天线阵列信号处理方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种天线阵列信号处理方法及装置，在商用无线设备上实现了最少用户操作的波达角估计，并将估计算法扩展到三维空间和多径环境下。该方法包括：S10、分别计算天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的相位差，并利用惯性传感器测量所述第一次和第二次旋转的旋转角度；S11、根据所述相位差计算等效波达角；S12、根据所述等效波达角和旋转角度计算出所述天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号在信号方向和所述天线阵列张成的平面内的二维波达角。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及阵列信号处理领域，具体涉及一种天线阵列信号处理方法及装置。
技术介绍
近年来，基于天线阵列技术的无线感知理论与技术取得重大突破，应用于设备定位、人体追踪，人机交互等多个领域。这些应用的关键在于天线阵列信号处理。特别地，波达角估计是精准室内定位、无线安全通信、无线覆盖控制和被动人机交互等应用的基础技术。然而，波达角估计仍无法应用于商业无线设备。原理上，阵列包含天线越多，波达角测量精度越高。然而，目前大部分商业设备仅安装有少量天线，一般不超过三根。这使得直接使用商用设备的波达角估计无法达到精度需求。进一步，利用商业网卡和该网卡的一个经过微调的驱动，上层用户可以从每个数据包中获得一组包含M＝3根天线，N＝30个子载波的信道频率相应信息，即CSI：其中每个分量代表了OFDM(OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，正交频分复用)信号的对应子载波的幅度和相位，即：这里，H(ai,fj)是天线ai的中心频率为fj的子载波的CSI，||H(ai,fj)||表示CSI的幅度，＜H(ai,fj)表示CSI的相位(简便起见，记测量相位为)。CSI的测量相位与真实相位相比具有严重的相位偏移，其相位可以表示为其中，φi,j是信道真实相位，包含了波达角信息，δ是接收机时钟偏移，βi是第i根天线的常数相位偏差，Z是随机噪声。kj是第j个子载波的子载波索引，K是子载波索引总数。上述相位偏差中，由时钟偏差δ引入的相位偏差对波达角测量无影响，因为所有天线具有相同的相位偏差，而波达角仅与天线相位差有关。然而，不同天线具有不同的常数未知偏差βi，将影响波达角测量。如图1所示为具有随机相位偏差的双天线阵列应用MUSIC算法估计波达角结果图，当相位偏差βi为0时，波达角为120度。未知相位偏差严重影响了波达角估计精度，使得传统波达角估计算法无法直接应用到商业设备上。而已有工作或者仅适用于已知相对位置的固定设备或者需要引入大量人为操作以形成合成孔径雷达。基于商业移动设备的波达角测量仍然亟待进一步研究。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供一种天线阵列信号处理方法及装置，在商用无线设备上实现了最少用户操作的波达角估计，并将估计算法扩展到三维空间和多径环境下，而且无需知道设备的相对位置。一方面，本专利技术实施例提出一种天线阵列信号处理方法，包括：S10、分别计算天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的相位差，并利用惯性传感器测量所述第一次和第二次旋转的旋转角度；S11、根据所述相位差计算等效波达角；S12、根据所述等效波达角和旋转角度计算出所述天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号在信号方向和所述天线阵列张成的平面内的二维波达角。本专利技术实施例提供的天线阵列信号处理方法，要求用户连续两次旋转移动设备并测量旋转前后天线阵列接收的信号的相位差，将绝对波达角估计转换为相对波达角估计，该方法有两个优点：第一，因为阵列中每根天线的未知相位偏差是不变的，计算旋转前后的信号相位差可以消除相位偏差；第二，因为信号差量不包含相位偏差，其等效波达角可通过MUSIC等算法估计，进一步，等效波达角与阵列旋转角度有关，利用惯性传感器获取设备旋转角度，即可计算出旋转前后的波达角。整个过程用户只需要连续两次旋转移动设备即可实现准确的波达角计算，实现了最少用户操作的波达角估计。另一方面，本专利技术实施例提出一种天线阵列信号处理方法，包括：S20、分别计算天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的相位差；S21、根据所述相位差计算等效波达角；S22、根据所述等效波达角计算出所述天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的三维波达角，其中，所述三维波达角包括水平方位角和垂直方位角。本专利技术实施例提供的天线阵列信号处理方法，要求用户连续两次旋转移动设备并测量旋转前后天线阵列接收的信号的相位差，将绝对波达角估计转换为相对波达角估计，该方法有两个优点：第一，因为阵列中每根天线的未知相位偏差是不变的，计算旋转前后的信号相位差可以消除相位偏差；第二，因为信号差量不包含相位偏差，其等效波达角可通过MUSIC等算法估计，进一步，波达角与水平方位角和垂直方位角存在着空间几何关系，利用该空间几何关系以及等效波达角与相对波达角的关系，即可计算出旋转前后的波达角。整个过程用户只需要连续两次旋转移动设备即可实现准确的波达角计算，实现了最少用户操作的三维波达角估计。另一方面，本专利技术实施例提出一种天线阵列信号处理方法，包括：S30、分别计算天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的相位差；S31、根据所述相位差计算等效波达角；S32、根据所述等效波达角计算出所述天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的三维波达角，其中，所述三维波达角包括水平方位角和垂直方位角；S33、利用所述三维波达角对所述天线阵列进行相位校准；S34、利用相位校准后的天线阵列进行信号波达角估计。