陣列信號(hào)處理 ARRAY

通信信號(hào)處理陣列信號(hào)處理January19,2005SchoolofCommunicationandInformationEngineering總述概述陣列的基基本知識(shí)識(shí)（陣列流流形）波束形成成文獻(xiàn)分析析!什么是陣陣列信號(hào)號(hào)處理陣列信號(hào)號(hào)處理：：將一組傳傳感器在在空間的的不同位位置按一一定的規(guī)規(guī)則布置置形成的的傳感器器陣列，，用傳感感器陣列列發(fā)射能能量和接接收空間間信號(hào)，，獲得信信號(hào)源的的觀測(cè)數(shù)數(shù)據(jù)并加加以處理理。為什么要要進(jìn)行陣陣列信號(hào)號(hào)處理陣列信號(hào)號(hào)處理的的目的：：從這些觀觀測(cè)數(shù)據(jù)據(jù)中提取取信號(hào)場(chǎng)場(chǎng)的有用用特征，，獲取信信號(hào)源的的屬性等等信息。。改善蜂窩窩和個(gè)人人通信服服務(wù)系統(tǒng)統(tǒng)質(zhì)量、、覆蓋范范圍和容容量的強(qiáng)強(qiáng)有力的的工具。。

研究興趣：將接收天線陣列用于反向連接（客戶到基站）來看兩個(gè)個(gè)陣列在在天線方方面的應(yīng)應(yīng)用智能天線線陣分布多天天線陣智能天線線陣!分布多天天線陣陣列信號(hào)號(hào)處理的的系統(tǒng)分分類有源系統(tǒng)統(tǒng)具有發(fā)射射傳感器器陣的系系統(tǒng)無源系統(tǒng)統(tǒng)不具有發(fā)發(fā)射傳感感器陣的的系統(tǒng)超分辨在傳感器器陣列的的物理孔孔徑一定定的條件件下，通通過信號(hào)號(hào)處理，，獲得比比常規(guī)的的波束形形成器處處理方法法高得多多的空間間分辨率率。自適應(yīng)如何能在在復(fù)雜的的干擾背背景下最最優(yōu)地檢檢測(cè)信號(hào)號(hào)。

陣列信號(hào)號(hào)處理主主要研究究什么!平面波與與陣列天線應(yīng)具具有方向向性——定向發(fā)射射和接收收采用陣列列天線——易于控制制波束陣列處理理的對(duì)象象——空間信號(hào)號(hào)自適應(yīng)天天線天線同時(shí)時(shí)形成多多個(gè)波束束波束的指指向可以以控制發(fā)射和接接收的波波束指向向?qū)?yīng)的的用戶陣列天線線在空間分分開布置置一系列列的陣元元對(duì)接收到到的信號(hào)號(hào)進(jìn)行加加權(quán)組合合改變權(quán)值值，使波波束形狀狀隨之變變化智能天線線技術(shù)波束成形形天線單元元之間的的間距小小于半個(gè)個(gè)波長(zhǎng)發(fā)射機(jī)和和接收機(jī)機(jī)必須預(yù)預(yù)知方向向在蜂窩系系統(tǒng)中通通過形成成的，窄窄波束減減少干擾擾從而增增加復(fù)用用系數(shù)，，增加系系統(tǒng)容量量通過天線線增益，，降低發(fā)發(fā)射功率率通過空間間濾波抑抑制可分分離的空空間干擾擾，抑制制時(shí)延擴(kuò)擴(kuò)展、減減少瑞利利衰落，，對(duì)于衰衰落沒有有分集增增益。陣列流形形（１））信號(hào)的載載波為以平面波波形式在在空間沿沿波數(shù)向向量Ｋ的的方向傳傳播基準(zhǔn)點(diǎn)處處的信號(hào)號(hào)為則距離基基準(zhǔn)點(diǎn)r處的陣元元接收的的信號(hào)為為

