CN101424730A - 一种多通道定位系统的校准方法 - Google Patents

Abstract

一种多通道定位系统的校准方法，其特征在于：它包括设置校准通道、校准信号发送和接收、接收信号处理、相位偏移和幅度偏移判断和正常接收五个操作程序；A.其中的设置校准通道程序，是指将接收通道设置为接收状态，并将发信机打开；B.其中的校准信号发送和接收程序，是指用发信机选择对同系统中其它设备带来较少干扰的频点将校准信号进行连续发生，其持续发送时间以取10～20个基带正弦信号周期；C.其中的接收信号处理程序，是指用基带处理器对接收的各个通道数据进行幅偏和相偏估算；D.对相位偏移和幅度偏移与校准标准进行比较，合符标准时结束校准，进入正常多通道接收，不合符标准时则继续返回第二步骤，重新进行相位和幅度校准；E.完成校准后进入正常多通道接收。

Description

一种多通道定位系统的校准方法

技术领域

本发明涉及通信接收技术，特别是一种多通道定位系统的校准方法，适用于任何的多天线/多通道接收通信系统。

背景技术

多通道接收的主要任务之一就是实现对信号空间参数(如波达方向、信号源距离)的估计。以波达方向的估计为例，如图1所示的天线阵元接收来自某一方向的窄带信号s_i(n)，方向角为θ_i，如果以阵元1为基准点(简称参考阵元)，由于到达方向角的作用，使信号到达其它阵元的时间相对于参考阵元存在延迟(或超前)，而这一延迟造成其它阵元接收到的信号相位相对于参考阵元存在差异，由于阵元之间的相对位置固定，因此相位差异与到达方向角之间就存在一一对应的关系，以图1的等距线阵为例，信号s_i(n)在第2个阵元引起的相位差为w_i，θ_i与w_i之间关系即为

$w_i=2\mathrm{\π}\frac{d}{\mathrm{\λ}}\sin {\mathrm{\θ}}_i---\left(1\right)$

式中d是两个相邻阵元之间的距离，λ为信号波长。

基于关系式(1)，只要接收机端的基带处理器能够准确得到不同阵元间的相位差，就能够准确的估算出到达信号的方向。

为了保证测量的准确性，要求不同阵元从天线接收到基带处理这一过程具有相同的幅度和相位响应，然而在实际系统中，由于不同阵元经过不同的接收通道，它们之间相互独立，随着周围环境的变换，不同接收通道之间很难会保证相同的幅度和相位增益，如果它们之间自身存在差异，那么这些差异就会严重影响信号空间参数估计的准确性。

鉴于在多通道接收系统(比如MIMO、智能天线)中，接收机可能需要利用不同的通道接收信号来对信号到达角度、距离、多通道相关性等信号空间参数进行测量，但是由于多通道之间相互独立，不同通道之间会存在幅度和相位上的固有差异，这些差异都会严重影响上述多个信号空间参数测量的准确性。

因此如何使接收机能够在测量之初对多通道进行校准，将多通道间的幅度和相位差降为可允许的范围一直是通信行业期望解决的课题。

发明内容

本发明专利的目的：旨在提出一种多通道定位系统的校准方法，能够准确的测量出上述多通道之间的相位和幅度差异，然后根据这些差异对它们进行校准，最后进行空间参数估计，提高估计的可靠性。

这种多通道定位系统的校准方法，其特征在于：它包括设置校准通道、校准信号发送和接收、接收信号处理、相位偏移和幅度偏移判断和正常接收五个操作程序；其中的设置校准通道程序，是指将接收通道设置为接收状态，并将发信机打开；其中的校准信号发送和接收程序，是指用发信机选择对同系统中其它设备带来较少干扰的频点将校准信号进行连续发送，其持续发送时间以取10～20个基带正弦信号周期；其中的接收信号处理程序，是指用基带处理器对接收的各个通道数据进行幅偏和相偏估算；其中的对相位偏移和幅度偏移与校准标准进行比较，合符标准时结束校准，进入正常多通道接收，不合符标准时则继续返回第二步骤，重新进行相位和幅度校准；最终完成校准后进入正常多通道接收。

其具体操作方法如下：

首先，本地发信机选择一个频点发送校准信号，校准信号可以采用随机序列，也可以采用低频正弦信号，以低频正弦信号为例，发射信号为

S(t)＝Ae^jΩt             (2)

