一種分塊并行的自適應(yīng)數(shù)字波束形成方法及其實(shí)現(xiàn)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種分塊并行的自適應(yīng)數(shù)字波束形成方法及其實(shí)現(xiàn)裝置，方法包括以下步驟：(1)將數(shù)字陣列接收到的二維基帶數(shù)據(jù)變換為一維數(shù)據(jù)向量；(2)將一維數(shù)據(jù)向量及其對(duì)應(yīng)的權(quán)重向量和約束矩陣分成相同的M塊，用M個(gè)處理模塊并行處理，得到的M個(gè)塊處理結(jié)果再經(jīng)過綜合處理模塊，直接得到自適應(yīng)數(shù)字波束形成后的基帶數(shù)據(jù)輸出和用于下一次計(jì)算所需的相關(guān)參數(shù)；(3)按照步驟2循環(huán)反復(fù)，得到自適應(yīng)迭代更新結(jié)構(gòu)；裝置包括N個(gè)單元天線及對(duì)應(yīng)的通道接收機(jī)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器、M個(gè)并行處理模塊和1個(gè)綜合處理模塊。本發(fā)明分塊靈活，分塊間交互信息少，通過分塊處理可以有效降低自適應(yīng)數(shù)字波束形成的運(yùn).算量，降低數(shù)據(jù)匯攏的傳輸和接口壓力。
【專利說明】一種分塊并行的自適應(yīng)數(shù)字波束形成方法及其實(shí)現(xiàn)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于自適應(yīng)陣列信號(hào)處理領(lǐng)域，特別是一種分塊并行的自適應(yīng)數(shù)字波束形 成方法及其實(shí)現(xiàn)裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 自適應(yīng)數(shù)字波束形成是在陣列天線和信號(hào)處理基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，它 的基本思想是通過對(duì)天線陣元接收數(shù)據(jù)進(jìn)行加權(quán)處理以控制天線陣的方向函數(shù)，使天線陣 方向圖在期望信號(hào)方向上形成高增益，在干擾信號(hào)方向產(chǎn)生較深的零陷，達(dá)到空域?yàn)V波的 目的。自適應(yīng)數(shù)字波束形成算法可以根據(jù)信號(hào)、干擾環(huán)境的變化自適應(yīng)調(diào)整各陣元的加權(quán) 因子，達(dá)到保證期望信號(hào)方向增益不變的同時(shí)抑制干擾的目的。
[0003] 但在實(shí)際大陣列系統(tǒng)的應(yīng)用中，存在著運(yùn)算量大和數(shù)據(jù)匯攏困難等問題。常 用于降低大陣列自適應(yīng)陣列運(yùn)算復(fù)雜度的方法包括降維和降秩，這兩種方法都有局限 性；降維的主要問題之一是會(huì)產(chǎn)生柵瓣，而部分自適應(yīng)處理則會(huì)降低陣列的自由度，從 而降低干擾和雜波抑制的性能。分塊并行的處理方法具有降低處理運(yùn)算量和減少基 帶數(shù)據(jù)匯攏量的特點(diǎn)，文獻(xiàn) 1 (Adaptive array beamforming based on an efficient technique. IEEE Trans. AP-44, 1996 (8) : 1094-1101)公開了 一種分塊并行的波束形成算 法（ERLS)，其波束形成性能受分塊形式的影響，而且當(dāng)最大子權(quán)矢量的維數(shù)比較大時(shí)， ERLS 的運(yùn)算量很大。文獻(xiàn) 2(Sub_array RLS adaptive algorithm. IEEE Electronics letters, 1999, 35 (13) : 1061-1062)公開了一種異步的基于RLS的分塊并行算法，每次迭代 更新一次權(quán)重系數(shù)需要比ERLS多M-2個(gè)節(jié)拍（M為分塊的塊數(shù)），迭代處理效率低。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明目的在于提供一種分塊并行的自適應(yīng)數(shù)字波束形成方法及其實(shí)現(xiàn)裝置，有 效的降低自適應(yīng)數(shù)字波束形成的運(yùn)算量和處理時(shí)間。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種分塊并行的自適應(yīng)數(shù)字波束形成方法， 包括以下步驟：
