GSC Beamformer

Обобщенный подавитель боковых лепестков.

gsc beamformer

Описание

Блок GSC Beamformer реализует обобщенный подавитель боковых лепестков (generalized sidelobe cancellation, GSC). Блок GSC beamformer разделяет массив входящих сигналов и посылает их через обычный тракт формирователя лучей и тракт с подавлением боковых лепестков. Алгоритм сначала предварительно настраивает массив на направление формирования луча, а затем адаптивно выбирает веса фильтров, чтобы минимизировать мощность на выходе тракта подавления боковых лепестков. Алгоритм использует метод наименьших средних квадратов (LMS) для вычисления адаптивных весов. Окончательный сигнал, сформированный луч, представляет собой разность между выходами двух трактов.

Порты

Вход

X — входной сигнал
комплексная матрица M на N

Входной сигнал, заданный в виде матрицы на , где — количество выборок сигнала, а — количество элементов массива.

Типы данных: Float16, Float32, Float64, Int8, Int16, Int32, Int64, UInt8, UInt16, UInt32, UInt64

Поддержка комплексных чисел: Да

Ang — направления формирования выходного сигнала
вещественный вектор 2 на 1

Направления излучения сигналов, заданные в виде вещественной матрицы 2 на 1 в виде [AzimuthAngle;ElevationAngle]. Угол азимута должен лежать в диапазоне от −180° до 180° включительно. Угол возвышения должен лежать в диапазоне от −90° до 90° включительно. Углы задаются относительно локальной системы координат массива.

Зависимости

Чтобы использовать этот порт, установите для параметра Source of beamforming direction значение Input port.

Типы данных: Float16, Float32, Float64, Int8, Int16, Int32, Int64, UInt8, UInt16, UInt32, UInt64

Выход

Y — выходной сигнал, сформированный луч
комплексный вектор M на 1

Выходной сигнал, возвращенный в виде комплексного вектора на 1, где — количество отсчетов сигнала.

Типы данных: Float16, Float32, Float64, Int8, Int16, Int32, Int64, UInt8, UInt16, UInt32, UInt64

Поддержка комплексных чисел: Да

Параметры

Main

Signal propagation speed (m/s) — скорость распространения сигнала, м/c
3e8 (по умолчанию) | положительный скаляр

Скорость распространения сигнала в виде вещественного положительного скаляра. По умолчанию используется значение скорости света: 3e8 м/c.

Единицы измерения — метры в секунду.

Типы данных: Float16, Float32, Float64, Int8, Int16, Int32, Int64, UInt8, UInt16, UInt32, UInt64

Inherit sample rate — наследование частоты дискретизации от вышестоящих блоков
включено (по умолчанию) | выключено

Выберите этот параметр, чтобы унаследовать частоту дискретизации от вышестоящих блоков. В противном случае укажите частоту дискретизации с помощью параметра Sample rate (Hz).

Типы данных: Bool

Sample rate (Hz) — частота дискретизации сигнала
1e6 (по умолчанию) | положительный скаляр

Частота дискретизации сигнала, заданная в виде положительного скаляра. Единицы измерения — герцы.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, уберите флажок Inherit sample rate.

Типы данных: Float16, Float32, Float64, Int8, Int16, Int32, Int64, UInt8, UInt16, UInt32, UInt64

Signal path FIR filter length — порядок FIR-фильтра на пути сигнала
1 (по умолчанию) | положительное целое число

Порядок FIR-фильтра на пути сигнала, заданный как положительное целое число. FIR-фильтр представляет собой дельта-функцию.

Adaptive filter step size — коэффициент размера шага адаптивного LMS-фильтра
0.1 (по умолчанию) | положительный скаляр

Коэффициент размера шага адаптивного фильтра, заданный в виде положительного скаляра. Эта величина, будучи разделенной на общую мощность в тракте подавления боковых лепестков, определяет фактический размер шага адаптивного фильтра, используемого алгоритмом LMS.

