phased.SubbandMVDRBeamformer

Широкополосный формирователь луча минимального отклонения ответа без искажений

Описание

phased.SubbandMVDRBeamformer Система object™ реализует широкополосное минимальное отклонение формирователь луча ответа без искажений (MVDR) на основе метода обработки поддиапазона. Этот тип формирователя луча также называется формирователем луча Каплуна.

К сигналам beamform, прибывающим в массив:

Создайте phased.SubbandMVDRBeamformer объект и набор его свойства.
Вызовите объект с аргументами, как будто это была функция.

Чтобы узнать больше, как Системные объекты работают, смотрите то, Что Системные объекты? MATLAB.

Создание

Синтаксис

beamformer = phased.SubbandMVDRBeamformer

beamformer = phased.SubbandMVDRBeamformer(Name,Value)

Описание

beamformer = phased.SubbandMVDRBeamformer создает поддиапазон Системный объект формирователя луча MVDR, beamformer. Объект выполняет поддиапазон MVDR beamforming на полученном сигнале.

beamformer = phased.SubbandMVDRBeamformer(Name,Value) создает поддиапазон Системный объект формирователя луча MVDR, beamformer, с каждым заданным свойством Name установите на заданный Value. Можно задать дополнительные аргументы пары "имя-значение" в любом порядке как Name1, Value1..., NameN, ValueN.

Пример: beamformer = phased.SubbandMVDRBeamformer('SensorArray',phased.URA('Size',[5 5]),'OperatingFrequency',500e6) устанавливает сенсорную матрицу на универсальный прямоугольный массив (URA) 5 на 5 со всеми другими значениями свойств URA по умолчанию. Формирователь луча имеет рабочую частоту 500 МГц.

Свойства

развернуть все

Если в противном случае не обозначено, свойства являются ненастраиваемыми, что означает, что вы не можете изменить их значения после вызова объекта. Объекты блокируют, когда вы вызываете их и release функция разблокировала их.

Если свойство является настраиваемым, можно изменить его значение в любое время.

Для получения дополнительной информации об изменении значений свойств смотрите Разработку системы в MATLAB Используя Системные объекты (MATLAB).

`SensorArray` — Сенсорная матрица
`phased.ULA` массив со значениями свойств по умолчанию (значение по умолчанию) | массив Phased Array System Toolbox™

Сенсорная матрица в виде Системного объекта массивов, принадлежащего Phased Array System Toolbox. Сенсорная матрица может содержать подмассивы.

Пример: phased.URA

`PropagationSpeed` — Скорость распространения сигнала
`physconst('LightSpeed')` (значение по умолчанию) | положительная скалярная величина с действительным знаком

Скорость распространения сигнала в виде положительной скалярной величины с действительным знаком. Модули исчисляются в метрах в секунду. Скорость распространения по умолчанию является значением, возвращенным physconst('LightSpeed').

Пример: 3e8

Типы данных: single | double

`OperatingFrequency` — Рабочая частота
`300e6` (значение по умолчанию) | положительная скалярная величина

Рабочая частота в виде положительной скалярной величины. Модули находятся в Гц.

Пример: 1e9

Типы данных: single | double

`SampleRate` — Частота дискретизации сигнала
`1e6` (значение по умолчанию) | положительная скалярная величина

Частота дискретизации сигнала в виде положительной скалярной величины. Модули находятся в Гц. Системный объект использует это количество, чтобы вычислить задержку распространения модулей выборок.

Пример: 1e6

Типы данных: single | double

`NumSubbands` — Количество обработки поддиапазонов
64 (значение по умолчанию) | положительное целое число

Количество обработки поддиапазонов в виде положительного целого числа.

Пример: 128

Типы данных: double

`DirectionSource` — Источник beamforming направления
`'Property'` (значение по умолчанию) | `'Input port'`

Источник beamforming направления в виде 'Property' или 'Input port'. Задайте, прибывает ли beamforming направление из Direction свойство этого объекта или от входного параметра, ANG. Значения этого свойства:

`'Property'`	Задайте beamforming направление с помощью `Direction` свойство.
`'Input port'`	Задайте beamforming направление с помощью входного параметра, `ANG`.

