阵列信号处理 ARRAY

通信信号处理阵列信号处理January19,2005SchoolofCommunicationandInformationEngineering总述概述阵列的基基本知识识（阵列流流形）波束形成成文献分析析!什么是阵阵列信号号处理阵列信号号处理：：将一组传传感器在在空间的的不同位位置按一一定的规规则布置置形成的的传感器器阵列，，用传感感器阵列列发射能能量和接接收空间间信号，，获得信信号源的的观测数数据并加加以处理理。为什么要要进行阵阵列信号号处理阵列信号号处理的的目的：：从这些观观测数据据中提取取信号场场的有用用特征，，获取信信号源的的属性等等信息。。改善蜂窝窝和个人人通信服服务系统统质量、、覆盖范范围和容容量的强强有力的的工具。。

研究兴趣：将接收天线阵列用于反向连接（客户到基站）来看两个个阵列在在天线方方面的应应用智能天线线阵分布多天天线阵智能天线线阵!分布多天天线阵阵列信号号处理的的系统分分类有源系统统具有发射射传感器器阵的系系统无源系统统不具有发发射传感感器阵的的系统超分辨在传感器器阵列的的物理孔孔径一定定的条件件下，通通过信号号处理，，获得比比常规的的波束形形成器处处理方法法高得多多的空间间分辨率率。自适应如何能在在复杂的的干扰背背景下最最优地检检测信号号。

阵列信号号处理主主要研究究什么!平面波与与阵列天线应具具有方向向性——定向发射射和接收收采用阵列列天线——易于控制制波束阵列处理理的对象象——空间信号号自适应天天线天线同时时形成多多个波束束波束的指指向可以以控制发射和接接收的波波束指向向对应的的用户阵列天线线在空间分分开布置置一系列列的阵元元对接收到到的信号号进行加加权组合合改变权值值，使波波束形状状随之变变化智能天线线技术波束成形形天线单元元之间的的间距小小于半个个波长发射机和和接收机机必须预预知方向向在蜂窝系系统中通通过形成成的，窄窄波束减减少干扰扰从而增增加复用用系数，，增加系系统容量量通过天线线增益，，降低发发射功率率通过空间间滤波抑抑制可分分离的空空间干扰扰，抑制制时延扩扩展、减减少瑞利利衰落，，对于衰衰落没有有分集增增益。阵列流形形（１））信号的载载波为以平面波波形式在在空间沿沿波数向向量Ｋ的的方向传传播基准点处处的信号号为则距离基基准点r处的阵元元接收的的信号为为

