CN103763225A - 一种基于时间反演的信号处理装置及处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于信息传输通讯技术领域，公开一种基于时间反演的信号处理装置及处理方法，所述基于时间反演的信号处理装置，包括：信号输入A/D模块、信道预测模块，信号时域反演处理模块，输出D/A模块，连接中频信号调制模块的信号输入A/D模块与信号时域反演处理模块相连，所述的信号时域反演处理模块另一输入端与信道预测模块相连，信号时域反演处理模块输出端通过输出D/A模块与高频调制发射装置相连；所述处理方法将直接输出的信号先输入给本发明基于时间反演的信号处理装置，经过该装置信号处理后再进行辐射。能够有效改善已知多路径信道条件下的定点通信传输的信噪比，降低误码率。

Description

一种基于时间反演的信号处理装置及处理方法

技术领域

本发明属于信息传输通讯技术领域，尤其涉及一种基于时间反演的信号处理装置及处理方法。

背景技术

信号的多路径传输对于复杂地域，尤其是高调制速率的通信系统来说带来了巨大挑战。诸多技术人员采用了很多方法去评估、预测多路径信道，以期减小多路径传输对通信信号带来的干扰。时间反演技术是上世纪末新兴的一种技术，主要利用了电磁信号空域传输收、发互易的特点，通过发射信号时间反演，最终在信号接收端形成空间聚焦，以增强信号传输的能量。现在时间反演技术已经被用于目标探测，成像，以及多输入多输出（MIMO）等各种系统中。但是对于高调制速率的通信信号来说，由于信号的多路径传输，会造成误码率升高。

发明内容：

为克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于时间反演的信号处理装置及处理方法，能够在多路径严重的区域，在不增加接收端硬件复杂性的前提下，通过将该装置接入通信链路高频发射前端，即将需要发射的信号做预处理，然后辐射，可以有效提高多路径信道下的信噪比，保证信息传输的准确性。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于时间反演的信号处理装置，包括：信号输入A/D模块、信道预测模块，信号时域反演处理模块，输出D/A模块，连接中频信号调制模块的信号输入A/D模块与信号时域反演处理模块相连，所述的信号时域反演处理模块另一输入端与信道预测模块相连，信号时域反演处理模块输出端通过输出D/A模块与高频调制发射装置相连；

其中，所述输入A/D模块主要完成输入模拟信号的数字采样，为下一步数据处理做好准备；

其中，所述信道预测模块主要装填多路径信道模型，该模型的获得需要借助通信类相关仪器测试获得；

其中，所述信号时域反演处理模块主要完成输入A/D模块的输入数据与多路径信道数据的时间反演操作，由可编程数字电路组成；输出D/A模块主要完成时间反演操作结束后输出数据的数模转换，为高频调制发射做好准备。

一种基于时间反演的信号处理方法，是在高频调制发射前端，采用基于时间反演信号处理装置的信号时域反演处理模块，将需要传输的数字信号与多路径信道时域卷积进行数字信号处理，然后时间上进行反演；所述时间反演即信号在时域进行翻转，先收到的信号存入时间序列的最末端，而最后接收到的信号存入时间序列的开始位置；利用电磁信号空间传播收、发互易的特性，将时间反演后的信号重新辐射，能够在空间形成非常好的聚焦，在不增加接收端任何复杂度的前提下，提高信躁比；其步骤如下：

第一步，借助宽带任意波形发生器及矢量信号分析仪测量两点间的多路径传输信道；即发射端通过宽带任意波形发生器发射测试信号，信号经多路径反射进入矢量信号分析仪，接收端记录时域信号，通过收发信号的比对确定多路径传输信道；

第二步，分析存储多路径信道，将多路径信道模型装入多路径信道模型模块中，为下一步时间反演数据计算做好准备；

第三步，计算时间反演信号，将所需发射信号与多路径信道模型进行时域卷积，然后将计算得到的时域信号进行时间反演；

1）、采用单台设备发射及单台设备接收（SISO）的多路径传播，对时间反演的聚焦性进行分析；多路径采用三条反射路径S_A、S_B、S_C；

接收点位处监测设备接收到的信号b表示为

$b\left(t\right)=h_A\left(t\right)\⊗a\left(t\right)+h_B\left(t\right)\⊗a\left(t\right)+h_C\left(t\right)\⊗a\left(t\right)---\left(1\right)$

频域表示为： $b\left(w\right)=S_A\left(w\right)\×a\left(w\right)+S_B\left(w\right)\×a\left(w\right)+S_C\left(w\right)\×a\left(w\right)---\left(2\right)$

