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CN111800146A - 多频子信道阵列通信系统发射端、接收端及系统 - Google Patents

多频子信道阵列通信系统发射端、接收端及系统 Download PDF

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CN111800146A
CN111800146A CN202010760143.8A CN202010760143A CN111800146A CN 111800146 A CN111800146 A CN 111800146A CN 202010760143 A CN202010760143 A CN 202010760143A CN 111800146 A CN111800146 A CN 111800146A
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Abstract

本发明涉及通信技术，其目的是要有效地利用离散频谱，以提高无线通信系统的传输可靠性及数据速率，提供了一种多频子信道阵列通信系统发射端、接收端及系统，其技术方案可概括为：利用多个频段，传输同一幅度减小的信号，并通过相干合并聚合来自不同信道的信号能量，以提高接收信噪比及信号传输可靠性，提高数据传输速率与容量，适用于阵列通信系统。

Description

多频子信道阵列通信系统发射端、接收端及系统
技术领域
本发明涉及通信技术，特别涉及多信道无线通信系统的技术。
背景技术
在无线通信中，发射机与接收机的通信范围所占有的空间往往存在一些空余频率未被占用，这些频谱资源可以用来提高无线通信系统的传输性能，例如传输可靠性、数据速率等。挖掘这些频谱资源实际上就增加了系统的传输带宽，对系统性能的提高十分有利。另一方面，许多无线通信系统本身就有较宽的频带，扩频通信系统就利用扩展频谱的方式来提高系统的传输可靠性及频谱效率。但实现扩频通信需要连续的频谱宽度，而在许多实际无线通信环境中，可以利用频谱往往是离散的，不连续的，因此扩频技术难以应用。探索与开发一种利用离散频谱来提高无线通信系统传输可靠性及数据速率的方法具有重要的应用价值。
发明内容
本发明的目的是要有效地利用离散频谱，以提高无线通信系统的传输可靠性及数据速率，提供一种多频子信道阵列通信系统发射端、接收端及系统。
本发明解决上述技术问题，采用的技术方案是，多频子信道阵列通信系统发射端，包括基带信号输入端、优化单元、加法器、一根发射天线及至少两路发射端信道，所述基带信号输入端分别与每路发射端信道的输入端连接，各发射端信道的输出端分别与加法器的各输入端一一对应连接，加法器的输出端与发射天线连接；
针对任意一路发射端信道，其包括幅度调整单元、调制单元、滤波单元及功率放大单元，所述幅度调整单元的信号输入端作为该发射端信道的输入端，幅度调整单元的输出端与调制单元的输入端连接，调制单元的输出端与滤波单元的输入端连接，滤波单元的输出端与功率放大单元的输入端连接，功率放大单元的输出端作为该发射端信道的输出端；
所述优化单元的各输出端分别与各发射端信道中的幅度调整单元的系数输入端一一对应连接，优化单元的输入端用于接收接收端的反馈信息，优化单元根据接收到的反馈信息优化输出至各幅度调整单元的系数qi，其中，i＝1、2、……、N，N为发射端信道的数量；
第i个幅度调整单元用于根据输入的系数qi对基带输入信号进行幅度调整后输出，且满足
Figure BDA0002612844610000011
所述调制单元用于根据预设的载波频率对输入信号进行调制后输出，各调制单元预设的载波频率不同。
具体的，为提供一种优化单元根据接收到的反馈信息优化输出给各幅度调整单元的系数qi的方法，则所述优化单元根据接收到的反馈信息优化输出给各幅度调整单元的系数qi中，优化单元根据接收到的反馈信息采用注水算法优化输出给各幅度调整单元的系数qi，所述反馈信息为信道信息。注水算法是目前较为常用的算法，采用此算法可节省系统成本。
多频子信道阵列通信系统接收端，包括多频信道优化单元、放大单元、信号输出端及一根接收天线，所述接收天线与放大单元的输入端连接，放大单元的输出端与多频信道优化单元的输入端连接，多频信道优化单元的输出端与信号输出端连接；
所述多频信道优化单元包括加法单元、算法优化单元、参考信号输入端及至少两路接收优化信道，该多频信道优化单元的输入端即各路接收优化信道的输入端，各路接收优化信道的输出端分别与加法单元的各输入端一一对应连接，加法单元的输出端作为多频信道优化单元的输出端；
针对任意一路接收优化信道，其包括滤波模块、解调模块及乘法模块，所述滤波模块的输入端作为该路接收优化信道的输入端，滤波模块的输出端与解调模块的输入端连接，解调模块的输出端与乘法模块的一个输入端连接，乘法模块的输出端作为该路接收优化信道的输出端；
所述算法优化单元包括参考信号输入端、至少与接收优化信道数量相同的解调信号输入端及至少与接收优化信道数量相同的复数权值输出端，各路接收优化信道的解调模块的输出端分别与一个解调信号输入端一一对应连接，各路接收优化信道的乘法模块的另一个输入端分别与一个复数权值输出端一一对应连接，参考信号输入端用于输入参考信号；
所述算法优化单元根据参考信号及各解调模块的输出信号优化其输出的各复数权值；
接收优化信道的数量与对应的多频子信道阵列通信系统发射端中发射端信道数量相同，各路接收优化信道的滤波模块的频段与对应的多频子信道阵列通信系统发射端中各调制单元预设的载波频率一一对应。
具体的，为提供一种算法优化单元的优化计算方法，则所述算法优化单元根据参考信号及各解调模块的输出信号优化其输出的各复数权值是指：
设置根据参考信号及各解调模块的输出信号估计出的各信道值为hi，其中，i为大于等于1且小于等于N的正整数，并设置信道向量h＝[h1,h2,......,hN]T，且设置输入信号向量x＝[x1,x2,......,xN]T、权值向量w＝[w1,w2,......,wN]T及输入信号自相关矩阵R＝E[x*xT]；这里，(T)是求矩阵转置操作，(*)是求复数共轭操作，(E)是求期望值操作，则加法单元的输出信号为y＝wTx，xi代表第i个解调模块的输出信号，wi代表第i个复数权值；
优化时，获取信道向量h＝[h1,h2,......,hN]T，然后计算权值向量，其计算公式为：
Figure BDA0002612844610000031
进一步的，为提供一种算法优化单元的优化计算方法，则所述算法优化单元根据参考信号及各解调模块的输出信号优化其输出的各复数权值是指：
