本發(fā)明涉及傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域,尤其涉及一種信號合成方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù):
隨著傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展,利用傳感器網(wǎng)絡(luò)對來自多個(gè)傳感器的接收信號進(jìn)行合成,成為提高信噪比的最有效方法之一。傳感器網(wǎng)絡(luò)利用多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)接收同一信號,利用信號的相干性和噪聲的不相干性,將接收信號進(jìn)行加權(quán)合成,從而提高接收信號質(zhì)量。
d.h.rogstad等人發(fā)表的文章《thesumplealgorithmforaligningarraysofreceivingradioantennas:coherenceachievedwithlesshardwareandlowercombiningloss》中提出一種sumple算法。c.h.lee等人發(fā)表的文章《fasteigen-basedsignalcombiningalgorithmforlargeantennaarrays》中提出一種proposedmatrix-freesignalcombiningmethod(pmfm)算法。y.shang發(fā)表的文章《mlc-sumplealgorithmforaligningantennaarraysindeepspacecommunication》中比較sumple算法和pmfm算法,通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)sumple算法收斂速度較快,但pmfm算法的合成信號的信噪比更高,并提出一種modifiedloadingcoefficientsumple(mlc-sumple)算法。
現(xiàn)有技術(shù)中,sumple算法收斂速度較快,但是收斂后的合成信噪比較低。pmfm算法收斂速度較慢,但是收斂后的合成信噪比較高。mlc-sumple算法不能準(zhǔn)確的均衡收斂速度和合成信噪比。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明的目的在于,解決現(xiàn)有的信號合成技術(shù)中不能同時(shí)優(yōu)化收斂速度和合成損耗的問題,提供一種信號合成方法及系統(tǒng),通過建立合成信號的目標(biāo)函數(shù)和合成權(quán)值的迭代函數(shù),對迭代函數(shù)中的計(jì)算因子進(jìn)行計(jì)算,能夠在快速收斂的同時(shí),減小合成損耗以得到性能良好的合成信號。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的,一方面,本發(fā)明提供了一種信號合成方法。該方法包括步驟:建立合成信號的目標(biāo)函數(shù)和合成權(quán)值的迭代函數(shù),合成權(quán)值的迭代函數(shù)包含計(jì)算因子;基于合成信號的目標(biāo)函數(shù)和合成權(quán)值的迭代函數(shù),對計(jì)算因子進(jìn)行計(jì)算;根據(jù)對計(jì)算因子進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果,確定合成信號。
優(yōu)選地,合成信號的目標(biāo)函數(shù)為:
其中,snr為合成信號的信噪比,n為傳感器總路數(shù),α為傳感器信號的信噪比,γ為合成權(quán)值的信噪比。
優(yōu)選地,合成權(quán)值的迭代函數(shù)為:
其中,ncor為相關(guān)時(shí)間間隔,k為以相關(guān)時(shí)間間隔ncor為單位的時(shí)間變量,rk+1為歸一化系數(shù),k為采樣點(diǎn)時(shí)間變量,
優(yōu)選地,基于合成信號的目標(biāo)函數(shù)和合成權(quán)值的迭代函數(shù),對計(jì)算因子進(jìn)行計(jì)算,具體包括:基于合成信號的目標(biāo)函數(shù)和合成權(quán)值的迭代函數(shù),采用粒子群優(yōu)化pso算法對計(jì)算因子進(jìn)行計(jì)算。
