通信信号处理第三章XXXX
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（CDMA系统）；提供SDMA • MIMO：空间分集（扩大覆盖）+空间复用（提升容量）
数学模型
❖ 阵元m相对于参考相位中心的相位差
❖ 阵列几何结构 ➢ 等距线阵 ➢ 均匀园阵 ➢ 平面阵
等距线阵
• 阵元n接收信号形式 • 传输时延 • 窄带信号 • 接收信号
等距线阵
• 阵列接收信号向量
• 阵列方向向量
第三章 阵列天线系统中的信号处理
• 信源数估计：检测入射到阵列的信号源数 ① 基于特征值分解方法：估计最小特征值重数 ② 序列假设检验：设置一个阈值 ③ 赤池信息准则和最小描述长度准则：无须设置阈值 ④ 变换域方法：解相关处理
第三章 阵列天线系统中的信号处理
• DOA检测与估计：检测和估计信源发射信号的来波方向 ① 非盲自适应估计
• 阵列接收信号向量
• 多个辐射源
不同来波方向
• 阵列接收信号向量
• 阵列方向矩阵（阵列流形）
• 阵列输出信号
wk.baidu.com
均匀园阵
• N个阵元均匀分布在半径为R的圆周上 • 阵元分布圆心角度 • 阵元位置坐标 • 阵元n接收信号 • 阵列接收信号向量 • 阵列方向向量
二维等距方阵
• 阵元
的坐标
• 阵元接收信号
第三章 阵列天线系统中的信号处理
• 阵列天线有两大类：多波束天线和自适应天线 ➢ 多波束天线：采用多个波束覆盖特定的空间区域，每个波束的指向固
定。根据目标的空间位置和方向选取相应的波束，使接收信号最佳。 ➢ 自适应天线：根据一定的准则，利用自适应算法和数字信号处理技术
形成天线阵列的加权向量，对不同阵元的接收信号加权合并，在期望 信号方向上形成主波束，而在干扰信号方向上形成零陷，以提高接收 信号的信干噪比——智能天线。
第三章 阵列天线系统中的信号处理
• 阵列天线应用：最初主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信等领域， 用来完成空间滤波和目标测向。
• 阵列天线：20世纪90年代开始用于移动通信，利用数字技术形成定向 波束，能提高频谱利用率、增加系统容量、扩大基站覆盖范围、减小 电磁污染，改善通信质量
• 阵列天线已成为新一代宽带无线移动通信研究的热点之一
➢ 上行接收：对各天线单元接收信号加权求和获得定向波束 ➢ 下行发射： ✓ TDD方式（上下行工作频率相同）：利用接收获得的加权向量，对不同
终端选择加权发送 ✓ FDD方式（上下行工作频率不同）：利用导频或训练序列检测下行信道
特性，指导加权向量更新 • 效用：获得空间分集，扩大覆盖、降低功率、提高容量；抵御远近效应
阵列信号处理基础
• 阵列信号处理是一种进行空间滤波的信号处理手段 • 基本思想：通过一定结构的天线阵列收发信号，通过对不同阵元收发
信号赋以不同加权量，按需增强或抑制不同方向的增益，形成定向波 束，主瓣对准期望信源，同时利用自适应处理算法实时调整加权量， 实现对期望信源的方向跟踪（支持期望信源移动）
LMS算法、AG算法、RLS算法、DMI算法… ② 盲自适应估计
CMA算法、空间谱估计算法、有限符号集算法、循环平稳算法、判 决反馈和模糊神经网络算法等
第三章 阵列天线系统中的信号处理
• 波束形成 ① 最小均方误差准则（MMSE） ② 最大信干噪比准则（MSINR） ③ 极大似然准则（ML） ④ 噪声方差最小准则（MV）
• 加权系数
• 阵列输出
二维等距方阵
• 归一化输出
DOA检测与估计
• DOA检测与估计方法分类 ➢ 传统法：基于经典波束形成技术，要求阵元数多； ➢ 最大似然法：低信噪比环境性能好，运算量大； ➢ 综合法：充分利用信号特征，有前景； ➢ 子空间法：利用输入数据矩阵特征结构。
传统法
① 延迟－相加法（经典波束形成法） • 阵列输出 • 阵列输出功率 • 期望信号以角度 入射到阵列上，
第三章 阵列天线系统中的信号处理
• 通信信号处理的总体目标：提取并利用包含在接收信号中的有用特征 信息，恢复并重构原始信号（时域、频域、空域、多域联合）
