第九章-CDMA系统的信号处理要点课件

第九章CDMA系统的

信号处理

西安电子科技大学张林让目录9.1最小方差接收机9.2有效特征波形及其估计9.3码滤波方法9.4二维RAKE接收机9.5解相关RAKE接收机目录西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室引言同步CDMA系统使用正交扩频码，性能显著提高。在具有长时延的多径应用中，由于通信信道服从频率选择性衰落，因此要在用户特征波形之间保持低的互相关往往比较困难．另外，由于相互干扰的影响，使用匹配滤波器接收的信号，其性能有可能下降比较严重。为了克服这个问题，需要使用多用户检测或均衡以对抗多径传播和衰落．西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室引言 虽然我们在前面已介绍过均衡和多用户检测的有关方法，但是鉴于CDMA通信系统的重要性，还是非常有必要专门讨论如何更加有效地克服多径传播和衰落对CDMA系统的影响．由于篇幅所限，在这一章里，我们只是有选择地介绍几个专题。西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室9.1最小方差接收机

线性MMSE多用户检测器．这种接收机需要训练数据．在没有训练数据的情况下，如何推导出性能与MMSE接收机相当的线性接收机就成了一个非常有意义的课题。西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室9.1最小方差接收机不需要训练数据的盲线性MMSE接收机的设计通常分为两步：先估计CDMA系统参数，然后用系统参数推导MMSE接收机参数。最近，一种无须估计系统参数，便可直接得到接收机参效的更简单的方法受到广泛的注意。西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室9.1最小方差接收机这类方法就是我们介绍过的约束最小输出能量方法：通过将期望用户的响应约束为一常数，并使接收机输出能量最小化，直接求接收机参数。在这一节，我们讨论如何将约束优化方法推广到多径情况．西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室单径、同步情况数学模型在接收端，先进行码片匹配滤波，然后用码片速率采样，在一个码元间隔内即可得到N个码片匹配滤波器输出样本组成向量r。因此，同步模型可用向量形式写作：

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雷达信号处理国防科技重点实验室自适应MMSE检测器对于第k个用户，

目标函数：西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室Wiener—Hopf方程（Wiener滤波器）自适应MMSE检测器MMSE准则与MOE准则等价西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室单用户基带CDMA信号的数学模型

期望用户的码片序列：西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室期望用户特征波形：

脉冲成形函数

码片间隔

扩频增益

发射信号多径衰落信道总的路径数

—第i条路径的时延，—复增益

—合成的信道响应（包含：定时偏移（同步误差）、时延和多径反射等）

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雷达信号处理国防科技重点实验室实际的特征波形西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室

有效特征波形离散时间形式：

L—多径衰落信道的FIR长度

定义西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室单用户基带CDMA信号的数学模型西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室收集P＝L＋Lc个观测值构成观测向量

单用户基带CDMA信号的数学模型西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室最小方差接收机西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室最小方差方法用输出能量作代价函数为避免平凡解f=0，需要对f加约束条件，如

则

最小输出能量

为避免使用未知的，文献[261]提出使用

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雷达信号处理国防科技重点实验室最小方差接收机西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室即是矩阵束的最大广义特征向量

9.2有效特征波形及其估计

定义

码间干扰

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雷达信号处理国防科技重点实验室取出无码间干扰的部分

为的主部为a的主部

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雷达信号处理国防科技重点实验室西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室取出无码间干扰的部分推广到多用户

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雷达信号处理国防科技重点实验室准同步CDMA系统

来自所有用户的直接路径信号的到达时间都比码片间隔Tc小，则称这些用户在码片间隔内是准同步的。无码间干扰的数据向量（原数据向量的主部）

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雷达信号处理国防科技重点实验室信号模型令

则X=AS+V

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雷达信号处理国防科技重点实验室问题：在没有信息码元矩阵S的情况下，如何利用数据矩阵X估计有效特征波形向量

X的SVD：

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雷达信号处理国防科技重点实验室噪声子空间与信号子空间正交

A的列向量张成信号子空间

代入

则

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雷达信号处理国防科技重点实验室有效特征波形估计的子空间方法

（1）构造数据矩阵（2）求X的SVD及（3）由估计用户k的未知信道向量（4）重构有效特征波形或

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雷达信号处理国防科技重点实验室9.3多径CDMA信道的波束形成

－－码滤波方法M个阵元接收的基带信号向量

—用户i的波达方向 —用户i的总发射功率—用户i的时延 —用户i的码元比特—用户i的增益 —用户i的扩频码西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室码滤波方法定义等效方向向量期望用户1：西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室码滤波方法用户k的等效方向向量是与矩阵特征值2对应的特征向量。若与其它用户的差不多，则不可能识别。

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雷达信号处理国防科技重点实验室码滤波：G=Tb/Tc为扩频增益

