CN105141556A - 超宽带信道估计方法及装置 - Google Patents

Abstract

超宽带信道估计方法及装置，所述方法包括：将发送信号通过预设的矩阵进行处理得到相应的矢量信号；通过脉冲信号发生器将所述矢量信号转换得到对应的脉冲信号；通过所述超宽带信道对将所述脉冲信号进行处理后得到相应的接收信号；对所述接收信号进行检测，得到所述超宽带信道的特性。上述的方案，可以提高信道估计的灵活性和准确性，并节约能耗。

Description

超宽带信道估计方法及装置

技术领域

本发明属于通信技术领域，特别是涉及一种超宽带信道估计方法及装置。

背景技术

超宽带技术(UWB，UltraWideBand)技术，通过对具有很陡上升和下降时间的冲激脉冲进行直接调制，使信号具有GHz量级的带宽，其具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。

超宽带信道是一种带宽极宽的密集型多径信道，信道环境相当复杂，信号在传播过程中面临着多种障碍，噪声干扰严重，并且收发信机的特性也会影响信道的时变特性。因此，首先需要对信道进行估计，并根据所得到估计信道的特征对接收到的信号进行相应的补偿，以提高信号检测的精确性。

现有技术中的超宽带信道的估计方法，采用有限脉冲响应的模拟滤波器来降低信号的带宽，从而可以降低系统的采样速率。但是，这种信道估计方法，采用的模拟滤波器会造成信道估计的灵活性差。同时，这种方法需要预先对待发送的信号进行编解码，因而增加了信道估计的能耗，同时存在着信道估计的准确性差的问题。

发明内容

本发明实施例解决的技术问题是提高信道估计的灵活性和准确性，并节约能耗。

为解决上述问题，本发明实施例提供了一种超宽带信道估计方法，所述超宽带信道估计方法包括：

将发送信号通过预设的矩阵进行处理得到相应的矢量信号；

通过脉冲信号发生器将所述矢量信号转换得到对应的脉冲信号；

通过所述超宽带信道对将所述脉冲信号进行处理后得到相应的接收信号；

对所述接收信号进行检测，得到所述超宽带信道的特性。

可选地，所述预设的矩阵为：

其中，Φ₁表示所述预设的矩阵，α为预设的数值，i＝qn，n∈Z，1≤n≤DK，D＝1/T_pf_s，T_p表示所述发送信号的持续时间，f_s表示比特率。

可选地，所述接收信号可以采用如下的公式进行表示：

Y＝Φ₁Φ₂Φ₃X＝ΦX，其中，Φ₂为代表所述脉冲信号发生器的矩阵，Φ₃为代表所述超宽带信道的矩阵，Φ表示测量矩阵。

可选地，所述对所述接收信号进行检测，得到所述超宽带信道的特性，包括：采用压缩感知算法对所述发送信号进行重构，得到所述超宽带信道的特性。

本发明实施例还提供了一种超宽带信道估计装置，所述装置包括：

预编码单元，将发送信号通过预设的矩阵进行处理得到相应的矢量信号；

脉冲信号发生器，适于将所述矢量信号进行转换得到对应的脉冲信号；

检测单元，适于接收通过所述超宽带信道对将所述脉冲信号进行处理后得到的接收信号进行检测，得到所述超宽带信道的特性。

可选地，所述预设的矩阵为：

其中，Φ₁表示所述预设的矩阵，α为预设的数值，i＝qn，n∈Z，1≤n≤DK，D＝1/T_pf_s，T_p表示所述发送信号的持续时间，f_s表示比特率。

可选地，所述接收信号可以采用如下的公式进行表示：

Y＝Φ₁Φ₂Φ₃X＝ΦX，其中，Φ₂为代表所述脉冲信号发生器的矩阵，Φ₃为代表所述超宽带信道的矩阵，Φ表示测量矩阵。

可选地，所述检测单元适于采用压缩感知算法对所述发送信号进行重构，得到所述超宽带信道的特性。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下的优点：

