一種快速lms自適應(yīng)波束形成的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種應(yīng)用于60GHz無線通信系統(tǒng)的快速 LMS自適應(yīng)波束形成的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 智能天線能有效地提高頻譜的利用率，是解決頻率資源匱乏的一種有效途徑，同 時還可以提高系統(tǒng)容量和通信質(zhì)量。它最初廣泛應(yīng)用于雷達(dá)聲納等軍用領(lǐng)域，由于價格等 因素一直未能普及到其他通信領(lǐng)域。經(jīng)過多年的發(fā)展，技術(shù)越來越成熟。近年來，將它應(yīng)用 到民用移動通信中的研究也越來越受到關(guān)注。
[0003] 智能天線的核心技術(shù)之一就是自適應(yīng)數(shù)字波束形成技術(shù)。數(shù)字波束形成技術(shù)是將 天線與數(shù)字信號處理技術(shù)相結(jié)合，利用空間特性來改進(jìn)接收系統(tǒng)輸出信噪比的，通過軟件 編程在自適應(yīng)信號處理器上實現(xiàn)的。它不用對硬件做任何操作，只需通過修改軟件，就可以 方便地更新系統(tǒng)，以適應(yīng)不同環(huán)境和不同應(yīng)用場合的要求。數(shù)字波束形成智能天線可通過 自適應(yīng)算法調(diào)整加權(quán)值，任意改變方向圖，在有用信號方向形成主波束，而在其它用戶方向 增益較低或形成零陷，減少了其它用戶所引起的多址干擾，同時還可以降低接收信號的衰 落程度，提高系統(tǒng)性能。
[0004] 步長、信號到達(dá)角、陣元個數(shù)和陣元間距都會對60GHz無線通信天線輸出有影響。 當(dāng)系統(tǒng)確定后，步長、信號到達(dá)角、陣元個數(shù)和陣元間距等參數(shù)就已經(jīng)確定了，影響因素就 只剩下步長因子了，步長因子對算法的收斂速度影響很大。步長的合理選擇將對算法的收 斂速度、對時變天線陣系統(tǒng)的跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)誤差等產(chǎn)生直接的影響。為了能夠精確定位 感興趣的信號，可以通過減小步長來實現(xiàn)，但是太小的步長又將會降低算法的收斂速度，不 能使天線陣及時調(diào)整到最優(yōu)權(quán)值矢量。這一內(nèi)在的矛盾使得固定步長的自適應(yīng)LMS (最小 均方）算法在收斂速度和穩(wěn)態(tài)誤差之間不能同時滿足，實際應(yīng)用時，必須合理選擇步長，權(quán) 衡兩個性能之間的關(guān)系步長因子的取值對算法的性能起到至關(guān)重要的作用。作為調(diào)控算法 迭代過程中的唯一變量，步長因子的取值是影響自適應(yīng)LMS算法收斂速度快慢的至關(guān)重要 原因。因此，自適應(yīng)LMS算法性能的改進(jìn)也都圍繞著步長因子而進(jìn)行研究。
[0005] 傳統(tǒng)的LMS算法由于采用的是固定步長因子，算法在收斂速度、穩(wěn)態(tài)失調(diào)以及對 時變系統(tǒng)的跟蹤能力之間存在著很大的矛盾。即小的步長因子能夠保證算法進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后 具有較小的失調(diào)誤差，但是算法收斂速度很差，并且對時變系統(tǒng)的跟蹤能力也會變差；另一 方面，大點的步長因子雖說確保了算法具有較快的收斂速度以及良好的時變系統(tǒng)的跟蹤能 力，但是這以大的穩(wěn)態(tài)失調(diào)作為代價。為了解決這對矛盾，變步長LMS算法應(yīng)運而生，該類 算法的基本思想是，當(dāng)更新權(quán)系數(shù)距離最佳權(quán)系數(shù)較遠(yuǎn)時，選取較大的步長，以此加快算法 的收斂速度以及對時變系統(tǒng)的跟蹤能力；當(dāng)更新權(quán)系數(shù)接近最佳權(quán)系數(shù)時，釆用小步長，保 證算法在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之后具有小的失調(diào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的一些變步長LMS算法仍然不能很好地解決 固定步長自適應(yīng)濾波算法存在的收斂速度、跟蹤速度和收斂精度之間的矛盾等技術(shù)問題， 提供一種應(yīng)用于60GHz無線通信系統(tǒng)的快速LMS自適應(yīng)波束形成計算方法，能在具有較高 的收斂速度、跟蹤速度同時確保收斂精度。
