【摘 要】近年來，隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的發(fā)展，人們希望通過無線方式高速率、高質(zhì)量地傳輸信息。由于無線信道是開放時(shí)變信道，極易受多徑干擾、多址干擾和噪聲等因素的影響。要利用好無線信道，必需針對(duì)無線信道的弱點(diǎn)研發(fā)新的信號(hào)處理技術(shù)。因?yàn)樵谶h(yuǎn)距離通信中，4G通信系統(tǒng)的成本較高，由各種干擾引起的信號(hào)衰減會(huì)造成通信延遲，為此，本文提出了一種4G多點(diǎn)無線通信系統(tǒng)弱信號(hào)的補(bǔ)償通信方法，針對(duì)干擾性突變對(duì)4G通信信號(hào)頻率和幅度的衰減采用反算子和維納濾波法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明這種方法對(duì)于4G多點(diǎn)無線通信系統(tǒng)中因速度效應(yīng)而產(chǎn)生衰減的弱信號(hào)具有較好的補(bǔ)償作用。

【關(guān)鍵詞】4G多點(diǎn)無線通信系統(tǒng) 補(bǔ)償 反算子 維納濾波 弱信號(hào)

一、引言

2013年12月4日下午，工業(yè)和信息化部（以下簡(jiǎn)稱“工信部”）向中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)正式發(fā)放了第四代移動(dòng)通信業(yè)務(wù)牌照（即4G牌照），中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)電信、中國(guó)聯(lián)通三家均獲得TD-LTE牌照，此舉標(biāo)志著中國(guó)電信產(chǎn)業(yè)正式進(jìn)入了4G時(shí)代。4G是指集3G與WLAN于一體，并能夠傳輸高質(zhì)量視頻圖像，它的圖像傳輸質(zhì)量與高清晰度電視不相上下。4G系統(tǒng)能夠以100Mbps-150Mbps的速度下載，不同的運(yùn)營(yíng)商采用不同的4G技術(shù)，速度通常與3G相比快20～30倍。它具有通信速度快、網(wǎng)絡(luò)頻譜寬、通信靈活、智能性能高、兼容性好等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是在4G多點(diǎn)無線通信系統(tǒng)中由于存在不同信源的突變現(xiàn)象，從而導(dǎo)致信號(hào)發(fā)生變質(zhì)和信號(hào)的速度效用發(fā)生波動(dòng)，為了保證信號(hào)的質(zhì)量使得通信順利進(jìn)行，就必須采用適當(dāng)?shù)男盘?hào)補(bǔ)償方法對(duì)變質(zhì)的弱信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)無線設(shè)備的順利連接，這對(duì)于通信信號(hào)高效、順利的傳遞具有重要意義。

二、反算子法

通過使用反算子法對(duì)4G多點(diǎn)無線通信系統(tǒng)中的弱信號(hào)進(jìn)行高頻一次補(bǔ)償，其原理是這樣的：設(shè)4G多點(diǎn)無線通信系統(tǒng)的通信信源有n個(gè)分別為s1 ，s2 ，…，sn ，假設(shè)各個(gè)信源的激發(fā)和檢波器接收的一致性較好，如果信源從si 變化到sj ，此時(shí)信號(hào)會(huì)被干擾，我們可以假設(shè)一種算子qj 來代表信源從si 變化到sj 的突變對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的干擾，信號(hào)被干擾后幅度由xi（t）變?yōu)閤j（t），這種變化過程可以用如下數(shù)學(xué)公式表示：

（1）

設(shè)算子qj 的反算子為pj ，則如果要達(dá)到能夠補(bǔ)償上述突變對(duì)通信信號(hào)頻率和幅度的衰減，該反算子應(yīng)為pj = qj-1 = {pj（t）}，用方程表示為：

（2）

對(duì)方程（2）采用最小平方法求得其維納方程為：

Apj = b （3）

上式中，A代表一個(gè)矩陣，它是xj（t）的自相關(guān)函數(shù)，pj= {pj（t1），pj（t2），…，pj（tn）}是反算子，而b=（b1，b2，…，bn）是xi（t）和xj（t）的互相關(guān)函數(shù)，在時(shí)間域，對(duì)方程（3）可以采用萊文遜算法來求解，同時(shí)也可以在頻率域?qū)Ψ匠蹋?）進(jìn)行傅里葉變換，其結(jié)果如下：

