一种基于匹配滤波的多普勒分集接收方法及装置
阅读说明：本技术 一种基于匹配滤波的多普勒分集接收方法及装置 (Doppler diversity receiving method and device based on matched filtering ) 是由 曾嵘 邵智敏 杭潇 易志强 于 2021-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于匹配滤波的多普勒分集接收方法及装置,本发明方法包括：步骤1：在多天线系统中,基站对发送信号进行预编码,并进行过采样操作；步骤2：接收信号进入简化的多普勒分集接收结构,然后移动台对接收信号进行不同的频移处理得到分集支路上的信号；步骤3：将频移后不同支路上的接收信号分别进行匹配滤波的预处理,将信号去采样；步骤4：采用最大比合并方式对不同支路进行加权合并,通过串并转换后作FFT变换,通过并串转换得到输出信号；步骤5：经过简化的多普勒分集接收结构后,移动台通过估计得到的信道参数对输出信号进行解码操作,并进行判决输出。本发明降低了多普勒扩展带来的性能损失,提高了系统性能。(The invention discloses a Doppler diversity receiving method and a device based on matched filtering, and the method comprises the following steps: step 1: in a multi-antenna system, a base station performs precoding on a transmission signal and performs oversampling operation; step 2: the received signal enters a simplified Doppler diversity receiving structure, and then the mobile station carries out different frequency shift processing on the received signal to obtain a signal on a diversity branch; and step 3: respectively carrying out preprocessing of matched filtering on the received signals on different branches after frequency shift, and carrying out signal sampling removal; and 4, step 4: carrying out weighting combination on different branches by adopting a maximum ratio combination mode, carrying out FFT (fast Fourier transform) after serial-to-parallel conversion, and obtaining output signals through parallel-to-serial conversion; and 5: after the simplified Doppler diversity receiving structure, the mobile station performs decoding operation on the output signal through the estimated channel parameters, and performs decision output. The invention reduces the performance loss caused by Doppler expansion and improves the system performance.)
技术领域
本发明属于高速移动环境下接收系统的设计
技术领域
，特别涉及一种基于匹配滤波的多普勒分集接收方法及装置。背景技术
在高速移动通信系统中，车辆的高移动性所带来的多普勒效应会很大程度地降低系统的信号检测质量，从而严重影响通信系统传输的可靠性。由于受到多普勒频移的影响，导致系统性能严重下降，所以接收端需要在进行解码之前对信号进行频偏估计和补偿，通过对多普勒频移进行估计和补偿的方法，可以抵抗多普勒效应的影响。一般情况下，通信系统中的频偏主要由下面几种因素产生：相位噪声(Phase noise,PN)、载波频率偏移以及多普勒频移。对于以上几种因素，可以采用训练序列等方法进行估计和补偿，但是由于多普勒频移的频率扩展与接收天线以及信道环境有关系，采用补偿的方式只能降低其对系统的影响，却不能完全消除它，而多普勒分集将多普勒扩展看作一种分集方式，其基本原理是利用多普勒频移来获得分集增益。多普勒偏移在频域中可以看作是频域的延迟，多普勒分集将其看作是一种重要的分集资源，将其与原信号作一系列的处理来增强传输信号，这样做不仅抵抗了多普勒效应，而且增强了信噪比性能，改善了系统性能。
