專利名稱：波達角(doa)的快速掃描方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使用天線陣的無線電通信系統(tǒng)和相控陣雷達系統(tǒng)中，DOA的快速掃描方法。尤其涉及TD-SCDMA接收機中一種新的、有效、快速DOA估計方法。
背景技術(shù)：
在通信系統(tǒng)中，接收方要對接收信號進行濾波，濾除噪音干擾，恢復(fù)出傳送的數(shù)據(jù)。天線陣構(gòu)成的智能天線利用DOA作為空間濾波器的參數(shù)，另外DOA還可以用于前向信號的方向圖賦形。TD-SCDMA系統(tǒng)使用了8個陣元的園天線陣，采用了DOA掃描的估計方法，基站接收機經(jīng)過了如下一些處理對接收信號進行數(shù)據(jù)部分和訓(xùn)練序列部分的分離，并選擇訓(xùn)練序列部分進行多用戶的聯(lián)合信道估計。
利用多用戶的聯(lián)合信道響應(yīng)，進行DOA掃描。傳統(tǒng)方法是在360度的范圍內(nèi)，針對一個用戶的信道響應(yīng)，先做36次10度的粗略掃描，找到手機的大概方位，針對DOA的大概方位再做18次1度的的精確掃描，最后確定出手機準確方位，計算公式σΘn12=aΘn1HRxxmaΘn1,n1=0:10:350---(1),]]>σΘn22=aΘn2HRxxmaΘn2,n2=n1-9:1:n1-1,n1+1:1:n1+9---(2),]]>σΘn12，σΘn22分別表示第一次和第二次掃描，在Θn1、Θn2方位角上的信號功率。aΘn1，aΘn2分別表示第一次和第二次掃描，在Θn1、Θn2方位角上的引導(dǎo)向量。Rxxm表示第m個用戶K個天線信道響應(yīng)的協(xié)方差矩陣。
可以估計出計算量為(K·K+K)×(36+18)次復(fù)數(shù)乘法運算，(K-1)(K+1)×(36+18)次復(fù)數(shù)加法運算，(36-1)+(18-1)次數(shù)值的比較運算。對于天線陣的8個陣元，可以計算出3888次復(fù)數(shù)乘法運算，3402次復(fù)數(shù)加法運算，53次數(shù)值的比較運算。計算量較大，而且只能得到功率最大路徑信號的DOA，也無法知道DOA對應(yīng)的抽頭。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種快速有效的DOA掃描方法，能夠同時提供搜索窗口內(nèi)全部抽頭對應(yīng)的DOA。此技術(shù)既可以應(yīng)用在系統(tǒng)一側(cè)，也可以應(yīng)用在移動臺一側(cè)。
首先描述本發(fā)明的原理。TD-SCDMA系統(tǒng)采用了8個陣元的圓形天線陣，有引導(dǎo)向量aΘ＝[e-jπcos(Θ)/2sin(π/8)，e-jπcos(Θ-π/4)/2sin(π/8)，e-jπsin(Θ)/2sin(π/8)，e-jπsin(Θ-π/4)/2sin(π/8)，ejπcos(Θ)/2sin(π/8)，ejπcos(Θ-π/4)/2sin(π/8)，ejπsin(Θ)/2sin(π/8)，ejπsin(Θ-π/4)/2sin(π/8)](3)，Θ＝0:2π表示手機的方位角；為了分析問題方便，對aΘ做歸一化處理，并取其共軛，有aΘ*=[ejπcos(Θ),ejπcos(Θ-π/4),ejπsin(Θ),ejπsin(Θ-π/4),e-jπcos(Θ),e-jπcos(Θ-π/4),e-jπsin(Θ),e-jπsin(Θ-π/4)]]]>=[ejπcos(Θ),ejπcos(Θ-π/4),ejπcos(Θ-2π/4),ejπcos(Θ-3π/4),ejπcos(Θ-4π/4),ejπcos(Θ-5π/4),ejπcos(Θ-6π/4),ejπcos(Θ-7π/4)]]]>Θ=0:2π---(4),]]>寫成矩陣的形式a*(Θ，1:K)＝[ejπcos(πΘ/180-π(k-1)/4)，:，ejπcos(πΘ/180-π(K-1)/4]，(5)，Θ＝0:1:359，k＝1:1:K，K＝8；信道響應(yīng)hΦT(1:K,j)=[e-jπcos(πΦ/180-π(k-1)/4)+jβ,:,e-jπcos(πΦ/180-π(K-1)/4)+jβ],---(6),]]>φ＝0:1:359，k＝1:1:K，K＝8；Φ表示信道響應(yīng)的DOA，β表示信道的相位，h是K×W矩陣，W是搜索窗長，K是天線陣元數(shù)，hΦ(1:K，j)是h中第j列向量，T表示非共軛轉(zhuǎn)置。
