一種快速lms自適應(yīng)波束形成的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種應(yīng)用于60GHz無(wú)線通信系統(tǒng)的快速 LMS自適應(yīng)波束形成的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 智能天線能有效地提高頻譜的利用率，是解決頻率資源匱乏的一種有效途徑，同 時(shí)還可以提高系統(tǒng)容量和通信質(zhì)量。它最初廣泛應(yīng)用于雷達(dá)聲納等軍用領(lǐng)域，由于價(jià)格等 因素一直未能普及到其他通信領(lǐng)域。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，技術(shù)越來(lái)越成熟。近年來(lái)，將它應(yīng)用 到民用移動(dòng)通信中的研究也越來(lái)越受到關(guān)注。
[0003] 智能天線的核心技術(shù)之一就是自適應(yīng)數(shù)字波束形成技術(shù)。數(shù)字波束形成技術(shù)是將 天線與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)相結(jié)合，利用空間特性來(lái)改進(jìn)接收系統(tǒng)輸出信噪比的，通過(guò)軟件 編程在自適應(yīng)信號(hào)處理器上實(shí)現(xiàn)的。它不用對(duì)硬件做任何操作，只需通過(guò)修改軟件，就可以 方便地更新系統(tǒng)，以適應(yīng)不同環(huán)境和不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求。數(shù)字波束形成智能天線可通過(guò) 自適應(yīng)算法調(diào)整加權(quán)值，任意改變方向圖，在有用信號(hào)方向形成主波束，而在其它用戶方向 增益較低或形成零陷，減少了其它用戶所引起的多址干擾，同時(shí)還可以降低接收信號(hào)的衰 落程度，提高系統(tǒng)性能。
[0004] 步長(zhǎng)、信號(hào)到達(dá)角、陣元個(gè)數(shù)和陣元間距都會(huì)對(duì)60GHz無(wú)線通信天線輸出有影響。 當(dāng)系統(tǒng)確定后，步長(zhǎng)、信號(hào)到達(dá)角、陣元個(gè)數(shù)和陣元間距等參數(shù)就已經(jīng)確定了，影響因素就 只剩下步長(zhǎng)因子了，步長(zhǎng)因子對(duì)算法的收斂速度影響很大。步長(zhǎng)的合理選擇將對(duì)算法的收 斂速度、對(duì)時(shí)變天線陣系統(tǒng)的跟蹤速度和穩(wěn)態(tài)誤差等產(chǎn)生直接的影響。為了能夠精確定位 感興趣的信號(hào)，可以通過(guò)減小步長(zhǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是太小的步長(zhǎng)又將會(huì)降低算法的收斂速度，不 能使天線陣及時(shí)調(diào)整到最優(yōu)權(quán)值矢量。這一內(nèi)在的矛盾使得固定步長(zhǎng)的自適應(yīng)LMS (最小 均方）算法在收斂速度和穩(wěn)態(tài)誤差之間不能同時(shí)滿足，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，必須合理選擇步長(zhǎng)，權(quán) 衡兩個(gè)性能之間的關(guān)系步長(zhǎng)因子的取值對(duì)算法的性能起到至關(guān)重要的作用。作為調(diào)控算法 迭代過(guò)程中的唯一變量，步長(zhǎng)因子的取值是影響自適應(yīng)LMS算法收斂速度快慢的至關(guān)重要 原因。因此，自適應(yīng)LMS算法性能的改進(jìn)也都圍繞著步長(zhǎng)因子而進(jìn)行研究。
[0005] 傳統(tǒng)的LMS算法由于采用的是固定步長(zhǎng)因子，算法在收斂速度、穩(wěn)態(tài)失調(diào)以及對(duì) 時(shí)變系統(tǒng)的跟蹤能力之間存在著很大的矛盾。即小的步長(zhǎng)因子能夠保證算法進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后 具有較小的失調(diào)誤差，但是算法收斂速度很差，并且對(duì)時(shí)變系統(tǒng)的跟蹤能力也會(huì)變差；另一 方面，大點(diǎn)的步長(zhǎng)因子雖說(shuō)確保了算法具有較快的收斂速度以及良好的時(shí)變系統(tǒng)的跟蹤能 力，但是這以大的穩(wěn)態(tài)失調(diào)作為代價(jià)。為了解決這對(duì)矛盾，變步長(zhǎng)LMS算法應(yīng)運(yùn)而生，該類 算法的基本思想是，當(dāng)更新權(quán)系數(shù)距離最佳權(quán)系數(shù)較遠(yuǎn)時(shí)，選取較大的步長(zhǎng)，以此加快算法 的收斂速度以及對(duì)時(shí)變系統(tǒng)的跟蹤能力；當(dāng)更新權(quán)系數(shù)接近最佳權(quán)系數(shù)時(shí)，釆用小步長(zhǎng)，保 證算法在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)之后具有小的失調(diào)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的一些變步長(zhǎng)LMS算法仍然不能很好地解決 固定步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波算法存在的收斂速度、跟蹤速度和收斂精度之間的矛盾等技術(shù)問(wèn)題， 提供一種應(yīng)用于60GHz無(wú)線通信系統(tǒng)的快速LMS自適應(yīng)波束形成計(jì)算方法，能在具有較高 的收斂速度、跟蹤速度同時(shí)確保收斂精度。