Beamforming direction (deg) — направления формирования луча
[0; 0] (по умолчанию) | вещественная матрица 2 на 1

Направления формирования луча, заданные в виде вещественной матрицы 2 на 1, где каждый столбец имеет вид [AzimuthAngle;ElevationAngle]. Единицы измерения угла — градусы. Азимутальный угол должен лежать в диапазоне от −180° до 180°. Угол возвышения должен лежать в диапазоне от −90° до 90°. Углы задаются относительно локальной системы координат массива.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Source of beamforming direction значение Property.

Source of beamforming direction — источник направления формирования луча
Property (по умолчанию) | Input port

Источник направления формирования луча, задается как Property или Input port.

Property — направление задается с помощью параметра Beamforming direction (deg).
Input port — направление определяется входом в порт Ang.

Sensor Array

Specify sensor array as — метод задания массива
Array (no subarrays) (по умолчанию)

Метод задания массива, доступные значения:

Array (no subarrays)

Element

Тип элемента антенной решетки.

Доступные значения:

Isotropic Antenna
Cardioid Antenna
Cosine Antenna
Custom Antenna
Gaussian Antenna
Sinc Antenna
Omni Microphone
Custom Microphone

Operating frequency range (Hz) — диапазон рабочих частот элемента антенной решетки
[0,1e20] (по умолчанию) | вещественный вектор-строка 1 на 2

Диапазон рабочих частот элемента антенной решетки в виде вектора-строки 1 на 2 в виде [LowerBound,UpperBound]. Элемент не имеет отклика вне этого частотного диапазона. Единицы измерения частоты – Гц.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Element type значение Isotropic Antenna, Cosine Antenna или Omni Microphone.

Baffle the back of the element — учет излучения через задний луч диаграммы направленности в заднюю полусферу элемента Isotropic Antenna element или Omni Microphone
выключено (по умолчанию) | включено

Установите этот флаг, чтобы исключить излучение в заднюю полусферу. Отклик от задней полусферы на всех углах азимута за пределами интервала ±90° от широкой стороны устанавливаются на ноль. Широкоугольное направление определяется как угол азимута 0° и угол места 0°.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Element type значение Isotropic Antenna или Omni Microphone.

Null axis direction — направление оси вдоль нулевого излучения.
-x (по умолчанию) | +x | +y | -y | +z | -z

Направление оси вдоль нулевого излучения.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Element type значение Cardioid Antenna.

Exponent of cosine pattern — показатель степени экспоненты при задании формы косинусной диаграммы направленности
[1.5, 1.5] (по умолчанию) | неотрицательный скаляр | вещественная матрица неотрицательных значений 1 на 2

Показатель степени экспоненты косинусной модели в виде неотрицательного скаляра или вещественной матрицы 1 на 2 из неотрицательных значений. Если Exponent of cosine pattern — вектор 1 на 2, то первый элемент — это показатель степени экспоненты в направлении азимута, а второй — в направлении угла места. При скалярном значении этого параметра косинусы в азимутальном и высотном направлениях возводятся в одну степень.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Element type значение Cosine Antenna.

Operating frequency vector (Hz) — массив рабочих частот элемента антенной решетки
[0,1e20] (по умолчанию) | вещественный вектор-строка

Массив рабочих частот элемента антенной решетки в виде вектора-строки 1 на возрастающих действительных значений. Элемент не имеет отклика за пределами диапазона частот, заданного минимальным и максимальным элементами этого вектора. Единицы измерения частоты — Гц.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Element type значение Custom Antenna или Custom Microphone. Для установки откликов на этих частотах используйте параметр Frequency responses (dB).

Frequency responses (dB) — частотные отклики элемента антенной решетки
[0,0] (по умолчанию)| вещественный вектор-строка

Частотная характеристика пользовательских элементов антенной решетк определяется за счет параметра Operating frequency vector (Hz). Размеры вектора Frequency responses (dB) должны совпадать с размерами вектора, заданного параметром Operating frequency vector (Hz).

