简介

MUSIC (Multiple Signal Classification)算法，即多信号分类算法，由Schmidt等人于1979年提出。MUSIC算法是一种基于子空间分解的算法，它利用信号子空间和噪声子空间的正交性，构建空间谱函数，通过谱峰搜索，估计信号的参数。对于声源定位来说，需要估计信号的DOA。MUSIC算法对DOA的估计有很高的分辨率，且对麦克风阵列的形状没有特殊要求，因此应用十分广泛。

原理

MUSIC算法是基于远场窄带信号的子空间算法，经典的远场窄带DOA估计的阵列信号模型如图1，

图 1 经典DOA估计阵列信号模型

1. 数学模型

远场窄带DOA估计数学模型为，

其中，为采样点数，为M个阵元的输出，为方向响应向量，P为信号源的数量，为入射信号，为阵列噪声。

2. 计算协方差矩阵

由于各阵元的噪声互不相关，也不和信号相关，因此X(n)的协方差矩阵为，

其中，表示入射信号的协方差矩阵，操作为复共轭转置。

实际上，采集的接收数据矩阵是有限长的，需要对有限的采样数据的协方差矩阵进行最大似然估计，

3. 进行特征值分解

对该协方差矩阵进行特征值分解，对分解得到的特征值进行大小排列，把与信号源数量P相等的最大的P个特征值所对应的特征向量组成的特征空间，称为信号子空间，即；把剩下的(M-P)个特征值对应的特征向量组成的特征空间称为噪声子空间，即,

4. 构建空间谱，

空间谱计算公式如下，

进行谱峰搜索，的个极大值对应的就是信号源的方向。

实验仿真

对于一维均匀线性阵列（ULA，Uniform Linear Array），每个阵元等间距线性排列，其MUSIC算法如下：

clear; close all;%%%%%%%% MUSIC for Uniform Linear Array%%%%%%%%derad = pi/180;N = 8; % 阵元个数 M = 3; % 信源数目theta = [-30 0 60]; % 待估计角度snr = 10; % 信噪比K = 512; % 快拍数dd = 0.5; % 阵元间距 d=0:dd:(N-1)*dd;A=exp(-1i*2*pi*d.’*sin(theta*derad));% 构建信号模型S=randn(M,K); X=A*S;X1=awgn(X,snr,’measured’);% 计算协方差矩阵Rxx=X1*X1’/K;% 特征值分解[EV,D]=eig(Rxx);EVA=diag(D)’;[EVA,I]=sort(EVA);EV=fliplr(EV(:,I));En=EV(:,M+1:N); % 信号子空间% 遍历每个角度，计算空间谱for iang = 1:361 angle(iang)=(iang-181)/2; phim=derad*angle(iang); a=exp(-1i*2*pi*d*sin(phim)).’; Pmusic(iang)=1/(a’*En*En’*a);endPmusic=abs(Pmusic);Pmusic=10*log10(Pmusic);h=plot(angle,Pmusic);set(h,’Linewidth’,0.5);xlabel(‘入射角/(degree)’);ylabel(‘空间谱/(dB)’);set(gca, ‘XTick’,[-90:30:90]);grid on;

对于二维均匀圆阵（UCA，Uniform Circle Array），每个阵元等间角度的分布在半径为r的圆周上。其MUSIC算法如下：

clear all; close all;%%%%%%%% MUSIC for Uniform Circle Array%%%%%%%%r=1; % 半径(m)N=16; % 阵元数目d=2*r*sin(pi/N);M=1; % 信源数量gamma=2*pi/N*(0:N-1); % 和参考阵元的角度fc=16000; % 采样率c=340; % 声音的速度（m/s）lambda=c/fc;a_theta=45; % 仰角a_phi=90; % 方位角zeta=2*pi/lambda*r*sin(a_theta*pi/180);A=exp(1i*zeta*cos((a_phi-gamma)*pi/180)).’; % 导向矢量K=100; % 快拍数t=(0:K-1)/1000;% 构建信号模型S=sin(2*pi*fc*t);X=A*S;snr=10;X1=awgn(X,snr,’measured’);% 计算协方差矩阵R=X1*X1’/K;% 特征值分解[Q,D]=eig(R);[D,I]=sort(diag(D),1,’descend’);Q=Q(:,I);Qn=Q(:,M+1:N); % 信号子空间theta=0:90;phi=0:1:360;p_MUSIC=zeros(length(theta),length(phi));for ii=1:length(theta) for iii=1:length(phi) zeta=2*pi/lambda*r*sin(theta(ii)*pi/180); A=exp(1i*zeta*cos((phi(iii)-gamma)*pi/180)).’; p_MUSIC(ii,iii)=(1/(A’*(Qn*Qn’)*A)); endendmesh(phi,theta,abs(p_MUSIC))grid on;xlabel(‘仰角’);ylabel(‘方位角’);zlabel(‘PMUSIC’);title(‘UCA MUSIC’);