如果使用Θ＝0:1:359度的掃描策略，有hΦT(1:K,j)·a*T(Θ,1:K)=8ejβ,Θ=Φ---(7),]]>根據(jù)對a*(Θ，1:K)的分析，發(fā)現(xiàn)沒有必要，用a*(Θ，1:K)對hΦT(1:K，j)進行360次復(fù)數(shù)乘法的掃描。因為三角函數(shù)的周期性，只要在第一相限做90度掃描，其它3個相限270度的結(jié)果完全可以推導(dǎo)出來，這樣就減少了復(fù)數(shù)乘法的計算量。很明顯，這種計算方法僅適合于第一次10度的粗略掃描，并不適合做第二次1度的精確掃描。此方法的原理容易證明，此處不祥述。
針對8個陣元的園天線陣，采用Θ＝0:10:350度，36個10度精度的掃描策略，本發(fā)明的實施方法包括如下8個步驟步驟1．計算出Θ＝0:10:90度，第1個天線的10個引導(dǎo)向量的共軛a*(Θ，1)實部和虛部，存入數(shù)據(jù)表中備用；
步驟2.計算出Θ＝5:10:85度，第1個天線的9個引導(dǎo)向量的共軛a*(Θ，1)實部和虛部，存入數(shù)據(jù)表中備用；步驟3.用4個天線的信道響應(yīng)hΦ(k，j)(k＝1，3，5，7)，分別乘于第1個天線a*(Θ，1)的，步驟1計算出的Θ＝0:10:90度的10個復(fù)數(shù)，并臨時保存這4組每組10個復(fù)數(shù)的乘積項[IhIa-QhQaIhQaIaQh]k。對得到的4組每組10個乘積hΦ(k，j)a*(Θ，1)，按照公式(8)、(9)、(10)、(11)做橫坐標的變量置換(反褶)和a*(Θ，1)的共軛變換，把Θ置換成Ω，把a*(Θ，1)變換成a(Θ，1)。共軛變換的項hΦ(k，j)a(Θ，1)，并不需要直接計算，只要改變復(fù)數(shù)乘積項的符號為[IhIaQhQa-IhQaIaQh]k，實部虛部分別求和。最終可以推導(dǎo)出下邊4組每組36個復(fù)數(shù)hΦ(k，j)a*(Ω，k)＝hΦ(k，j)a*(Θ，1)Ω＝mod(0+90k/2，360):10:mod(90+90k/2，360) Θ＝0:10:90 (8)，hΦ(k，j)a*(Ω，k)＝hΦ(k，j)a(80-Θ，1)Ω＝mod(100+90k/2，360):10:mod(180+90k/2，360) Θ＝0:10:80 (9)，hΦ(k，j)a*(Ω，k)＝hΦ(k，j)a(Θ，1)Ω＝mod(190+90k/2，360):10:mod(270+90k/2，360) Θ＝10:10:90(10)，hΦ(k，j)a*(Ω，k)＝hΦ(k，j)a*(90-Θ，1)Ω＝mod(280+90k/2，360):10:mod(350+90k/2，360) Θ＝10:10:80 (11)，k＝1，3，5，7；步驟4.用4個天線的信道響應(yīng)hΦ(k，j)(k＝2，4，6，8)，分別乘于第1個天線a*(Θ，1)的，步驟1計算的Θ＝5:10:85度的9個復(fù)數(shù)，并臨時保存這4組每組9個復(fù)數(shù)的乘積項[IhIa-QhQaIhQaIaQh]k。對得到的4組每組9個乘積hΦ(k，j)a*(Θ，1)，按照公式(12)、(13)、(14)、(15)做橫坐標的變量置換(反褶)和a*(Θ，1)的共軛變換，把Θ置換成Ω，把a*(Θ，1)變換成a(Θ，1)。共軛變換的項hΦ(k，j)a(Θ，1)，并不需要直接計算，只要改變復(fù)數(shù)乘積項的符號為[IhIaQhQa-IhQaIaQh]k，實部虛部分別求和。最終可以推導(dǎo)出下邊4組每組36個復(fù)數(shù)hΦ(k，j)a*(Ω，k)＝hΦ(k，j)a*(Θ，1)Ω＝mod(50+90(k/2-1)，360):10:mod(130+90(k/2-1)，360) Θ＝5:10:85 (12)，hΦ(k，j)a*(Ω，k)＝hΦ(k，j)a(90-Θ，1)Ω＝mod(140+90(k/2-1)，360):10:mod(220+90(k/2-1)，360) Θ＝5:10:85 (13)，hΦ(k，j)a*(Ω，k)＝hΦ(k，j)a(Θ，1)Ω＝mod(230+90(k/2-1)，360):10:mod(310+90(k/2-1)，360) Θ＝5:10:85 (14)，hΦ(k，j)a*(Ω，k)＝hΦ(k，j)a*(90-Θ，1)Ω＝mod(320+90(k/2-1)，360):10:mod(40+90(k/2-1)，360) Θ＝5:10:85 (15)，k＝2，4，6，8；步驟5.把步驟3到步驟4得到的8個天線的每天線36個復(fù)數(shù)對應(yīng)相加，得到36個復(fù)數(shù)的和。
