一种基于DOA估计的DMWC频谱感知相位校准方法技术

本发明专利技术提出一种基于DOA估计的DMWC频谱感知相位差校准的方法，针对DMWC频谱感知系统的各个感知节点由于空间分布随机产生相位差异导致恢复率低的问题，该方法包括：（1）采样信号

A Phase Calibration Method for DMWC Spectrum Sensing Based on DOA Estimation

【技术实现步骤摘要】
一种基于DOA估计的DMWC频谱感知相位校准方法
本专利技术属于阵列信号处理与频谱感知交叉的
，具体而言，是通过DOA估计的方法对DMWC频谱感知系统中的阵列化分布的节点进行相位差校准。
技术介绍
近年来，随着互联网与移动通信技术的快速发展，无线通信用户呈现出爆发式增长，使得有限的频谱资源渐渐无法满足用户的需求。为提高频谱资源利用率，Moltila首次提出认识无线电技术（CR），而在CR技术中，频谱感知技术发挥着广泛的作用。压缩感知（CS）是一种采样速率远低于Nyquist采样速率的欠采样技术，并且可以较好的恢复信号，突破了Nyquist采样定理的瓶颈。调制宽带转换器（MWC）是由MIT的Elder教授所提出，将压缩感知理论的欠采样恢复重构技术变为实际的硬件电路。MWC的原理是通过一个传感器应用到多个通道，利用周期性的伪随机信号与原始的稀疏宽带信号进行叠加和混频，然后用低通滤波器过滤出低频信号。然而，当稀疏宽带信号不断增加，采样的通道数会成倍增加，但是在MWC中很难对采样通道数做调整，并且这在实际应用中也是个耗费成本的问题。分布式调制宽带转换器（DMWC）解决了这个问题，DMWC的思路是把MWC体系转变为基于动态多节点单通道的网络化协作欠采样体系，它的每个通道包括伪随机混频、低通滤波和低速采样，各个节点通道的输入信号各不相同。每一个节点相互之间独立执行一路通道的本地采样任务，并把源压缩采样数据传送到处理中心。阵列信号处理是信号处理的一个重要分支，它将一组传感器按一定的方式布置在空间不同的位置上，形成传感器阵列。用传感器阵列接收空间信号，相当于对空间分布的场信号采样，得到信号源的空间离散观测数据。阵列信号处理的目地是通过对阵列接收信号进行处理，增强所需要的有用信号，抑制无用的干扰和噪声，并提取有用的信号特征及信号所包含的信息。空间到达方向（DOA）估计是阵列信号处理的一个基本问题，它用于确定各个信号到达阵列参考阵元的方向角。DMWC中每一个通道作为一个感知节点分布在源信号的周围，各感知节点协同感知，通过一个数据收集中心把所有感知节点的欠采样数据汇总、处理、做出统一的感知判决，从而计算出原始信号的支撑集。DMWC中的各个感知节点就是阵列信号处理中的阵列参考阵元。由于DMWC的空间分布随机，每个通道作为独立的一个感知节点分布在不同的区域,各节点与源信号的距离不同带来了相位差异问题，而相位差异问题是DMWC频谱感知系统能否高效恢复接收信号的关键之一。如果感知系统的各个节点信号不同步，这不仅降低了系统的稳定性，也对恢复率产生了一定的影响。为了能够消除DMWC频谱感知系统所产生的节点相位差异并且提高系统的整体稳定性，采用估计波达角的方法，对节点间采样信号做DOA估计得到波达角和校准矩阵以实现对测量矩阵校准，实现节点间信号同步，以此提高DMWC的恢复率和系统的抗噪性。
技术实现思路
本专利技术旨在解决DMWC频谱感知系统各个节点接收压缩采样信号存在相位差的问题而提出的一种基于DOA估计的DMWC频谱感知相位校准的方法，其技术方案如下：步骤一：通过基于ULA的DMWC频谱感知系统得到采样后的矩阵；步骤二：通过采样矩阵，确定基于阵列的DOA估计所得到的节点信号的波达角；步骤三：根据节点信号的波达角得到节点间的相位差，然后对测量矩阵进行校准。有益效果：随着波达角的增加，不同节点间的相位差异会越来越大，导致信号的恢复率越来越低。通过DOA估计校准节点间相位差后，随着波达角的增加，相位校准后的恢复率相比校准前逐渐增加，从波达角为10°时最大相差5%一直到波达角为80°时恢复率最大相差65%，在波达角为0°时，校准前后信号的恢复率相差达到最大。因此经过DOA估计校准的DMWC频谱感知系统的恢复率整体上都优于存在相位差异的DMWC频谱感知系统。