智能天线的MUSIC算法研究

智能天线的MUSIC算法研究 2012-07-19###############2012-07-19#######2#012-07-19########智能天线的MUSIC算法研究 21 邢超 高志坚 河南工业大学信息科学与工程学院中国铁通开封分公司河南 郑州河南 开封( 1. 45000 4; 2. 47500 0) 要智能天线系统是具有自适应信号处理能力的天线阵列利用数字信号处理技术对多个不同的用户产生多个空间波束每个波束 摘 【, , 】 各自自动地对准不同用户的来波方向把零陷方向对准干扰方向从而消除多址干扰提高移动通信系统的性能智能天线应用的一个关键问 , , , 。 算法是 估计的一种即波达方向估计问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 是利用输入协方差矩阵的特征结构具有高, ( DO A) , MUSIC DO A , , 题是对用户的入射角度进行估计分辩能力的多重信号分类技术通过对 算法的仿真验证了 算法具有稳定高分辨高精度和计算量较小的优点, 。、、。MUSIC MUSIC 【关键词】智能天线; 波达方向估计; 算法 MUSIC M- 1 M- 1 引言1. 引入加权因子 阵列总的输出信号为 w, z( t) =wx( t) =x( t) m ""m 目前基站普遍使用的是全向天线或方向固定的扇形天线由于无 , m = 0 m = 0 - jβm?xcosθ 当它们向用户发射信号时只有很小部 , , 法确定移动用户的具体位置( t) f( θ) =xw e m 发射功率的绝大部分被浪费更严重的是 , , 分的信号被移动用户截获式中阵列天线的阵元方向图函数称为阵因子通常情况下, f( θ) , , 导致系统 , 这些浪费的信号以干扰的形式对其它用户的信号产生影响是已知且弱变化所以阵列总的方向图函数一般用阵因子近似研究 , , 容量和信干比的下降。 阵因子的特点便能获得阵列天线的所有辐射特性。 第三代移动通信系统采用能够根据当前信道情况自适应变化的M- 1 jβmcosθ- jβm?x( cosθ- cosθ) 天线即智能天线它是将阵列天线与先进的信号处理技术相结合形 00, , , 若 , 则阵因子 ( ) w=e fθ=e" m既减小发射功率又可以减小对其他用 , , 成同时具有空时处理的能力、m = 0 户的干扰无形中提高了频谱的使用率增加系统容量智能天线是一 , , 。 其归一化方向图函数为涉及到天线技术无线电传播技术信号检测与 , 、、门综合性很强的学科 Mβ?x ( )M- 1 cosθ- cosθ智能天线的使用将会推动无线 , 估计技术数字信号处理技术等学科sin 、0 # $ - jβm?x( cosθ- cosθ) 02 1 F( θ) = 通信领域的发展= 。e " β?x M m = 0 ( cosθ- cosθ) Msin 0 %& 智能天线的基本原理 2.2 智能天线的结构 2.1 由上式可知调节加权因子的相位可以控制波束的指向若幅度 , , 智能天线系统场主要应用于无线通信系统的基站主要由三个部 和相位同时加权还可获得方向图零点指向干扰方向从而实现增大 , , , 分构成天线阵列数字信号处理单元自适应算法单元: 抑制干扰的功能、、。, 。 有用信号方向增益天线阵列由多个空间分隔的天线阵元组成每个天线的输出通过 , 算法及其仿真 3.MUS IC 接收端的多输入接收机合并在一起天线阵列是空间到达角度或者说 。估计算法 3.1 DOA 接收机可以在这个角度的范围内对接收的信号进, 是扩展角度的函数智能天线应用的一个关键问题是对用户入射角度进行估计即波 , 行检测处理可动态地调整一些接收机制来提高接收性能天线阵列 , 。达方向估计问题智能天线系统是利用共享同一( Direction Of Arrival) 。连接在合并网络上阵元的排列方式较多, , , 一般使用低增益天线阵元信道的不同用户之间的空间特征差异来实现信道倍增使用同一信 , 但大都采用规则的几何结构等间隔均匀线阵均匀圆环阵三维格型 : 、、道同一时隙或同一码字的用户只要信号的空间特征不同就可以通过 、例如直线阵对与轴成对称的 , 阵等单一的天线阵可能存在某些问题。作为反映用户DOA 空域滤波实现用户信号的分离因此各个用户的 。信号分不清存在模糊度的问题实际运用中一般都采用不同的组合, , 空间特征的重要参量在智能天线技术中有着重要的作用只有先进行 , 精确的 估计即先获得各个用户的入射角度用户的空间特征 DOA , ( ) , 形式。才有可能通过自适应的波束形成技术来实现空间滤波发挥智能天线 , 数字信号处理单元与自适应算法单元通过对来波信号的接收和 检测自适应调节加权系数的值使天线阵的主瓣指向期望信号零陷 的优势, , 。