一種改進(jìn)的多徑獲取方案*

1 引言

時(shí)延估計(jì)廣泛地應(yīng)用于雷達(dá)、聲納和通信等領(lǐng)域，是數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域中一個(gè)十分活躍的研究課題，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。在雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域，根據(jù)時(shí)延參數(shù)，我們可以確定目標(biāo)的距離、速度和方位等信息[1]，而在無線通信中，只有對(duì)多徑時(shí)延等信道傳播特性有充分的認(rèn)識(shí)，才能對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，從而得到更好的系統(tǒng)性能。本文主要對(duì)通信中的多徑時(shí)延獲取方案進(jìn)行研究。

通信中時(shí)延特性獲取一般通過實(shí)際的信道測(cè)量。信道測(cè)量的目的在于獲取信道的沖擊響應(yīng)，并從中提取出信道特征參數(shù)。目前的信道測(cè)量主要分三類：直接脈沖測(cè)量，掃頻測(cè)量，滑動(dòng)相關(guān)測(cè)量。

直接脈沖測(cè)量需要在發(fā)射端以一定的間隔傳送射頻窄脈沖，通過接收端濾波和檢波后，在高速數(shù)字示波器上觀測(cè)接收到的多徑信號(hào)，得到各多徑分量的幅度、到達(dá)時(shí)間及相位信息，直接脈沖法雖然實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但是需要較高的功率峰均比，因?yàn)榘l(fā)射機(jī)功率受限，因此測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍受限。掃頻法利用信道響應(yīng)的時(shí)域和頻域間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀控制信號(hào)產(chǎn)生器使其在某一特定的頻段內(nèi)按照指定的步進(jìn)寬度變頻，然后測(cè)量得到信道在每一個(gè)頻點(diǎn)上的頻率響應(yīng)，進(jìn)而通過逆傅里葉變換獲得時(shí)域的信道沖激響應(yīng)。由于矢量分析儀必須和發(fā)射機(jī)與接收機(jī)進(jìn)行物理連接，所以掃頻法只在短距離信道下可用?；瑒?dòng)相關(guān)測(cè)量使用偽噪聲序列（Pseudo-Noise）作為信道探測(cè)信號(hào)，在接收端與發(fā)送信號(hào)做滑動(dòng)相關(guān)即可得到信道沖擊響應(yīng)[2]。由于滑動(dòng)相關(guān)法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，且具有一定程度的抗噪聲性，所以，目前很多的科研團(tuán)隊(duì)多采用滑動(dòng)相關(guān)法進(jìn)行信道測(cè)量[3-5]。

本文提出的方案基于滑動(dòng)相關(guān)測(cè)量法，選擇了LTE中ZC（Zadoff-Chu）序列作為測(cè)量信號(hào)；另外，由于在信噪比較低情況下，滑動(dòng)相關(guān)測(cè)量的效果會(huì)受到影響，所以本文對(duì)方案進(jìn)行改進(jìn)，在滑動(dòng)相關(guān)前會(huì)對(duì)信號(hào)進(jìn)行噪聲預(yù)處理，最后本文通過matlab仿真，得出所提方案的可行性。

2 滑動(dòng)相關(guān)原理及信號(hào)選取

2.1 滑動(dòng)相關(guān)原理

由上式可知，無線信道的沖擊響應(yīng)可以通過將白噪聲作為發(fā)射信號(hào)，并依賴相關(guān)操作獲得。實(shí)際中理想白噪聲用偽噪聲（Pseudo-Noise）序列代替。

2.2 測(cè)量信號(hào)選取

在信道測(cè)量中，測(cè)量信號(hào)的構(gòu)建主要遵循以下幾個(gè)原則：

（1）信號(hào)的相關(guān)特性：利用滑動(dòng)相關(guān)法進(jìn)行信道測(cè)量時(shí)，信號(hào)的相關(guān)特性至關(guān)重要。相關(guān)特性越好，信號(hào)的功率時(shí)延譜中旁瓣峰值越低，多徑的誤判概率也會(huì)顯著下降。

（2）信號(hào)的帶寬：探測(cè)信號(hào)帶寬的倒數(shù)決定了測(cè)量時(shí)系統(tǒng)的時(shí)延分辨率。所以在信道頻帶范圍內(nèi)，信號(hào)的帶寬越大，時(shí)延分辨率越高。

（3）信號(hào)持續(xù)時(shí)間：若信號(hào)持續(xù)時(shí)間較短，且小于信道的最大時(shí)延擴(kuò)展時(shí)，將會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性，若信號(hào)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，則會(huì)增加數(shù)據(jù)處理的時(shí)間，所以信號(hào)持續(xù)時(shí)間設(shè)定也很重要。

圖1 ZC序列自相關(guān)及與白噪聲的互相關(guān)

圖2 m序列自相關(guān)及與白噪聲的互相關(guān)

信道測(cè)量中相關(guān)性能較佳，同時(shí)也是最常用的偽噪聲信號(hào)主要有m序列和Zadoff-Chu序列，因此本文對(duì)比考察了它們?cè)谕乳L(zhǎng)度下的自相關(guān)特性和以及與白噪聲的互相關(guān)特性。

