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基于EM的多天线信号合成权值估计算法

信息工程大学学报 2011年第3期12卷 302-306,317页

作者：漆雪梅张效义信息工程大学信息工程学院河南郑州450002

针对多天线信号合成技术的权值估计问题,提出了一种高斯信道下基于EM算法的权值估计算法,该算法能够实现非数据辅助情况下权值幅度和相位的联合估计,推导了多路情况下相位估计的Cramer-Rao下界(CRLB)。对MPSK和MQAM信号进行大量计算机仿... 详细信息

针对多天线信号合成技术的权值估计问题,提出了一种高斯信道下基于EM算法的权值估计算法,该算法能够实现非数据辅助情况下权值幅度和相位的联合估计,推导了多路情况下相位估计的Cramer-Rao下界(CRLB)。对MPSK和MQAM信号进行大量计算机仿真,结果表明该算法估计精度高,适用于多种调制方式,高信噪比下权值幅度与相位的估计值能够达到CRLB。

关键词：多天线信号合成合成权值 EM算法

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多天线信号波形合成关键技术研究

多天线信号波形合成关键技术研究

作者：伍警中国工程物理研究院

学位级别：硕士

为了实现低信噪比信号的有效接收,本文开展了对多天线信号波形合成关键技术的研究。文中首先给出了多天线信号合成模型,并重点围绕异地组阵中的载波频偏与采样频偏估计与补偿,高斯信道下非均匀组阵中的合成算法以及未知频率选择性慢衰... 详细信息

为了实现低信噪比信号的有效接收,本文开展了对多天线信号波形合成关键技术的研究。文中首先给出了多天线信号合成模型,并重点围绕异地组阵中的载波频偏与采样频偏估计与补偿,高斯信道下非均匀组阵中的合成算法以及未知频率选择性慢衰落信道下的合成算法等关键技术进行了研究与分析,最后在MATLAB平台上利用GUI工具设计与实现多天线信号合成数字样机系统。不同于时频同步技术,本文提出的载波频偏与采样频偏联合估计与补偿方法,为消除异地组阵中不同本振精度的影响提供了新的解决途径;而在不明显增加计算量的基础上,针对非均匀组阵的两种改进合成算法的性能均明显优于SUMPLE等算法;另外,基于数字信道化的合成算法能够有效改善频率选择性信道下的信号质量,并且对调制方式透明。

关键词：多天线信号合成异地组阵非均匀组阵合成权值频率选择性信道

基于多天线的低轨卫星信号合成技术研究与实现

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基于多天线的低轨卫星信号合成技术研究与实现

作者：吕宗申解放军信息工程大学

学位级别：硕士

低轨卫星通信系统由于运行轨道高度低，具有通信时延短，链路损耗小，组网灵活等特点，因此发展前景非常广阔。由于低轨卫星运动速度快，所以单个大口径天线跟踪接收困难，而利用多个小口径天线组阵代替大口径天线，不仅能够实现对卫星... 详细信息

低轨卫星通信系统由于运行轨道高度低，具有通信时延短，链路损耗小，组网灵活等特点，因此发展前景非常广阔。由于低轨卫星运动速度快，所以单个大口径天线跟踪接收困难，而利用多个小口径天线组阵代替大口径天线，不仅能够实现对卫星信号的跟踪接收，同时也降低了成本。低轨卫星信号在传输过程中受多种因素的影响，信号信噪比较低，而利用多天线信号合成技术，通过对多个天线接收的同一卫星信号进行处理，消除信号间的参数差异，并利用信号的相干性和噪声的不相关性，将各路信号加权合成，能够有效提高接收信号质量。由于低轨卫星与地面接收天线之间存在相对运动，导致信号间的延时差和载波频率差非线性变化，并进一步造成相位差的时变性，给信号合成技术的参数差异估计带来新的问题。本文在深入研究随机布设多天线信号合成技术的基础上，对如何降低时频联合估计算法的计算量和时变相位差估的估计补偿问题进行了深入探讨和分析，并设计实现了多天线信号合成软件。论文主要完成工作如下： 1．针对多天线信号合成中延时差和频率差的估计问题，首先分析了延时差和频率差的时变性;其次对如何降低基于二阶互模糊函数的时频联合估计算法的计算量问题进行深入研究，将互模糊函数的最大谱峰搜索转化成非线性无约束最优化问题，引入一种改进的单纯形算法，实现全局最优值搜索，仿真结果表明，改进的单纯形算法在不影响估计精度的前提下，极大地降低了时频联合估计的计算量。 2．针对两路信号的时变相位差估计补偿问题，首先通过两路信号互相关推导出时变相位差的估计值，结果表明相位差理论估计值与积分数据中心采样点的相位差相等，并对比无频差下的相位差估计性能，分析残留频差造成估计性能下降的原因。其次通过对积分信噪比增益和相位差理论估计性能的分析，给出最佳积分数据长度的计算方法，当积分数据长度与归一化残留频差的乘积约为2.33时，相位差估计精度最高;最后从合成性能的角度出发，对两种不同的相位差补偿方案的优缺点进行了分析说明。 3．针对多路信号的时变相位差估计补偿问题，首先对时变相位差的SUMPLE算法进行理论推导，并分析残留频差对合成信噪比和权值估计性能的影响;对比SIMPLE算法，SUMPLE算法的合成性能优势明显，且天线数越多，相位差估计性能越好。其次证明了时变相位差SUMPLE算法的收敛特性，并通过理论推导和仿真对合成信号的相位收敛值进行分析说明;最后对“逐点滑动”的估计补偿方案的合成性能进行分析，仿真结果表明，该方法能够保证SUMPLE算法的持续收敛，并且将残留频差引起的合成信噪比损失降至最低。 4．根据项目需求，设计并实现了多天线信号合成软件。在功能结构上将软件分成界面控制模块、数据读写模块、时频联合估计模块、数据处理模块与合成模块五个模块，并利用VC++和Matlab混合编程技术完成软件程序的编写。仿真数据与实际信号的测试结果表明，该软件性能良好，并且具有较好的通用性与可扩展性。