算法3.2 MUSIC 对准干扰和噪声这三部分结合在一起就构成了智能天线系统。。智能天线的基本原理2.2 算 法 是 估 计 中 的 一 种 MUSIC( Multiple Signal Classification) DOA 智能天线的阵元排列方式有直线型圆环型平面型等类型其中 , 、、高分辨算法是利用输入协方差矩阵的特征结构的一种具有高分辨能, 以等间距直线型和圆环阵最常用这里以等间距直线阵为例说明智能 力的多重信号分类技术是一种信号参数估计算法给出的信 。MUSIC , 。设等间距直线阵的阵元, 天线的原理首先建立智能天线的信号模型息包括入射信号的数目各个信号的波达方向强度以及入射信号和。、、个数为 , 沿 轴排列, 阵元间距为 , 如下图 所示。 噪声的互相关等算法具有很高的分辨能力但需要精确的阵 Mx Δx2.1 。MUSIC , 列校准算法已经实现性能也得到了实验验证, MUSIC , 。 以均匀线性阵列为例推导 算法, 阵列结构如图 所示。 MUSIC 3.1 图 阵元等间距线性阵2.1 M 每个阵元接收的信号经负数 加权后合并输出以第一个阵元w, m 为参考阵元坐标原点处则信号 到达第 个阵元与到达参考阵( ) , S(t)m 图 信号入射角度为 的均匀线性阵元及坐标原点的相位差为 3.1 θ ( ) 式中, , 为信号波长。 ?ψ=βm?xcosθβ=2π/λλm设有 个信号入射到阵列上元阵列接收到的输入数据向则 K , N 令信号 在参考阵元上的响应信号为 则对于窄带信号 S(t)x(t),S(t)K- 1 - j?ψ- jβm?xcosθ m在第 个阵元上的响应信号可 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示为 m x( t) =x( t) e =x( t) e 量可以表示为 个入射波形与噪声的线性组合即 ( ) ( ) K , u t=aθsm " kkk = 0 2012-07-19###############2012-07-19#######2#012-07-19########( t) +n( t) 定义的 谱的峰值谱中 个最大峰值对应于入射到阵s( t)MUSIC 。MUSIC K 0 列上信号的波达方向。u( t) =[ a( θ) a( θ) ] +n( t) =As( t) +n( t) ( 3.1) 0k- 1!" 波达方向 一旦从 谱中确定就可以利用下面的关系式θMUSIC , K s( t) k- 1 H- 1HHT 确定信号的协方差矩阵 R=( AA) A( R- λI) A( AA) - 1 ssuumin是入射信号向量式中s( t) =[ s( t) s( t) ] ; n( t) =[ n ( t) n, 0 k- 1 0 k- 1 2 利用上式 可得到各 个 输 入 信 号 的 功 率 和 它 们 的 互 相 关 矩 阵 , ,T 是噪声向量各分量是相互独立均值为零方差为 的平稳高( t) ] , σ 、、n 算法总结如下 MUSIC : 斯过程个信号波达方向的阵列方向向量为简单 是对应于第 ; a( θ) k 。k收集输入样本 估计输入协方差矩阵即 1) u , p=0, , P- 1, , R = ( p uu 起见以下省略 和 中的时间变量, u、s n 。p- 1 H 1 利用几何描述和方向向量 维空可以把接收向量 看作 , ( ) u aθN uuk *pp p p = 0 间的向量由式是阵列方向向量的某个组合可知系数为 ( 3.1) , u , s。 0 进 行 特 征 分 解有 式 中 对 ( 2) , , , , R, RV=V?, ?=diag{λλ uu uu0 1对于上面的数据模型输入协方差矩阵 可以( t) , s( t) , , s( t) 。, Ruu 1 k- 1 相应的特征向量组是 为特征值q] R , }, λ? ?, V=[ q, λλN-1 uu N-1 N- 1 0HHHH表示为 {}{}{} R=Euu=AEssA+Ennuu 成的矩阵。2 HH或 是信号相关矩阵式中R=ARA+σI, , R=E{ss} 。uussssn 利用最小特征值 的重数 估计信号数 为( 3) λ M K K=N- M min H 的特征值为R- λI使得 {, }, =0 Rλ, λ ss uu i 0 N- 1 a ( θ) a( θ) 式中 谱即 计算 , , Vn=[ q, ( 4) MUSIC , P( θ) = KMUSIC2 2 H H HH利用上式, 把它改写为 =0 = ARA+σI- λI ARA- ( λ- σ) I a ( θ) V V a( θ) ssssn i i n n n 2 H q, , q] 。 