式中：a为用频装备发射信号表示，h为时域路径传输系数；S为频域路径传输系数；该值为复数，表示信号滞后或者超前；

2）、由于多径信号的存在，接收信号b与发射信号a已非同一个信号；为了在接收端能够较好的重构a信号，采用在发射端发射时间反演信号c；

当时域信号的反演对应于频域共轭，因此发射信号c频域表示如下：

$c=b^{*}={(S_A+S_B+S_C)}^{*}\×a^{*}---\left(3\right)$

将时间反演信号c发射，则信号沿原多路径信道重新辐射，接收端接收的信号d：

$\begin{array}{c}d=(S_A+S_B+S_C)\×c\\ =(S_A+S_B+S_C)\×({S_A}^{*}+{S_B}^{*}+{S_C}^{*})\×a^{*}\\ =({\left|S_A\right|}^2+{\left|S_B\right|}^2+{\left|S_C\right|}^2+S_B\×{S_A}^{*}+S_A\×{S_B}^{*}+S_A\×{S_C}^{*}+S_B\×{S_C}^{*}+S_C\×{S_A}^{*}+S_C\×{S_B}^{*})\×a^{*}\end{array}---\left(4\right)$

简化记为：

$\begin{array}{c}d=K\×a^{*}\\ K={\left|S_A\right|}^2+{\left|S_B\right|}^2+{\left|S_C\right|}^2+S_B\×{S_A}^{*}+S_A\×{S_B}^{*}+S_A\×{S_C}^{*}+S_B\×{S_C}^{*}+S_C\×{S_A}^{*}+S_C\×{S_B}^{*}\end{array}---\left(5\right)$

针对上式系数，三条多路径传播系数|S_A|²+|S_B|²+|S_C|²均为幅度相加，没有相移因素，说明信号反演处理后，经过反射物S_A、反射物S_B、反射物S_C三条多路径辐射在信号接收端d形成了聚焦，能量得到了加强；所述信号时域反演处理模块由可编程数字电路实现；

第四步，辐射时间反演信号，将时间反演信号通过数据线输出给高频电路，利用时间反演信号的中频信号对高频载波进行调制，最后利用标准发射天线即可完成信号的空间辐射；

该发射信号a装置采用安捷伦的PSG Vector Signal Generator E8267D作为信号发射源，该接收信号b装置采用安捷伦的示波器DS090254A；

具体的实验测试流程：

a.开始，

b.确定多路径传输信道H（t）;

c.信道模型存入信道预测模块；

d.计算时间反演发射信号；当多路径存在时，信号质量收到干扰；可知采用时间反演算法，信号的信躁比有较大的提高

e.信号辐射；

f.结束。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

一种基于时间反演的信号处理装置及处理方法，主要基于时间反演技术，将原先需要直接输出的信号先输入给本发明基于时间反演的信号处理装置，经过该装置信号处理后再进行辐射。试验结果表明，该基于时间反演的信号处理装置的应用可以有效改善已知多路径信道条件下的定点通信传输的信噪比，降低误码率。

附图说明

图1为多路径传播示意图。

图2为本发明基于时间反演的信号处理装置的电路方框图；

图3为时间反演迭代多路径信号传输方法流程图；

图4为基于时间反演信号处理装置的结构示意图；

图5为原始发射调幅信号图；

图6为多路径信道接收信号图；

图7为时间反演处理后多路径信道接收信号图。

具体实施方式

下面结合附图对发明作进一步说明。

如图1、2、3、4、5、6、7所示，一种基于时间反演的信号处理装置，包括：信号输入A/D模块、信道预测模块，信号时域反演处理模块，输出D/A模块，连接中频信号调制模块的信号输入A/D模块与信号时域反演处理模块相连，所述的信号时域反演处理模块另一输入端与信道预测模块相连，信号时域反演处理模块输出端通过输出D/A模块与高频调制发射装置相连；

所述输入A/D模块主要完成输入模拟信号的数字采样，为下一步数据处理做好准备；

所述信道预测模块主要装填多路径信道模型，该模型的获得需要借助通信类相关仪器测试获得；

所述信号时域反演处理模块主要完成输入A/D模块的输入数据与多路径信道数据的时间反演操作，由可编程数字电路组成；输出D/A模块主要完成时间反演操作结束后输出数据的数模转换，为高频调制发射做好准备。

基于时间反演信号处理装置的使用如图2所示，用于高频调制发射前端，通过数字信号处理，在不增加接收端任何复杂度的前提下，有效提高多路径信道下的信噪比。本发明组成如图2中所示，包括：信号输入A/D模块、信道预测模块、信号时域反演处理模块、输出D/A模块。

一种基于时间反演的信号处理方法，是在高频调制发射前端，采用基于时间反演信号处理装置的信号时域反演处理模块，将需要传输的数字信号与多路径信道时域卷积进行数字信号处理，然后时间上进行反演；所述时间反演即信号在时域进行翻转，先收到的信号存入时间序列的最末端，而最后接收到的信号存入时间序列的开始位置；利用电磁信号空间传播收、发互易的特性，将时间反演后的信号重新辐射，能够在空间形成非常好的聚焦，在不增加接收端任何复杂度的前提下，提高信躁比；本发明分五步进行，其步骤如下：

