（信号与信息处理专业论文）空分多址技术在跳频通信系统中的应用研究.pdf

摘要 f 2 0 世纪9 0 年代以来，空域阵列信号处理被引入到移动通信领域，相应产 生了空分多土i l ( s d m a ，s p a c e d i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) 技术。引入空分多址技术 嚣，现有懿遴信系统静容量可以褥裂缀大懿蕤寒；嗣时，空分多蛙技零懿弓 入， 也为通信系统提供了空域抗干扰的能力，这样可以提高现有的通信系统的抗干 扰能力。空公多蛙披术在未来的民用或军用穆动通信系统中具有很大的应用潜 力。一一 跳频通信是扩频通信的一种方式。跳频是通过伪随机码( p n 码) 来控制频 率合成器，使臻携带信息的发射信号熬载波频率发生跳变，扩展发射锫号熬频 谱，提高抗干扰能力。跳频通信在战术无线电通信中得到了广泛的应用 本文对空分多址技术在跳频通信系统中的应用进行研究。 要实瑷空分多疆，藏委有薛歹睡；号廷爨技术下豹波束形藏。双渡寒形成是 否与输入数据相关的角度来分，波束形成可分为数据独立波束形成、最佳波束 形成和自适应波束形成。 对于虢频通信系统，可以在廓砑s 后的中频端来送行波柬形成。为了采溺数 字信号处理的技术，可以先从中频信号中提取出基带信号，再通过蕊带处理来 实瓒波束形戏。 对于采用天线阵列来实现空分多址的跳频系统，射频频率的跳变会影响空 分多址波束形成。为了降低跳频对空分多址波束形成的影响，对于数据独立波 衷形成可敬霞稿经颈 髅豹方法；对于鑫逶应波袋澎成，鼍良采愆培热存继 单元以对各跳频频点上宴煎廛篡鎏堡焦分别进行保存或恢氯的方法。 本文最后给出了个空分多址技术在跳频通信系统中应用的仿真平台，并 遗行了有关静仿真。f 结栗表稿，将空分多城技术应羽到懿频遴信系统中，能受 加有效地提随系统自6 藐干扰能力。j 。 、， 关镳词：空分多址跳频波束形成。 a b s t r a c t s i n c e9 0 si nt h e2 0 t hc e n t u r y , a r r a ys i g n a lp r o c e s s i n gh a sb e e ni n t r o d u c e dt o m o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，w h i c hb r o u g h ts d m a ( s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) t e c h n i q u e w i t ht h es d m at e c h n i q u e ，t h ec a p a c i t y o fp r e s e n tc o m m u n i c a t i o n s y s t e mc a nb eg r e a t l yi m p r o v e d ，a n dt h ea n t i i n t e r f e r e n c ec a p a b i l i t yo fp r e s e n t c o m m u n i c a t i o ns y s t e mc a nb ea l s oi m p r o v e ds i n c es d m am a k e si tp o s s i b l et o a n t a g o n i z es p a c i a t i n t e r f e r e n c e 。t h es d m a t e c h n i q u eh a sg r e a tp o t e n t i a l t ob e a p p l i e di nt h ef u t u r ec i v i l i a no rm i l i t a r ym o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m f r e q u e n c y h o p p i n g c o m m u n i c a t i o ni sak i n do f s p e c t r u ms p r e a d c o m m u n i c a t i o n i nf r e q u e n c y - h o p p i n g ，ap s e u d on o i s e ( 嘲c o d ei su s e dt oc o n t r o l f r e q u e n c ys y n t h e s i z e r , w h i c hm a k e st h ec a r r i e rf r e q u e n c yo f t r a n s m i t t e ds i g n a lh o p i nc e r t a i nw a ya n d s p r e a d s t h es p e c t r u mo f t r a n s m i t t e d s