自適應(yīng)波束形成開題報告.doc

哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海）畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題 目 幾種自適應(yīng)波束形成算法性能分析 專 業(yè) 電子信息工程 學(xué) 號 100250210 姓 名 付鵬成 指導(dǎo)教師 王軍 2014年 3月 24日哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（開題報告）1 課題來源及研究的目的和意義1.1 課題來源自適應(yīng)陣列天線的研究可以追溯到20 世紀(jì)60 年代, 其中最具代表性的工作包括Adams 提出的基于SNR 輸出的自適應(yīng)處理器以及Widrow 提出的寬帶和窄帶自適應(yīng)陣列結(jié)構(gòu)。自適應(yīng)波束形成通過不同的準(zhǔn)則來確定自適應(yīng)權(quán), 并利用不同的自適應(yīng)算法來實現(xiàn)。主要的準(zhǔn)則有:最小均方誤差( MSE) 準(zhǔn)則; 最大信噪比( SNR) 準(zhǔn)則;最大似然比( LH ) 準(zhǔn)則; 最小噪聲方差( NV ) 準(zhǔn)則等。Monzingo和Miler在他們的專著中闡述了理想情況下這4 種準(zhǔn)則是等價的。不管選擇什么樣的準(zhǔn)則, 都是要采用一定的算法調(diào)整陣波束方向圖, 從而實現(xiàn)自適應(yīng)控制。自適應(yīng)算法的分類有幾種, 按照算法的實現(xiàn)可以分為開環(huán)算法和閉環(huán)算法。早期主要注重于閉環(huán)算法的研究, 主要的閉環(huán)算法有最小均方( LMS ) 算法、差分最陡下降( DSD) 算法、加速梯度( AG) 算法以及它們的變形算法。閉環(huán)算法簡單、性能可靠, 不需數(shù)據(jù)存儲。但其主要缺點是收斂于最佳權(quán)的響應(yīng)時間取決于數(shù)據(jù)特征值分布, 在某些干擾分布情況下, 算法收斂速度較慢, 從而大大限制了它的應(yīng)用場合。因此, 近20年來, 人們把興趣更多集中在開環(huán)算法研究上。REED 等人最早提出了著名的開環(huán)算法: 直接求逆( DMI 或SMI) 法。DMI 法通過直接干擾方差矩陣的逆來求解Winner-Hopf 方程以獲得最優(yōu)權(quán)值, 然后作加權(quán)相消, 它的收斂速度和相消性能都比閉環(huán)算法好得多。隨著數(shù)字技術(shù)的迅速發(fā)展, 高速度芯片的產(chǎn)生為開環(huán)算法提供了更好的前提條件。近年來，自適應(yīng)波束形成算法在通信雷達、聲納、生物醫(yī)學(xué)工程等科技領(lǐng)域 中到了極為廣泛的應(yīng)用。在實際應(yīng)用中，如果信號源、天線陣列出現(xiàn)誤差，傳統(tǒng)的自適應(yīng)波束形成算法性能將會下降。但是對于穩(wěn)健的自適應(yīng)波束形成算法。環(huán)境及天線陣列的誤差和不確定性是必須要考慮的關(guān)鍵問題。這里對穩(wěn)健的自適應(yīng)波束形成算法的研究現(xiàn)狀與發(fā)展動態(tài)進行了較為詳細(xì)的評述。傳統(tǒng)的算法在設(shè)計波束形成器時，都是假定在其訓(xùn)練數(shù)據(jù)中不含有期望信號。這時的波束形成器對于陣列響應(yīng)誤差和有限次快拍數(shù)據(jù)的穩(wěn)健性非常好。但 是在許多情況下，干擾和噪聲信號的觀測數(shù)據(jù)不可避免地要被期望信號所污染。而即使在理想情況下，這時精確的知道期望信號的方向向量，在有限次快拍訓(xùn)練數(shù)據(jù)中含有的 響應(yīng)之間的不匹配。自適應(yīng)陣列信號處理對于這類誤差的反應(yīng)非常敏感。因為這時期望信號分量會被當(dāng)作干擾抑制掉。陣列校正誤差及觀測方向的偏差等現(xiàn)象在實際中經(jīng)常出現(xiàn)。 引起自適應(yīng)波束形成算法性能降低的原因除了陣列響應(yīng)誤差外，由于信道的不穩(wěn)定、干擾和天線的移動、天線的轉(zhuǎn)動等所造成的波束形成器訓(xùn)練數(shù)據(jù)的不穩(wěn)定性也是一個主要原因。