K+1N-1 因此 的特征值 为 ARAvv=λ- σ ( 3.2) ssi ii n 个最大峰值得到波达方向的估计找出 的 ( 5) P( θ) K , 。MUSIC因为 是由线性独立的方向向量构成的所以列是满秩的如果A , ; 算法的仿真4.2.2 MUSIC 入射信号不是高度相关的那么信号相关矩阵 也是非奇异的列满 , R。ss 使用 程序采用 阵元的均匀直线阵列信号载波频MATLAB6.0 , 7 , 秩的 和非奇异的 可以保证在入射信号数 小 于 阵 元 数 时 A RK M , ss 率为 高斯随机噪声存在的情况下实现多个信号入射的情1.9GHz, , H 矩阵 是半正定的且秩为 N×N ARA, K。 ss况若 个信号同时从不同方向入射方位角分别为。4 , : 45?、60?、30?、 H 由线性代数的知识, 这意味着在 的特征值 中, 有 个 ARAvN- K ssi 。135?2 为零由式的特征值中有 个等于方差 然后寻可知。( 3.2) , RN- K σ。uu n 找 的特征值使 是最大特征值是最小特征值因此有 R, λ, , λλ uu N-1 K0 2 λ=σN-1 n 但在实际中是用有限个数据样本来估计自相关矩阵 的所有R, uu 对应于噪声功率的特征值并不相同而是有一组差别不大的值随着 , 。用以估计 的样本数的增加表征它们离散程度的方差逐渐减小它 R, , uu 一旦确定利用 M , 们将会转变为一组很接近的值最小特征值的重数 。 的关系就可以确定信号的估计个数所以信号的估计个数 N=K+M , K 。 由下式给出 K=N- M 关于特征值 的特征向量为 , 满足于( ) λqR- λIq=0i iuuii对于与 个最小特征值相关的特征向量, 有 N- K 2 2 2 H H 即 ( R- σI) q=ARA q+σIq- σIq=0, ARA q=0uuiuuiiissi n n n H # & ’ $& #a ( θ) q 0i $0 ’ $’图 个信号入射时波达方向估计的极坐标图3.2 4 $ ’ H$ ’ ’ $$’ a ( θ) q$1i ’H $’因为 满秩非奇异故有 或 A , R, Aq=0, $ = ’uu i $ ’ $’ 0 $ ’$ ’ $’ $ ’$ ’ H 0 % ($’a ( θ) qi K- 1 %(这表明与 个最小特征值相关的特征向量的 个和构成 N- K , A K 方向向量正交即, {a( θ) a( θ) }?{q, , q} 0K- 1KN- 12 这是 算法的基本结果通过寻找在与 中近似等于 MUSIC Rσ。uu n 的那些特征值所对应的特征向量中最近正交方向的向量可以估计与, 接收信号相关的方向向量。 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 表明协方差矩阵的特征向量属于两个正交子空间之一称 , , 和非主特征子空间信号子空间噪声子空间对应 ( ) ( ) 。为主特征子空间因而与噪声子空间正交通过在所 , 。于波达方向向量位于信号子空间 有可能的阵列方向向量中搜寻那些与非主特征向量张成的空间相垂 个信号入射时 估计的坐标图图 直的向量就可以确定 3.3 4 DOA , DOA, θ。 K 为寻找噪声子空间, 构造一个包含噪声特征向量的矩阵 [ ,V=q Kn 结论4. q, , q]K+1N- 1 智能天线系统应用的一个关键问题是对波达方向 进行估 ( DOA) 因为相应于信号分量的方向向量与噪声子空间特征向量正交即 , 计只有先进行精确的 估计才有可能通过自适应的波束形成技 , DOA , 发挥智能天线的优势算法是 估计中 , 。MUSIC DOA 术来实现空间滤波H H 它利用接收数据的协方差矩阵分离出信号子空间和, 子空间法的一种对于在 为多个分量的 时于是多个入射信θDOA , a ( θ) VVa( θ) =0。 n n 噪声子空间利用信号方向向量与噪声子空间的正交来构成空间扫描 , 号的 可通过确定 空间谱的峰值而做出估计这些峰值可 DOA MUSIC , 谱实现信号的参数估计给出的信息包括入射信号的数目各个信号, , 、 以表示为的波达方向强度以及入射信号和噪声间的互相关等算法的 、。MUSIC 1 P( θ) = ( 3.3) MUSICH H 对信号个数极化干扰强度来波的强度, DOA、、、 、特点是测向分辨率高a ( θ) VVa( θ) n n 和相干关系可以进行渐进无偏估计可以用于高密度信号环境下的无 , H a ( θ) a( θ) 线测向从仿真结果表现出采用 算法进行 估计时空间 MUSIC DOA , 。