專利名稱：信號(hào)處理任務(wù)用的復(fù)數(shù)值的類(lèi)似數(shù)字計(jì)算機(jī)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及如權(quán)利要求1的前序部分特征所述的、信號(hào)處理任務(wù)用的復(fù)數(shù)值的類(lèi)似CORDIC(數(shù)字計(jì)算機(jī)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn))的方法，以及用于實(shí)現(xiàn)這樣方法的一種通信系統(tǒng)，其中本發(fā)明尤其涉及在采用多個(gè)天線時(shí)用于數(shù)據(jù)檢測(cè)的一種方法。
在無(wú)線通信領(lǐng)域中，譬如在按UMTS標(biāo)準(zhǔn)(UMTS通用移動(dòng)電信系統(tǒng))的第三代移動(dòng)無(wú)線電中，數(shù)目增長(zhǎng)的實(shí)時(shí)應(yīng)用使得有必要開(kāi)發(fā)用于并行信號(hào)處理的算法和結(jié)構(gòu)體系。對(duì)此，大多數(shù)公知的算法和結(jié)構(gòu)體系以輸入實(shí)數(shù)數(shù)據(jù)為前提。這尤其適用于所述結(jié)構(gòu)體系應(yīng)實(shí)現(xiàn)VLSI實(shí)施的情況。通常借助于標(biāo)準(zhǔn)化的裝置來(lái)覆蓋具有復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)的情況，譬如通過(guò)應(yīng)用四個(gè)實(shí)數(shù)和乘法來(lái)執(zhí)行一個(gè)復(fù)數(shù)的乘法。但是在許多實(shí)際應(yīng)用中，譬如在自適應(yīng)的波束整形中—在這里尤其是指天線陣列的電可調(diào)方向特性—或在接收多個(gè)用戶時(shí)，復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)的處理將具有越來(lái)越大的重要性。
用于MVDR自適應(yīng)波瓣整形(MVDR最小方差無(wú)失真響應(yīng))的處理器裝置借助最小二乘法(最小二乘問(wèn)題)基本上實(shí)現(xiàn)了復(fù)數(shù)值問(wèn)題的解決方案，這是通過(guò)將一個(gè)或多個(gè)邊界條件引入到給定的最小化問(wèn)題中來(lái)獲得的。對(duì)此，在MVDR中是在同時(shí)遵守如下補(bǔ)充條件的情況下將輸出信號(hào)的對(duì)應(yīng)于平均功率的方差最小化，該補(bǔ)充條件就是應(yīng)該無(wú)失真地、即沒(méi)有放大和衰減地接收某個(gè)入射方向的信號(hào)。此外，借助最后將右側(cè)的輸出信號(hào)與變換因子的平方根相乘來(lái)實(shí)現(xiàn)所述輸出信號(hào)的直接計(jì)算。在此，不在這些處理器陣列中執(zhí)行所述考慮邊界條件的計(jì)算，而是在一種預(yù)處理步驟中進(jìn)行。所述的處理器陣列完全由一些計(jì)算圓形旋轉(zhuǎn)的(對(duì)角的單元)或采用圓形旋轉(zhuǎn)的處理器單元(非對(duì)角的單元)組成。譬如從J.Ma、K.K.Parhi、Ed F.Deprettere著的＂基于流水線CORDIC的QRD-MVDR波束整形＂，IEEE聲學(xué)語(yǔ)音國(guó)際會(huì)議匯編，信號(hào)處理，3025-3028頁(yè)，西雅圖(美國(guó))，1998中公開(kāi)了MVDR自適應(yīng)的波瓣整形(QDR矩陣的QR分解)。在擴(kuò)充的處理器陣列上實(shí)現(xiàn)具有多個(gè)線性邊界條件的MVDR波束整形。在采用舒爾(Schur)補(bǔ)數(shù)的條件下，將所述的線性邊界條件引入到所述的最小化問(wèn)題可以表達(dá)為一種部分的高斯消除法。借助一種通常的QR分解來(lái)解決從中所產(chǎn)生的最小二乘問(wèn)題。甚至所述輸出信號(hào)的直接計(jì)算在最后所采用的乘法也可以通過(guò)使用Schur補(bǔ)數(shù)而被表達(dá)為一種線性變換。因此可以達(dá)到如下的實(shí)施，即所述的實(shí)施完全基于線性的高斯變換和圓形的Givens旋轉(zhuǎn)，并可以借助一種由處理器組成的上三角形陣列來(lái)實(shí)現(xiàn)。