设置根据参考信号及各解调模块的输出信号估计出的各信道值为hi，其中，i为大于等于1且小于等于N的正整数，并设置信道向量h＝[h1,h2,......,hN]T，且设置输入信号向量x＝[x1,x2,......,xN]T、权值向量w＝[w1,w2,......,wN]T及输入信号自相关矩阵R＝E[x*xT]；这里，(T)是求矩阵转置操作，(*)是求复数共轭操作，(E)是求期望值操作，则加法单元的输出信号为y＝wTx，xi代表第i个解调模块的输出信号，wi代表第i个复数权值；
优化时，包括以下具体步骤：
步骤A1、采集输入信号向量x＝[x1,x2,......,xN]T；
步骤A2、计算输入信号自相关矩阵R＝E[x*xT]，并获取信道向量h＝[h1,h2,......,hN]T；
步骤A3、计算权值向量，回到步骤A1，其计算公式为：
w＝R-1h*(hTR-1h*)-1c
其中，c为一个正实数。
具体的，通常情况下c＝1。
再进一步的，为提供一种算法优化单元的优化计算方法，则所述算法优化单元还包括反馈信号输入端，所述反馈信号输入端与加法单元的输出端连接；
所述算法优化单元根据参考信号及各解调模块的输出信号优化其输出的各复数权值是指：算法优化单元根据参考信号、接收到的加法单元输出信号及各解调模块的输出信号优化其输出的各复数权值，具体为：
设置根据参考信号及各解调模块的输出信号估计出的各信道值为hi，其中，i为大于等于1且小于等于N的正整数，并设置信道向量h＝[h1,h2,......,hN]T，且设置输入信号向量x＝[x1,x2,......,xN]T、权值向量w＝[w1,w2,......,wN]T及输入信号自相关矩阵R＝E[x*xT]；这里，(T)是求矩阵转置操作，(*)是求复数共轭操作，(E)是求期望值操作，则加法单元的输出信号为y＝wTx，xi代表第i个解调模块的输出信号，wi代表第i个复数权值；
将权值向量w分割为M个子向量，则有
Figure BDA0002612844610000041
M为大于等于1且小于等于N的正整数，这里
Figure BDA0002612844610000042
是第k个权值子向量，k为大于等于1且小于等于M的正整数；
对应的，也将输入信号向量x分割为M个子向量，则有
Figure BDA0002612844610000043
这里
Figure BDA0002612844610000044
是第k个输入信号子向量；也将信道向量h分割为M个子向量，则有
Figure BDA0002612844610000045
这里
Figure BDA0002612844610000046
是第k个信道子向量，则对应乘法模块的子向量输出为
Figure BDA0002612844610000047
优化时，包括以下具体步骤：
步骤B1、获得信道子向量
Figure BDA0002612844610000048
并设置初始权值子向量
Figure BDA0002612844610000049
令k＝1；
步骤B2、获得此时的信号子向量
Figure BDA00026128446100000410
信号向量
Figure BDA00026128446100000411
加法单元的输出信号y＝wTx及子向量输出
Figure BDA00026128446100000412
计算信号自相关矩阵
Figure BDA00026128446100000413
及互相关向量
Figure BDA00026128446100000414
步骤B3、计算各个权值子向量
Figure BDA00026128446100000415
步骤B4、组合权值子向量得到权值向量
Figure BDA00026128446100000416
然后判断k+1是否大于M，若是则令k＝1，并回到步骤B2，否则令k＝k+1，并回到步骤B2。
多频子信道阵列通信系统接收端，包括信号输出端、加法模块、优化处理单元、至少两根接收天线、与接收天线数量一致的放大模块、与接收天线数量一致的多频信道优化单元及与接收天线数量一致的乘法单元，所述优化处理单元包括总参考信号输入端、与接收天线数量一致的分路信号输入端及与接收天线数量一致的分路复数权值输出端，每一根接收天线与一个放大模块及一个多频信道优化单元一一对应，每一根接收天线与与其对应的放大模块的输入端连接，该放大模块的输出端与与其对应的多频信道优化单元的输入端连接，该多频信道优化单元的输出端和与其对应的乘法单元的一个输入端连接，各多频信道优化单元的输出端分别与优化处理单元的各分路信号输入端一一对应连接，各乘法单元的另一个输入端与优化处理单元的各分路复数权值输出端一一对应连接，各乘法单元的输出端与加法模块的各个输入端一一对应连接，加法模块的输出端与信号输出端连接，总参考信号输入端用于输入总参考信号；
所述优化处理单元根据总参考信号及各多频信道优化单元的输出端输出的分路信号优化其输出的各分路复数权值；
所述多频信道优化单元包括加法单元、算法优化单元、参考信号输入端及至少两路接收优化信道，该多频信道优化单元的输入端即各路接收优化信道的输入端，各路接收优化信道的输出端分别与加法单元的各输入端一一对应连接，加法单元的输出端作为多频信道优化单元的输出端；
针对任意一路接收优化信道，其包括滤波模块、解调模块及乘法模块，所述滤波模块的输入端作为该路接收优化信道的输入端，滤波模块的输出端与解调模块的输入端连接，解调模块的输出端与乘法模块的一个输入端连接，乘法模块的输出端作为该路接收优化信道的输出端；
所述算法优化单元包括参考信号输入端、反馈信号输入端、至少与接收优化信道数量相同的解调信号输入端及至少与接收优化信道数量相同的复数权值输出端，各路接收优化信道的解调模块的输出端分别与一个解调信号输入端一一对应连接，各路接收优化信道的乘法模块的另一个输入端分别与一个复数权值输出端一一对应连接，反馈信号输入端与加法单元的输出端连接，参考信号输入端用于输入参考信号；
所述算法优化单元根据参考信号及各解调模块的输出信号优化其输出的各复数权值；
接收优化信道的数量与对应的多频子信道阵列通信系统发射端中发射端信道数量相同，各路接收优化信道的滤波模块的频段与对应的多频子信道阵列通信系统发射端中各调制单元预设的载波频率一一对应。
具体的，为提供一种优化处理单元的优化计算方法，则优化处理单元根据总参考信号及各多频信道优化单元的输出端输出的分路信号优化其输出的各分路复数权值是指：