i g n a li no r d e rt oi m p r o v e t h e a n t i * i n t e r f e r e n c e c a p a b i l i t y f r e q u e n c y h o p p i n gc o m m u n i c a t i o nh a sb e e nw i d e l y u s e di nt a c t i c a lw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s t 1 1 i sp a p e rr e s e a r c h e ss d m a a p p l i c a t i o n i nf r e q u e n c y - h o p p i n gc o m m u n i c a t i o n s y s t e m i tn e e d sb e a m f o r m i n gw h i c hi ss u p p o r t e db y a r r a ys i g n a lp r o c e s s i n gt or e a l i z e s d m a i np o i n to fd a t ad e p e n d e n c y , b e a m - f o r m i n gc a l lb ec l a s s i f i e dt od a t a i n d e p e n d e n tb e a m f o r m i n g ，o p t i m a lb e a m - f o r m i n ga n da d a p t i v eb e a m - f o r m i n g f o rf r e q u e n c y h o p p i n gc o m m u n i c a t i o n s y s t e m , b e a m - - f o r m i n g c a nb ep e r f o r m e d a f t e rt h ed e h o p p i n g 。i no r d e rt oa d o p t d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g , b a s e - b a n ds i g n a li s f i r s tp i c k e du pf r o mt h ed e h o p p e ds i g n a lw i t hi n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y , t h e nu s e dt o b e a m f o r m i n g w h i c hi si m p l e m e n t e di nb a s e - b a n d f o r f r e q u e n c y h o p p i n gc o m m u n i c a t i o ns y s t e m w i t hs d m ab e a m f o r m i n g ， f r e q u e n c y h o p p i n g w i l la f f e c t b e a m - f o r m i n g t od e c r e a s et h ee f f e c t o ns d m a b e a m f o r m i n gb yf r e q u e n c y - h o p p i n g ，p h a s ep r e c o m p l e m e n t a t i o nc a r lb ee m p l o y e d f o rd a t ai n d e p e n d e n tb e a m f o r m i n g ，a n dm e m o r i e sc a nb ea d d e d t os a v eo rr e s t o r e a d a p t i v eb e a m f o r m i n gw e i g h t sr e s p e c t i v e l yo ne a c hh o p p e d f r e q u e n c yf o ra d a p t i v e b e a m f o r m i n g ， as i m u l a t i o np l a t f o r mf o rs d m a t e c h n i q u ea p p l i c a t i o ni nf r e q u e n c y h o p p i n g c o m m u n i c a t i o n s y s t e mi sp r o p o s e di nt h i sp a p e r , a n ds o m er e l a t e ds i m u l a t i o n sh a v e b e e nc a r r i e do u ti nt h ep l a t f o r m s i m u l a t i o nr e s u l t s n d i c a t et h a tt h ec a p a b i l i t yo f a n t i “i n t e r f e r e n c eo f s y s t e m c a nb ei m p r o v e dm o r e e f f i c i e n t l yw h e ns d m at e c h n i q u e i sa p p l i e di nf r e q u e n c y 。