軟件無線電SDR(Software Definied Radio)是在1992年由Jeo Mitola首次提出[1],，目前已經(jīng)成為無線接收機的基本平臺。而自適應數(shù)字波束合成DBF(Digital Beamforming)通過對陣列天線各個接受陣元信號進行加權處理,，使方向圖主瓣對準期望,，零陷對準同道干擾，提高接收信干噪比SINR(Signal to Interference and Noise Ratio)[2],。目前,，DBF仍然是下一代無線通信的關鍵技術之一，在LTE-Advanced,、802.16m等協(xié)議中被采用,例如,MIMO中利用反饋實現(xiàn)發(fā)射DBF[3],，Relay中通過凸集優(yōu)化波束合成進行路由選擇[4]。但無論是傳統(tǒng)的接收機DBF,，還是分布式DBF,，都存在兩個問題，一是把相干多徑信號作為一般同道干擾進行抑制,，僅僅利用了波束合成分集,，沒有利用多徑的分集作用。雖然空時RAKE接收機可以實現(xiàn)多徑分集,，但必須采用CDMA體制,，這在4G中并不適用[5]。其次,，當把DBF用于軟件無線電接收平臺時,，往往把二者作為獨立的兩個部分進行討論，而如何協(xié)調系統(tǒng)各個模塊間的關系,并沒有得到充分研究。    
    本文介紹了采用DBF情況下的軟件無線電結構,，在數(shù)字下變頻DDC(Digital Down Conversion)之后進行波束合成,，使得復雜的自適應求權加權在基帶進行，再考慮頻譜估計和位同步解調,。通過對多徑衰落下的DBF模型介紹,，闡述了DBF利用多徑分集的方法，并分析相關性能,。通過仿真,，對系統(tǒng)進行了驗證。
1 系統(tǒng)的基本組成
     如果把軟件無線電同DBF作為兩個獨立的部分,，DBF的位置在A/D之后立即進行,。這時的信號通常是中頻信號，速率較高,。自適應DBF要實現(xiàn)信號的波達方向DOA(Direction of Arrival)估計,，并計算權矢量，運算量相當大,。采用FPGA雖然速度可以得到保證,，但對FPGA容量需求巨大，而且軟件實現(xiàn)復雜,。所以考慮DDC以后進行相關DBF操作,，把中頻信號轉換為速率更低的基帶信號。現(xiàn)有DSP器件可以完成相關信號處理,，滿足實時性要求[6],。圖1為基于DBF的軟件無線電接收機的組成結構圖。
    圖1中,，信號經(jīng)過N個陣元接收后被并行處理,。為簡單起見，不考慮同道用戶和多徑,，每個陣元接收信號為：

對信號y(n)進行頻偏估計,，可以消除殘留載波，得到z(n),。對信號z(n)進行脈沖成型,、位同步、解調與抽樣判決等相關處理后,，系統(tǒng)即可恢復出信源傳送的原始信息,。
2 DBF實現(xiàn)多徑分集
　傳統(tǒng)DBF單元的處理可分解為三部分：(1)信號采集，得到K次快拍,，從而估計出信號協(xié)方差矩陣及其逆陣；(2)DOA估計，從而確定最優(yōu)權矢量解,；(3)利用權矢量進行信號加權,，得到陣列輸出。在衰落信道中,，由于多徑的存在,，弱多徑被視為干擾而被抑制，并未利用這些多徑,，這也正是本文要解決的問題之一,。DBF多徑分集，利用多徑信號的不同來向,對每個多徑產生一個權矢量,，即形成多個獨立方向圖,，主瓣指向不同的多徑信號到達方向，從而實現(xiàn)分集,。
2.1 衰落信道下陣列模型
　對于頻率選擇性衰落,考慮接收機采用陣元個數(shù)為N,，間距為d的均勻直線陣，并設信號的DOA為θ,，以第一個陣元為坐標原點,，則信號方向矢量為:

系數(shù)θ是常數(shù)，其意義在于保證主瓣期望信號方向上的增益為單位增益,。對該路多徑進行DBF加權,，輸出為:

