CN103905154A - 一种多基地空时码探测信号的时反相关检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多基地空时码探测信号的时反相关检测方法，其特征在于：步骤1：为多基地的不同发射基地设计相应的信道训练信号；步骤2：各发射基地将信道训练信号和若干空时码信号组成一帧发射信号进行发射；步骤3：接收基地利用多路常规拷贝相关器检测来自不同发射基地的信号；步骤4：利用信道训练信号对多阵元系统的子信道多途环境进行估计；步骤5：通过虚拟时间反转镜，获得相应发射基地空时码信号的期望时反接收信号，将该期望时反接收信号作为时反相关检测信号；步骤6：对接收到的空时码信号做时反相关检测，估计信号到达时延并对空时码信号进行解码。

Description

一种多基地空时码探测信号的时反相关检测方法

技术领域

本发明涉及一种多基地空时码探测信号的时反相关检测方法。

背景技术

空时码是近年来移动通信领域出现的一种新的编码和信号处理技术，适用于多天线系统。空时码技术实质上是一种空时二维处理手段：在空间上，采用多发射多接收天线的空间分集来提高无线通信系统的通信容量和信息率；在时间上，不同信号在不同时除内使用同一天线发射，并在不同天线发射的信号之间引入时域和空域相关，使接收端可进行分集接收。

时间反转镜技术是近几年来在水声信号处理方面出现的一项新技术，其最大的优点是在没有任何环境先验知识的情况下可自适应匹配声信道，引导了空间聚焦和时间压缩。虚拟时间反转镜是通过对接收到的探测信号进行处理而估计出信道冲激响应，将接收到的信息码信号与估计信道的时间反转作卷积，虚拟的实现时间反转镜。

与本发明最相关的现有技术是，中国专利——《一种多基地声纳空时信道复用方法》提出了一种空时码探测信号的设计方法，用以解决信道复用问题，但无法解决空时码探测信号在实际海洋环境中，由于多阵元系统多途子信道不一致性导致的各种检测问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种多基地空时码探测信号的时反相关检测方法，能够实现多阵元系统多途子信道不一致条件下的空时码探测信号检测，并进行到达时延估计与空时码解码，以克服由于多途子信道差异导致的各子信道信号不能聚焦、阵列增益受损、时延估计精度下降与解码能力减弱等问题。。

实现本发明目的技术方案：

一种多基地空时码探测信号的时反相关检测方法，其特征在于：

步骤1：为多基地的不同发射基地设计相应的信道训练信号；

步骤2：各发射基地将信道训练信号和若干空时码信号组成一帧发射信号进行发射；

步骤3：接收基地利用多路常规拷贝相关器检测来自不同发射基地的信号；

步骤4：利用信道训练信号对多阵元系统的子信道多途环境进行估计；

步骤5：通过虚拟时间反转镜，获得相应发射基地空时码信号的期望时反接收信号，将该期望时反接收信号作为时反相关检测信号；

步骤6：对接收到的空时码信号做时反相关检测，估计信号到达时延并对空时码信号进行解码。

步骤1中，各发射基地用新生成的伪随机信号调制单位矩阵，作为各自的信道训练信号；各发射基地的信道训练信号与空时码探测信号相互正交；各发射基地的信道训练信号相互正交。

步骤2中，将预先生成的相互正交的空时码探测信号码本分配给各发射基地；选用准正交空时码形式，空时码矩阵采用伪随机信号调制。

步骤3中，利用理想信道下各发射基地信道训练信号的接收信号，作为多路常规拷贝相关器的拷贝检测信号。

步骤4中，利用调制发射基地信道训练信号的伪随机信号与接收到的信道训练信号做相关，对拷贝相关器输出结果的各相关峰进行判决，分辨信号沿各途径到达的时延差，估计多阵元系统的子信道多途环境。

步骤5中，利用估计的多阵元系统各子信道冲激响应函数对发射基地的空时码探测信号码本做虚拟时间反转，获得该发射基地的空时码探测信号码本中各信号的期望时反接收信号。

步骤6中，用各期望时反接收信号对信道训练信号后的空时码探测信号进行多路时反相关检测，比较各路拷贝相关器最大输出，通过最大值判决进行解码，利用输出最大的该路相关器的最大相关峰位置，估计信号到达时延。