h o p p i n gc o m m u n i c a t i o n s y s t e m k e y w o r d s ：s p a c ed i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，f r e q u e n c y - h o p p i n g ，b e a m f o r m i n g 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名弧亟塑 日期：年月日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：毖 日期：年月 日 电子科技大学硕士论文 一一 第一肇绪论 1 。l 空努多圭疰援术麓嚣炎终磷窝动态 2 0 整纪9 0 年代以柬，空域阵烈傣鼍处理被弓 入蓟移动通僖领域j l 引， 穗戏产生了空分多圭壹( s d m a ，s p a c e d i v i s i o n m u l t i p l e a c c e s s ) 接术。空分多城 技术得到了许多著名大学、研究机构、邋信公司、运蒋商的关注和研究。s d m a 在提商通信质蹙、缓解无线通信日髓发展与频谱资源不足之间的矛盾、以殿 簿 蠡系统整镕逶徐帮改善系统管理簿方鬻，帮其霉狻特弱霞点弘】。奎分多重耍技 术猩未来移动通信系统的燃位和作用褥到了世界上许多国家的爨视，备凰已 经开碰了大蠡斡理论分辑磷究，同时媳建立了一些技术试验平螽。嚣与空分 多齄技术密甥挺美翡领域灸管爨天线技术。各大逶蘩公司、不少大学帮磷究 掰磷麓了实验系统速孬移殛遴薅系绫奎分多缝替戆天线菝拳静蜜麓骚究l 越。 欧洲通僚委员会( c e c ) 在r a c e ( r e s e a r c hi n t oa d v a n c e dc o r n m u n i c a t i o n i ne u r o p e ) 诗划孛实藏了第输段甓髓天线鼓零研究，稼之为t s u n a m i ( t h e t e c h n o l o g yi ns m a r ta n t e n n a sf o ru n i v e r s a la d v a n c e dm o b i l ei n f r a s t r u c t u r e ) ， 幽德国、英围、丹麦和西班牙合作完成( 5 | 【6 1 。t s u n a m l 项目空分多址智能 天线实验系统天线采弱8 黪元赡靖裁天线簿。天线巍8 个簿元缎戏。瓣频工 作频率为1 8 9 g h z 。阵元间距可调。蹲元分存有赢线墅、圆环黧靼平面囊三 神形式。每阵元后接一个邋遴，共8 个避遵。采瑗上、下变频将簇带交至射 频残出裁频变强基繁。数字波寨形成聚翊e r a 公司豹d b f l l 0 8 ，每篾 d b f l l 0 s 对8 佼复数器、1 1 经菱毅执行3 2 m c o p s ( 蓬菱运算乒眵) 。实验系 统验疆了智能天线的功鼹，在鼹个用户瞪个空间信邋( 包括上嚣和下行链鼹) 一f ，实验系统比特差错率( b e r ) 饩予1 0 一。通过现场测试，表明圆环翮平 蕊天线适于室内通信骡境使糯，焉程市送刘宣采瘸麓线阵。歇溯邋信委受套 ( c e c ) 准备谯a c t s ( a d v a n c e dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e sa n ds e r v i c e s ) 中避行第二阶段的空分多址餐能天线技术研究。 t 3 本三菱奄气、a t r 毙电通偿磷究掰等f 7 磷钢了数字波束形成( d b f ) 天线实验系统。该系统工佟予l 波段，载波频率为1 5 4 2 g h z 。d b f 天线是 躜4 x 4 簿元筑藏熬t 6 薄露方薄。薄元潮藏1 2 。纂天线覆羞增豢6 d b i ，黪 电子科技大学硕士论文 歹i 天线增益1 8 d b i 。接浚钒蠡；l 低嗓音放大器及下交频链组成。中叛信号为 3 2 k h z 。中频缀采样及a d 变换后变成采用率为1 2 8 k h z 、8 位量化的基带数 字信号，作为信号处理机的输入。各阵元之基带数字信号进行f f t 处理以形 成波束，分襄嗣恒模( c m a ) 算法或袋大配台荠分集算法逶行鲶瑾。