智能天线上行链路MUSIC算法仿真系统

资 源 简 介

该项目旨在通过MATLAB平台实现智能天线上行链路的空间谱估计算法仿真，重点针对多信号分类（MUSIC）算法在窄带信号环境下的性能表现。 系统通过建立均匀线性阵列（ULA）模型，模拟多个远场窄带信号入射至天线阵列的过程，并叠加相加性高斯白噪声以模拟真实的复杂电磁通信环境。

详 情 说 明

智能天线上行链路MUSIC算法仿真系统

项目介绍

本系统是一个基于MATLAB开发的智能天线上行链路测向仿真平台。它专门设计用于评估和演示空间谱估计算法中的经典算法——多信号分类（MUSIC）算法在窄带信号环境下的性能。系统通过构建精确的物理模型，模拟了远场信号入射至均匀线性天线阵列的全过程，能够实现在噪声干扰环境下对多个并发信号入射角度（DOA）的高精度估计。

功能特性

1. 均匀线性阵列（ULA）建模：支持自定义阵元数量和半波长阵元间距设置。
2. 多信号源模拟：可以同时模拟多个互不相干的远场窄带信号源，并设置不同的入射角度。
3. 复杂电磁环境仿真：内置加性高斯白噪声（AWGN）模型，支持通过信噪比（SNR）调节环境复杂度。
4. 空间谱计算与可视化：生成高分辨率的空间波束扫描谱图，直观展示信号能量在空间的分布。
5. 自动波峰识别：具备自动寻找谱峰的功能，能够从空间谱中精准提取估计的信号角度。
6. 统计评价体系：系统自动对比真实角度与估计角度，计算绝对误差及均方根误差（RMSE），并生成带有标注的可视化报告。

系统要求

1. 软件环境：MATLAB R2016b 或更高版本。
2. 工具箱需求：Signal Processing Toolbox（用于波峰检测搜索）。
3. 硬件环境：具备基础运算能力的个人电脑。

实现逻辑与流程

仿真系统的核心逻辑严格遵循MUSIC算法的数学理论，具体执行步骤如下：

1. 参数初始化：系统首先定义物理常数（如光速）和阵列参数。默认采用10个阵元，入射3个信号（角度为-30°、10°、45°），设定信号频率为1GHz，并配置快拍数为500。

1. 流型矢量构造：根据信号波长和阵元间距，利用指数复数形式构建均匀线性阵列的方向矩阵。

1. 信号与噪声合成：

* 产生复高斯随机信号源。 * 将信号源通过方向矩阵映射到天线阵列空间。 * 根据预设的15dB信噪比生成相应强度的复高斯白噪声，并叠加至观测信号中。

1. 协方差矩阵估计：对接收到的阵列观测数据进行自相关运算，得到空间协方差矩阵。

1. 子空间分解：

* 对协方差矩阵进行特征值分解。 * 将特征值按降序排列，并对特征向量进行相应排序。 * 依据信号数量，将特征空间划分为信号子空间和噪声子空间。

1. 空间谱搜索：在-90°到90°范围内以0.1°为步进进行全域扫描。计算搜索方向的导向矢量与噪声子空间的投影模值，取其倒数构造空间功率谱。

1. 归一化处理：将计算出的空间功率谱转化为对数刻度（dB），并以最大值进行归一化，使其动态范围处于合理区间。

1. 角度提取与误差统计：通过波峰搜索定位前N个峰值点，将其作为估计角度。系统随后计算估计值与真实值之间的误差和平方根误差。

1. 结果展示：生成仿真图形，包括连续的空间谱曲线、真实DOA位置标识以及算法提取的估计点位，并以文本形式在界面和控制台输出统计数据。

核心算法说明

本系统实现的关键在于利用信号子空间与噪声子空间的相干正交性。

1. 噪声子空间提取：通过特征分解找到能量较小的特征向量集合，这些向量构成的空间与信号入射方向的导向矢量正交。
2. 测向原理：当搜索矢量与信号真实入射方向一致时，该矢量与噪声子空间的内积趋近于零，其倒数则会形成尖锐的谱峰。
3. 精度考量：系统通过0.1°的高密度搜索确保了角度估计的精细度，同时通过特征值排序确保了信号数量识别的准确性。

使用方法

1. 启动MATLAB软件。
2. 将仿真系统的核心代码文件置于当前工作路径。
3. 直接在命令行窗口输入入口函数名或点击运行按钮启动仿真。
4. 程序运行结束后，系统会自动弹出空间谱曲线图，并在控制台打印详细的估计角度对照表及RMSE误差分析。
5. 如需测试不同环境下的算法表现，可手动修改代码开头的参数设置部分（如修改阵元数、改变信噪比或增减信号源数量）。