優(yōu)選地,采用pso算法對計(jì)算因子進(jìn)行計(jì)算,具體包括:
其中,
另一方面,本發(fā)明提供了一種信號合成系統(tǒng)。該合成系統(tǒng)包括:第一計(jì)算模塊、第二計(jì)算模塊和合成模塊。第一計(jì)算模塊用于建立合成信號的目標(biāo)函數(shù)和合成權(quán)值的迭代函數(shù),合成權(quán)值的迭代函數(shù)包含計(jì)算因子;第二計(jì)算模塊用于基于合成信號的目標(biāo)函數(shù)和合成權(quán)值的迭代函數(shù),對計(jì)算因子進(jìn)行計(jì)算;合成模塊用于根據(jù)對計(jì)算因子進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果,確定合成信號。
優(yōu)選地,第一計(jì)算模塊,用于建立合成信號的目標(biāo)函數(shù),具體包括:
其中,snr為合成信號的信噪比,n為傳感器總路數(shù),α為傳感器信號的信噪比,γ為合成權(quán)值的信噪比。
優(yōu)選地,第一計(jì)算模塊,用于建立合成權(quán)值的迭代函數(shù),具體包括:
其中,ncor為相關(guān)時(shí)間間隔,k為以相關(guān)時(shí)間間隔ncor為單位的時(shí)間變量,rk+1為歸一化系數(shù),k為采樣點(diǎn)時(shí)間變量,
優(yōu)選地,第二計(jì)算模塊具體用于:基于合成信號的目標(biāo)函數(shù)和合成權(quán)值的迭代函數(shù),采用粒子群優(yōu)化pso算法對計(jì)算因子進(jìn)行計(jì)算。
優(yōu)選地,第二計(jì)算模塊,用于采用pso算法對計(jì)算因子進(jìn)行計(jì)算,具體包括:
其中,
本發(fā)明提供的一種信號合成方法及系統(tǒng),通過建立合成信號的目標(biāo)函數(shù)和合成權(quán)值的迭代函數(shù),對迭代函數(shù)中的計(jì)算因子進(jìn)行計(jì)算,能夠在快速收斂的同時(shí),減小合成損耗以得到性能良好的合成信號。
附圖說明
圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種信號合成方法的流程示意圖;
圖2為本發(fā)明實(shí)施例中變量k與k之間取值的關(guān)系示意圖;
圖3為本發(fā)明實(shí)施例中仿真實(shí)驗(yàn)一的r系數(shù)對比曲線圖;
圖4為本發(fā)明實(shí)施例中仿真實(shí)驗(yàn)一的合成損失對比曲線圖;
圖5為本發(fā)明實(shí)施例中仿真實(shí)驗(yàn)二的合成損失對比曲線圖;
圖6為本發(fā)明實(shí)施例中仿真實(shí)驗(yàn)三的合成損失對比曲線圖;
圖7為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種信號合成系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
下面通過附圖和實(shí)施例,對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種信號合成方法的流程示意圖。如圖1所示,該方法包括步驟101-103:
步驟101,建立合成信號的目標(biāo)函數(shù)和合成權(quán)值的迭代函數(shù)。
首先,先將接收信號建模為:
其中,
將信號的合成權(quán)值表示為:
其中,
根據(jù)公式(1)和(2),合成信號
其中,符號*表示復(fù)數(shù)共軛運(yùn)算,合成信號的信號項(xiàng)
假設(shè)各個(gè)傳感器接收性能相同,各個(gè)接收信號已經(jīng)對齊,且各傳感器接收的噪聲的合成權(quán)值互不相關(guān)時(shí),根據(jù)公式(4)可以計(jì)算合成后信號項(xiàng)的平均功率
其中,
根據(jù)公式(5)可以計(jì)算合成后噪聲項(xiàng)的平均功率
其中,
根據(jù)公式(6)和公式(7),可以得到合成信號的信噪比snr:
假設(shè)各個(gè)傳感器信號的信噪比為
其中ρ等于:
由于假設(shè)各個(gè)傳感器接收性能相同,因此ρ≈1。據(jù)此,建立合成信號的目標(biāo)函數(shù)為:
當(dāng)合成權(quán)值的信噪比γ>>1時(shí),根據(jù)公式(11),則合成信號的信噪比能夠基本達(dá)到理論最佳性能值snropt:
snropt=nα(12)
實(shí)際上,由于合成噪聲權(quán)值的影響,合成性能無法達(dá)到理論最佳性能。因此,可以定義合成權(quán)值估計(jì)誤差造成的合成信噪比修正因子δsnr(γ):
根據(jù)公式(13),公式(11)可以改寫為:
snr=snroptδsnr(γ)(14)
由公式(13)可知,合成后的信噪比修正因子δsnr(γ)與合成權(quán)值信噪比γ密切相關(guān),且合成權(quán)值信噪比越大,修正因子趨近于1,合成信號的信噪比趨近于理論最佳性能值,合成損失越小。
需要說明的是,合成信號的目標(biāo)函數(shù)除了可以為公式(11)中所示合成信號的信噪比函數(shù)外,還可以為如公式(13)所示的合成信噪比修正因子函數(shù)和合成權(quán)值的信噪比γ的函數(shù)等。在此,僅給出一種目標(biāo)函數(shù)的可能形式,并不對此作出限定。
采用遞推迭代的算法,建立合成權(quán)值的迭代函數(shù),即根據(jù)
其中,
步驟102,基于合成信號的目標(biāo)函數(shù)和合成權(quán)值的迭代函數(shù),對計(jì)算因子進(jìn)行計(jì)算。
首先,對合成信號的信噪比性能和計(jì)算因子之間的關(guān)系進(jìn)行分析。
根據(jù)公式(1)-(3),將公式(15)展開為:
假設(shè)在相關(guān)時(shí)間間隔ncor內(nèi),信號功率和噪聲功率是相對穩(wěn)定的,且信號和噪聲是相對獨(dú)立的,因此可以在噪聲分量取k=0。公式(18)經(jīng)過積分后,可以表示為:
其中,
根據(jù)公式(20)和(21)可以分別得到信號權(quán)值的平均功率
在以下分析過程中,同樣假設(shè)各個(gè)傳感器接收性能相同,而且接收信號功率保持不變。因此第k段相關(guān)時(shí)間間隔的平均功率可以由第0段代替,即
令第i個(gè)傳感器的合成權(quán)值的信噪比為
則噪聲權(quán)值與信號權(quán)值的平均功率比為:
因此合成權(quán)值信噪比為:
由公式(13)已知,合成權(quán)值的信噪比γi越大,合成信噪比損失越小。
觀察公式(27)可以看出,當(dāng)n、ncor以及α等環(huán)境參數(shù)不變時(shí),γi受到歸一化系數(shù)rk+1和計(jì)算因子μ的影響。其中,0≤μ≤1,因此當(dāng)傳感器總路數(shù)n>>1時(shí),γi主要受到歸一化系數(shù)rk+1的影響,當(dāng)歸一化系數(shù)rk+1越小時(shí),合成權(quán)值信噪比γi越大,進(jìn)而可以得到更小的合成損失,反之亦然。由公式(16)可知,rk+1也是隨μ的不同取值而變化。
下面通過仿真實(shí)驗(yàn)一來進(jìn)一步說明計(jì)算因子μ的不同取值對歸一化系數(shù)rk+1和合成損失的影響。在仿真實(shí)驗(yàn)一中,將sumple(μ=0)算法、pmfm(μ=1)算法、mlc-sumple(μ=0.1)算法和mlc-sumple(μ=0.2)算法進(jìn)行仿真比較,源信號為正交相移鍵控(quadraturephaseshiftkeyin,qpsk),噪聲均設(shè)為不相關(guān)零均值高斯白噪聲,參數(shù)n=40,ncor=400,α=-20db,進(jìn)行100次獨(dú)立測試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3和圖4所示,圖3中r系數(shù)在μ不同取值情況下,由公式(16)計(jì)算得到。從圖3中可以看出,μ越大,各算法r系數(shù)的穩(wěn)態(tài)值越小。而根據(jù)之前的理論性能分析可知算法中r系數(shù)的穩(wěn)態(tài)值越小,可以得到更小的合成損失。由圖4可知,一方面,μ越大,各算法的合成損失越小,這和理論性能分析一致。另一方面,sumple算法只需要大約10次迭代就能收斂,而pmfm算法需要大約20次迭代才能收斂,即sumple算法的收斂速度快于pmfm算法。
因此在信號合成算法每次迭代過程中,以合成信號的信噪比snr最大作為目標(biāo)函數(shù),通過自動(dòng)調(diào)節(jié)μ的取值可以同時(shí)得到較快的收斂速度和較小的穩(wěn)態(tài)合成損失。