步驟6.對步驟5得到的36個復(fù)數(shù)的和，各取其平方，得到36個實數(shù)；步驟7.比較步驟6得到的36個實數(shù)，其最大值對應(yīng)的Ω值，就是h(1:K，j)抽頭的功率最大路徑信號粗略的DOA；步驟8.針對搜索窗內(nèi)hT(1:K，j)的j＝1:W，重復(fù)步驟3至步驟7，完成全部抽頭的掃描，得到了每一個抽頭的功率最大路徑信號DOA的，10度精度的大概方位。


圖1是引導(dǎo)向量a*(Θ，1)的實部和虛部；圖2是引導(dǎo)向量a*(Θ，2)的實部和虛部；圖3是第1次粗略掃描第1個天線的h(1，j)·a*(Θ，1)的實部和虛部；圖4是第1次粗略掃描第2個天線的h(2，j)·a*(Θ，2)的實部和虛部；圖5是第1次粗略掃描的|hT(1:K，j)·a*T(Θ，1:K)|2。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作詳細說明從圖1可以分析出引導(dǎo)向量第1個天線的a*(Θ，1)的實部和虛部，于180度左右對稱。Θ＝0:90和Θ＝180:270的復(fù)數(shù)互為共軛；Θ＝90:180和Θ＝270:350的復(fù)數(shù)互為共軛；Θ＝0:90和Θ＝90:180的復(fù)數(shù)在橫軸反褶；Θ＝180:270和Θ＝270:350的復(fù)數(shù)在橫軸反褶。
從圖2可以分析出引導(dǎo)向量第2個天線的a*(Θ，2)的實部和虛部，具有a*(Θ，1)實部和虛部的特征，并相對a*(Θ，1)有45度相移。a*(Θ，k)依次有45度相移，此處沒有畫出。
在具體實施例中，設(shè)計的掃描策略是某個用戶信號DOA＝200度，對8個天線的信道響應(yīng)hT(1:8，j)，從0度，每隔10度，計算一個點，掃描到350度，掃描36個點。實施了步驟1-7，對應(yīng)圖3-5。
圖3描述了步驟3，k＝1時，推導(dǎo)出來的第1個天線的36個復(fù)數(shù)，使用了步驟3中坐標變換和取共軛公式(8)、(9)、(10)、(11)。k＝3，5，7的情況，此處沒有畫出。
圖4描述了步驟4，k＝2時，推導(dǎo)出來的第2個天線的36個復(fù)數(shù)，使用了步驟4中坐標變換和取共軛公式(12)、(13)、(14)、(15)。k＝4，6，8的情況，此處沒有畫出。
圖5對應(yīng)步驟5-7，按照步驟5-7操作，得到了一個抽頭功率最強路徑信號的DOA＝200度。
下邊再通過一個具體實施例，來估算本發(fā)明的計算量。針對8個天線搜索窗長為16的信道響應(yīng)h(1:8，1:16)，依次估計10個信號抽頭的DOA，用本發(fā)明的方法從0-350度，10度一個點，粗略掃描36個點，得到DOA的大概方位后，再用傳統(tǒng)的方法圍繞此方位1度1個點，精確掃描18個點，最后得到10個信號抽頭的精確DOA。有10×(10×4+9×4+18×8)＝2200次乘法運算，10×((36+18)×7)＝3780次加法運算，10×9＝90次取共軛運算，10×36＝360次坐標置換運算，10×54＝540次平方運算，10×53＝530次比較運算。計算量與傳統(tǒng)方法相當，但可以得到10個信號抽頭的DOA。
以上所述方法，一般的通信系統(tǒng)工程師就可以在設(shè)備中順利實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種波達角(DOA)掃描的快速掃描方法，其中包括步驟1.計算出Θ＝0∶10∶90度，第1個天線的10個引導(dǎo)向量的共軛a*(Θ，1)實部和虛部，存入數(shù)據(jù)表中備用；步驟2.計算出Θ＝5∶10∶85度，第1個天線的9個引導(dǎo)向量的共軛a*(Θ，1)實部和虛部，存入數(shù)據(jù)表中備用；步驟3.