陳顯寧，萬 群，楊萬麟

(電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 成都 610054)

循環(huán)與非循環(huán)混合信號源快速DOA估計與識別方法

陳顯寧，萬 群，楊萬麟

(電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 成都 610054)

在日益復(fù)雜的信號環(huán)境中，陣列信號處理需要面對循環(huán)和非循環(huán)混合信號源的情況越來越多。針對循環(huán)和非循環(huán)混合信號源的情況，分析了混合信號源條件下的子空間特征，提出了一種混合信號源條件下的快速波達(dá)方向估計與識別方法，有效地利用了混合信號源中的非循環(huán)特性。理論分析和仿真實驗結(jié)果表明，波達(dá)方向估計結(jié)果的分辨率不僅較于常規(guī)方法有所提高，而且可處理的信源數(shù)目大于陣元數(shù)目，具有較強(qiáng)的過載處理能力。

循環(huán)信號; 波達(dá)方向估計; 識別; 混合信號源; 非循環(huán)信號

陣列信號處理一般都假設(shè)陣元接收的信號來自循環(huán)信號源，即用復(fù)平面上的一點(diǎn)表示任意時刻信號包絡(luò)的正交I/Q分量時，隨著時間的變化，信號包絡(luò)的軌跡是繞復(fù)平面原點(diǎn)循環(huán)變化的[1-3]。但實際上常出現(xiàn)非循環(huán)信號源情況，如智能天線采用BPSK、MSK等調(diào)制方式的通信信號源[4]，隨著時間的變化，信號包絡(luò)的正交I/Q分量的軌跡是通過復(fù)平面原點(diǎn)的一條線段。

最近，利用信號源的時域非循環(huán)特性改進(jìn)信號源參數(shù)估計性能的研究越來越多，如非循環(huán)信號源波達(dá)方向估計的根MUSIC方法[5]和增強(qiáng)型酉ESPRIT方法[6]、非循環(huán)信號源頻偏估計的增強(qiáng)型盲方法[7]和無數(shù)據(jù)輔助的方法[8]、非循環(huán)信號源的盲分離方法[9]、非循環(huán)調(diào)制的OFDM信號峰均比抑制[10]等。這些研究與利用信號源時域上其他較復(fù)雜特性(如有限符號集信息)的空時聯(lián)合信號處理方法相比，利用信號源的時域非循環(huán)特性的方法比較簡單，也能獲得較明顯的性能增強(qiáng)效果。

實際上，民用無線通信和無線電對抗環(huán)境中的信號源十分復(fù)雜，往往不是單一的循環(huán)信號源或非循環(huán)信號源，因此，有必要研究利用混合信號源特性的參數(shù)估計與識別方法。本文針對循環(huán)和非循環(huán)混合信號源，提出了一種增強(qiáng)型的波達(dá)方向估計方法和識別循環(huán)與非循環(huán)信號源的方法，并給出了仿真結(jié)果。

1 循環(huán)與非循環(huán)混合信號源的子空間特性

2 混合信號的波達(dá)方向估計和識別

3 仿真結(jié)果

實驗 1 假設(shè)有由6個間隔為半波長的陣元組成的均勻線陣，3個等功率的信號源的波達(dá)方向分別為0.01、0.11、0.15 rad，空間噪聲為高斯白噪聲，信噪比為30 dB，快攝數(shù)為100。

假設(shè)第2個和第3個信號源是非循環(huán)信號源，第1個信號源是循環(huán)信號源，100次試驗的估計結(jié)果如圖1所示，圖中實線為本文方法結(jié)果，虛線為常規(guī)方法結(jié)果。由圖1可見：(1)在循環(huán)信號源的波達(dá)方向處，本文提出的改進(jìn)的ESPRIT方法得到兩組相近的估計結(jié)果，可以作為區(qū)分非循環(huán)信號源和循環(huán)信號源的標(biāo)準(zhǔn)；(2)本文方法提供了比常規(guī)的ESPRIT方法更為準(zhǔn)確的估計。

圖1 3個信號源時本文方法和常規(guī)方法100次試驗的估計結(jié)果比較

實驗 2 在保持其他條件不變的條件下，圖2a和圖2b分別給出了本文方法和常規(guī)的ESPRIT方法對第二個到達(dá)角估計結(jié)果的RMSE隨SNR和陣元數(shù)的變化的性能曲線(對應(yīng)每個參數(shù)進(jìn)行1 000次獨(dú)立實驗)。可見本文方法的估計性能明顯優(yōu)于常規(guī)ESPRIT方法。

實驗 3 同樣假設(shè)有由 6個間隔為半波長的陣元組成的均勻線陣，3個等功率的循環(huán)信號源的波達(dá)方向分別為?0.6、?0.4、0.2 rad，4個等功率的非循環(huán)信號源的波達(dá)方向分別為?0.2、0、0.4和0.6 rad，信噪比為25 dB，快攝數(shù)為200。100次試驗的估計結(jié)果如圖3所示，圖中實線為本文方法結(jié)果，虛線為常規(guī)方法結(jié)果。由圖可見：(1)常規(guī)方法由于信號源數(shù)大于陣元數(shù)，所以最多只能估計5個結(jié)果，且估計結(jié)果偏差較大；(2)在循環(huán)信號源的波達(dá)方向處，本文方法得到了兩組相近的估計結(jié)果，可以作為識別循環(huán)信號源的標(biāo)準(zhǔn)；(3)本文方法在信號源數(shù)大于陣元數(shù)時依然能夠提供準(zhǔn)確的估計，具有較強(qiáng)的信源過載能力。

圖2 本文方法和常規(guī)方法的估計性能比較

圖3 7個信號源時本文方法和常規(guī)方法100次試驗的估計結(jié)果比較

4 結(jié) 論

與針對單一的循環(huán)或非循環(huán)信號源的陣列信號處理不同，本文研究了循環(huán)和非循環(huán)混合信號源的波達(dá)方向估計問題和這兩種信號源的識別問題，利用混合信號源的子空間特性推導(dǎo)并提出了增強(qiáng)型空間譜估計方法，該方法不僅具有較高的分辨率，容易識別該兩種信號源，而且具有較強(qiáng)的信源過載能力。

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編 輯 稅 紅

Fast Direction of Arrival Estimation and Identification of Mixed Circular and Non-Circularity Sources

CHEN Xian-ning, WAN Qun, and YANG Wan-lin

(School of Electronic Engineering, University of Electronic Science and Technology of China Chengdu 610054)

In array signal processing, the cases of mixed circular and non-circular sources are more and more frequently encountered in complex signal situation. By analyzing the subspace property of the mixed circular and non-circular signal sources in detail, an enhanced and fast method for direction of arrival (DOA)estimation and identification of mixed circular and non-circular sources is proposed. Since the proposed method efficiently utilizes the useful non-circularity properties of the mixed circular and non-circular source model, it has better performance of DOA estimation compared with the method only based on homogeneous source model and its performance is closed to the theoretical bound. Simulation results show that by using the proposed method in DOA estimation, the number of mixed signal sources can be larger than the number of array elements.

circular source; direction of arrival; identification; mixed source; non-circular source

TN911.7

A

10.3969/j.issn.1001-0548.2010.06.003

2009- 04- 09;

2010- 03- 22

國家自然科學(xué)基金(60372022)；新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃(NCET-05-0806)

陳顯寧(1977- )，男，博士生，主要從事陣列信號處理、波達(dá)方向估計方面的研究.