專利名稱：快速信號子空間估計方法
技術領域：
本發明涉及數字信號處理技術領域，特別涉及一種降低信號子空間估計計算復雜度并保證數值穩健性的方法。
背景技術：
隨著大規模集成電路和數字信號處理技術的發展，信號子空間估計問題已經成為許多領域的關鍵問題之一，如相控陣雷達的波達方向(DOA)估計和降秩空時自適應處理 (STAP)、移動通信的多用戶檢測(Multi-user Detection)等。傳統的信號子空間估計方法通常是對觀測數據協方差矩陣進行特征值分解(EVD)，對應大特征值的特征向量張成信號子空間，其余特征向量張成噪聲子空間。然而由于特征值分解的計算復雜度非常高，數量級為0(M3)，其中M為觀測數據的維數，并且需要計算觀測數據協方差矩陣，計算復雜度為 O(M2N)，其中N為形成協方差矩陣的采樣支持長度。因此利用特征值分解估計信號子空間的計算復雜度為0(Μ3+Μ2Ν)。然而在很多實際應用中，特別是相控陣雷達和第三代移動通信系統，觀測數據維數M通常很大，因此巨大的計算量往往限制了實時應用。學術界和產業界相繼提出了一系列的信號子空間快速估計方法來避免計算特征值分解，如G. Xu提出了基于Lanczos的快速子空間估計方法，其計算復雜度為0 (M2P+M2N)， 其中P為信號子空間的維數。當P遠小于M時，該方法的計算量得到一定程度減輕，然而其仍然需要計算協方差矩陣。另外一種方法是基于多級維納濾波(MSWF)前向迭代來估計信號子空間。多級維納濾波前向迭代可以在數據層次(data-level)或者協方差矩陣層次 (power-level)實現。協方差矩陣層次的前向迭代與G. Xu的方法的計算量一致，而數據層次的前向迭代，特別是基于相關相減結構的阻塞矩陣選擇，能夠大大降低其計算復雜度，然而其數值穩健性無法得到保證，尤其在有限精度運算中。
發明內容
本發明的目的是克服上述缺陷，提出一種數值穩健的快速信號子空間估計方法。為實現上述目的，本發明的快速子空間估計方法包括獲得天線陣元的觀測數據模型；構造新的觀測數據，對所述新的觀測數據進行迭代；根據所述迭代結果構造轉換矩陣；以及獲得所述轉換矩陣的列向量。進一步地，所述方法在所述構造新的觀測數據，對所述新的觀測數據進行迭代的步驟之前還包括根據所述觀測數據模型獲得天線陣元接收信號數據；根據所述天線陣元接收信號數據構造新的期望信號和新的觀測數據；其中，所述觀測數據模型為χ (k) = [X1 (k) , X2 (k) , xM(k)]T, k = 1,2, ...，N
權利要求
1.一種快速信號子空間估計方法，其特征在于，所述方法包括如下步驟(1)獲得天線陣元的觀測數據模型；(2)構造新的觀測數據，對所述新的觀測數據進行迭代；(3)根據所述迭代結果構造轉換矩陣；以及(4)獲得所述轉換矩陣的列向量。
2.如權利要求1所述的方法，其特征在于，在步驟⑴和(2)之間還包括如下步驟 根據所述觀測數據模型獲得天線陣元的初始接收信號數據；根據所述天線陣元的初始接收信號數據構造新的期望信號和新的觀測數據。
3.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述觀測數據模型為 X (k) = [X1 (k), X2 (k), xM(k)]T, k = 1,2, ···, N=Α( θ ) s (k) +η (k)=[a(-,a(0p)][Sl(k),s2(k), sP(k)]T+ Ln1 (k),n2 (k), ...，nM(k)]T 其中，％(k)代表第M個天線陣元的信號數據；s(k)，A(9)和n(k)分別表示信號矢量、 導向矩陣以及噪聲矢量；N為采樣支持長度，“θ》代表波達方向為Qi的信號導向矢量， 并且其具有如下形式 (θ,) = [\, β;φ·,···,βΚΜ-1)φ']Τ 其中釣=2雙&:111《/；1，(1和λ分別表示ULA陣的陣元間距以及接收信號的載波波長。
4.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述步驟(2)通過多級維納濾波前向迭代計算實現。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述迭代結果為歸一化互相關矢量Iii和阻塞矩陣。
6.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述構造后的轉換矩陣為 其中，K i為具有單位范數，任意相位的旋轉因子；hi為歸一化互相關矢量；(^i為阻塞矩陣；Qi為Householder矩陣Qi的第一列。
7.如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述獲得所述轉換矩陣的列向量的步驟通過按照多級維納濾波前向迭代的Householder矩陣后向連乘來實現。
8.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述新的期望信號為天線參考陣元的觀測數據，即 d0(k) =Xl(k)。
9.如權利要求2所述的方法，其特征在于，所述新的觀測數據為X(l(k)= [x2(k), X3(k),…，％(k)]T，其中，％(k)代表第M個天線陣元的信號數據。
10.如權利要求4所述的方法，其特征在于，所述多級維納濾波前向迭代計算在所述新的觀測數據的數據層次上進行。
全文摘要
本發明涉及數字信號處理技術領域。本發明提供了一種快速信號子空間估計方法，所述方法包括根據觀測數據模型，獲得接收天線陣元的初始觀測信號；構造新的觀測數據，對所述新的觀測數據進行迭代；根據所述迭代結果構造轉換矩陣；以及，獲得所述轉換矩陣的列向量。本發明的方法在數據層次上進行多級維納濾波前向迭代，得到前向迭代過程的轉換矩陣，進而利用Householder矩陣的酉性質快速地計算該轉換矩陣，從而獲得信號子空間的一組標準基向量；所述方法借助了多級維納濾波前向迭代的Householder變換，不僅進一步降低了計算復雜度，還保證了算法在有限精度下的數值穩健性。
文檔編號H04L1/06GK102208930SQ20101013520
公開日2011年10月5日 申請日期2010年3月30日 優先權日2010年3月30日
發明者馮振明, 崔曉偉, 莊學彬, 陸明泉 申請人:清華大學