设根据输入的总参考信号计算出的系统约束矩阵为C，并设置约束向量q，设采集各多频信道优化单元的输出端输出的分路信号，得到的总输入信号向量为s＝[s1,s2,......,sL]T，计算出的总输入信号自相关矩阵为U＝E[s*sT]，设第p个分路复数权值为gp，则有波束向量g＝[g1,g2,......,gL]T，其中，sp是指第p个多频信道优化单元的输出端输出的分路信号，p为大于等于1且小于等于L的正整数，L为多频信道优化单元的数量；
优化时，包括以下步骤：
步骤C1、根据输入的总参考信号计算获取系统约束矩阵C，并设置约束向量q；
步骤C2、采集总输入信号向量s＝[s1,s2,......,sL]T；
步骤C3、计算总输入信号自相关矩阵U＝E[s*sT]，；
步骤C4、计算最优波束向量，回到步骤C2，其计算公式为：
g＝U-1CH(CU-1CH)-1q。
进一步的，为提供一种优化处理单元的优化计算方法，则优化处理单元还包括总反馈信号输入端，所述总反馈信号输入端与加法模块的输出端连接；
所述优化处理单元根据总参考信号及各多频信道优化单元的输出端输出的分路信号优化其输出的各分路复数权值是指：优化处理单元根据总参考信号、各多频信道优化单元的输出端输出的分路信号及加法模块的输出信号优化其输出的各分路复数权值，具体为：
设根据输入的总参考信号计算出的系统约束矩阵为C，并设置约束向量q，设采集各多频信道优化单元的输出端输出的分路信号，得到的总输入信号向量为s＝[s1,s2,......,sL]T，计算出的总输入信号自相关矩阵为U＝E[s*sT]，gp为第p个分路复数权值，则有波束向量g＝[g1,g2,......,gL]T，其中，sp是指第p个多频信道优化单元的输出端输出的分路信号，p为大于等于1且小于等于L的正整数，L为多频信道优化单元的数量；
将g分割为J个波束子向量，即波束向量由J个波束子向量组成，
Figure BDA0002612844610000061
J为大于等于1且小于等于L的正整数，这里
Figure BDA0002612844610000062
是第f个波束子向量，f为大于等于1且小于等于J的正整数；
对应的，也将总输入信号向量s分割为J个子向量，则有
Figure BDA0002612844610000063
这里
Figure BDA0002612844610000064
是第f个输入信号子向量，其经对应的乘法单元后，该乘法单元的输出信号为
Figure BDA0002612844610000065
加法模块的输出为
Figure BDA0002612844610000066
则有
Figure BDA0002612844610000067
及，其中，
Figure BDA0002612844610000068
是第f个约束矩阵；
优化时，包括以下步骤：
步骤D1、根据输入的总参考信号计算获取系统约束矩阵
Figure BDA0002612844610000069
并设置约束向量q及波束子向量
Figure BDA00026128446100000610
令f＝1，这里，Nf是第f个波束子向量的尺度；
步骤D2、获得此时的总输入信号子向量
Figure BDA00026128446100000611
总输入信号向量
Figure BDA00026128446100000612
加法模块的输出
Figure BDA00026128446100000613
及对应乘法单元的输出信号为
Figure BDA00026128446100000614
计算信号自相关矩阵
Figure BDA00026128446100000615
及互相关向量
Figure BDA00026128446100000616
步骤D3、计算各个波束子向量，计算公式为：
Figure BDA00026128446100000617
步骤D4、组合各波束子向量得到波束向量
Figure BDA00026128446100000618
然后判断f+1是否大于J，若是则令f＝1，并回到步骤D2，否则令f＝f+1，并回到步骤D2。
多频子信道阵列通信系统，其特征在于，包括上述多频子信道阵列通信系统发射端及上述多频子信道阵列通信系统接收端。
本发明的有益效果是，在本发明方案中，采用上述多频子信道阵列通信系统发射端、接收端及系统，可见，其利用多个频段，传输同一幅度减小的信号，并通过相干合并聚合来自不同信道的信号能量，以提高接收信噪比及信号传输可靠性，提高数据传输速率与容量。
附图说明
图1是本发明实施例中多频子信道阵列通信系统发射端的系统框图。
图2是本发明实施例中多频子信道阵列通信系统接收端的系统框图。
图3是本发明实施例中多频子信道阵列通信系统接收端中算法优化单元采用方法三时的系统框图。
图4是本发明另一实施例中多频子信道阵列通信系统接收端的系统框图。
图5是本发明另一实施例中多频子信道阵列通信系统接收端中优化处理单元采用方法B时的系统框图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图，详细描述本发明的技术方案。
本发明的多频子信道阵列通信系统发射端，其系统框图参见图1，包括基带信号输入端、优化单元、加法器、一根发射天线及至少两路发射端信道，其中，基带信号输入端分别与每路发射端信道的输入端连接，各发射端信道的输出端分别与加法器的各输入端一一对应连接，加法器的输出端与发射天线连接；针对任意一路发射端信道，其包括幅度调整单元、调制单元、滤波单元及功率放大单元，所述幅度调整单元的信号输入端作为该发射端信道的输入端，幅度调整单元的输出端与调制单元的输入端连接，调制单元的输出端与滤波单元的输入端连接，滤波单元的输出端与功率放大单元的输入端连接，功率放大单元的输出端作为该发射端信道的输出端；这里，优化单元的各输出端分别与各发射端信道中的幅度调整单元的系数输入端一一对应连接，优化单元的输入端用于接收接收端的反馈信息，优化单元根据接收到的反馈信息优化输出至各幅度调整单元的系数qi，其中，i＝1、2、……、N，N为发射端信道的数量；第i个幅度调整单元用于根据输入的系数qi对基带输入信号进行幅度调整后输出，且满足
Figure BDA0002612844610000071
调制单元用于根据预设的载波频率fi对输入信号进行调制后输出，各调制单元预设的载波频率fi不同。
可见，基带输入信号首先经系数qi进行幅度调整，再通过N个载波频率fi分别调制，再经滤波放大后产生N个并行的射频信号，然后再进行相加合并，最后送至发射天线发射出去。
