CN102780658A - 时域信号冲激响应的提取方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时域信号冲激响应的提取方法及装置，该方法包括以下步骤：通过信道接收单模板信号的时域信号，获取该时域信号的各个脉冲的峰值a_k和与a_k对应的时刻t_k，其中，k为正整数；根据a_k、t_k和单模板信号的峰值a_m得到信道的冲激响应。通过本发明提高了系统的精度和性能。

Description

时域信号冲激响应的提取方法及装置

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种时域信号冲激响应的提取方法及装置。

背景技术

无线通信正朝着宽带化和多点融合化的方向发展，目前，发射/接收宽带(或者超宽带)的硬件条件已经成熟，无线信道的研究成为制约无线通信发展的瓶颈。

信道是指传输信息的物理性通道，不同的信道对信号的传输有不同的影响，而信道的各个参数决定了信道对信号的影响程度。通过信道建模可以了解信道对传输信号的影响，发掘系统容量，优化系统性能。信道建模是指通过对接收信号的分析处理，将信道内影响信号传输的参数估计出来的过程，而好的信道模型是使估计误差最小化的估计算法。

室内无线信道模型通常可分为经验模型和确定性模型。其中，信道的统计性建模使用广泛且较为常见，属于经验模型。该模型的建模方法是在测量环境中布置大量的测量点进行测量、分析及统计，得到该环境下接收信号的统计规律。该模型是一个模拟线性滤波系统的时域脉冲响应公式，统计的对象为接收点的信道冲激响应，因此，准确提取信号的冲激响应是建立信道模型的关键。

实测信号的冲激响应可以通过直接发射单脉冲信号，并在接收端接收信号的时域响应波形，通过某些算法将信道冲激响应提取而得到，也可以先直接获得频域冲激响应，经傅里叶反变换得到，即，室内信道测量系统主要分为时域与频域。其中，时域测量系统的后期处理主要解决由时域接收信号到时域信道冲激响应的变换，即从时域接收信号中去除发射信号波形及收发天线的影响；频域测量系统的后期处理主要解决信道频域冲激响应到信道时域冲激响应的变换，即对频域实测数据进行傅里叶反变换。

图1是根据相关技术的实际测量的接收信号时域波形的示意图，如图1所示，图中的平行的两条直线代表判定冲激响应的门限值，在门限之内的波形信号当作噪声处理，不予提取冲激响应。在相关技术中，用于提取时域信号冲激响应的CLEAN算法是通过对模板信号的自相关和模板信号与接收信号的互相关进行比较来解卷积，从而提取信道的冲激响应，主要应用在超宽带信号中。图2是根据相关技术的采用CLEAN算法对接收信号提取信道冲激响应的示意图，如图2所示，该方法的具体实施方案如下：

假设时域接收信号波形r(t)为：

r(t)＝p(t)*T_X(t)*h(t)*R_X(t)+n(t)；

其中，*代表卷积，T_X(t)和R_X(t)分别是发射天线和接收天线的时域冲激响应，h(t)是信道冲激响应，n(t)是加性高斯白噪声。

在CLEAN算法中，首先通过实测获得模板信号s(t)＝T_X(t)*p(t)*R_X(t)+n′(t)，其中，n′(t)是模板测量中的高斯白噪声；继而通过迭代算法，利用模板信号s(t)从接收信号r(t)中去掉T_X(t)、R_X(t)和n(t)的影响，计算信道冲激响应h(t)的近似值。具体地，模板信号s(t)的获得方法是：在暗室中将收发天线对齐，在满足远场要求的距离进行测量，并从接收信号中直接分离出完整的最强脉冲信号作为模板信号s(t)。

单模板CLEAN算法迭代过程如下：

1)计算模板信号s(t)的自相关函数r_ss(t)，

2)计算接收信号和模板脉冲的互相关函数r_sr(t)，

3)寻找互相关函数r_sr(t)中的幅度极大值，取其时延ζ_k，用此极大值除r_ss(t)的最大值得幅度值a_k，保存数据a_k和ζ_k；

4)在ζ_k位置做r_sr(t)＝r_sr(t)-a_k*r_ss(t)，并更新r_sr(t)；寻找r_sr(t)极大值，若此值大于门限则转到3)，若小于门限则转5)；