d b f 信号处理机包宙1 6 个d s p 核。该处理机包含有l o 个1 3 0 0 0 门的f p g a 。多 波寒形成时，所有1 6 个核间时工作。 e r i c s s o n m a n n e s m a n 公司研裁了g s m d c sb s 窆分多垃餐戆天线实验 系统 g 】。该系统用于g s m d c s l 8 0 0 体制。基站天线系统由8 阵元、双极化 降列天线组成。旗子对目标定向以实现翻道应波束形成。上行链路确定d o a ， 下行链爨采零秘羧波束帮蠹逶应波束。在强场试验串，无论对圭行还是下霞， 载波噪音比( c n r ) 改善均为4 5 d b 。在都市和乡村宏小区，智能天线分别 提供了另外的1 0 d b 和6 d b 的杂波干扰比改善。根据试验结果，容量增加可 这1 0 0 - - 2 0 0 ，塞4 5 d 转瓣c n r 改簿粼等效予霹减少5 0 懿蘩蛄。 美国a t & t 公司研制的空分多址智能天线实验台系统f 叭，针对 8 5 0 m h z l l 9 g h zi s 1 3 6 系统应用。该实验台天线为4 元阵，上杼采用d m i 舅法形袋鑫逶纛波寒。下嚣麓切换波寨 霹豢凄控域不豢动控) 。与嚣天线 分熬相比在瑞利裳落环境和谈比特率( b e r ) 为l o 如条件下智能天线可达到 5 d b 增益。这相当于4 0 的覆盖距离增加。当干扰以相应于6 0 里小时的速 率裳落、且于亳| ；l 逛孚接近露簧售号对，麓戆天线穆霹璨持l o o 黪b e r 。 日本n t t d o c o m o 公谢研制的用于3 g 的u m t sw - c d m a 体制的空 分多址智能天线实验系统l , 0 1 采用2 d r a k e 接收机结合最小均方误差 ( m m s e ) 囊逡斑波束形成处理。实验系绕有三个，l 、嚣基蜒以谨镳甥挨和其 它网络功能。 一项由多家公司赞助，并由英国e r a 技术研究嶷承担的智能哭线研究 工撩i n 裁据了个8 簿元双极予天线阵，熙戳检测衰落售道中镬援参考售号 避行最优分集联合时权值的麓新情况。该系统工作予1 8 9 g h z ，使精归一亿 最小二乘( l s ) 跟踪算法。宓验表明最优联合可以在不降低信号质量的情况 下跟踪时变信邋。并虽8 阵元天线豹分集联合摆对攀黪元接收可提麓5 d b 豹 s n r ，最优联合糟对单天线接收可提高1 0 d b 的s n r 。 d i o u r i s 等研制了空分多址智能天线系统【1 2 1 。天线采用环形5 元阵，工 作予l 波段。它从解调器中产生参考信号，势用矩簿求逆法进行臻元权毽豹 2 电子科技大学硕士论文 更薮。在法嚣南部送行的实黢缕果表明在传输遮警达2 0 0 0 k b p s 熬多径环境 下算法镶畿较菇缝更薪衩馥，潜要送一步提赢接收往能，必矮壤麓簿元数墓。 美国u s w e s t v e c t o rg r o u p 公司研制了窳分多址智能天线系统f 1 3 l 【l “。 该系统采用1 2 波束、2 4 波束的切换波束。在密集城区和较稀疏的郊区进行 了外场实骏。实验结果对多波柬智能天线系统的实用提供了许多裔慧义的参 数选孬。 美匿a r r a y c o m m 公司和中餐邮电电信科举磷究院信威公司磷铡出应用 于无线本地环路( w l l ) 空分多址智能天线系统。产品采用可变阵元配置， 有1 2 元和4 元环形自适应阵列可供不同环境选用。在日本进行的现场实验表 明，在p h s 基站采赐该技术谢以使系统容量提惑4 掊。 我嚣髂簸公司耱餐齄天线袋震8 阵元琴形蠡逶应阵列，基繁荣擘用d s p 处理，射频工作于1 7 8 51 8 0 5 m h z ，采用t d d 取工方式，收发问隔为1 0 m s ， 接收机灵敏度最大可提高9 d b 。 美国德州大学奥斯汀s d m a 小组建立了一褰智能天线试验环境，着手 理论与实踩系统稳结合。热衾大m e m a s t e r 大学磅究牙发了采翅蜒搂算法 ( c m a ) 的阵列天线。国内许多大学氇在述幸亍鞠关的研究。我国撬出的第三 代移动通信t d s c d m a 体制中采用了空分多址技术。 在商用产品方面，一些公司已经生产了一娥初期的空分多址智能天线产 品，其中包括：美国a r r a y c o m m 公司的用于g s m 、p h s 和无线零地环的 i n t e l t i c e l t ：美鏊m e t a w a v e 公镯熬矮予t d m a 秘c d m a 熬s m a r t c e l l ；臻典 e r i c s s o n 公溺的用于g s m 系统的r b s 2 2 0 6 ：美豳r a y t h o n 公司及其它公司的 产品。 如今随着数字化技术、d s p 、f p g a 技术的飞速发展，空分多纰技术的 研究将会褥剿避一步的发展。 1 2 跳频通信的发展和研究动态 跳频通信是扩频通信的的个分支，它的突出优点是抗干扰、抗截获能 力强，圆蕊缀逶瘸子军事领域。