空间谱估计测向系统设计

第１７卷

Ｖ０１．１７

第４期

Ｎｏ．４

电子设计工程

ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＤｅｓｉｇｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ

２００９年４月

Ａｐｒ．２００９

空间谱估计测向系统设计

卞立军

（西安电子科技大学电子工程学院．陕西西安７１００７１）

摘要：空间谱估计测向是一种以多元天线阵结合现代数字信号处理为基础的新型测向技术。针对空间谱估计中的典

型算法——ＭＵＳＩＣ算法。在研究超分辨测向系统的构成、工作原理和硬件实现方案的基础上。提出了一种实现ＭＵ．

ＳＩＣ算法的并行处理方案。

关键词：空间谱估计；多元天线阵；ＭＵＳＩＣ算法；超分辨测向；并行处理

中图分类号：ＴＮ９７１

文献标识码：Ａ

文件编号：１００６－６９７７（２００９）０４－００９０北

Ｄｅｓｉｇｎｏｆｓｐａｔｉａｌｓｐｅｃｔｒｕｍｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ

ＢＩＡＮ

Ｌｉ－ｊＩｍ

（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＸｉｄｉａｎＵｎｉｖｅｒｓ渺，Ｘｉ’ａｌｌ７１００７１Ｃｈ／ａａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｐａｔｉａｌｓｐｅｃｔｒｕｍｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｉｓ

ａｎｅｗ

ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ－ｏｆ—ａｒｒｉｖａｌｅｓｔｉｍａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｂａｓｅｄ

ａ

ｏｎ

ｍｕｈｉｅｌｅｍｅｎｔ

ａｒｒａｙａｎｄｍｏｄｅｒｎｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇｔｈｅｏｒｙ．ＴｈｅＭＵＳＩＣａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｔｙｐｉｃａｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆｓｐａｔｉａｌｓｐｅｃｔｒｕｍｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ．

ａ

舢ＩｎｉＩｌｇ

ａｔ

ｔｈｅ

ＭＵＳＩＣａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｗｅｓｔｕｄｙｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｔｈｅｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｉｇｎ￥ｃｈｅｍｅ，ａｎｄｉｎｔｒｏｄｕｃｅｐｌａｎ

ｔＯ

ｐａｒａｌｌｅｌｐｒｏｃｅｓｓ

ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｔｈｅＭＵＳＩＣａｌｇｏｒｉｔｈｍ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｐａｔｉａｌｓｐｅｃｔｒｕｍｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ

ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ；ｍｕｌｔｉｅｌｅｍｅｎｔ

ａｒｒａｙ；ＭＵＳＩＣａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｓｕｐｅｒ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｄｉｒｅｃｔｉｏｎｆｉｎｄｉｎｇ；ｐａｒａｌｌｅｌ

１引言

随着电子技术的发展．电子对抗在武器系统中扮演着重要角色，电子对抗体系向多样化发展，诸如利用电子干扰设备直接干扰对方电子系统正常工作的电子对抗方法；利用武器弹药系统攻击对方电子设备。无论采用哪种方法赢得战场

函数Ｐ（ｐ）并进行谱峰搜索，从而估计出波达方向信息。图ｌ给出采用ＭＵＳＩＣ算法进行空间谱估计技术仿真测得的信号

源方向消息，其信号源方向分别为４５０，３００，一１８０，２５０。根据图

ｌ

ＭＵＳＩＣ算法仿真结果可以看出，该算法可精确确定信号源

方向信息。

主动。其前提条件是要知道对方通讯设备、无线电通信以及其他发射无线电信号的电子设备的方位。此外．为了实施对多源（如多发引信、多台通信机或ｆ扰机）的干扰，需有效利用我方干扰机的功率资源，确定发射源的方位，可采用转动

