基于Bartlett算法和Capon算法的DOA估计.pptVIP

基于Bartlett算法和Capon算法的DOA估计 及二者性能比较,2,背景知识,Bartlett方法,Capon方法,Bartlett方法与Capon方法性能比较,背景知识,有限的无线频率资源与不断增长的个人无线通信需求是一对矛盾， 同时由于信道环境复杂，移动通信信号在本质上是多径传播，所以需要 采用各种信号增强技术来提高系统的接收性能。 智能天线可以自适应的调整天线方向图，使主瓣对准期望号，抵 消干扰信号，提高信干噪比，在移动通信系统中，采用智能天线可以提 高频谱利用率、增加系统容量、扩大基站覆盖范围，改善通信量。,智能天线实现的空分多址(SDMA)是继频分多址(FDMA)、时分多 址(TDMA)、码分多址(CDMA)后的又一种多址接入技术，已成为新一代 宽带无线移动通信的研究热点之一。 其中波达方向(DOA)估计方法是智能天线研究的一个重要内容，无 论是上行多用户信号的分离，还是下行选择性发射，对用户信号DOA 的 估计，都成为智能天线实现指向性收发的必要前提。,什么是DOA？,波达方向(DOA: Direction of Arrival)是指空间信号的到达方向,各个 信号到达阵列参考阵元的方向角，简称波达方向。 它是空间谱估计理论中一个重要概念，而空间谱估计又是阵列信号 处理两大研究方向之一。空间谱估计主要研究空间多传感器阵列所构成 的处理系统对感兴趣的空间信号的多种参数进行准确估计的能力， 主要目的是估计信号的空域参数或信源位置，而波达方向（DOA）正是其 中最主要的一个参数之一。,什么是DOA？,DOA 估计的传统方法 传统的DOA 估计方法主要是基于波束形成和零陷导引技术。在已知阵列 流形的条件下，通过对天线阵的电子导引，搜索输出功率的峰值，从而 将其主波束调节到所需方向。 这类方法的典型代表是延迟相加法(经典波束形成器法)和Capon最小方 差法。,Bartlett方法的原理,此方法通过把天线阵的主波束指向某一方向，以获得来自该方向功 率的最优估计，相当于将所有可利用的自由度都用来在该观测方向上形 成一个波束。 当只有一个信号存在时，该方法是可行的。,下图是针对窄带输入信号的Bartlett方法的结构示意图,窄带输入信号的Bartlett方法的结构示意图,其中阵列输出y(k)是各天线阵元接收信号的线性加权之和：,将上式作为空间谱函数，波达方向就对应着式中定义的空间谱的峰值。 这样，就可根据实际测得的阵列输出功率估计出波达方向。,天线阵的总的输出功率可以表示为：,Bartlett方法的原理,Bartlett方法得到的空间谱,在SNR = 50dB时，采用Bartlett法的8阵元 得到的空间谱。 其中，一个信号从-20度入射到阵列，一个信号从30度入射到阵列。 从图中可以看出，通过搜索空间谱的峰值，即可确定信号波达方向为-20度和30度。,当存在来自多个方向或多个信源的信号时，延迟相加法要受到阵列波束宽 度和旁瓣高度的限制，由于当从多个方向到达的信号来空间距离较近时，会影响 正在观测的方向的平均功率，从而导致该方法的分辨率降低，甚至无法正确识别 出目标信号。,Bartlett方法存在的问题,下面看一下信号分别来自5度、10度两个方向时Bartlett法得到的空间谱。,从其空间谱可以看出，信号入射方向为18度，而实际的入射信号为两个信号， 一个从10度入射，另一个从20度入射。 显然，在多个入射信号空间距离较近时，Bartlett方法不能达到对信号DOA 准确 估计的目的。,Bartlett方法存在的问题,通过增加天线阵元的数目，可以提高延迟相加法的分辨率，但 这也意味着要相应地增加各阵元后的接收机的数量和校准数据的存储要 求，从而不可避免地导致硬件的庞大和费用的上升。,Bartlett方法存在的问题,Bartlett方法的主要缺点是在多个信号存在时的分辨率降低,Capon方法,1969年J.Capon提出一种最小方差法，这种方法基于空域最优滤波的 思想，考虑了空域噪声和干扰的分布，因而改善了Bartlett法（延迟 相加法）的信号分辨能力。,这种方法利用一部分自由度在用户期望方向上形成主波束,同时利用 剩余的自由度在干扰信号的方向上形成零点,Capon算法使噪声以及来自非 信源方向的任何干扰所贡献的功率为最小，但又能保持信源方向上信号功 率不变。,Capon方法原理,Capon法是通过约束输出功率最小来使非期望信号的贡献最小的，同时 在期望方向上的增益保持为常数(通常为1)，Capon算法表述如下：,上式中权向量的解为：,Capon方法,利用Capon 波束形成法，天线阵的输出功率关于波达方向的函数可由Capon 空间谱得到：,Capon方法得到的空间谱,在SNR = 50dB时，采用Capon法的8阵元 得到的空间谱。 其中，一个信号从-20度入射到阵列，一个信号从30度入射到阵列。 从图中可以看出，通过搜索空间谱的峰值，即可确定信号波达方向为-20度和30度。,在SNR = 50dB时，采用Capon法的8阵元 ，一个信号从-20度入射到阵 列，一个信号从30度入射到阵列。得到的空间谱。,两种方法的性能比较,在SNR = 50dB，阵元个数为8个时，一个信号从-20度入射到阵列，一个 信号从30度入射到阵列，得到的空间谱。,两种方法的性能比较,在SNR = 50dB，阵元个数为8个时，一个信号从10度入射到阵列，一个 信号从20度入射到阵列，得到的空间谱。,从仿真的结果可以看出： 通过搜索功率谱峰值，Bartlett和