延遲時(shí)間

滯后相位陣列流形形（２））陣列信號(hào)號(hào)總是變變換到基基帶再進(jìn)進(jìn)行處理理的將陣列信信號(hào)用向向量形式式表示

方向向量方向向量量與空間間角向量量有關(guān)，，記作：：陣列流形形（３））當(dāng)有多個(gè)個(gè)信源時(shí)時(shí)，到達(dá)達(dá)波的方方向向量量分別用用表表示，，i=1,,2,3,,…...p

陣列的方方向矩陣陣（表示示信源的的方向））為

陣列流形

陣列流形A與頻率相關(guān)，代表了相對(duì)空間結(jié)構(gòu)，有助于方向向量的確定。!移動(dòng)通信信系統(tǒng)面面臨的問問題頻譜資源源緊張、、遠(yuǎn)近效效應(yīng)、共共信道干干擾、多多徑衰落落、越區(qū)區(qū)切換以以及移動(dòng)動(dòng)臺(tái)電池池容量問問題帶來來的功率率受限等等。波束形成成波束形成成——從傳感器器陣列重重構(gòu)源信信號(hào)實(shí)現(xiàn)方式式：增加期望望信源的的貢獻(xiàn)來來實(shí)現(xiàn)通過抑制制干擾源源來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)——陣列信號(hào)號(hào)處理在在統(tǒng)計(jì)數(shù)數(shù)學(xué)模型型基礎(chǔ)上上的具體體問題波束形成成的實(shí)質(zhì)質(zhì)從信號(hào)處處理角度度看，波波束形成成實(shí)質(zhì)上上是一個(gè)個(gè)多輸入入多輸出出(MIMO)問題。簡(jiǎn)簡(jiǎn)單地說說，波束束形成就就是將天天線陣列列上接收收到的信信號(hào)變換換到基帶帶，然后后進(jìn)行相相應(yīng)的空空間譜處處理，獲獲得該信信號(hào)的空空間特征征矢量和和矩陣以以及信號(hào)號(hào)的功率率估值和和DOA估值。在在此基礎(chǔ)礎(chǔ)上，依依據(jù)一定定的準(zhǔn)則則，計(jì)算算信號(hào)在在各個(gè)天天線陣元元的加權(quán)權(quán)矢量，，生成多多個(gè)高增增益的動(dòng)動(dòng)態(tài)窄波波束來跟跟蹤多個(gè)個(gè)期望用用戶。一種空間間濾波方方法波束形成成的目的的目的是從從信號(hào)、、干擾和和噪聲混混在一起起的輸人人信號(hào)中中提取期期望信號(hào)號(hào)。在接接收模式式下，使使得來自自窄波束束之外的的信號(hào)被被抑制，，而在發(fā)發(fā)射模式式下，能能使期望望用戶接接收的信信號(hào)功率率最大，，同時(shí)使使窄波束束范圍以以外的非非期望用用戶受到到的干擾擾最小。。波束形成成的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)在智能天天線中，，波束形形成是關(guān)關(guān)鍵技術(shù)術(shù)之一，，是提高高信噪比比、增加加用戶容容量的保保證，能能夠成倍倍地提高高通信系系統(tǒng)的容容量，有有效地抑抑制各種種干擾，，并改善善通信質(zhì)質(zhì)量。波束形成成問題研研究的方方法經(jīng)典方法法：需要觀測(cè)測(cè)方向的的知識(shí)（（期望信信源的方方向）盲方法：：沒有期望望信源方方向信息息的情況況下恢復(fù)復(fù)信源波束形成成的最佳佳權(quán)向量量波束形成成技術(shù)的的基本思思想：通過將各各陣元輸輸出進(jìn)行行加權(quán)求求和，在在一時(shí)間間內(nèi)將天天線陣列列波束““導(dǎo)向””到一個(gè)個(gè)方向上上，對(duì)期期望信號(hào)號(hào)得到最最大輸出出功率的的導(dǎo)向位位置即給給出波達(dá)達(dá)方向估估計(jì)。