Типы данных: char

`Direction` — Направления Beamforming
[0;0] (значение по умолчанию) | с действительным знаком 2 1 вектор | 2 с действительным знаком L матрицей

Направления Beamforming в виде с действительным знаком 2 1 вектор или 2 с действительным знаком L матрицей. Для матрицы каждый столбец задает различное beamforming направление. Каждый столбец имеет форму [AzimuthAngle;ElevationAngle]. Углы азимута должны находиться между-180 ° и 180 °, и углы вертикального изменения должны находиться между-90 ° и 90 °. Все углы заданы относительно системы локальной координаты массива. Модули в градусах.

Пример: [40;30]

Зависимости

Чтобы включить это свойство, установите DirectionSource свойство к 'Property'.

Типы данных: single | double

`DiagonalLoadingFactor` — Диагональный коэффициент загрузки
0 (значение по умолчанию) | неотрицательный скаляр

Диагональный коэффициент загрузки в виде неотрицательного скаляра. Диагональная загрузка является методом, используемым, чтобы достигнуть устойчивой beamforming производительности, особенно когда объем выборки мал. Размер небольшой выборки может привести к неточной оценке ковариационной матрицы. Диагональная загрузка также обеспечивает робастность из-за регулирования векторных ошибок. Диагональный метод загрузки добавляет кратное положительной скалярной величины единичная матрица в матрицу выборочной ковариации.

Настраиваемый: да

Типы данных: single | double

`TrainingInputPort` — Включите вход обучающих данных
`false` (значение по умолчанию) | `true`

Включите вход обучающих данных в виде false или true. Когда вы устанавливаете это свойство на true, используйте входной параметр обучающих данных, XT, при выполнении объекта. Установите это свойство на false использовать входные данные, X, как обучающие данные.

Типы данных: логический

`WeightsOutputPort` — Включите beamforming весам выход
`false` (значение по умолчанию) | `true`

Включите выход beamforming весов в виде false или true. Чтобы получить beamforming веса, установите это свойство на true и используйте соответствующий выходной аргумент, W. Если вы не хотите получать веса, установите это свойство на false.

Типы данных: логический

`SubbandsOutputPort` — Опция, чтобы включить выход поддиапазона сосредотачивает частоты
`false` (значение по умолчанию) | `true`

Опция, чтобы включить выход поддиапазона сосредотачивает частоты в виде любого true или false. Чтобы получить частоты центра поддиапазона, установите это свойство на true и используйте соответствующий выходной аргумент FREQS при вызове объекта.

Типы данных: логический

Использование

Синтаксис

Y = beamformer(X)

Y = beamformer(X,XT)

Y = beamformer(X,ANG)

[Y,W]
= beamformer(___)

[Y,FREQS] = beamformer(___)

[Y,W,FREQS]
= beamformer(X,XT,ANG)

Описание

Y = beamformer(X) выполняет широкополосный MVDR beamforming на входе, X, и возвращает beamformed выходной параметр в Y. Этот синтаксис использует X для обучающих выборок, чтобы вычислить beamforming веса. Используйте свойство Direction задать beamforming направление.

Y = beamformer(X,XT) использование XT для обучающих выборок, чтобы вычислить beamforming веса.

Y = beamformer(X,ANG) использование ANG как beamforming направление. Этот синтаксис применяется, когда вы устанавливаете свойство DirectionSource на 'Input port'.

[Y,W] = beamformer(___) возвращает beamforming веса, W. Этот синтаксис применяется, когда вы устанавливаете свойство WeightsOutputPort на true.

[Y,FREQS] = beamformer(___) возвращает центральные частоты поддиапазонов, FREQS. Этот синтаксис применяется, когда вы устанавливаете свойство SubbandsOutputPort на true.

пример

Можно объединить дополнительные входные параметры, когда вы устанавливаете их свойства включения. Дополнительные входные параметры должны быть перечислены в том же порядке как свои свойства включения. Например, [Y,W,FREQS] = beamformer(X,XT,ANG) допустимо, когда вы задаете TrainingInputPort как true и набор DirectionSource к 'Input port'.

