基于MATLAB的阵列信号处理仿真方法

基于MATLAB的阵列信号处理仿真方法

统 仿 真 学 报© Vol. 20 No. 13

2008年7月 Journal of System Simulation Jul., 2008

第20卷第13期 系

基于MATLAB的阵列信号处理仿真方法

刘 玲，刘晓明，曾 浩

（重庆大学 通信工程学院，重庆 400030）

摘 要：介绍如何使用MATLAB构建阵列信号处理系统模型，包括相干信号模型，幅度和相位误差模型，针对不同模型，实现协方差矩阵产生方法，波达方向估计的子空间方法，自适应波束合成器的权值求解算法和方向图、阵列增益等系统参数的仿真。这些仿真模型和方法，对于各种复杂的阵列信号处理研究，具有重要的基础作用。 关键词：阵列信号；协方差矩阵；波达方向；波束合成

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2008) 13-3548-05

Array Signal Processing Simulation Based on MATLAB

LIU Ling, LIU Xiao-ming, ZENG Hao

（Department of Communication Engineering, Chongqing University, Chongqing 400030, China）

Abstract: MATLAB is used to develop the system model of array signal processing, such as the correlated signals, the error

of amplitude and phase. To deal with these different models, MATLAB offers great instructions and fuctions, which make the simulating considerably convenient. The key programs were proposed, which could simulate the covariance matrix estimation, estimate the DOA (direction of arrival) of signal based on subspace, calculate the weight vector of adaptive beamformer, and get some basic system parameters. Some examples show the detail procedure and the programs are useful to the array signal processing research. Furthermore, these methods take an important function to many other complicated simulations.

Key words: array signal; covariance matrix; DOA; beamforming

引 言

阵列信号处理源于60年代相控阵天线技术[1]，目前，广泛用于雷达、通信、超声波、语音、水下探测等等不同领域。阵列信号处理的对象，是由阵列天线接收的采样快拍数据，而利用各种信号处理的算法和工具，主要实现两个目的

[2-4]

则第i个阵元接收信号相对于原点信号的时间延迟为

τi=

aTpi

(1) c

x

：一是进行空间谱估计，通过对信号分析，确定信号波

y

达方向；二是进行波束合成，利用盲和非盲算法，得到阵列加权矢量。就实现手段而言，早期相控阵中，采用模拟方式，而目前则是在数字域实现，利用FPGA或者DSP这些硬件平台，完成信号处理算法。阵列信号处理的算法研究，往往通过仿真进行。在MATLAB中，如何建立仿真模型，如何实现各种基本研究参数评价指标仿真，对于复杂的阵列信号处理具有重要意义。

图1 阵列几何结构示意图

其中，c是光速，而

sinθcosφ

(2) a= sinθsinφ

cosθ

1 阵列信号处理的信号模型

由于阵列信号处理对象都是阵列天线接收信号，所以，不同应用领域的信号模型是相同或相似的。对于一个远场窄带零均值的入射信号，其N阵元构成阵列如图1所示。如果用单位方向矢量a表示信号来向，矢量pi表示阵元坐标，

xi

pi= yi zi

i=1,2...,N (3)

如果原点位置接收信号的复数表示为

0(t)=x0(t)ejωct (4) x

则由于信号是窄带的，可以不考虑包络延时，阵列接收信号矢量可以表示为

e

jτ1 x1(t)

x(t)= ... =x0(t)ejωct ... (5)

e jτN xN(t)

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收稿日期：2007-08-20 修回日期：2008-02-21

基金项目：国家自然科学基金项目（30570473）

作者简介：刘玲 (1978- ) 女，四川广安人，博士生，研究方向为阵列信号处理，第四代移动通信技术；刘晓明（1963-）男，重庆长寿人，教授，研究方向为现代信号处理，无线通信技术。