CN105007096B - 基于ds‑cdma体制的非正交码字同频多波束分离方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于DS‑CDMA体制的非正交码字同频多波束分离方法，属于数字信号处理技术领域。本发明方法可将多波束网络中各个阵列通道间输出的同频波束进行分离，并且准确解算出各个波束分量的幅度和相位关系。在本发明中使用了解相关运算，解相关矩阵包含了PN码组的自相关和互相关系数，引入的PN码组与码组间的多址干扰可以用解相关运算消除。在测试系统中使用非完全正交特性的PN码在幅相一致性测试仪中进行匹配滤波，确保幅度相位测量精度仅受限于接收机内部热噪声，而不受多址干扰的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于DS-CDMA体制的非正交码字同频多波束分离方法，属于数字信号处理技术领域。
背景技术
扩频通信技术具有抗干扰能力强，隐蔽性好等特性，广泛应用在了数字蜂窝移动通信系统，卫星移动通信，室内无线通信和未来的个人通信中。在扩频系统中，直接序列扩频码分多址(DS-CDMA)系统是目前应用最广泛的扩频系统。扩频码的设计对系统容量有着至关重要的作用，系统容量和性能直接与码字的互相关性和自相关性相关。
在多波束网络中，所有用户波束均占有同一整个频段与同一整个时隙，所以划分不同用户的正交参量既不能用频段，也不能用时隙，而是用各自不同的编码序列的自相关函数来区分，或者说靠信号的不同波形来区分。从频域或时域上看，多个基于DS-CDMA体制的多用户信号是相互重叠的，因此，采用传统的滤波器是不能分离信号的，对应某用户发送的信号，只有与其相匹配的接收机通过相关检测才可以正确的接收。
在多波束网络实际系统中，多波束网络中模拟器件的幅相不一致性等因素会导致阵列通道间各输出波束的幅相关系偏离预设值。因此精确估算出天线系统的多波束同频CDMA信号的幅相关系具有重要的实际意义，需要精确估算出天线系统的通道幅相不一致性并进行补偿，以保证波束成形的质量。幅相一致性测试仪测试精度要求达到幅度小于0.1dB，相位小于1°。在数字多波束幅相测试系统中，采用了基于DS-CDMA体制的非正交码字多波束分离方法进行同频多波束的分离，从而解算得到相应的多波束间的幅相不一致性。
在多波束形成产生模块中，由于同频多波束信号的叠加，在时域和频域上都没有办法对多波束信号进行分离，因此不能用用时分多址(TDMA)和频分多址(FDMA)两种方法，只能采用码分多址(CDMA)进行波束分离。要达到多路多用户的目的，就要有足够多的伪随机序列，而这些伪随机序列又要有良好的自相关性和互相关性。利用自相关性很强而互相关值为0或者很小的周期性码序列是较好的选择。这种PN码组的非零互相关系数会引起各用户间的相互干扰，即多址干扰，在异步传输信道以及多径传播环境中，多址干扰将更加严重。
发明内容
本发明的目的是为去除分离各个波束中的多址干扰问题，通过一种基于DS-CDMA体制的非正交码字同频多波束分离方法，将多波束网络中的各个阵列通道间输出的同频波束进行分离，且准确估算出分离后各个波束的幅相不一致性。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种基于DS-CDMA体制的非正交码字同频多波束分离方法，包括如下步骤：
步骤一、波束信号生成器预设各个用户的幅相关系，其中用户指在DS-CDMA体制下的通信用户，每一个用户对应着一组非正交码字，并将预设的各个用户的幅相关系和各个用户各自对应的非正交码字相乘，最终得到有幅度和相位信息的基带多波束信号；
步骤二、将步骤一得到的各个用户对应的基带多波束信号分别经过成形滤波器进行波形成形；
步骤三、将波形成形后的基带多波束信号进行多路并行混频，各路信号的频谱从基带搬移到中频或射频频段，将混频后的多路信号叠加，得到同频多波束信号；