本发明具有的有益效果：

本发明通过多路常规拷贝相关器检测信号并估计信号来源，通过对信道训练信号的处理，估计多阵元系统多途子信道环境，利用虚拟时间反转镜获得实际信道下的期望时反接收信号，即获得了对接收信号的最佳匹配检测信号，通过时反相关检测技术实现多途子信道不一致条件下的各子信道信号聚焦，避免了阵列增益受损，时延估计精度下降以及信息解码能力减弱。

附图说明

图1为多基地声纳系统示意图；

图2为多阵元系统示意图；

图3为一帧发射信号组成示意图；

图4为接收端信号处理流程图；

图5为真实信道与估计信道对比图；

图6为信道训练信号的常规拷贝相关检测结果和时反相关检测结果；

图7为空时码探测信号的常规拷贝相关检测结果和时反相关检测结果。

具体实施方式

本发明提供的是一种针对多基地空时码探测信号的时反相关检测方法，包括发射端信号设计和接收端信号处理两部分：

发射端：

步骤1：为多基地的不同发射基地设计相应的信道训练信号；

步骤1中，各发射基地用新生成的伪随机信号调制单位矩阵（对角线为1），作为各自的信道训练信号，信道训练信号具有与空时码探测信号相同的信号结构。调制信道训练信号所用的伪随机信号与空时码探测信号相异且正交，使各发射基地的信道训练信号与空时码探测信号相互正交。为各发射基地设计独立且与其他发射端相互正交的信道训练信号（即各发射基地的信道训练信号相互正交），用来估计多阵元系统多途子信道环境和辨别信道训练信号发射基地信息。

步骤2：各发射基地将信道训练信号和若干空时码信号组成一帧发射信号进行发射，并合理选取一帧信号时长，使同一帧信号经历的信道相同。

步骤2中，将预先生成的相互正交的空时码探测信号码本分配给各发射基地；选用准正交空时码形式，空时码矩阵采用伪随机信号调制。

接收端：

步骤3：接收基地利用多路常规拷贝相关器检测来自不同发射基地的信号；

步骤3中，根据空时码发射-接收方程，得到理想信道下，各发射基地信道训练信号在理想信道下的接收信号,作为对该发射基地的常规拷贝相关检测信号。由于实际信道的畸变作用，本步骤获得的拷贝检测信号，不是接收信号的最佳匹配检测信号，只用于信号的初步检测。接收基地利用本地的各发射基地拷贝信号对接收信号进行多路常规拷贝相关检测。当某路检测结果超过门限时，即认为接收信号中含有来自该发射基地的信道训练信号。

步骤4：利用信道训练信号对多阵元系统的子信道多途环境进行估计；

步骤4中，利用调制发射基地信道训练信号的伪随机信号与接收到的信道训练信号做相关，由于伪随机信号的相关峰非常尖锐，拷贝相关器输出结果是多峰的，对拷贝相关器输出结果的各相关峰进行判决，分辨信号沿各途径到达的时延差，估计多阵元系统的子信道多途环境。

步骤5：通过虚拟时间反转镜，获得相应发射基地空时码信号的期望时反接收信号，将该期望时反接收信号作为时反相关检测信号；

步骤5中，利用估计的多阵元系统各子信道冲激响应函数对发射基地的空时码探测信号码本做虚拟时间反转，获得该发射基地的空时码探测信号码本中各信号的期望时反接收信号，获得的期望时反接收信号是实际信道条件下，该发射基地空时码探测信号的最佳匹配检测信号。

步骤6：对接收到的空时码信号做时反相关检测，估计信号到达时延并对空时码信号进行解码。

用各期望时反接收信号对信道训练信号后的空时码探测信号进行多路时反相关检测，比较各路拷贝相关器最大输出，通过最大值判决进行解码，利用输出最大的该路相关器的最大相关峰位置，估计信号到达时延。

下面结合具体实施例，进一步详细说明本发明多基地空时码探测信号的时反相关检测方法及其有益效果。

图1为两发一收型多基地声纳系统示意图，图中，A、B分别为多基地声纳系统的两个发射基地，C为接收基地，T代表目标，发射基地A、B持续向外发射探测信号。

图2为多阵元系统示意图。本实施例中，发射基地发射阵元数目M=4，接收基地接收阵元数目N=1。

为各个发射基地构造空时码探测信号码本：

构造4*4的满秩准正交空时码[4]