接收天线的角度确定发射源方位。但这种方法存在测角精度

掌整

和测量速度的矛盾．难以满足空间存在多个运动目标时，确定各目标方位的要求。而空间谱估计测向技术可实现对空域中多个目标的同时超分辨测向，因此，这里给出空间谱估计

测向系统设计方案。

图ｌ

信号源方向

ＭＵＳＩＣ空间谱估计测向仿真图

３空间谱估计测向系统设计

实现空间谱估计测向系统要具备物理支持（天线阵列和数字接收机）和软件系统支持。这两者是相辅相成的，其硬件的高性能、一致性使采样数据误差减小，从而充分表现谱估计软件的超分辨性能；谱估计算法的高速、高稳定性降低了

硬件成本要求。

３．１空间谱估计测向系统构成

空间谱估计测向系统的基本构成框图如图２所示。由图

２空间谱估计测向原理

空间谱估计测向是一种以天线阵输出信号的空间相关特性为基础的超分辨谱估计方法１１１。ＭＵＳＩＣ算法闭是基于特征

结构分析的空间谱估计方法，其测向原理［３１是根据矩阵特征

分解理论。对阵列输出协方差矩阵进行特征分解，将信号空

间分解为噪声子空间Ｅｎ＂和信号子空问尉，利用噪声子空

间Ｅ。ｎ与阵列的方向矩阵的列矢量正交的性质，构造空间谱收稿日期：２００８一１２一ｌｌ

稿件编号：２００８１２０３３

可见，该测向系统由多元天线阵，多信道接收机，转换器和信

作者简介：卞立军（１９８１一），男，河北唐山人，硕士研究生。研究方向：雷达信号处理。电子对抗技术，系统仿真和模拟。

．．９０—．

万方数据　

卞立军空间谱估计测向系统设计

—型坠—趸丽而１——币丽两嚣ｍ

●譬生—夏画丽）——Ｆ而药嘻一茭ｌ

ｙ兰＝叫鳖坚垫！Ｈ！！！垫垫墨Ｈ型

暑二＾，＝二二Ｉ爨ｌ多元天线阵多信道接收机

数据采集

图２空间谱估计测向系统

号处理终端构成问。要想使空问谱估计算法的优良性能在测向中得到很好体现，就需解决好相应组成部分的技术问题。

３．１．１多元天线阵

多元天线阵是对空间信号采集的传感器，各天线阵元接收到的信号幅度、相位与信号间的关系，以及信号到达方向有关。从原理上说。天线阵可以布置成任意形式，各天线阵元的特性也都不相同。在空间谱估计测向中，将具有相同特性的各阵元设为全向天线阵元．各阵元均匀等距地分布在一直线上。阵元间隔一般取为二分之一工作波长。这种阵通常称为均匀线阵。多元天线阵的各个阵元。要求机械定位精度高。各阵元的方向图要尽可能的保持一致。各阵元之间的互耦也

要尽量小。

３．１．２多信道接收机

每一天线阵元的输出送至各自的接收机输入端。如Ⅳ个天线阵元。就有』、ｒ个完全相同的接收机。接收机将信号放大、变频到适合Ａ／Ｄ转换的频率，从而输出中频信号。也可将ⅣＤ转换器和接收机集成一体，直接输出数字信号。为了完整保存各天线阵元接收的信号幅度和相位信息，一般采用ｌ、Ｑ通道方法，即在中放末级采用正交混频，将相位相差９００两路本振信号送到两个混频器，其输出的低通信号即为Ｉ和Ｑ通道信号。Ｉ和Ｑ通道各接一Ａ／Ｄ转换器，其输出就是数字化的复信号的实部和虚部。各个阵元的接收机模型如图３所示。

