一种低复杂度的极化参数估计跟踪装置及方法与流程

本发明属于信号处理技术领域，涉及一种低复杂度的极化参数估计跟踪装置及方法。

背景技术：

混合天线阵列作为一种支持未来毫米波高速通信的新型自适应天线结构，由于其在平衡硬件成本和性能、阵列增益和收发机尺寸等方面的潜在优势，受到了阵列信号处理领域的广泛关注。它由多个模拟子阵列组成，每个子阵列都包含一个数字处理链路。一方面，使用模拟子阵可以有效地产生天线增益，并缓解射频链路的空间限制问题。另一方面，多个数字链路可以提供复用能力、高灵活性、适应性和性能优化。

传统的单极化天线只能接收到入射波的单方向电场分量，不能捕捉到完整的来波极化状态。特别是当天线的极化方向与入射波的极化方向垂直时，接收信号的强度将完全丧失。因此，双极化接收天线是最佳接收的必要条件。为了获得最佳接收，来波的极化状态参数需要进行估计来对接收信号极化分级合并。混合双极化天线阵列的集成将充分利用两者的优点来提高系统性能。

基于双极化阵列的信号极化参数估计是双极化阵列信号处理的一个重要研究内容，在过去三十年，收到广泛的关注，并提出了许多有效的极化参数估计方法。传统的最大似然估计方法由于需要相当大的计算量，在实际应用中并不能被采用。经典的music和esprit方法可以获得比较高的参数估计精度，但是他们要求协方差矩阵和奇异值分解，其带来的计算量与天线数量的立方成比例增长，故引入了高代价的系统硬件实现成本和复杂度。因此，这些算法仅适用于小数量的数字天线阵列，并不能真正应用于未来大规模的天线阵列。

技术实现要素：

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种低复杂度的极化参数估计跟踪装置及方法。采用平面混合双极化阵列来对信号进行接收，同时充分利用来波到达角自适应跟踪与估计以提高波束成型接收信噪比，从而提高极化参数估计的精度和收敛速度，而且在计算过程中仅仅涉及普通的四则运算，计算量小便于快速实现。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种低复杂度的极化参数估计跟踪装置，包括天线信号处理模块和极化参数估计模块，其中，

所述天线信号处理模块包括若干子阵信号处理模块，将混合双极化天线阵列接收到的模拟信号波束成型并转换为数字信号；

所述极化参数估计模块用于将天线信号处理模块输出进行信号处理，估计来波极化参数，包括互相关计算子模块、子阵相位控制子模块、数字波束成型子模块、极化参数估计子模块和最大比合并子模块，所述互相关计算子模块对所有空间相邻的子阵信号处理模块的输出信号在两个正交极化方向分别进行互相关运算，进而估计到达角度信息；所述子阵相位控制子模块将互相关计算子模块输出的结果反馈控制子阵信号处理模块；所述数字波束成型子模块将互相关计算子模块输出的结果对多个子阵信号处理模块输出的信号分别进行加权波束成型；所述极化参数估计子模块对数字波束成型子模块输出信号和互相关计算子模块输出的结果进行计算，输出来波极化参数估计；所述最大比合并子模块计算最大比合并系数，对数字波束成型子模块输出信号进行最大比合并。

优选地，所述子阵信号处理模块包括依次连接的子阵天线子模块、子阵相移器子模块和子阵信号转换子模块，所述子阵天线子模块包括若干个由沿x轴和y轴极化方向的阵子组成的双极化阵子，用于接收来波模拟信号；所述子阵相移器子模块包括若干个模拟相移器，用于调节双极化阵子的接收信号相位，由子阵相位控制子模块反馈设置；所述子阵信号转换子模块包括模拟信号合并器，用于合并模拟相移器的输出，和将合并信号转换到数字基带。

