一种信号合成方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种信号合成方法及系统。该方法包括步骤：建立与合成信号相关的目标函数，并根据目标函数确定与合成权值向量对应的待求解的特征矩阵；采用符号极化法和坐标旋转数字计算法对待求解的特征矩阵进行计算，以得到求解后的特征矩阵；计算求解后的特征矩阵所对应的最优合成权值向量；根据最优合成权值向量对多路信号进行加权相干相加操作，以确定合成信号。该装置包括：确定单元、第一计算单元、第二计算单元和处理单元。本发明专利技术提供的方法和系统在各路信号的噪声方差相等或者不相等的情况均可以使用，并在大幅度简化计算量的同时，使合成后的信号具备良好的性能。

A method and system for signal synthesis

The invention discloses a signal synthesis method and a system. The method includes the steps: establishing the target function related to the synthetic signal and determining the characteristic matrix corresponding to the weight vector according to the target function. The eigenmatrix is calculated with the symbolic polarization method and the coordinate rotation digital calculation method to obtain the eigenmatrix after the solution; after calculation, the solution is solved. The optimal synthetic weight vector corresponding to the characteristic matrix, and the weighted coherent addition operation of the multiple signals based on the optimal weight vector, is used to determine the synthetic signal. The device comprises a determining unit, a first calculating unit, a second calculating unit and a processing unit. The method and system provided by the present invention can be used in cases of equal or unequal noise variance of each signal, and make the synthesized signal good performance while greatly simplifying the amount of calculation.

【技术实现步骤摘要】
一种信号合成方法及系统
本专利技术涉及传感器网络
，尤其涉及一种信号合成方法及系统。
技术介绍
近年来，传感器网络已经广泛应用于环境监测、健康护理、智能家居、城市交通以及军事安全，但是由于传感器网络节点信号感知能力有限，对于一些微弱信号的接收处理能力不足，因此需要将多个节点所接收到的信号进行合成，进而提高接收信号的信噪比。信号合成的目标就是使合成信号的信噪比最大，除了要将多路接收信号间时延和频率等参数差异进行补偿使信号对齐之外，还需要按照最优的权值进行加权相干相加。由于对齐之后信号部分相干相加，而噪声随机相加，合成信号的有用部分的功率比噪声功率提升多，因此合成信号的信噪比得到提高。K.M.Cheung等人发表的文章《EigenTheoryforOpticalSignalCombining:AUnifiedApproach》中提出了以合成信号信噪比为目标函数的特征值分解算法(Signal-to-NoiseRatioEIGEN，SNREIGEN)，其中估计噪声相关矩阵的通常做法是假设噪声是高斯白噪声，并通过记录一段纯噪声再进行相关计算获得。但这样，一方面会增加系统的复杂度，另一方面具有不能准确反映信号带宽内噪声特性的风险，所以实际应用中，更多采用合成信号功率作为目标函数进行权值估计。C.H.Lee等人发表的文章《Large-ArraySignalProcessingforDeepSpaceApplication》中指出输出功率最大准则与合成信号信噪比最大准则是等价的。最大输出信号功率准则就是以合成信号的功率作为目标函数，计算最优合成权值，使得合成信号的输出功率最大(CombinedOutputPowerEIGEN，COPEIGEN)。以合成信号功率为目标函数的特征值分解算法由于假设各信号的噪声方差相等，因此可以忽略噪声相关的影响，无需估计噪声相关矩阵，但是当各路信号噪声方差不一致时，采用最大输出信号功率准则计算合成权值将是有偏的。B.Luo等人发表的文章《OnEigen-BasedSignalCombiningUsingtheAutocorrelationCoefficient》中指出合成信号的自相关系数与合成信号信噪比最大准则是等价的(AutocorrelationCoefficientEIGEN，ACEIGEN)。以上三种算法SNREIGEN、COPEIGEN和ACEIGEN的最优合成权值计算过程相似，合成权值的最优值是某个矩阵最大特征值对应的特征向量。但是这些算法的主要问题在于计算量较大。特别是，随着接收信号路数N和相关计算的长度L的增加，计算信号相关矩阵和求解最大特征值对应的特征向量的计算量将是巨大的，因此需要改进算法对计算量进行大幅缩减。
技术实现思路
本专利技术的目的在于，解决现有的信号合成技术中计算量大以及合成损耗较大的问题，提供一种信号合成方法及系统，采用符号极化法和坐标旋转数字计算法计算接收信号的相关矩阵，采用幂法算法或CW迭代法计算与相关矩阵对应的最优合成权值向量。该方法和系统在各路信号的噪声方差相等或者不相等的情况均可以使用，并在大幅度简化计算量的同时，使合成后的信号具备良好的性能。为了实现上述目的，一方面，本专利技术提供了一种信号合成方法。该方法包括步骤：建立与合成信号相关的目标函数，并根据所述目标函数确定与合成权值向量对应的待求解的特征矩阵；采用符号极化法和坐标旋转数字计算法对所述待求解的特征矩阵进行计算，以得到求解后的特征矩阵；计算所述求解后的特征矩阵所对应的最优合成权值向量；根据所述最优合成权值向量对多路信号进行加权相干相加操作，以确定所述合成信号。优选地，所述建立与合成信号相关的目标函数，并根据所述目标函数确定与合成权值向量对应的待求解的特征矩阵，包括：建立合成信号功率的目标函数，并根据所述目标函数确定所述待求解的特征矩阵为接收信号相关矩阵；或建立合成信号自相关系数的目标函数，并根据所述目标函数确定所述待求解的特征矩阵为接收信号的两个相关矩阵的乘积。优选地，所述待求解的特征矩阵中包括接收信号互相关函数，在采用所述符号极化法对所述待求解的特征矩阵进行计算中，包括采用以下公式对所述接收信号互相关函数进行计算：其中，i和j表示路编号，N表示总路数，k表示采样点编号，L表示采样点总数，xi(k)表示从第i路中第k个采样点接收到的信号，表示极化信号的估计，τ表示信号的位移量，表示极化信号互相关函数的估计，表示接收信号互相关函数的估计。优选地，在采用所述坐标旋转数字计算法对所述待求解的特征矩阵进行计算中，包括采用以下公式对进行计算：zl+1＝zl-δlarctan(2-l)l＝0,1,2,…,n-1其中，l表示迭代次数，n表示总的迭代次数。优选地，所述计算所述求解后的特征矩阵所对应的最优合成权值向量，包括：采用幂法算法或CW迭代法计算所述求解后的特征矩阵所对应的最优合成权值向量。另一方面，本专利技术提供了一种信号合成系统。该系统包括确定单元，用于建立与合成信号相关的目标函数，并根据所述目标函数确定与合成权值向量对应的待求解的特征矩阵；第一计算单元，用于采用符号极化法和坐标旋转数字计算法对所述待求解的特征矩阵进行计算，以得到求解后的特征矩阵；第二计算单元，用于计算所述求解后的特征矩阵所对应的最优合成权值向量；处理单元，根据所述最优合成权值向量对多路信号进行加权相干相加操作，以确定所述合成信号。优选地，所述确定单元具体用于：建立合成信号功率的目标函数，并根据所述目标函数确定所述待求解的特征矩阵为接收信号相关矩阵；或建立合成信号自相关系数的目标函数，并根据所述目标函数确定所述待求解的特征矩阵为接收信号的两个相关矩阵的乘积。优选地，所述确定单元确定的待求解的特征矩阵中包括接收信号互相关函数，在所述第一计算单元中，包括采用以下公式对所述接收信号互相关函数进行计算：其中，i和j表示路编号，N表示总路数，k表示采样点编号，L表示采样点总数，xi(k)表示从第i路中第k个采样点接收到的信号，表示极化信号的估计，τ表示信号的位移量，表示极化信号互相关函数的估计，表示接收信号互相关函数的估计。优选地，在所述第一计算单元中，包括采用以下公式对进行计算：zl+1＝zl-δlarctan(2-l)l＝0,1,2,…,n-1其中，l表示迭代次数，n表示总的迭代次数。优选地，所述第二计算单元具体用于：采用幂法算法或CW迭代法计算所述求解后的特征矩阵所对应的最优合成权值向量。本专利技术提供的一种信号合成方法及系统，采用符号极化法和坐标旋转数字计算法计算接收信号的相关矩阵，采用幂法算法或CW迭代法计算与相关矩阵对应的最优合成权值向量。该方法和系统在各路信号的噪声方差相等或者不相等的情况均可以使用，并在大幅度简化计算量的同时，使合成后的信号具备良好的性能。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种信号合成方法的流程示意图；图2为本专利技术实施例提供的另一种信号合成方法的流程示意图；图3为本专利技术实施例提供的噪声方差相等N＝4时合成损失示图；图4为本专利技术实施例提供的噪声方差不相等N＝4时合成损失示图；图5为本专利技术实施例提供的一种信号合成系统的结构示意图。具体实施方式下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案作进一步的详细描述。图1为本专利技术实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种信号合成方法，其特征在于，包括：建立与合成信号相关的目标函数，并根据所述目标函数确定与合成权值向量对应的待求解的特征矩阵；采用符号极化法和坐标旋转数字计算法对所述待求解的特征矩阵进行计算，以得到求解后的特征矩阵；计算所述求解后的特征矩阵所对应的最优合成权值向量；根据所述最优合成权值向量对多路信号进行加权相干相加操作，以确定所述合成信号。