[0006] 步驟1、將接收到的二維基帶數(shù)據(jù)變換為一維基帶數(shù)據(jù)向量x(n);
[0007] 步驟2、確定一維基帶數(shù)據(jù)向量X (η)對(duì)應(yīng)的權(quán)重向量w (η)和約束矩陣C ;
[0008] 設(shè)期望的波束指向?yàn)椋║l，Vl)，該波束指向的導(dǎo)向矢量作為約束矩陣，即C = a(u1； Vi)；
[0009] 其中，七=sin Θ 17Vl = cos θ ρι?ηφρ Θ i和t分別為期望信號(hào)的來波方向的俯 仰角和方位角；
[0010] 步驟3、對(duì)一維基帶數(shù)據(jù)向量x(n)、及對(duì)應(yīng)的權(quán)重向量w(n)和約束矩陣C分別進(jìn) 行分塊處理；
[0011] 步驟4、令η = 0 ;初始化權(quán)重向量w(0) = ah, V)、綜合處理模塊返回參數(shù)SDQ(0) =〇和μ y(〇) = 〇 ;M個(gè)并行處理模塊對(duì)步驟3中約束矩陣C分塊處理后得到的數(shù)據(jù)塊分 別進(jìn)行塊級(jí)處理，Μ為正整數(shù)；
[0012] 第i個(gè)并行處理模塊的塊級(jí)處理為：
[0013]

【權(quán)利要求】
1. 一種分塊并行的自適應(yīng)數(shù)字波束形成方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟1、將接收到的二維基帶數(shù)據(jù)變換為一維基帶數(shù)據(jù)向量X(n); 步驟2、確定一維基帶數(shù)據(jù)向量x(n)對(duì)應(yīng)的權(quán)重向量w(n)和約束矩陣C; 設(shè)期望的波束指向?yàn)椋?，&)，該波束指向的導(dǎo)向矢量作為約束矩陣，即C = a(Ul，Vl); 其中，七=sin Θ 17Vl = cos θ ρι?ηφρ Θ i和分別為期望信號(hào)的來波方向的俯仰角 和方位角； 步驟3、對(duì)一維基帶數(shù)據(jù)向量X (η)、及對(duì)應(yīng)的權(quán)重向量w (η)和約束矩陣C分別進(jìn)行分 塊處理； 步驟4、令η = 0;初始化權(quán)重向量w(0) 綜合處理模塊返回參數(shù)SDQ(0)= 〇和yy(〇) =〇;M個(gè)并行處理模塊對(duì)步驟3中約束矩陣C分塊處理后得到的數(shù)據(jù)塊分別進(jìn) 行塊級(jí)處理，Μ為正整數(shù)； 第i個(gè)并行處理模塊的塊級(jí)處理為：
其中Si為分塊約束的模；(；為約束矩陣C的第i個(gè)數(shù)據(jù)塊；i = 1，2. . . Μ ; 各個(gè)模塊將處理后的結(jié)果Si發(fā)送到綜合處理模塊，綜合處理模塊作如下處理
步驟5、M個(gè)并行處理模塊對(duì)步驟3中一維基帶數(shù)據(jù)向量X (η)、及對(duì)應(yīng)的權(quán)重向量w (η) 和約束矩陣C分塊處理后得到的數(shù)據(jù)塊和綜合處理模塊返回的SDQ(η)和μ y(n)進(jìn)行塊級(jí) 處理； 第i個(gè)并行處理模塊的塊級(jí)處理為：
Wi (n+1) = Wi (n) +SDQ (η) μ y (η) Xi (η) Xi(n)和^(11)分別為一維基帶數(shù)據(jù)向量χ(η)和權(quán)重向量w(n)的第i個(gè)數(shù)據(jù)塊，Qjn) 和〇1 (η)為塊級(jí)處理中間結(jié)果，含義為等式右邊的計(jì)算結(jié)果，i = 1，2... M ;yi (η)為塊級(jí)數(shù) 字波束形成結(jié)果； 將Qi (n)、yi (n)、Di (η)和r (n+1)發(fā)送至綜合處理模塊； 步驟6、綜合處理模塊將Μ個(gè)并行處理模塊的塊級(jí)處理結(jié)果進(jìn)行如下處理：
μ y(n+l) = μ yH(n) SDQ(n+l) = S[l-D(n) + y y(n)Q(n)] 其中，Q(n)和D(n)為中間結(jié)果，含義為等式右邊的計(jì)算結(jié)果；μ為步長(zhǎng)因子； 將SDQ(n+l)和yy(n+l)分別發(fā)送給Μ個(gè)并行處理模塊；y(n)為自適應(yīng)數(shù)字波束形成的 輸出； 步驟7、當(dāng)期望波束指向不變時(shí)，令η = n+1，跳入步驟5 ;當(dāng)期望波束指向改變時(shí)，更新 (Up ν)，跳入步驟4 ; 通過上述步驟，得到連續(xù)的波束y (η)輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分塊并行的自適應(yīng)數(shù)字波束形成方法，其特征在于，步驟1所 述將接收到的二維基帶數(shù)據(jù)變換為一維基帶數(shù)據(jù)向量χ(η)具體為： 將隊(duì)ΧΝ。個(gè)單元天線構(gòu)成的二維矩形數(shù)字陣列天線接收到的二維基帶數(shù)據(jù)變換為一 維基帶數(shù)據(jù)向量
