第1章通信信号处理基础知识2014汇总

通信信号处理(I)（48学时）通信工程学院冯文江Email:[e-mail]课程概况•教学目的了解通信信号的描述形式、无线传输信道的特征和模型了解通信信号处理的对象、目的和信号模型掌握通信信号的时域、频域、空域及其多域联合处理基本方法跟踪通信信号处理的发展趋势和技术动态课程概况•教学内容第一章通信信号处理基本知识：通信信号处理基础，通信信号的描述形式，无线传输信道的特征和模型第二章信道均衡技术：符号间干扰(ISI)产生的原因，均衡的作用，均衡实现原理，均衡器结构分类，均衡性能评价准则，均衡算法第三章阵列信号处理：阵列天线系统种类、结构、特点和模型，阵列信号处理涉及的信源数估计，DOA估计和数字波束形成方法，重点学习MUSIC类和ESPRIT类算法的原理、描述、适用范围和特点，DBF的设计准则、常用算法和性能特点课程概况•教学内容第四章空时二维信号处理：空域处理和时域处理的等效性，空时处理的作用，空时二维谱估计，空时信道估计，空时均衡技术，盲空时处理，空时RAKE接收技术第五章多用户检测技术：CDMA系统模型，多址干扰，远近效应，多用户联合检测原理、准则、分类、性能指标，典型的线性类和非线性类多用户检测算法，盲多用户检测的结构、原理和性能第六章分集接收技术：分集接收的概念、任务、类型和作用，重点学习隐分集接收方法、信号合并方式、RAKE接收技术课程概况•教学内容第七章协同通信信号处理：协同通信的概念、方式和特点；重点学习协同分集和协同中继相关技术的原理、方法、性能和特点以及目前关注的重点研究内容第八章MIMO检测技术：CCI特性，MIMO概念，MIMO信道；MIMO检测概述，MIMO信号模型，最优MIMO检测算法，线性MIMO检测算法，干扰抵消MIMO检测算法，基于树搜索的MIMO检测算法，基于格规约的MIMO检测算法，基于概率数据关联的MIMO检测算法，基于半定规划松弛的MIMO检测算法，低秩和超载MIMO系统检测算法课程概况•课程定位该课程定位是“通信与信息系统”和“信号与信息处理”学科学术型研究生的专业基础课(学位课程)；是“电路与系统”学科学术型研究生的专业方向课(非学位课)；是“电子与通信工程”领域专业型研究生的特色专业课课程概况•教学模式围绕通信信号处理涉及的研究领域，培养学生发现问题和解决问题的能力，采用逐步递进，理论与实际相结合的教学模式工程应用背景基本概念处理算法应用效果实际需要改进措施课程概况•开课形式课堂讲授：基本概念、典型方法课堂研讨：自由提问，指定发言•考核形式撰写论文开闭卷考试课程概况•参考文献张贤达、保铮：通信信号处理，国防工业出版社，2000邱天爽：通信中的自适应信号处理，电子工业出版社，2005郭业才：通信信号分析与处理，合肥工大出版社，2009JosephBoccuzzi著，刘祖军译:SignalProcessingforWirelessCommunications，电子工业出版社，2010IEEETransactionsonCommunicationsIEEETransactionsonAntennasandPropagationIEEETransactionsonSignalProcessing传输有线传输无线传输基带传输频带传输模拟调制(AM、FM、PM)数字调制(FSK、PSK、ASK)通信系统：传输+容量传输：有效性(尽可能多)、可靠性(尽可能好)第一章通信信号处理基础知识通信的基本问题是如何在一点精确或近似再生来自另一点的信息C.E.Shannon:Thefundamentalproblemofcommunicationisthatofreproducingatonepointeitherexactlyorapproximatelyamessageselectedatanotherpoint(Amathematicaltheoryofcommunication