一种基于fdma体制的码分多波束信号分离方法

一种基于fdma体制的码分多波束信号分离方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种信号分离方法，特别涉及一种基于FDMA体制的码分多波束信号 分离方法，属于微波信号测量领域。
【背景技术】
[0002] 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度和相位关系偏离预设值。因此准确分离出天线系统的 FDMA(频分多址）多波束信号，并且根据分离出的多波束信号计算出各多波束信号间的幅 相关系具有重要的实际意义，只有精确估算出天线系统的通道幅相不一致性并进行补偿， 才能保证波束成形的质量，使多波束网络准确有效的工作。传统分离FDMA多波束信号的方 法只需要将多波束信号通过并行的多路下变频模块和多路并行的匹配滤波器模块，下变频 模块包括混频，低通滤波器两个部分，用这种方法即可将FDMA多波束信号完整的分离。
[0003] 在实际应用中，多路并行下变频和多路并行的匹配滤波器模块需要消耗大量的FPGA资源，如片内高速乘法器DSP48,逻辑资源Slice等。因此，要实现FDMA多波束信号的 分离，随着并行的FDMA多波束信号频点个数的增加，采用传统波束信号分离方法资源的消 耗量将不可估计。

【发明内容】

[0004] 本发明的目的是为解决传统FDMA多波束信号分离方法硬件资源消耗大、运算速 度慢的问题，提出了一种基于FDMA体制的码分多波束信号分离方法，该方法简化了系统结 构，降低了资源消耗，减少了信号分离时间。
[0005] 本发明的思想是利用先验信息，即FDMA的多波束信号同时也满足码分的条件，将 多路并行混频后的信号叠加，然后经过公共支路的低通滤波器和匹配滤波器，将频分的复 用信号都搬移到基带；又由于各个频点对应的波束信号拥有各自不同的编码序列，其各自 的自相关函数可用来区分各个波束信号，故使用与之相匹配的多路并行码捕获模块进行相 关运算和相关峰检测后最终分离出信号。
[0006] 本发明是通过以下技术方案实现的。
[0007] -种基于FDMA体制的码分多波束信号分离方法，其主要步骤如下：
[0008] 步骤一、信源产生FDMA信号，每个频点对应的波束不仅频分，同时也码分；
[0009] 步骤二、接收端接收FDMA多波束信号，进行多路并行的混频操作，将FDMA多波束 信号分别从各自的频点搬移到基带；
[0010] 步骤三、将步骤二得到的多路并行混频后的结果进行叠加，叠加后共同经过低通 滤波器滤除尚频分量；
[0011] 步骤四、将步骤三得到的信号经过匹配滤波器进行匹配滤波，减少码间串扰，提高 误码率；
[0012] 步骤五、将步骤四得到的信号经过多路并行的码捕获模块，对输入信号进行相关 运算和相关峰检测，得到各路码捕获模块输出的相关峰信号，得到的相关峰信号即为分离 开的波束信号；
[0013] 步骤六、对步骤五得到的各路相关峰进行解相关运算，解算出的信号即为分离后 无多址干扰的信号。
[0014] 经过上述七个步骤即完成了基于FDMA体制的码分多波束信号的波束分离。
[0015] 有益效果
[0016] 本发明是一种基于FDMA体制的码分多波束信号的波束分离方法。传统的FDMA多 波束信号分离方法需要多路并行的混频模块，多路并行的低通滤波器模块和多路并行的匹 配滤波模块，多路并行的操作会消耗大量的FPGA资源，对于普通的FPGA芯片资源容量要求 较高。而采用本发明方法，将混频后的信号叠加后共同经过低通滤波器和匹配滤波器，将低 通滤波和匹配滤波器转移到公共支路后可以减少n-1 (n为频分信号的频点个数）个低通 滤波器和匹配滤波器的组合模块，显著的减少了资源消耗，提高了运算效率，降低了运算时 间。同时，由于FDMA多波束信号各自编码序列是不同的，所以信号叠加后造成的多址干扰 也能够通过资源消耗量很少的解相关运算去除，从而将所有波束分离。
[0017] 综上所述，本发明利用了FDMA的多波束信号同时满足码分的条件，虽然引入了解 相关运算消耗了少量资源，但是将复杂多路并行的下变频模块和匹配滤波器模块进行了简 化，大量的节省了硬件资源，提高了运算速率。
【附图说明】
[0018] 图1是传统的基于FDMA体制的码分多波束信号的分离方法流程示意图；
[0019] 图2是本发明实施例的基于FDMA体制的码分多波束信号的分离方法流程示意 图；
[0020] 图3是传统基于FDMA体制的码分多波束信号的分离方法和本发明的基于FDMA体 制的码分多波束信号的分离方法的误码率比较示意图；
[0021] 图4是本发明实施例的基于FDMA体制的码分多波束信号分离方法和传统基于 FDMA体制的码分多波束信号的分离方法的耗时对比图。
【具体实施方式】