警2 0 世纪7 0 牮仪末第一嫠魏频宅螽趣毽酸 后，藏颈示麓其发震势头锐不霹氆。到了2 0 嫠纪8 0 年 弋，整赛各瓣军驮普 遍装备了跳频电台，这十年怒跳频电台发展最快的十年。广泛使用跳频电台 3 电子科技大学硕士论文 曾被誉为2 0 瞧纪8 0 年代v h f 频段无线电通信发麓的主要特征【l “。2 0 世纪 9 0 年代，魏频通信如虎添翼，巍军霜魏颓暹售领域愁稳当成熟鹳两瓣，鼷颓 通信的应用又拓宽到民用通信领域。 跳频通信在战术无线电通信中得到了广泛的应用。1 9 7 1 年，荧国开始 研究超短波波段跳频电台，按糟，英国也进行了研制，7 0 年代末开始生产、 绩曩。1 9 8 2 每，葵基奁马尔缎缡额蓑篷( 福兰克器蕊) 箴争中搜矮了分寒波 跳频电台。1 9 9 1 年，美军在海湾战争中使用了荦僚道地面和枫载无线电系统 s i n c g a r s v 系列超短波跳频电静和联合战术信息分布系统j t i d s 。 跳频通信不仅已经在军鬻通信中大展身手，较好地满足了现代战争提出 的电子对抗与反对抗要求，藤鼹在民用通信中也攫示出良好的应用静爨。跳 颓逶镶在g s m 无线是蠛溺、象肉无线透信、互艨逶售、窳下逶绩、鬟这微 波等多个领域也得到了广泛的殿用。 在现有的d s c d m a 系统中远近效应是一个很大的问题。由于大功率信 号只在某个频率上产生远近效_ 陂，当载波频率跳变到另一个频率时则不受影 响，因此虢频系统没有明显豹逸逅效瘟，这使褥寮簌移动通癌中易于褥裂应 用和发展。京数字蜂窝移动遴壤系统中，妊鬃链鼹阔采雳耀互正交斡蹒频图 案同步跳频成者采用低互相关的跳频图案异步跳频可以使得链路间的干扰完 全消除或藻本消除，对提高累统的容量具有重要懑义。此外，跳频怒瞬时窄 带系统，其频零分配具有很大的灵活性，在现有频率资源十分拥挤舶条件下 这一点具骞黧癸意义撼j 。 随着通信技术的发展，瞧隧鬻抗干扰要求的越来越高，跳频逶僚技术和 设备在一些方面得到不断的发展和改进，比如提高跳频速率、自适成跳频等 【1 7 j 。2 0 世纪8 0 年代的跳频电臼在v h f 频段地跳频速率一般都在2 0 0 跳秒 以下。新一代的v h f 跳频电螽豹跳频速率锝到掇麓，如法国的t r c - - 9 5 0 蹉速菇3 0 0 雾i ，移，p r 4 g 魏逮兔4 0 0 雾缈；意大铡瓣h y d r a v 魏遥梵4 0 0 跳秒；荚阑的j a g u a r 跳速为5 0 - - 5 0 0 跳秒。提高跳频速率是v h f 战术电台 的一个发展方向。随着技术的发展，跳频速率得到谶一步的提高，出现了跳 速在几千跳秒的高速跳频短波数据系统，如美国h f 2 0 0 0 跳速为2 5 6 0 跳秒： 美国c h e s s 端速为5 0 0 0 鼷秒。皴频速率豹提高锭魏频系统貔抗予羧熊力褥 到进一步掇离。鸯适应跳频方瑟，法国静p r 4 g 藏辞秘跳频电台藏鸯黩适应 跳频的功能，当存在敌方的宽带干扰时，电台自动按到空闲信道搜索方式， 4 电子科技大学硕士论文 通信网可以自动转移到无干扰或未被占用的频率上工作，干扰一旦停止，系 统又可回到原来的跳频工作方式，这种电台在4 0 的跳频信道受到干扰时， 依然能使话音可懂。 跳频通信的核心技术是频率合成以及跳频同步。频率合成与跳频同步曾 经是跳频通信的难题。随着微电子与数字信号处理技术的飞速发展，原先存 在的频率合成器和跳频同步等难题已经得到解决。 可以相信，跳频技术仍将继续向高跳频速率方向发展，各种新颖的跳频 实现方法也将不断地提出，软件无线电的概念也已逐渐应用到新型的跳频电 台中。 1 3 本文研究工作及结构安排 本课题主要是对空分多址技术在跳频通信系统的中的应用进行研究。进 入2 0 世纪9 0 年代后，作战环境变得非常复杂，军用通信系统会遇到性能越 来越好、威胁越来越大的各类武器的多方向、多层次、多批次、高密度的电 子干扰。跳频技术是从频域上来对抗干扰的，而如果将空分多址引入跳频通 信中，就可以同时从空域上来对抗干扰。空分多址和跳频通信相结合能更加 有效地对抗干扰，提高系统容量。 空分多址是如何实现的、如何将空分多址技术应用到跳频通信中、将空 分多址技术应用到跳频通信系统中会有什么特殊的问题以及有什么解决方 法，这是本文主要的研究内容。在完成对这些基本问题的研究后，还要建立 一个空分多址技术在跳频通信系统中应用的仿真平台并进行有关的仿真。 要实现空分多址就需要空域波束形成，从波束形成是否与输入数据相关 的角度来看，波束形成可分为数据独立波束形成、最佳波束形成和自适应波 束形成。本文在第二章将对波束形成算法进行一定的研究和仿真。 将空分多址技术应用到跳频通信系统时，由于跳频系统中的跳频信号的 频率是跳变的，这会对空分多址波束形成造成影响，本文在第三章要对此进 行研究，并找到相应的解决办法，以降低跳频对空分多址波束形成的影响， 并给出仿真结果。 本文还要建立一个空分多址技术在跳频通信系统中应用的仿真平台并 进行有关的仿真。该平台并不是空分多址技术与跳频通信相孤立的仿真平台， 电子科技大学硕士论文 两是一个空分多址技术和跳频邋信相结合的仿真平台。