.TheBellSystemTechnicalJournal,27(3):379–423,1948)信源基带信源编码调制信道编码功放上变频信宿基带信源解码解调选放下变频信道解码第一章通信信号处理基本知识组网骨干网络(核心网络)接入网络(空中接口)容量：频谱效率、频谱利用率1)组网方式：点对点、点对多点、AdHoc、Mesh2)多址方式：FDMA、TDMA、CDMA、SDMA3)复用技术：蜂窝技术4)双工方式：单工、半双工、全双工(FDD、TDD、ADD)第一章通信信号处理基础知识通信信号处理研究对象•通信信号的特点：传输环境复杂：多径效应、阴影效应、多普勒效应干扰：信道间干扰、用户间干扰、符号间干扰、数据流间干扰、小区间干扰、互调干扰、耦合效应等信号传输可靠性要求高信号传输有效性要求高•通信信号处理主要针对通信系统的接收部分•利用通信信号处理技术改善接收性能，弥补传输环境造成的影响常用的通信信号处理技术•时域：时域均衡、时间分集(交织)•频域：频率分集接收和信号合并处理•空域：空间分集、空时分集、协同分集信号处理•码域：多用户检测•空、时、频域以及多域联合信号处理通信信号的表示和特征•通信信号分类随机信号与确定信号(信号特性)平稳信号和非平稳信号(随机特性)连续信号与离散信号(时域特性)低通信号与带通信号(频域特性)有限功率信号与无限功率信号(功率特性)•通信信号具有随机特征•通信信号处理采用统计分析方法平稳随机过程•严格平稳过程(狭义平稳过程)：随机变量的概率分布函数与的概率分布函数对所有的时延τ都是相同的(高斯白噪声AWGN)•广义平稳过程(弱平稳、协方差、二阶平稳)数学期望为常数功率有限协方差平稳信号统计特性•自相关函数关于时延τ共轭对称•功率谱密度是非负实数•信号功率有限•信号通过LTI系统，平稳特性不变循环平稳过程•循环(周期)平稳(cyclostationary)特性：信号的统计特性表现为周期或多周期变化，本身是非平稳信号(通信信号的循环平稳特性是由于正弦载波、训练序列、扩频序列、跳频序列、循环前缀等参数的周期性所致)一阶循环平稳过程：数学期望具有周期性二阶循环平稳过程：相关函数具有周期性高阶循环平稳过程：高阶统计量具有周期性一阶循环平稳过程•随机信号的均值(数学期望)具有周期性•对周期性均值执行Fourier级数展开•循环频率•循环均值(Fourier级数展开的各项系数))(log)(APAI)(log)(APAI)(log)(APAINiiippH1log二阶循环平稳过程•自相关函数具有时间周期性•相关函数的Fourier级数展开•循环自相关函数•循环功率谱)]()([),(txtxEtRx二阶循环平稳过程几种调制信号的循环功率谱二阶循环平稳过程性质•二阶循环平稳信号通过LTI系统后的输出信号功率谱和互功率谱•循环功率谱和循环互功率谱•循环功率谱的相关系数•用功率谱辨识非最小相位系统时存在多重性•用循环功率谱可以辨识非最小相位系统•信号检测：频谱感知、网络发现、调制模式识别等解析信号•在数字通信系统中，实际传输的是实信号，而信号处理既可以在实数域进行，也可以在复数域进行，实数域信号处理直观、简单，但硬件实现时存储资源占用多，效率低，而在复数域执行信号处理时，硬件实现运算简单，复杂度低，效率高，即在对数字通信信号处理时，通常以复信号为处理对象，为此，需要对接收信号做预处理，构造复信号•解析信号的时域构造•实部•虚部•Hilbert滤波器传递函数解析信号•Hilbert变换具有如下性质①实信号经过Hilbert变换后，信号频谱幅度保持不变②解析信号实部和虚部之间存在变换关系③实信号经过两次Hilbert变换后仅相差一个符号因子④如果，其Hilbert变换满足解析信号•解析信号的频域构造定义滤波器第一类解析信号(确定信号用频谱)：频谱右半轴，幅度是原来的2倍第二类解析信号(随机信号用功率谱)：功率谱右半轴，幅度