（4）

再通過求解方程（4），pj（t）的傅里葉變換可以表示為：

（5）

上式中a表示噪聲，通過對(duì)pj（f）進(jìn)行逆傅里葉變換便可以得到上述中的反算子pj ，我們將這種反算子稱為衰減補(bǔ)償反濾波器。一旦獲得了反算子，我們就可以在信號(hào)的時(shí)間域或頻率域?qū)?G多點(diǎn)無線通信系統(tǒng)中的弱信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)于時(shí)間域，補(bǔ)償?shù)姆匠虨椋?/p>

（6）

上式中xk（t）是疊后數(shù)據(jù)中第k個(gè)信道的數(shù)據(jù)，pk（t）是該信道對(duì)應(yīng)變化信源的反濾波因子，而yk（t）則是經(jīng)過高頻補(bǔ)償后得到的數(shù)據(jù)。

在頻率域，我們只補(bǔ)償疊后數(shù)據(jù)的幅度譜，不改變相位譜，使其保持原來的狀態(tài)。其原理是將pk（t）進(jìn)行傅里葉變換從而得到它的頻譜，其表達(dá)式如下：

（7）

由方程（7）可以得到幅度譜：

（8）

相位譜： （9）

這樣的話pk（t）的頻譜也可以寫成如下的形式：

（10）

在實(shí)際使用中我們通常將相位譜置零，此時(shí)上式就變成：

（11）

利用以上幾個(gè)相關(guān)的式子，假設(shè)第k道變換后的弱數(shù)據(jù)的頻譜是：

（12）

那么經(jīng)過高頻補(bǔ)償后弱數(shù)據(jù)的頻譜就變?yōu)椋?/p>

（13）

對(duì)上式進(jìn)行傅里葉逆變換，就能夠獲得經(jīng)過低速帶高頻補(bǔ)償后的4G多點(diǎn)無線通信弱信號(hào)數(shù)據(jù)了。

三、維納濾波法

通過使用維納濾波對(duì)4G多點(diǎn)無線通信系統(tǒng)中的弱信號(hào)進(jìn)行再一次補(bǔ)償，其原理是使用一組已知的高速弱信號(hào)x（n）和低速弱信號(hào)s（n），然后再通過維納-霍夫方程獲得維納濾波器的沖激響應(yīng)，標(biāo)準(zhǔn)的維納-霍夫方程表達(dá)式為：

（14）

對(duì)上式進(jìn)行Z變換可得：

（15）

上式中Sxp（z）表示自功率譜密度，Sxx（z）表示互功率譜密度，上式是非因果IIR濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)，因?yàn)榉且蚬麨V波器是物理不可實(shí)現(xiàn)的，所以應(yīng)將其轉(zhuǎn)化為因果濾波器。其原理是將Sxx（z）變?yōu)槿缦滦问剑?/p>

（16）

上式中Sxx+（z）表示包含在單位圓內(nèi)所有的零極點(diǎn)，相反的Sxx-（z）表示包含在單位圓外所有的零極點(diǎn)。此時(shí)因果IIR維納濾波器的轉(zhuǎn)移函數(shù)為：

（17）

由上述方法得到的維納濾波器就可以將弱信號(hào)轉(zhuǎn)化為正常信號(hào)了，從而保證4G多點(diǎn)無線通信的順利進(jìn)行。

四、實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文所介紹方法的可靠性，需要進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)分析，通過使用本文介紹的方法得到了如下圖1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

圖1 4G通信網(wǎng)絡(luò)弱信號(hào)的補(bǔ)償結(jié)果

從上圖中可以看出采用本文所介紹方法補(bǔ)償前后的信號(hào)具有很大的不同。當(dāng)信號(hào)的速度是4 m/s時(shí)， 信號(hào)的峰值電壓、基線以及前后沿坡度都較低，經(jīng)過補(bǔ)償后信號(hào)的電壓幅度和形狀恢復(fù)到正常情況，基線也調(diào)整到正常值。因此可以得出的結(jié)論是在通過使用本文方法4G多點(diǎn)無線通信由于速度效應(yīng)而產(chǎn)生畸變的弱信號(hào)得到了較好的補(bǔ)償。

五、結(jié)束語

本文針對(duì)4G多點(diǎn)無線通信系統(tǒng)中的弱信號(hào)提出了基于反算子和維納濾波的補(bǔ)償技術(shù)，通過實(shí)驗(yàn)的分析證明，這種方法對(duì)于4G多點(diǎn)無線通信由于速度效應(yīng)而產(chǎn)生畸變的弱信號(hào)具有較好的補(bǔ)償作用。

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