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阵列信号分析及 matlab 实践1
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1.1 常规波束形成6 1.2 波束形成常用五个准则 7 1.2.1 最小均方差(MMSE)7 1.2.2 最大信噪比 8 1.2.3 线性约束最小方差 9 1
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阵列信号分析及 matlab 实践
北京研创达科技有限公司
熊春生 曹冲
联系方式:010-62106263
注 1:本公司承接阵列信号测试的软硬件平台设计。
注 2:本书参照电子工业出版社张小飞的《阵列信号处理及
MATLAB 实现》。
目录
一 波束形成 MATLAB 仿真
...............................................................................................................
6
1.1 常规波束形成
......................................................................................................................
6
1.2 波束形成常用五个准则
.....................................................................................................
7
1.2.1 最小均方差(MMSE)
............................................................................................
7
1.2.2 最大信噪比
..............................................................................................................
8
1.2.3 线性约束最小方差
..................................................................................................
9
1.2.4 最大信干噪比
........................................................................................................
10
1.2.5 最大似然比
............................................................................................................
11
1.3 自适应波束形成算法
.......................................................................................................
12
1.3.1 自适应最小均方(LMS)算法
.............................................................................
12
1.3.2 递归最小二乘(RLS)算法
........................................................................................
13
1.4 盲自适应波束形成算法
...................................................................................................
14
1.4.1 面向判决算法(DD-CMA)
..................................................................................
14
1.4.2 最小二乘恒模算法(LS-CMA)
...........................................................................
16
1.4.3 递归最小二乘恒模算法(RLS-CMA)
.................................................................
17
二 DOA 估计 MATLAB 仿真
.............................................................................................................
19
2.1 Capon 算法
.........................................................................................................................
19
2.1.1 常规 Capon 算法
....................................................................................................
19
2.1.2 改进的 Capon 算法
................................................................................................
20
2.2 MUSIC 算法
.........................................................................................................................
21
2.2.1 常规 MUSIC 算法
...................................................................................................
21
2.2.2 MUSIC 算法的推广形式
.........................................................................................
22
2.2.3 似然函数 MUSIC 算法
...........................................................................................
23
2.2.4 求根 MUSIC 算法
...................................................................................................
24
2.2.5 MUSIC 算法的 VC 实现
...........................................................................................
25
2.3 最大似然法
........................................................................................................................
26
2.3.1 确定性最大似然法
................................................................................................
26
2.3.2 随机性最大似然法
................................................................................................
27
2.4 基于特征空间的 DOA 估计
..............................................................................................
27
2.4.1 改进的 MUSIC 算法(IMUSIC)
...........................................................................
27
2.4.2 基于特征空间的 DOA 估计(ES-DOA)
..............................................................
28
2.4.3 特征空间 DOA 估计 VC 实现
................................................................................
29
2.5 子空间拟合算法
...............................................................................................................
30
2.5.1 信号子空间拟合(SSF)
.......................................................................................
30
2.5.2 最优权的加权子空间拟合算法(WSF)
.............................................................
31
2.5.3 噪声子空间拟合(NSF)
......................................................................................
32
2.5.4 最优权的加权噪声子空间(WNF)算法
............................................................
33
2.6 ESPRIT 算法
.........................................................................................................................
34
2.6.1 ESPRIT 算法基本模型
.............................................................................................
35
2.6.2 LS-ESPRIT 算法
.........................................................................................................
35
2.6.3 TLS-ESPRIT 算法
.......................................................................................................
35
2.6.4 ESPRIT 算法的 VC 实现
...........................................................................................
36
2.7 基于四阶累积量的 DOA 估计
..........................................................................................
37
2.7.1 MUSIC-like 算法
.......................................................................................................
38
2.8 传播算子 PM
.....................................................................................................................
39
2.8.1 谱峰搜索(PM)算法
...........................................................................................
39
2.8.2 正交化谱峰搜索(OPM)算法
............................................................................
40
2.8.3 旋转不变 PM 算法
.................................................................................................
41
2.9 基于广义 ESPRIT 算法 DOA 估计
.....................................................................................
41
2.9.1 频谱搜索广义 ESPRIT 算法
...................................................................................
42
2.9.2 无须搜索的广义 ESPRIT 算法
...............................................................................
43
2.10 基于压缩感知 DOA 估计
................................................................................................
44
2.11 相干信源 DOA 估计
........................................................................................................
44
2.11.1 空间平滑算法
.......................................................................................................
45
2.11.2 ESPRIT-like 算法
.....................................................................................................
47
三 信源数估计算法
.........................................................................................................................
48
3.1 特征值分解方法
...............................................................................................................
48
3.2 信息论方法
........................................................................................................................