$X(x_1,x_2,x_3,x_4)=\left[\begin{array}{cccc}{x}_1& x_2& x_3& x_4\\ -x_2^{*}& x_1^{*}& {-x}_4^{*}& x_3^{*}\\ x_3& x_4& x_1& x_2\\ {-x}_4^{*}& x_3^{*}& -x_2^{*}& x_1^{*}\end{array}\right]---\left(1\right)$

为空时码星座集。

根据空时码发射-接收方程，接收信号可表示为

$Y=\sqrt{\frac{\mathrm{\ρ}}{M}}\mathrm{XH}+W---\left(2\right)$

式(2)中，ρ为接收端信噪比；X=(x_tm)_T×M，x_tm,(t=1,2,…,T;m=1,2,…,M)为第m个阵元在第t时刻发送的伪随机信号；H=(h_mn)_M×N，h_mn=1,1≤m≤M,1≤n≤N为从第m个发射阵元到第n个接收阵元的信道增益系数；W=(w_tn)_T×N，w_tn表示第n个接收阵元上在第t时刻接收信号时产生的本地噪声。

忽略噪声与复杂信道环境，理想接收信号Y=XH,H=[1 1 1 1]^T。

考查空时码接收信号的互相关性，根据多基地声纳允许的不同发射基地发射信号间的最大互相关系数r，为两个发射基地分配两组独立彼此正交的空时码组

Y_A={Y_A1,Y_A2,…,Y_Ak};Y_B={Y_B1,Y_B2,…,Y_Bk};

为各个发射基地设计信道训练信号，新生成2个伪随机信号x_A，x_B，使其与前面用来调制空时码矩阵的伪随机信号相异且相互正交。

设计发射基地A的信道训练信号如下，

$X_{A\_\mathrm{loc}}=x_{A}E=\left[\begin{array}{cccc}{x}_A& 0& 0& 0\\ 0& x_A& 0& 0\\ 0& 0& x_A& 0\\ 0& 0& 0& x_A\end{array}\right]---\left(3\right)$

其在理想信道下的接收信号为Y_{A_loc}=[x_A x_A x_A x_A]^T。采用同样方法构造基地B的信道训练信号。

图3为一帧发射信号组成示意图。各发射基地发射的每帧信号由一个信道训练信号和若干个空时码探测信号组成。

发射信号经多途信道到达接收端，对于缓慢时变信道，可以认为一帧信号时间内信道未发生变化。

多途信道下，多阵元系统空时码发射-接收方程不再适用矩阵乘法表示，定义矩阵运算：

式中， $y_{\mathrm{tn}}=\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}(x_{\mathrm{ti}}*h_{\mathrm{in}}),$ “*”表示卷积运算。

对于M=4，N=1的多阵元系统，根据空时码发射-接收方程，发射基地A信道训练信号的接收信号为

$Y_{A\_\mathrm{loc}}=X_{A\_\mathrm{loc}}\⊗H+W=\left[\begin{array}{c}{x}_A*h_{11}+w_{11}\\ x_A*h_{21}+w_{21}\\ x_A*h_{31}+w_{31}\\ x_A*h_{41}+w_{41}\end{array}\right]---\left(5\right)$

h₁₁,h₂₁,h₃₁,h₄₁等为子信道的多途冲激响应函数。

经过子信道h₁₁得到的接收信号y₁₁(t)可表示为

y₁₁(t)＝x_A(t)*h₁₁(t)+w₁₁(t)＝∑a_jx_A(t-τ_j)+w₁₁(t)  (6)

将接收信号分别通对应过发射基地A、发射基地B的拷贝相关检测器，当接收信号中含有x_A时，可以被基地A的拷贝相关器检测到，其输出为

$\begin{array}{c}r\left(\mathrm{\τ}\right)={\∫y}_{11}\left(t\right)x_A(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}\\ =\∫\left\{\mathrm{\Σ}{a}_j{x}_A(t-{\mathrm{\τ}}_j)\right\}{x}_A(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}+w_{11}^{\′}\left(t\right)\\ =\mathrm{\Σ}{a}_j\mathrm{\χ}(\mathrm{\τ}-{\mathrm{\τ}}_j,0)+w_{11}^{\′}\left(t\right)\end{array}---\left(7\right)$