第一步，借助宽带任意波形发生器及矢量信号分析仪测量两点间的多路径传输信道；即发射端通过宽带任意波形发生器发射测试信号，信号经多路径反射进入矢量信号分析仪，接收端记录时域信号，通过收发信号的比对确定多路径传输信道；

第二步，分析存储多路径信道，将多路径信道模型装入多路径信道模型模块中，为下一步时间反演数据计算做好准备；

第三步，计算时间反演信号，将所需发射信号与多路径信道模型进行时域卷积，然后将计算得到的时域信号进行时间反演；

1）、采用单台设备发射及单台设备接收（SISO）的多路径传播，对时间反演的聚焦性进行分析；多路径以三条反射路径S_A、S_B、S_C为例，如图所示；

接收点位处监测设备接收到的信号b表示为

$b\left(t\right)=h_A\left(t\right)\⊗a\left(t\right)+h_B\left(t\right)\⊗a\left(t\right)+h_C\left(t\right)\⊗a\left(t\right)---\left(1\right)$

频域表示为： $b\left(w\right)=S_A\left(w\right)\×a\left(w\right)+S_B\left(w\right)\×a\left(w\right)+S_C\left(w\right)\×a\left(w\right)---\left(2\right)$

式中：a为用频装备发射信号表示，h为时域路径传输系数；S为频域路径传输系数；该值为复数，表示信号滞后或者超前；

2）、由于多径信号的存在，接收信号b与发射信号a已非同一个信号；为了在接收端能够较好的重构a信号，采用在发射端发射时间反演信号c；

当时域信号的反演对应于频域共轭，因此发射信号c频域表示如下：

$c=b^{*}={(S_A+S_B+S_C)}^{*}\×a^{*}---\left(3\right)$

将时间反演信号c发射，则信号沿原多路径信道重新辐射，接收端接收的信号d：

$\begin{array}{c}d=(S_A+S_B+S_C)\×c\\ =(S_A+S_B+S_C)\×({S_A}^{*}+{S_B}^{*}+{S_C}^{*})\×a^{*}\\ =({\left|S_A\right|}^2+{\left|S_B\right|}^2+{\left|S_C\right|}^2+S_B\×{S_A}^{*}+S_A\×{S_B}^{*}+S_A\×{S_C}^{*}+S_B\×{S_C}^{*}+S_C\×{S_A}^{*}+S_C\×{S_B}^{*})\×a^{*}\end{array}---\left(4\right)$

简化记为：

$\begin{array}{c}d=K\×a^{*}\\ K={\left|S_A\right|}^2+{\left|S_B\right|}^2+{\left|S_C\right|}^2+S_B\×{S_A}^{*}+S_A\×{S_B}^{*}+S_A\×{S_C}^{*}+S_B\×{S_C}^{*}+S_C\×{S_A}^{*}+S_C\×{S_B}^{*}\end{array}---\left(5\right)$

针对上式系数，三条多路径传播系数|S_A|²+|S_B|²+|S_C|²均为幅度相加，没有相移因素，说明信号反演处理后，经过反射物S_A、反射物S_B、反射物S_C三条多路径辐射在信号接收端d形成了聚焦，能量得到了加强；所述信号时域反演处理模块由可编程数字电路实现；

第四步，辐射时间反演信号，将时间反演信号通过数据线输出给高频电路，利用时间反演信号的中频信号对高频载波进行调制，最后利用标准发射天线即可完成信号的空间辐射。

为了验证该装置的有效性，作者对该装置进行了实验测试。图4为试验实际测试图。这里采用安捷伦的PSG Vector Signal Generator E8267D作为信号发射源，接收采用安捷伦的示波器DS090254A；

具体的实验测试流程，如图3所示：

a.开始，

b.确定多路径传输信道H（t）;

c.信道模型存入信道预测模块；

d.计算时间反演发射信号；e.信号辐射；f.结束。

通过以上对比图5与图6，可知当多路径存在时，信号质量收到干扰。对比图6与图7，可以看到采用时间反演算法，信号的信躁比有较大的提高

Claims (2)

1.一种基于时间反演的信号处理装置，其特征在于：包括：信号输入A/D模块、信道预测模块，信号时域反演处理模块，输出D/A模块，连接中频信号调制模块的信号输入A/D模块与信号时域反演处理模块相连，所述的信号时域反演处理模块另一输入端与信道预测模块相连，信号时域反演处理模块输出端通过输出D/A模块与高频调制发射装置相连；