本专利技术实施例提供的天线阵列信号处理方法，因无法对位置未知的移动设备进行校准，故首先连续两次旋转移动设备以计算出三维波达角，之后用三维波达角替换发射机和接收机的相对位置，以此对天线阵列进行相位校准，校准后的天线阵列能够消除未知相位偏差，之后即可利用传统的波达角估计算法估计波达角，为了应用在多径环境，本专利技术要求用户在校准时位于发射机附近的视距路径范围内，旋转设备以估计波达角。在此情况下，视距路径信号强度远高于非视距路径信号强度，多径效应较弱，能够得到准确的波达角估计，从而能够实现天线阵列的准确相位校准，利用校准后的天线阵列即可实现多径环境下波达角的准确估计。整个过程用户只需要连续两次旋转移动设备，并执行一次校准即可实现多径环境下准确的波达角计算，实现了最少用户操作的波达角估计，而且利用三维波达角替换发射机和接收机的相对位置，从而无需知道设备的相对位置。另一方面，本专利技术实施例提出一种天线阵列信号处理装置，包括：第一计算单元，用于分别计算天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的相位差，并利用惯性传感器测量所述第一次和第二次旋转的旋转角度；第二计算单元，用于根据所述相位差计算等效波达角；第三计算单元，用于根据所述等效波达角和旋转角度计算出所述天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号在信号方向和所述天线阵列张成的平面内的二维波达角。本专利技术实施例提供的天线阵列信号处理装置，要求用户连续两次旋转移动设备并测量旋转前后天线阵列接收的信号的相位差，将绝对波达角估计转换为相对波达角估计，具有两个优点：第一，因为阵列中每根天线的未知相位偏差是不变的，计算旋转前后的信号相位差可以消除相位偏差；第二，因为信号差量不包含相位偏差，其等效波达角可通过MUSIC等算法估计，进一步，等效波达角与阵列旋转角度有关，利用惯性传感器获取设备旋转角度，即可计算出旋转前后的波达角。整个过程用户只需要连续两次旋转移动设备即可实现准确的波达角计算，实现了最少用户操作的波达角估计。另一方面，本专利技术实施例提出一种天线阵列信号处理装置，包括：第四计算单元，用于分别计算天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的相位差；第五计算单元，用于根据所述相位差计算等效波达角；第本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种天线阵列信号处理方法，其特征在于，包括：S10、分别计算天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的相位差，并利用惯性传感器测量所述第一次和第二次旋转的旋转角度；S11、根据所述相位差计算等效波达角；S12、根据所述等效波达角和旋转角度计算出所述天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号在信号方向和所述天线阵列张成的平面内的二维波达角。

【技术特征摘要】
1.一种天线阵列信号处理方法，其特征在于，包括：S10、分别计算天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的相位差，并利用惯性传感器测量所述第一次和第二次旋转的旋转角度；S11、根据所述相位差计算等效波达角；S12、根据所述等效波达角和旋转角度计算出所述天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号在信号方向和所述天线阵列张成的平面内的二维波达角。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S12，包括：根据所述等效波达角和旋转角度计算出所述天线阵列在第一次旋转前后接收的OFDM信号在信号方向和所述天线阵列张成的平面内的二维波达角的两组解，以及所述天线阵列在第二次旋转前后接收的OFDM信号在信号方向和所述天线阵列张成的平面内的二维波达角的两组解；选取所述四组解中所述天线阵列在第一次旋转后接收的OFDM信号在信号方向和所述天线阵列张成的平面内的二维波达角与所述天线阵列在第二次旋转前接收的OFDM信号在信号方向和所述天线阵列张成的平面内的二维波达角差距最小的两组解，从该两组解中确定出所述天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号在信号方向和所述天线阵列张成的平面内的二维波达角。3.一种天线阵列信号处理方法，其特征在于，包括：S20、分别计算天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的相位差；S21、根据所述相位差计算等效波达角；S22、根据所述等效波达角计算出所述天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的三维波达角，其中，所述三维波达角包括水平方位角和垂直方位角。4.一种天线阵列信号处理方法，其特征在于，包括：S30、分别计算天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的相位差；S31、根据所述相位差计算等效波达角；S32、根据所述等效波达角计算出所述天线阵列在第一次和第二次旋转前后接收的OFDM信号的三维波达角，其中，所述三维波达角包括水平方位角和垂直方位角；S33、利用所述三维波达角对所述天线阵列进行相位校准；S34、利用相位校准后的天线阵列进行信号波达角估计。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述S33，包括：将所述三维波达角作为Phaser的输入，利用所述Phaser对所述天线阵列进行相位校准。6.一种天线阵列信号处理装置，其特征在于，包括：第一计算单元...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱堃，吴陈沭，杨铮，刘云浩，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11