一种多天线单载波频域均衡简化装置及算法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种多天线单载波频域均衡简化装置及算法。

背景技术

智能天线阵列由多个天线单元组成，每一个天线后接一个复数加权器，最后通过相加器合并输出。这种结构的智能天线只能完成空域处理。同时具有空域、时域处理能力的智能天线在结构上相对复杂些，每个天线后接的是一个延时抽头加权网络。自适应或智能的主要含义是指这些加权系数可以根据一定的自适应算法进行自适应更新调整。

智能天线阵要解决的基本问题是抗干扰，且提高期望信号的信道增益。抗干扰是指在干扰信号背景下改善期望信号的接收质量，即提高期望信号的处理增益，抑制干扰。而智能天线实现这一点，将不完全依赖于调制技术、信源、信道编码技术以及其他固有的传统技术。智能天线研究的是如何自适应地独立调整天线阵各天线单元的激励系数，智能地改变波束形状而得到空域处理增益从而改善最终的接收。

波束赋形的目标是根据系统性能指标，形成对基带(中频)信号的最佳组合或者分配。具体地说，其主要任务是补偿无线传播过程中由空间损耗、多径效应等因素引入的信号衰落与失真，同时降低同信道用户间的干扰。因此，首先需要建立系统模型，描述系统中各处的信号，而后才可能根据系统性能要求，将信号的组合或分配表述为一个数学问题，寻求其最优解。智能天线波束赋形的目标是根据系统性能指标，形成对基带信号的最佳处理。具体说，波束赋形的主要任务就是补偿无线传播过程中由空间损耗和多径效应等引起的信号衰落，同时降低用户间的同信道干扰。智能天线均采用数字方法实现波束赋形，从而可以使软件设计完成自适应算法更新，在不改变系统硬件配置的前提下增加系统的灵活性。波束赋形算法对阵元接收信号进行加权求和处理形成天线波束，波束主瓣对准期望用户方向，而将波束旁瓣或者零陷对准干扰方向。根据波束赋形的不同过程，实现智能天线的方式又分为两种:阵元空间处理方式和波束空间处理方式。

1)阵元空间处理方式:直接对各阵元按收信号采样进行加权求和处理后，形成阵列输出，使阵列方向图主瓣对准用户信号到达方向。由于各个阵元均参与自适应加权调整，这种方式属于全自适应阵列处理。

2)波束空间处理方式:这是当前自适应阵列处理技术的发展方向。它实际上是两级处理过程，第一级对各阵元信号进行固定加权求和，形成多个指向不同方向的波束:第二级对第一级的波束输出进行自适应加权调整后合成得到阵列输出，此方案不是对全部阵元都从整体最优计算加权系数作自适应处理，而是仅对其中的部分阵元作自适应处理，因此，属于部分自适应阵列处理。这种结构的特点是计算量小，收敛快，并且具有良好的波束赋形性能。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种多天线单载波频域均衡简化装置及算法，解决接收机多天线单载波频域均衡过于耗费FPGA资源问题，简化处理，实现大规模MIMO在单载波频域均衡上的使用波束赋形的问题。

本发明通过以下技术方案予以实现：

一种多天线单载波频域均衡简化装置，包括智能天线，所述智能天线由阵元、加权和合并组成接收电路；包括多天线波束赋形处理模块，所述多天线波束赋形处理模块包括天线阵接收机模块、模数转换器、数字波束形成器和波束控制器；

所述多天线波束赋形处理模块根据预知的参考信号和接收到的参考信号进行信道估计，最后由波束形成算法根形成网络波束赋形的权值。

更进一步的，所述天线阵接收机模块完成信号的变频、滤波和放大，使信号满足ADC转换的要求；

所述模数转换器实现模拟到数字转换；

所述数字波束形成器进行数学运算，产生波束；

所述波束控制器控制所述所述数字波束形成器生成的波束。

更进一步的，所述智能天线在用户发射信号经过多径信道衰减和延迟后，到达天线阵列各阵元的是所有发射信号及其各自延迟副本的组合叠加，设其为x(t)，对每个阵元定义权值wk，经阵列信号处理计算，则阵列加权合并矢量的波束赋形输出为：

y(t)＝ωH(t)*x(t) (1)