蕊蚓迭ｂ外．来

部一放噪一信声◆号

嘲

传输与滤波

：茎Ｉ

酊

阵元信道接收机模型

在通信侦察测向中，该接收机可采用多次变频的外差式接收机，雷达侦察测向时则是宽带微波数字式接收机。

空间谱估计算法对各个通道的一致性要求较高．虽然可通过加校正源改善通道的一致性。但是在实际应用中还要求多信道接收机的各个通道尽可能保证一致性良好。

３．１．３Ａ／Ｄ转换器

每一路接收机的输出需经枷转换变成数字信号。ＡｆＤ

转换器位数的选择应考虑信号的动态范围、量化噪声、对测向性能的影响，以及价格等因素，一般应不低于８位。

除采用Ｉ、Ｑ通道保存信号幅度和相位信息外，也可采用数字正交通道。这时每路接收机的输出只需一个Ａ／Ｄ转换器。不过采样频率应超过２倍信号带宽（常采用４倍信号带

万　

方数据宽的采样频率），再用数字方法形成信号的实部和虚部（数字式希尔伯特滤波器）。数据接收部分要求转换器的采样精度高．有效字长多，单位时间内的采样次数多。这样有利于捕获空间中出现的突发的、短暂的信号。

３．１．４数字信号处理终端

多路接收机经Ａ／Ｄ转换后输出的数字信号同时送至数字信号终端进行处理，以实现对空问信号的数目、信号到达方向以及信号其他参数的估计。空间谱估计测向方法的优异性能主要通过优良的测向算法及其在信号处理终端上的实现。与幅度和相位比较等测向方法不同，空间谱估计测向方法需经较为复杂的计算才能得到待测信号的到达方向．因此性能优异的高效测向算法和高速数字信号处理终端就成为这种测向技术的核心。从原理上考虑，一台通用微机可用于信号处理终端。当要求测向过程实时或准时时．则应采用高速数字信号处理器完成信号处理终端的任务。

３．２空间谱估计算法的硬件实现方案

现代数字信号处理方案多采用ｎ，ＧＡ和通用ＤＳＰ的混合设计。即ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ的设计方案。用ＦＰＧＡ设计协处理器处理大量、规则的计算．而利用ＤＳＰ的灵活性处理复杂不规则的计算。从而使整个系统性能达到最优。

对空间谱估计测向中的ＭＵＳＩＣ算法分析可知，ＭＵＳＩＣ算法可分为：求解协方差矩阵．对协方差矩阵特征分解和谱峰搜索。其中。求解协方差矩阵是一种包含大量而又规则计算的算法。且运算的数据直接从接收机的Ａ／Ｄ转换器输出得到．可采用定点计算方式，适合采用ＦＰＧＡＩ斓实现。ＦＰＧＡ具有可编程和现场配置的特点，利用与器件相应的ＣＡＤ软件，实现用户规定的各种特定功能。具有较高的灵活性。设计者可将其视为一个由若干与非门构成的阵列，各与非门之间通过一定的方式相连接。实现特定功能。

实现协方差矩阵的特征分解可采用雅可比算法。该算法中。数据的动态范围很大。用定点计算会发生溢出，并且也无法满足精度要求。所以只能采用浮点计算；雅可比算法除包含大量的乘法、加法外。还有开方、除法等不太规则的计算。

因此。用于实现特征分解的雅可比算法不宜采用ＦＰＣ．Ａ实现。而应采用ＤＳＰ实现。ＤＳＰ类似于通用微处理器ＣＰＵ。但又有其针对数字信号处理的特点。其与通用微处理器不同之处在于：采用哈佛结构，程序和数据分开存储；采用一系列措施保证数字信号的处理速度。如对ＦＦＴ的专门优化。因此ＤＳＰ数字信号处理能力大大优于通用微处理器，同时还具有通用微处理器系统灵活度高，计算可编程控制的特点，可适用于各种复杂的信号处理。

因此。ＭＵＳＩＣ算法的硬件实现可采用ＤＳＰ＋ＦＰＧＡ来实现．即定点计算和浮点计算混合的方案。ＦＰＧＡ实现求解协方差矩阵，可采用定点计算方法，然后把得出的数据送入ＤＳＰ．将其定点转换为浮点，用浮点计算方式计算特征分解和谱峰搜索。