是原来的2倍基带信号•实的窄带信号•解析信号•基带信号(零中频信号)•解析信号与基带信号的关系•窄带信号与基带信号的关系•基带信号的直角坐标形式基带信号是复信号，不存在双边谱基带信号•当通信接收端存在带通滤波器(选频放大器)时，其时域冲激响应•冲激响应包络为，对应的基带冲激响应为•此时时域输出信号为•对应的时域基带输出信号为)(,xPX)(,xPX平稳信号的基带表示•平稳信号•平稳基带信号与解析信号相关函数的关系•平稳解析信号功率谱•平稳基带信号功率谱•平稳基带信号的相关函数和互相关函数•平稳基带信号的功率谱和互功率谱平稳信号的基带表示•结论：实的平稳信号及其对应的基带信号、解析信号以及同相分量、正交分量仍然是平稳信号①基带信号同相分量和正交分量的相关函数相等，各占一半信号功率；互相关函数是时延的奇函数②基带信号的同相分量和正交分量统计特性相同③同一时刻采样，基带信号的同相分量和正交分量统计独立④载波是否存在初相位，不改变平稳基带信号的统计特性循环平稳信号的基带表示•实的循环平稳信号，其循环频率•循环平稳基带信号与解析信号之间的关系•一阶循环平稳基带信号的数学期望•二阶循环平稳基带信号的相关函数•循环谱和互循环谱带限信号•带限信号定义：如果实信号的Fourier变换的频谱或功率谱，称为带限信号或低通信号•时限信号定义：如果实信号，称为时限信号•带限信号相关函数•发射信号通过带限信道后，其接收信号为周期信号的相关函数•周期信号集合集合中各元素容易与自身的时间偏移区分集合中各元素容易与其它元素区分•周期信号•周期信号相关函数和互相关函数无线通信信道基础知识•信道：收发两端传输媒体的总称有线信道无线信道•前向连接downlink(下行链路)•后向连接uplink(上行链路)无线通信系统性能与无线信道传播特性密切相关•视距传播(LineofSight,LOS)、非视距传播(NLOS)•无线信道的随机性(位置变化、环境变化等)导致：接收信号幅度、相位、频率畸变(空间差异性、时频变无线电波分类及传播方式•无线电波按传播方式划分为：地波、电离层反射波、对流层反射波、空间波、自由空间波地波：沿地球表面传播，通过绕射可到达视线范围以外，在地波传播过程中，地面会吸收电波能量，其强弱与电波频率、地面性质有关电离层反射波——天波传播：电波利用距地面60km高空的电离层反射传播，在电波传播过程中，电离层也会吸收电波能量，其强弱与电波频率和电离层的变化(位置、层数、厚度)有关对流层反射波——散射传播：电波利用大气层中距地面10-20km高空对流层的不均匀性散射传播，传播距离可达300-800km，电波反射强弱与高度有关，越高越弱无线电波分类及传播方式空间波——直射传播：电波沿直线传播(直接波)，也通过地球表面反射传播(地反射波)，接收电场强度是二者的合成。直接波不受地面影响，但地反射波会受反射点地质、地形影响。空间波通过大气层的底层传播，传播距离与地球曲率半径有关自由空间波——直射传播：电波由地面发出，经过低空大气层和电离层到达外层空间传播(卫星通信、深空通信)，自由空间(真空)电波传播特性稳定无线电波分类及传播方式•无线电波按波长划分为：长波、中波、短波、超短波、微波等长波：波长1000m以上，频率300kHz以下，其传播方式主要有地表面传播和天波传播，地形地貌对地表面传播影响小，电离层对天波传播吸收较弱，传播特性稳定。但由于地表面波衰减慢，对其他电台会形成强干扰，由雷电产生的天电干扰对其影响大中波：波长100-1000m，频率300kHz-30MHz。其传播方式主要还是地表面传播和天波传播，地形地貌对地表面传播影响小，但需要穿过电离层较深处才能反射，波长在200-2000m的中长波主要用于广播，称为广播波段，传播距离可达200-300km无线电波分类及传播方式短波：波长10-100m，频率3MHz-30MHz，其传播方式主要靠电离层反射，天波在电离层中的损耗