或 P( θ) = ( 3.4) MUSICH H a ( θ) VVa( θ)算法的优越性页表现出 下转第 , MUSIC ( 506 ) 。 谱可获得很高的增益n n 的正交性将使分母达到最小和 从而得到式与a( θ) V, ( 3.3) ( 3.4) n 491 大学英语教学中的社会文化因素分析 慕娅林 辽宁对外经贸学院 辽宁 大连( 116052 ) 摘 要任何语言都有其文化内涵不了解一个民族特有的文化就不可能很好地掌握该民族的语言本文着重从民族心理取向和典故三 【, 】。、 个方面举例分析了大学英语教学中的社会文化因素, 提出了文化教学在英语教学中的重要性。 【关键词】文化; 英语教学; 社会文化因素 等表达方法green- eyed 。一什么是文化 ?、又如龙在我国被视为吉祥的神物有着不可思议的伟大力量 , , ,“”文化是一种复杂的社会现象渗透于社会生活的各个方面是人 , , 因而至尊的帝王把龙作为他们的象征而我们都会骄傲的称自己为 , “”类社会生活和精神生活所取得成就的总和文化的含义很广根据 。“”。却是像鳄鱼类 ( dragon) ”龙的传人但在古希腊和罗马神话中的龙“”。“人类文化学的观点 文化包括两个方面 一是狭义 文 化 或 称 人 文 文, : , 的陆生动物有的还长着翅膀具有四足的凶残动物比能够喷火, , , “”。 化在英语中用大写的 表示包括文学历史哲学政治等另 , Culture , 、、、。如在当今流行的儿童读物哈利波特中就有主人公跟恶龙搏斗的 , 《?》表示 包括也称普通文化 英文中用小写的 , , culture , 一个是广义文化场面象征着正义与邪恶所以西方的龙一般都是象征着邪恶, 。“”。社会习惯生活习惯 交际习惯等, , 。典故 3. 二大学英语教学中的社会文化因素、几乎所有的人在说话和写作时都引用历史传说文学或宗教中 、、传统的大学英语教学把主要精力都集中在语言知识的传授上却 , 的人物或事件这些人物或事件就是典故英语中的典故有的来源于。。如此培养出来的大部 , 忽视了语言的应用与社会文化因素的相互作用希腊罗马和北欧的神话传说有的来源于宗教典籍圣经有的来源 词汇量也越来越大但是却缺乏在 ,,、《》, , 分学生尽管语法知识掌握得很好甚至有的时候笑话百出因为西方 , 。恰当的场合使用恰当语言的能力还有的来源于体育运动以及近现代著名的人,, 于文学巨匠的经典著作罗马神话和基督教等宗教内容影响较深而中国几 , , 文化受希腊神话物和事件如果不向学生介绍这些文化背景就会使他们感到一片茫 。,二者有天壤之别在基 , 。千年的文化主要受儒家道家和佛家思想影响、然例如在大学英语第三册 中有这样一句。“Why I Teach”: “Being a 我们注意从以下几方面做起, : 础英语教学中teacher is being present at the creation , when the clay begins to 民族心理特征 1.创造粘土呼吸这三个 其中breathe”。“Creation”( )clay()breathe()、“”、“”汉语民族与英语民族的民族心理特征有很大分歧在语言上有明 ,并在该背景下产生了特定的文化内涵如果, 。 词都是以圣经为背景《》中国人以谦逊为美德得到别人的赞扬总要谦虚地说, , : 显反映例如。学生不了解上帝用粘土造人将气息吹进泥人的鼻孔赋予其呼吸和生 , 哪里哪里这就让外国人很费解因为他们总是用来 “! Thank you! ”。“”命 的 典 故又 怎 能 准 确 把 握 其 特 定 含 义 呢再 如 学 生 不 知 道 , ? , “a 以示领情而中国人这么说无异于反驳了人家的赞, 。回应别人的赞美潘朵拉之盒灾难麻烦祸害的根源这一希腊神话 Pandora’s box”(- - ) 、、扬 让对方觉得自己连好坏都不分, 。典故又怎能理解下面一句 , “The project , which seemed so promising , 另外中西方在私人意识方面的理解分歧也很显著汉语 , Privacy 。那个项目看起来好像很有希望结果 turned out to be a Pandora’s box.”(,这种翻译不是很恰当汉语中隐私指极其隐秘的私 ,。“”翻译为隐私“”) 招来许多灾祸。人之事而英语中 泛指私人时间私人空间及一切私人活动领 。privacy 海姆斯认为 仅仅学习某种语言是不够的还必须学 (D.H.Hymes), , 域任何私事无论大小重要与否都属 范围是不允许别人横 ,, , , privacy , 即必须掌握使用那种语言进行交际的能力交, 。习怎样使用那种语言甚至 , 加干涉的比如年龄婚姻状况经济收入宗教信仰政治派别。