為了實(shí)現(xiàn)所述的復(fù)數(shù)值變換，以一種因子分解的形式來(lái)表達(dá)它們。這種因子分解相應(yīng)地由實(shí)數(shù)值的線性變換和圓形變換組成，并將所述復(fù)數(shù)的相位旋轉(zhuǎn)引入到所述的變換中。在復(fù)數(shù)平面中也可以將這些相位旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)用到圓形變換上。因此，可以將所述的復(fù)數(shù)變換轉(zhuǎn)用到若干實(shí)數(shù)變換上，譬如可以通過(guò)四個(gè)實(shí)數(shù)乘法來(lái)表達(dá)一個(gè)復(fù)數(shù)乘法。然而在利用這種因子分解的條件下，可以詳細(xì)地表達(dá)復(fù)數(shù)變換的因子分解旋轉(zhuǎn)圖，也就是說(shuō)，在一種在算法期間伴隨于所含有關(guān)矩陣的對(duì)角矩陣中累加所述相位旋轉(zhuǎn)中的一個(gè)。這相當(dāng)于因子分解旋轉(zhuǎn)的基本思想，其中將標(biāo)度因子轉(zhuǎn)移到一種對(duì)角矩陣中。在計(jì)算結(jié)束時(shí)補(bǔ)償所述的對(duì)角矩陣。由此減少了所需的實(shí)數(shù)旋轉(zhuǎn)的數(shù)目，以至于僅需要實(shí)數(shù)旋轉(zhuǎn)中的兩個(gè)就能消除所含復(fù)數(shù)的虛部。
正如所討論的那樣，基于實(shí)施線性和圓形的復(fù)數(shù)2×2變換的處理器單元，可以實(shí)現(xiàn)具有多個(gè)邊界條件的MVDR波束整形的整個(gè)上三角處理器陣列。將這些變換稱為實(shí)數(shù)的線性和圓形的2×2變換。在采用一種線性或圓形的CORDIC處理器的條件下實(shí)現(xiàn)每個(gè)實(shí)數(shù)變換(CORDIC數(shù)字計(jì)算機(jī)上的坐標(biāo)旋轉(zhuǎn))。在所述的CORDIC方法中，借助簡(jiǎn)單的移位和加法運(yùn)算實(shí)施一個(gè)二元矢量的旋轉(zhuǎn)。通過(guò)用于直接計(jì)算輸出信號(hào)的最后線性變換來(lái)補(bǔ)償在對(duì)角矩陣中所聚集的相位因子。
當(dāng)前的MVDR波束整形器在這里尤其涉及一種具有電可調(diào)方向特性的、考慮了多個(gè)邊界條件的天線陣列，它在一種調(diào)制的數(shù)字信號(hào)上、譬如在一種4-QAM信號(hào)上得到應(yīng)用(4-QAM在信號(hào)空間具有4個(gè)點(diǎn)的正交調(diào)幅)。仿真已表明，尤其在考慮近似精度和標(biāo)度的條件下，所需的計(jì)算工作量在很大程度上取決于應(yīng)用的專門(mén)條件，譬如SNR(SNR信號(hào)噪聲比/信噪比或信號(hào)干擾比)。
通常的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括布置在平面的位置mi上的無(wú)方向性的M個(gè)傳感器元件。所述的天線陣列接收一種混合信號(hào)，它由要解碼的所希望的信號(hào)、來(lái)自未知方向的不受歡迎的干擾信號(hào)、和在所有方向上平均相等的背景噪聲組成。在附

圖1中所示的這種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中應(yīng)該考慮到，從接收信號(hào)s1(t)的角度看，第二信號(hào)s2(t)也是一種入射方向?yàn)橐阎母蓴_源，而信號(hào)s3(t)應(yīng)該是一種具有未知到達(dá)方向的干擾源。為了簡(jiǎn)化，假設(shè)在每個(gè)傳感器上的傳播方向是相同的，并且波形是平面的，使得可以采取遠(yuǎn)場(chǎng)近似。所述的各個(gè)傳感器輸出信號(hào)xi(t)作為復(fù)數(shù)的基帶信號(hào)出現(xiàn)，其中，應(yīng)考慮到所接收的信號(hào)通常是某些已變換成等效低通信號(hào)的已調(diào)制信號(hào)。因此可以采取一種窄帶近似，也就是說(shuō)，每個(gè)天線元件都接收相同的信號(hào)，但具有時(shí)間延遲。在一個(gè)傳感器i上的等效低通信號(hào)可以描述為xi(t)=x~(t)exp(-j2πfCτi)+ni(t),---(1)]]>式中， 為在布置在附圖1中所示天線坐標(biāo)系原點(diǎn)上的一種虛擬基準(zhǔn)傳感器元件上的復(fù)數(shù)基帶信號(hào)、τi為傳感器i相對(duì)于所述基準(zhǔn)傳感器的信號(hào)時(shí)間延遲、fc為載頻、和ni(t)為高斯白噪聲。因此需要兩個(gè)方程用于完整地描述附圖1。