首先即使在訓(xùn)練數(shù)據(jù)中不包含期望信號，這種不穩(wěn)定性也會限制自適應(yīng)波束形成算法的性能進而當(dāng)在訓(xùn)練數(shù)據(jù)中含有期望信號時，波束形成器性能會進一步嚴(yán)重降低；最后如果出現(xiàn)快速移動的干擾。波束形成器的性能將會崩虧。因為這時自適應(yīng)權(quán)向量的收斂速度跟不上干擾的變化，不能有效的對干擾形成零陷。1.2 研究的目的和意義自適應(yīng)波束形成算法核心是通過一些自適應(yīng)波束形成算法獲得天線陣列的最佳權(quán)重，并最終最后調(diào)整主瓣專注于所需信號的到達方向，以及抑制干擾信號，通過這些方式，天線可以有效接收所需信號。在實際應(yīng)用中，收斂性，復(fù)雜性和魯棒性的速度是在選擇自適應(yīng)波束形成算法時要考慮的主要因素。這次研究將聚焦于最小均方（LMS）算法和樣本矩陣求逆（SMI）的算法，分析它們的性能，并在Matlab 的幫助下將這兩個算法應(yīng)用于自適應(yīng)。2 國內(nèi)外在該方向的研究現(xiàn)狀及分析自適應(yīng)波束形成算法被廣泛用于天線陣列、通信、雷達系統(tǒng)以及生物醫(yī)學(xué)工程。有幾種自適應(yīng)波束形成算法，如最小平均平方算法、采樣矩陣求逆算法、恒模算法、遞歸最小二乘算法、共軛梯度法，等等。在實際應(yīng)用中，如果信號源、天線陣列出現(xiàn)誤差，傳統(tǒng)的自適應(yīng)波束形成算法性能將會下降。但是對于穩(wěn)健的自適應(yīng)波束形成算法環(huán)境及天線陣列的誤差和不確定性是必須要考慮的關(guān)鍵問題。如今穩(wěn)健的自適應(yīng)波束形成算法成為實際應(yīng)用中的主流。3 主要研究內(nèi)容及研究方案3.1.1 波束成形波束成形，源于自適應(yīng)天線的一個概念。接收端的信號處理，可以通過對多天線陣元接收到的各路信號進行加權(quán)合成，形成所需的理想信號。從天線方向圖(pattern)視角來看，這樣做相當(dāng)于形成了規(guī)定指向上的波束。 例如，將原來全方位的接收方向圖轉(zhuǎn)換成了有零點、有最大指向的波瓣方向圖。同樣原理也適用用于發(fā)射端。對天線陣元饋電進行幅度和相位調(diào)整，可形成所需形狀的方向圖。波束成形技術(shù)屬于陣列信號處理的主要問題：使陣列方向圖的主瓣指向所需的方向。在陣列信號處理的范疇內(nèi)，波束形成就是從傳感器陣列重構(gòu)源信號。雖然陣列天線的方向圖是全方向的，但陣列的輸出經(jīng)過加權(quán)求和后，卻可以被調(diào)整到陣列接收的方向增益聚集在一個方向上，相當(dāng)于形成了一個“波束”。波束形成技術(shù)的基本思想是：通過將各陣元輸出進行加權(quán)求和，在一時間內(nèi)將天線陣列波束“導(dǎo)向”到一個方向上，對期望信號得到最大輸出功率的導(dǎo)向位置即給出波達方向估計。“導(dǎo)向”作用是通過調(diào)整加權(quán)系數(shù)完成的。對于不同的權(quán)向量，上式對來自不同方向的電波便有不同的響應(yīng)，從而形成不同方向的空間波束。波束成形的工作過程是怎樣的？以熱點為例，基站給客戶端周期性發(fā)送聲信號，客戶端將信道信息反饋給基站，于是基站可根據(jù)信道狀態(tài)發(fā)送導(dǎo)向數(shù)據(jù)包給客戶端。高速的數(shù)據(jù)計算處理，給出了復(fù)形的指示，客戶端方向上的增益得以加強，方向圖隨之整型，相應(yīng)方向的傳輸距離也有所增加。AP如果用4組發(fā)射天線4x4三組空間流，便能在多天線得到的增益基礎(chǔ)上，獲取較大的空間分集增益。3.1.2 自適應(yīng)波束形成算法常用的自適應(yīng)波束成形算法有以下幾種：取樣協(xié)方差矩陣的直接求逆DMI算法，LMS最小均方算法、RLS遞推最小二乘算法(基于參考信號的自適應(yīng)波束形成的算法)SCB標(biāo)準(zhǔn)CAPON波束形成算法（基于波達角估計的自適應(yīng)波束形成的算法）Buss gang自適應(yīng)均衡算法1. 最小均方算法（LMS）算法思想是主要在增加很少運算量的情況下能夠加速其收斂速度，這樣在自適應(yīng)均衡的時候就可以很快的跟蹤到信道的參數(shù)，減少了訓(xùn)練序列的發(fā)送時間，從而提高了信道的利用率。2. RLS算法3. DMI算法DMI 算法又稱SMI(采樣矩陣求逆) 算法。DMI 算法比LMS 算法收斂速度要快得多, 但是DMI 算法需要矩陣求逆運算, 運算量大, 硬件實現(xiàn)復(fù)雜, 這使它的實際應(yīng)用受到限制。圖1.