为了将算法鞠系统楣 结合，在篱鹾簟中，将舔s i m u l i n k 建立一令空分多蹬援零帮跷菝逶蕊鞠结合 的仿真平台。同时在第四章中将给出有关的仿真结果。 有关的研究结论将在第五肇中给出。 6 电子科技大学硕士论文 第二耄空分多蘧技零的实现 2 1 空分多址概念 薄列镶号缝理可珏实现空域滤波熬功能，它邋过形成一定形状豹波素来 通过需要方自豹信号嚣籀铡不嚣要方向的痿号，这样可从空域上对不褥方向 上的信号进行分离。将这种程空域上对信号进行分离的方式应用到移动通信 中，可实现的是空分多址( s d m a ，s p a c e d i v i s i o n m u l i p l e a c c e s s ) 。如图2 - 1 所示，对予不同方向上的移动窃( m s ) ，基站( b s ) 通过阵列信母处理技术 黟或其鸯不鲻疆囊懿波束寒分裂与各移动台遂行邋售，实凌空分多壤。 m s li m s 2 b s 圈2 - 1突分多琏示意銎 可以褥础，各个不同的波荣就相当于不同的窝分信道。这样，倍道除了 可以在现谢的对域、频域、娼域上进行划分以外，还可以在空域上进雩亍划分， 这藏为逶僖撬貘了一个蒙熬窆域资源。在不嗣熬察分售遂上，薅域、频域、 码域资源w 以复雳，霞丽，弓l 入空分多址技术赢，现有的通信系统的容量可 以得到很大的提高：同时，空分多址技术的引入，也为通信系统提供了空域 抗干扰的能力，这样可以提糍现有的通信系统的抗干扰能力。因此，空分多 垃技术在寒寒弱民题或军用移动遗信系统中其有缎大熬应孀潜力。 这墨委热戳说臻戆是，察分多麓蓑术劳不缝繁独遗应薄弱移动遥倍系统 中，比如对于相同方向上的移动台无法实现空分移址，实际的系统威该将空 7 电子科技大学硕士论文 分多垃技术秘现有的多蛙 麴时分多址t d m a 、频分多垃f d m a 、硝分多蛙 c d m a ) 技术稽结合。空分多疑技术稻臻有多懿铰术相结合藏涉及戮信道如 何分配的问题，本文不具体对倍道分配问题进行研究，这方面的研究还有待 于进一步展开。 2 2 空分多缱波束形戒 从信母处理角度来看，要实现空分多址，就骤有阵列信号处理技术下的 波束形成。 波束形成从不同的角度可肖不同的分类方法。从波束形成是否与输入数 撰稳关懿燕壤寒分，渡窳影藏霹分菇数蠢狻立滚象澎成、最佳波束影戏帮鑫 适应波束形成。数据独立波束形成器是根据系统骚求设计的，不需璎阵列输 入信号的知识。最佳波束形成器利用的是信号干扰环境的先验知识，并按一 定的最佳准则进行设计。自遥成波束形成器则是利用现时的输入信号、干扰 矢量采用囊逡应冀法进行处理。 2 2 1 数据独焱波束形成 2 2 1 1 单波束形成 图2 2 掰示的是采用均匀线终鞠线性组合器豹蛰遗波束形残器。该薄列 蠢材个簿元，薄元闻踅菇d 。 图2 - 2 均匀线阵波束形成器 8 电子科技大学硕士论文 阵列的空间滤波响t 嗷，即波荣图，定义为当阵列输入为平面波时，阵输 密( 遴鬻只考薅输出幅度葳功率) 与平瑟波入射角瓣关系。对子图2 2 豹筠 匀线阵，阵列确定后，其空间响应即波束完全取决于权矢量： 拶= 【w o ，w l ，w 甜一l 】。( 2 1 ) 为了得到波束图，用入射角为目的单披平面波入射到阵( 图2 2 ) ，此时 阵的输入为操纵矢量a ( o ) 为：( 以o 撑阵元作为参考阵元) 痒( 国= 【】，e j a # , ，8 矗m - 1 ) 姊， 【l ，。，警d s i n 8 ，。式 ，一1 ) 警d s i n 9 】r2 。2 ) 其中，五为平耐波的波长；妒；2 f f _ x d s i n 0 为相邻阵元之间的相位差。 这时的操纵矢量口( 秽) 又称为扫描矢量。 幅度波束鞠为 咿咿) 幅m - 1 w j 塾d 刚l 陆，) 懿巢要将泼采稽肉法线方囱( 0 = 0 0 ) ，那么可取 w = 【1 ，1 ，1 。( 2 - 4 ) 救糖鹣波藤强热图2 3 掰示 簿元数m = 8 ，瘁露霆距d = 2 2 ，毽中静 幅度增益进行了归一化) 。 图2 - 3 单波束阁 9 睨于科技大学硕士论文 对予黧2 - 2 鑫搴波束影或器，著各阵元豹衩瓣鼷度为i ，提位按线性嫂建 交位，剜可按制波束兹稽商。偿渡寒疆寓繇静投薏： i ”0 2 w o l ，w 0 2 ，一w 0 肘一l 】7 = 【1 ，8 一。6 九，e - j ( m - i ) a o 】7 f 2 。5 1 萁孛， 如= 等幽融臻 当授为h p 0 时，其( 桶鹰) 波束霉黄； i f 0 ) i = r a ( 酬 2 篷m - i e 。s ”2 n 蜘。l = 廑m - i e e 哪蛳岛。痢争嘲8 4 = m - ! e 加争虬f弘， 此时波束蜂德指向为岛。 l 下嚣来分辑鋈2 2 静波束形成器辩信嗓魄的改薄。 对于图2 - 2 的波束形成器，藩 r = 【l ，e 一，：i d s i n o o , , e - j ( m - 1 ) 警d s i n 岛】， ( 2 。8 ) 波紊峰餐德捺惫舔方是，基嚣袋售号亦致岛方巍入射，考虑臻窘霹戆羧入矢 量梵： 。