在N×M矩陣C中，可以通過(guò)屬于每個(gè)天線和每個(gè)已知傳播方向的指數(shù)表達(dá)式的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)更緊湊的符號(hào)表示法，其中，N為已知信號(hào)方向的數(shù)目。按如下來(lái)定義所述的矩陣 式中，Φi，k＝-2πfcτi，k。下標(biāo)k相當(dāng)于一種給定的場(chǎng)幾何形狀的第k個(gè)到達(dá)方向，而在給定的到達(dá)方向上可以通過(guò)投影觀測(cè)較容易地計(jì)算出所述的時(shí)間延遲τi，k。將所述的離散信號(hào)xi(n)考慮作為模擬前端的、或與每個(gè)傳感器的前端相連的前側(cè)端子的輸出信號(hào)。結(jié)合以下的實(shí)施例來(lái)討論與此有關(guān)的細(xì)節(jié)。所采樣的信號(hào)布置在一種n×M矩陣X中 式中，n為在每個(gè)天線上所采集的采樣值的數(shù)目或號(hào)碼。通過(guò)用復(fù)數(shù)的因子wm給所述傳感器的輸出信號(hào)或輸出值進(jìn)行加權(quán)，這些乘積的總和便產(chǎn)生一種空間濾波器、即所謂的波瓣整形器或波束整形器?；诿總€(gè)加權(quán)因子wi＝[w1，…，wM]T屬于一個(gè)所希望的輸出信號(hào)ei這種事實(shí)，定義一種含有所述濾波器輸出值的信號(hào)矩陣E＝[e1e2…el]，式中L≤N。
用于方向預(yù)給定的定向技術(shù)在于，要求應(yīng)放大所述希望的信號(hào)，而應(yīng)抑制從另外的方向入射的噪聲和干涉信號(hào)。這便產(chǎn)生了以下的最小二乘表達(dá)式minwi||ei=Xwi*||22]]>其中i∈[1，L]， CW*＝B，(4)式中，L為所希望輸出信號(hào)的數(shù)目，而B(niǎo)表示所述的放大矩陣，尤其是增益矩陣。N×K矩陣B中的元素大多是取自數(shù)集{0，1}；0代表干擾抑制，1代表所述信息信號(hào)的單位增益。所述的加權(quán)矩陣W又由矢量wi組成，使得W＝[w1w2…wL]。以這種方式和方法用所述的最小二乘判據(jù)來(lái)嘗試使所述波瓣整形器的輸出功率最小化，而且同時(shí)滿足所述的邊界條件。針對(duì)附圖1中所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)獲得兩個(gè)已知信號(hào)方向s1(t)、s2(t)的N＝2個(gè)邊界條件，使得C2xM，B＝I2，以便獲得E＝[e1e2]。
在迄今已知的在處理器陣列上實(shí)現(xiàn)MVDR波束整形算法的方法中，不是在所述的處理器陣列內(nèi)部一同計(jì)入所述的補(bǔ)充條件，而是在一個(gè)單獨(dú)的預(yù)處理步驟中考慮它們。因此既在硬件方面，也在編程方面都需要相應(yīng)高的工作量，以便尤其能在采用多個(gè)天線時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)。
本發(fā)明的任務(wù)在于改善信號(hào)處理任務(wù)用的復(fù)數(shù)值的類(lèi)似CORDIC的方法，以及改善一種用于實(shí)現(xiàn)這樣方法的通信系統(tǒng)。
通過(guò)一種具有權(quán)利要求1特征的復(fù)數(shù)值的類(lèi)似CORDIC的方法，或通過(guò)一種用于實(shí)施這樣方法的且具有權(quán)利要求6特征的通信系統(tǒng)來(lái)解決此任務(wù)。有利的改進(jìn)方案由從屬權(quán)利要求給出。
這樣的方法尤其能夠在構(gòu)造形式相同的和基于CORDIC的實(shí)數(shù)單元中實(shí)現(xiàn)所述完整的復(fù)數(shù)值信號(hào)處理。為此在一種處理器陣列中實(shí)施所述的方法，其中一同計(jì)入所述的補(bǔ)充條件，并因此取消一個(gè)單獨(dú)的預(yù)處理步驟。
以所建議的方式實(shí)現(xiàn)把所述復(fù)數(shù)的相位因子轉(zhuǎn)移到對(duì)角矩陣中的方法也是有利的。
所述的方法特別提供了如下可能性，即尤其在通信系統(tǒng)中進(jìn)行很簡(jiǎn)單的硬件實(shí)施，因?yàn)樗龅膯卧环矫鎿碛谢ハ嗪芟嗨频臉?gòu)造，而另一方面通過(guò)所述的CORDIC實(shí)施只須執(zhí)行移位和加法運(yùn)算。
