一种基于空间谱估计测向算法的仿真与实现

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1、为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。一种基于空间谱估计测向算法的仿真与实现　　【摘要】空间谱估计测向方法以其超分辨力、高灵敏度和高准确度的测向性能逐渐在无线电测向发展中发挥重要作用。在对空间谱估计测向相关理论和MUSIC算法阐释的基础上，提出了具体仿真程序和系统设计思路，最后用实验验证了该系统具有实用性和高灵敏度特性。　　【关键词】空间谱估计测向MUSIC算法无线电

2、测向　　1引言　　“测向”即“无线电测向”，它是根据无线电波在空间中的传播特性，利用特定的仪器和设备，对无线电波的来波方向进行测量和确定的过程。　　空间谱估计测向技术是无线电测向的一种方法。不同于传统的振幅测向法和相位测向法，它是在经典谱估计理论基础上发展起来的，是一种以多元天线阵结合现代数字信号处理技术的新型测向技术。空间谱估计理论最终还需要借助具体算法，才能将无线电信号中的具体空间信息“解释”出来，因此诞生了诸如最大熵算法、最小方差无失真相应算法、矩阵分解算法、ESPRIT算法和MUSIC算法。MUS

3、IC算法在20世纪70年代被提出，因其对空间信号的高分辨率特性和适中的运算复杂程度，逐渐成为空间谱估计领域的经典算法。为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　因此，本文将利用空间谱测

4、向理论，对MUSIC算法进行仿真分析，进而指导完成空间谱估计测向系统的设计，最后对系统的灵敏度性能进行对比实验测试。　　2算法及仿真分析　　总的来讲，信号的观测空间可以分为信号子空间和噪声子空间，这两个空间正交。信号子空间由数据协方差矩阵的特征向量组成，噪声子空间则由数据协方差矩阵中所有最小特征值对应的特征向量组成。MUSIC算法就是利用这两个互补空间之间的正交特性来估计空间信号的方位。　　空间谱估计测向原理　　P即为MUSIC谱估计的方向谱函数，使P取极大值的θ值就是对来波信号到达角的估计值。　　综上所

5、述，空间谱估计测向是充分利用天线各个阵元从空间电磁场接收到的全部信息，从而使其具有抗多径能力以及对相干信号进行测向的能力。　　MUSIC算法仿真分析　　根据上述原理阐述，用软件对MUSIC算法进行仿真。　　仿真工具：Matlab；　　仿真对象：20阵元线阵；　　仿真条件：线阵天线阵，阵元数为20，入射信号个数为2，信噪比为-10dB，天线阵半径波长比为2，快拍数为4098，加性噪声为正态分布随机矩阵。　　仿真效果如图2所示。为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教

6、学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　结论：通过对MUSIC算法的仿真分析可以看出，该算法可以对空间多个方向的来波信号进行测向并得出了正确的示向度结果，仿真示向度结果与假设能够吻合，其中，20元线阵准确度为7。　　3系统基本设计思路　　一般地，空间谱估计测向系统

7、主要由多元天线阵、多信道接收机、测向处理机和输出显示装置组成。多元天线阵由位于空间中不同位置的多个天线单元组成，是采集空间信号的传感器。多信道接收机一般将天线接收下来的信号进行滤波、放大、变频等处理。空间谱估计测向对各个通道的一致性要求较高，测向处理机是空间谱估计测向系统的核心，它接收A/D转换器输出的数字信号并按照相应算法对信号进行计算，最后估计出入射信号的数目和到达方向等参数。下面主要对天线阵、通信系统和配置系统提出设计思路。　　多元天线阵的设计　　在工程实践中，以第三章中介绍的MUSIC算法为基础，

8、又结合实际需要，设计了方形非均匀线阵。　　方形非均匀天线阵分布如图3所示，天线为20元，非均匀分布，天线高度为m，中心架一副自检发射天线，中心机房净空间为3m×3m×3m。该方形天线阵建成后边长将达到140m，且阵地范围平整。　　系统通信设计为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为