用4個天線的信道響應(yīng)hΦ(k，j)(k＝1，3，5，7)，分別乘于第1個天線a*(Θ，1)的，步驟1計算出的Θ＝0∶10∶90度的10個復(fù)數(shù)，并臨時保存這4組每組10個復(fù)數(shù)的乘積項[IhIa-QhQaIhQaIaQh]k。對得到的4組每組10個乘積hΦ(k，j)a*(Θ，1)，按照公式(8)、(9)、(10)、(11)做橫坐標的變量置換(反褶)和a*(Θ，1)的共軛變換，把Θ置換成Ω，把a*(Θ，1)變換成a(Θ，1)。共軛變換的項hΦ(k，j)a(Θ，1)，并不需要直接計算，只要改變復(fù)數(shù)乘積項的符號為[IhIaQhQa-IhQaIaQh]k，實部虛部分別求和。最終可以推導(dǎo)出下邊4組每組36個復(fù)數(shù)hΦ(k，j)a*(Ω，k)＝hΦ(k，j)a*(Θ，1) hΦ(k，j)a*(Ω，k)＝hΦ(k，j)a(80-Θ，1) hΦ(k，j)a*(Ω，k)＝hΦ(k，j)a(Θ，1) hΦ(k，j)a*(Ω，k)＝hΦ(k，j)a*(90-Θ，1) k＝1，3，5，7；步驟4.用4個天線的信道響應(yīng)hΦ(k，j)(k＝2，4，6，8)，分別乘于第1個天線a*(Θ，1)的，步驟1計算的Θ＝5∶10∶85度的9個復(fù)數(shù)，并臨時保存這4組每組9個復(fù)數(shù)的乘積項[IhIa-QhQaIhQaIaQh]k。對得到的4組每組9個乘積hΦ(k，j)a*(Θ，1)，按照公式(12)、(13)、(14)、(15)做橫坐標的變量置換(反褶)和a*(Θ，1)的共軛變換，把Θ置換成Ω，把a*(Θ，1)變換成a(Θ，1)。共軛變換的項hΦ(k，j)a(Θ，1)，并不需要直接計算，只要改變復(fù)數(shù)乘積項的符號為[IhIaQhQa-IhQaIaQh]k，實部虛部分別求和。最終可以推導(dǎo)出下邊4組每組36個復(fù)數(shù)hΦ(k，j)a*(Ω，k)＝hΦ(k，j)a*(Θ，1)Ω＝mod(50+90(k/2-1)，360)∶10∶mod(130+90(k/2-1)，360)Θ＝5∶10∶85 (12)，hΦ(k，j)a*(Ω，k)＝hΦ(k，j)a(90-Θ，1)Ω＝mod(140+90(k/2-1)，360)∶10∶mod(220+90(k/2-1)，360)Θ＝5∶10∶85 (13)，hΦ(k，j)a*(Ω，k)＝hΦ(k，j)a(Θ，1)Ω＝mod(230+90(k/2-1)，360)∶10∶mod(310+90(k/2-1)，360)Θ＝5∶10∶85 (14)，hΦ(k，j)a*(Ω，k)＝hΦ(k，j)a*(90-Θ，1)Ω＝mod(320+90(k/2-1)，360)∶10∶mod(40+90(k/2-1)，360)Θ＝5∶10∶85 (15)，k＝2，4，6，8；步驟5.把步驟3到步驟4得到的8個天線的每天線36個復(fù)數(shù)對應(yīng)相加，得到36個復(fù)數(shù)的和。步驟6.對步驟5得到的36個復(fù)數(shù)的和，各取其平方，得到36個實數(shù)；步驟7.比較步驟6得到的36個實數(shù)，其最大值對應(yīng)的Ω值，就是h(1∶K，j)抽頭的功率最大路徑信號粗略的DOA；步驟8.針對搜索窗內(nèi)hT(1∶K，j)的j＝1∶W，重復(fù)步驟3至步驟7，完成全部抽頭的掃描，得到了每一個抽頭的功率最大路徑信號DOA的，10度精度的大概方位。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種使用天線陣的無線電通信系統(tǒng)和相控陣雷達中，DOA的快速掃描方法。尤其涉及TD－SCDMA接收機中一種新的、有效、快速DOA估計方法。能夠同時提供搜索窗口內(nèi)全部抽頭對應(yīng)的DOA。此技術(shù)既可以應(yīng)用在系統(tǒng)一側(cè)，也可以應(yīng)用在移動臺側(cè)。因為三角函數(shù)的周期性，只要在第一相限做90度掃描，其它3個相限270度的結(jié)果完全可以推導(dǎo)出來，這樣就減少了復(fù)數(shù)乘法的計算量。
文檔編號H04Q7/22GK1909405SQ20061010961
公開日2007年2月7日 申請日期2006年8月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年8月10日
發(fā)明者倪明 申請人:倪明