为提供一种优化单元根据接收到的反馈信息优化输出给各幅度调整单元的系数qi的方法，则优化单元根据接收到的反馈信息优化输出给各幅度调整单元的系数qi中，优化单元可以根据接收到的反馈信息采用注水算法优化输出给各幅度调整单元的系数qi，所述反馈信息为信道信息。注水算法是目前较为常用的算法，采用此算法可节省系统成本。
本发明所述的多频子信道阵列通信系统接收端，其系统框图参见图2，包括多频信道优化单元、放大单元、信号输出端及一根接收天线，其中，接收天线与放大单元的输入端连接，放大单元的输出端与多频信道优化单元的输入端连接，多频信道优化单元的输出端与信号输出端连接；这里，多频信道优化单元包括加法单元、算法优化单元、参考信号输入端及至少两路接收优化信道，该多频信道优化单元的输入端即各路接收优化信道的输入端，各路接收优化信道的输出端分别与加法单元的各输入端一一对应连接，加法单元的输出端作为多频信道优化单元的输出端；针对任意一路接收优化信道，其包括滤波模块、解调模块及乘法模块，所述滤波模块的输入端作为该路接收优化信道的输入端，滤波模块的输出端与解调模块的输入端连接，解调模块的输出端与乘法模块的一个输入端连接，乘法模块的输出端作为该路接收优化信道的输出端；算法优化单元包括参考信号输入端、至少与接收优化信道数量相同的解调信号输入端及至少与接收优化信道数量相同的复数权值输出端，各路接收优化信道的解调模块的输出端分别与一个解调信号输入端一一对应连接，各路接收优化信道的乘法模块的另一个输入端分别与一个复数权值输出端一一对应连接，参考信号输入端用于输入参考信号；算法优化单元根据参考信号及各解调模块的输出信号优化其输出的各复数权值；接收优化信道的数量与对应的多频子信道阵列通信系统发射端中发射端信道数量相同，各路接收优化信道的滤波模块的频段与对应的多频子信道阵列通信系统发射端中各调制单元预设的载波频率一一对应。
算法优化单元的优化计算可采用多种方法，本发明实施例中提出以下三种方法：
方法一：
算法优化单元根据参考信号及各解调模块的输出信号优化其输出的各复数权值是指：
设置根据参考信号及各解调模块的输出信号估计出的各信道值为hi，其中，i为大于等于1且小于等于N的正整数，并设置信道向量h＝[h1,h2,......,hN]T，且设置输入信号向量x＝[x1,x2,......,xN]T、权值向量w＝[w1,w2,......,wN]T及输入信号自相关矩阵R＝E[x*xT]；这里，(T)是求矩阵转置操作，(*)是求复数共轭操作，(E)是求期望值操作，则加法单元的输出信号为y＝wTx，xi代表第i个解调模块的输出信号，wi代表第i个复数权值；
优化时，获取信道向量h＝[h1,h2,......,hN]T，然后计算权值向量，其计算公式为：
Figure BDA0002612844610000091
可见，该方法是根据最大信噪比原理，进行信号的相干合并。
方法二：
算法优化单元根据参考信号及各解调模块的输出信号优化其输出的各复数权值是指：
设置根据参考信号及各解调模块的输出信号估计出的各信道值为hi，其中，i为大于等于1且小于等于N的正整数，并设置信道向量h＝[h1,h2,......,hN]T，且设置输入信号向量x＝[x1,x2,......,xN]T、权值向量w＝[w1,w2,......,wN]T及输入信号自相关矩阵R＝E[x*xT]；这里，(T)是求矩阵转置操作，(*)是求复数共轭操作，(E)是求期望值操作，则加法单元的输出信号为y＝wTx，xi代表第i个解调模块的输出信号，wi代表第i个复数权值；
优化时，包括以下具体步骤：
步骤A1、采集输入信号向量x＝[x1,x2,......,xN]T；
步骤A2、计算输入信号自相关矩阵R＝E[x*xT]，并获取信道向量h＝[h1,h2,......,hN]T；
步骤A3、计算权值向量，回到步骤A1，其计算公式为：
w＝R-1h*(hTR-1h*)-1c
其中，c为一个正实数，通常情况下c＝1。
可见，该方法是将线性约束最小方差(LCMV)方法应用于本系统中。
方法三：
其系统框图参见图3，算法优化单元还包括反馈信号输入端，所述反馈信号输入端与加法单元的输出端连接；
算法优化单元根据参考信号及各解调模块的输出信号优化其输出的各复数权值是指：算法优化单元根据参考信号、接收到的加法单元输出信号及各解调模块的输出信号优化其输出的各复数权值，具体为：
设置根据参考信号及各解调模块的输出信号估计出的各信道值为hi，其中，i为大于等于1且小于等于N的正整数，并设置信道向量h＝[h1,h2,......,hN]T，且设置输入信号向量x＝[x1,x2,......,xN]T、权值向量w＝[w1,w2,......,wN]T及输入信号自相关矩阵R＝E[x*xT]；这里，(T)是求矩阵转置操作，(*)是求复数共轭操作，(E)是求期望值操作，则加法单元的输出信号为y＝wTx，xi代表第i个解调模块的输出信号，wi代表第i个复数权值；
将权值向量w分割为M个子向量，则有
Figure BDA0002612844610000092
M为大于等于1且小于等于N的正整数，这里
Figure BDA0002612844610000101
是第k个权值子向量，k为大于等于1且小于等于M的正整数；
对应的，也将输入信号向量x分割为M个子向量，则有
Figure BDA0002612844610000102
这里
Figure BDA0002612844610000103
是第k个输入信号子向量；也将信道向量h分割为M个子向量，则有
Figure BDA0002612844610000104
这里
Figure BDA0002612844610000105
是第k个信道子向量，则对应乘法模块的子向量输出为
Figure BDA0002612844610000106
优化时，包括以下具体步骤：
步骤B1、获得信道子向量
Figure BDA0002612844610000107
并设置初始权值子向量
Figure BDA0002612844610000108
令k＝1；
步骤B2、获得此时的信号子向量
Figure BDA0002612844610000109
信号向量
Figure BDA00026128446100001010
加法单元的输出信号y＝wTx及子向量输出
Figure BDA00026128446100001011
计算信号自相关矩阵
Figure BDA00026128446100001012
及互相关向量
Figure BDA00026128446100001013
步骤B3、计算各个权值子向量
Figure BDA00026128446100001014
步骤B4、组合权值子向量得到权值向量
Figure BDA00026128446100001015