式(7)中，χ(τ,0)为伪随机信号x_A的零多普勒模糊度函数，由于伪随机信号模糊度函数的主峰非常尖锐，拷贝相关器输出是多峰的，可以分辨信号沿各途径到达的时延差。利用门限对各相关峰筛选保留，得到多途信道的的冲激响应函数。同理可以对子信道h₂₁,h₃₁,h₄₁进行估计。由于x_A与x_B互相关性极弱，当接收信号同时含有来自基地A，基地B的目标回波时，仍能对信道做出有效估计。记H′=[h′₁₁,h′₂₁,h′₃₁,h′₄₁]^T，H′为四个子信道冲激响应估计值。对于缓慢时变信道，可以认为在一帧发射信号周期内，信道是不变的，故H′可用于对该发射周期内后续信号的处理。

经典的声纳信号检测或时延差估计，是利用本地拷贝信号对接收信号做相关处理，其原理可以表示为

$\begin{array}{c}r\left(t\right)=(x\left(t\right)*h\left(t\right)+n\left(t\right))*x(-t)\\ =(x\left(t\right)*x(-t))*h(-t)+n\left(t\right)*x(-t)\end{array}---\left(8\right)$

采用空时码作为探测信号的多阵元系统各阵元接收信号是不同信号经过不同子信道的线性叠加，接收基地第n个阵元，在t时刻的接收信号为

$y_{\mathrm{tn}}\left(t\right)=\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}(x_{\mathrm{tm}}\left(t\right)*h_{\mathrm{mn}}\left(t\right))+w_{\mathrm{tn}}\left(t\right)---\left(9\right)$

由于各子信道h_mn不同，接收基地不能简单的采用

作为拷贝信号进行常规的相关检测处理，同时也无法对从各子信道到达的接收信号分别做时间反转镜处理。

但是我们仍能利用估计的多阵元系统各子信道冲激响应函数和本地拷贝信号，通过虚拟时间反转镜估计出接收基地的期望时反接收信号，该时反信号是最佳匹配检测信号：

$Y^{\′}(-t)=X(-t)\⊗H^{\′}(-t)---\left(10\right)$

根据上式可得到发射基地A、B的发射信号各在接收基地的期望时反接收信号：Y′_A={Y′_A1,Y′_A2,…,Y′_Ak};Y′_B={Y′_B1,Y′_B2,′,Y′_Bk}。

定义接收信号矩阵相关运算

S=<Y(t)|Y′_A(t)>  (11)

展开有，

$\begin{array}{c}S=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}(y_{\mathrm{ti}}\left(t\right)*y_{\mathrm{ti}}^{\&prime;}(-t))\\ =\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}((\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}(x_{\mathrm{ti}}\left(t\right)*h_{\mathrm{in}}\left(t\right))+w_{\mathrm{tn}})*\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}(x_{\mathrm{ti}}(-t)*h_{\mathrm{in}}^{\&prime;}(-t)))\\ =\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}(x_{\mathrm{ti}}\left(t\right)*h_{\mathrm{in}}\left(t\right))*\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}(x_{\mathrm{ti}}(-t)*h_{\mathrm{in}}^{\&prime;}(-t))+w_{\mathrm{tn}}\left(t\right)*\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\&Sigma;}}}(x_{\mathrm{ti}}(-t)*h_{\mathrm{in}}^{\&prime;}(-t)))\end{array}$

$\left(12\right)$

用各期望时反接收信号对信道训练信号后的空时码探测信号进行多路时反相关检测，比较各路相关器最大输出，通过最大值判决进行解码。利用输出最大的该路相关器的最大相关峰位置，估计信号到达时延。

图4为接收基地信号处理流程图。

图5为信道训练信号在SNR=0dB,SIR=0dB,-5dB干扰下的真实信道和估计信道对比图.随着干扰强度增加，仍能估计出信道的主要途径,但也不可避免的引入了一些“虚假”途径。（a）为真实信道，（b）、（c）分别对应SIR=0dB,-5dB。