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Element type значение Custom Antenna или Custom Microphone.

Input Pattern Coordinate System — выбор системы координат диаграммы направленности пользовательской антенны
az-el (по умолчанию) | phi-theta

Выбор системы координат диаграммы направленности пользовательской антенны, указывается az-el или phi-theta. При выборе az-el для задания координат точек диаграммы направленности используются параметры Azimuth angles (deg) и Elevations angles (deg). При указании параметра phi-theta для задания координат точек детали используются параметры Phi angle (deg) и Theta angles (deg).

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Element type значение Custom Antenna.

Azimuth angles (deg) — углы азимута диаграммы направленности излучения антенны
[−180:180] (по умолчанию) | вещественный вектор-строка

Значения углов азимута, по которым будет рассчитываться диаграмма направленности антенны в виде вектора-строки 1 на . должно быть больше 2. Значения углов азимута должны лежать в диапазоне от −180° до 180° включительно и располагаться в строго возрастающем порядке.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Element type значение Custom Antenna, а для параметра Input Pattern Coordinate System — az-el.

Elevation angles (deg) — значения углов места диаграммы направленности антенны
[−90:90] (по умолчанию) | вещественный вектор-строка

Значения углов места, при которых необходимо рассчитать диаграмму направленности излучения в виде вектора 1 на . должно быть больше 2. Единицы измерения углов — градусы. Углы возвышения должны лежать в диапазоне от −90° до 90° включительно и располагаться в строго возрастающем порядке.

Зависимости

Phi Angles (deg) — значения углов Phi диаграммы направленности антенны
[0:360] (по умолчанию) | вещественный вектор-строка 1 на P

Угловые координаты Phi точек, в которых задается диаграмма направленности излучения антенны. Задаются в виде вещественного вектора-строки 1 на . должно быть больше 2. Единицы измерения углов — градусы. Значения углов Phi должны лежать в диапазоне от 0° до 360° и располагаться в строго возрастающем порядке.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Element type значение Custom Antenna, а для параметра Input Pattern Coordinate System — phi-theta.

Theta Angles (deg) — значения углов Theta диаграммы направленности излучения антенны
[0:180] (по умолчанию) | вещественный вектор-строка 1 на Q

Угловые координаты Theta точек, в которых задается диаграмма направленности излучения антенны. Задаются в виде вещественного вектора-строки 1 на . должно быть больше 2. Единицы измерения углов — градусы. Значения углов Theta должны лежать в диапазоне от 0° до 180° и располагаться в строго возрастающем порядке.

Зависимости

Magnitude pattern (dB) — величина диаграммы направленности антенны
zeros(181,361) (по умолчанию) | вещественная матрица Q на P | вещественный массив Q на P на L

Величина диаграммы направленности антенны, заданная в виде матрицы на или массива на на .

Если для параметра Input Pattern Coordinate System установлено значение az-el, то равняется длине вектора, определенного параметром Elevation angles (deg), в свою очередь, — длине вектора, определенного параметром Azimuth angles (deg).
Если для параметра Input Pattern Coordinate System установлено значение phi-theta, то равняется длине вектора, определенного параметром Theta Angles (deg), в свою очередь, — длине вектора, определенного параметром Phi Angles (deg).

Величина равна значению параметра Operating frequency vector (Hz).

Если значение этого параметра представляет собой матрицу на , то для всех частот, указанных в параметре Operating frequency vector (Hz), применяется одна и та же схема.
Если значение представляет собой массив на на , каждый элемент на массива задает шаблон для соответствующей частоты, указанной в параметре Operating frequency vector (Hz).

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Element type значение Custom Antenna.

Phase pattern (deg) — фаза диаграммы излучения пользовательской антенны
zeros(181,361) (по умолчанию) | вещественная матрица Q на P | вещественный массив Q на P на L

Фазовая диаграмма направленности излучения комбинированной антенны, заданная в виде матрицы на или массива на на .