5)信道冲激响应为

N为多径总数。

可见，该方法是通过解卷积的方式估计出信道冲激响应的，这种方法对带宽和仪器精度都有很高的要求，且要求接收信号的波形无失真或失真度较小。

依照信道冲激响应的定义，信道冲激响应与模板信号的卷积就是接收信号。因此，可以将提取出来的冲激响应卷积模板信号，再与接收信号作对比，以此来判定提取出来的冲激响应是否有误。在一些信号波形失真的场合，CLEAN算法所提取出来的冲激响应与实际情况完全不符，误差较大。

图3是根据相关技术的采用CLEAN算法的冲激响应卷积模板信号的示意图，如图3所示，通过CLEAN算法提取出来的信道冲激响应卷积模板信号后与实测信号相差很远。因此，在一些带宽较窄且波形失真的情况下，使用CLEAN算法来提取信道冲激响应就会造成严重误差，从而导致对测量系统的参数估计错误。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种时域信号冲激响应的提取方案，以至少解决上述相关技术中由于采用CLEAN算法提取信道冲激响应误差严重而导致对系统参数估计错误的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种时域信号冲激响应的提取方法。

根据本发明的时域信号冲激响应的提取方法，包括以下步骤：通过信道接收单模板信号的时域信号，获取该时域信号的各个脉冲的峰值a_k和与a_k对应的时刻t_k，其中，k为正整数；根据a_k、t_k和单模板信号的峰值a_m得到信道的冲激响应。

优选地，获取该时域信号的各个脉冲的峰值a_k和与a_k对应的时刻t_k包括：通过仿真获取该时域信号的波形极值，并根据波形极值获取a_k和t_k。

优选地，通过仿真获取该时域信号的波形极值，并根据波形极值获取a_k和t_k包括：使用MATLAB仿真时，通过调用Mspeak函数做两次迭代获取该时域信号的a_k和t_k。

优选地，获取该时域信号的各个脉冲的峰值a_k和与a_k对应的时刻t_k包括：根据单模板信号的脉冲宽度T_m从该时域信号的最大脉冲开始依次获取该时域信号的各个脉冲的峰值a_k和t_k。

优选地，根据单模板信号的脉冲宽度T_m从该时域信号的最大脉冲开始依次获取该时域信号的各个脉冲的峰值a_k和t_k包括：步骤A，获取并记录该时域信号的最大脉冲的峰值a_k和与a_k对应的t_k；步骤B，将该时域信号中以t_k为中心且宽度为T_m的信号幅值置零，得到一个新的时域信号，k加1；重复步骤A和步骤B，直至步骤A中重新获取的a_k小于预设门限为止，其中，k的初值为1。

优选地，根据a_k、t_k和单模板信号的峰值a_m得到信道的冲激响应包括：以a_k与a_m的比值作为冲激响应t_k时的幅度值，通过叠加得到信道的冲激响应。

优选地，根据信道的冲激响应的精度要求对K的最大取值进行设定。

为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，还提供了一种时域信号冲激响应的提取装置。

根据本发明的时域信号冲激响应的提取装置，包括：接收模块，用于通过信道接收单模板信号的时域信号；获取模块，用于获取该时域信号的各个脉冲的峰值a_k和与a_k对应的时刻t_k，其中，k为正整数；以及处理模块，用于根据a_k、t_k和单模板信号的峰值a_m得到信道的冲激响应。

优选地，获取模块还用于通过仿真获取该时域信号的波形极值，并根据波形极值获取a_k和t_k；或者，根据单模板信号的脉冲宽度T_m从该时域信号的最大脉冲开始依次获取该时域信号的各个脉冲的峰值a_k和t_k。

优选地，处理模块还用于以a_k与a_m的比值作为冲激响应t_k时的幅度值，通过叠加得到信道的冲激响应。

通过本发明，采用获取通过信道的单模板信号的时域信号的各个脉冲的峰值a_k和与a_k对应的时刻t_k，并根据a_k、t_k和单模板信号的峰值a_m得到该信道的冲激响应的方式，解决了相关技术中由于采用CLEAN算法提取信道冲激响应误差严重而导致对系统参数估计错误的问题，提高了系统的精度和性能。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据相关技术的实际测量的接收信号时域波形的示意图；

