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1、MUSICMUSIC课件课件- -深圳大学深圳大学目 录阵列信号处理简介常规DOA估计法MUSIC DOA估计法空间平滑MUSIC方法DOA估计的应用 什么是阵列信号处理什么是阵列信号处理阵列信号处理：将一组传感器在空间的不同位置按一定的规则布置形成的传感器阵列，用传感器阵列发射能量和接收空间信号，获得信号源的观测数据并加以处理。1.1.阵列信号处理简介阵列信号处理简介（array signal processing)阵列信号处理的最重要应用包括阵列信号处理的最重要应用包括：信（号）源定位确定阵列到信源的仰角和方位角，甚至距离（若信源位于近场）。 信源分离确定各个信源发射的信号波形。各个信源从
2、不同方向到达阵列，这一事实使得这些信号波形得以分离，即使它们在时域和频域是叠加的。 信道估计确定信源与阵列之间的传输信道的参数（多径参数）。阵列信号的获取定义： 传感器能感应空间传播信号并且能以某种形式传输的功能装置。 传感器阵列(sensors array) 由一组传感器分布于空间不同的位置构成。由于空间传播波携带信号是空间位置时间的四维函数，所以：传播波的接收空间采集时间采集：所有传感器同步采样连续连续：面天线离散：传感器阵列阵列信号处理的主要问题包括： 波束形成技术-使阵列方向图的主瓣指向所需的方向； 零点形成技术-使天线的零点对准干扰方向； 空间谱估计对空间信号波达方向的分布进行超分辨
3、估计。l超分辨在传感器阵列的物理孔径一定的条件下，通过信号处理，获得比常规的波束形成器处理方法高得多的空间分辨率。波达方向估计 多天线阵列信号处理 （多传感器） 估计信源到达方向（DOA） 分类： 常规 波束形成法 现代 超分辨：突破瑞利限 MUSIC,ESPRIT,SVD,WSF等 若干扰信号与所需信号的入射角度之差小于波束宽度时，虽然可以使干扰信号处于零点位置，但主瓣指向已偏离了所需信号的DOA，引起角度估计误差增大，这就是瑞利限(Rayleigh Limitation)。DOA估计的应用：雷达无源定位，反多径效应声纳阵列测向电子或通信干扰侦察地震和地质资源探测移动通信医学领域实际系统利用
4、天线阵列实现DOA估计的方法分为以下几类:(1)波束形成法：就是对天线波束最大增益的方向(主瓣)进行机械扫描，测量其功率，来估计DOA。但这种方法在速度和精度上都满足不了实际需要。(2)线性预测法：利用天线的零点来抑制干扰信号，然后在此基础上再进行多源信号的DOA估计。利用这种方法，角度估计精度提高了许多，但是提高的程度与阵列波束宽度和干扰信号入射有关。而天线的波束宽度与阵列的线长有关。要区分靠的比较近的所需信号与干扰信号，势必要加大天线的机械尺寸(孔径)。(3)子空间法：为了使谱估计突破瑞利限的约束，提高角度分辨力，空间谱分析也采用了一些类似时域谱估计中的非线性处理，从而产生了一些算法，如M
5、USIC算法、ESPRIT算法、最小内积法(MN)、投影矩阵法和矩阵分解法等。这些方法都巧妙地运用了接收信号的协方差矩阵的特征结构。尤其是MUSIC算法，估计精度高，是最为经典的算法。(4)参数法：与通常的谱函数方法相比，有计算量小的优点，但不一定能给出精确估计，特别是对由多径而产生的相关性强的信号。充分利用数据模型的参数法在估计这些相关信号时有它独特的优势，但是由于要进行多源搜索，所以计算量要增加。常规DOA估计法 波束形成法天线（传感器）阵列结构和模型天线阵：线阵，圆阵，任意阵通道：放大，相检，A/D变换。处理：数字信号处理单元常规DOA估计法 波束形成法天线（传感器）阵列结构和模型常规D
6、OA估计法 波束形成法信源为远场、窄带信号。信源个数d小于阵源数m, d 恢复Rs满秩性。平滑MUSIC方法平滑MUSIC方法（续）（续）平滑MUSIC方法（续）（续）平滑MUSIC方法（续）（续）求均值：求均值：第第K个子阵输出为个子阵输出为：平滑MUSIC方（续）（续）*单向空间平滑MUSIC方法双向空间平滑MUSIC方法MUSIC算法仿真分析在不同相关程度下在不同相关程度下MUSIC的估计性能的估计性能4（续）（续） 图图2.3 在不同相关程度下在不同相关程度下MUSIC的估计性能的估计性能 (b)4（续）（续） 图图2.3 在不同相关程度下在不同相关程度下MUSIC的估计性能的估计性能
7、 (c)4（续）（续） 图图2.4 相同孔径下相同孔径下,MUSIC、单向平滑、双向平滑的分辨性能、单向平滑、双向平滑的分辨性能4（续）（续） 图图2.5 MUSIC、单向平滑、双向平滑方法对强相关信源的估计性能、单向平滑、双向平滑方法对强相关信源的估计性能4（续）（续） 图图2.5 MUSIC、单向平滑、双向平滑方法对强相关信源的估计性能、单向平滑、双向平滑方法对强相关信源的估计性能美国FCC E-911计划目的：应急服务情景服务交通调度重点目标监控盗打电话者定位方法：阵列DOA估计交叉定位适用：第三代移动通信 应用应用蜂窝通信中手机用户自动定位蜂窝通信中手机用户自动定位（续）（续） 多径效应多径效应解决思路:分布式信源中心DOA估计法（续）（续） 非直达波非直达波解决思路: 匹配场建模法 多站信息补助应用应用无源定位系统无源定位系统 Thanks！结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！57