以下借助附圖來(lái)闡述一個(gè)實(shí)施例。所展示的圖1為一種系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，它具有四個(gè)傳感器元件、兩個(gè)來(lái)自已知方向的載有信息的信號(hào)s1(t)和s2(t)、和一個(gè)來(lái)自未知方向的干涉信號(hào)或干擾信號(hào)s3(t)；圖2為復(fù)數(shù)的CORDIC，圖中(a)為一種線性的分析處理、(b)為一種線性的應(yīng)用、(c)為一種圓形的分析處理、和(d)為一種圓形的應(yīng)用，其中，所示的塊由以矢量工作方式和旋轉(zhuǎn)工作方式運(yùn)行的、線性和圓形的實(shí)數(shù)CORDIC模塊組成；圖2a為在此所采用的符號(hào)的說(shuō)明；圖3中的(a)為一種按照所述CORDIC原理的乘法單元，(b)與(c)為執(zhí)行所述相位旋轉(zhuǎn)的γ計(jì)算和累加的三角單元；圖4為一種完整的處理器陣列；圖5為在采用具有標(biāo)度因子補(bǔ)償?shù)念?lèi)似CORDIC的近似旋轉(zhuǎn)的情況下，用于示出比特差錯(cuò)率的一種表格，其中，由每個(gè)實(shí)數(shù)值的CORDIC處理器單元執(zhí)行相同數(shù)目的CORDIC迭代(μ旋轉(zhuǎn))，以及另外還示出了在采用準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)的情況下的比特差錯(cuò)率；圖6為所述處理器陣列的一種所產(chǎn)生的方向圖。三種信號(hào)從不同的方向射入。兩種信號(hào)應(yīng)受到抑制，其中，應(yīng)以0dB的增益來(lái)接收來(lái)自-90°的信號(hào)。所有入射的信號(hào)另外還受到了噪聲(信噪比為每個(gè)天線8dB)的干擾。從公式a(ξ)=20log10|[ejφ1(ξ),...,ejφM(ξ)]W1|]]>中計(jì)算出振幅特性；圖7為相對(duì)于μ旋轉(zhuǎn)數(shù)目的所述比特差錯(cuò)率的一種示圖(信噪比＝8dB)，其中，所示的虛線示出了在準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)情況下的比特差錯(cuò)率；和圖8為一種基站的示意性構(gòu)造。
為了說(shuō)明實(shí)施例，首先闡述所述帶有邊界條件的優(yōu)化問(wèn)題的解決方案。用于解決所述的帶有邊界條件的優(yōu)化問(wèn)題的一種措施在于，將所述的問(wèn)題表達(dá)為一種沒(méi)有邊界條件的最小二乘問(wèn)題(最小二乘問(wèn)題最小誤差二乘法)。用C＝[C1C2]、WT＝[WT1WT2]和X＝[X1X2]可以將所述補(bǔ)充條件的方程描述為(式中，*＝[*1*2]表示把矩陣*分解成兩個(gè)子矩陣，其中第一子矩陣具有N個(gè)列)C1W1*+C2W2*=B.---(5)]]>解矩陣W1得出W1*=C1(B-C2W2*)---(6)]]>從中產(chǎn)生XW1*=(X2-X1C1-1C2)W2*-(-X1C1-1B)]]>為此可以用X‾2=X2-X1C1-1C2]]>以及B‾2=-X1C1-1B---(7)]]>解決最小二乘問(wèn)題minW2||X2W2*-B‾2||22---(8)]]>以便獲得W2，并在此從(6)中計(jì)算出W1。在進(jìn)一步的步驟中可以借助
E＝XW*(9)計(jì)算出所希望的輸出信號(hào)。尤其從并行的硬件實(shí)施的角度來(lái)看，優(yōu)選地把在求解帶有邊界值的最小二乘問(wèn)題中所包括的，也即在求解過(guò)程(6)、(7)、(8)和(9)中所包括的步驟納入到一種三角矩陣的生成過(guò)程中。假設(shè)將(n+N)×(M+K)矩陣M定義為 將一系列高斯變換Gpq(s)應(yīng)用到所述的矩陣M上，其中，Gpq(s)消除了所述的元素mpq，使得C1變成上三角形狀，而且完全消除X1，得出 式中，R1為一種上三角矩陣，而所述的n×(M-N+K)矩陣|X2B2|為M的Schur補(bǔ)數(shù)。要說(shuō)明的是，可以如此來(lái)選擇所述的變換，使得R1的對(duì)角元素變成實(shí)數(shù)值。
