800002C7.tif"wi="9"he="6"top="143"left="88"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>與id="icf0008"file="A2009100844800002C8.tif"wi="5"he="5"top="144"left="104"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>相乘，即得到最小均方誤差的權值向量<mathsid="math0002"num="0002"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>w</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><msup><msub><mover><mi>R</mi><mo>^</mo></mover><mi>xx</mi></msub><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><msub><mover><mi>p</mi><mo>^</mo></mover><mi>xd</mi></msub><mo>;</mo></mrow>]]></math>id="icf0009"file="A2009100844800002C9.tif"wi="27"he="6"top="151"left="25"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/></maths>步驟三求取貝葉斯權值向量w2，方法如下假設實際信號的到來方向u服從先驗密度函數(shù)q(u)的隨機變量，這里考慮q(u)是由L個離散點u1，u2，…，uL所組成的先驗參數(shù)空間，10≤L≤30；在干擾存在的情況下，①計算后驗概率密度id="icf0010"file="A2009100844800002C10.tif"wi="17"he="4"top="196"left="76"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>為<mathsid="math0003"num="0003"><math><![CDATA[<mrow><mover><mi>p</mi><mo>^</mo></mover><mrow><mo>(</mo><msub><mi>u</mi><mi>l</mi></msub><mo>|</mo><msub><mi>X</mi><mi>K</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>q</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>u</mi><mi>l</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mi>exp</mi><msup><mrow><mo>(</mo><msup><mrow><mo>(</mo><mi>a</mi><msup><mrow><mo>(</mo><msub><mi>u</mi><mi>l</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mi>H</mi></msup><msup><msub><mover><mi>R</mi><mo>^</mo></mover><mi>xx</mi></msub><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mi>a</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>u</mi><mi>l</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>)</mo></mrow><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>3</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>其中，<mathsid="math0004"num="0004"><math><![CDATA[<mrow><mi>a</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>u</mi><mi>l</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><msup><mfencedopen='['close=']'><mtable><mtr><mtd><mn>1</mn></mtd><mtd><msup><mi>e</mi><mrow><mo>-</mo><mi>jπ</mi><msub><mi>u</mi><mi>l</mi></msub></mrow></msup></mtd><mtd><mo>.</mo><mo>.</mo><mo>.</mo></mtd><mtd><msup><mi>e</mi><mrow><mo>-</mo><mi>jπ</mi><mrow><mo>(</mo><mi>M</mi><mo>-</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow><msub><mi>u</mi><mi>l</mi></msub></mrow></msup></mtd></mtr></mtable></mfenced><mi>T</mi></msup><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>4</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>(·)H表示矩陣或向量的共軛轉置運算，id="icf0013"file="A2009100844800002C13.tif"wi="11"he="5"top="245"left="102"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>表示天線之間的相位偏移；②根據(jù)后驗概率密度id="icf0014"file="A2009100844800002C14.tif"wi="22"he="5"top="255"left="76"img-content="drawing"img-format="tif"orientation="portrait"inline="yes"/>求出平均空間響應<overscore>a</overscore><mathsid="math0005"num="0005"><math><![CDATA[<mrow><mover><mi>a</mi><mo>‾</mo></mover><mo>=</mo><munderover><mi>Σ</mi><mrow><mi>l</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>L</mi></munderover><mi>a</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>u</mi><mi>l</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mi>p</mi><mrow><mo>(</mo><msub><mi>u</mi><mi>l</mi></msub><mo>|</mo><msub><mi>X</mi><mi>K</mi></msub><mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>5</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>其中，L為先驗參數(shù)空間的維數(shù)；③根據(jù)②中的<overscore>a</overscore>求貝葉斯(Bayesian)權值向量w2為<mathsid="math0006"num="0006"><math><![CDATA[<mrow><msub><mi>w</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><msup><mover><mi>a</mi><mo>‾</mo></mover><mi>H</mi></msup><msup><msub><mi>R</mi><mi>xx</mi></msub><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><msub><mi>r</mi><mi>xd</mi></msub></mrow><mrow><msup><mover><mi>a</mi><mo>‾</mo></mover><mi>H</mi></msup><msup><msub><mi>R</mi><mi>xx</mi></msub><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mover><mi>a</mi><mo>‾</mo></mover></mrow></mfrac><msup><msub><mi>R</mi><mi>xx</mi></msub><mrow><mo>-</mo><mn>1</mn></mrow></msup><mover><mi>a</mi><mo>‾</mo></mover><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow><mo>(</mo><mn>6</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>]]></math></maths>步驟四將最小均方誤差的權值向量w1與貝葉斯權值向量w2相加，即可得出空域濾波器所需要的權值ww＝w1+w全文摘要本發(fā)明涉及一種基于航空通信信道下的波束成形方法，屬于信號處理和通信領域。該方法首先估計基帶信號的自相關矩陣的逆矩陣，并計算出協(xié)方差向量。然后，將協(xié)方差向量與自相關矩陣的逆矩陣相乘，得到最小均方誤差的權值向量；同時，求出貝葉斯權值向量。最后，將最小均方誤差的權值向量與貝葉斯權值向量相加，即可得出空域濾波器所需要的權值。該方法能夠在多徑衰落以及強干擾環(huán)境中，充分利用后驗概率信息，在采樣同步偏差存在的情況下形成最佳空域波形，并輸出接近最佳的信擾比。文檔編號H04B7/02GK101552630SQ200910084480公開日2009年10月7日申請日期2009年5月19日優(yōu)先權日2009年5月19日發(fā)明者劉光熹,卜祥元,堯盧,安建平申請人:北京理工大學