另外，在高速移动场景下，时变信道衰落是影响通信系统性能的最严重问题之一，使用空间分集技术可以有效地提高通信系统传输性能。但是，在传统多普勒分集接收结构中，系统通过对接收信号作频谱搬移的方法来获得分集增益，而这种方法并不能完全有效地利用频率偏移带来的分集资源，并且存在一定的性能极限。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明提出了了一种基于匹配滤波的多普勒分集接收方法及装置，对分集接收结构进行了简化，通过匹配滤波预处理的方式对信号进行频移和滤波，进一步降低多普勒扩展带来的性能损失，从而获得更多分集增益，提高系统性能。为了达到上述的目的，本发明采取以下技术方案：
一种基于匹配滤波的多普勒分集接收方法，包括如下步骤：
步骤1：在多天线系统中，基站先对发送信号进行预编码，并进行过采样操作；
步骤2：接收信号进入简化的多普勒分集接收结构，然后移动台对接收信号进行不同的频移处理得到分集支路上的信号；
步骤3：将频移后不同支路上的接收信号分别进行匹配滤波的预处理，后将信号去采样；
步骤4：采用最大比合并(MRC)方式对不同支路进行加权合并，通过串并转换后作FFT变换，最后通过并串转换得到输出信号；
步骤5：经过简化的多普勒分集接收结构后，移动台通过估计得到的信道参数对输出信号进行解码操作，并进行判决输出。
优选的，步骤1：M个基站先对发送信号进行预编码，并进行过采样操作，采样率为α。假设接收机的同步位置与从第一个基站接收到的信号对齐，令移动台中的接收信号为x(n)。
优选的，步骤2：接收信号进入简化的多普勒分集接收结构。移动台先对接收信号做的频移操作，经过不同频移后的第i个信号可以表示为
其中，0≤n≤N-1，0≤i≤N-1，是估计得出的多普勒频移值， x(n)表示时域上的接收信号，xi(n)为x(n)频移后的信号，N表示数据符号个数，Ts表示信号采样间隔，j为虚数单位。
优选的，步骤3：将频移后的接收信号分别进行匹配滤波的预处理，匹配滤波采用rrc(根升余弦滤波器)，将信号经过rrc(根升余弦滤波器)处理，来修正 ISI(符号间干扰)带来的信号干扰，后将信号去采样。
其中，根升余弦滤波器的传输函数为
其中，R表示滚降系数的大小，Ts表示信号采样间隔，以秒为单位。
将接收到的不同频移的信号经过匹配滤波处理，即将信号与滤波器的传输函数做卷积，得到的信号即为
yi(n)＝xi(n)*h(n)。
优选的，步骤4：第k(k＝1,2,…,M)个支路的加权系数为
其中，表示第i个子载波频域的干扰信号。
在进行最大比合并时，各个频偏搬移支路对通过估计出的信道参数取其共轭，求得第i个子载波信号的各个支路加权系数为
其中，1≤k≤M，M为支路的数量，H表示信道增益，P表示频谱搬移后支路的干扰功率。
经过合并后的第i个子载波信号表示为
其中，wk,i表示第i个子载波信号的支路加权系数，yk(n)代表匹配滤波处理后不同支路的信号。
本发明还公开了一种基于匹配滤波的多普勒分集接收装置，其包括如下模块：
预编码模块：在多天线系统中，基站对发送信号进行预编码，并进行过采样操作；
频移处理模块：接收信号进入简化的多普勒分集接收结构，然后移动台对接收信号进行不同的频移处理得到分集支路上的信号；
匹配滤波预处理模块：将频移后不同支路上的接收信号分别进行匹配滤波的预处理，将信号去采样；
加权模块：采用最大比合并方式对不同支路进行加权合并，通过串并转换后作FFT变换，通过并串转换得到输出信号；
解码及输出模块：经过简化的多普勒分集接收结构后，移动台通过估计得到的信道参数对输出信号进行解码操作，并进行判决输出。
优选的，预编码模块具体如下：M个基站对发送信号进行预编码，并进行过采样操作，采样率为α；假设接收机的同步位置与从第一个基站接收到的信号对齐，令移动台中的接收信号为x(n)。
优选的，频移处理模块具体如下：移动台先对接收信号做的频移操作，经过不同频移后的第i个信号表示为
其中，0≤n≤N-1，0≤i≤N-1，是估计得出的多普勒频移值， x(n)表示时域上的接收信号，xi(n)为x(n)频移后的信号，N表示数据符号个数。
优选的，匹配滤波预处理模块具体如下：将信号经过根升余弦滤波器处理，以修正ISI(符号间干扰)带来的信号干扰，后将信号去采样；
其中，根升余弦滤波器的传输函数为
其中，R表示滚降系数的大小，Ts表示信号采样间隔，以秒为单位；
将接收到的不同频移的信号经过匹配滤波处理，即将信号与滤波器的传输函数做卷积，得到的信号即为
yi(n)＝xi(n)*h(n)。
优选的，加权模块具体如下：
第k(k＝1,2,…,M)个支路的加权系数为
其中，表示第i个子载波频域的干扰信号。
在进行最大比合并时，各个频偏搬移支路对通过估计出的信道参数取其共轭，求得第i个子载波信号的各个支路加权系数为