三種算法比較3.2 研究方案3.2.1 建立信號模型、陣列模型智能天線的陣元排列方式有直線型、圓環(huán)型、平面型等幾種類型, 其中等間距線天線陣最為常見, 下面的討論基于等間距線天線陣, 如圖1 所示。首先建立智能天線的信號模型2, 7。設(shè)等間距線天線陣的陣元個數(shù)為L , 陣元間距d , 以第1個陣元作為參考陣元, 信號s( t) 的入射方向與天線陣法線方向的夾角為H。s( t )到達第i個陣元與到達參考陣元的時間差為 ( 1)其中c 為光速。信號s( t ) 在參考陣元上的感應(yīng)信號圖2 窄帶波束形成器結(jié)構(gòu)Fig12 The structure of narrow2band beamformer通?？捎脧?fù)數(shù)形式表示為 ( 2)信號s( t) 在第I 個陣元上的感應(yīng)信號可表示為= ( 3)這里K為載波波長。把信號s( t) 在天線陣上感應(yīng)的信號用向量表示為 ( 4)其中A( H) 稱為引導(dǎo)向量?？紤]噪聲, x( t ) 可表示為x( t ) = A( H) x1( t) + n ( t) ( 5)窄帶傳輸條件下采用窄帶波束形成器, 如圖2。根據(jù)不同的準(zhǔn)則 選取加權(quán)向量w, 可使某個方向上的信號得到最佳合并,而其他方向上的干擾和信號則被抑制。將窄帶波束形成器同時域FIR 濾波器進行比較后可以發(fā)現(xiàn), 兩者結(jié)構(gòu)類似, 而且兩者的參數(shù)還存在一定的對應(yīng)關(guān)系, 時域FIR 濾波器在時域?qū)π盘栠M行處理, 而窄帶波束形成器在空域?qū)π盘栠M行處理, 所以窄帶波束形成器通常又可稱為空域濾波器。和窄帶波束形成器不同, 寬帶波束形成器中每個陣元接收到的信號都要用一個FIR 濾波器進行處 。理, 由于信號中不同的頻率分量通過天線陣產(chǎn)生的相移不同, 采用這樣的結(jié)構(gòu)能對相移差進行補償, 因而這種處理器具有頻率選擇性。由此可見,寬帶波束形成器同時在空域和時域?qū)邮盏降男盘栠M行處理, 這種處理方式稱為空時陣列處理。3.2.2 仿真性能分析在MATLAB軟件中，通過編程構(gòu)造信號模型和矩陣模型，根據(jù)約束條件，實現(xiàn)自適應(yīng)波束形成算法，分別考察算法性能與信噪比，采樣率，觀測時間等參數(shù)的關(guān)系，最后對各種算法處理后的結(jié)果進行比較，分析算法的優(yōu)缺點和特點。4 進度安排及預(yù)期達到的目標(biāo)4.1進度安排2014.03.032014.03.31熟悉課題，并查閱相關(guān)資料，掌握自適應(yīng)波束形成算法的相關(guān)原理。2014.04.012014.04.15制定出課題的詳細(xì)方案。2014.04.162014.05.01進入課題實施階段，完成一種算法的仿真2014.05.022014.05.20完成全部算法的仿真2014.05.202014.05.30進行算法的比較分析2014.05.312014.06.15撰寫本科畢業(yè)設(shè)計論文2014.06.162014.06.21修改本科畢業(yè)設(shè)計論文2014.06.222014.06.28準(zhǔn)備和參加本科畢業(yè)設(shè)計答辯4.2預(yù)期達到的目標(biāo)掌握自適應(yīng)波束形成算法的原理，并在此基礎(chǔ)上掌握自適應(yīng)波束形成算法的分析方法，并能夠?qū)ζ浣?jīng)典最小均方（LMS）算法和樣本矩陣求逆（SMI）的算法進行性能比較和分析。5 預(yù)計研究過程中可能遇到的困難和問題以及解決措施自適應(yīng)波束形成算法仿真可能會比較復(fù)雜，應(yīng)該先查閱matlab相關(guān)書籍再進行仿真。6 主要參考文獻1 張賢達.現(xiàn)代信號處理.清華大學(xué)出版社2 丁鷺飛，陳建春.雷達原理.電子工業(yè)出版社3 韓英臣, 趙興錄, 趙國慶. 自適應(yīng)波束形成技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀研究. 航天電子對抗,第25卷第2期.4 周露，穩(wěn)健的自適應(yīng)波束形成算法研究. 碩士學(xué)位論文. 電子科技大學(xué)5 邱冬冬，金華松，孫永江. 自適應(yīng)波束形成算法的研究. 電子設(shè)計工程，第21 卷，第1期.6 Taylor JWR. 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