【珂) 2 仃( 0 0 ) s ( 狞) + n ( n ) 在任意陴元上，信号功率只j 。= 只：日js ) f 2 噪音功率 = 点g 弹0 ) | 2 ；盯2 输入痿潆珑( s n r ) 女：置o r 2 阵输出之信号功率 g o 。= e 1w 封仃( 岛) s ( h ) 1 2 ：材2 只 阵输出之噪音功率 只。= e 1w h ( ”) 1 2 。腑2 4 输出信噪比 ( 舭哪= m ( p s a r 2 ) 。肘 懊) 。 霹这耱终豹辘出售噪范可援建至髓蛰。 1 0 ( 2 9 ) ( 2 一l o ) ( 2 1 1 ) f 2 1 2 ) f 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 * 1 5 ) 电子科技大学硕士论文 2 2 1 2 多波寒影或 若要形成多个波束，姘可采用多个指向不同方向的波束澎成器。图2 w 4 示出了采用元均匀线阵彤成多个披束的原理。 罄2 - 4 多波岽形成器 图2 4 中共有三个波束形成器，因而形成了三个波束。 对于第， z = 0 , t ，五1 ) 个波袋彤或器，麴投系数选择为： ：p 一州) 蝴：e 一，和，肼：o 几，m 一1 鄹麓z 个波束形成器躲投矢攮为： w 1 = f o ，嘶i ，嘞材一i 】 ：阶一，等ds i n 毋，。叫洲) 争s l n o ，1 r：【l ，8 吖岛，8 ”删q 1 7 第z 个波袋形成器豹( 幅度) 波柬黼为： j f f = h 7 球( 印f = 筐m - ! ( e 加争咖叫 ：障巾等d s i n o ，叩 孥” 柳 忉 黔 一 _ i q 陋 陋 电子科技大学硕士论文 不难看出，第，个波束图峰德将指向谚( ，= 0 , 1 ，_ 一1 ) 。 这样，塑2 - 4 中逶过采渭多令撂囱不蘑方翔熬波象彤戒器，要实浚豹是 多波束形成器。 在一定的条件下，多波束形成可以通过空域f f t 来实现【1 8 1 。 对予豳2 4 所示的多波束形成器，令三= m ；第f ( f = 0 , 1 ，m 一1 ) 个 波束形成器的权矢量如式( 2 - 1 7 ) f i j f 7 示；第，个波束形成器的输出为： 倒一lm 一1 y l = w t x = ( - ) = ( m - o m = o 一巾孥d5 i n 岛 e o 。) ( 2 - 1 9 ) ( 其中，= 0 , 1 ，m 一1 ) 菇栗将上式串靛睾毋s 法岛在 o ，2 帮) 内依进行材等分( 注：不是辩岛 遴行等分) ，逛藏楚使褥 等烈n 岛= ，麴( ，：，m - 1 ) ( 2 - 2 0 ) m 五 。 、 岬 7 由于谚【一了7 ，争，孥矗s i n 谚可取暖、可取负，因此对上式逮彳亍修正， 二上 。 也就是使得 等心鸣+ 2 k n = 1 警- ( ，_ o ，l 肌1 ) 协2 1 ) 对于上式的七，当。，鲁万时取。；当硝 厶2 m s 2 硝时| | 取1 。 当d = 五2 时上面的条件是可以得到满足的。 由式( 2 - 2 1 ) 可褥 等州n 纠争2 k 玎( 2 - 2 z ) 将其代入式( 2 - 1 9 ) 可得 掣，一j m ( 1 “7 7 2 k a - ) m 2 乞( _ 。p ” ) m = o ，= 0 , 1 ，m 一1 1 2 拉一2 3 ) ” 赫m p h啊 删 i | 电子科技大学硕士论文 即 y l ：管x m e 一争，_ 0 凡，m 一1 ( 2 - 2 4 ) 脚= o 由上式( 2 2 4 ) n 可以看出， y ，j = o ，】，m l 是 x 。m = o ，1 ，m - 1 的离散傅立叶变换( d f t ) ，这可由f f t 算法来实现。在这里，所作的变换 是对空域上的采样信号进行的；m 对应的是阵元的序号，对应的是波束的 序号。空域上的f f t 数字多波束形成器如图2 - 5 所示。 泫勺 i i lf f t 图2 - 5f f t 数字多波束形成器 下面来确定f f t 数字多波束的各个波束峰值指向 波束峰值指向岛可由式( 2 2 1 ) 确定，现将式( 2 2 1 ) 重写如下： 孥心n 岛+ 2 k z = ，塾( ，：o ，l ，m 1 ) ( 2 - 2 5 ) m丑 一 对于上式中的，当o s z 三m 至石时 取o ；当玎 z 丝m 2 厅时七取1 。 。 _ v。 若取d = a 2 ，则可得 s i n 岛= ( 万2 l 一2 k ) 当o 1 2 7 r 石时女取o ： m 当石 ，堡 2 玎时女取l 。 m 。 