通過(guò)|X2|的QR分解，可以如此來(lái)解與下部左側(cè)塊有關(guān)的最小二乘問(wèn)題，使得X‾2=[Q2Qs-]R20]]>式中，[Q2Qs]是一種酉矩陣。由Givens旋轉(zhuǎn)Jpq(θ)組成所述必要的酉變換。矩陣的定義[P2HPsH]=B‾2H[Q2Qs]]]>和將一系列Givens旋轉(zhuǎn)應(yīng)用到M′上可以看出，通過(guò)酉變換來(lái)繼續(xù)(11)的部分的三角形成過(guò)程 正如以前所述的那樣，可以如此選擇所述的Givens旋轉(zhuǎn)，使得R2的對(duì)角元素變成實(shí)數(shù)值。通過(guò)應(yīng)用以上方程，實(shí)際上沒(méi)有W的明確計(jì)算就可以確定所述的輸出信號(hào)。E=XW*=Q2R2W2*-B‾2.---(13)]]>由于R2W2*＝P2，和B2＝Q2P2+QsPs，所以獲得E=-QsPs.---(14)]]>用一種處理器陣列來(lái)實(shí)施所述的算法。由于整個(gè)算法是從所述矩陣M的三角形成的角度來(lái)表達(dá)的，所以可以在一個(gè)上三角處理器陣列中實(shí)現(xiàn)它。
由于所述的信號(hào)是復(fù)數(shù)值的，所以所述的處理器單元必須處理復(fù)數(shù)值的數(shù)據(jù)。在通常的實(shí)施情況下，所述的單元必須基本上執(zhí)行乘法和累加。然而計(jì)算線性變換和酉變換的邊緣單元必須相應(yīng)地計(jì)算方根和除法。由于它們?cè)谟?jì)算技術(shù)上的復(fù)雜性，這些計(jì)算比乘法要求更多的時(shí)間。為了完成這個(gè)問(wèn)題，下面來(lái)研究所述處理器單元的內(nèi)部構(gòu)造。
以下將復(fù)數(shù)的CORDIC模塊化為實(shí)數(shù)的CORDIC，也就是說(shuō)轉(zhuǎn)化為如下方法，即用簡(jiǎn)單的移位和加法運(yùn)算來(lái)執(zhí)行一個(gè)二元矢量的旋轉(zhuǎn)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，首先以因子分解的形式來(lái)表達(dá)所述的復(fù)數(shù)旋轉(zhuǎn)?？梢钥闯?，在將這些一般復(fù)數(shù)模塊用于所述MVDR波束整形器的情況下，所述的一般復(fù)數(shù)模塊可以被簡(jiǎn)化。從酉旋轉(zhuǎn)的角度首先研究一種應(yīng)用于矢量v＝[ra]T的酉2×2矩陣Tu，式中，不僅r而且a都代表復(fù)數(shù)；也就是說(shuō)，r＝ 和a＝ 。于是通過(guò)Tu=c*s*-sc---(15)]]>來(lái)定義Tu，式中， 并因此Tuv=[|r|2+|a|20]T]]>以下設(shè)a和r為a或r的相位角。現(xiàn)在可以將Tu分解為4個(gè)矩陣 式中，sinδ=|a||r|2+|a|2]]>以及cosδ=|r||r|2+|a|2]]>如果現(xiàn)在通過(guò)具有實(shí)數(shù)元素的一種四元矢量 來(lái)描述所述的二元復(fù)數(shù)矢量v，式中 那么就能夠以下述的方式和方法以具有四個(gè)實(shí)數(shù)變換的表達(dá)式來(lái)表達(dá)方程(16)中的因子分解的復(fù)數(shù)變換。將Givens旋轉(zhuǎn) 和 應(yīng)用到所述的矢量 ，也即相當(dāng)于乘法re-jr或ae-ja。將矩陣 應(yīng)用到所述的矢量 ，這同樣相當(dāng)于將T3z(δ)應(yīng)用到v。迄今已置換了方程(16)中的四個(gè)復(fù)數(shù)因子中的三個(gè)。也可以將所余下的因子γ表達(dá)為一種實(shí)數(shù)旋轉(zhuǎn)。然而有利的是，不結(jié)合其它的旋轉(zhuǎn)來(lái)執(zhí)行所述的旋轉(zhuǎn)，而是延遲這些步驟。假設(shè)不結(jié)合其它變換來(lái)執(zhí)行所述的相位移γ，也就是說(shuō)存在著一種由獨(dú)立的相位因子e-j1或e-j2組成的剩余2×2對(duì)角矩陣。為了執(zhí)行所述Givens旋轉(zhuǎn)序列中的下一個(gè)消除步驟，需要執(zhí)行在方程(15)中規(guī)定的所述酉變換。因此應(yīng)計(jì)算 式中， 以及 在少數(shù)幾個(gè)代數(shù)變換之后從中得出 重要之處在于，在所述的引導(dǎo)對(duì)角矩陣中可以累加所述的相位因子。因此在最后的變換步驟中可以進(jìn)行所述的相位補(bǔ)償，而不必在每個(gè)處理器單元中計(jì)算所述的相位補(bǔ)償。這類(lèi)似于在因子分解旋轉(zhuǎn)時(shí)所采用的原理，在那里是在一種伴隨對(duì)角矩陣中累加所述旋轉(zhuǎn)的標(biāo)度。由于可以將(16)的Tu看作因子分解的旋轉(zhuǎn)，所以可以相應(yīng)地處理所述的第一對(duì)角矩陣。與因子分解的旋轉(zhuǎn)相反，為了避免溢出而在所述的算法期間不需要補(bǔ)償所述的對(duì)角矩陣，因?yàn)樗龅膶?duì)角矩陣γ僅含有相位因子。