关键词：多天线信号合成低轨卫星单纯形算法时变相位差 SUMPLE算法

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基于多天线组阵接收结构的信号检测技术研究

基于多天线组阵接收结构的信号检测技术研究

作者：万英杰解放军信息工程大学

学位级别：硕士

认知无线电技术(Cognitive Radio,CR)有利于解决固定频谱分配方式带来的频谱资源稀缺问题,具有广阔的应用前景。信号检测是认知无线电中的关键技术,一直受到学术界的广泛关注。在实际无线环境中,信号在传输过程中会受到多径效应、阴影... 详细信息

认知无线电技术(Cognitive Radio,CR)有利于解决固定频谱分配方式带来的频谱资源稀缺问题,具有广阔的应用前景。信号检测是认知无线电中的关键技术,一直受到学术界的广泛关注。在实际无线环境中,信号在传输过程中会受到多径效应、阴影衰落等因素的影响,使用单个天线接收的采样数据进行信号检测往往无法满足任务要求。为了提高信号检测的可靠性和精确性,采用多天线组阵接收结构是一种有效的措施。本文围绕基于多天线组阵接收结构的信号检测技术开展研究,论文主要工作及创新点如下:1.在噪声功率已知的条件下,给出了一种基于互相关的多天线信号联合检测算法。经典的多天线能量检测算法在进行信号检测时,没有充分利用多天线信号的空间相关性信息,检测性能一般。针对这个问题,该算法基于各路天线接收数据之间的相关值,设计检测统计量,通过该检测统计量与特定虚警概率下的门限作对比,实现对原信号的存在性检测。仿真结果表明,该算法与传统的多天线能量检测方案相比,在低信噪比、观测数据量少和低虚警概率下,拥有更高的检测概率。2.在多天线均匀组阵,噪声功率未知条件下,给出了一种基于等增益合成的多天线信号盲检测算法。噪声功率估计误差使多天线能量检测法检测性能急剧恶化,特征值检测算法利用了多天线信号的空间相关性,却未能充分考虑多天线信号之间时延、相位等的差异性。为此,该算法考虑实际环境中各天线信号参数存在的差异性,将多天线采集的信号利用多天线合成技术进行等增益合成,构建出一种与噪声功率无关的检测统计量。理论分析和仿真结果表明,该算法在噪声功率未知时,检测性能优于多天线能量检测法和特征值检测法。3.在多天线非均匀组阵,噪声功率未知条件下,给出了一种简单的设置固定门限的多天线信号检测算法。该算法的理论依据是多天线信号存在与否时,在进行时延和相位对准的迭代过程中,各路天线数据协方差矩阵的特征值具有不同的特性。仿真结果表明,在噪声功率未知条件下,该算法能够有效解决多个天线接收信噪比不同时的信号检测问题,并且相比多天线能量检测提升了检测性能。4.针对多天线非均匀组阵下,特征值检测算法无法适用的问题,给出一种基于最优合并和特征值检测的多天线信号检测算法(optimally combined eigenvalue detection,OCED)。该算法对各路天线信号进行最优权值合并,基于合并信号自相关矩阵的特征值,构建了新的检测统计量,推导信号检测算法的检测门限,并将该检测门限和检测统计量进行比较,得到检测结果。理论分析和仿真结果表明,该算法充分利用了信号的相关性,采用频域最优权值合成的方式改善了信号质量,进而提升了信号检测性能。

