[发明专利]基于阵列冲激响应的多径信号波达角估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种多径信号波达角估计方法，特别涉及一种基于阵列冲激响应的多径信号波达角估计方法。

背景技术

多径信号波达角是MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)无线信道的一种重要空域参数。为了获得无线信道的多径信号波达角，需要进行实地的信道测量，并利用波达角估计方法对测量数据进行处理，以得到结果。由于实际无线信道中的多径数量众多，其信号波达角估计存在困难。

文献“阵列天线DOA估计中MUSIC算法性能综合分析”，《兰州交通大学学报》，2011年6月，第30卷第3期中86至91页提到的MUSIC(Multiple Signal Classification，多重信号分类)方法是一种典型的信号波达角估计方法。在该方法中，首先求接收信号的协方差矩阵，并对该矩阵进行特征分解，得到信号子空间和噪声子空间。利用噪声子空间和天线阵列导向矢量的正交性构建角度空间谱，通过谱峰搜索得出信号的波达角。但是该方法存在如下问题：该方法要求多径数量必须小于天线阵列的振子个数。而实际信道中的多径数量通常较大，如果要满足MUSIC方法的假设，必须使用规模更大的天线阵列，将会提升硬件成本。

发明内容

为了克服现有多径信号波达角估计方法实用性差的不足，本发明提供一种基于阵列冲激响应的多径信号波达角估计方法。该方法首先从接收信号中计算观测响应矩阵，即对天线振子的输出信号进行解调和低通滤波后，得到基带接收信号，再将基带接收信号与伪随机序列做滑动相关，得到观测冲激响应，通过对观测冲激响应进行离散化，抽取出多径，得到观测冲激响应矢量，将所有天线振子的观测冲激响应矢量整合得到观测响应矩阵；接着通过观测响应矩阵估计波达角，观测响应矩阵已经将各条多径分离出来，对于某一条径，从观测响应矩阵中得到协方差矩阵，再对协方差矩阵进行特征分解进而得到信号子空间和噪声子空间，利用噪声子空间和导向矢量正交原理得到此条径的波达角。对于所有多径重复上述过程即可得到所有径的波达角。本发明降低了运算复杂度，不受限于天线阵列的振子个数，实现大量多径存在时的信号波达角估计，同时具有良好的估计精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于阵列冲激响应的多径信号波达角估计方法，其特点是包括以下步骤：

(A)定义信号。

选择长度为X的伪随机序列作为基带探测信号a(t)，其表达式为

其中，X表示伪随机序列的长度，t表示时间，表示宽度为T_b的矩形脉冲信号。K个PN序列组成一个探测帧u(t)，其表达式为

其中，T_p＝XT_b，探测帧u(t)是基本探测信号，该探测帧调制后经天线发射出去。

对于第m个天线振子，射频接收信号y′_m(t)的表达式为

其中，N′_m(t)是服从高斯分布的白噪声，L为多径条数，和τ_l即为多径的复响应和时延，u′(t)为调制后的探测帧。

首先假设传播环境中包含L条多径信号，其空间信道冲激响应模型h(t)表示如下

其中，L表示多径条数，表示第l条多径的信道复响应，是一个复常数，τ_l是第l条多径的时延值，δ(t)表示单位冲激函数。

接收天线阵列是二维平面阵列，包含M个天线振子，M为二维平面阵列天线振子个数。收发天线之间的距离满足远场条件，经解调后，第m个振子的输出信号y_m(t)表示为

其中，N_m(t)是第m个天线振子所接收到的噪声信号，分别是第l条多径入射信号的方位角和俯仰角，是第m个天线振子对波达角为的入射信号的复响应，表示为

其中e表示自然底数，j表示虚数，表示射频信号的波长，d表示相邻天线振子的距离，m_i和m_j表示第m个天线阵子在天线阵列中位于第m_i行、第m_j列，θ、分别是多径入射信号的方位角和俯仰角。向量

称为接收天线阵列在波达方向上的导向矢量。θ_l、分别是第l条多径入射信号的方位角和俯仰角。

(B)计算观测冲激响应矩阵。