上述的方案，通过采用预设的矩阵对待发送的信号进行处理后得到相应的矢量信号，得到的矢量信号再通过脉冲信号发生器后得到对应的脉冲信号，所述脉冲信号再经过所述超宽带信道处理后得到对应的接收信号，可以避免由于模拟滤波器的结构而导致的信道估计的灵活性较差，因而，可以提高信道估计的灵活性。同时，由于不需要对待发送的信号预先进行调制，因此可以减少所占用的资源，节省能耗。此外，所采用的预设的矩阵可以对待发送的信号的结构进行限制，因而可以提高信号检测的准确性。

附图说明

图1是本发明实施例中的一种超宽带信道估计方法的流程图；

图2是本发明实施例中的超宽带信道估计装置的结构示意图。

具体实施方式

现有技术中，现有技术中的超宽带信道的估计方法，采用有限脉冲响应的模拟滤波器来降低信号的带宽，从而可以降低系统的采样速率。这种信道估计的方法，待发送的信号在经过信道传输之前，首先经过所述模拟滤波器进行处理。其中，假设模拟信号为x(t)通过一长度为L的模拟滤波器，所述模拟滤波器可以表示为：

$h\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{L-1}{\Σ}}{h}_i\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{iT}}_h)---\left(1\right)$

其中，T_h表示滤波器各个抽头之间的时延。

模拟信号为x(t)在经过所述模拟滤波器处理后得到的输出信号可以表示为：

y(t)＝h(t)*x(t)(2)

其中，y(t)表示模拟信号为x(t)在经过所述模拟滤波器处理后得到的输出信号。

之后，再对所述输出信号进行多次采样，得到的采样信号如下：

y＝mT_s(3)

其中，m＝1，2，3，…，M-1。

那么，将公式(3)带入公式(2)便可以得到：

$\begin{array}{c}y\left({\mathrm{mT}}_s\right)=h\left({\mathrm{mT}}_s\right)*x\left({\mathrm{mT}}_s\right)\\ ={\∫}_0^{T_y}h({\mathrm{mT}}_s-\mathrm{\τ})x\left(\mathrm{\τ}\right)d\mathrm{\τ}\\ =\underset{i=0}{\overset{L-1}{\Σ}}{h}_{i}x({\mathrm{mT}}_s-{\mathrm{iT}}_h)\\ =\mathrm{\Φ}x\end{array}---\left(4\right)$

其中，采样周期为Ts，其中Ts/Th＝q，q为正整数，Φ为测量矩阵。

这里需要指出的是，Φ为准特普利兹矩阵。在准特普利兹矩阵Φ中，每一行的组成元素由上一行的元素进行平移得到。同时，

x＝[x(0),x(T_h),…,x((M-1)qT_h]^T＝Ψθ(5)

Ψ＝[Ψ(0),Ψ(T_h),…,Ψ((M-1)qT_h]^T(6)

其中，令y_m＝y(mT_s)，可以得到y＝[y₀,y₁,…,y_M-1]^T。

通过上述的分析，最终得到：

y＝ΦΨθ＝Θθ(7)

因此，通过公式(7)，可以看出对信号的处理变成了从M×1维的测量向量y中恢复出N×1维的向量θ的过程，从而变成了一个压缩感知的问题。

那么，在重构信号时，知道信号的稀疏度K，信号的持续时间T_x，滤波器的长度L，以及保证Φ和Ψ的非相干性，便可以最终得出信道的特性。

但是，上述的信道估计方法中使用的模拟滤波器有因果性，即某一给定时刻的响应与在此时刻以后的激励无关，使得信道估计的灵活性较差。同时，这种信道估计方法需要首先对待发送的信号进行调制，因此需要额外的编解码模块，会增加系统的功耗。此外，在对信号进行多径检测的时候错误率较高，对信道估计的准确率不高。

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明实施例采用的技术方案通过采用预设的矩阵对待发送的信号进行处理，可以提高信道估计的灵活性，减少所占用的资源，节省能耗，并可以提高信号检测的准确性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

