CN101908918A - 无线通信接收机中的一种波束合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及无线通信领域，是无线通信接收机中的一种波束合成方法，其实现步骤为：第一步，接收机对所接收信号进行采样，构成数据矩阵X；第二步，利用X估计得到协方差矩阵R_x；第三步，利用R_x估计得到L路多径信号的DOA；第四步，计算各DOA对应的权矢量；第五步，将L个权矢量进行叠加，求出波束合成系统权矢量；第六步，对接收信号进行加权求和，得到波束合成输出信号。本发明的优势在于该波束合成方法能利用多径信号的分集作用，从而显著提高系统的输出信干噪比。本发明可以广泛应用于各种采用波束合成技术的无线通信接收机中。

Description

无线通信接收机中的一种波束合成方法

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及无线通信系统中的数字波束合成方法。

技术背景

波束合成是无线通信中的关键技术之一。其优势在于可以抑制同道干扰，提高接收信号信干噪比。在无线通信接收端，当期望用户信号存在多个路径时，传统的波束合成方法是把主瓣对准信号能量最强的一路多径，而把其余相干多径信号作为一般同道干扰，通过零陷进行抑制。这样的方法虽然可以抑制非期望用户产生的同道干扰，但同时也减少了期望用户信号接收能量，从而导致系统的输出信干噪比降低。

发明内容

本发明专利要解决的技术问题是设计无线通信接收机中的一种波束合成方法，该方法能在多径信号存在的情况下，利用多径的分集作用，提高系统输出信干噪比。

解决所述问题的技术方案是无线通信接收机中的一种波束合成方法，其实现步骤为：第一步，接收机N个阵元分别对所接收信号进行有限次采样，得到K个快拍，从而构成数据矩阵X＝[x(1)，x(2)，…，x(K)]，其中x(n)，n＝1，...，K指第n次快拍；第二步，按照公式

估计得到阵列去相干处理后的协方差矩阵R_x；第三步，对协方差矩阵R_x进行波达方向(Direction of Arrival，DOA)估计，得到L个角度信息，即θ_l，l＝1，...，L，分别代表L路多径信号在接收阵列上的DOA；第四步，计算各个角度θ_l对应的权矢量w_l，l＝1，...，L；第五步，将L个权矢量进行叠加

求出波束合成系统权矢量w；

第六步，对接收信号进行加权求和，得到波束合成后的输出信号y(n)＝w^Hx(n)。

本发明专利的有益效果是在有多径信号存在的无线通信系统中，接收机能在抑制非期望用户同道干扰时，也有效利用多径的分集作用，提高波束合成后的输出信号信干噪比。本发明可以广泛应用于采用波束合成技术的各种无线通信接收机中，包括卫星通信，蜂窝通信，无线局域网等。

附图说明

图1是波束合成系统结构图；

图2是波束合成权值求解方法。

具体实施方式

一种无线通信系统中利用多径分集的波束合成系统结构如图1所示。波束合成系统主要包括了两个部分，一是对各个多径信号的DOA估计和系统权值求解，二是对接收信号的加权求和。其中加权求和部分为本领域公知技术。

DOA估计和权值求解方法如图2所示。在无线通信系统的接收端，采用N个阵元的均匀线阵，阵元间距为载波波长一半。从平坦衰落信道中接收到L路多径信号，到达阵元的DOA为θ_l，其中l＝1，..，L。所有L路信号都是窄带远场相干信号。接收机需要估计出各路多径信号的DOA，完成权值计算，以及加权求和，从而实现波束合成。

在多径情况下天线阵列第i个阵元接收到的信号为x_i(n)，阵列接收信号的单次快拍矢量为x(n)＝[x₁(n)，x₂(n)，...，x_N(n)]^T，T表示取转置，而K个快拍构成的数据矩阵为，X＝[x(1)，x(2)，…，x(K)]。按照公式估计得到阵列去相干处理后的协方差矩阵R_x，其中J是反对角线元素为1其余元素为0的置换矩阵，*表示取共轭，H表示取共轭转置。根据该协方差矩阵，采用超分辨MUSIC算法进行DOA估计，可以估计出L个角度信息，即θ_l，其中l＝1，...，L。MUSIC算法是本领域公知技术，具体步骤为：

第一步，用序列假设(SH)算法，或者赤池信息论准则(AIC)方法，或者最小描述长度(MDL)方法，估计出相干信号个数L；

第二步，对协方差矩阵R_x进行特征分解，取其L个较大特征值对应特征矢量e₁，...，e_L，并把这L个特征矢量构成一个矩阵F＝[e₁...e_L]；

第三步，定义变量θ，θ取值范围为0°～180°，计算空间谱函数其中

为角度θ对应的方向矢量，该函数必然有L个谱峰，即局部最大值，而这L个谱峰对应的θ，就是θ₁，...，θ_L。

对于第l条多径信号对应权向量w_l＝[w_l1，w_l2，…，w_lN]^T的求解是基于最小功率准则，其对应权矢量解

其中系数

然后，将所得L个权矢量进行叠加，求出波束合成系统权矢量

最后，对接收信号进行加权求和，得到波束合成信号输出y(n)＝w^Hx(n)，完成波束合成。

本发明在有多径干扰存在的无线通信系统中，根据DOA估计结果，辨识出相干多径方向，并分别计算出相应最优权矢量，然后将叠加后的权矢量用于波束合成，从而保留多径信号，抑制了干扰信号，提高系统输出信干噪比。

Claims (1)

1.无线通信接收机中的一种波束合成方法，其特征是按以下步骤进行：

第一步，接收机N个阵元分别对所接收信号进行有限次采样，得到K个快拍，从而构成数据矩阵X＝[x(1)，x(2)，…，x(K)]，其中x(n)，n＝1，...，K指第n次快拍；

第二步，按照公式

估计得到阵列去相干处理后的协方差矩阵R_x；

第三步，对协方差矩阵R_x进行DOA估计，得到L个角度信息，即θ_l，l＝1，...，L，分别代表L路多径信号在接收阵列上的DOA；

第四步，计算各个角度θ_l对应的权矢量w_l，l＝1，...，L；

第五步，将L个权矢量进行叠加

求出波束合成系统权矢量w；

第六步，对接收信号进行加权求和，得到波束合成后的输出信号y(n)＝w^Hx(n)。

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