上面圖1所示ZC序列的自相關(guān)函數(shù)峰均比約為442，圖2顯示了在同等長(zhǎng)度下，m序列的自相關(guān)峰均比約為98，且ZC和m序列與同一高斯白噪聲互相關(guān)的均值相差無幾。比較而言，ZC序列的性能要優(yōu)于同等長(zhǎng)度的m序列，另外，ZC序列長(zhǎng)度可以為任意值，所以綜合而言，本文的測(cè)量方案選擇以ZC序列作為測(cè)量信號(hào)。

3 改進(jìn)的多徑獲取方案

基于滑動(dòng)相關(guān)的多徑獲取方案由于在低信噪比時(shí)性能不佳，所以本文提出了改進(jìn)的多徑獲取方案，即在滑動(dòng)相關(guān)前對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行EMD分解濾波，其原理是利用EMD分解濾波后能濾除部分噪聲且保留原信號(hào)的特性，此方案相對(duì)傳統(tǒng)的方案有一定的性能提升。

3.1 基于EMD分解的濾波原理

經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解方法(EMD)是將原始信號(hào)分解成若干固有模態(tài)函數(shù)(IMF)，在這個(gè)過程中原始信號(hào)的各種頻率的成分以不同固有模態(tài)函數(shù)的形式從原始時(shí)問信號(hào)中分解出來[6]。其中固有模態(tài)函數(shù)滿足如下條件：首先是極值點(diǎn)的個(gè)數(shù)和過零點(diǎn)的個(gè)數(shù)相等或者最多相差為1個(gè)；其次由極大值和極小值分別擬合得到的上包絡(luò)和下包絡(luò)的平均值為零。EMD分解的關(guān)鍵在于求取IMFs,其步驟如下：

①求取信號(hào)的極大值點(diǎn)和極小值點(diǎn)，同時(shí)擬合得到上下包絡(luò)線并求得均值為

4 仿真分析

圖3 初始滑動(dòng)相關(guān)性能圖

本節(jié)matlab仿真中設(shè)定信道為高斯白噪的多徑信道，多徑數(shù)為3，并且采用了序列長(zhǎng)度為1023的ZC序列作為測(cè)量信號(hào)，設(shè)定信號(hào)帶寬為50MHz，則理論時(shí)延分辨率為20ns，理論可測(cè)的最大多徑時(shí)延為20.44us。

滑動(dòng)相關(guān)測(cè)量的性能主要在于接收信號(hào)與參考信號(hào)作滑動(dòng)相關(guān)后，接收信號(hào)與原參考信號(hào)完全對(duì)齊時(shí)才能得到最大值（峰），本文首先仿真了理想情況時(shí)的滑動(dòng)相關(guān)測(cè)量的性能。

在沒有噪聲或信噪比較高的理想情況下，通過滑動(dòng)相關(guān)能完全識(shí)別出整數(shù)倍采樣點(diǎn)的時(shí)延，但是當(dāng)信噪比的較低時(shí)，除了主徑與多徑形成的峰值，還有噪聲形成的偽峰。所以基于滑動(dòng)相關(guān)的多徑時(shí)延獲取關(guān)鍵在于如何提高多徑峰值與偽峰之間的差值，即提高有效徑的峰值與噪聲之比，減少多徑的誤判。在此基礎(chǔ)上，本文提出了新的多徑獲取方案。在接收信號(hào)進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)前，先對(duì)其進(jìn)行EMD分解，再去除趨勢(shì)項(xiàng)，最后進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)獲取多徑時(shí)延。本文在參數(shù)不變的情況下，對(duì)改進(jìn)后的方案進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果如下圖：

對(duì)比圖3和圖4可知，在相同信噪比情況下，通過去除EMD分解后的殘余項(xiàng)可以顯著改善噪聲對(duì)滑動(dòng)相關(guān)的影響，減少多徑誤判的可能。

圖5顯示了不同信噪比下，直接滑動(dòng)相關(guān)后的信號(hào)峰值與底噪的比值以及改進(jìn)后的滑動(dòng)相關(guān)信號(hào)峰值與底噪的比值，從圖中可以看出，改進(jìn)后的滑動(dòng)相關(guān)對(duì)峰均比有明顯改善，多徑誤判的幾率會(huì)大大減小，從而也證明了本文提出的多徑時(shí)延獲取方案的可行性。

圖4 基于EMD分解改進(jìn)后的滑動(dòng)相關(guān)

圖5 不同信噪比下滑動(dòng)相關(guān)性能對(duì)比

5 結(jié)束語

針對(duì)低信噪比時(shí)滑動(dòng)相關(guān)法獲取多徑時(shí)性能不足的問題，本文對(duì)基于滑動(dòng)相關(guān)的多徑的獲取方案進(jìn)行了分析改進(jìn)。通過理論分析和仿真結(jié)果表明，本文所提的多徑獲取方案性能會(huì)更優(yōu)，可以對(duì)信道測(cè)量技術(shù)的進(jìn)一步研究提供參考。