其中，1≤k≤M，M为支路的数量，H表示信道增益，P表示频谱搬移后支路的干扰功率；
经过合并后的第i个子载波信号表示为
其中，wk,i表示第i个子载波信号的支路加权系数，yk(n)代表匹配滤波处理后不同支路的信号。
本发明有益效果如下：
(1)本发明利用多普勒分集接收方案对接收的信号进行处理，并对分集结构进行了简化，采用匹配滤波预处理的方式进一步降低多普勒扩展带来的性能损失，获得更多分集增益，提高系统性能。
(2)本发明将简化后的分集结构结合进系统中，在保证原有系统性能的基础上，降低了计算次数，提高了信号处理的效率。因此，该方法应用于实际通信系统中能表现出较好的可行性。
附图说明
图1为本发明基于匹配滤波的多普勒分集接收方法的流程图。
图2为多普勒分集接收结构图。
图3为本发明基于匹配滤波的多普勒分集接收装置的框图。
具体实施方式
以下优选实施例是对本发明提供的技术方案进一步说明，但不应该理解成对发明的限制。
如图1-2所示，本发明一种基于匹配滤波的多普勒分集接收方法，具体包括如下步骤：
步骤1：M个基站先对发送信号进行预编码，并进行过采样操作，采样率为α。假设接收机的同步位置与从第一个基站接收到的信号对齐，令移动台中的接收信号为x(n)。
步骤2：接收信号进入简化的多普勒分集接收结构。移动台先对接收信号做的频移操作，经过不同频移后的第i个信号可以表示为
其中，0≤n≤N-1，0≤i≤N-1，是估计得出的多普勒频移值， x(n)表示时域上的接收信号，xi(n)为x(n)频移后的信号，N表示数据符号个数。
步骤3：将频移后的接收信号分别进行匹配滤波的预处理，匹配滤波采用 rrc(根升余弦滤波器)，将信号经过rrc(根升余弦滤波器)处理，来修正ISI带来的信号干扰，最后将信号去采样。
其中，根升余弦滤波器的传输函数为
其中，R表示滚降系数的大小，Ts表示信号采样间隔，以秒为单位。
将接收到的不同频移的信号经过匹配滤波处理，即将信号与滤波器的传输函数做卷积，得到的信号即为
yi(n)＝xi(n)*h(n)。
步骤4：采用最大比合并(MRC)的方式对不同支路进行加权合并，通过串并转换后作FFT变换，最后通过并串转换得到输出信号。
第k(k＝1,2,…,M)个支路的加权系数为
其中，表示第i个子载波频域的干扰信号。
在进行最大比合并时，各个频偏搬移支路对通过估计出的信道参数取其共轭，求得第i个子载波信号的各个支路加权系数为
其中，1≤k≤M，M为支路的数量，H表示信道增益，P表示频谱搬移后支路的干扰功率。
经过合并后的第i个子载波信号表示为
其中，wk,i表示第i个子载波信号的支路加权系数，yk(n)代表匹配滤波处理后不同支路的信号。
步骤5：经过简化的多普勒分集接收结构后，移动台通过估计得到的信道参数对输出信号进行解码操作，并进行判决输出。
如图3所示，本发明一种基于匹配滤波的多普勒分集接收装置，具体包括如下模块：
预编码模块：M个基站先对发送信号进行预编码，并进行过采样操作，采样率为α。假设接收机的同步位置与从第一个基站接收到的信号对齐，令移动台中的接收信号为x(n)。
频移处理模块：接收信号进入简化的多普勒分集接收结构。移动台先对接收信号做的频移操作，经过不同频移后的第i个信号可以表示为
其中，0≤n≤N-1，0≤i≤N-1，是估计得出的多普勒频移值， x(n)表示时域上的接收信号，xi(n)为x(n)频移后的信号，N表示数据符号个数。
匹配滤波预处理模块：将频移后的接收信号分别进行匹配滤波的预处理，匹配滤波采用rrc(根升余弦滤波器)，将信号经过rrc(根升余弦滤波器)处理，来修正ISI带来的信号干扰，最后将信号去采样。
其中，根升余弦滤波器的传输函数为
其中，R表示滚降系数的大小，Ts表示信号采样间隔，以秒为单位。
将接收到的不同频移的信号经过匹配滤波处理，即将信号与滤波器的传输函数做卷积，得到的信号即为
yi(n)＝xi(n)*h(n)。
加权模块：采用最大比合并(MRC)的方式对不同支路进行加权合并，通过串并转换后作FFT变换，最后通过并串转换得到输出信号。
第k(k＝1,2,…,M)个支路的加权系数为
其中，表示第i个子载波频域的干扰信号。
在进行最大比合并时，各个频偏搬移支路对通过估计出的信道参数取其共轭，求得第i个子载波信号的各个支路加权系数为
其中，1≤k≤M，M为支路的数量，H表示信道增益，P表示频谱搬移后支路的干扰功率。
经过合并后的第i个子载波信号表示为
其中，wk,i表示第i个子载波信号的支路加权系数，yk(n)代表匹配滤波处理后不同支路的信号。
解码及输出模块：经过简化的多普勒分集接收结构后，移动台通过估计得到的信道参数对输出信号进行解码操作，并进行判决输出。
本发明基于匹配滤波的多普勒分集接收方法及装置，通过匹配滤波的方式对接收信号进行预处理，最大程度地获得了分集增益，进一步降低了多普勒扩展造成的性能损失。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求保护范围内。
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