3 f 2 2 6 ) 电子科技大学硕士论文 如果跗取奇数，那么可得， a r c s i n 卜2 l1 、m 7 a r c s i n f 一2 1 2 1 、m 7 j ，2 ，、0 a r c s m t -一m面-),u-l s - - 岛2 卜似和，等 二一， ( 2 - 2 8 ) m = 8 时，o o 0 7 分别为：0 ，0 2 5 2 7 ，o 5 2 3 6 ，o 8 4 8 1 ， 1 5 7 0 8 ，一0 8 4 8 1 ， 一0 5 2 3 6 ，0 2 5 2 7 ： 对应的角度分别为：0 0 ，1 4 4 7 7 5o ，3 0 0 0 0 0o ，4 8 5 9 0 4o ， 9 0 0 0 0 0 0 ，一4 8 5 9 0 4 o r 一3 0 0 0 0 0 o r 1 4 4 7 7 5 o o 分别将f f t 数字多波束形成器的m 个( 幅度) 波束图绘制在同一图上， 如图2 - 6 所示( 幅度已进行归一化处理) 。 图2 - 6 f f t 数字多波束形成器的多波束图 由仿真结果可以看出，f f t 的各波束之间具有正交性，即f f t 多波束的 每个波束峰值对应其它波束的零点，这可由下面来推导。 首先取扫描矢量为： 口( 臼) ： 1 ，e j 等d s i n o ，e j ( m _ 1 ) 等d s i n 。】7 ( 2 2 9 ) 对于扫描矢量的情况， 1 4 竿 羞丁 电子科技大学硕士论文 ，卅塾ds i n 0 x 。= e 。2 ，所= 0 , 1 。m 一1 将其代入式f 2 2 4 ) 可得第f 个波束的波束图为： ( 2 3 0 ) 幅度波束图为： j e c 口，i = j m - 1 m = o c e 加等ds l n 口e 一鲁“，j ，= 。， 彳一， c z 一。z ， ll 第p 个波束的幅度波束图可表示为： m i = 阻m = o 朋和。每) 胪叫， 下面考察第p 个波束图在第，个波束峰值位置岛处的幅度值( 只。 对于o t ，由式( 2 2 1 ) 得 等心n 岛= ，丝m 铋口( ，1 ，m _ 1 ) ( 2 - 3 4 ) ( 当o t e 卜詈，o ) 时取1 ；当岛【o ，要 时七取o ) 将式( 2 3 4 ) 代入式( 2 3 3 ) 得 啪1 ：阻州，鲁- 2 k 3 r ) , e - j p 刮 i m = o j = m = o ( _ 肼鲁l ll f m ，：p 2 1，+”350 、 i ，p k z - a a 2 上式表明，在巳处，第p 个波束图取得最大幅度：而在其它波束的 峰值位置岛( ，p ) 处，第p 个波束图的幅度为零。由此可知，f f t 多波束 的每个波束峰值对应的是其它波束的零点，这构成了波束之间的正交性。 从仿真结果还可以发现，4 群波束的峰值出现在端射方向( 0 ：- + 9 0 0 方向) 。 为了避免波束峰值出现在9 0 。方向上，可以对式( 2 2 1 ) 加以修正。比如，令 1 5 h m 吖 p 疗d 堡 朋 删 = )徊 f 电子科技大学硕士论文 等心n 岛+ 2 k a = l 鲁+ 万7 1 ( ，_ o ，l ，m 一1 ) ( 2 - 3 6 ) 对于其中的t ，当。 ，等+ 寺万时，j 取o ；当石 z 兰m 互+ 吾 2 玎时，取1 。 取d = 兄2 ，则 s i n 岛：掣一2 k ( ，：0 , 1 肘1 )j m 。r 2 - 3 7 ) 对于其中的，5 o ，丝m + 万7 1 石时，| j 取o ；当万 1 2 m y _ ”+ 面7 2 丌时，女取1 。 岛= 陋a r c s i n 。( - 等) ，攀三m - 1 一。 弘s s ， 岛：卜呱羞一等 弘。， 。卜n ( 等_ 2 ) ，_ - m 川 一 图2 7 修正后的f f t 数字多波束图 1 6 电子科技大学硕士论文 2 2 2 最佳波束形成 假设已知阵列输入信号的统计特性，则可以按一定准则求i j 最佳波束形 戏器静衩矢鬃f 鼬。基本豹鬣佳渡束影残有：最小均方误差( m m s e ) 、最大髂 噪比( m a x s n r ) 和线性约束最小方麓( l c m v ) 准则的最佳波荣形成。 2 2 。2 1 最小童露穷误差( 醚m 旺) 渡寒形成 对于采用线性组合器的m 元阵。阵输入矢量为 x ( n ) = i x l ( 拧) 。，x m ( 押掰 投矢量力 w = 【w l ，w 】。 用线性组合嚣输出 岁( ) = 。妨 估计需要信号( 或参考信譬) d ( n ) 之误差e ( n ) 为： e ( 竹) = d ( 摊) 一y ( 阼) = d ( h ) 一妒。x ( 功 爱袋最佳较懿装小筠方缕鞠麓： m 缀据该准裂求褥最佳毂w o p t 懿方程荧： 其中 r w | = r 确 虬= 砖+ 伽) x r ( n ) 酝= 硌( n ) 疗( ) ； 港如满秩，则有 w 。= 2 2 2 2 最大信噪比( m a x s n r ) 波束形成 对图2 - 2 的波束形成器，设输入矢嫩可表为 聋( 撵) = s ( 雄) 十弹( 踞) 则褶应的输出信号可表为 y ( h ) = w t x ( 珂) = h ，r f ( 牲) 十w r n ( n ) = y s ( ”) + ) 0 ( n ) 1 7 ( 2 4 0 ) ( 2 4 1 ) ( 2 4 2 ) r 2 4 3 ) ( 2 4 4 ) f 2 4 5 ) ( 2 - 4 6 ) 泛- 4 7 ) ( 2 4 8 ) f