然后判断k+1是否大于M，若是则令k＝1，并回到步骤B2，否则令k＝k+1，并回到步骤B2。
可见，方法三是将权值向量分割为多个子向量，以降低计算复杂度，适用于大规模系统，其具体理论依据及推导过程如下：
设
Figure BDA00026128446100001016
是向量
Figure BDA00026128446100001017
的余向量，
Figure BDA00026128446100001018
是向量
Figure BDA00026128446100001019
的余向量，式中0是一个全为零的行向量，则系统对应于余向量的输出为
Figure BDA00026128446100001020
是系统除去子向量的输出。优化准则如下：
Figure BDA00026128446100001021
展开上式得：
Figure BDA00026128446100001022
Figure BDA00026128446100001023
式中
Figure BDA0002612844610000111
因此，式
Figure BDA0002612844610000112
可以表达为:
Figure BDA0002612844610000113
拉格朗日乘子为
Figure BDA0002612844610000114
设置
Figure BDA0002612844610000115
计算得
Figure BDA0002612844610000116
Figure BDA0002612844610000117
Figure BDA0002612844610000118
根据式
Figure BDA0002612844610000119
可得
Figure BDA00026128446100001110
Figure BDA00026128446100001111
因此可以得到
Figure BDA00026128446100001112
进一步可得
Figure BDA00026128446100001113
根据上两式,可得子向量优化解如下：
Figure BDA00026128446100001114
利用上式逐一依次计算每一个子向量，每一次计算完成一个局部优化，持续地循环进行局部优化可使整个权值向量w无限逼近优化结果。
本发明所述的另一种多频子信道阵列通信系统接收端，其系统框图参见图4，包括信号输出端、加法模块、优化处理单元、至少两根接收天线、与接收天线数量一致的放大模块、与接收天线数量一致的多频信道优化单元及与接收天线数量一致的乘法单元，其中，优化处理单元包括总参考信号输入端、与接收天线数量一致的分路信号输入端及与接收天线数量一致的分路复数权值输出端，每一根接收天线与一个放大模块及一个多频信道优化单元一一对应，每一根接收天线与与其对应的放大模块的输入端连接，该放大模块的输出端与与其对应的多频信道优化单元的输入端连接，该多频信道优化单元的输出端和与其对应的乘法单元的一个输入端连接，各多频信道优化单元的输出端分别与优化处理单元的各分路信号输入端一一对应连接，各乘法单元的另一个输入端与优化处理单元的各分路复数权值输出端一一对应连接，各乘法单元的输出端与加法模块的各个输入端一一对应连接，加法模块的输出端与信号输出端连接，总参考信号输入端用于输入总参考信号；这里，优化处理单元根据总参考信号及各多频信道优化单元的输出端输出的分路信号优化其输出的各分路复数权值；多频信道优化单元包括加法单元、算法优化单元、参考信号输入端及至少两路接收优化信道，该多频信道优化单元的输入端即各路接收优化信道的输入端，各路接收优化信道的输出端分别与加法单元的各输入端一一对应连接，加法单元的输出端作为多频信道优化单元的输出端；针对任意一路接收优化信道，其包括滤波模块、解调模块及乘法模块，所述滤波模块的输入端作为该路接收优化信道的输入端，滤波模块的输出端与解调模块的输入端连接，解调模块的输出端与乘法模块的一个输入端连接，乘法模块的输出端作为该路接收优化信道的输出端；算法优化单元包括参考信号输入端、反馈信号输入端、至少与接收优化信道数量相同的解调信号输入端及至少与接收优化信道数量相同的复数权值输出端，各路接收优化信道的解调模块的输出端分别与一个解调信号输入端一一对应连接，各路接收优化信道的乘法模块的另一个输入端分别与一个复数权值输出端一一对应连接，反馈信号输入端与加法单元的输出端连接，参考信号输入端用于输入参考信号；算法优化单元根据参考信号及各解调模块的输出信号优化其输出的各复数权值；接收优化信道的数量与对应的多频子信道阵列通信系统发射端中发射端信道数量相同，各路接收优化信道的滤波模块的频段与对应的多频子信道阵列通信系统发射端中各调制单元预设的载波频率一一对应。
优化处理单元的优化计算方法也可采用多种方式，本发明实施例中提出以下两种方法：
方法A：
优化处理单元根据总参考信号及各多频信道优化单元的输出端输出的分路信号优化其输出的各分路复数权值是指：
设根据输入的总参考信号计算出的系统约束矩阵为C，并设置约束向量q，设采集各多频信道优化单元的输出端输出的分路信号，得到的总输入信号向量为s＝[s1,s2,......,sL]T，计算出的总输入信号自相关矩阵为U＝E[s*sT]，设第p个分路复数权值为gp，则有波束向量g＝[g1,g2,......,gL]T，其中，sp是指第p个多频信道优化单元的输出端输出的分路信号，p为大于等于1且小于等于L的正整数，L为多频信道优化单元的数量；
优化时，包括以下步骤：
步骤C1、根据输入的总参考信号计算获取系统约束矩阵C，并设置约束向量q；
步骤C2、采集总输入信号向量s＝[s1,s2,......,sL]T；
步骤C3、计算总输入信号自相关矩阵U＝E[s*sT]，；
步骤C4、计算最优波束向量，回到步骤C2，其计算公式为：
g＝U-1CH(CU-1CH)-1q。
方法B：
其系统框图参见图5，优化处理单元还包括总反馈信号输入端，所述总反馈信号输入端与加法模块的输出端连接；
所述优化处理单元根据总参考信号及各多频信道优化单元的输出端输出的分路信号优化其输出的各分路复数权值是指：优化处理单元根据总参考信号、各多频信道优化单元的输出端输出的分路信号及加法模块的输出信号优化其输出的各分路复数权值，具体为：
设根据输入的总参考信号计算出的系统约束矩阵为C，并设置约束向量q，设采集各多频信道优化单元的输出端输出的分路信号，得到的总输入信号向量为s＝[s1,s2,......,sL]T，计算出的总输入信号自相关矩阵为U＝E[s*sT]，gp为第p个分路复数权值，则有波束向量g＝[g1,g2,......,gL]T，其中，sp是指第p个多频信道优化单元的输出端输出的分路信号，p为大于等于1且小于等于L的正整数，L为多频信道优化单元的数量；