• 均衡技术就是利用接收信号的延迟样本在时域或频域上存在的差异来 抑制干扰，这种差异在空域也具备
• 时域信号具有频谱（功率谱），空域信号具有空间谱；时域处理能获 得系统响应，空域处理能获得方向图；时域滤波是对不同频率的信号 进行增强或抑制，空域滤波是对不同来向的信号进行增强或抑制 时域处理和空域处理具有对偶关系
阵列信号处理基础
• 关键部件 ➢ 阵列结构：不同阵列结构的性能不同，代价也不同（线阵、园阵、面阵） ➢ 信号处理器结构：幅度加权、相位加权、幅相加权 ➢ 信号处理算法：实现权值参数的自适应调整
抽头延迟线实现宽带复数加权 正交混合电路实现窄带复数加权
阵列信号处理基础
• 阵列天线在移动通信系统中的应用：一般用在基站，且上下行均形成定 向波束
• 优化问题
• 最小方差无畸变权向量 • 空间谱
传统法
存在的问题：对相关信号无效、要求高信噪比、运算量大
• 信号功率 • 噪声方差 • 最大输出功率时
传统法
• 空间谱（功率与角度的关系） • 存在问题：受限于波束宽度和旁瓣宽度
8阵元，SNR＝50dB，入射方向30度 8阵元，SNR＝50dB，入射方向30、45度
传统法
② Capon最小方差法：针对多个辐射源，用一部分自由度形成波束， 另一部分自由度形成零限。
第三章 阵列天线系统中的信号处理
• 阵列天线：由一组各向同性的天线单元按照一定的空间结构排列而 成的天线系统
• 阵列信号处理：在空域分析和处理信号的一种手段，本质上是空域 滤波。
• 作用：根据信号的来波方向（direction of arrival, DOA）调整方向图 （某些方向增强、某些方向减弱），跟踪期望信号，减少或消除干 扰信号，提高接收信干噪比
第三章 阵列天线系统中的信号处理
• 阵列信号处理涉及的主要内容 ➢ 信源数估计：获取空间分布的信源数目 ➢ DOA检测与估计：估计分布在不同空间位置的辐射源到达阵列天线的
来波方向 ➢ 波束形成/合成/赋形：依据来波方向估计调整阵列天线各个阵元的加
权参数（空间滤波），使形成的波束主瓣指向期望信号来波方向，增 强在该方向的接收信号功率，同时尽可能使波束零陷对准干扰信号来 波方向，降低干扰信号功率，提高接收信干噪比（SINR）
数学模型
❖ 阵元m相对于参考相位中心的相位差
❖ 阵列几何结构 ➢ 等距线阵 ➢ 均匀园阵 ➢ 平面阵
等距线阵
• 阵元n接收信号形式 • 传输时延 • 窄带信号 • 接收信号
等距线阵
• 阵列接收信号向量
• 阵列方向向量
第三章 阵列天线系统中的信号处理
• 信源数估计：检测入射到阵列的信号源数 ① 基于特征值分解方法：估计最小特征值重数 ② 序列假设检验：设置一个阈值 ③ 赤池信息准则和最小描述长度准则：无须设置阈值 ④ 变换域方法：解相关处理
第三章 阵列天线系统中的信号处理
• DOA检测与估计：检测和估计信源发射信号的来波方向 ① 非盲自适应估计
• 阵列接收信号向量
• 多个辐射源
不同来波方向
• 阵列接收信号向量
• 阵列方向矩阵（阵列流形）
• 阵列输出信号
wk.baidu.com
均匀园阵
• N个阵元均匀分布在半径为R的圆周上 • 阵元分布圆心角度 • 阵元位置坐标 • 阵元n接收信号 • 阵列接收信号向量 • 阵列方向向量
二维等距方阵
• 阵元
的坐标
• 阵元接收信号
第三章 阵列天线系统中的信号处理
• 阵列天线有两大类：多波束天线和自适应天线 ➢ 多波束天线：采用多个波束覆盖特定的空间区域，每个波束的指向固
定。根据目标的空间位置和方向选取相应的波束，使接收信号最佳。 ➢ 自适应天线：根据一定的准则，利用自适应算法和数字信号处理技术
形成天线阵列的加权向量，对不同阵元的接收信号加权合并，在期望 信号方向上形成主波束，而在干扰信号方向上形成零陷，以提高接收 信号的信干噪比——智能天线。
第三章 阵列天线系统中的信号处理
• 阵列天线应用：最初主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信等领域， 用来完成空间滤波和目标测向。
• 阵列天线：20世纪90年代开始用于移动通信，利用数字技术形成定向 波束，能提高频谱利用率、增加系统容量、扩大基站覆盖范围、减小 电磁污染，改善通信质量