【技术特征摘要】
1.一种信号合成方法，其特征在于，包括：建立与合成信号相关的目标函数，并根据所述目标函数确定与合成权值向量对应的待求解的特征矩阵；采用符号极化法和坐标旋转数字计算法对所述待求解的特征矩阵进行计算，以得到求解后的特征矩阵；计算所述求解后的特征矩阵所对应的最优合成权值向量；根据所述最优合成权值向量对多路信号进行加权相干相加操作，以确定所述合成信号。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立与合成信号相关的目标函数，并根据所述目标函数确定与合成权值向量对应的待求解的特征矩阵，包括：建立合成信号功率的目标函数，并根据所述目标函数确定所述待求解的特征矩阵为接收信号相关矩阵；或建立合成信号自相关系数的目标函数，并根据所述目标函数确定所述待求解的特征矩阵为接收信号的两个相关矩阵的乘积。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述待求解的特征矩阵中包括接收信号互相关函数，在采用所述符号极化法对所述待求解的特征矩阵进行计算中，包括采用以下公式对所述接收信号互相关函数进行计算：其中，i和j表示路编号，N表示总路数，k表示采样点编号，L表示采样点总数，xi(k)表示从第i路中第k个采样点接收到的信号，表示极化信号的估计，τ表示信号的位移量，表示极化信号互相关函数的估计，表示接收信号互相关函数的估计。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在采用所述坐标旋转数字计算法对所述待求解的特征矩阵进行计算中，包括采用以下公式对进行计算：zl+1＝zl-δlarctan(2-l)l＝0,1,2,…,n-1其中，l表示迭代次数，n表示总的迭代次数。5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述计算所述求解后的特征矩阵所对应的最优合成权值向量，包括：采用幂法算法或CW迭...

【专利技术属性】
技术研发人员：王雷欧，王东辉，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11