[0007] 本發(fā)明針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題主要是通過(guò)下述技術(shù)方案得以解決的：一種快速LMS自 適應(yīng)波束形成的方法，包括以下步驟：
[0008] S01、天線陣接收原始信號(hào)X(n)，n = 1，2，……，N;
[0009] S02、對(duì)權(quán)向量W(n)進(jìn)行初始化設(shè)置；
[0010] S03、計(jì)算天線陣的輸出 y(n) = WH(n)X(n);
[0011] 304、計(jì)算天線陣的誤差6〇1)=(1(11)-?(1'(11)1(11) ;
[0012] S05、變步長(zhǎng) μ (η) = β (l_exp (-α I e (n) e (n_l) I)) *arcsinh (I e (η) 12);
[0013] S06、更新天線陣的 N 個(gè)權(quán)向量 W(n+1) = W(n)+2y (n)e(n)X(n);
[0014] S07、判斷是否收斂，如果不收斂，則挑轉(zhuǎn)到步驟S01，如果收斂則算法結(jié)束，天線陣 將處理后的信號(hào)輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器；
[0015] 其中，N為天線陣元數(shù)量，X(n)是輸入信號(hào)，d(n)是參考信號(hào)，參考信號(hào)為固定值， 也可以根據(jù)情況人為進(jìn)行調(diào)整，y(n)是輸出信號(hào)，e(n)是誤差信號(hào)，W(n)是權(quán)向量信號(hào)， μ (η)是變步長(zhǎng)，μ (η)是e (η)的變步長(zhǎng)函數(shù)，α是控制變步長(zhǎng)函數(shù)形狀的常數(shù)，β是控 制變步長(zhǎng)函數(shù)范圍的常數(shù)，Η為矩陣共輒轉(zhuǎn)置符號(hào)，Τ為矩陣轉(zhuǎn)置符號(hào)。
[0016] 作為優(yōu)選，所述收斂的判定方法為
[0018] 其中，λ_是輸入信號(hào)向量自相關(guān)矩陣的最大特征值。
[0019] 作為優(yōu)選，所述步驟S02中，對(duì)權(quán)向量進(jìn)行初始化設(shè)置為將所有W(n)置為零。
[0020] 作為優(yōu)選，天線陣的波束形成器對(duì)輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行誤碼率抑制以后，再輸入到模 數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器后再傳送到功率放大器，經(jīng)過(guò)功率放大器再通過(guò)天線輸出。
[0021] 在60GHz無(wú)線通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用中，由于外部干擾阻擋的存在，如發(fā)送和接收 之間瞬間被障礙物阻擋等等，天線接收到的信號(hào)中可能存在某種比較少見(jiàn)、一般情況不考 慮的干擾信號(hào)，以及其他無(wú)法預(yù)知的有效信號(hào)迅速衰減，通過(guò)本方法可以有效消除這些干 擾。該算法在輸入信號(hào)遭受大的干擾并且低信干比（SIR)時(shí)，算法的性能也不會(huì)收到影響， 算法在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后具有很小的失調(diào)。
[0022] 本發(fā)明帶來(lái)的實(shí)質(zhì)性效果是，很好地解決固定步長(zhǎng)自適應(yīng)濾波算法存在的收斂速 度、跟蹤速度和收斂精度之間的矛盾。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1是本發(fā)明的一種計(jì)算過(guò)程流程圖。
[0024] 圖2是本發(fā)明的一種基于快速LMS算法的智能天線自適應(yīng)波束形成器的結(jié)構(gòu)框 圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 下面通過(guò)實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說(shuō)明。
[0026] 實(shí)施例：本實(shí)施例的一種快速LMS自適應(yīng)波束形成的方法，如圖1所示，其流程為 程序啟動(dòng)后首先進(jìn)行權(quán)值的初始化設(shè)置，確定算法初始化條件；然后程序開始獲取輸入信 號(hào)以及參考信號(hào)