将g分割为J个波束子向量，即波束向量由J个波束子向量组成，
Figure BDA0002612844610000131
J为大于等于1且小于等于L的正整数，这里
Figure BDA0002612844610000132
是第f个波束子向量，f为大于等于1且小于等于J的正整数；
对应的，也将总输入信号向量s分割为J个子向量，则有
Figure BDA0002612844610000133
这里
Figure BDA0002612844610000134
是第f个输入信号子向量，其经对应的一个或多个乘法单元后，输出信号为
Figure BDA0002612844610000135
加法模块的输出为
Figure BDA0002612844610000136
则有
Figure BDA0002612844610000139
及，其中，
Figure BDA0002612844610000137
是第f个约束矩阵；
优化时，包括以下步骤：
步骤D1、根据输入的总参考信号计算获取系统约束矩阵
Figure BDA0002612844610000138
并设置约束向量q及波束子向量
Figure BDA0002612844610000141
令f＝1，这里，Nf是第f个波束子向量的尺度；
步骤D2、获得此时的总输入信号子向量
Figure BDA0002612844610000142
总输入信号向量
Figure BDA0002612844610000143
加法模块的输出
Figure BDA0002612844610000144
及对应乘法单元的输出信号为
Figure BDA0002612844610000145
计算信号自相关矩阵
Figure BDA0002612844610000146
及互相关向量
Figure BDA0002612844610000147
步骤D3、计算各个波束子向量，计算公式为：
Figure BDA0002612844610000148
步骤D4、组合各波束子向量得到波束向量
Figure BDA0002612844610000149
然后判断f+1是否大于J，若是则令f＝1，并回到步骤D2，否则令f＝f+1，并回到步骤D2。
可见，方法B也是将波束向量分割为多个子向量，以降低计算复杂度，适用于大规模系统，其具体理论依据及推导过程如下：
设
Figure BDA00026128446100001410
是向量
Figure BDA00026128446100001411
的余向量，
Figure BDA00026128446100001412
是向量
Figure BDA00026128446100001413
的余向量，式中0是一个全为零的行向量，余向量的相应输出信号为
Figure BDA00026128446100001414
阵列波束形成优化准则如下：
Figure BDA00026128446100001415
式中，Cf是约束子矩阵，相应于第f个信号子向量
Figure BDA00026128446100001416
的阵列响应，可以包括多个不同的入射信号方向。多个约束子矩阵Cf组成系统约束矩阵C＝[C1,C2,......,CJ]。矩阵C中的每一个元素是一个复数，是相应天线阵元上入射信号的幅度及信号方向引起的相位。约束向量q中的元素是阵列对不同方向信号的波束响应值。
展开式
Figure BDA00026128446100001417
得
Figure BDA00026128446100001418
Figure BDA00026128446100001419
式中
Figure BDA0002612844610000151
设
Figure BDA0002612844610000152
为信号子向量
Figure BDA0002612844610000153
与
Figure BDA0002612844610000154
的互相关向量。
因此，式
Figure BDA0002612844610000155
可以表达为:
Figure BDA0002612844610000156
采用与方法三类似的推导，可得波束子向量优化解如下：
Figure BDA0002612844610000157
参见该多频子信道阵列通信系统接收端可见，其也采用了多频信道优化单元，而多频信道优化单元中算法优化单元的优化计算也可使用上述方法一、方法二及方法三中的方法。
本发明所述的多频子信道阵列通信系统，包括上述多频子信道阵列通信系统发射端及上述多频子信道阵列通信系统接收端，多频子信道阵列通信系统发射端能够与多频子信道阵列通信系统接收端进行通信。

Claims (10)

1.多频子信道阵列通信系统发射端，其特征在于，包括基带信号输入端、优化单元、加法器、一根发射天线及至少两路发射端信道，所述基带信号输入端分别与每路发射端信道的输入端连接，各发射端信道的输出端分别与加法器的各输入端一一对应连接，加法器的输出端与发射天线连接；
针对任意一路发射端信道，其包括幅度调整单元、调制单元、滤波单元及功率放大单元，所述幅度调整单元的信号输入端作为该发射端信道的输入端，幅度调整单元的输出端与调制单元的输入端连接，调制单元的输出端与滤波单元的输入端连接，滤波单元的输出端与功率放大单元的输入端连接，功率放大单元的输出端作为该发射端信道的输出端；
所述优化单元的各输出端分别与各发射端信道中的幅度调整单元的系数输入端一一对应连接，优化单元的输入端用于接收接收端的反馈信息，优化单元根据接收到的反馈信息优化输出至各幅度调整单元的系数qi，其中，i＝1、2、……、N，N为发射端信道的数量；
第i个幅度调整单元用于根据输入的系数qi对基带输入信号进行幅度调整后输出，且满足
Figure FDA0002612844600000011
所述调制单元用于根据预设的载波频率对输入信号进行调制后输出，各调制单元预设的载波频率不同。
2.如权利要求1所述的多频子信道阵列通信系统发射端，其特征在于，所述优化单元根据接收到的反馈信息优化输出给各幅度调整单元的系数qi中，优化单元根据接收到的反馈信息采用注水算法优化输出给各幅度调整单元的系数qi，所述反馈信息为信道信息。
3.多频子信道阵列通信系统接收端，其特征在于，包括多频信道优化单元、放大单元、信号输出端及一根接收天线，所述接收天线与放大单元的输入端连接，放大单元的输出端与多频信道优化单元的输入端连接，多频信道优化单元的输出端与信号输出端连接；