图6为在SNR=0dB,SIR=0dB下，信道训练信号直接采用本地拷贝信号的常规拷贝相关检测结果和采用期望时反接收信号的时反相关检测结果。常规相关检测结果（a）含有多个幅度相近的相关峰，无法分辨出主峰位置(该图中幅度最大的相关峰并非真实的主峰)，这时信号无法实现准确同步；时反相关检测结果（b）主峰尖锐且唯一，易于辨认，同时降低了其他相关峰的相对高度,易于估计信号到达时延,实现信号同步。

图7为空时码探测信号采用两种方法的检测结果。前者（a）由于四个主途径相关峰不能准确聚焦，其主峰对应时延是四个主途径相关峰对应时延的合成，主峰宽度被展宽，系统时延测量能力下降，同时多途其他途径信号也形成了强度不弱于主峰的伪峰,容易发生主峰误判情况；后者（b）将四个主途径相关峰准确聚焦，同时也聚焦了多途子信道其他途径信号能量，相较于前者，获得了阵列处理增益和多途信道时间聚焦增益，主峰尖锐，时延分辨力高。由于后者引入了估计信道，二者主峰位置会有所不同。

比较回波A（来自发射基地A的目标回波）在不同干扰和不同检测方法下的空时码判决错误率。常规拷贝相关器在SIR=-5dB时已基本失效，而时反相关检测器在信道训练信号和空时码探测信号均被回波B干扰时，当信干比不低于-10dB时，都有较低的判决错误率。当信道训练信号未受到到回波B干扰时，在信干比不低于-17dB时，时反相关检测器仍具有良好的判决能力。无论信道训练信号是否被干扰，时反相关检测器的信号判决能力均优于常规拷贝相关检测器。

表1信干比对空时码判决错误率影响SNR=0dB

Claims (7)

1.一种多基地空时码探测信号的时反相关检测方法，其特征在于：

步骤1：为多基地的不同发射基地设计相应的信道训练信号；

步骤2：各发射基地将信道训练信号和若干空时码信号组成一帧发射信号进行发射；

步骤3：接收基地利用多路常规拷贝相关器检测来自不同发射基地的信号；

步骤4：利用信道训练信号对多阵元系统的子信道多途环境进行估计；

步骤5：通过虚拟时间反转镜，获得相应发射基地空时码信号的期望时反接收信号，将该期望时反接收信号作为时反相关检测信号；

步骤6：对接收到的空时码信号做时反相关检测，估计信号到达时延并对空时码信号进行解码。

2.根据权利要求1所述的多基地空时码探测信号的时反相关检测方法，其特征在于：步骤1中，各发射基地用新生成的伪随机信号调制单位矩阵，作为各自的信道训练信号；各发射基地的信道训练信号与空时码探测信号相互正交；各发射基地的信道训练信号相互正交。

3.根据权利要求2所述的多基地空时码探测信号的时反相关检测方法，其特征在于：步骤2中，将预先生成的相互正交的空时码探测信号码本分配给各发射基地；选用准正交空时码形式，空时码矩阵采用伪随机信号调制。

4.根据权利要求3所述的多基地空时码探测信号的时反相关检测方法，其特征在于：步骤3中，利用理想信道下各发射基地信道训练信号的接收信号，作为多路常规拷贝相关器的拷贝检测信号。

5.根据权利要求4所述的多基地空时码探测信号的时反相关检测方法，其特征在于：步骤4中，利用调制发射基地信道训练信号的伪随机信号与接收到的信道训练信号做相关，对拷贝相关器输出结果的各相关峰进行判决，分辨信号沿各途径到达的时延差，估计多阵元系统的子信道多途环境。

6.根据权利要求5所述的多基地空时码探测信号的时反相关检测方法，其特征在于：步骤5中，利用估计的多阵元系统各子信道冲激响应函数对发射基地的空时码探测信号码本做虚拟时间反转，获得该发射基地的空时码探测信号码本中各信号的期望时反接收信号。

7.根据权利要求6所述的多基地空时码探测信号的时反相关检测方法，其特征在于：步骤6中，用各期望时反接收信号对信道训练信号后的空时码探测信号进行多路时反相关检测，比较各路拷贝相关器最大输出，通过最大值判决进行解码，利用输出最大的该路相关器的最大相关峰位置，估计信号到达时延。

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