基于上述目的，本发明还提供了一种低复杂度的极化参数估计跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

s10，对混合双极化阵列沿着x轴和y轴极化方向上的信号分别进行相邻子阵输出信号的相关运算；

s20，合并后获得到达角信息估计；

s30，利用到达角信息估计对数字波束成型的加权系数进行设置；

s40，利用沿着x轴和y轴极化方向上的数字波束成型输出信号估计极化参数；

s50，利用到达角信息估计和极化参数估计对数字波束成型输出信号进行加权合并，判断迭代是否达到要求；

s60，否，则利用到达角信息估计对所有相移器进行更新；

s70，是，则根据系统性能要求，输出极化参数估计结果。

优选地，所述s10为在互相关计算子模块中，计算所有相邻的子阵信号处理模块输出的互相关，对两个极化方向的信号求和，利用下式(1)和(2)分别对沿x轴和u轴方向子阵互相关结果进行滤波，得到第i个时刻滤波后的互相关和

其中，0＜1为滤波系数；c轴为x轴或y轴；mx和my分别为沿x轴和y轴方向子阵的数量；mx＝0,1,……,mx-1、my＝0,1,……,my-1；为第mymx+mx个子阵在c轴极化方向第i个时刻的输出采样信号，()^*为表示共轭。

优选地，所述s20为在互相关计算子模块中，估算到达角信息和其中，arg{}表示取幅角，和包含来波的天顶角和方位角信息，和分别为沿x轴和y轴方向子阵的间距，假设由和得到和θ为来波的天顶角，φ为来波的方位角。

优选地，所述s30为在数字波束成型子模块中，根据下式(3)对第mymx+mx个子阵信号处理模块沿着c轴极化方向上的输出信号进行加权，加权值为产生数字波束成型信号s^c[i],由式(4)得到，

优选地，所述s40为在极化参数估计子模块中，由下式(5)和(6)对数字波束成型子模块的输出互相关和总功率分别进行滤波，得到第i个时刻滤波后的互相关和总功率为，

其中，0＜β＜1为滤波系数，为子阵输出的加性零均值高斯白噪声功率，由式(7)分别得到第i个时刻的互相关与功率比值，

其中，为的实部，vc⁽ⁱ⁾为的虚部，j为虚数单位，依据x轴和y轴极化方向接收信号的功率大小，x轴对应式(8)，y轴对应式(9)，进行第i个时刻的极化状态参数估计，

这里，

记

这里，

记

其中，极化参数信息包括极化辅助角γ和极化相位差η。

优选地，所述s50为在最大比合并子模块中，由下式(10)计算第i个时刻c轴极化方向的最大比合并系数

记

输出最大比合并信号在极化参数估计子模块中，判断迭代是否达到要求。

优选地，所述s60为迭代未达到要求，在子阵相位控制子模块中，由下式(11)对第nynx+nx个相移器第i+1个时刻的相移值进行设置和样点更新，并返回s10，

其中，nx和ny分别为每个子阵中沿x轴和y轴方向阵子的数量，nx＝0,1,……,nx-1,ny＝0,1,……,ny-1。

优选地，所述s70为迭代达到要求，跳出循环，输出s40中极化状态参数估计γ⁽ⁱ⁾和η⁽ⁱ⁾，其中，i为迭代要求的样点数量。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：利用混合双极化阵列的相邻子阵输出信号进行相关运算，和对数字波束成型输出信号进行普通的四则运算来估计极化参数，使得估计的复杂度大幅度降低。另外，由于对相移器的自适应调整，使得波束逐渐调整到来波方向，从而提高了极化参数估计精度，收敛速度和合并信号信噪比。同时，在极化状态时变情况下，本发明可以自适应地跟踪极化状态。

附图说明

图1为本发明实施例的低复杂度的极化参数估计跟踪装置的结构示意图；

图2为本发明一实施例的低复杂度的极化参数估计跟踪装置的混合双极化天线阵列示意图；

图3为本发明实施例的低复杂度的极化参数估计跟踪方法的步骤流程图；

图4为本发明实施例的低复杂度的极化参数估计跟踪的均方误差mse性能对迭代次数的关系曲线图；

图5为本发明实施例的低复杂度的极化参数估计跟踪的合并信号输出功率对迭代次数的关系曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。