步骤四、幅相一致性测试仪接收同频多波束信号，进行下变频，将同频多波束CDMA信号搬移到基带，同时进行滤除二倍频的操作，得到基带多波束信号；
步骤五、将基带的多波束信号经过匹配滤波器进行匹配滤波，得到无码间串扰的基带多波束信号；
步骤六、接收端接收步骤五得到的基带多波束信号，将其经过数字匹配滤波器，进行多路并行数字匹配滤波，并输出各用户波束的相关峰。
具体数字匹配滤波方法为：接收端收到的步骤五得到的基带多波束信号为r，输出的相关峰信号为A为数字匹配滤波器内置的PN码组，该PN码组是步骤一中各个用户对应的非正交码字的合集，AH表示PN码组的转置，数字匹配滤波的运算公式为
步骤七、将各个用户波束的相关峰和解相关矩阵联合解算，即可得到无多址干扰的分离多波束；
所述解相关矩阵的公式为h＝(AHA)-1，其中右上角“-1”表示矩阵求逆。若令期望求解出的无多址干扰的分离多波束信号为则解算公式为
经过上述七个步骤即完成了基于DS-CDMA体制的非正交码字同频多波束分离。
有益效果
本发明方法可将多波束网络中各个阵列通道间输出的同频波束进行分离，并且准确解算出各个波束分量的幅度和相位关系。在本发明中使用了解相关运算，解相关矩阵包含了PN码组的自相关和互相关系数，引入的PN码组与码组间的多址干扰可以用解相关运算消除。在测试系统中使用非完全正交特性的PN码在幅相一致性测试仪中进行匹配滤波，确保幅度相位测量精度仅受限于接收机内部热噪声，而不受多址干扰的影响。
附图说明
图1是本发明基于DS-CDMA体制的非正交码字同频多波束分离方法的工作框图；
图2是本发明基于DS-CDMA体制的非正交码字同频多波束分离方法中的波束信号生成器的工作原理图；
图3是本发明基于DS-CDMA体制的非正交码字同频多波束分离方法中的幅相一致性测试仪的工作原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明和详细描述。
图1是本发明的工作框图。信号在波束信号生成器中依照预设的幅度和相位关系对非正交的伪随机码进行一一相乘，然后将多用户信号进行多路并行的波形成型和混频操作。多波束信号发生器产生的M个波束的信号经过波束形成网络，波束形成网络中模拟器件的幅相不一致性等因素会导致阵列通道间各输出波束的幅相关系偏离预设值。多波束网络输出N个馈源信号传输给多波束幅相测试系统，系统进行下变频、匹配滤波、数字匹配滤波，解相关等操作最终解算出多用户之间的相对应幅相关系。
图2是本发明中波束信号生成器的工作原理图。由图可知，在波束信号生成器中，根据预设的多用户幅度和相位关系与相应的PN码组的一一相乘，在相乘过程中令PN码组波形中包含幅度和相位信息。将M路并行的序列经过M组并行的成形滤波器进行波形成型。经过成形滤波后的数据进行M路并行的混频操作将频谱从基带搬移到中频或射频频段。最后将M路并行的混频结果相加，叠加后的数据即可发送给多波束网络。
图3是本发明幅相一致性测试仪的工作原理图。由图3可知，幅相一致性测试仪接收从多波束网络输出的信号，首先进行混频操作将频谱从中频或射频搬移到基带，过低通滤波器滤除高频分量，然后经过匹配滤波器减少码间串扰，然后经过数字匹配滤波对多波束信号进行波束分离，同时寻找数字匹配滤波后信息的相关峰。由于选择的PN码组是非正交码组，故不能直接将捕获后的相关峰进行解算，而需要在码捕获后进一步进行解相关运算消除多址干扰，才能得到正确的幅相关系。
实施例
以8用户，选用具有非正交特性的m序列作为扩频码的多波束幅相测试系统为例，对本发明的具体实施过程进行说明。
所述多波束幅相测试系统包括数字多波束信号产生器和幅相一致性测试仪，用户个数为8(即8组扩频码)，采用的非正交码字为m序列，扩频比为2048。信号带宽为20KHz，载波频段为200MHz。测试的幅相精度可达幅度小于0.1dB，相位小于1°。
