空间谱快速算法的研究与实现

空间谱快速算法的研究与实现

论文摘要

随着电磁环境的日益恶化,以及低检测概率、低截获概率等通信技术的广泛应用,往往需要在较大的带宽内同时对多个信号进行处理,才能够在大量信号中找到有用信号,因此对空间谱估计算法的时效性也提出了更高的要求。本文研究了空间谱快速算法及实现问题,通过改进算法减少计算量,并合理利用硬件平台,将快速测向算法在FPGA+DSP平台上联合实现。本文的主要内容如下:1、研究了基于直线阵的空间谱估计快速算法。针对MUSIC等测向算法大多需要特征分解和谱峰搜索,计算量较大的问题,给出了一种基于传播算子的Root-MUSIC算法,该算法避免了经典MUSIC算法中的特征分解和谱峰搜索,大大减小了计算复杂度;针对该算法存在低信噪比时性能下降严重的缺陷,给出了一种新的快速Root-MUSIC算法,新算法由协方差矩阵直接估计出信号子空间,无需特征分解和谱峰搜索,减小了计算量,同时在低信噪比条件下也能达到较好的测向性能。上述两种算法在损失一定性能的前提下大大减少了计算量,提高了测向时效性。2、研究了基于均匀圆阵的空间谱估计快速算法。首先介绍了基于相位模式激励的实值波束空间的MUSIC算法,该算法在阵元数目较大时能够在很大程度上降低计算量,但仍需二维谱峰搜索;在此基础上介绍一种无需二维谱峰搜索的快速测向算法:UCA-ESPRIT算法,但该算法受到阵列孔径及阵元个数的限制,针对此缺陷,本文在傅里叶域的Root-MUSIC算法基础上给出了一种二维快速测向算法,它无需谱峰搜索,计算量相比于经典MUSIC算法大大减小,同时克服了UCA-ESPRIT算法性能受阵列孔径和阵元个数限制的缺点,为了进一步减小算法中多项式求根的计算量,用一种线性搜索的方法来代替多项式求根。3、研究了线性搜索算法的快速实现。分析了在编程实现过程中需要考虑的数据量化误差、运算误差及算法的定点编程实现流程;利用MATLAB对算法的各个部分进行定点仿真,根据定点仿真的结果,分别设计了算法各部分进行定点运算FPGA实现结构,并给出了初步的资源和性能评估。4、在FPGA+DSP硬件平台上编程实现了线性搜索算法。首先对快速测向处理平台的各个部分进行简要介绍;其次,对算法进行了任务分配,给出了算法在硬件中的详细实现流程;针对线性搜索算法的实现步骤,进行了FPGA及DSP编程仿真和实现,包括:协方差矩阵的计算、特征分解及信源个数判断、多项式系数求解和多项式求根的编程实现。仿真结果验证了本设计的正确性。最后给出了总体资源的需求和性能评估。

论文目录

  • 表目录
  • 图目录
  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  • 1.1 研究背景及意义
  • 1.2 研究历史与现状
  • 1.2.1 空间谱估计算法的研究现状
  • 1.2.2 空间谱测向设备的研究现状
  • 1.3 本文的主要工作和章节安排
  • 第二章 基于线阵的空间谱快速算法
  • 2.1 引言
  • 2.2 阵列信号的数学模型及Root-MUSIC 算法
  • 2.2.1 空间谱估计测向系统的结构
  • 2.2.2 阵列信号的数学模型
  • 2.2.3 Root-MUSIC 算法
  • 2.3 基于传播算子的Root-MUSIC 算法
  • 2.3.1 传播算子算法(PM)
  • 2.3.2 PM-Root-MUSIC 算法
  • 2.4 一种新的快速Root-MUSIC 算法
  • 2.5 算法计算量分析
  • 2.6 本章小结
  • 第三章 基于圆阵的空间谱快速算法
  • 3.1 引言
  • 3.2 UCA-ESPRIT 算法
  • 3.2.1 UCA-RB-MUSIC 算法介绍
  • 3.2.2 UCA-ESPRIT 算法
  • 3.2.3 算法仿真
  • 3.3 2-D FD-Root-MUSIC 算法
  • 3.3.1 2-D FD-Root-MUSIC 算法
  • 3.3.2 线性搜索算法
  • 3.3.3 算法仿真
  • 3.4 算法计算量分析
  • 3.5 本章小结
  • 第四章 线性搜索算法的快速实现研究
  • 4.1 引言
  • 4.2 数据定点量化与运算分析
  • 4.2.1 定点和浮点数据格式
  • 4.2.2 定点的定标与运算分析
  • 4.2.3 算法的定点编程实现流程
  • 4.3 算法的实现研究
  • 4.3.1 协方差矩阵的计算与量化
  • 4.3.2 噪声子空间的计算与量化
  • 4.3.3 多项式系数的计算与量化
  • 4.3.4 IFFT 求多项式的根
  • 4.3.5 资源与性能的初步评估
  • 4.4 本章小结
  • 第五章 线性搜索算法的快速实现
  • 5.1 引言
  • 5.2 快速测向处理平台
  • 5.2.1 短波宽带测向系统简介
  • 5.2.2 处理平台各单元简介
  • 5.3 算法的任务分配及详细实现流程
  • 5.4 算法的编程实现
  • 5.4.1 协方差矩阵计算
  • 5.4.2 特征值分解及信源个数判断
  • 5.4.3 多项式系数求解
  • 5.4.4 IFFT 求多项式的根
  • 5.4.5 系统整体实现
  • 5.4.6 资源和性能评估
  • 5.5 本章小结
  • 结束语
  • 一、全文总结
  • 二、展望
  • 参考文献
  • 作者简介 攻读硕士学位期间完成的主要工作
  • 致谢
  • 相关论文文献

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