图2是根据相关技术的采用CLEAN算法对接收信号提取信道冲激响应的示意图；

图3是根据相关技术的采用CLEAN算法的冲激响应卷积模板信号的示意图；

图4是根据本发明实施例的时域信号冲激响应的提取方法的流程图；

图5是根据本发明实施例的时域信号冲激响应的提取装置的结构框图；

图6根据本发明实施例一的模板信号的示意图；

图7根据本发明实施例一的对接收信号提取信道冲激响应的示意图；

图8根据本发明实施例一的冲激响应卷积模板信号的示意图。

具体实施方式

下文中将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

根据本发明实施例，提供了一种时域信号冲激响应的提取方法。图4是根据本发明实施例的时域信号冲激响应的提取方法的流程图，如图4所示，包括以下步骤：

步骤S402，通过信道接收单模板信号的时域信号，获取该时域信号的各个脉冲的峰值a_k和与a_k对应的时刻t_k，其中，k为正整数；

步骤S404，根据a_k、t_k和单模板信号的峰值a_m得到信道的冲激响应。

通过上述步骤，采用获取通过信道的单模板信号的时域信号的各个脉冲的峰值a_k和与a_k对应的时刻t_k，并根据a_k、t_k和单模板信号的峰值a_m得到该信道的冲激响应的方式，解决了相关技术中由于采用CLEAN算法提取信道冲激响应误差严重而导致对系统参数估计错误的问题，提高了系统的精度和性能。

在实施过程中，可以根据步骤S404中得到的信道的冲激响应h(t)获得时域信号冲激响应。

优选地，在步骤S402中，获取该时域信号的各个脉冲的峰值a_k和与a_k对应的时刻t_k包括：通过仿真获取该时域信号的波形极值，并根据波形极值获取a_k和t_k。

优选地，通过仿真获取该时域信号的波形极值，并根据波形极值获取a_k和t_k包括：使用MATLAB仿真时，通过调用Mspeak函数做两次迭代获取该时域信号的a_k和t_k。例如，先对该时域信号用一次Mspeak函数获取该时域信号波形的包络，再对该包络用一次Mspeak函数，则可以获得该时域信号各脉冲的a_k。该方法简单实用、可操作性强。

优选地，在步骤S402中，获取该时域信号的各个脉冲的峰值a_k和与a_k对应的时刻t_k包括：根据单模板信号的脉冲宽度T_m从该时域信号的最大脉冲开始依次获取该时域信号的各个脉冲的峰值a_k和t_k。

优选地，根据单模板信号的脉冲宽度T_m从该时域信号的最大脉冲开始依次获取该时域信号的各个脉冲的峰值a_k和t_k包括：步骤A，获取并记录该时域信号的最大脉冲的峰值a_k和与a_k对应的t_k；步骤B，将该时域信号中以t_k为中心且宽度为T_m的信号幅值置零，得到一个新的时域信号，k加1；重复步骤A和步骤B，直至步骤A中重新获取的a_k小于预设门限为止，其中，k的初值为1。该方法简单实用、可操作性强。

优选地，在步骤S404中，可以以a_k与a_m的比值作为冲激响应t_k时的幅度值，通过叠加得到信道的冲激响应。该方法可以增加系统的有效性。

优选地，可以根据信道的冲激响应的精度要求对k的最大取值进行设定。该方法可以增加系统的灵活性和适应能力。

对应于上述方法，本发明实施例还提供了一种时域信号冲激响应的提取装置。图5是根据本发明实施例的时域信号冲激响应的提取装置的结构框图，如图5所示，该装置包括：接收模块52，用于通过信道接收单模板信号的时域信号；获取模块54，耦合至接收模块52，用于获取该时域信号的各个脉冲的峰值a_k和与a_k对应的时刻t_k，其中，k为正整数；以及处理模块56，耦合至获取模块54，用于根据a_k、t_k和单模板信号的峰值a_m得到信道的冲激响应。