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雷达信号处理国防科技重点实验室结论西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室→是最大特征值对应的特征向量也是与特征值对应的特征向量是矩阵束最大广义特征相对应的广义特征向量（估计等效方向向量的码滤波方法）推广到多径假设感兴趣的用户1的发射信号经过L条路经到达基站天线阵列西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室推广到多径暂时假定期望用户l各路径的时延为已知(其估计方法后述)，对用户1的路径l

＝1，…．L运用码滤波方法，得到第l条路径的码滤波信号的第m个比特如下：

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雷达信号处理国防科技重点实验室容易证明西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室权值计算第l条路经的信干噪比为西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室时延估计另一方面，由码滤波信号的定义公式知，策l条路径的码滤波信号与该路径的时延有关。在实际场合，该时延是未知的.我们需要在一可能的时延范围改变,并计算相应的码滤波信号及其样本协方差距阵。西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室时延估计于是我们可以求出矩阵束的最大广义持征值很显然，用户1第l条多径的时延可用下式估计西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室9.4二维RAKE接收机西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室一维RAKE接收机输出能量大的信号被抽取，输出能量小的信号（有污损）被抑制，本质上为一时域滤波器。基于相关器的二维RAKE接收机

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雷达信号处理国防科技重点实验室在M个接收天线的接收信号中，分别包含有用户i的信号，二维RAKE接收机的目的：将这些信号收集起来，加权求和，得到用户i的信号,再用用户i的扩频码向量进行解扩，得到用户i的信息字符的估计。二维RAKE接收机—用户i的均衡器，阶数为M（M阶FIR滤波器，有M个抽头权系数，作用于故为空域滤波器。每个抽头有P个时间值，即n=0,1…P-1。西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室二维RAKE接收机西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室用户i的二维RAKE接收机=空域RAKE接收机+时域RAKE接收机。二维RAKE接收机的输出西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室定义西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室作为的估计值

MMSE准则：代价函数

正交性原理西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室(误差向量与已知数据向量正交。)西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室MMSE均衡器

可估计不可估计

二维RAKE接收机西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室定义可以证明

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雷达信号处理国防科技重点实验室→是矩阵的主特征向量主分量MMSE均衡器设计算法（主分量指主特征向量）步骤1：计算数据协方差矩阵西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室主分量MMSE均衡器设计算法（主分量指主特征向量）西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室步骤2：估计的主特征向量，并用它作步骤3：

→多径信道9.5解相关RAKE接收机子空间方法虽然能够用盲的方法确定所有有效持征波形，但计算量大。下面介绍种适合于实时实现的解相关RAKE接收机，它是Liu和Li于1999年提出的。考虑频率选择性衰落信道情况下CDMA通信系统的解相关接收机设计．假定用户的扩频码是可以利用的，但信道特征未知。西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室信号模型若多用户CDMA系统是准同步的，即所有多径信号都是在几个码片间隔内到达，此时L《Lc．在准同步的假设下，离散时间模型为假设第一个用户为感兴趣用户西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室问题现在的任务是在没有信道知识h1的情况下，利用接收信号y(n)恢复第1个用户的发射字符s1(n)．为了从y(n)恢复s1(n)，我们应该充分利用用户1的全部信号能量，同时抑制其它用户的干扰和加性噪声．显然，这可以用RAKE接收机来实现。西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室解相关接收机第一级为一组自适应权向量，wi(i＝1．…、L)、第二级为一相干组合器．由于只有组合码向量的信道系数未知，所以可以先构造一组RAKE接收机权向量，通过调整这组权向量．把各个码向量上的期望信号抽取(即“楼耙”)出来，同时抑制所有干扰；然后在第二级再将所有被抽取的期望信号组合起来．得到近似最佳的信号估计。

解相关接收机由二级组成：西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室第一级信号抽取第一级信号抽取（即RAKE接收机）在数学上可描述为：西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室第一级信号抽取第i个滤波器（或第i个支路）输出信号为西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室第一级信号抽取为了获得最佳信号估计，应该使每个支路输出端的信干噪比最大．为此，定义第i个支路的信干噪比为

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雷达信号处理国防科技重点实验室第一级信号抽取注意到输出信号功率固定，所以使SINR最大等价于使输出能量(功率)最小.于是便得到了约束最小输出能量(CMOE)接收机.约束条件西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室LMS自适应算法实现西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室第二级西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室第二级另一方面，由于第一级RAKE接收机的干扰解相关和噪声抑制作用,其输出中的信号总功率比剩余的干扰加噪声大得多。期望用户l的未知信道向量h1可由第一级输出的自相关矩阵的主特征向量直接估计。西安电子科技大学

雷达信号处理国防科技重点实验室解相关RAKE接收机步骤步骤1：用LMS自适应算法更新RAKE接收机权向量。步骤2：利用RAKE接收机输出向量的自相关矩阵的持征值分解估计期