图1示出了本发明实施例中的一种超宽带信道估计方法的流程图。如图1所示的超宽带信道估计方法，可以包括：

步骤S100：将发送信号通过预设的矩阵进行处理得到相应的矢量信号。

在具体实施中，所述预设的矩阵可以为：

其中，

D＝1/Tp*f_b(9)

i＝qn(10)

q＝T_p*f_s(11)

Γ_x＝KDq(12)

其中，Φ₁表示所述预设的矩阵，其中的所有元素都服从高斯分布且满足约束等距性的条件，α为预设的数值，表示Γ_x维的向量，为向量的组成元素，从满足限制等距性的高斯矩阵中选取且要服从标准高斯分布，并且保证Φ₁也满足限制等距性，n∈Z且1≤n≤DK，K表示发送信号中的数据的数量，T_p表示所述发送信号的持续时间，f_s表示信号的实际采样速率。

这里需要指出的是，为了建立信号模型，改进信道估计的性能，预设的矩阵Φ₁的构成有以下几个考虑条件：

(1)在任意的时间t内，脉冲发生器输出的信号u(t)都可以用发送信号X中K个非零值表示出来。

(2)考虑到脉冲发生器输出的信号u(t)的持续时间T_p和后续调制，中的i＝qn。

(3)通过调整α的值，脉冲发生器输出的信号u(t)的传输信号能量与传统无改进的信道模型在统计上相等。

在无线传感网络中，数据的传输具有突发性，一段包含K个数据比特的信息被发送后，发送端会陷入一段时间的休眠，直到再次需要发送信息的时候才继续发送。其中，发送数据X中的所有元素都等概的从{-1,1}中选取，f_b为比特率，P(t)表示未调制的超宽带脉冲，B表示带宽，发送信号的持续时间为T_p，D为整数，那么，在一比特的持续时间内可以包含D个脉冲，且脉冲之间没有干扰。

其中，由于超宽带信号的实际采样速率f_s的值将会相当的大，现有的ADC转换芯片将无法处理这么大的数据。因此，设置公式(11)得到整数q，那么在持续时间T_p内，发送信号X可以表示为Γ_x×1的矢量：

$X\left(j\right)=\left\{\begin{array}{cc}\mathrm{\ω}& j=n\left(Dq\right),(n\∈Z,n\≤K\≤K-1)\\ & 0\end{array}\right.---\left(13\right)$

其中，ω∈{-1,1}，X中含有K个非零值，即X的稀疏度为K。

接着，令Ψ＝{ψ₀,ψ₁,…,ψ_Γx-1,}，Ψ表示Γ_x×Γ_x的单位矩阵，通过正交基Ψ，X可以表示为：

X＝Ψθ(14)

其中，θ可以认为是Ψ中X的稀疏矢量，可以看出，当K满足K＜＜Γ_x时，X在Ψ中是稀疏的。

通过上述的过程，可以得出式(8)所示的预设矩阵Φ₁，且Φ₁∈R^Γx×Γx。当K×1维的发送信号X通过DK×K维的矩阵Φ₁处理之后，便可以输出的DK×1维的矢量Z。

步骤S120：通过脉冲信号发生器将所述矢量信号转换得到对应的脉冲信号。

在具体实施中，经过预设的矩阵Φ₁处理后得到的输出的DK×1维的矢量Z进入脉冲信号发生器后，输出DK个脉冲。

步骤S140：通过所述超宽带信道对将所述脉冲信号进行处理后得到相应的接收信号。

在具体实施中，输出的DK个脉冲经过所述超宽信道后输出的接收信号可以表示为：

y＝Φ₁Φ₂Φ₃X＝ΦX(15)

其中，y表示所述接收信号，Φ₂为表示所述脉冲信号发生器的矩阵，Φ₃为表示所述超宽带信号的矩阵，Φ表示发送信号X的测量矩阵。

步骤S160：对所述接收信号进行检测，得到所述超宽带信道的特性。

在具体实施中，根据此公式(15)可以运用压缩感知的重构算法对信号X进行重构，从而得到信号经过信道后的情况，得出信道的特性。具体而言，测量矩阵Φ是M×N阶矩阵，且M≤N，可以将公式(15)进一步进行转换得到：

y＝ΦX＝ΦΨs＝Θs(16)