以下研究線性的旋轉(zhuǎn)。與所述的酉旋轉(zhuǎn)相似，可以將一種復(fù)數(shù)的線性旋轉(zhuǎn)描述為由四個(gè)適合于實(shí)數(shù)表達(dá)的矩陣所組成的乘積。在線性的情況下，通過(guò) 給出所述的2×2變換矩陣T1，將此2×2變換矩陣T1應(yīng)用到所述的矢量v＝[ra]T，以便消除所述矢量v的第二組分。類(lèi)似于Tu，將T1的分解定義為 通過(guò)將方程(25)中的表達(dá)式與方程(16)中的表達(dá)式作比較可以發(fā)現(xiàn)，在兩種情況下都產(chǎn)生了所述的變換T1和T2。但通過(guò)一種線性的變換T31來(lái)代替所述的酉變換T3Z。又可以將這種復(fù)數(shù)變換表達(dá)為一種實(shí)數(shù)的4×4變換矩陣T31(|s|)=10000100-|s|0100-|s|01.---(26)]]>如在方程(16)中那樣，應(yīng)該用γ執(zhí)行最后的乘法，這實(shí)際上相當(dāng)于T31T2T1v的所述兩個(gè)元素的相位修正。象以上所述的那樣，將所述的相位旋轉(zhuǎn)寫(xiě)入一種對(duì)角矩陣中，換言之，可以在一種單獨(dú)的對(duì)角矩陣中累加這些相位旋轉(zhuǎn)。
下面來(lái)講述一個(gè)示范性的實(shí)施。如果現(xiàn)在置換CORDIC塊的所有實(shí)數(shù)變換，則產(chǎn)生由所述因子分解的表達(dá)式所組成的復(fù)數(shù)CORDIC單元。附圖2中示出了基于實(shí)數(shù)CORDIC單元的復(fù)數(shù)塊。在此，R1或R2的對(duì)角值是實(shí)數(shù)值的。所以在上述的復(fù)數(shù)CORDIC塊中可以略去多個(gè)實(shí)數(shù)的CORDIC單元。在附圖2中用實(shí)線示出了這些塊。附圖4中示出了基于CORDIC單元的整個(gè)處理器陣列。上側(cè)的兩個(gè)處理器系列實(shí)施了所述的部分高斯消除法，而位于其下的行中的單元?jiǎng)t實(shí)施所述的QR分解。此處在一個(gè)第二DOA處理塊中(DOA到達(dá)方向/接收方向)執(zhí)行用于從[C1C2B]生成矩陣[C~B~]=[R1C‾2B‾1]]]>的部分高斯變換。由DOA算法估測(cè)入射信號(hào)的方向。由于方向估測(cè)算法的高分辨能力，所以通過(guò)具有高精度的變換計(jì)算可以達(dá)到一種較好的效率。由于不必在每個(gè)描掃步驟中更新所述陣列的上面部分中的寄存值-因?yàn)樗鲂盘?hào)的入射方向(DOA)在時(shí)間方面變化比較緩慢-，所以所述方向估測(cè)器的執(zhí)行時(shí)間不是關(guān)鍵的。于是給所述線性處理器單元的寄存器分配所述的值 和 在采用基于CORDIC的近似變換時(shí)，這種方法可以提高所述邊界條件的精度。但是要說(shuō)明的是，所述的處理器陣列以某種精度為所有的CORDIC模塊工作，也即針對(duì)每個(gè)CORDIC模塊以固定數(shù)目的μ旋轉(zhuǎn)進(jìn)行工作。通過(guò)由三角單元組成的處理器陣列的各列來(lái)實(shí)施從方程(14)得出的γ因子計(jì)算，而且也實(shí)施所述的相位補(bǔ)償γ和 。附圖3(b)和3(c)中示出了相應(yīng)的單元。
從方程(14)得出的γ因子補(bǔ)償不是作為一種通常的乘法單元來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而是通過(guò)具有象所述陣列的余下部分那樣的內(nèi)部構(gòu)造的塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。以下將bi和c看作為任意的復(fù)數(shù)。通過(guò)將高斯變換在形式上應(yīng)用到M=-1[b1,b2,...]c0T]]>可以消除c，以便計(jì)算M的Schur補(bǔ)數(shù)，也就是G2,1(s)M=-1[b1,b2,...]0c[b1,b2,...].---(27)]]>所述的Schur補(bǔ)數(shù)顯然相當(dāng)于所述的乘積c[b1，b2，…]。因此可以將所述的乘法實(shí)施為一種變換計(jì)算和變換應(yīng)用。可以有利地為矢量化采用相同的單元，正象它被用在所述陣列的上面部分中那樣(附圖2(a))。此外，附圖3(a)所示的應(yīng)用單元具有象六角單元那樣的構(gòu)造。