其中Ω为基带频率。

于此同时，打开本地的多接收通道(假设通道数为N)，接收本地发信机发送的校准信号。接收信号表示为

$\begin{array}{cc}{S}_i\left(t\right)=A_i\·{\mathrm{Ae}}^{j(\mathrm{\Ωt}+{\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\φ}}_i)}+n_i\left(t\right)& i=0~N-1\end{array}---\left(3\right)$

其中A_i和θ_i分别表示第i通道的幅度和相位响应，而φ_i表示发信机天线到达第i通道接收天线距离造成的相位偏移，该偏移随着不同的天线排列结构而不同，并且对于基带处理器可以准确获得，n_i(t)表示复高斯白噪声。

多通道接收机以数倍于Ω的频率M·Ω对接收信号进行过采样，得到

$\begin{array}{cc}{S}_i\left(k\right)=A_i\·{\mathrm{Ae}}^{j(\frac{k}{M}+{\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\φ}}_i)}+n_i\left(k\right)& i=0~N-1,k=0~L\end{array}---\left(4\right)$

为了使多通道的幅度和相位影响趋于一致，以第0通道做为参考通道，估计其它通道相对于第0通道的相位和幅度偏差。

采用下面的方法估计第i通道相对于第0通道的相位偏差

计算S₀(k)与S_i(k)相关的平均值

$c_{i,0}=\frac{1}{L}\underset{k=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_0^{\′}\left(k\right)\·S_i\left(k\right)---\left(5\right)$

基于概率论的知识，我们知道，当L->∞时，

$c_{i,0}=A_i\·A_0\·A^2\·e^{j[({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_0)+({\mathrm{\φ}}_i-{\mathrm{\φ}}_0)]}---\left(6\right)$

这样利用式(5)可以较好的获得相位偏差信息

${\widehat{\mathrm{\θ}}}_i=\mathrm{arc}\left(c_{i,0}\right)-({\mathrm{\φ}}_i-{\mathrm{\φ}}_0)---\left(7\right)$

为了估算第i通道相对与第0通道的幅度偏差，考察式(6)，有

|c_i，0|＝A_i·A₀·A²           (8)

考虑到发信机发生的训练序列对于本地已知，所以利用下面的方法来估算第0通道的幅度信息

${\hat{A}}_0=\left|\frac{c_{0,s}}{A}\right|=\left|\frac{\frac{1}{L}\underset{k=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}S\′\left(k\right)\·S_0\left(k\right)}{A}\right|---\left(8\right)$

上式(9)的期望为A₀·A，根据式(9)和(8)就可以得到第i通道相对与第0通道的幅度偏差

$A_{i,1}=\frac{\left|c_{i,0}\right|}{{\left|{\hat{A}}_0\right|}^2}\≈\left|\frac{A_i}{A_0}\right|---\left(10\right)$

如此只要利用式(5)和(6)就可以得到所有通道相对与第0通道的相位偏差，利用(8)、(9)和(10)就可以得到所有通道相对于第0通道的幅度偏差。

根据以上技术方案提出的这种多通道定位系统的校准方法，各接收通道根据测量的相位和幅度偏差进行至少一次以上的自校准，直到最终测量到的偏差达到可容许的范围(比如要求连续n次测量内相位偏移都小于5°，幅度偏移小于0.5dB)，从而最终实现对多个信号空间参数的测量，完成多通道定位系统的校准。

附图说明

附图1为天线阵元接收示意图；

附图2-1为SNR＝10dB时幅度估算偏差的概率密度曲线；

附图2-2为SNR＝10dB时相位估算偏差的概率密度曲线；

附图3-1为SNR＝5dB时幅度估算偏差的概率密度曲线；

附图3-2为SNR＝5dB时相位估算偏差的概率密度曲线；

附图4-1为SNR＝0dB时幅度估算偏差的概率密度曲线；

附图4-2为SNR＝0dB时相位估算偏差的概率密度曲线；

附图5为本发明的操作流程图。

具体实施方式

以下给出一些matlab仿真结果，其中选用了A、B两路通道，以A路作为参考，对B路校准，发送信号如式(2)所示，接收信号为

S_A＝S(t)+n_A(t)

$S_B=A_{B,A}\·S\left(t\right)\·e^{{\mathrm{j\θ}}_{B,A}}+n_B\left(t\right)$             (11)

其中A_B，A为B路相对于路的幅度偏移，θ_B，A为B路相对于A路的相位偏移，分别设定不同的相偏和频偏以及不同的信号干扰比，进行仿真测试，其中设置M＝256，L＝256×16，得到如附2到附图4的PDF分布曲线，仿真结果显示即使在SNR＝0dB时，幅度估算偏差都很难超过0.7dB，而相位估算偏差更是不会超过4°，可见该发明方法具有较强的抗干扰能力。