所述多频信道优化单元包括加法单元、算法优化单元、参考信号输入端及至少两路接收优化信道，该多频信道优化单元的输入端即各路接收优化信道的输入端，各路接收优化信道的输出端分别与加法单元的各输入端一一对应连接，加法单元的输出端作为多频信道优化单元的输出端；
针对任意一路接收优化信道，其包括滤波模块、解调模块及乘法模块，所述滤波模块的输入端作为该路接收优化信道的输入端，滤波模块的输出端与解调模块的输入端连接，解调模块的输出端与乘法模块的一个输入端连接，乘法模块的输出端作为该路接收优化信道的输出端；
所述算法优化单元包括参考信号输入端、至少与接收优化信道数量相同的解调信号输入端及至少与接收优化信道数量相同的复数权值输出端，各路接收优化信道的解调模块的输出端分别与一个解调信号输入端一一对应连接，各路接收优化信道的乘法模块的另一个输入端分别与一个复数权值输出端一一对应连接，参考信号输入端用于输入参考信号；
所述算法优化单元根据参考信号及各解调模块的输出信号优化其输出的各复数权值；
接收优化信道的数量与对应的多频子信道阵列通信系统发射端中发射端信道数量相同，各路接收优化信道的滤波模块的频段与对应的多频子信道阵列通信系统发射端中各调制单元预设的载波频率一一对应。
4.如权利要求3所述的多频子信道阵列通信系统接收端，其特征在于，所述算法优化单元根据参考信号及各解调模块的输出信号优化其输出的各复数权值是指：
设置根据参考信号及各解调模块的输出信号估计出的各信道值为hi，其中，i为大于等于1且小于等于N的正整数，并设置信道向量h＝[h1,h2,......,hN]T，且设置输入信号向量x＝[x1,x2,......,xN]T、权值向量w＝[w1,w2,......,wN]T及输入信号自相关矩阵R＝E[x*xT]；这里，(T)是求矩阵转置操作，(*)是求复数共轭操作，(E)是求期望值操作，则加法单元的输出信号为y＝wTx，xi代表第i个解调模块的输出信号，wi代表第i个复数权值；
优化时，获取信道向量h＝[h1,h2,......,hN]T，然后计算权值向量，其计算公式为：
Figure FDA0002612844600000021
5.如权利要求3所述的多频子信道阵列通信系统接收端，其特征在于，所述算法优化单元根据参考信号及各解调模块的输出信号优化其输出的各复数权值是指：
设置根据参考信号及各解调模块的输出信号估计出的各信道值为hi，其中，i为大于等于1且小于等于N的正整数，并设置信道向量h＝[h1,h2,......,hN]T，且设置输入信号向量x＝[x1,x2,......,xN]T、权值向量w＝[w1,w2,......,wN]T及输入信号自相关矩阵R＝E[x*xT]；这里，(T)是求矩阵转置操作，(*)是求复数共轭操作，(E)是求期望值操作，则加法单元的输出信号为y＝wTx，xi代表第i个解调模块的输出信号，wi代表第i个复数权值；
优化时，包括以下具体步骤：
步骤A1、采集输入信号向量x＝[x1,x2,......,xN]T；
步骤A2、计算输入信号自相关矩阵R＝E[x*xT]，并获取信道向量h＝[h1,h2,......,hN]T；
步骤A3、计算权值向量，回到步骤A1，其计算公式为：
w＝R-1h*(hTR-1h*)-1c
其中，c为一个正实数。
6.如权利要求3所述的多频子信道阵列通信系统接收端，其特征在于，所述算法优化单元还包括反馈信号输入端，所述反馈信号输入端与加法单元的输出端连接；
所述算法优化单元根据参考信号及各解调模块的输出信号优化其输出的各复数权值是指：算法优化单元根据参考信号、接收到的加法单元输出信号及各解调模块的输出信号优化其输出的各复数权值，具体为：
设置根据参考信号及各解调模块的输出信号估计出的各信道值为hi，其中，i为大于等于1且小于等于N的正整数，并设置信道向量h＝[h1,h2,......,hN]T，且设置输入信号向量x＝[x1,x2,......,xN]T、权值向量w＝[w1,w2,......,wN]T及输入信号自相关矩阵R＝E[x*xT]；这里，(T)是求矩阵转置操作，(*)是求复数共轭操作，(E)是求期望值操作，则加法单元的输出信号为y＝wTx，xi代表第i个解调模块的输出信号，wi代表第i个复数权值；
将权值向量w分割为M个子向量，则有
Figure FDA0002612844600000031
M为大于等于1且小于等于N的正整数，这里
Figure FDA0002612844600000032
是第k个权值子向量，k为大于等于1且小于等于M的正整数；
对应的，也将输入信号向量x分割为M个子向量，则有
Figure FDA0002612844600000033
这里
Figure FDA0002612844600000034
是第k个输入信号子向量；也将信道向量h分割为M个子向量，则有
Figure FDA0002612844600000035
这里
Figure FDA0002612844600000036
是第k个信道子向量，则对应乘法模块的子向量输出为
Figure FDA0002612844600000037
优化时，包括以下具体步骤：
步骤B1、获得信道子向量
Figure FDA0002612844600000038
并设置初始权值子向量
Figure FDA0002612844600000039
令k＝1；
步骤B2、获得此时的信号子向量
Figure FDA00026128446000000310
信号向量
Figure FDA00026128446000000311
加法单元的输出信号y＝wTx及子向量输出
Figure FDA00026128446000000312
计算信号自相关矩阵
Figure FDA00026128446000000313
及互相关向量
Figure FDA00026128446000000314
步骤B3、计算各个权值子向量
Figure FDA00026128446000000315
步骤B4、组合权值子向量得到权值向量
Figure FDA00026128446000000316
然后判断k+1是否大于M，若是则令k＝1，并回到步骤B2，否则令k＝k+1，并回到步骤B2。