装置实施例1

参见图1，所示为本发明实施例的低复杂度的极化参数估计跟踪装置的结构示意图一种低复杂度的极化参数估计跟踪装置，包括天线信号处理模块11，用于将图2所示的混合双极化天线阵列接收到的模拟信号波束成型并转换为数字信号；

极化参数估计模块12，用于将天线信号处理模块11输出进行信号处理，估计来波极化参数。

天线信号处理模块11包括多个子阵信号处理模块111，子阵信号处理模块111进一步包括多个由沿x轴和y轴极化方向的阵子组成的双极化阵子，用于接收来波模拟信号；子阵相移器子模块1112包括多个用于调节阵子接收信号相位的模拟相移器，由子阵相位控制子模块122反馈进行设置；子阵信号转换子模块1113包括合并相移器输出的模拟信号合并器，并将合并信号转换到数字基带，这里包括将射频或中频信号下变频到基带。

极化参数估计模块12包括互相关计算子模块121，用于对所有空间相邻的子阵信号处理模块111的输出信号在两个正交极化方向分别进行互相关运算，进而估计到达角度信息；子阵相位控制子模块122，用于将互相关计算子模块121输出的结果反馈控制子阵相移器子模块1112中的模拟相移器；数字波束成型子模块123，用于将互相关计算子模块121输出的结果对多个子阵信号处理模块111输出的信号(沿x轴和y轴极化方向)分别进行加权波束成型；极化参数估计子模块124，用于对数字波束成型子模块123输出信号和互相关计算子模块121输出的结果进行计算，输出来波极化参数估计；最大比合并子模块125，用于计算最大比合并系数，对数字波束成型子模块123输出信号进行最大比合并。

参见图3，为本发明的方法实施例，一种低复杂度的极化参数估计跟踪方法，包括以下步骤：

s10，对混合双极化阵列沿着x轴和y轴极化方向上的信号分别进行相邻子阵输出信号的相关运算；

s20，合并后获得到达角信息估计；

s30，利用到达角信息估计对数字波束成型的加权系数进行设置；

s40，利用沿着x轴和y轴极化方向上的数字波束成型输出信号估计极化参数；

s50，利用到达角信息估计和极化参数估计对数字波束成型输出信号进行加权合并，判断迭代是否达到要求；

s60，否，则利用到达角信息估计对所有相移器进行更新；

s70，是，则根据系统性能要求，输出极化参数估计结果。

上述方法基于以下公式或定义，

假设采用mxnx×myny个双极化天线构成的均匀平面方阵接收一个来波信号其中mx和my分别表示沿x轴和y轴方向子阵的数量；nx和ny分别表示每个子阵中沿x轴和y轴方向阵子的数量。令第m＝mymx+mx个子阵对应的模拟波束成型在c(x或y)轴极化方向输出信号表示为

其中，mx＝0,1,……,mx-1；my＝0,1,……,my-1；ec表示c轴极化方向的天线响应；ps(θ,φ)表示子阵的方向图；λ和(θ，φ)分别表示来波信号的波长，天顶角和方位角；和分别表示沿x轴和y轴方向子阵的间距；表示对应子阵输出的加性零均值高斯白噪声，其功率表示为

需要估计的极化参数信息包括极化辅助角γ和极化相位差η包含在ec中，他们的关系可以表示为，

ex＝sinγcosθcosφe^jη-cosγsinφ；

ey＝sinγcosθsinφe^jη+cosγcosφ；

首先对模拟波束成型输出信号进行采样得到然后通过数字加权获得数字波束成型信号最后对s^c[i]进行加权合并得到为c轴极化方向的合并系数。

s10为在互相关计算子模块中，计算所有相邻的子阵信号处理模块输出的互相关，对两个极化方向的信号求和，利用下式(1)和(2)分别对沿x轴和y轴方向子阵互相关结果进行滤波，得到第i个时刻滤波后的互相关和