（下转第９４页）

一９ｌ一

《电子设计工程）２００９年第４期

执行该任务。各个任务间根据信号量、消息邮箱、队列等通信方式传递信息。

５．２任务划分

实验，数据如表ｌ所示。

裹１对比实验部分数据

温度计温度进口表温度

，℃２１．Ｏ２１．Ｏ２５．１３０．Ｏ３５．１

，℃２０．９２０．９２５．Ｏ３０．Ｏ３５．０

进口表钠值

／ｐｐｂ０．１４０．２ｌ０．３５１．３７Ｏ．２０

样表温度

，℃２０．９２０．９２５．０３０．１３５．Ｉ

样表钠值

／ｐｐｂＯ．１５Ｏ．２ｌ０．３６１．３５Ｏ．２０

基于ｐ．Ｃ／ＯＳ．ＩＩ编写应用程序主要的工作是划分任务和分配优先级及任务之间信息的传递。设计中。将整个系统划

分为：①数据处理与显示；（勖菜单显示任务；③串Ｅｌ通信任

务。Ａ／Ｄ中断：ＡＤ７７１４的定时中断；触摸屏中断：点击触摸屏

触发外部中断。软件设计如图４所示。

篷＠瓣

而ｃ／ｏ—ｓ－ＩＩ瀚擎＼／＼俪廷：狄，俪

，，＾／Ｄ定时

¨

内核、

由表ｌ数据可知。该分析仪的测量精度接近进口仪表。通过与国家标准比对，分析仪的各项指标已符合国标，可作为在线式仪表用于水质钠离子含量的连续检测。

＼中断。

图４软件结构框图

在ＡＤ７７１４的加定时中断服务中发送消息。数据处理

及显示任务接收到消息后。把消息中的～ｒＤ数据经过公式推

导。转换成相应的钠含量并显示。

参考文献：

【１１化学工业部人事教育司，化学工业部教育培训中心组织

编写．化工分析仪表【Ｍ１．北京：化学工业出版社，１９９７．【２】承慰才．电厂化学仪表【Ｍ】．２版．北京：中国电力出版社，１９９８．【３】马潮．高档８位单片机ＡＴｍｅｇａｌ２８原理与开发应用指南（上）【Ｍ】．北京：北京航空航天大学出版社，２００４．