步骤一、数字多波束信号发生器在扩频比为2048的m序列组中选择非正交的8组码，将预设的8个用户的幅相关系和到8组非正交码字相乘，形成8路包含幅相信息的多波束基带信号；
步骤二、将8路包含幅相信息的多波束基带信号经过成形滤波器进行波形成形，成形滤波器选择根升余弦滤波器，滚降系数选择1，过采样率为16；
步骤三、将波形成形后的8路并行多波束基带信号进行混频，采用BPSK调制方式将基带信号频谱搬移到中频200MHz，将混频后的8路信号叠加，此时已产生了同频多波束信号；
步骤四、幅相一致性测试仪接收信号，进行混频，采用QPSK解调方式将中频频段的同频多波束信号搬移到基带，同时将混频后的信号经过低通滤波进行滤除二倍频的操作；
步骤五、将基带的多波束信号经过匹配滤波器去除码间串扰，匹配滤波器选择根升余弦滤波器，滚降系数选择1，过采样为16；
步骤六、将步骤五得到的信号经过8路并行数字匹配滤波器，并输出各用户波束的相关峰。
具体匹配方法为：接收端收到的步骤五得到的基带多波束信号为r，输出的相关峰信号为A为数字匹配滤波器内置的PN码组，该PN码组是步骤一中各个用户对应的非正交码字的合集，AH表示PN码组的转置，数字匹配滤波的运算公式为
步骤七、由于采用的m序列具有非正交的互相关性，码组与码组之间的互相关函数不为0，故将CDMA信号通过上述方法波束分离后仍存在多址干扰，还需要进一步进行解相关运算。将各个用户波束的相关峰和解相关矩阵联合解算，所述解相关矩阵的公式为h＝(AHA)-1，其中右上角“-1”表示矩阵求逆。若令期望求解出的无多址干扰的波束信号为则解算公式为
以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。
Claims (1)
1.基于DS-CDMA体制的非正交码字同频多波束分离方法，其特征在于：具体步骤如下：
步骤一、波束信号生成器预设各个DS-CDMA体制下的通信用户的幅相关系，每一个用户对应着一组非正交码字，并将预设的各个用户的幅相关系和各个用户各自对应的非正交码字相乘，得到有幅度和相位信息的基带多波束信号；所述非正交码字选用具有非正交特性的m序列；
步骤二、将步骤一得到的各个用户对应的基带多波束信号分别经过成形滤波器进行波形成形；成形滤波器选择根升余弦滤波器；
步骤三、将波形成形后的基带多波束信号进行多路并行混频，采用BPSK调制方式将各路信号的频谱从基带搬移到中频或射频频段，将混频后的多路信号叠加，得到同频多波束信号；
步骤四、幅相一致性测试仪接收同频多波束信号，进行下变频，采用QPSK解调方式将同频多波束CDMA信号搬移到基带，同时通过低通滤波器进行滤除二倍频的操作，得到基带多波束信号；
步骤五、将基带的多波束信号经过匹配滤波器进行匹配滤波，得到无码间串扰的基带多波束信号；所述匹配滤波器选择根升余弦滤波器；
步骤六、接收端接收步骤五得到的基带多波束信号，将其经过数字匹配滤波器，进行多路并行数字匹配滤波；对多波束信号进行波束分离，并输出各用户波束的相关峰；
具体数字匹配滤波方法为：接收端收到的步骤五得到的基带多波束信号为r，输出的相关峰信号为A为数字匹配滤波器内置的PN码组，该PN码组是步骤一中各个用户对应的非正交码字的合集，AH表示PN码组的转置，数字匹配滤波的运算公式为
步骤七、将各个用户波束的相关峰和解相关矩阵联合解算，即可得到无多址干扰的分离多波束；
所述解相关矩阵的公式为h＝(AHA)-1，其中A为PN码组，AH表示PN码组的转置，右上角“-1”表示矩阵求逆；若令期望求解出的无多址干扰的分离多波束信号为则解算公式为
至此完成了基于DS-CDMA体制的非正交码字同频多波束分离。
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