[0022] 下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明，同时也叙述了本发明技术方案 解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解， 而对其不起任何限定作用。
[0023] 如图1所示是传统基于FDMA体制的码分多波束信号的分离方法流程示意图，主要 方法是将信源发出的频分多波束信号并行通过多路下变频模块和多路并行的匹配滤波器 模块，其中下变频模块包括混频、低通滤波器两个部分。以一路下变频模块为例，混频模块 的主要作用是将FDMA的多波束信号搬移到基带，同时会产生高频信号；低通滤波器的作用 就是保留基带信号，滤除高频信号；将基带信号通过多路并行的匹配滤波器模块进行匹配 滤波，减少码间串扰，提高误码率；然后利用码分信号中编码序列的良好自相关性，经过多 路并行的码捕获模块进行相关运算和相关峰的检测得到各路的相关峰，即可得到波束分离 后的结果。
[0024] 如图2所示是本发明实施例的基于FDMA体制的码分多波束信号的分离方法流程 示意图，主要方法是将信源发出的基于FDMA体制的码分多波束信号并行通过多路混频模 块，将FDMA信号搬移到基带，同时会产生信号频谱的混叠，但是可以保证每个波束都被搬 移到了基带。将混频后的多路信号进行相加，此时信号叠加，频谱混叠，但是仍旧能保证每 个波束在基带部分保留原始信号不变。将叠加后的信号经过低通滤波器滤除混叠后信号的 高频分量，此时的信号只保留了基带分量和部分由于混频产生的低频分量，进一步将信号 经过匹配滤波器进行匹配滤波。然后再将信号经过多路并行的码捕获模块即可得到各路的 相关峰信号，码分的多波束信号由于在下变频模块中的叠加操作中引入了多址干扰，所以 需要在码捕获模块后进行解相关运算消除多址干扰，解相关运算后的多路信号即为最终的 波束分离结果。
[0025] 实施例
[0026] 以测试用户为8(即8个频点），选用具有非正交码字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。
[0027] 步骤一、令多波束幅相测试系统的测试用户为8(即8组扩频码），信源发出8个 频分多址信号，每个频点对应的波束信号同时也对应着8组扩频码之一。扩频码可以选择 Go1d码，m序列，ZCZ序列等，在本实例中选择的扩频码组为m序列。频点任意可设，在本实 例中，设频点为 100MHz，110MHz，120MHz，130MHz，140MHz，150MHz，160MHz，170MHz。
[0028] 步骤二、接收端根据已知的8个频点将接收到的多波束信号进行并行的8路混频 操作，将8个频点的频分信号分别搬移到基带。每一路的混频过程中只有对应频点，即本例 中，频点为 100MHz，110MHz，120MHz，130MHz，140MHz，150MHz，160MHz，170MHz的信号才能被 搬移到基带（〇MHz)，如第一路混频操作中，只有频点为100MHz的信号被搬移到了基带，其 余7个频点的信号均分布在基带附近。本步骤会产生8路并行的信号，每一路信号都包含 该路对应频点的基带信号，对应频点的高频信号，以及其余频点的对应的混频后结果；
[0029] 步骤三、将步骤二得到的多路并行信号叠加，此时得到的数据中包含8个波束的 基带信号，同时也有混频后的基带附近的混叠信号。相加后的信号经过低通滤波器滤除高 频分量，完整的保留了基带信号，本例中低通滤波器设计为凯瑟窗函数，滤波器带宽设置为 500KHz，旁瓣抑制为40dBc，滤波器的抽头系数为144 ;
[0030] 步骤四、将步骤三得到的信号经过匹配滤波器模块。其中匹配滤波器可以采用根 升余弦滤波器、方波滤波器等，在本实施例中选择根升余弦滤波器，根升余弦滤波器的设计 为过采样率16,滚降系数为1，滤波器抽头系数为482 ;
[0031] 步骤五、将匹配滤波器输出的信号进行8路并行的PN码的码捕获模块，码捕获模 块可以采用滑动相关捕获法，数字匹配滤波器（DMF)和基于FFT的快速捕获法。在本实施例 中码捕获模块选择数字匹配滤波器（DMF)，每一路并行的数字匹配滤波器分别从8组叠加 的码分信号中选出使用步骤一中已知的8组扩频码中的任一组预定码型的信号，其他使用 不同码型的信号因为与接收机产生的本地码型不同而不能被解扩，利用m序列良好的自相 关性即可将8路叠加的码分多波束信号分离。若令r为接收端收到的信号，$为期望求解出 来的原始信号，A为PN码组，AH为PN码组的转置，数字匹配滤波器的运算公式为S 。 信号经过数字匹配滤波器后获得各路输出信号的相关峰。由于混频后的叠加操作引入了多 址干扰，此时得到的8路并行的相关峰信号仍旧没有完整的分离开；
[0032] 步骤六、利用解相关矩阵的运算公式：h= (AHAr，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。将对应的8组扩频码序列运算得到相应的解相关矩 阵。将步骤五中得到的8路码捕获模块输出的相关峰和解相关矩阵联合解算，解算公式为： 八= 1 /!"/?，即可得到无多址干扰的分离后的信号。