其中，xkl(η)為第η個(gè)采樣時(shí)刻二維矩形陣面上第k行第1列處單元天線接收到的基 帶數(shù)據(jù)，1彡k彡Nr，1彡1彡N。，Nr和N。均為正整數(shù)，η = 1，2···。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的分塊并行的自適應(yīng)數(shù)字波束形成方法，其特征在于，步驟2所 述確定一維基帶數(shù)據(jù)向量x(n)對(duì)應(yīng)的權(quán)重向量w(n)和約束矩陣C 具體為： 權(quán)重向量w (η)表示為：
其中，wkl(n)為xkl(n)對(duì)應(yīng)的權(quán)重系數(shù)； 期望信號(hào)的導(dǎo)向矢量定義為：
其中 aJuD 為 NrX 1 維向量，a^Vi)為 NCX 1 維向量叫=sin Θ p Vl = cos θ ρι?ηφρ θ i和牝?yàn)槠谕盘?hào)的來波方向的俯仰角和方位角，屯和d2分別為單元天線間的行列間 距，λ為波長(zhǎng)；adh, vj為（P^XN。）XI維向量；0為kronecker內(nèi)積，定義為：
其中，
歸一化后的導(dǎo)向矢量的計(jì)算公式為：
設(shè)期望的波束指向?yàn)椋║p Vl)，該波束指向的導(dǎo)向矢量作為約束矩陣，即
其中，1 < k < Nr，1 < 1 < Nc 叫=sin Θ p Vl = cos Θ lSin Φ 1; θ 1 和 φ 工為期望信號(hào) 的來波方向的俯仰角和方位角。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分塊并行的自適應(yīng)數(shù)字波束形成方法，其特征在于，步驟3所 述對(duì)一維基帶數(shù)據(jù)向量x(n)、及對(duì)應(yīng)的權(quán)重向量w(n)和約束矩陣C分別進(jìn)行分塊處理具體 為： 將一維基帶數(shù)據(jù)向量x(n)分塊為
其中Xi(n)為 N'l的向量，1彡i彡M，并且
Ν = ^ΧΝ。，％為每個(gè)子塊的維數(shù)，Μ為總的子塊 個(gè)數(shù)；權(quán)重向量w(n)和約束矩陣C分解成以下形式：
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的分塊并行的自適應(yīng)數(shù)字波束形成方法，其特征在于，步驟6中 步長(zhǎng)因子μ的取值范圍為
其中，= Ε (X (η) X (η)Η)，即X (η) X (η)Η的數(shù)學(xué)期望，tr (Rxx)為Rxx的矩陣跡。
6. -種基于權(quán)利要求1所述分塊并行的自適應(yīng)數(shù)字波束形成方法的實(shí)現(xiàn)裝置，其特征 在于，包括N個(gè)單元天線及對(duì)應(yīng)的通道接收機(jī)和模數(shù)轉(zhuǎn)換器、Μ個(gè)并行處理模塊和1個(gè)綜合 處理模塊；其中，Ν、Μ為正整數(shù)，且Ν > Μ ; Ν個(gè)單元天線接收到的信號(hào)分別通過通道接收機(jī)和模數(shù)變換后形成Ν個(gè)基帶數(shù)據(jù)通 道，Ν個(gè)基帶數(shù)據(jù)通道分成Μ組分別發(fā)送至Μ個(gè)并行處理模塊，Μ個(gè)并行處理模塊分別與綜 合處理模塊形成閉環(huán)回路，綜合處理模塊利用Μ個(gè)并行模塊的結(jié)果形成數(shù)字波束輸出，同 時(shí)計(jì)算出相應(yīng)的參數(shù)反饋給并行模塊用作下次計(jì)算。
【文檔編號(hào)】H03H21/00GK104218920SQ201410438291
【公開日】2014年12月17日 申請(qǐng)日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】盛衛(wèi)星, 馬曉峰, 黃飛, 張仁李, 韓玉兵, 張健 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)