[發明專利]基于單比特量化信號虛擬域統計量重建的互質陣列波達方向估計方法

有效

• 申請號: 202010515235.X
• 申請日: 2020-06-08
• 公開（公告）號: CN111665468B
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發明（設計）人: 周成偉;史治國;陳積明
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01S3/14
• 分類號: G01S3/14;H04B7/08
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 劉靜

本發明公開了一種基于單比特量化信號虛擬域統計量重建的互質陣列波達方向估計方法，主要解決現有技術中軟硬件實現難度大及自由度受限等問題，其實現步驟是：接收端布設互質陣列與單比特模數轉換器；接收端布設互質陣列與單比特模數轉換器；計算互質陣列單比特接收信號所對應的等價虛擬信號；構造初始化單比特量化信號虛擬域增廣協方差矩陣；基于量化與非量化信號間的統計關聯性分析，設計基于量化信號虛擬域統計量重建的優化問題；利用優化所得單比特量化信號所對應的虛擬域增廣協方差矩陣進行波達方向估計。本發明融合了互質陣列與單比特信號處理的優勢特性，對于面向新一代無線通信系統以及無源定位、目標探測等實際應用具有廣闊的前景。

技術領域

本發明屬于信號處理技術領域，尤其涉及對雷達信號、聲學信號及電磁信號的低成本高效波達方向估計，具體是一種基于單比特量化信號虛擬域統計量重建的互質陣列波達方向估計方法，可用于無源定位、目標探測以及新一代無線通信系統。

背景技術

波達方向估計(Direction-of-Arrival Estimation)通過利用陣列天線接收空域信號，并通過統計信號處理技術和各類優化方法對接收信號進行處理，以恢復信號中所包含的波達方向信息，是陣列信號處理領域的基本問題之一，在雷達、聲吶、語音、射電天文、地震學、無線通信、醫學成像等領域有著廣泛的應用。

隨著用戶需求與數據規模的不斷增加，基站端的大規模天線部署是新一代無線通信系統中的典型特征之一。與此同時，隨著角度域信道建模理論在毫米波大規模MIMO(Massive Multiple-Input Multiple-Output,Massive MIMO)系統中的推廣應用，傳統的波達方向估計面臨巨大的技術挑戰。一方面，傳統的波達方向估計受限于奈奎斯特采樣速率的限制，其自由度(即：能夠分辨的入射信號源個數)由天線陣元個數決定，但是用戶數目的增長將遠高于基站端天線數目的增長，故當某個空域范圍內入射信號源的個數大于或等于陣列中天線陣元的個數時，現有采用均勻陣列的方法將無法進行有效的波達方向估計；另一方面，隨著天線數目的增長，大規模天線系統面臨部署成本、運行功耗及計算數據量等層面的巨大壓力，進而造成實際應用中面臨巨大壓力與挑戰。

為了解決上述問題，稀疏陣列的提出使得在欠采樣情況下的有效波達方向估計成為可能，且互質陣列作為一種具有系統化結構的稀疏陣列，能夠采用相同個數的天線陣元取得更多的自由度，以突破自由度方面的性能瓶頸，在波達方向估計領域得到了前所未有的關注。但是，現有的互質陣列波達方向估計方法普遍以理想化的信號采樣量化過程為前提，這在實際系統應用中顯然是不可能的，有限精度量化過程所造成的量化誤差將不可避免。另一方面，隨著大規模MIMO技術的發展，通過低比特模擬數字轉換器(Analog-to-Digital Converter,ADC)在基站天線端的部署，在犧牲部分性能的前提下，實現系統成本、運行功耗、數據規模及計算復雜度的降低，而單比特量化為上述方法中的最低精度樣例。但是，現有的單比特大規模MIMO系統普遍采用均勻陣列，存在自由度受限這一瓶頸問題。

綜上所述，稀疏陣列與單比特量化技術的融合，是解決現有大規模MIMO系統中自由度受限、部署成本高、運行功耗大、數據量規模大與計算復雜度高等問題的有效方法。盡管國內外學者已開始初步探索稀疏陣列與單比特量化技術融合的相關核心技術，但是面向互質陣列的單比特波達方向估計的研究仍處于起步階段，互質陣列虛擬域信號處理的統計特性與技術特征尚未得到完整的發掘與應用。因此，如何充分利用互質陣列的虛擬域信號處理的優勢，并克服其虛擬陣列非連續所帶來的性能損失與模型失配問題，實現單比特量化信號的高效波達方向估計，并盡可能減小相對于原始未量化信號的性能損失，甚至利用其稀疏的特性實現性能層面的超越，是當前亟待解決的一個重要問題。

發明內容