Входные параметры

развернуть все

`X` — Широкополосный входной сигнал
M-by-N матрица с комплексным знаком

Широкополосный входной сигнал в виде M-by-N матрица, где N является количеством элементов массива. M является количеством выборок в данных. Если сенсорная матрица состоит из подмассивов, N является затем количеством подмассивов.

Размер первой размерности входной матрицы может варьироваться, чтобы симулировать изменяющуюся длину сигнала. Изменение размера может произойти, например, в случае импульсного сигнала с переменной импульсной частотой повторения.

Если вы устанавливаете TrainingInputPort на false, затем объект использует X как обучающие данные. В этом случае размерность M должна быть больше N×NB. где NB является количеством поддиапазонов, заданных в NumSubbands.

Если вы устанавливаете TrainingInputPort на true, используйте XT аргумент, чтобы снабдить обучающими данными. В этом случае размерность M может быть любым положительным целым числом.

Пример: [1,1;j,1;0.5,0]

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного числа: Да

`XT` — Широкополосные обучающие выборки
P-by-N матрица с комплексным знаком

Широкополосные обучающие выборки в виде P-by-N матрица, где N является числом элементов. Если сенсорная матрица состоит из подмассивов, то N представляет количество подмассивов.

Этот аргумент применяется, когда вы устанавливаете TrainingInputPort на true. Размерность P является количеством выборок в обучающих данных. P должен быть больше, чем N×NB, где NB является количеством поддиапазонов, заданных в свойстве NumSubbands.

Пример: FT = [1,1;j,1;0.5,0]

Типы данных: single | double
Поддержка комплексного числа: Да

`ANG` — Направление Beamforming
2-by-L матрица с действительным знаком

Направление Beamforming в виде 2-by-L матрица с действительным знаком, где L является количеством beamforming направлений. Этот аргумент применяется только, когда вы устанавливаете свойство DirectionSource на 'Input port'. Каждый столбец принимает форму [AzimuthAngle;ElevationAngle]. Угловые модули в градусах. Угол азимута должен находиться между-180 ° и 180 °. Угол вертикального изменения должен находиться между-90 ° и 90 °. Углы заданы относительно системы локальной координаты массива.

Пример: [40 30;0 10]

Типы данных: single | double

Выходные аргументы

развернуть все

`Y` — Beamformed выход
M-by-L матрица с комплексным знаком

Beamformed выходной параметр, возвращенный как M-by-L матрица с комплексным знаком. Количество M является количеством выборок сигнала и L, является количеством beamforming направлений, заданных в ANG аргумент.

`W` — Веса Beamforming
N-by-K-by-L матрица с комплексным знаком

Веса Beamforming, возвращенные как N-by-K-by-L матрица с комплексным знаком. Количество N является количеством элементов датчика или подмассивов и K, является количеством поддиапазонов, заданных свойством NumSubbands. Количество L является количеством beamforming направлений. Каждый столбец W содержит узкополосную связь beamforming веса, используемые в соответствующем поддиапазоне в соответствующих направлениях.

Зависимости

Чтобы возвратить этот выходной параметр, установите свойство WeightsOutputPort на true.

Типы данных: single | double

`FREQS` — Центральные частоты поддиапазонов
K-by-1 вектор-столбец с действительным знаком

Центральные частоты поддиапазонов, возвращенных как K-by-1 вектор-столбец с действительным знаком. Количество K является количеством поддиапазонов, заданных свойством NumSubbands.

Зависимости

Чтобы возвратить этот выходной параметр, установите свойство SubbandsOutputPort на true.

Типы данных: single | double

Функции объекта

Чтобы использовать объектную функцию, задайте Системный объект как первый входной параметр. Например, чтобы выпустить системные ресурсы Системного объекта под названием obj, используйте этот синтаксис:

release(obj)

развернуть все

Характерный для всех системных объектов

`step`	Запустите алгоритм Системного объекта
`release`	Высвободите средства и позвольте изменения в значениях свойств Системного объекта и введите характеристики
`reset`	Сбросьте внутренние состояния Системного объекта

Примеры

свернуть все

Поддиапазон MVDR Beamforming ULA

Скрипт Open Live Script

Примените поддиапазон MVDR beamforming к подводному акустическому ULA с 11 элементами. Инцидентный угол сигнала $1 0^{\circ}$ азимут и $3 0^{\circ}$ вертикальное изменение. Сигнал является щебетом FM, имеющим пропускную способность 1 кГц. Скорость звука составляет 1 500 м/с.

