《通信信号处理》（研究生用）学时：40学时通信工程学院：冯文江Email: fwj@; fengwenjiang@《通信信号处理》教学大纲（2002年12月）一．教学目标1．了解通信信号的各种描述形式，各种无线传输信道的特征、模型等。
2．了解通信信号处理的对象、主要内容、常用方法的性能，重点掌握通信系统中自适应均衡技术、智能天线中数字波束形成技术以及CDMA系统中多用户检测技术的数学描述和物理实现原理。
3．跟踪了解相关领域的最新发展动态。
二．主要内容第一章基本知识（8学时）：包括通信信号处理涉及的主要研究内容；通信信号的各种描述形式；无线传输信道的各种模型和特征。
第二章分集接收和最佳接收系统（8学时）：包括分集接收技术原理、种类、特点；相关接收机结构、原理、分析；匹配滤波接收机特点；RAKE接收机性能、常见结构形式等。
第三章自适应均衡技术（4学时）：包括Kalman滤波；LMS自适应算法；RLS自适应算法；盲信道辩识与均衡等均衡算法的描述、特点、应用。
第四章通信中的DBF（8学时）：包括智能天线系统的种类、结构、特点、统计模型；用于智能天线系统中数字波束形成的典型处理算法，如MUSIC算法；ESPRIT算法；ML类算法；盲波束形成算法；恒模算法；子空间分解算法等的描述、适用范围、特点。
第五章多用户检测（8学时）：包括系统模型、检测准则、性能指标；MMSE多用户检测、自适应多用户检测、盲多用户检测的各种结构形式、原理、分析、性能评价等。
第六章空时二维处理技术（4学时）：包括空时系统模型；空时MMSE接收技术；空时盲均衡技术；空时DBF技术；空时RAKE接收技术。
三．基本要求教学中讲述的内容以当前较新的研究成果为主，当然已包括大量基础理论知识、基本概念等内容，要求工学硕士在本门课程学习中，注重通信信号处理的新结构、新算法、新思想、新理论；而工程硕士更多的应结合工作实践，应用这些典型的方法分析和解决实际问题。
四．参考文献1．张贤达、保铮：通信信号处理，国防工业出版社，2000年2．王永良、彭应宁：空时自适应信号处理，清华大学出版社，2000年3．Joseph C. Liberti等：无线通信中的智能天线，机械工业出版社，2002年4．IEEE Transaction on Communications5．IEEE Transaction on Signal Processing6．IEEE Transaction on Antenna and Propagation7．IEEE Transaction on Vehicular Technology第一章 通信信号处理基本知识众所周知，通信技术经历了从有线到无线、从模拟到数字两次巨大变革，目前通信领域另一个研究热点——软件无线电，很可能成为继模拟通信到数字通信以及固定通信到移动通信之后的第三次重大突破。
无线通信技术的诞生是以马可尼1897年用无线电与横跨英吉利海峡的船舶之间的联络作为标志的。
而移动通信网的诞生和发展则是与蜂窝概念、扩频技术、数字信号处理技术分不开的。
就多址通信来讲，通信理论中有一个非常重要的结论：如果用户信号正交，那么这些用户可以共享同一个发射媒体。
其共享方式有三种：（1）时间共享，对应于FDMA 系统，此时信号是通过将信道分割成不同频带实现正交的。
（2）频率共享，对应于TDMA 系统，此时通过在时间上分割信道实现共享的。
（3）时频共享，对应于CDMA 系统，允许用户在相同的时间共享相同的频带。
§1-1 通信信号处理的研究内容第二代和第三代通信系统广泛采用数字技术和软件无线电，信号处理的对象——信号具有以下重要特点：（1） 信号传输环境非常复杂，多径衰落、散射现象严重；（2） 对信息重构准确性要求很高，接收信号必须与发射信号严格一致；（3） 要求信道带宽很宽，以适应各种不同速率信息的传送；（4） 影响信息重构准确度的主要因素是同道干扰和码间干扰。
就通信系统来讲，一般分为两大部分，一部分是发射部分，主要涉及到调制技术（包括各种模拟调制技术、数字调制技术以及扩频技术）、编码技术（包括信源编码、信道编码），这些内容较少涉及信号处理问题。
另一部分是接收部分，这部分大量涉及信号处理技术。
主要原因是由于信号空间传输环境非常复杂，包括通信网中的多用户、各种散射体、用户处于随机移动状态，信道衰落、扩展以及多径现象对传输信号影响严重，而且这种影响还是时变的，从接收部分本身来讲，对接收信号的准确性和可靠性要求很高，因此必须在通信信号的接收理论和方法上想办法，通过信号处理理论和实现算法的改进来弥补。
在对通信信道建模分析中，通常用一个带限线性滤波器描述，即频率响应为：)()()(f j e f A f C θ=其中)(f A 称为幅频特性，)(f θ称为相频特性，有时又用包络延迟（envelop delay ）或群延迟（group delay ）来表示相频特性。
dff d f )(21)(θπτ−= 前面提到过，通信信号在传输过程中受到的主要干扰是同道干扰和码间干扰。
关于信道，分为理想信道和畸变信道两类：（1） 理想信道：在发射信道带宽内，幅频特性)(f A 为常数，相频特性)(f θ是频率的线性函数，或者群延迟)(f τ为常数。
（2） 畸变信道：在发射信道带宽内，幅频特性)(f A 和/或相频特性)(f θ不是常数，如果幅频特性)(f A 不是常数，称为幅度畸变信道；如果相频特性)(f θ不是常数，称为时延畸变信道。