式(1)是智能天线形成波束信号的基本模型；

其中的权值wk与信道的慢衰落匹配。

更进一步的，所述多天线波束赋形处理模块中，设在空间有N个阵元组成阵列，置于M个远场点源组成的场中，信号源频率为f

则点源i发出的平面波到达阵元后，由于添加了噪声，则阵元实际接收的信号为：

其中n

假定电波S(t)从正面方向以角度θ入射，以第一个天线单元为参考，无观测噪声时，第m个天线单元接收的信号X

其中

一种多天线单载波频域均衡简化的智能天线算法，上述的多天线单载波频域均衡简化装置使用所述算法，所述算法自适应地得到各天线阵元的权值，包括以下步骤：

T1首先借助参考信号得到各天线阵元的估计信道；

T2根据准则使用估计信道确定阵元的权值；

T3最后用赋形向量对每通道的信号进行加权，从各自的天线阵元发送波形具有方向性的信号，达到空间域滤波的作用。

更进一步的，对信道估计采用信道循环延迟估计算法，通过本地导频信号不断滑动，获取匹配滤波器获取不同时间延迟位置上的信号矢量分布，识别具有较大能量的多径位置，并将它们的矢量分布记录。

更进一步的，信道对一个数据块的影响看作是对整个数据块的循环卷积，将多径信道模型改写为

y＝H

各个天线的信道估计信号h得到之后，进行各自天线的单载波频域均衡处理。

更进一步的，信道在传输过程中，通过对专用导频的测量得到了波束赋形后的等效信道，并进行相干频域均衡检测；

采用前向线性均衡器对经过FFT变换和删除CP后的频域接收矢量进行均衡，用下式表示：

其中W＝[W(0),W(1),...,W(N-1)]

迫零均衡器：

MMSE均衡器：

设噪声方差为E(v

其中

令

至此完成了各个天线的单载波频域均衡；

频域均衡之后的信号进行合并

将频域均衡合并之后的结果转换到时域就得到

更进一步的，所述算法根据最优维纳解的公式，直接利用信号统计特性的自相关矩阵的逆矩阵

本发明的有益效果为：

本发明利用波束赋形的加权因子完成接收信号的加权合并，加权合并之后的信号统一进行同步处理，这样就简化了多天线并行同步的复杂度，并且加权合并之后能更好的抵抗噪声对同步的影响，使得同步更加准确。根据统一的同步位置，各个天线按照这个位置取出导频信号进行独立的信道估计，然后各自的频域均衡，在频域均衡之后进行最大比MRC合并，合并之后就进行IFFT输出时域信号，而不是再IFFT输出之后再合并，这样就节省了IFFT的处理，进一步简化了处理复杂度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例接收信号示意图；

图2是一种多天线单载波频域均衡简化装置原理框图；

图3是本发明实施例滑动滤波进行信道估计原理图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例针对现有多天线波束赋形技术和多天线均衡技术占用资源较多，成本较高。如何能够节省单载波多天线波束赋形消耗的资源，同时性能不下降，成为现在研究的一个重点。

首先先考察用于阵列天线信号处理的信号模型，之后才能进一步了解自适应天线的原理和系统结构。

设在空间有N个阵元组成阵列，置于M个远场点源组成的场中，信号源频率为f0互不相关，将阵元从1到N编号，任选一个阵元作为基准点(参考点)。这里我们不妨选取阵元1作为基准点。

图1给出了该阵列接受信号的示意图。相对于基准点，位置向量分别为r

其中n

，假定电波S(t)从正面方向以角度θ入射，以第一个天线单元为参考，无观测噪声时，第m个天线单元接收的信号X

其中

自适应天线的各个天线单元接收到的信号经过权的复加，试信号的振幅和相位发生变化，最后进行求和输出。因为接收信号为波，选择调整信号的振幅和相位，进行波的合成。又因为数字数波成形，在实现上更加简便，所以可以采用数字波束成型系统。本实施例采用预先波束加权赋形处理简化同步流程如下：

本实施例给出了一个简化多天线的接收架构如图2所示：多天线波束赋形处理模块：主要包含天线阵接收机模块、模数转换器(ADC)、数字波束形成器、波束控制器。

接收模块完成信号的变频、滤波和放大，使信号满足ADC转换的要求。ADC实现模拟到数字转换。数字波束形成器能进行快速的数学运算，产生波束。

本实施例是基于参考信号的波束形成的系统结构如图所示,首先根据预知的参考信号和接收到的的参考信号进行信道估计，然后由波束形成算法根形成网络波束赋形的权值。

基于参考信号的波束成形算法的计算效率得到了明显的提高，但是频谱效率被降低了；其算法不需要知道任何同来波方向等相关信息。

智能天线是一种安装在无人机的双向天线，其原理是使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，从而产生定向波束，达到充分利用有效移动用户信号并删除或抑制干扰移动信号的目的。