Симулируйте сигнал

array = phased.ULA('NumElements',11,'ElementSpacing',0.3);
fs = 2e3;
carrierFreq = 2000;
t = (0:1/fs:2)';
sig = chirp(t,0,2,fs/2);
c = 1500;
collector = phased.WidebandCollector('Sensor',array,'PropagationSpeed',c,...
    'SampleRate',fs,'ModulatedInput',true,...
    'CarrierFrequency',carrierFreq);
incidentAngle = [10;0];
sig1 = collector(sig,incidentAngle);
noise = 0.3*(randn(size(sig1)) + 1j*randn(size(sig1)));
rx = sig1 + noise;

Примените MVDR beamforming

beamformer = phased.SubbandMVDRBeamformer('SensorArray',array,...
    'Direction',incidentAngle,'OperatingFrequency',carrierFreq,...
    'PropagationSpeed',c,'SampleRate',fs,'TrainingInputPort',true, ...
    'SubbandsOutputPort',true,'WeightsOutputPort',true);
[y,w,subbandfreq] = beamformer(rx, noise);

Постройте сигнал, который вводится к среднему датчику (канал 6) по сравнению с формирователем луча выход.

plot(t(1:300),real(rx(1:300,6)),'r:',t(1:300),real(y(1:300)))
xlabel('Time')
ylabel('Amplitude')
legend('Original','Beamformed');

Постройте ответ массивов

Постройте шаблон ответа для пяти полос

pattern(array,subbandfreq(1:5).',-180:180,0,...
    'PropagationSpeed',c,'Weights',w(:,1:5));

Поддиапазон MVDR Beamforming массива с интерференцией

Скрипт Open Live Script

Примените поддиапазон MVDR beamforming к подводному акустическому ULA с 11 элементами. Beamform прибывающие сигналы оптимизировать усиление линейного FM щебечут сигнал, прибывающий от 0 азимутов степеней и 0 вертикальных изменений степеней. Сигнал имеет пропускную способность 2,0 кГц. Кроме того, там модульная амплитуда 2,250 кГц, вмешивающихся синусоида, прибывающая от 28 азимутов степеней и 0 вертикальных изменений степеней. Покажите, как формирователь луча MVDR аннулирует вмешивающийся сигнал. Отобразите шаблон массивов для нескольких частот в окружении 2,250 кГц. Скорость звука составляет 1 500 метров/секунда.

Симулируйте прибывающий сигнал и шум

array = phased.ULA('NumElements',11,'ElementSpacing',0.3);
fs = 2000;
carrierFreq = 2000;
t = (0:1/fs:2)';
sig = chirp(t,0,2,fs/2);
c = 1500;
collector = phased.WidebandCollector('Sensor',array,'PropagationSpeed',c,...
    'SampleRate',fs,'ModulatedInput',true,...
    'CarrierFrequency',carrierFreq);
incidentAngle = [0;0];
sig1 = collector(sig,incidentAngle);
noise = 0.3*(randn(size(sig1)) + 1j*randn(size(sig1)));

Симулируйте вмешивающийся сигнал

Объедините и желаемые и вмешивающиеся сигналы.

fint = 250;
sigint = sin(2*pi*fint*t);
interfangle = [28;0];
sigint1 = collector(sigint,interfangle);
rx = sig1 + sigint1 + noise;

Примените MVDR beamforming

Используйте объединенный шум и вмешивающийся сигнал как обучающие данные.

beamformer = phased.SubbandMVDRBeamformer('SensorArray',array,...
    'Direction',incidentAngle,'OperatingFrequency',carrierFreq,...
    'PropagationSpeed',c,'SampleRate',fs,'TrainingInputPort',true,...
    'NumSubbands',64,...
    'SubbandsOutputPort',true,'WeightsOutputPort',true);
[y,w,subbandfreq] = beamformer(rx,sigint1 + noise);
tidx = [1:300];
plot(t(tidx),real(rx(tidx,6)),'r:',t(tidx),real(y(tidx)))
xlabel('Time')
ylabel('Amplitude')
legend('Original','Beamformed')