延迟时间

滞后相位阵列流形形（２））阵列信号号总是变变换到基基带再进进行处理理的将阵列信信号用向向量形式式表示

方向向量方向向量量与空间间角向量量有关，，记作：：阵列流形形（３））当有多个个信源时时，到达达波的方方向向量量分别用用表表示，，i=1,,2,3,,…...p

阵列的方方向矩阵阵（表示示信源的的方向））为

阵列流形

阵列流形A与频率相关，代表了相对空间结构，有助于方向向量的确定。!移动通信信系统面面临的问问题频谱资源源紧张、、远近效效应、共共信道干干扰、多多径衰落落、越区区切换以以及移动动台电池池容量问问题带来来的功率率受限等等。波束形成成波束形成成——从传感器器阵列重重构源信信号实现方式式：增加期望望信源的的贡献来来实现通过抑制制干扰源源来实现现——阵列信号号处理在在统计数数学模型型基础上上的具体体问题波束形成成的实质质从信号处处理角度度看，波波束形成成实质上上是一个个多输入入多输出出(MIMO)问题。简简单地说说，波束束形成就就是将天天线阵列列上接收收到的信信号变换换到基带带，然后后进行相相应的空空间谱处处理，获获得该信信号的空空间特征征矢量和和矩阵以以及信号号的功率率估值和和DOA估值。在在此基础础上，依依据一定定的准则则，计算算信号在在各个天天线阵元元的加权权矢量，，生成多多个高增增益的动动态窄波波束来跟跟踪多个个期望用用户。一种空间间滤波方方法波束形成成的目的的目的是从从信号、、干扰和和噪声混混在一起起的输人人信号中中提取期期望信号号。在接接收模式式下，使使得来自自窄波束束之外的的信号被被抑制，，而在发发射模式式下，能能使期望望用户接接收的信信号功率率最大，，同时使使窄波束束范围以以外的非非期望用用户受到到的干扰扰最小。。波束形成成的优点点在智能天天线中，，波束形形成是关关键技术术之一，，是提高高信噪比比、增加加用户容容量的保保证，能能够成倍倍地提高高通信系系统的容容量，有有效地抑抑制各种种干扰，，并改善善通信质质量。波束形成成问题研研究的方方法经典方法法：需要观测测方向的的知识（（期望信信源的方方向）盲方法：：没有期望望信源方方向信息息的情况况下恢复复信源波束形成成的最佳佳权向量量波束形成成技术的的基本思思想：通过将各各阵元输输出进行行加权求求和，在在一时间间内将天天线阵列列波束““导向””到一个个方向上上，对期期望信号号得到最最大输出出功率的的导向位位置即给给出波达达方向估估计。盲波束形形成早期的盲盲波束形形成技术术依赖方向估计计方向估计计分为参参数化方方法和非非参数化化方法两两大类非参数化化方法是是基于谱的方法——以空间角角为自变变量分析析到达波波的空间间分布布（空间间谱）多天线系系统的信信道容量量（1）全向单天天线系统统：在收收、发两两个全向向天线之之间只存存在一条条信道，，这时的的容量由由香农公式得得到：其中：SNRomni——接收机入入口处的的信噪比比C——信道容量量：bpsB——接收机带带宽：Hz波束成形形天线示示意图发送波束束成形接收波束束成形天线阵的的各个单单元间距距小于/2多天线系系统的信信道容量量（2）波束成形形天线系系统：将将发射功功率相等等的分配配到M个全向发发射天线线上，M个全向收收、发天天线采用用相位波波束成形形技术，，则信道道容量为为：MIMO天线系统统示意图图独立信道道天线阵天线阵2多天线系系统的信信道容量量（3）如果发射射功率分分散到M个独立的的信道中中，并且且各个信信道具有有相同的的路径损损耗，则则信道容容量为：：多天线系系统的信信道容量量比较传输环境境对天线线系统的的影响空间复用用利用空间间散射信信道，在在各个收收发天线线对之间间形成多多路独立立的传输输信道。。传输相同同数据可可以提高高传输可可靠性传输不同同的数据据可以提提高传输输容量MelementsNelementsTransmitReceive!文章结构构与框架架引言MIMO—OFDM系统模型型自适应半半盲波束束形成算算法基于导频频的自适适应算法法在无训练练序列的的信息信信号周期期的自适适应盲算算法仿真结果果与分析析结论在第三代代无线移移动通信信标准呼呼之欲出出，第四四代无线线移动通通信标准准正处于于广泛酝酝酿之际际，人们们注意到到，为提提高信道道容量和和传输速速率以及及通信质质量，这这两种标标准都涉涉及到了了基于OFDM调制的MIMO多天线阵阵列无线传输输物理层层体系结结构这项项关键技技术。1、引言部部分（1）1、引言部部分（2）OFDM具有很好好的抗多径衰衰落的特性;天线阵列列的增益益性能取取决于阵阵列的空间几何何分布的设计和和分离接接收信号号的均衡权矢矢量的算法；；MIMO信道直接接制约了了无线通通信的容容量和质质量，是是通信网网络规划划和收发发机设计计必须考考虑的重重要因素素，同时时MIMO天线阵列列还是空空分多址址(SDMA)的核心构构架；所以，近近年来对对基于OFDM传输方案案的MIMO信道的研研究十分分活跃。。1、引言部部分（3）目前，对对MIMO无线信道道的研究究主要有有两大方方向，第一是建建立概念念性实验验平台，，通过对对无线通通信的多多天线阵阵列实测测数据的的分析，，研究不不同的视视距和非非视距无无线移动动通信环环境下的的阵列信信道特征征及其对对通信容容量的影影响;第二是基基于智能天线线的波束束形成器器研究，其其中矩阵阵信道估估计和均均衡盲算算法正成成为研究究热点，，即仅利利用接收收的阵列列信号和和源信号号的先验验统计特特性估计计矩阵信信道进而而恢复出出发射信信号。1、引言部部分（4）但是，典典型的盲盲算法都都存在计计算量大大，难以以自适应应无线移移动信道道的时间间变化、、收敛速速度慢和和符号差差错率(SER)性能到一一定程度度不随SNR的提高而而相应改改善等缺缺点。由由于在OFDM的帧结构构中有一一定数量量的收发发端已知知的前置置信号和和导频信信号，因因此，本文结合合已知的的导频训训练序列列，提出出了一种种新的用用于多载载波(OFDM)多天线阵阵列(MIMO)的自适应应半盲算算法。2、MIMO-OFDM系统模型型（1）在无线通通信中，，影响通通信性能能的一个个重要因因素是由由信道色色散产生生的延迟扩展展和Doppler扩展所导致的的频率选选择性衰衰落和时时间选择择性衰落落;在多天线线系统中中，信道道色散还还产生角度扩展展，导致天线线增益性性能下降降。2、MIMO-OFDM系统模型型（2）OFDM以较低的的速率把把数据调调制到多多个正交交的子载载波上，，这种调调制在发发端利用用IFFT把频域载载波信号号转换成成时域复复基带信信号;在收端执执行FFT后，对每每个接收收数据采采样值仅仅须简单单的复数数乘法运运算，就就可实现现信道补补偿，恢恢复出原原载波信信号.由于把OFDM数据样本本的最后后一定数数量的样样本循环环复制到到同一数数据块的的最前端端，构成成发射数数据帧，，该帧信信号与信信道冲激激响应的的卷积成成为圆周周卷积.如果信道道延迟扩扩展比循循环前缀缀长度短短，就可可以完全全避免ISI，从而省省去了陡陡截的滤滤波器和和需大量量复数乘乘加的均均衡器，，使系统统实现效效率更高高，更具具明显优优势.2、MIMO-OFDM系统模型型（3）将OFDM信号调制制方式与与M个发射天天线N个接收天天线构成成的多天天线MIMO系统结合合起来，，就形成成了MIMO一OFDM系统结