【４】任俊，修吉平．ＡＤ７７１４的工作原理及其应用忉．半导体技

术，２００２，２７０）：５６－５９．

【５】臧怀泉．基于Ｉ－ＬＣ／ＯＳ与ＭＳＰ４３０的手持数据采集系统叨．微

计算机信息（测控自动化），２００５，２１（２）：１０５一１０７．

【６】ＪｅａｎＪＬａｂｒｏｓｓｅ．嵌入式实时操作系统斗Ｃ／ＯＳ－ＩＩ［Ｍ］．２版．邵

在触摸屏中断处理函数中发送消息给菜单任务．菜单任务接收到消息中的坐标值后，进行判断并显示相应的菜单界面。串口通信任务把测量值经过串口远传到控制室。

６结语

系统创新性在于将高性能微处理器ＭＥＧＡｌ２８和新器件

ＡＤ７７１４首次应用于水质监测信号采集。同时移植斗Ｃ／ＯＳ．１Ｉ

操作系统。系统硬件电路简洁可靠，功耗低、可靠性高。软件实时性好，便于扩展功能。将此分析仪与进１２１仪表进行对照

贝贝译．北京：北京航空航天大学出版社。撇．

（上接第９ｌ页）

求解协方差矩阵时有串行和并行两种方案。串行方案主

要是以节省资源为优先考虑的一种方案．可用于那些对实时

４结论

在空间谱估计测向系统构成、工作原理、某些关键技术及硬件实现的基础上，介绍基于相关矩阵特征分解的ＭＵＳＩＣ算法原理及其硬件实现方案。空间谱估计技术对雷达信号侦

察测向的前景良好。具有研究价值。参考文献：

性要求不太严格的应用中：并行解决方案主要是以处理速度为优先考虑的一种方案．可用于那些对实时性要求较高的应用中。图４给出并行处理方案的原理框图。

各阵

元接收机的输ｄ

缓

冲

存储嚣

多路选择墨

控制器

墓一

喜Ｐ

【１】肖先赐．现代谱估计——原理与应用【Ｍ】．哈尔滨：哈尔滨工

业大学出版社。１９９１．

存储嚣

【２】Ｒ０Ｓｃｈｍｉｄｔ．Ｍｕｌｔｉｐｌｅｅｍｉｔｔｅｒｌｏｃａｔｉｏｎ

Ｔｒａｎｓ．０１１

ａｎｄｓｉｇｎａｌｐａｒａｍｅｔｅｒ

ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥ

ＡＰ，１９８６（３）：２７６－２８０．

【３】ＰｅｔｒｃＳｔｏｉｃａ．谱估计原理【Ｍ】．魏平，唐斌，译．成都：电子科

技大学出版社．１９９９．

图４并行处理方案原理框图

并行方案与串行方案的区别在于：并行方案使用多个并行相乘累加器进行计算。这样可有效提高整个系统的处理速

度。并行处理的方案应当做到使各处理器的负载平衡。对于含８个阵元的测向系统．需要求出３６个元素的值。因此可选用２，３，４，６，１２，１８．３６个相乘累加器的不同的并行处理方

【４】刘德树，罗景青，张创云．空间谱估计及其应用【Ｍ】．北京：中

国科学技术大学出版社。１９９７．

【５】李国松．阵列信号处理的ＦＰＧＡ实现【Ｄ】．成都：电子科技大

学．２００１．

【６】陈景良．并行算法的设计与分析【Ｍ】．北京：高等教育出版

社．１９９４．

案。显然相乘累加器越多，处理速度越快，但其成本也高。

一９．４—

万方数据　

空间谱估计测向系统设计

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：

卞立军， BIAN Li-jun

西安电子科技大学,电子工程学院,陕西,西安,710071电子设计工程

ELECTRONIC DESIGN ENGINEERING2009,17(4)

参考文献(6条)

1. 肖先赐 现代谱估计--原理与应用 1991

2. R O Schmidt Multiple emitter location and signal parameter estimation[外文期刊] 1986(03)3. Petre Stoica;魏平;唐斌 谱估计原理 19994. 刘德树;罗景青;张剑云 空间谱估计及其应用 19975. 李国松 阵列信号处理的FPGA实现 20016. 陈景良 并行算法的设计与分析 1994

本文读者也读过(10条)

1. 莫景琦 空间谱估计测向设备[期刊论文]-中国无线电2010(8)

2. 樊严. 李炳荣. 熊华. FAN Yan. LI Bingrong. XIONG Hua 空间谱估计阵列测向研究[期刊论文]-弹箭与制导学报2008,28(5)

3. 张平芳. CHENG Ren. ZHANG Ping-fang. CHENG Ren 一种空间谱估计测向系统的研究与实现[期刊论文]-微计算机信息2008,24(21)

4. 陈旗. 黄高明. 宋士琼. 陶学龙. CHEN Qi. HUANG Gao-ming. SONG Shi-qiong. TAO Xue-long 基于空间谱估计的测向技术[期刊论文]-火力与指挥控制2010,35(8)

5. 沙晶晶. 施浒立. SHA Jing-jing. SHI Hu-li 基于空间谱估计的多目标信号分离研究[期刊论文]-现代电子技术2010,33(23)

6. 胡刚. 沈强 空间谱估计测向系统及其实际应用[期刊论文]-中国无线电2010(5)

7. 司锡才. 郭连骐 舰载通信空间谱估计超分辨测向技术研究[期刊论文]-哈尔滨工程大学学报2002,23(5)8. 王启峰. 胡生亮. 黄高明. WANG Qi-feng. HU Sheng-liang. HUANG Gao-ming 相干信号空间谱估计测向仿真研究[期刊论文]-舰船科学技术2009,31(5)

9. 杨淑艳 空间谱测向技术简介——多波测向[期刊论文]-中国无线电2010(2)

10. 李大雨. Li Dayu 空间谱估计技术在无人机测向系统中的应用[期刊论文]-战术导弹技术2008(2)

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzsjgc200904035.aspx