Постройте ответ массивов, показывающий пустой указатель Beampattern

Постройте шаблон ответа для пяти полос около 2,250 кГц.

fdx = [5,7,9,11,13];
pattern(array,subbandfreq(fdx).',-50:50,0,...
    'PropagationSpeed',c,'Weights',w(:,fdx),...
    'CoordinateSystem','rectangular');

Формирователь луча помещает пустой указатель в 28 градусах для поддиапазона, содержащего 2,250 кГц.

Больше о

развернуть все

Диагональная загрузка

Диагональная загрузка является методом, чтобы улучшить робастность формирователя луча, когда проблемы устойчивости являются результатом регулирования векторных ошибок или конечных эффектов объема выборки. Этот метод добавляет положительное кратное с действительным знаком единичная матрица в корреляционную матрицу полученного вектора данных массива. Можно применить диагональную загрузку с помощью свойства DiagonalLoadingFactor.

Алгоритмы

развернуть все

Точность даты

Этот Системный объект поддерживает одинарную и двойную точность для входных данных, свойств и аргументов. Если входные данные X одинарная точность, выходные данные одинарная точность. Если входные данные X двойная точность, выходные данные являются двойной точностью. Точность выхода независима от точности свойств и других аргументов.

Обработка частоты поддиапазона

Обработка поддиапазона разлагает широкополосный сигнал на несколько поддиапазонов и применяет узкополосную обработку к сигналу в каждом поддиапазоне. Сигналы для всех поддиапазонов суммированы, чтобы сформировать выходной сигнал.

При использовании широкополосных Системных объектов частоты или блоков, вы задаете количество поддиапазонов, N _B, в котором можно анализировать широкополосный сигнал. Частоты центра поддиапазона и ширины автоматически вычисляются из общей пропускной способности и количества поддиапазонов. Общий диапазон частот сосредоточен на поставщике услуг или рабочей частоте, _fc. Полная пропускная способность дана частотой дискретизации, _fs. Ширинами поддиапазона частоты является Δf = f _s/NB. Центральные частоты поддиапазонов

$f_{m} = {\begin{matrix} f_{c} - \frac{f_{s}}{2} + (m - 1) Δ f, N_{B} даже \\ f_{c} - \frac{(N_{B} - 1) f_{s}}{2 N_{B}} + (m - 1) Δ f, N_{B} нечетный \end{matrix}, m = 1, \dots, N_{B}$

Некоторые Системные объекты позволяют вам получить частоты центра поддиапазона, как выведено, когда вы запускаете объект. Возвращенные частоты поддиапазона последовательно упорядочиваются с упорядоченным расположением дискретного преобразования Фурье. Частоты выше поставщика услуг появляются первыми, сопровождаемые частотами ниже поставщика услуг.

Ссылки

[1] Деревья фургона, H. Оптимальная обработка матриц. Нью-Йорк: Wiley-межнаука, 2002.

Расширенные возможности

Генерация кода C/C++
Генерация кода C и C++ с помощью MATLAB® Coder™.

Указания и ограничения по применению:.

Смотрите системные объекты в Генерации кода MATLAB (MATLAB Coder)
Этот Системный объект поддерживает одинарную и двойную точность для входных данных, свойств и аргументов. Если входные данные X одинарная точность, выходные данные одинарная точность. Если входные данные X двойная точность, выходные данные являются двойной точностью. Точность выхода независима от точности свойств и других аргументов.