、、、、际能力包括五种要素: 四种语言能力听、说、读、写加上社会文化能力 ()小到这样的问题不是亲密关系均属 “Where are you going ?”, privacy, , 不能问及因此在教学中要注意这种 意识向学生强调与英美 能够与另一文化的人进行和谐的交往成功的外语教学必须使学生 ,privacy , 。()。How old are you?”“Are you married?”“What’s 人交际时不要轻易询问“教学必须注意文化的渗透我们也就是说, , , 具有社会文化能力因此。等问题your religion ?”。 不仅要教授语音语法和词汇让学生掌握扎实的语言基本功而且还 , , 、取向 2.要使学生了解英语国家的历史文化传统风俗习惯生活方式以及 、、、、不同民族的文化在对行为事物观念上的取向存在着广泛而重 、、如何观察世界学会用他们的语言反映他们社会的思 , 。如何看待事物要的差异这是各民族思维方式差异的反映英汉两种文化取向的差 。。这样才能学到地道的英语, 。想习惯和行为、: 异同样表现在语言上且举例说明如下。 ?汉语中红茶译成英语变成了黑茶这是由于颜色 (black tea)。“”“” 而英国人看到的却是茶叶, 取向不同所致中国人着眼于茶水的汤色。 参考文献【】的颜色汉语中有黄色电影黄色书刊等说法但英语中 却 ,yellow 。“”、“”[ ] [ ] 1Lyons, John.Language and Linguistics M.Lon2 don: Cambridge University 色情的淫猥 pornographic(), filthy(无此取向把黄色译为英语可用 。“”Press, 1981. 的淫秽的庸俗的下流的但有趣的是英语中 ), obscene(), vulgar(、)。blue [ ] 邓炎昌, 刘润青语言与文化—英汉语言文化对比[ ] 北京: 外语教学与研究 2.M.却是汉语黄色电影的意思另外黄页电 美国的 film “”。, Yellow Pages(出版社.1989. 话查号簿与汉语的黄书全书用黄纸印刷 所以称 )。, Yellow Pages, “” [ ] 胡文仲跨文化交际与英语学习[ ] 上海: 上海译文出版社 3.M..1988.意思截然不同又如汉语用来表示嫉妒的颜色是红 (filthy books) 。, “”[ ] 唐祥金文化内涵词析义[ ] 外语与外语教学 4.J..2000(9).如眼红红眼病绿色[ ] 王伟华社会文化因素与外语教学[ ] 外语学刊而英语却用 常用 ,“”“”, green(), green with envy, 5.J..1987(2).色 责任编辑志隽 [ : ] [ ] J. IEEE Progress in Meeting the E - 911 Requirement for Location Service 上接第 页如果噪声子空间大于信号子空间算法有更( 491 ) , MUSIC Communication Magazine, 1998,36(4):30~37. 好的性能但在低的信噪比情况下识别会有较大的影 对信号的 , , DOA [ 4] Rappaport T S, Reed J H, Woerner B D. Position Location Using Wireless 响。 [ ] Communication on Highways of the Future J. IEEE Communication Magazine, 1996,34 (10):33~41. 参考文献【】[ ] 张贤达通信信号处理北京: 国防工业出版社1.[M].,2000. 张艳芳责任编辑 ][ : [ ] 杨维, 陈俊仕移动通信中的阵列天线技术北京: 清华大学出版社, 2.[M].2005.[ ] 3Reed J H, Krizman K J, Woerner B D,et al. An Overview of the Challenges and 506 Your requestcould not be processed becauseof a configurationerror: "Could not connect to LDAPserver." For assistance,contact your network support team. file:///C|/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt 涵盖各行业最丰富完备的资料文献,最前瞻权威的行业动态,是专业人士的不二选择。 file:///C|/Users/Administrator/Desktop/新建文本文档.txt2012/8/26 12:19:58