另外，从实现上来看，此种多通道校准方法比较简单，较多的依靠乘累加操作，避免大量除法的使用，实现简单，具有很高的实用价值。

如图5所示，本发明包括五步骤实施过程，概括如下：

1)设置校准通道，将接收通道设置为接收状态，将发信机打开。

2)校准信号发送和接收，发信机选择对同系统中其它设备带来较少干扰的频点将校准信号进行发送，持续发送时间建议取10～20个基带正弦信号周期。

3)接收信号处理，基带处理器对接收的各个通道数据按照第4节所述方法进行幅偏和相偏估算。

4)判断相位偏移和幅度偏移是否在可容许范围内，如果是，转到第5步，否则跳到第2步继续进行相位和幅度校准。

5)校准结束，开始正常接收。

Claims (5)

1、一种多通道定位系统的校准方法，其特征在于：它包括设置校准通道、校准信号发送和接收、接收信号处理、相位偏移和幅度偏移判断和正常接收五个操作程序；A、其中的设置校准通道程序，是指将接收通道设置为接收状态，并将发信机打开；B、其中的校准信号发送和接收程序，是指用发信机选择对同系统中其它设备带来较少干扰的频点将校准信号进行连续发生，其持续发送时间以取10～20个基带正弦信号周期；C、其中的接收信号处理程序，是指用基带处理器对接收的各个通道数据进行幅偏和相偏估算；D、对相位偏移和幅度偏移与校准标准进行比较，合符标准时结束校准，进入正常多通道接收，不合符标准时则继续返回第二步骤，重新进行相位和幅度校准；E、完成校准后进入正常多通道接收。

2、如权利要求1所述的一种多通道定位系统的校准方法，其特征在于：利用本地发信机选择一个频点发送校准信号，该校准信号采用随机序列信号或低频正弦信号，以低频正弦信号时，其发射信号为：S(t)＝Ae^jΩt，其中Ω为基带频率。

3、如权利要求1所述的一种多通道定位系统的校准方法，其特征在于：利用本地通道数为N的多接收通道机接收本地发信机发送的校准信号，此时接收信号表示为：

$\begin{array}{cc}{S}_i\left(t\right)=A_i\·{\mathrm{Ae}}^{j(\mathrm{\Ωt}+{\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\φ}}_i)}+n_i\left(t\right)& i=0~N-1\end{array}$ ，并以数倍于Ω的频率M·Ω对接收信号进行过采样，得到

$\begin{array}{cc}{S}_i\left(k\right)=A_i\·{\mathrm{Ae}}^{j(\frac{k}{M}+{\mathrm{\θ}}_i+{\mathrm{\φ}}_i)}+n_i\left(k\right)& i=0~N-1,k=0~L\end{array}$

以第0通道做为参考通道，估计其它通道相对于第0通道的相位和幅度偏差。

4、如权利要求1所述的一种多通道定位系统的校准方法，其特征在于：采用 $c_{i,0}=\frac{1}{L}\underset{k=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{S}_0^{\′}\left(k\right)\·S_i\left(k\right)$ 计算S₀(k)与S_i(k)相关的平均值，估计第i通道相对于第0通道的相位偏差，获得相位偏差信息： ${\widehat{\mathrm{\θ}}}_i=\mathrm{arc}\left(c_{i,0}\right)-({\mathrm{\φ}}_i-{\mathrm{\φ}}_0).$

5、如权利要求1所述的一种多通道定位系统的校准方法，其特征在于：利用考察式 $c_{i,0}=A_i\·A_0\·A^2\·e^{j[({\mathrm{\θ}}_i-{\mathrm{\θ}}_0)+({\mathrm{\φ}}_i-{\mathrm{\φ}}_0)]}$ (当L->∞时)，获得估计第i通道相对于第0通道的幅度偏差|c_i，0|＝A_i·A₀·A²，应用 ${\hat{A}}_0=\left|\frac{c_{0,s}}{A}\right|=\left|\frac{\frac{1}{L}\underset{k=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}S\′\left(k\right)\·S_0\left(k\right)}{A}\right|$ 估算第0通道的幅度信息，应用上述两式就可以得到第i通道相对于第0通道的幅度偏差： $A_{i,1}=\frac{\left|c_{i,0}\right|}{{\left|{\hat{A}}_0\right|}^2}\≈\left|\frac{A_i}{A_0}\right|.$

Images