对于同道干扰是指在某个覆盖区内有多个蜂窝单元使用相同的频率，由此造成的相互之间的干扰就是同道干扰。
对于码间干扰是指发射端以一定的带宽发射脉冲串时，每个脉冲在接收端产生扩散或重叠所造成的相互干扰。
这两类干扰存在的主要原因有（1）时延和多径传输；（2）收发系统相互之间的相对运动；（3）耦合效应和多址干扰；（4）收发带限滤波器和各部分放大器等的共同作用。
通信信号处理主要就是围绕如何补偿码间干扰、抑制同道干扰而开展研究工作的。
随后我们要学习和讨论的主要内容都是以补偿码间干扰、抑制同道干扰为出发点的。
包括（1）盲均衡（又称为码间干扰补偿器或均衡器），通过利用接收信号的某些特征信息，无须训练序列，对接收信号进行均衡处理；（2）多用户检测（又称为同道干扰抑制器或多用户解调器或干扰对消器），通过某些算法和优化准则，将期望信号从接收信号中提取出来；（3）阵列信号处理，通过多个天线单元的分集接收，抑制多径传播引起的衰落，改善通信质量；（4）自适应阵列（又称为智能天线），通过自动调节天线阵列的空间特性，在估计多个同道信号波达方向的同时，实现期望信号的恢复；（5）空时处理技术，即将空间处理通道干扰的技术和时间处理码间干扰的技术联合起来，同时实现补偿码间干扰、抑制同道干扰的目的。
§1-2 通信信号的表示和特征信号可以通过不同的方式进行分类，比如随机信号和确定信号、平稳信号和非平稳信号、连续信号和离散信号、低通信号和带通信号、有限功率信号和无限功率信号等。
在通信信道中，载有信息的发射信号和由信道引入的扰动信号都具有随机特征，也就是说在接收端只知道这些信号的某些统计特征，而无法知道信号本身。
接收端的主要任务就是根据接收到的观测值，利用已知的统计特性，对发射信息进行估计。
在通信信道中，某些信道损失，比如信道热噪声、非频率选择性衰落等可以认为具有平稳随机性，而邻道干扰由于载波本身具有周期性，则不具有平稳性，但可以用循环平稳性来描述。
所谓循环平稳就是指统计特性是随时间呈周期变化的随机过程。
下面对这两种随机过程的有关知识做详细介绍。
一、平稳过程在随机过程中，将平稳过程分为严格平稳和广义平稳两种：1、 严格平稳过程：n 个随机变量)}(,),(),({21n t x t x t x L 的联合分布函数和)}(,),(),({21τττ+++n t x t x t x L 的联合分布函数对所有时延τ都是相同的，称为严格平稳随机过程，又称为狭义平稳随机过程。
2、 广义平稳过程：随机信号}),({T t t x ∈，如果（1）m t x E =)]([为常数；（2）∞<])([2t x E ；（3）222),()()]()([}])(][)({[m s t R m s t R m s x t x E m s x m t x E x x −=−−=−=−−∗∗，称为广义平稳随机过程，又称为弱平稳过程、协方差平稳过程、二阶平稳过程等，简称平稳。
平稳信号的统计特性有以下重要性质：（1） 自相关函数关于时延0=τ是共轭对称的)()(*ττx x R R =−（2） 功率谱密度是非负的实函数f f P f P x x ∀≥=0)()(*（3） 信号为功率有限信号∞<==∫∞∞−df f P R t x E x x )()0(])([2（4） 信号经过一个线性时不变系统之后，输出仍然为平稳随机信号，其时频关系为)()()(,)()()(*)()(2f P f H f P du u t h u x t h t x t y x y =−==∫∞∞−其中)(f H 为冲激响应的Fouier 变换，即线性时不变系统的频率响应或传递函数。
二、循环平稳过程循环平稳过程是非平稳过程，但这种非平稳过程有一个重要的特性，即非平稳性表现为周期平稳性。
在通信系统中，通信信号往往表现为基带传输信号对载波信号的某个参数进行调制，结果会产生具有周期平稳性的信号；信号的编码也具有周期平稳性；对接收通信波形进行过采样，也会在接收信号中产生周期平稳性。
因此，周期平稳性是通信信号一个非常重要的特性。
统计特性呈现周期或多周期平稳变化的过程称为循环平稳或周期平稳（cyclostationary ）过程。
根据循环平稳过程的不同统计特性，又分为一阶（均值）循环平稳过程和二阶（相关函数）循环平稳过程和高阶循环平稳过程。
1、 均值循环平稳过程如果随机信号)(t x 的均值)()(0kT t M t M x x +=，说明均值具有周期性。
将均值展开成Fourier 级数有∑∞−∞==απααt j x x e M t M 2)(其中α称为循环频率，∫−−−==2/2/22000)()(1T T t t j t j x xe t x dt e t M T M παπαα称为循环均值，表示时间平均。
2、 相关函数循环平稳过程如果随机信号)(t x 的相关函数),(),(0ττkT t R t R x x +=，说明相关函数具有周期性。
将相关函数展开成Fourier 级数有∑∞−∞==απααττt j x x e R t R 2)(),( 其中α称为循环频率，∫−−−−==2/2/2*2000)()(),(1)(T T t tj t j x x e t x t x dt e t R T R παπαατττ称为循环自相关函数。