通过上述装置，采用获取模块54获取通过信道的单模板信号的时域信号的各个脉冲的峰值a_k和与a_k对应的时刻t_k，处理模块56根据a_k、t_k和单模板信号的峰值a_m得到该信道的冲激响应的方式，解决了相关技术中由于采用CLEAN算法提取信道冲激响应误差严重而导致对系统参数估计错误的问题，提高了系统的精度和性能。

优选地，获取模块54还用于通过仿真获取该时域信号的波形极值，并根据波形极值获取a_k和t_k；或者，根据单模板信号的脉冲宽度T_m从该时域信号的最大脉冲开始依次获取该时域信号的各个脉冲的峰值a_k和t_k。

优选地，处理模块56还用于以a_k与a_m的比值作为冲激响应t_k时的幅度值，通过叠加得到信道的冲激响应。

下面结合优选实施例和附图对上述实施例的实现过程进行详细说明。

实施例一

本实施例提供了一种用于提取时域信号冲激响应的方法，即，把信道冲激响应看成是常数与单位冲激响应的乘积形式

通过直接取峰值的办法来找出多径的增益和时延信息，进而提取出信道冲激响应，这样可以避免波形失真的干扰。该方法不但在宽带范围内行之有效而且可以处理一些波形失真的信号，弥补CLEAN算法的不足之处。

在实施过程中，该方法可以包括如下步骤：

步骤1，通过测量获得单模板信号，并记录其峰值a_m和脉冲宽度T_m。图6根据本发明实施例一的模板信号的示意图，如图6所示，记录获得单模板信号的峰值a_m和脉冲宽度T_m。

步骤2，在接收信号中寻找最大脉冲峰值，记录其峰值a₁和出现的时刻t₁；寻找第二大脉冲峰值，记录峰值a₂和出现时刻t₂；依此类推，直到寻找的脉冲峰值小于设定的门限为止。图7根据本发明实施例一的对接收信号提取信道冲激响应的示意图，如图7所示，为采用本实施例中的方法提取的信道冲激响应(Channel Impulse Response，简称为CIR)，其中，横坐标代表脉冲时延t，纵坐标代表信道增益a。

步骤3，将步骤2中寻找到的各个脉冲峰值a_k除以步骤1获得的模板信号峰值a_m，得到比值a_k/a_m，则时延t_k处的冲激响应幅值即为a_k/a_m。

图8根据本发明实施例一的冲激响应卷积模板信号的示意图，通过图8、图3与图1的对比可知，采用本实施例中的方法提取的信道冲激响应和信道冲激响应卷积模板信号的图形与实际测量的接收信号时域波形更接近，即信道冲激响应误差较小。与相关技术中采用CLEAN算法相比，不论是多径的时延还是幅度信息的提取，本实施例中的方法都更为精确。

需要说明的是，采用本实施例中时域信号冲激响应的提取方法，虽然可避免波形失真的影响而提取出冲激响应，却无法消除多径重叠的影响。例如，该方法在多径重叠不超过50％的情况下，才可以准确地提出多径的时延(即，t_k)和幅度信息(即，a_k/a_m)，所以，理论上要求脉冲的时域宽度越窄越好。因此，本实施例中提供的时域信号冲激响应的提取方案用在超宽带信号处理上可以得到更好的效果，甚至可以完全取代CLEAN算法。

可见，本实施例中的时域信号冲激响应的提取方法无需互相关与自相关的运算，操作比CLEAN算法简单，对于失真信号的处理比CLEAN算法精确，可以在CLEAN算法失效的情况下使用。需要说明的是，在用户设置的多径门限值较低且信号波形无失真的情况下，本实施例中的方法可能不如CLEAN算法精确，但在实际情况中，很难做到接收信号的波形不失真，所以，本实施例中提供的提取时域信号冲激响应的方法是对CLEAN算法的必要补充，可以弥补CLEAN算法处理宽带信号的不足，而且在超宽带范围内，可以得到更好的效果。

实施例二

在实施过程中，可以通过如下两种方式来获取上述步骤2中接收信号的脉冲峰值a_k和其出现时刻t_k。

方式一，通过MATLAB工具的Mspeaks函数做两次迭代来找出多径的峰值。例如，使用Mspeaks函数来捕捉图8中波形的极值，即，对多载波的高斯脉冲信号用一次Mspeaks函数可以得出波形的包络，再用一次则可得出多径信号的各个峰值。