49
四 二维 DOA 估计
...........................................................................................................................
51
4.1 L 型阵列中基于改进 ESPRIT 的二维 DOA 估计算法
.......................................................
51
4.1.1 ESPRIT 估计算法
......................................................................................................
53
4.1.2 改进 ESPRIT 估计算法
...........................................................................................
55
4.1.3 ESPRIT 算法的 VC 实现
.......................................................................................
57
4.2 L 型阵列中基于 PM 的二维 DOA 估计算法
.....................................................................
57
4.3 L 型阵列中基于 MUSIC 的二维 DOA 估计算法
...............................................................
59
4.3.1 L 型阵列 MUSIC 估计算法
......................................................................................
59
4.3.2 L 型阵列 MUSIC 算法的 VC 实现
...........................................................................
60
4.4 面阵中 2D-DOA 估计算法
................................................................................................
62
4.4.1 二维 MUSIC 算法
...................................................................................................
63
4.4.2 二维 MUSIC 算法的 VC 实现
.................................................................................
64
4.4.3 二维 Capon 算法
....................................................................................................
65
4.4.4 二维 ESPRIT 算法
...................................................................................................
66
4.4.5 二维 ESPRIT 算法的 VC 实现
.................................................................................
68
4.4.6 二维 Unitary-ESPRIT 算法
......................................................................................
68
4.4.7 二维 Unitary-ESPRIT 算法的 VC 实现
...................................................................
70
4.5 均匀矩形阵中降维 MUSIC 的 2D-DOA 估计方法
...........................................................
70
五 传声器阵列硬件搭建
.................................................................................................................
71
5.1 传声器设计
.......................................................................................................................
72
5.1.1 传声器选型原则分析
..........................................................................................
72
5.1.2 传声器选型及性能检测
......................................................................................
73
5.2 传声器阵列设计
...............................................................................................................
75
5.3 64 通道同步数据采集卡硬件设计
.................................................................................
77
5.3.1 A/D 采集模块设计
...............................................................................................
77
5.3.2 主控制器模块设计
..............................................................................................
78
5.3.3 数据输出模块设计
..............................................................................................
80
5.3.4 ZYNQ-64CH 硬件检测
...........................................................................................
81
5.3.5 ZYNQ-64CH 性能检测
...........................................................................................
82
阵列信号处理 MATLAB 仿真
为了实现代码可读性高,调用方便,重写性强的特性,建立可重复应用于不
同算法的信号生成模型如下:
clear all;close all;clc
%%%%%%%%%%%%参数设置%%%%%%%%%%%%
s.M = 16; %阵元数
s.lamda = 1; %设置波长
s.d = 1/2*s.lamda; %取1/2波长为阵元距
s.SNR = 10; %信噪比
s.INR = 10; %干燥比
s.Noise = 1; %高斯噪声方差
s.SigDOA = [30 45]; %信号
s.IntDOA = [0 50 70]; %干扰
s.Theta = -90:1:90; %扫描范围
s.L = 200; %快拍数/采样数
s.fc = 100; %信号频率
s.fs=10000; %采样频率
%%%%%%%%%%生成信号%%%%%%%%%%%%
s.SigNum = length(s.SigDOA); %信号数
s.IntNum = length(s.IntDOA); %干扰数
s.ds = exp(1j*2*pi*(0:s.SigNum-1)'*s.fc/s.fs*(0:s.L-1)); %信号´
s.di = randn(s.IntNum,s.L)+1j*randn(s.IntNum,s.L); %干扰
s.As = exp(-1j*2*pi*s.d/s.lamda*(0:s.M-1)'*sin(s.SigDOA*pi/180)); %信号方向矢量
s.Ai = exp(-1j*2*pi*s.d/s.lamda*(0:s.M-1)'*sin(s.IntDOA*pi/180)); %干扰方向矢量
s.Xs = sqrt(10^(s.SNR/10))*s.As*s.ds; %构造信号
s.Xi = sqrt(10^(s.INR/10))*s.Ai*s.di; %构造干扰
s.Nos = (randn(s.M,s.L)+1j*randn(s.M,s.L))/sqrt(2); %构造噪声
s.Y = s.Xs+s.Xi+s.Nos; %合成阵列接收信号
在构造信号时,考虑到工程应用中采样频率、信号频率和快拍的问题,将三者融
合到所构造的信号中,方便工程应用。不同算法应用到的信号模型不同,例如,
常规波束形成是对不含干扰的信号进行波束形成,构造接收数据就是构造信号加
上噪声;最小均方差要求协方差中不含期望信号,构造接收数据就是构造干扰加
上噪声。所以此处将信号、干扰和噪声分开构造,方便调用组合。
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