Если для параметра Input Pattern Coordinate System установлено значение az-el, то равняется длине вектора, определенного параметром Elevation angles (deg), в свою очередь, — длине вектора, определенного параметром Azimuth angles (deg).
Если для параметра Input Pattern Coordinate System установлено значение phi-theta, то равняется длине вектора, определенного параметром Theta Angles (deg), в свою очередь, — длине вектора, определенного параметром Phi Angles (deg).

Величина равна значению параметра Operating frequency vector (Hz).

Если значение этого параметра представляет собой матрицу на , то для всех частот, указанных в параметре Operating frequency vector (Hz), применяется одна и та же схема.
Если значение представляет собой массив на на , каждый элемент на массива задает шаблон для соответствующей частоты, указанной в параметре Operating frequency vector (Hz).

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Element type значение Custom Antenna.

Align element normal with array normal — выровнять нормаль элемента антенной решетки относительно нормали решетки
включено (по умолчанию) | выключено

Если значение параметра включено то диаграмма направленности элемента антенны поворачивается для выравнивания по нормали массива. Если выключено, то рисунок элемента не поворачивается.

Если антенна используется в антенной решетке и параметр Input Pattern Coordinate System имеет значение az-el, установка этого флажка поворачивает диаграмму направленности так, чтобы ось x системы координат элемента указывала вдоль нормали массива. При отсутствии выбора используется шаблон элемента без вращения.

Если антенна используется в антенной решетке и параметр Input Pattern Coordinate System имеет значение phi-theta, установка этого флажка поворачивает диаграмму направленности так, чтобы ось z системы координат элемента указывала вдоль нормали массива.

Используйте этот параметр вместе с параметром Array Normal массивов URA и UCA.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Element type значение Custom Antenna.

Radiation pattern beamwidth (deg) — ширина луча диаграммы направленности антенны
[10, 10] (по умолчанию) | вещественный скаляр | вещественный вектор-строка 1 на 2

Ширина луча диаграммы направленности антенны в градусах.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Element type значение Gaussian Antenna.

Polar pattern frequencies (Hz) — значения частот для полярной диаграммы направленности микрофона
1e3 (по умолчанию) | вещественный скаляр | вещественный вектор-строка 1 на L

Значения частот для полярной диаграммы направленности задается в виде вещественного скаляра или вещественного вектора-строки 1 на . Частоты лежат в диапазоне частот, заданном параметром Operating frequency vector (Hz).

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Element type значение Custom Microphone.

Polar pattern angles (deg) — значения углов для полярной диаграммы направленности микрофона
[−180:180] (по умолчанию) | вещественный вектор-строка 1 на P

Значения углов для полярной диаграммы направленности микрофона задаются в виде вектора . Углы измеряются от центральной оси микрофона и должны находиться в диапазоне от −180° до 180° включительно.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Element type значение Custom Microphone.

Polar pattern (dB) — полярная диаграмма направленности микрофона
zeros(1,361) (по умолчанию) | вещественный вектор-строка 1 на L

Задайте величину полярной диаграммы направленности пользовательского микрофонного элемента в виде вещественного вектора-строки 1 на , где — количество частот, указанных в параметре Polar pattern frequencies (Hz). Строка представляет собой величину полярной диаграммы направленности, измеренную на соответствующей частоте, указанной в Polar pattern frequencies (Hz). Диаграмма направленности измеряется в азимутальной плоскости. В азимутальной плоскости угол места равен 0°, а центральная ось составляет 0° по азимуту и 0° по возвышению. Полярная диаграмма направленности симметрична вокруг центральной оси. На основе полярной диаграммы можно построить диаграмму направленности микрофона в трехмерном пространстве.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Element type значение Custom Microphone.

Array

Geometry — геометрия массива
ULA (по умолчанию) | URA | UCA | Conformal Array

Геометрия массива, заданная как:

ULA — равномерный линейный массив.
URA — равномерный прямоугольный массив.
UCA — равномерный круговой массив.
Conformal Array — произвольное расположение элементов.