方式二，首先截取图6中模板信号的时域宽度T_m；其次，先找出图8中第一个脉冲的峰值，记录该峰值对应的时延t₁和幅度a₁，然后，依据模板信号的宽度T_m，以该时延为t₁中心，将宽度为T_m的信号幅度置零；再寻找下一个峰值，记录时延和幅度后，同样根据模板信号的宽度将信号幅度置零......依次下去，直到寻找的峰值都小于门限为止。例如，模板信号的时域宽度为4ns，仪器采样率为100Gs/s，则模板信号宽度为400个采样点，那么找到脉冲峰值对应的时延t后，就根据模板信号的宽度，将时延t前后200个采样点范围内的接收信号幅度置零。

通过以上两种方式都可以用来寻找峰值，并且不会因为接收信号的时域形变而产生误差。优选地，还可以将这两种方式结合起来以增加精确性。需要说明的是，只要多径信号叠加不超过50％，则这两种方式都可准确地寻找峰值。

综上所述，本发明提出了一种新的提取信道冲激响应的方法，针对时域宽带/超宽带信号，采用寻找峰值法的方式确定多径的时延和增益信息。本发明方法可以避免波形失真的影响，在一些情况下的处理效果优于原来用于提取时域信号冲激响应的CLEAN算法，且操作更加简单。针对时域接收信号的处理方法，在发射信号为单脉冲信号，接收信号为时域多径信号的情况下提取信号的冲激响应。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种时域信号冲激响应的提取方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过信道接收单模板信号的时域信号，获取该时域信号的各个脉冲的峰值a_k和与a_k对应的时刻t_k，其中，k为正整数；

根据a_k、t_k和所述单模板信号的峰值a_m得到所述信道的冲激响应。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取该时域信号的各个脉冲的峰值a_k和与a_k对应的时刻t_k包括：

通过仿真获取该时域信号的波形极值，并根据所述波形极值获取a_k和t_k。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过仿真获取该时域信号的波形极值，并根据所述波形极值获取a_k和t_k包括：

使用MATLAB仿真时，通过调用Mspeak函数做两次迭代获取该时域信号的a_k和t_k。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取该时域信号的各个脉冲的峰值a_k和与a_k对应的时刻t_k包括：

根据所述单模板信号的脉冲宽度T_m从该时域信号的最大脉冲开始依次获取该时域信号的各个脉冲的峰值a_k和t_k。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，根据所述单模板信号的脉冲宽度T_m从该时域信号的最大脉冲开始依次获取该时域信号的各个脉冲的峰值a_k和t_k包括：

步骤A，获取并记录该时域信号的最大脉冲的峰值a_k和与a_k对应的t_k；

步骤B，将该时域信号中以t_k为中心且宽度为T_m的信号幅值置零，得到一个新的时域信号，k加1；

重复步骤A和步骤B，直至步骤A中重新获取的a_k小于预设门限为止，其中，k的初值为1。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据a_k、t_k和所述单模板信号的峰值a_m得到所述信道的冲激响应包括：

以a_k与a_m的比值作为所述冲激响应t_k时的幅度值，通过叠加得到所述信道的冲激响应。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的方法，其特征在于，根据所述信道的冲激响应的精度要求对k的最大取值进行设定。

8.一种时域信号冲激响应的提取装置，其特征在于，包括：

接收模块，用于通过信道接收单模板信号的时域信号；

获取模块，用于获取该时域信号的各个脉冲的峰值a_k和与a_k对应的时刻t_k，其中，k为正整数；以及

处理模块，用于根据a_k、t_k和所述单模板信号的峰值a_m得到所述信道的冲激响应。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述获取模块还用于通过仿真获取该时域信号的波形极值，并根据所述波形极值获取a_k和t_k；或者，根据所述单模板信号的脉冲宽度T_m从该时域信号的最大脉冲开始依次获取该时域信号的各个脉冲的峰值a_k和t_k。

10.根据权利要求8或9所述的装置，其特征在于，所述处理模块还用于以a_k与a_m的比值作为所述冲激响应t_k时的幅度值，通过叠加得到所述信道的冲激响应。

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