智能天线由阵元、加权和合并三部分组成接收电路。用户发射信号经过多径信道衰减和延迟后，到达天线阵列各阵元的是所有发射信号及其各自延迟副本的组合叠加，设其为x(t)。如果对每个阵元定义权值wk，根据信号检测要求和一定的准则，经阵列信号处理计算，则阵列加权合并矢量的波束赋形输出为：

y(t)＝ωH(t)*x(t) (1)

式(1)是智能天线形成波束信号的基本模型。其中的权值wk与信道的慢衰落匹配，如来波方向DOA和平均路损。在TDD系统中，由于信道的互易性特点，在进行波束赋形时，可以不必使用终端反馈的CSI信息，而是根据基站上行的DOA和路损信息，准确估计出权值参数。智能天线算法的基本原理是从天线阵列的上行信号获得DOA估计后，给天线权值控制器产生权值，再将权值反馈给天线阵列，由天线阵列形成赋形波束。

智能天线系统的核心是选择高效的智能算法，通过算法自适应地得到各天线阵元的权值。它先借助参考信号得到各天线阵元的估计信道，然后根据一些准则使用估计信道确定阵元的权值，最后用赋形向量对每通道的信号进行加权，从各自的天线阵元发送出去，这样发送出去的信号的波形就具有一定的方向性，从而达到充分利用有效信号和抑制干扰信号的目的，达到空间域滤波的作用。

具体实施流程如下，各个接收天线接收到各自信号后，首先进行预加权处理也就是接收赋形处理，多路数据流加权合并后形成一个数据流，加权合并之后的信号统一进行同步处理，这样就简化了多天线并行同步的复杂度，并且加权合并之后能更好的抵抗噪声对同步的影响，使得同步更加准确。信号同步之后，在同一个位置取出每一根天线的导频信号根据导频进行信道估计，信道估计可以采用信道循环延迟估计算法：具体实时是通过本地导频信号不断滑动，获取匹配滤波器获取不同时间延迟位置上的信号矢量分布，识别具有较大能量的多径位置，并将它们的矢量分布记录。

如图3所示滑动滤波进行信道估计，匹配滤波器的测量精度可以达到1/4～1/2码片，而智能天线接收机的不同接收径的间隔是一个码片。由于循环前缀的存在，信道对一个数据块的影响可以看作是对整个数据块的循环卷积，可将多径信道模型改写为

y＝H

各个天线的信道估计信号h得到之后，开始进行各自天线的单载波频域均衡处理。基于训练序列匹配滤波的TRB算法鲁棒性较好，特别适用于信道特性极不稳定的移动通信的环境。这类算法通过对多径信号的最优合成可以提高信噪比，减轻衰落的影响。在实际应用时，需要精确的同步；在低时延扩展的情况下，能够达到最佳性能。

根据接收到的信道h信息就可以计算出多天线的加权因子w。加权因子的计算不实本实施例重点，所以此时不再过多叙述。

在传输过程中，无人机通过对专用导频的测量得到了波束赋形后的等效信道，并进行相干频域均衡检测。

可以采用简单的前向线性均衡器对经过FFT变换和删除CP后的频域接收矢量进行均衡，可以用下式表示：

其中W＝[W(0),W(1),...,W(N-1)]

迫零均衡器：

设噪声方差为E(v

其中

令

至此完成了各个天线的单载波频域均衡。

频域均衡之后的信号进行合并

将频域均衡合并之后的结果转换到时域就得到

此时仅仅需要一个IFFT处理即可，节省了IFFT处理的工作。

上面就完成了单载波无人机的赋形处理，再次叙述一下其基本原理如下：假设发端有nt根发射天线。波束赋形的过程是：在发端，一路数据流等功率地复制为nt路子流，每路子流分别使用上面波束赋形权值进行加权后从各自对应的发射天线发射出去。这样发射出去的信号的波形就具有特定的方向性，从而达到空间滤波的作用。

DMI算法根据最优维纳解的公式，直接利用信号统计特性的自相关矩阵的逆矩阵

本实施例利用波束赋形的加权因子完成接收信号的加权合并，加权合并之后的信号统一进行同步处理，这样就简化了多天线并行同步的复杂度，并且加权合并之后能更好的抵抗噪声对同步的影响，使得同步更加准确。根据统一的同步位置，各个天线按照这个位置取出导频信号进行独立的信道估计，然后各自的频域均衡，在频域均衡之后进行最大比MRC合并，合并之后就进行IFFT输出时域信号，而不是再IFFT输出之后再合并，这样就节省了IFFT的处理，进一步简化了处理复杂度。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。