[发明专利]基于单比特量化信号虚拟域统计量重建的互质阵列波达方向估计方法

说明书

本发明公开了一种基于单比特量化信号虚拟域统计量重建的互质阵列波达方向估计方法，主要解决现有技术中软硬件实现难度大及自由度受限等问题，其实现步骤是：接收端布设互质阵列与单比特模数转换器；接收端布设互质阵列与单比特模数转换器；计算互质阵列单比特接收信号所对应的等价虚拟信号；构造初始化单比特量化信号虚拟域增广协方差矩阵；基于量化与非量化信号间的统计关联性分析，设计基于量化信号虚拟域统计量重建的优化问题；利用优化所得单比特量化信号所对应的虚拟域增广协方差矩阵进行波达方向估计。本发明融合了互质阵列与单比特信号处理的优势特性，对于面向新一代无线通信系统以及无源定位、目标探测等实际应用具有广阔的前景。

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及对雷达信号、声学信号及电磁信号的低成本高效波达方向估计，具体是一种基于单比特量化信号虚拟域统计量重建的互质阵列波达方向估计方法，可用于无源定位、目标探测以及新一代无线通信系统。

背景技术

波达方向估计(Direction-of-Arrival Estimation)通过利用阵列天线接收空域信号，并通过统计信号处理技术和各类优化方法对接收信号进行处理，以恢复信号中所包含的波达方向信息，是阵列信号处理领域的基本问题之一，在雷达、声呐、语音、射电天文、地震学、无线通信、医学成像等领域有着广泛的应用。

随着用户需求与数据规模的不断增加，基站端的大规模天线部署是新一代无线通信系统中的典型特征之一。与此同时，随着角度域信道建模理论在毫米波大规模MIMO(Massive Multiple-Input Multiple-Output,Massive MIMO)系统中的推广应用，传统的波达方向估计面临巨大的技术挑战。一方面，传统的波达方向估计受限于奈奎斯特采样速率的限制，其自由度(即：能够分辨的入射信号源个数)由天线阵元个数决定，但是用户数目的增长将远高于基站端天线数目的增长，故当某个空域范围内入射信号源的个数大于或等于阵列中天线阵元的个数时，现有采用均匀阵列的方法将无法进行有效的波达方向估计；另一方面，随着天线数目的增长，大规模天线系统面临部署成本、运行功耗及计算数据量等层面的巨大压力，进而造成实际应用中面临巨大压力与挑战。

为了解决上述问题，稀疏阵列的提出使得在欠采样情况下的有效波达方向估计成为可能，且互质阵列作为一种具有系统化结构的稀疏阵列，能够采用相同个数的天线阵元取得更多的自由度，以突破自由度方面的性能瓶颈，在波达方向估计领域得到了前所未有的关注。但是，现有的互质阵列波达方向估计方法普遍以理想化的信号采样量化过程为前提，这在实际系统应用中显然是不可能的，有限精度量化过程所造成的量化误差将不可避免。另一方面，随着大规模MIMO技术的发展，通过低比特模拟数字转换器(Analog-to-Digital Converter,ADC)在基站天线端的部署，在牺牲部分性能的前提下，实现系统成本、运行功耗、数据规模及计算复杂度的降低，而单比特量化为上述方法中的最低精度样例。但是，现有的单比特大规模MIMO系统普遍采用均匀阵列，存在自由度受限这一瓶颈问题。

综上所述，稀疏阵列与单比特量化技术的融合，是解决现有大规模MIMO系统中自由度受限、部署成本高、运行功耗大、数据量规模大与计算复杂度高等问题的有效方法。尽管国内外学者已开始初步探索稀疏阵列与单比特量化技术融合的相关核心技术，但是面向互质阵列的单比特波达方向估计的研究仍处于起步阶段，互质阵列虚拟域信号处理的统计特性与技术特征尚未得到完整的发掘与应用。因此，如何充分利用互质阵列的虚拟域信号处理的优势，并克服其虚拟阵列非连续所带来的性能损失与模型失配问题，实现单比特量化信号的高效波达方向估计，并尽可能减小相对于原始未量化信号的性能损失，甚至利用其稀疏的特性实现性能层面的超越，是当前亟待解决的一个重要问题。

发明内容