以下討論仿真結(jié)果。在以下的仿真中假設(shè)所述要解碼的信號(hào)是4-QAM調(diào)制的信號(hào)。已經(jīng)如此選擇了所述的參數(shù)，使得表現(xiàn)為一種具有M＝5個(gè)天線和3個(gè)入射信號(hào)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。所述的天線均勻地分布在一種圓形裝置中，其中，將相鄰傳感器之間的間距設(shè)置在半個(gè)波長(zhǎng)上。
利用以角度-90°或63.4°從所述的已知方向入射的兩個(gè)在功率上相同的信號(hào)來(lái)進(jìn)行第一仿真試驗(yàn)。一個(gè)具有未知方向的干擾信號(hào)以128.7°入射。將從此得出的比特差錯(cuò)率作為附圖5所示的信噪比或信號(hào)干擾比的函數(shù)來(lái)示出。所述的處理器單元利用不同數(shù)目的CORDIC迭代進(jìn)行工作。已經(jīng)將所述的結(jié)果與采用準(zhǔn)確旋轉(zhuǎn)的仿真試驗(yàn)作了比較?？梢园l(fā)現(xiàn)，三個(gè)μ旋轉(zhuǎn)已經(jīng)導(dǎo)致幾乎與準(zhǔn)確計(jì)算相同的比特差錯(cuò)率。
下面接著研究從中得出的波束圖或方向圖，在這里是一種天線系統(tǒng)或天線陣列的波束圖或方向圖。為了確定陣列的方向圖，已經(jīng)在某些仿真步驟之后讀出所述陣列的寄存器單元。象在討論處理器陣列之前已經(jīng)討論過(guò)的那樣，可以從中計(jì)算出固有的加權(quán)因子。附圖6中示出了所產(chǎn)生的方向圖。借助虛線示出了所述的信號(hào)方向和干涉信號(hào)或干擾信號(hào)方向。盡管所示的曲線具有一種不同的走向，但是它們滿足所述的期望。無(wú)論所述的準(zhǔn)確計(jì)算的方向圖，還是所述的近似求解的方向圖，它們?cè)谒鯩VDR判據(jù)的意義上都最佳地滿足了所述的邊界條件＂增益等于1＂。此外，所述已知干擾信號(hào)或干涉信號(hào)的抑制是很準(zhǔn)確的。所述未知干擾信號(hào)的抑制隨著μ旋轉(zhuǎn)的數(shù)目而增長(zhǎng)。
為了表征所述的近似法，已經(jīng)在費(fèi)用方面考慮了輸出信號(hào)質(zhì)量(BER比特差錯(cuò)率)和計(jì)算費(fèi)用之間的折衷。對(duì)此，在采用具有標(biāo)度因子補(bǔ)償?shù)念?lèi)似CORDIC的近似旋轉(zhuǎn)時(shí)，圖7示出了所述陣列的效率分布圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，4個(gè)μ旋轉(zhuǎn)已足夠達(dá)到整個(gè)可能的效率。
為了實(shí)現(xiàn)所述的方法，建議提供象附圖8中所示基站那樣的基站，這些基站在使用所述處理器陣列1的任意空間裝置中具有多個(gè)偶極天線2?？梢虼双@得的數(shù)據(jù)流被供給所述處理器陣列1的各一個(gè)單元。由一個(gè)單獨(dú)的到達(dá)方向塊DOA3提供關(guān)于所述入射的有用和干擾信號(hào)的方向信息。在所述處理器陣列的用戶側(cè)的輸出端4上施加有代表N個(gè)入射信號(hào)的基帶信息的N個(gè)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)流，對(duì)于這些信號(hào)存在著入射方向。每個(gè)輸出端由此提供一個(gè)在所述MVDR判據(jù)的意義上最佳地指向所述發(fā)送機(jī)天線陣列的信號(hào)。
優(yōu)選在ASIC(ASIC專用集成電路/客戶/應(yīng)用專用集成電路)上，或在FPGA(FPGA現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列/由規(guī)則結(jié)構(gòu)所構(gòu)造的、可自由編程的邏輯模塊組成)上實(shí)現(xiàn)上述的三角陣列1。這種規(guī)則的結(jié)構(gòu)也使得多處理器系統(tǒng)的采用成為可能。尤其通過(guò)CORDIC塊來(lái)實(shí)現(xiàn)各個(gè)單元的旋轉(zhuǎn)裝置。在此，將所述復(fù)數(shù)值的CORDIC塊化為實(shí)數(shù)值的CORDIC模塊。所述的處理器陣列1在原則上適合于處理所述復(fù)數(shù)信號(hào)處理中的、可以化為具有補(bǔ)充條件的最小二乘問(wèn)題的任何問(wèn)題。建議一種MMMSE接收器作為優(yōu)選的實(shí)施例(MMMSE改進(jìn)的最小均方誤差)。MMSE表示用于調(diào)節(jié)濾波器系數(shù)的一般判據(jù)，其中，在CDMA傳輸系統(tǒng)中采用MMMSE接收器(CDMA碼分多址)。譬如在經(jīng)無(wú)線接口傳輸?shù)奈磥?lái)移動(dòng)無(wú)線電系統(tǒng)中，譬如在UMTS(通用移動(dòng)電信系統(tǒng))中，或在具有約2000MHz頻帶中的頻率的第三代其它系統(tǒng)中采用CDMA。在此，所述的改進(jìn)方案也可以應(yīng)用于滿足瑞利統(tǒng)計(jì)的信道中。