[0033] 实验结果
[0034]对于上述实施例，下表为使用传统基于FDMA体制的码分多波束信号分离方法和 本实施例的基于FDMA体制的码分多波束信号分离方法的FPGA资源消耗对比，本实例中使 用的FPGA型号为xc6vlx240t。
[0035]
[0037] 由上表可得，使用传统的多波束分离方法会消耗大量的DSP48Els和Slice资源， 而本发明的基于FDMA体制的码分多波束信号分离方法大大的减少了这两种资源的消耗。
[0038] 如图3所示是传统基于FDMA体制的码分多波束信号的分离方法和本发明的基于 FDMA体制的码分多波束信号的分离方法的误码率比较。从图3中可以看出，当信噪比Eb/ No从1到11变化时，两种系统的误码率都降低，两种方法的误码率随着信噪比变化的变化 趋势一致，证明本发明对传统波束分离方法结构的更改并未造成误码率的提高。
[0039] 如图4所示是本发明的基于FDMA体制的码分多波束信号分离方法和传统基于 FDMA体制的码分多波束信号的分离方法的耗时对比图。从图4中可以看出，当多波束信号 的波束个数少的时候，使用传统的多波束信号分离方法所需的时间比本发明中提出的多波 束分离方法相差不多，但是随着多波束信号的波束个数的增加，频点数也相应增加，两者的 耗时差值变大，当波束个数增大到10的时候，应用本发明方法进行多波束信号分离可以提 高效率百分之十以上。
[0040] 综上所述，应用本发明方法进行信号分离，可以在不改变误码率的情况下节约大 量硬件资源，减少资源消耗，提高运算效率。
[0041] 以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说 明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范 围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明 的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于FDM体制的码分多波束信号分离方法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤一、信源产生FDM信号，每个频点对应的波束不仅频分，同时也码分； 步骤二、接收端接收FDM多波束信号，进行多路并行的混频操作，将FDM多波束信号 分别从各自的频点搬移到基带； 步骤三、将步骤二得到的多路并行混频后的结果进行叠加，叠加后共同经过低通滤波 器滤除高频分量； 步骤四、将步骤三得到的信号经过匹配滤波器进行匹配滤波，减少码间串扰，提高误码 率； 步骤五、将步骤四得到的CDM信号经过多路并行的码捕获模块进行相关运算和相关 峰的检测，得到各路码捕获模块输出的相关峰信号，以实现波束分离； 步骤六、对步骤五得到的各路相关峰进行解相关运算，解算出的信号即为分离后无多 址干扰的信号。2. 根据权利要求1所述的一种基于FDM体制的码分多波束信号分离方法，其特征在 于：所述码捕获模块的运算公式为& = 其中，^表示期望求解出来的原始信号，r表示 接收端收到的信号，A表示PN码组，Ah表示PN码组的转置。3. 根据权利要求1所述的一种基于FDM体制的码分多波束信号分离方法，其特征在 于：所述解相关运算是将相关峰与解相关矩阵相乘，运算公式如下： b = (,A)'A'、·， 其中，A表示期望求解出来的原始信号，r表示接收端接收到的信号，A表示PN码组，Ah 表示PN码组的转置，右上角"-1"表示矩阵求逆。
【专利摘要】本发明涉及一种基于FDMA体制的码分多波束信号分离方法，属于微波信号测量领域。本发明方法利用先验信息，将多路并行混频后的信号叠加，然后经过公共支路的低通滤波器和匹配滤波器，将频分的复用信号都搬移到基带；又由于各个频点对应的波束信号拥有各自不同的编码序列，其各自的自相关函数可用来区分各个波束信号，故使用与之相匹配的多路并行码捕获模块进行相关运算和相关峰的检测后得到相关峰，将相关峰进行解相关运算最终分离出信号。对比传统的基于FDMA体制的码分多波束信号的分离方法，本发明方法通过引入解相关运算，将复杂的多路并行的下变频模块和匹配滤波器模块进行了简化，显著的节省了硬件资源，提高了运算效率，节约了资源消耗。
【IPC分类】H04B17/00
【公开号】CN104883229
【申请号】CN201510142427
【发明人】宋哲, 王帅, 卜祥元, 罗婧, 涂水平, 鲁楠, 戴计博, 杨骁 , 赵文静
【申请人】北京理工大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年3月27日