    同樣的方法，根據(jù)式(11),，并行產生L個權矢量,。將所求權值分別與接收信號進行加權求和得到L路信號后，再合為一路便得到分集后的信號,，如圖2所示,。但由于頻率選擇性衰落下各個多徑間存在較大相對延時，必須對各個DBF支路輸出信號進行延時校正后,，才能疊加,。延時校正通過各個DBF支路數(shù)據(jù)每幀同步頭或者基帶解調后數(shù)據(jù)的相干運算得到。經(jīng)過分集作用的輸出為:

　多徑信號是相干信號,在DOA估計和各徑加權中,，必須考慮去相干操作,。雖然DOA估計的去相干可以通過平滑實現(xiàn)[7]，但不同的平滑方法能夠檢測出的相干信號數(shù)目是不同的,。通常采用的算法為前后向平滑法,，它可以檢測出的相干信號為2N/3,其中N為陣元個數(shù)。
　對于平坦衰落,，由于各個多徑相對延時小于一個符號寬度,，所以多徑間只有幅度衰落不同而忽略相對延時,，可以加權后直接L路疊加合并，較頻率選擇性衰落更為簡單,。此時,，s(n-τl)=s(n)。
3 系統(tǒng)性能分析
　通信系統(tǒng)中,，接收SINR決定了系統(tǒng)容量和誤碼率,。根據(jù)參考文獻[8]，傳統(tǒng)DBF的陣列增益為:

4 系統(tǒng)仿真結果
　仿真在軟件無線電部分采用信源速率3 Mb/s,、載波頻率900 MHz,、碼元數(shù)目2 000、調制方式采用QPSK,、脈沖成型濾波器選用平方根升余弦濾波器,、16倍內插。接收端采用相干解調方式,，抽樣率由帶通采樣定理確定為48 MHz,。數(shù)字波束合成部分采用8陣元線陣，快拍數(shù)目由碼元數(shù)目以及采樣率的乘積決定,，協(xié)方差矩陣采用前向平滑的估計算法計算,，使用最小功率準則下的最優(yōu)權矢量完成加權處理。仿真中假設有三條多徑,，它們的時延分別為τ1=0,τ2=0.021,τ3=0.042,單位是θs,；到達角度的余弦值分別為u1=-0.8，u2=-0.1,，u3=0.5,。
    圖3為系統(tǒng)采用分集接收時權矢量形成的波束圖?？梢钥闯鱿到y(tǒng)在三路多徑的到達角處分別形成主瓣,，獲得了多徑分集增益。圖4為平坦衰落信道環(huán)境中,，模擬了3路多徑信號,，對無DBF處理、傳統(tǒng)DBF處理,、DBF處理中結合多徑分集作用以及高斯信道中接收機的BER理論曲線進行對比,。由圖可知，分集作用下的數(shù)字波束合成輸出能夠得到較高的系統(tǒng)性能,。圖5為陣元數(shù)為4,、6和8時系統(tǒng)的誤碼率曲線。該結果表明,，陣元數(shù)量的增加也能夠減少誤碼率,。

　分析及結果顯示,，新的方法不僅保持了傳統(tǒng)DBF的陣列增益，同時能夠利用多徑分集增益,，進一步減少誤碼率,，提高信道容量?？紤]軟件無線電的通用性，對于實際系統(tǒng)的設計具有參考價值,。文章未考慮多用戶下的系統(tǒng)設計,，這是未來研究的內容。
參考文獻
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[4] GERSHMAN A B, SIDIROPOULOS N D, SHAHBAZPANAHI  S, et al. Convex optimization-based beamforming[J]. IEEE Signal Processing Magazine(S1053-5888), 2010,27(3):62-75
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[9] BIGLIERI E, PROAKIS J, Shlomo Shamai (Shitz). Fading channels: information-theoretic and communications aspects[J]. IEEE Transactions on Information Theory(S0018-9448), 1998,44(6):2619-2692.