• 阵列天线已成为新一代宽带无线移动通信研究的热点之一
➢ 上行接收：对各天线单元接收信号加权求和获得定向波束 ➢ 下行发射： ✓ TDD方式（上下行工作频率相同）：利用接收获得的加权向量，对不同
终端选择加权发送 ✓ FDD方式（上下行工作频率不同）：利用导频或训练序列检测下行信道
特性，指导加权向量更新 • 效用：获得空间分集，扩大覆盖、降低功率、提高容量；抵御远近效应
阵列信号处理基础
• 阵列信号处理是一种进行空间滤波的信号处理手段 • 基本思想：通过一定结构的天线阵列收发信号，通过对不同阵元收发
信号赋以不同加权量，按需增强或抑制不同方向的增益，形成定向波 束，主瓣对准期望信源，同时利用自适应处理算法实时调整加权量， 实现对期望信源的方向跟踪（支持期望信源移动）
LMS算法、AG算法、RLS算法、DMI算法… ② 盲自适应估计
CMA算法、空间谱估计算法、有限符号集算法、循环平稳算法、判 决反馈和模糊神经网络算法等
第三章 阵列天线系统中的信号处理
• 波束形成 ① 最小均方误差准则（MMSE） ② 最大信干噪比准则（MSINR） ③ 极大似然准则（ML） ④ 噪声方差最小准则（MV）
• 加权系数
• 阵列输出
二维等距方阵
• 归一化输出
DOA检测与估计
• DOA检测与估计方法分类 ➢ 传统法：基于经典波束形成技术，要求阵元数多； ➢ 最大似然法：低信噪比环境性能好，运算量大； ➢ 综合法：充分利用信号特征，有前景； ➢ 子空间法：利用输入数据矩阵特征结构。
传统法
① 延迟－相加法（经典波束形成法） • 阵列输出 • 阵列输出功率 • 期望信号以角度 入射到阵列上，
第三章 阵列天线系统中的信号处理
• 通信信号处理的总体目标：提取并利用包含在接收信号中的有用特征 信息，恢复并重构原始信号（时域、频域、空域、多域联合）
• 均衡技术就是利用接收信号的延迟样本在时域或频域上存在的差异来 抑制干扰，这种差异在空域也具备
• 时域信号具有频谱（功率谱），空域信号具有空间谱；时域处理能获 得系统响应，空域处理能获得方向图；时域滤波是对不同频率的信号 进行增强或抑制，空域滤波是对不同来向的信号进行增强或抑制 时域处理和空域处理具有对偶关系
阵列信号处理基础
• 关键部件 ➢ 阵列结构：不同阵列结构的性能不同，代价也不同（线阵、园阵、面阵） ➢ 信号处理器结构：幅度加权、相位加权、幅相加权 ➢ 信号处理算法：实现权值参数的自适应调整
抽头延迟线实现宽带复数加权 正交混合电路实现窄带复数加权
阵列信号处理基础
• 阵列天线在移动通信系统中的应用：一般用在基站，且上下行均形成定 向波束
• 优化问题
• 最小方差无畸变权向量 • 空间谱
传统法
存在的问题：对相关信号无效、要求高信噪比、运算量大
• 信号功率 • 噪声方差 • 最大输出功率时
传统法
• 空间谱（功率与角度的关系） • 存在问题：受限于波束宽度和旁瓣宽度
8阵元，SNR＝50dB，入射方向30度 8阵元，SNR＝50dB，入射方向30、45度
传统法
② Capon最小方差法：针对多个辐射源，用一部分自由度形成波束， 另一部分自由度形成零限。
第三章 阵列天线系统中的信号处理
• 阵列天线：由一组各向同性的天线单元按照一定的空间结构排列而 成的天线系统
• 阵列信号处理：在空域分析和处理信号的一种手段，本质上是空域 滤波。
• 作用：根据信号的来波方向（direction of arrival, DOA）调整方向图 （某些方向增强、某些方向减弱），跟踪期望信号，减少或消除干 扰信号，提高接收信干噪比
第三章 阵列天线系统中的信号处理
• 阵列信号处理涉及的主要内容 ➢ 信源数估计：获取空间分布的信源数目 ➢ DOA检测与估计：估计分布在不同空间位置的辐射源到达阵列天线的
来波方向 ➢ 波束形成/合成/赋形：依据来波方向估计调整阵列天线各个阵元的加
权参数（空间滤波），使形成的波束主瓣指向期望信号来波方向，增 强在该方向的接收信号功率，同时尽可能使波束零陷对准干扰信号来 波方向，降低干扰信号功率，提高接收信干噪比（SINR）