[发明专利]高精度阵列天线接收系统角度估计的装置及其方法

说明书

技术领域

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及阵列信号处理领域中一种对阵列天线接收系统的信号到达角度估计的装置及其方法。本发明基于阵列天线接收系统运用信号功率最大化自适应迭代方法，实现高精度的阵列天线接收系统角度估计。

背景技术

随着通信技术的发展，为了提高系统容量，很多系统中已经用到了阵列天线，这就会涉及到阵列天线接收系统的角度估计，目前这方面已经有大量的理论研究和实验测试结果，研究成果表明，角度估计精度的高低决定了阵列天线接收系统性能的好坏，因此提高角度估计的精度是改善阵列天线接收系统性能的关键。

中兴通讯股份有限公司提出的专利申请“一种波达角估计方法”(申请号：200710165963.7，公开号：101431354A)中公开了一种基于共轭重排后的空间协方差矩阵进行谱估计的角度估计方法。该方法的特征是需要获得用户的信道冲击响应矩阵H，并且对该矩阵H或H对应的空间协方差矩阵R的复共轭矩阵R^*进行共轭重排，得到共轭重排的空间协方差矩阵R′，对R_m＝α×R′+β×R进行谱估计获得波达方向角度估计值。该方法可降低用户多径信号之间的相关性，可以改善系统中利用高分辨算法对期望用户多径信号的角度估计性能。但是，该方法的不足之处在于角度估计的精度不高，且由需要获得用户的信道冲击响应矩阵及后续的计算步骤可知计算复杂度高，稳定性差。

中兴通讯股份有限公司提出的专利申请“一种智能天线系统中计算到达方向的方法及装置”(申请号：200710117782.7，公开号：101330334A)中公开了一种智能天线系统中计算到达方向的方法，该方法实施步骤是：步骤1，自适应权值计算单元使用非到达方向参考算法计算出用户波束赋形权值；步骤2，到达方向估计单元采用空间搜索的方法计算出整个角度范围内的赋形方向幅度；步骤3，到达方向估计单元从所述赋形方向幅度中找出最大峰值点及其对应的角度。该方法能够直接根据波束赋形权值获取到达角度和多径到达角度，解决了非到达角度参考法的到达角度获取问题。该方法的不足之处是：在具体实施步骤中，当设定峰值检测门限值时，该门限值要根据要求检测的多径功率相对主径功率的差值获得，而此差值较难获得，所以该方法的可行性差，要求系统的信号的信噪比偏高，而且角度估计的精度会随着信号信噪比的下降而下降。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种高精度阵列天线接收系统角度估计的装置及其方法，可以精确地估计出阵列天线接收系统的到达角度。

本发明的思路是：在阵列天线接收系统中，设定特有的权值向量，该权值向量中的每个权值跟设定参数具有特定关系，根据该系统的接收信号及设定的权值向量计算出该系统的输出信号功率，使该功率最大搜索最佳的权值参数，再根据权值参数与到达角度的关系估计出信号的到达角度。

本发明的装置包括四个模块：阵列天线接收信号模块、射频模块、自适应权值设置模块、角度估计模块。其中，阵列天线接收信号模块，用于接收远场信号，阵列天线由M个阵元呈直线型等间距排列构成；射频模块，用于接收系统无线射频信号，该模块由各个阵元对应的射频天线构成；自适应权值设置模块，用于设置角度估计需要的权值；角度估计模块，用于估计接收信号的波达角度，该模块由计算单元、确定单元及搜索单元组成。

利用上述装置，本发明实现高精度阵列天线接收系统角度估计方法的具体步骤如下：

(1)接收信号

阵列天线接收信号模块中的各阵元分别接收远场信号。

(2)设置权值

在自适应权值设置模块中按照下式设置自适应权值向量：

w＝[w₁，w₂，…，w_M]^T＝[1，e^-jφ，…，e^-j(M-1)φ]^T

其中，w为自适应权值向量，w₁，w₂，…w_M分别为阵元1、阵元2、…、阵元M的权值，上标T表示向量的转置，e为自然常数，j为虚数单位，φ是给定的权值参数。

(3)计算输出功率

在角度估计模块的计算单元中按下式计算阵列天线接收系统的输出信号功率

P＝w^Hxx^Hw

其中，P为阵列天线输出信号功率，w为自适应权值向量，x为阵列天线接收信号向量，上标H表示矩阵的共轭转置。

(4)确定自适应迭代参量