Number of elements — количество элементов массива
2 для массивов ULA и 5 для массивов UCA (по умолчанию) | целое число, большее или равное 2

Количество элементов массива для массивов ULA или UCA, заданное в виде целого числа, большего или равного 2.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Geometry значение ULA или UCA.

Array size — размеры массива URA
[2 2] (по умолчанию) | целое положительное число | вектор целых положительных чисел 1 на 2

Размеры массива URA, заданные в виде целого положительного числа или вектора целых положительных чисел 1 на 2.

Если размер массива — вектор 1 на 2, то вектор имеет вид [NumberOfArrayRows,NumberOfArrayColumns].
Если размер массива — целое число, то массив имеет одинаковое количество строк и столбцов.

Для URA элементы массива индексируются сверху вниз по крайнему левому столбцу, а затем переходят к следующим столбцам слева направо. На рисунке показан массив, для которого параметр Array size имеет значение [3 2], то есть имеет три строки и два столбца.

mvdr beamformer 1

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Geometry значение URA.

Element spacing (m) — расстояние между элементами массива
0.5 для массивов ULA и [0.5 0.5] для массивов URA (по умолчанию) | положительный скаляр для массивов ULA или URA | вектор целых положительных чисел 1 на 2 для массивов URA

Расстояние между соседними элементами массива:

ULA — указать расстояние между двумя соседними элементами массива в виде положительного скаляра.
URA — задается расстояние в виде положительного скаляра или вектора положительных значений 1 на 2. Если Element spacing (m) — скаляр, то расстояния между строками и столбцами равны. Если Element spacing (m) — вектор, то вектор имеет вид [SpacingBetweenArrayRows,SpacingBetweenArrayColumns].

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Geometry значение ULA или URA.

Array axis — направление линейной оси ULA
y (по умолчанию) | x | z

Направление линейной оси ULA, заданное как y, x или z. Все элементы массива ULA равномерно распределены вдоль этой оси в локальной системе координат массива.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Geometry значение ULA.
Этот параметр также используется, если блок поддерживает только ULA-массивы.

Element lattice — решетка положений элементов URA
Rectangular (по умолчанию) | Triangular

Решетка позиций элементов URA, заданная как прямоугольная или треугольная.

Rectangular — выравнивает все элементы по строкам и столбцам.
Triangular — смещает элементы четного ряда прямоугольной решетки в сторону положительного направления оси ряда. Смещение составляет половину расстояния между элементами по размеру ряда.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Geometry значение URA.

Array normal — направление нормали массива
x для массивов URA или z для массивов UСA (по умолчанию) | y

Направление нормали массива, заданное в виде x, y или z.

Элементы плоских массивов лежат в плоскости, ортогональной выбранному направлению нормали массива. Направления угловых координат элементов направлены вдоль направления нормали массива.

x — элементы массива лежат в yz-плоскости. Векторы угловых координат всех элементов направлены вдоль оси x.
y — элементы массива лежат в zx-плоскости. Векторы угловых координат всех элементов направлены вдоль оси y.
z — элементы массива лежат в xy-плоскости. Векторы угловых координат всех элементов направлены вдоль оси z.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Geometry значение URA или UCA.

Radius of UCA (m) — радиус массива UCA
0.5 (по умолчанию) | положительный скаляр

Радиус массива UCA, положительный скаляр.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Geometry значение UCA.

Element positions (m) — позиции элементов конформного массива
[0, 0, 0] (по умолчанию) | вещественная матрица 3 на N

Позиции элементов конформного массива, заданные в виде матрицы вещественных значений 3 на , где — количество элементов в конформном массиве. Каждый столбец этой матрицы представляет собой позицию [x;y;z] элемента массива в локальной системе координат массива. Начало локальной системы координат — (0,0,0). Единицы измерения — метры.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Geometry значение Conformal Array.