在本发明一实施例中，在Ψ和Φ已知的情况下，通过压缩感知算法，便可以从观测值y中恢复出原始信号s，而无需知道X的值。

图2示出了本发明实施例中的超宽带信道估计装置的流程图。如图1所示的超宽带信道估计装置200，可以包括预编码单元210、脉冲信号发生器220和检测单元230，其中：

预编码单元210，将发送信号通过预设的矩阵进行处理得到相应的矢量信号。

在具体实施中，所述预设的矩阵为：

其中，Φ₁表示所述预设的矩阵，α为预设的数值，i＝qn，n∈Z，1≤n≤DK，D＝1/T_pf_s，T_p表示所述发送信号的持续时间，f_s表示比特率。

脉冲信号发生器220，适于将所述矢量信号进行转换得到对应的脉冲信号。

检测单元230，适于接收通过所述超宽带信道对将所述脉冲信号进行处理后得到的接收信号进行检测，得到所述超宽带信道的特性。

在具体实施中，所述接收信号可以采用如下的公式进行表示：

Y＝Φ₁Φ₂Φ₃X＝ΦX，其中，Φ₂为代表所述脉冲信号发生器的矩阵，Φ₃为代表所述超宽带信道的矩阵，Φ表示测量矩阵。

在具体实施中，所述检测单元230适于采用压缩感知算法对所述发送信号进行重构，得到所述超宽带信道的特性。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上对本发明实施例的方法及系统做了详细的介绍，本发明并不限于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种超宽带信道估计方法，其特征在于，包括：

将发送信号通过预设的矩阵进行处理得到相应的矢量信号；

通过脉冲信号发生器将所述矢量信号转换得到对应的脉冲信号；

通过所述超宽带信道对将所述脉冲信号进行处理后得到相应的接收信号；

对所述接收信号进行检测，得到所述超宽带信道的特性。

2.根据权利要求1所述的超宽带信道估计方法，其特征在于，所述预设的矩阵为：

其中，Φ₁表示所述预设的矩阵，α为预设的数值，q＝T_p*f_s,i＝qn，n∈Z，1≤n≤DK，D＝1/T_pf_s，T_p表示所述发送信号的持续时间，f_s表示比特率。

3.根据权利要求2所述的超宽带信道估计方法，其特征在于，所述接收信号可以采用如下的公式进行表示：

Y＝Φ₁Φ₂Φ₃X＝ΦX，其中，Φ₂为代表所述脉冲信号发生器的矩阵，Φ₃为代表所述超宽带信道的矩阵，Φ表示测量矩阵。

4.根据权利要求3所述的超宽信号估计方法，其特征在于，所述对所述接收信号进行检测，得到所述超宽带信道的特性，包括：采用压缩感知算法对所述发送信号进行重构，得到所述超宽带信道的特性。

5.一种超宽带信道估计装置，其特征在于，包括：

预编码单元，将发送信号通过预设的矩阵进行处理得到相应的矢量信号；

脉冲信号发生器，适于将所述矢量信号进行转换得到对应的脉冲信号；

检测单元，适于接收通过所述超宽带信道对将所述脉冲信号进行处理后得到的接收信号进行检测，得到所述超宽带信道的特性。

6.根据权利要求5所述的超宽带信道估计装置，其特征在于，所述预设的矩阵为：

其中，Φ₁表示所述预设的矩阵，α为预设的数值，q＝T_p*f_s，i＝qn，n∈Z，1≤n≤DK，D＝1/T_pf_s，T_p表示所述发送信号的持续时间，f_s表示比特率。

7.根据权利要求6所述的超宽带信道估计装置，其特征在于，所述接收信号可以采用如下的公式进行表示：

Y＝Φ₁Φ₂Φ₃X＝ΦX，其中，Φ₂为代表所述脉冲信号发生器的矩阵，Φ₃为代表所述超宽带信道的矩阵，Φ表示测量矩阵。

8.根据权利要求7所述的超宽信号估计装置，其特征在于，所述检测单元适于采用压缩感知算法对所述发送信号进行重构，得到所述超宽带信道的特性。