盲波束形形成早期的盲盲波束形形成技術(shù)術(shù)依賴方向估計(jì)計(jì)方向估計(jì)計(jì)分為參參數(shù)化方方法和非非參數(shù)化化方法兩兩大類非參數(shù)化化方法是是基于譜的方法——以空間角角為自變變量分析析到達(dá)波波的空間間分布布（空間間譜）多天線系系統(tǒng)的信信道容量量（1）全向單天天線系統(tǒng)統(tǒng)：在收收、發(fā)兩兩個(gè)全向向天線之之間只存存在一條條信道，，這時(shí)的的容量由由香農(nóng)公式得得到：其中：SNRomni——接收機(jī)入入口處的的信噪比比C——信道容量量：bpsB——接收機(jī)帶帶寬：Hz波束成形形天線示示意圖發(fā)送波束束成形接收波束束成形天線陣的的各個(gè)單單元間距距小于/2多天線系系統(tǒng)的信信道容量量（2）波束成形形天線系系統(tǒng)：將將發(fā)射功功率相等等的分配配到M個(gè)全向發(fā)發(fā)射天線線上，M個(gè)全向收收、發(fā)天天線采用用相位波波束成形形技術(shù)，，則信道道容量為為：MIMO天線系統(tǒng)統(tǒng)示意圖圖獨(dú)立信道道天線陣天線陣2多天線系系統(tǒng)的信信道容量量（3）如果發(fā)射射功率分分散到M個(gè)獨(dú)立的的信道中中，并且且各個(gè)信信道具有有相同的的路徑損損耗，則則信道容容量為：：多天線系系統(tǒng)的信信道容量量比較傳輸環(huán)境境對(duì)天線線系統(tǒng)的的影響空間復(fù)用用利用空間間散射信信道，在在各個(gè)收收發(fā)天線線對(duì)之間間形成多多路獨(dú)立立的傳輸輸信道。。傳輸相同同數(shù)據(jù)可可以提高高傳輸可可靠性傳輸不同同的數(shù)據(jù)據(jù)可以提提高傳輸輸容量MelementsNelementsTransmitReceive!文章結(jié)構(gòu)構(gòu)與框架架引言MIMO—OFDM系統(tǒng)模型型自適應(yīng)半半盲波束束形成算算法基于導(dǎo)頻頻的自適適應(yīng)算法法在無訓(xùn)練練序列的的信息信信號(hào)周期期的自適適應(yīng)盲算算法仿真結(jié)果果與分析析結(jié)論在第三代代無線移移動(dòng)通信信標(biāo)準(zhǔn)呼呼之欲出出，第四四代無線線移動(dòng)通通信標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)正處于于廣泛醞醞釀之際際，人們們注意到到，為提提高信道道容量和和傳輸速速率以及及通信質(zhì)質(zhì)量，這這兩種標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)都涉涉及到了了基于OFDM調(diào)制的MIMO多天線陣陣列無線傳輸輸物理層層體系結(jié)結(jié)構(gòu)這項(xiàng)項(xiàng)關(guān)鍵技技術(shù)。1、引言部部分（1）1、引言部部分（2）OFDM具有很好好的抗多徑衰衰落的特性;天線陣列列的增益益性能取取決于陣陣列的空間幾何何分布的設(shè)計(jì)和和分離接接收信號(hào)號(hào)的均衡權(quán)矢矢量的算法；；MIMO信道直接接制約了了無線通通信的容容量和質(zhì)質(zhì)量，是是通信網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃劃和收發(fā)發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)必須考考慮的重重要因素素，同時(shí)時(shí)MIMO天線陣列列還是空空分多址址(SDMA)的核心構(gòu)構(gòu)架；所以，近近年來對(duì)對(duì)基于OFDM傳輸方案案的MIMO信道的研研究十分分活躍。。