关键词：多天线信号检测能量检测多天线信号合成特征值检测检测概率协方差矩阵

基于GPU的宽带信号时延差与相位差估计方法

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电讯技术 2023年第11期63卷 1779-1789页

作者：毛飞龙焦义文马宏李超高泽夫王育欣航天工程大学电子与光学工程系北京101416

针对多天线信号合成系统对于宽带、高速、并行信号的实时合成需求,设计了基于图形处理单元(Graphics Processing Unit,GPU)的宽带信号时延差与相位差估计方法,对估计方法中的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)、共轭相乘、累... 详细信息

针对多天线信号合成系统对于宽带、高速、并行信号的实时合成需求,设计了基于图形处理单元(Graphics Processing Unit,GPU)的宽带信号时延差与相位差估计方法,对估计方法中的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)、共轭相乘、累加平均等模块进行了相应的线程并行程序设计。为充分发挥GPU的并行运算能力,利用异步流并发的方式对估计方法进一步优化,从结构层面有效提高了数据的并行处理效率。对基于GPU的宽带信号时延差与相位差估计方法进行了实验验证,多次实验测试结果表明,数据量为512000时,在保证估计正确性的基础上,该方法相比传统串行CPU估计方法约有125倍的加速比,采用该方法可实现对多天线信号参数的实时估计。

关键词：多天线信号合成宽带信号时延估计相位估计

基于子空间的宽带信号时延差与相位差估计方法

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无线电工程 2023年第4期53卷 797-806页

作者：毛飞龙焦义文马宏高泽夫李超航天工程大学电子与光学工程系北京101416 电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室河南洛阳471003

针对现有的Simple、Sumple等互相关类算法无法分辨多个信源的问题,结合子空间算法中的超分辨估计——Music算法,提出了基于子空间的子带相位差估计算法——Music-Simple。对Music-Simple算法的合成性能进行了仿真分析并与传统的Music算... 详细信息

针对现有的Simple、Sumple等互相关类算法无法分辨多个信源的问题,结合子空间算法中的超分辨估计——Music算法,提出了基于子空间的子带相位差估计算法——Music-Simple。对Music-Simple算法的合成性能进行了仿真分析并与传统的Music算法进行对比,验证了Music-Simple算法的正确性。结果表明,Music-Simple具有分辨多个信源的能力,可以同时估计出多个信源在多个接收天线处的相位差,显著提升了对包含多个信源信号的合成性能。

关键词：多天线信号合成子空间时延估计相位估计

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多天线接收中的自适应参数估计与合成算法研究及实现

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多天线接收中的自适应参数估计与合成算法研究及实现

作者：张建业解放军信息工程大学

学位级别：硕士

利用多天线实现信号的接收,是保障低信噪比条件下无线通信的重要手段之一。本文主要针对随机布局的多天线信号参数差异估计、合成权值估计相关技术进行了研究与分析,并采用自适应方法解决时变性参数差异的估计问题。最后,利用FPGA+DSP... 详细信息

利用多天线实现信号的接收,是保障低信噪比条件下无线通信的重要手段之一。本文主要针对随机布局的多天线信号参数差异估计、合成权值估计相关技术进行了研究与分析,并采用自适应方法解决时变性参数差异的估计问题。最后,利用FPGA+DSP的硬件处理平台完成了四通道信号合成系统的算法设计与实现工作。具体内容如下: 1.首先,分析了随机布局的多天线信号接收与处理结构,针对高斯信道下多天线接收信号模型,从工程实现出发,给出了“预处理+细估计”的参数差异估计与补偿模式,并采用自适应的方法解决时变性参数差异估计问题。(1)针对时差频差同时存在的情况,在预处理阶段采用基于互模糊函数的时频联合估计方法避免二者的相互影响,并利用FFT变换实现时频联合搜索。该方法计算量相对较小,便于工程实现。(2)对于残余载频差的细估计,研究分析了常用的基于复信号相位的频率估计算法,并给出一种基于互相关函数相位自适应滤波的载频差估计算法,实现时变性载频差的估计。(3)对于残余延时差的细估计,把约束类的精确延时估计算法(ETDE)推广到多天线信号的联合时差估计中,并提出了一种基于最小二乘优化的自适应延时差估计结构,提高ETDE算法在低信噪比下的估计性能。 2.在研究多天线信号合成常用算法的基础上,结合工程实际,给出了一种基于三路信号的复权值联合估计算法以及一种基于互相关矩阵迭代运算的复权值估计算法。前者利用信号间的互相关函数,对信号间的幅度增益比与信噪比进行联合估计,从而获得最佳合成权值,对于均匀阵与非均匀阵都具有较好的合成效果。后者假设低信噪比条件下,经功率归一化后的多天线信号的噪声功率近似相等,并利用互相关矩阵的迭代运算对信号间的幅度比值、相位差进行估计,获得合成权值。后者在低信噪比条件下能够取得较好的合成效果,可以作为前者在低信噪比条件下合成效果不佳的补充。 3.利用FPGA+DSP的硬件处理平台,对支持四通道的信号合成系统进行了算法流程设计;根据信号处理需求,对数据交互模式、资源配置、主要芯片的任务划分进行了统筹;完成了DSP程序的开发工作;最后分别利用仿真信号与实际信号对算法及合成系统性能进行了测试。结果表明,通过多天线合成,能够有效提高接收信号的信噪比,降低解调误码率。