其中，0＜μ＜1为滤波系数；c轴为x轴或y轴；mx和my分别为沿x轴和y轴方向子阵的数量；mx＝0,1,……,mx-1、my＝0,1,……,my-1；为第mymx+mx个子阵在c轴极化方向第i个时刻的输出采样信号，()^*为表示共轭。

s20为在互相关计算子模块中，估算到达角信息和其中，arg{}表示取幅角，和包含来波的天顶角和方位角信息，和分别为沿x轴和y轴方向子阵的间距，假设由和得到和θ为来波的天顶角，φ为来波的方位角。

s30为在数字波束成型子模块中，根据下式(3)对第mymx+mx个子阵信号处理模块沿着c轴极化方向上的输出信号进行加权，加权值为产生数字波束成型信号s^c[i],由式(4)得到，

s40为在极化参数估计子模块中，由下式(5)和(6)对数字波束成型子模块的输出互相关和总功率分别进行滤波，得到第i个时刻滤波后的互相关和总功率为，

其中，0＜β＜1为滤波系数，为子阵输出的加性零均值高斯白噪声功率，由式(7)分别得到第i个时刻的互相关与功率比值，

其中，为的实部，jvc⁽ⁱ⁾为的虚部，j为虚数单位，依据x轴和y轴极化方向接收信号的功率大小，x轴对应式(8)，y轴对应式(9)，进行第i个时刻的极化状态参数估计，

这里，

记

这里，

记

其中，极化参数信息包括极化辅助角γ和极化相位差η。

s50为在最大比合并子模块中，由下式(10)计算第i个时刻c轴极化方向的最大比合并系数

记

输出最大比合并信号在极化参数估计子模块中，判断迭代是否达到要求。

s60为迭代未达到要求，在子阵相位控制子模块中,由下式(11)对第nynx+nx个相移器第i+1个时刻的相移值进行设置和样点更新，并返回s10，

其中，nx和ny分别为每个子阵中沿x轴和y轴方向阵子的数量，nx＝0,1,……,nx-1,ny＝0,1,……,ny-1。

s70为迭代达到要求，跳出循环，输出s40中极化状态参数估计γ⁽ⁱ⁾和η⁽ⁱ⁾，其中，i为迭代要求的样点数量。

为评价本发明所提出的极化参数的估计方案，对其均方误差(mse)性能和最大比合并信号输出信号噪声功率比(snr)进行了计算机仿真，还将结果与传统的混合单极化阵列方案进行比较。为了进行比较，采用mx＝my＝2,nx＝ny＝4,d＝λ/2。

图4为本发明提供的方案极化参数估计mse性能对迭代次数的计算机仿真结果。为了获得统计性能，仿真假设到达角度和极化参数在设定范围内均匀分布，并执行10000次的独立仿真。从图4可以看出，波形b11为利用式(8)的极化相位差η，b12为利用式(9)的极化相位差η，波形b21为利用式(8)的极化辅助角γ，b22为利用式(9)的极化辅助角γ，本发明的方案随着迭代次数的增加，估计的mse性能得到明显改善。

图5为本发明提供的方案与现有技术的最大比合并信号输出snr对迭代次数的计算机仿真结果。这里假设来波的极化参数γ＝π/4和η＝-π/4，到达角信息和uy＝0，极化波在沿x轴和y轴极化方向的阵子上接收功率比为0.5。从图5可以看出，波形b31为本发明的最大比合并信号输出snr，波形b32为现有技术中只有y轴极化的合并信号输出snr，形b33为现有技术中只有x轴极化的合并信号输出snr，本发明的方案由于采用了两个极化方向信号的最大比合并，与现有技术相比获得了更大的接收snr。另外，本发明的方案随着迭代次数的增加，估计的角度信息和极化参数精确度提高，因而合并后的信号snr性能得到明显改善。

上述所提发明适用于高速数据通信，例如卫星通信和雷达感知。所公开的装置非常适合毫米波至太赫兹波极化参数的自适应跟踪估计。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。