[0007] 本發(fā)明針對上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的：一種快速LMS自 適應(yīng)波束形成的方法，包括以下步驟：
[0008] S01、天線陣接收原始信號X(n)，n = 1，2，……，N;
[0009] S02、對權(quán)向量W(n)進(jìn)行初始化設(shè)置；
[0010] S03、計算天線陣的輸出 y(n) = WH(n)X(n);
[0011] 304、計算天線陣的誤差6〇1)=(1(11)-?(1'(11)1(11) ;
[0012] S05、變步長 μ (η) = β (l_exp (-α I e (n) e (n_l) I)) *arcsinh (I e (η) 12);
[0013] S06、更新天線陣的 N 個權(quán)向量 W(n+1) = W(n)+2y (n)e(n)X(n);
[0014] S07、判斷是否收斂，如果不收斂，則挑轉(zhuǎn)到步驟S01，如果收斂則算法結(jié)束，天線陣 將處理后的信號輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器；
[0015] 其中，N為天線陣元數(shù)量，X(n)是輸入信號，d(n)是參考信號，參考信號為固定值， 也可以根據(jù)情況人為進(jìn)行調(diào)整，y(n)是輸出信號，e(n)是誤差信號，W(n)是權(quán)向量信號， μ (η)是變步長，μ (η)是e (η)的變步長函數(shù)，α是控制變步長函數(shù)形狀的常數(shù)，β是控 制變步長函數(shù)范圍的常數(shù)，Η為矩陣共輒轉(zhuǎn)置符號，Τ為矩陣轉(zhuǎn)置符號。
[0016] 作為優(yōu)選，所述收斂的判定方法為
[0018] 其中，λ_是輸入信號向量自相關(guān)矩陣的最大特征值。
[0019] 作為優(yōu)選，所述步驟S02中，對權(quán)向量進(jìn)行初始化設(shè)置為將所有W(n)置為零。
[0020] 作為優(yōu)選，天線陣的波束形成器對輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤碼率抑制以后，再輸入到模 數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器后再傳送到功率放大器，經(jīng)過功率放大器再通過天線輸出。
[0021] 在60GHz無線通信系統(tǒng)的實際應(yīng)用中，由于外部干擾阻擋的存在，如發(fā)送和接收 之間瞬間被障礙物阻擋等等，天線接收到的信號中可能存在某種比較少見、一般情況不考 慮的干擾信號，以及其他無法預(yù)知的有效信號迅速衰減，通過本方法可以有效消除這些干 擾。該算法在輸入信號遭受大的干擾并且低信干比（SIR)時，算法的性能也不會收到影響， 算法在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后具有很小的失調(diào)。
[0022] 本發(fā)明帶來的實質(zhì)性效果是，很好地解決固定步長自適應(yīng)濾波算法存在的收斂速 度、跟蹤速度和收斂精度之間的矛盾。
【附圖說明】
[0023] 圖1是本發(fā)明的一種計算過程流程圖。
[0024] 圖2是本發(fā)明的一種基于快速LMS算法的智能天線自適應(yīng)波束形成器的結(jié)構(gòu)框 圖。
【具體實施方式】
[0025] 下面通過實施例，并結(jié)合附圖，對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。
[0026] 實施例：本實施例的一種快速LMS自適應(yīng)波束形成的方法，如圖1所示，其流程為 程序啟動后首先進(jìn)行權(quán)值的初始化設(shè)置，確定算法初始化條件；然后程序開始獲取輸入信 號以及參考信號