关键词：多天线信号合成延时差估计载频差估计时频联合估计最佳合成 DSP

无线衰落环境下基于相位平滑的多天线频域SUMPLE合成实现结构

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信息工程大学学报 2018年第2期19卷 153-157,161页

作者：陈紫阳胡赟鹏沈彩耀沈智翔信息工程大学河南郑州450001

为应对无线衰落传输环境中非合作接收场景存在信道先验信息缺失问题,将SUMPLE合成算法应用于多天线盲接收系统,设计基于相位平滑的改进频域SUMPLE合成接收结构。通过滑动窗设计实现对频域数据的重叠划分,利用相邻频点的相位约束保证合... 详细信息

为应对无线衰落传输环境中非合作接收场景存在信道先验信息缺失问题,将SUMPLE合成算法应用于多天线盲接收系统,设计基于相位平滑的改进频域SUMPLE合成接收结构。通过滑动窗设计实现对频域数据的重叠划分,利用相邻频点的相位约束保证合成信号的相位连续性,克服经典SUMPLE算法相位漂移现象带来的性能损失。与现有的频域分量最大比合并算法(FMRC)相比,改进的频域SUMPLE算法以合成信号为参考,在提升合成信号信噪比的同时优化了信号的相位谱,降低了后端均衡器的设计复杂度。理论分析和仿真结果验证了上述接收结构的可行性和有效性。

关键词：衰落信道多天线信号合成 SUMPLE算法

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深空通信新型射频技术

科技资讯 2016年第32期14卷 184-185页

作者：胡赟鹏沈彩耀沈智翔张德伟屠振信息工程大学

深空通信射频技术是深空通信关键技术之一,该课题围绕我国未来深空探测任务的需求,重点突破适应深空通信需求的低噪声温度射频前端设计与多天线组阵增强系统相关关键技术,实现深空探测数据回传的高效可靠接收。课题设计完成低噪声温度... 详细信息

深空通信射频技术是深空通信关键技术之一,该课题围绕我国未来深空探测任务的需求,重点突破适应深空通信需求的低噪声温度射频前端设计与多天线组阵增强系统相关关键技术,实现深空探测数据回传的高效可靠接收。课题设计完成低噪声温度射频前端,X/Ka频段等效噪声温度达到25 K/50 K以下。突破HEMT晶体管低温建模关键技术,实现低温器件参数的高精度提取。针对超导滤波器的关键工艺技术,以及超导滤波器运用软件精确设计展开研究。提出了支持现有天线以任意形态组阵的全新多天线信号增强处理结构,同时设计研制了多天线信号合成样机及试验验证系统。该结构可充分利用现有的接收天线和接收机,适用于非均匀组阵下各种调制方式、不同调制参数信号的无数据辅助合成,实现了对信号的盲处理。区别于传统的仅利用固定参考信号实现信号间的时延估计方法,提出了一种基于准合成输出信号作为参考时延对准算法,提高参考信号的信噪比,时延估计性能在低信噪比条件下其估计性能改善更为明显。提出并实现了一种不依赖于单路信号信噪比计算的多天线信号合成权值盲估计算法,该算法无需任何信号先验信息和定时同步,解决了信号最大比合并中权值估计的通用性问题。针对通信信号特点,研究了多天线信号多层次联合处理结构,同时实现了符号检测与同步的联合处理,以及各路信号间的联合同步与联合符号检测。在多路极低信噪比条件下,与传统合成结构的相比能够进一步提升处理增益。课题所取得成果对拓展更远距离的深空探测,实现极低信噪比条件下,大容量回传数据的可靠接收具有十分重要的意义。针对我国深空探测发展的需求,该课题通过关键技术突破与创新有效提升深空数据传输能力,为我国未来深空科学技术与工程实施提供有力支撑,推动我国空间科学与应用的原创性发展。

关键词：深空通信低噪声温度射频前端多天线信号合成