1、引言部部分（3）目前，對(duì)對(duì)MIMO無線信道道的研究究主要有有兩大方方向，第一是建建立概念念性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)平臺(tái)，，通過對(duì)對(duì)無線通通信的多多天線陣陣列實(shí)測(cè)測(cè)數(shù)據(jù)的的分析，，研究不不同的視視距和非非視距無無線移動(dòng)動(dòng)通信環(huán)環(huán)境下的的陣列信信道特征征及其對(duì)對(duì)通信容容量的影影響;第二是基基于智能天線線的波束束形成器器研究，其其中矩陣陣信道估估計(jì)和均均衡盲算算法正成成為研究究熱點(diǎn)，，即僅利利用接收收的陣列列信號(hào)和和源信號(hào)號(hào)的先驗(yàn)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)特特性估計(jì)計(jì)矩陣信信道進(jìn)而而恢復(fù)出出發(fā)射信信號(hào)。1、引言部部分（4）但是，典典型的盲盲算法都都存在計(jì)計(jì)算量大大，難以以自適應(yīng)應(yīng)無線移移動(dòng)信道道的時(shí)間間變化、、收斂速速度慢和和符號(hào)差差錯(cuò)率(SER)性能到一一定程度度不隨SNR的提高而而相應(yīng)改改善等缺缺點(diǎn)。由由于在OFDM的幀結(jié)構(gòu)構(gòu)中有一一定數(shù)量量的收發(fā)發(fā)端已知知的前置置信號(hào)和和導(dǎo)頻信信號(hào)，因因此，本文結(jié)合合已知的的導(dǎo)頻訓(xùn)訓(xùn)練序列列，提出出了一種種新的用用于多載載波(OFDM)多天線陣陣列(MIMO)的自適應(yīng)應(yīng)半盲算算法。2、MIMO-OFDM系統(tǒng)模型型（1）在無線通通信中，，影響通通信性能能的一個(gè)個(gè)重要因因素是由由信道色色散產(chǎn)生生的延遲擴(kuò)展展和Doppler擴(kuò)展所導(dǎo)致的的頻率選選擇性衰衰落和時(shí)時(shí)間選擇擇性衰落落;在多天線線系統(tǒng)中中，信道道色散還還產(chǎn)生角度擴(kuò)展展，導(dǎo)致天線線增益性性能下降降。2、MIMO-OFDM系統(tǒng)模型型（2）OFDM以較低的的速率把把數(shù)據(jù)調(diào)調(diào)制到多多個(gè)正交交的子載載波上，，這種調(diào)調(diào)制在發(fā)發(fā)端利用用IFFT把頻域載載波信號(hào)號(hào)轉(zhuǎn)換成成時(shí)域復(fù)復(fù)基帶信信號(hào);在收端執(zhí)執(zhí)行FFT后，對(duì)每每個(gè)接收收數(shù)據(jù)采采樣值僅僅須簡(jiǎn)單單的復(fù)數(shù)數(shù)乘法運(yùn)運(yùn)算，就就可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)信道補(bǔ)補(bǔ)償，恢恢復(fù)出原原載波信信號(hào).由于把OFDM數(shù)據(jù)樣本本的最后后一定數(shù)數(shù)量的樣樣本循環(huán)環(huán)復(fù)制到到同一數(shù)數(shù)據(jù)塊的的最前端端，構(gòu)成成發(fā)射數(shù)數(shù)據(jù)幀，，該幀信信號(hào)與信信道沖激激響應(yīng)的的卷積成成為圓周周卷積.如果信道道延遲擴(kuò)擴(kuò)展比循循環(huán)前綴綴長(zhǎng)度短短，就可可以完全全避免ISI，從而省省去了陡陡截的濾濾波器和和需大量量復(fù)數(shù)乘乘加的均均衡器，，使系統(tǒng)統(tǒng)實(shí)現(xiàn)效效率更高高，更具具明顯優(yōu)優(yōu)勢(shì).2、MIMO-OFDM系統(tǒng)模型型（3）將OFDM信號(hào)調(diào)制制方式與與M個(gè)發(fā)射天天線N個(gè)接收天天線構(gòu)成成的多天天線MIMO系統(tǒng)結(jié)合合起來，，就形成成了MIMO一OFDM系統(tǒng)結(jié)