Element normals (deg) — направление векторов нормалей элементов конформного массива
[0, 0] | `вектор-столбец 2 на 1 | матрица 2 на N

Направление векторов нормалей элементов конформного массива, заданное в виде вектора-столбца 2 на 1 или матрицы 2 на . означает количество элементов в массиве. Для матрицы каждый столбец задает направление нормали соответствующего элемента в виде [azimuth,elevation] относительно локальной системы координат. В локальной системе координат положительная ось x совпадает с направлением нормали к конформному массиву. Если значение параметра представляет собой вектор-столбец 2 на 1, то для всех элементов массива используется одно и то же направление наведения.

Параметры Element positions (m) и Element normals (deg) можно использовать для представления любого расположения, при котором пары элементов отличаются друг от друга определенными преобразованиями. Эти преобразования могут включать в себя перевод, поворот по азимуту и поворот по высоте. Однако нельзя использовать преобразования, требующие поворота относительно направления нормали.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Geometry значение Conformal Array.

Taper — изменение диаграммы направленности элементов антенной решетки
1 (по умолчанию) | комплексный скаляр | комплексный вектор

Изменение диаграммы направленности элементов антенной решетки задается в виде комплексного скаляра или комплексного вектора 1 на , где — количество элементов антенной решетки.

Коэффициенты, меняющие диаграмму направленности, называемые также весами элементов, умножают отклики элементов антенной решетки. Коэффициенты изменяют как амплитуду, так и фазу отклика для уменьшения боковых лепестков или направления главной оси отклика.

Если значение параметра Taper является скаляром, то к каждому элементу применяется один и тот же вес. Если Taper — вектор, то к соответствующему элементу антенной решетки применяется вес из вектора. Количество весов должно соответствовать количеству элементов антенной решетки.

Подробнее об обобщенном подавлении боковых лепестков

Обобщенный подавитель боковых лепестков (GSC) представляет собой эффективную реализацию линейного ограничивающего минимальную дисперсию (LCMV) формирователя луча. Формирователь луча LCMV минимизирует выходную мощность массива при сохранении мощности в одном или нескольких заданных направлениях. Этот тип формирователя луча называется формирователем луча с ограничениями. Можно вычислить точные веса для ограниченного формирователя луча, но при большом количестве элементов вычисления будут затратными. Вычисления требуют инверсии большой пространственной ковариационной матрицы. Алгоритм GSC преобразует задачу адаптивной оптимизации LCMV с ограничениями в адаптивную задачу без ограничений, что упрощает ее реализацию.

В алгоритме GSC входящие данные датчика разделяются на два сигнальных тракта, как показано на блок-схеме. Верхний тракт представляет собой обычный формирователь луча. Нижний тракт — адаптивный неограниченный формирователь луча, целью которого является минимизация выходной мощности GSC. Алгоритм GSC состоит из следующих шагов:

Предварительное выравнивание данных датчика элемента путем временного сдвига входящих сигналов. Предварительное выравнивание по времени выравнивает все сигналы элементов датчика. Временной сдвиг зависит от угла приходящего сигнала.
Пропуск предварительно обработанных сигналов через верхний тракт в обычный формирователь луча с фиксированными весами .
Пропуск предварительно обработанных сигналов через нижний тракт в блокирующую матрицу . Блокирующая матрица ортогональна сигналу и удаляет сигнал из нижнего тракта.
Фильтрация сигналов нижнего тракта через набор FIR-фильтров. Параметр Signal path FIR filter length задает длину фильтров. Коэффициенты фильтров — это веса адаптивных фильтров .
Вычисление разницы между верхним и нижним сигнальными трактами. Эта разность и есть выходной сигнал GSC, сформированный луч.
Возврат сформированного выходного луча обратно в фильтр. Адаптация весовых коэффициентов фильтра с помощью метода наименьших средних квадратов (LMS). Размер шага адаптивного LMS — это величина, заданная в параметре Adaptive filter step size, деленная на общую мощность сигнала.

gsc beamformer 1