權(quán)利要求
1.信號(hào)處理任務(wù)用的復(fù)數(shù)值的類(lèi)似CORDIC的方法，所述的信號(hào)處理任務(wù)可以化為具有至少一個(gè)補(bǔ)充條件的最小二乘問(wèn)題，其中在一種處理器陣列(1)上執(zhí)行一種算法，其特征在于，在所述處理器陣列內(nèi)部的至少一個(gè)工作步驟中考慮所述的補(bǔ)充條件。
2.按權(quán)利要求1的方法，其中在構(gòu)造形式相同的、基于實(shí)數(shù)CORDIC的單元中實(shí)施一種完整的復(fù)數(shù)值的信號(hào)處理。
3.按權(quán)利要求1和2的方法，其中將復(fù)數(shù)的相位因子轉(zhuǎn)移到一種對(duì)角矩陣(1)中。
4.按上一權(quán)利要求的方法，其中在CORDIC實(shí)施中僅執(zhí)行移位和加法運(yùn)算。
5.按上一權(quán)利要求的方法，其中將復(fù)數(shù)值的CORDIC塊化為實(shí)數(shù)值的CORDIC模塊。
6.尤其是無(wú)線電通信系統(tǒng)的通信系統(tǒng)，用于實(shí)施如一個(gè)以上權(quán)利要求所述的、尤其是信號(hào)處理任務(wù)用的復(fù)數(shù)值的類(lèi)似CORDIC的方法，-具有至少一個(gè)發(fā)送和接收臺(tái)，尤其是在任意空間裝置中具有許多偶極天線(2)的基站，和-具有一種處理器陣列(1)，所述的處理器陣列(1)具有許多用于接收多個(gè)偶極天線(2)的天線信號(hào)的前側(cè)輸入端，和許多用于輸出具有N個(gè)入射信號(hào)的基帶信息的N個(gè)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)流的輸出端(4)。
7.按權(quán)利要求6的通信系統(tǒng)，其中所述處理器陣列(1)的所述許多輸出端(4)是與一種常規(guī)的單天線接收器(5)相耦合的。
8.按權(quán)利要求7的通信系統(tǒng)，其中所述的處理器陣列(1)是三角形構(gòu)造的。
9.按權(quán)利要求6至8之一的通信系統(tǒng)，其中由一種到達(dá)方向塊(DOA，3)提供關(guān)于入射的有用和干擾信號(hào)的方向信息。
10.處理器陣列(1)，用于實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1至5之一所述的、信號(hào)處理任務(wù)用的復(fù)數(shù)值的類(lèi)似CORDIC的方法。
全文摘要
本發(fā)明涉及信號(hào)處理任務(wù)用的一種復(fù)數(shù)值的類(lèi)似CORDIC的方法,所述的信號(hào)處理任務(wù)可以化為具有至少一個(gè)補(bǔ)充條件的最小二乘問(wèn)題,其中在一種處理器陣列(1)上執(zhí)行一種算法。為了避免計(jì)算所述補(bǔ)充條件用的前聯(lián)計(jì)算機(jī)級(jí),建議在所述處理器陣列內(nèi)部的至少一個(gè)工作步驟中考慮所述的補(bǔ)充條件,其中,尤其在構(gòu)造形狀相同的、基于實(shí)數(shù)CORDIC的單元中進(jìn)行一種完整的復(fù)數(shù)值的信號(hào)處理。相應(yīng)地也建議一種無(wú)線電通信系統(tǒng),用于為信號(hào)處理任務(wù)執(zhí)行復(fù)數(shù)值的類(lèi)似CORDIC的方法,所述的無(wú)線電通信系統(tǒng)配備有至少一個(gè)發(fā)送和接收臺(tái),尤其是配備有在任意空間裝置中具有許多偶極天線(2)的基站,并配備有一種處理器陣列(1),所述的處理器陣列(1)具有許多用于接收多個(gè)偶極天線(2)的天線信號(hào)的前側(cè)輸入端,和許多用于輸出具有N個(gè)入射信號(hào)的基帶信息的N個(gè)復(fù)數(shù)數(shù)據(jù)流的輸出端(4)。
文檔編號(hào)G06F7/544GK1382272SQ0081462
公開(kāi)日2002年11月27日 申請(qǐng)日期2000年10月20日 優(yōu)先權(quán)日1999年10月20日
發(fā)明者M·奧特, M·比克, J·格策 申請(qǐng)人:西門(mén)子公司