本發(fā)明的實(shí)施例中采用粒子群優(yōu)化(particleswarmoptimization,pso)算法尋找μ的最優(yōu)值。其速度和位置的迭代公式如下:
其中,
通過采用pso算法,在每一次迭代過程中,將每一個(gè)粒子計(jì)算出的
需要說明的是,除了采用pso算法尋找μ的最優(yōu)值外,還可以采用其他的尋優(yōu)算法。在此,僅給出一種尋優(yōu)算法的可能形式,并不對此作出限定。
步驟103,根據(jù)對計(jì)算因子進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果,確定合成信號。
根據(jù)上述使snr取最大值的計(jì)算因子為最終的μ值,代入公式(15)和公式(3)中進(jìn)行計(jì)算,以確定相應(yīng)的合成信號。
將本發(fā)明實(shí)施例提出的信號合成方法命名為automaticmlc-sumple(amlc-sumple)算法。下面通過仿真實(shí)驗(yàn)二來進(jìn)一步說明amlc-sumple算法的有益效果。在仿真實(shí)驗(yàn)二中將粒子種群總數(shù)設(shè)置為2,
在仿真實(shí)驗(yàn)三中對相比于仿真實(shí)驗(yàn)二信噪比更高情況下的合成損失進(jìn)行分析,將粒子種群總數(shù)設(shè)置為2,
本發(fā)明實(shí)施例提供的一種信號合成方法,通過建立合成信號的目標(biāo)函數(shù)和合成權(quán)值的迭代函數(shù),對迭代函數(shù)中的計(jì)算因子進(jìn)行計(jì)算,能夠在快速收斂的同時(shí),減小合成損耗以得到性能良好的合成信號。
另一方面,本發(fā)明提供了一種信號合成系統(tǒng)。該信號合成系統(tǒng)200包括:
第一計(jì)算模塊201,用于建立合成信號的目標(biāo)函數(shù)和合成權(quán)值的迭代函數(shù),合成權(quán)值的迭代函數(shù)包含計(jì)算因子。
可選的,合成信號的目標(biāo)函數(shù)為:
其中,snr為合成信號的信噪比,n為傳感器總路數(shù),α為傳感器信號的信噪比,γ為合成權(quán)值的信噪比。
可選的,合成權(quán)值的迭代函數(shù)為:
其中,ncor為相關(guān)時(shí)間間隔,k為以相關(guān)時(shí)間間隔ncor為單位的時(shí)間變量,rk+1為歸一化系數(shù),k為采樣點(diǎn)時(shí)間變量,
第二計(jì)算模塊202,用于基于合成信號的目標(biāo)函數(shù)和合成權(quán)值的迭代函數(shù),對計(jì)算因子進(jìn)行計(jì)算。
具體的,第二計(jì)算模塊202用于基于合成信號的目標(biāo)函數(shù)和合成權(quán)值的迭代函數(shù),采用粒子群優(yōu)化pso算法對計(jì)算因子進(jìn)行計(jì)算。
可選的,采用粒子群優(yōu)化pso算法對計(jì)算因子進(jìn)行計(jì)算具體包括:
其中,
合成模塊203,用于根據(jù)對計(jì)算因子進(jìn)行計(jì)算的結(jié)果,確定合成信號。
具體內(nèi)容在前述的信號合成方法中已詳細(xì)闡述,在此不做贅述。
本發(fā)明實(shí)施例提供的一種信號合成系統(tǒng),通過建立合成信號的目標(biāo)函數(shù)和合成權(quán)值的迭代函數(shù),對迭代函數(shù)中的計(jì)算因子進(jìn)行計(jì)算,能夠在快速收斂的同時(shí),減小合成損耗以得到性能良好的合成信號。
以上的具體實(shí)施方式,對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明,所應(yīng)理解的是,以上僅為本發(fā)明的具體實(shí)施方式而已,并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍,凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi),所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等,均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。