Документация

phased.SubbandMVDRBeamformer

Описание

Создание

Синтаксис

Описание

Свойства

SensorArray — Сенсорная матрица phased.ULA массив со значениями свойств по умолчанию (значение по умолчанию) | массив Phased Array System Toolbox™

PropagationSpeed — Скорость распространения сигнала physconst('LightSpeed') (значение по умолчанию) | положительная скалярная величина с действительным знаком

OperatingFrequency — Рабочая частота 300e6 (значение по умолчанию) | положительная скалярная величина

SampleRate — Частота дискретизации сигнала 1e6 (значение по умолчанию) | положительная скалярная величина

NumSubbands — Количество обработки поддиапазонов64 (значение по умолчанию) | положительное целое число

DirectionSource — Источник beamforming направления 'Property' (значение по умолчанию) | 'Input port'

Direction — Направления Beamforming[0;0] (значение по умолчанию) | с действительным знаком 2 1 вектор | 2 с действительным знаком L матрицей

Зависимости

DiagonalLoadingFactor — Диагональный коэффициент загрузки0 (значение по умолчанию) | неотрицательный скаляр

TrainingInputPort — Включите вход обучающих данных false (значение по умолчанию) | true

WeightsOutputPort — Включите beamforming весам выход false (значение по умолчанию) | true

SubbandsOutputPort — Опция, чтобы включить выход поддиапазона сосредотачивает частоты false (значение по умолчанию) | true

Использование

Синтаксис

Описание

Входные параметры

X — Широкополосный входной сигнал M-by-N матрица с комплексным знаком

XT — Широкополосные обучающие выборки P-by-N матрица с комплексным знаком

ANG — Направление Beamforming 2-by-L матрица с действительным знаком

Выходные аргументы

Y — Beamformed выход M-by-L матрица с комплексным знаком

W — Веса Beamforming N-by-K-by-L матрица с комплексным знаком

Зависимости

FREQS — Центральные частоты поддиапазонов K-by-1 вектор-столбец с действительным знаком

Зависимости

Функции объекта

Характерный для всех системных объектов

Примеры

Поддиапазон MVDR Beamforming ULA

Поддиапазон MVDR Beamforming массива с интерференцией

Больше о

Диагональная загрузка

Алгоритмы

Точность даты

Обработка частоты поддиапазона

Ссылки

Расширенные возможности

Генерация кода C/C++ Генерация кода C и C++ с помощью MATLAB® Coder™.

Смотрите также

Введенный в R2015b

Документация Phased Array System Toolbox

Поддержка

`SensorArray` — Сенсорная матрица
`phased.ULA` массив со значениями свойств по умолчанию (значение по умолчанию) | массив Phased Array System Toolbox™

`PropagationSpeed` — Скорость распространения сигнала
`physconst('LightSpeed')` (значение по умолчанию) | положительная скалярная величина с действительным знаком

`OperatingFrequency` — Рабочая частота
`300e6` (значение по умолчанию) | положительная скалярная величина

`SampleRate` — Частота дискретизации сигнала
`1e6` (значение по умолчанию) | положительная скалярная величина

`NumSubbands` — Количество обработки поддиапазонов
64 (значение по умолчанию) | положительное целое число

`DirectionSource` — Источник beamforming направления
`'Property'` (значение по умолчанию) | `'Input port'`

`Direction` — Направления Beamforming
[0;0] (значение по умолчанию) | с действительным знаком 2 1 вектор | 2 с действительным знаком L матрицей

`DiagonalLoadingFactor` — Диагональный коэффициент загрузки
0 (значение по умолчанию) | неотрицательный скаляр

`TrainingInputPort` — Включите вход обучающих данных
`false` (значение по умолчанию) | `true`

`WeightsOutputPort` — Включите beamforming весам выход
`false` (значение по умолчанию) | `true`

`SubbandsOutputPort` — Опция, чтобы включить выход поддиапазона сосредотачивает частоты
`false` (значение по умолчанию) | `true`

`X` — Широкополосный входной сигнал
M-by-N матрица с комплексным знаком

`XT` — Широкополосные обучающие выборки
P-by-N матрица с комплексным знаком

`ANG` — Направление Beamforming
2-by-L матрица с действительным знаком

`Y` — Beamformed выход
M-by-L матрица с комплексным знаком

`W` — Веса Beamforming
N-by-K-by-L матрица с комплексным знаком

`FREQS` — Центральные частоты поддиапазонов
K-by-1 вектор-столбец с действительным знаком

Генерация кода C/C++
Генерация кода C и C++ с помощью MATLAB® Coder™.