附图说明图1基于DOA估计的DMWC频谱感知系统相位校准的流程框图。图2基于DOA估计的MWC的原理框图。图3不同信噪比下对波达角的估计误差关系图。图4实际波达角与估计误差的关系图。图5不同波达角与信号恢复率的关系图。具体实施方式图1为基于MWC的支撑集快速恢复方法的流程图，本专利技术的具体实施方案步骤如下，结合附图阐述如下。步骤一：图2为基于DOA估计的DMWC的原理框图，它是由组成的均匀线性阵列（ULA），并且每个相邻传感器之间的距离是d（，c为光速）。所有的传感器都是一致的采样模式以实现MWC单个通道的功能。对原始采样信号x(t)乘以一个周期为函数p(t)（对p(t)的唯一要求是它的傅立叶级数系数在信号的奈奎斯特带宽内都不为零）进行伪随机数列混频，把频带内的频谱信息扩散到整个频带，采用截止频率为的滤波器进行滤波，并以的采样速度进行采样得到采样信号。步骤二：确定基于阵列的DOA估计所得到的节点间相位差，采用的方法为估计信号的波达角。相邻的阵元间存在着相同的距离，这个相同的距离反映了一个特性叫子阵间的旋转不变性，利用这个特性实现对信号波达角的估计，具体步骤如下：1）确定每个节点的采样数据个数Q，以DMWC采样后的压缩信号和Q为输入。根据公式，计算采样数据的协方差；2）通过对矩阵R进行广义特征分解，即：，其中，，；3）取特征值中前N个最大特征值构成信号子空间估计S，根据阵列的移不变性表示S可以分解为两部分，即：，与为分解后的两部分；4）考虑到噪声的影响，利用总体最小二乘法（TLS）的思想对矩阵做分解。总体最小二乘法的解满足：可得：。则，将按照这个公式分解得到矩阵,；5）根据公式得到旋转不变矩阵；6）根据两个相邻子阵元在t时刻的输出信号矢量表达式：其中，矩阵为对角矩阵，也是把子阵、联系起来的旋转算子。称为方向矩阵，表示方向向量，可表示为。将旋转不变矩阵进行特征值分解，即可得特征值组成的旋转算子，其中.；7）通过求得的旋转算子解出N个方位参数，将方位参数代入求出方向矩阵A，找出方向矩阵列向量与采样值矩阵相关系数最大的列，将相关系数最大的方位参数作为最终DOA估计的波达角。步骤三：波达角由矩阵表示，其中相移，根据DMWC频谱感知系统信号采样公式：（T为原测量矩阵），通过矩阵对相位差进行校准，以提高信号重构率。在波达角未知的情况下，测量矩阵根据DMWC中混频步骤的混频序列所得出，导致了测量矩阵存在偏差从而使得DMWC频谱感知系统的信号恢复率降低。图3横轴为信噪比（SNR），纵轴为对波达角的估计误差，可以看出，随着信噪比的提高，估计误差会大幅度降低。图4为不同波达角的角度对估计误差的影响，当波达角为0°时，估计误差将减小，对恢复原始信号的影响也越小。图5四幅仿真图中是波达角为10°、30°、60°、80°下相位校准前后对比。左上仿真图波达角为10°，右上波达角为30°，左下波达角为60°，右下波达角为80°，横轴为信噪比（SNR），纵轴为信号的恢复率，星型表示未做DOA估计校准的信号（校准前），三角形表示做了DOA估计校准的信号（校准后）。随着波达角的增加，校准前（星型）的信号恢复准确率越来越低1而校准后（三角形）的信号恢复率可以极大的提高。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于DOA估计的DMWC频谱感知系统相位差校准方法，其特征在于所述的方法过程为：步骤一：通过基于均匀线性阵列（ULA）的DMWC频谱感知系统，得到采样信号矩阵

【技术特征摘要】
1.一种基于DOA估计的DMWC频谱感知系统相位差校准方法，其特征在于所述的方法过程为：步骤一：通过基于均匀线性阵列（ULA）的DMWC频谱感知系统，得到采样信号矩阵；步骤二：根据DOA估计所得到的波达角确定各个节点接收信号的时延，进而确定节点间的相位差；步骤三：根据节点接收信号的相位差对测量矩阵进行校准。2.根据权利要求1所述的基于DOA估计的DMWC频谱感知系统相位差校准，其特征在于步骤一中，DMWC频谱感知系统采用节点空间随机分布、局部阵列均匀线性的结...

【专利技术属性】
技术研发人员：李智，李秋月，李健，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51