7.多频子信道阵列通信系统接收端，其特征在于，包括信号输出端、加法模块、优化处理单元、至少两根接收天线、与接收天线数量一致的放大模块、与接收天线数量一致的多频信道优化单元及与接收天线数量一致的乘法单元，所述优化处理单元包括总参考信号输入端、与接收天线数量一致的分路信号输入端及与接收天线数量一致的分路复数权值输出端，每一根接收天线与一个放大模块及一个多频信道优化单元一一对应，每一根接收天线与与其对应的放大模块的输入端连接，该放大模块的输出端与与其对应的多频信道优化单元的输入端连接，该多频信道优化单元的输出端和与其对应的乘法单元的一个输入端连接，各多频信道优化单元的输出端分别与优化处理单元的各分路信号输入端一一对应连接，各乘法单元的另一个输入端与优化处理单元的各分路复数权值输出端一一对应连接，各乘法单元的输出端与加法模块的各个输入端一一对应连接，加法模块的输出端与信号输出端连接，总参考信号输入端用于输入总参考信号；
所述优化处理单元根据总参考信号及各多频信道优化单元的输出端输出的分路信号优化其输出的各分路复数权值；
所述多频信道优化单元包括加法单元、算法优化单元、参考信号输入端及至少两路接收优化信道，该多频信道优化单元的输入端即各路接收优化信道的输入端，各路接收优化信道的输出端分别与加法单元的各输入端一一对应连接，加法单元的输出端作为多频信道优化单元的输出端；
针对任意一路接收优化信道，其包括滤波模块、解调模块及乘法模块，所述滤波模块的输入端作为该路接收优化信道的输入端，滤波模块的输出端与解调模块的输入端连接，解调模块的输出端与乘法模块的一个输入端连接，乘法模块的输出端作为该路接收优化信道的输出端；
所述算法优化单元包括参考信号输入端、反馈信号输入端、至少与接收优化信道数量相同的解调信号输入端及至少与接收优化信道数量相同的复数权值输出端，各路接收优化信道的解调模块的输出端分别与一个解调信号输入端一一对应连接，各路接收优化信道的乘法模块的另一个输入端分别与一个复数权值输出端一一对应连接，反馈信号输入端与加法单元的输出端连接，参考信号输入端用于输入参考信号；
所述算法优化单元根据参考信号及各解调模块的输出信号优化其输出的各复数权值；
接收优化信道的数量与对应的多频子信道阵列通信系统发射端中发射端信道数量相同，各路接收优化信道的滤波模块的频段与对应的多频子信道阵列通信系统发射端中各调制单元预设的载波频率一一对应。
8.如权利要求7所述的多频子信道阵列通信系统接收端，其特征在于，所述优化处理单元根据总参考信号及各多频信道优化单元的输出端输出的分路信号优化其输出的各分路复数权值是指：
设根据输入的总参考信号计算出的系统约束矩阵为C，并设置约束向量q，设采集各多频信道优化单元的输出端输出的分路信号，得到的总输入信号向量为s＝[s1,s2,......,sL]T，计算出的总输入信号自相关矩阵为U＝E[s*sT]，设第p个分路复数权值为gp，则有波束向量g＝[g1,g2,......,gL]T，其中，sp是指第p个多频信道优化单元的输出端输出的分路信号，p为大于等于1且小于等于L的正整数，L为多频信道优化单元的数量；
优化时，包括以下步骤：
步骤C1、根据输入的总参考信号计算获取系统约束矩阵C，并设置约束向量q；
步骤C2、采集总输入信号向量s＝[s1,s2,......,sL]T；
步骤C3、计算总输入信号自相关矩阵U＝E[s*sT]，；
步骤C4、计算最优波束向量，回到步骤C2，其计算公式为：
g＝U-1CH(CU-1CH)-1q。
9.如权利要求7所述的多频子信道阵列通信系统接收端，其特征在于，所述优化处理单元还包括总反馈信号输入端，所述总反馈信号输入端与加法模块的输出端连接；
所述优化处理单元根据总参考信号及各多频信道优化单元的输出端输出的分路信号优化其输出的各分路复数权值是指：优化处理单元根据总参考信号、各多频信道优化单元的输出端输出的分路信号及加法模块的输出信号优化其输出的各分路复数权值，具体为：
设根据输入的总参考信号计算出的系统约束矩阵为C，并设置约束向量q，设采集各多频信道优化单元的输出端输出的分路信号，得到的总输入信号向量为s＝[s1,s2,......,sL]T，计算出的总输入信号自相关矩阵为U＝E[s*sT]，gp为第p个分路复数权值，则有波束向量g＝[g1,g2,......,gL]T，其中，sp是指第p个多频信道优化单元的输出端输出的分路信号，p为大于等于1且小于等于L的正整数，L为多频信道优化单元的数量；
将g分割为J个波束子向量，即波束向量由J个波束子向量组成，
Figure FDA0002612844600000051
J为大于等于1且小于等于L的正整数，这里
Figure FDA0002612844600000052
是第f个波束子向量，f为大于等于1且小于等于J的正整数；
对应的，也将总输入信号向量s分割为J个子向量，则有
Figure FDA0002612844600000053
这里
Figure FDA0002612844600000054
是第f个输入信号子向量，其经对应的一个或多个乘法单元后，输出信号为
Figure FDA0002612844600000055
加法模块的输出为
Figure FDA0002612844600000061
则有
Figure FDA0002612844600000062
及，其中，
Figure FDA0002612844600000063
是第f个约束矩阵；
优化时，包括以下步骤：
步骤D1、根据输入的总参考信号计算获取系统约束矩阵
Figure FDA0002612844600000064
并设置约束向量q及波束子向量
Figure FDA0002612844600000065
令f＝1，这里，Nf是第f个波束子向量的尺度；
步骤D2、获得此时的总输入信号子向量
Figure FDA0002612844600000066
总输入信号向量
Figure FDA0002612844600000067
加法模块的输出
Figure FDA0002612844600000068
对应的一个或多个乘法单元的输出信号为
Figure FDA0002612844600000069
计算信号自相关矩阵
Figure FDA00026128446000000610
及互相关向量
Figure FDA00026128446000000611
步骤D3、计算各个波束子向量，计算公式为：
Figure FDA00026128446000000612
步骤D4、组合各波束子向量得到波束向量
Figure FDA00026128446000000613
然后判断f+1是否大于J，若是则令f＝1，并回到步骤D2，否则令f＝f+1，并回到步骤D2。
10.多频子信道阵列通信系统，其特征在于，包括如权利要求1-2任一项所述的多频子信道阵列通信系统发射端及如权利要求3-9任一项所述的多频子信道阵列通信系统接收端。
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