其中，所述输入A/D模块主要完成输入模拟信号的数字采样，为下一步数据处理做好准备；

其中，所述信道预测模块主要装填多路径信道模型，该模型的获得需要借助通信类相关仪器测试获得；

其中，所述信号时域反演处理模块主要完成输入A/D模块的输入数据与多路径信道数据的时间反演操作，由可编程数字电路组成；输出D/A模块主要完成时间反演操作结束后输出数据的数模转换，为高频调制发射做好准备。

2.一种基于时间反演的信号处理方法，其特征在于：是在高频调制发射前端，采用基于时间反演信号处理装置的信号时域反演处理模块，将需要传输的数字信号与多路径信道时域卷积进行数字信号处理，然后时间上进行反演；所述时间反演即信号在时域进行翻转，先收到的信号存入时间序列的最末端，而最后接收到的信号存入时间序列的开始位置；利用电磁信号空间传播收、发互易的特性，将时间反演后的信号重新辐射，能够在空间形成非常好的聚焦，在不增加接收端任何复杂度的前提下，提高信躁比；其步骤如下：

第一步，借助宽带任意波形发生器及矢量信号分析仪测量两点间的多路径传输信道；即发射端通过宽带任意波形发生器发射测试信号，信号经多路径反射进入矢量信号分析仪，接收端记录时域信号，通过收发信号的比对确定多路径传输信道；

第二步，分析存储多路径信道，将多路径信道模型装入多路径信道模型模块中，为下一步时间反演数据计算做好准备；

第三步，计算时间反演信号，将所需发射信号与多路径信道模型进行时域卷积，然后将计算得到的时域信号进行时间反演；

1）、采用单台设备发射及单台设备接收（SISO）的多路径传播，对时间反演的聚焦性进行分析；多路径为三条反射路径S_A、S_B、S_C；

接收点位处监测设备接收到的信号b表示为

$b\left(t\right)=h_A\left(t\right)\⊗a\left(t\right)+h_B\left(t\right)\⊗a\left(t\right)+h_C\left(t\right)\⊗a\left(t\right)---\left(1\right)$

频域表示为： $b\left(w\right)=S_A\left(w\right)\×a\left(w\right)+S_B\left(w\right)\×a\left(w\right)+S_C\left(w\right)\×a\left(w\right)---\left(2\right)$

式中：a为用频装备发射信号表示，h为时域路径传输系数；S为频域路径传输系数；该值为复数，表示信号滞后或者超前；

2）、由于多径信号的存在，接收信号b与发射信号a已非同一个信号；为了在接收端能够较好的重构a信号，采用在发射端发射时间反演信号c；

当时域信号的反演对应于频域共轭，因此发射信号c频域表示如下：

$c=b^{*}={(S_A+S_B+S_C)}^{*}\×a^{*}---\left(3\right)$ 将时间反演信号c发射，则信号沿原多路径信道重新辐射，接收端接收的信号d：

$\begin{array}{c}d=(S_A+S_B+S_C)\×c\\ =(S_A+S_B+S_C)\×({S_A}^{*}+{S_B}^{*}+{S_C}^{*})\×a^{*}\\ =({\left|S_A\right|}^2+{\left|S_B\right|}^2+{\left|S_C\right|}^2+S_B\×{S_A}^{*}+S_A\×{S_B}^{*}+S_A\×{S_C}^{*}+S_B\×{S_C}^{*}+S_C\×{S_A}^{*}+S_C\×{S_B}^{*})\×a^{*}\end{array}---\left(4\right)$

简化记为：

$\begin{array}{c}d=K\×a^{*}\\ K={\left|S_A\right|}^2+{\left|S_B\right|}^2+{\left|S_C\right|}^2+S_B\×{S_A}^{*}+S_A\×{S_B}^{*}+S_A\×{S_C}^{*}+S_B\×{S_C}^{*}+S_C\×{S_A}^{*}+S_C\×{S_B}^{*}\end{array}---\left(5\right)$

针对上式系数，三条多路径传播系数|S_A|²+|S_B|²+|S_C|²均为幅度相加，没有相移因素，说明信号反演处理后，经过反射物S_A、反射物S_B、反射物S_C三条多路径辐射在信号接收端d形成了聚焦，能量得到了加强；所述信号时域反演处理模块由可编程数字电路实现；

第四步，辐射时间反演信号，将时间反演信号通过数据线输出给高频电路，利用时间反演信号的中频信号对高频载波进行调制，最后利用标准发射天线即可完成信号的空间辐射；

具体的实验测试流程，该装置采用安捷伦的PSG Vector Signal GeneratorE8267D作为信号发射源，接收采用安捷伦的示波器DS090254A，具体步骤如下：

a.开始，

b.确定多路径传输信道H（t）;

c.信道模型存入信道预测模块；

d.计算时间反演发射信号；当多路径存在时，信号质量收到干扰；可知采用时间反演算法，信号的信躁比有较大的提高

e.信号辐射；

f.结束。

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