CN108736917A - 一种时频协同的扩频分集接收方法及实现装置 - Google Patents

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Abstract

一种时频协同的扩频分集接收方法及实现装置，涉及通信和信号处理领域。发明是为了更好地削弱多径效应的影响，本发明在接收端引入了时频分析模块，接收到的多径信号经过分离和同步处理，对每条路径的采样信号序列和信道估计的共轭序列进行短时傅里叶变换，分别得到各自的时频分布矩阵。两组时频分布矩阵按列进行线性卷积，将卷积后矩阵的列元素进行截断。每条路径进行相同的操作，将多路截断的卷积矩阵进行线性叠加，再作短时傅里叶反变换，可得到重构信号的时域序列，即为待解调的信号。截断使得部分多普勒频率分量被去除，窗口化和重叠平均化处理，本发明可以减小有效噪声带宽，改善分集接收的性能。

Description

一种时频协同的扩频分集接收方法及实现装置
技术领域
本发明涉及通信和信号处理领域。
背景技术
无线信道的传输时延扩展会产生多径效应，码分多址(CDMA)系统中使用的分集接收技术是利用扩频信号伪随机序列良好的相关特性实现分集合并的，从而达到抑制多径效应的目的。联合时频表示(TFR)是处理时变信号的强大工具，它可以同时表述信号的时域和频域特征，主要包括短时傅立叶变换、Gabor变换、小波分析和Wigner-Ville分布等方法。将时频协同分析的方法应用于分集接收，在时频域实现分集接收的过程，可有效改善抑制多径效应的性能。
发明内容
本发明是为了更好地削弱多径效应的影响，从而提出一种时频协同的扩频分集接收方法及实现装置。
一种时频协同的扩频分集接收方法，它包括以下步骤：
步骤一、将接收到的多径信号分离成不相关的多路信号，不同时间延迟的多路信号经过同步处理，得到多路待处理的信号xi(t)，i＝1,2,L,l，l为路径数，且l为正整数。
步骤二、将每路待处理信号xi(t)的采样序列xi(n)和每路信道估计的共轭序列送入缓存器进行缓存，xi(n)和的长度均为N，其中N为正整数；
步骤三、采用短时傅里叶变换(STFT)的时频分析方法计算信号采样序列xi(n)和信道估计共轭序列的时频分布矩阵，分别记为Xi和Hi，xi(n)和的长度均为N，矩阵大小均为N*N，其中N为正整数；
步骤四、将时频分布矩阵Xi和Hi按列进行线性卷积，卷积后的矩阵记为Si，大小为(2N-1)*N；
步骤五、将矩阵Si每列进行截断操作，得到截断后的卷积矩阵，记为Si-new，矩阵大小为N*N；
步骤六、将每路操作得到的截断卷积矩阵Si-new进行线性叠加，得到矩阵Ssum，对矩阵Ssum进行短时傅里叶反变换(ISTFT)，得到重构信号的时域序列xrecon(n)，即为待解调的信号输出。
步骤五中将矩阵Si每列元素进行截断操作的方法是：将矩阵Si每列元素的前N-1项去除。实现上述方法的接收装置：它包括l根接收天线、2l个短时傅里叶变换模块、l个卷积模块、l个截断模块、线性叠加模块、短时傅里叶反变换模块、解扩模块、解调模块。
采用l根接收天线将接收到的多径信号分离成不相关的l路待处理信号，l为路径数且l为正整数。对于每一路信号的处理路径均包括两个短时傅里叶变换模块、一个卷积模块和一个截断模块；卷积模块的两个输入端分别用于接收每路待处理信号xi(t)的采样序列xi(n)和每路信道估计的共轭序列hi *(n)；l个截断模块分别与线性叠加模块的l个输入端连接，线性叠加模块的输出端与短时傅里叶反变换模块的输入端连接，短时傅里叶反变换模块的输出端与解扩模块的输入端连接，解扩模块的输出端与解调模块的输入端连接。本发明的实施可有效提升分集接收方法对抗多径干扰的性能。本发明在接收端引入了时频分析模块，接收到的多径信号经过分离和同步处理，对每条路径的采样信号序列和信道估计的共轭序列进行短时傅里叶变换，分别得到各自的时频分布矩阵。两组时频分布矩阵按列进行线性卷积，将卷积后矩阵的列元素进行截断。每条路径进行相同的操作，将多路截断的卷积矩阵进行线性叠加，再作短时傅里叶反变换，可得到重构信号的时域序列，即为待解调的信号。截断使得部分多普勒频率分量被去除，窗口化和重叠平均化处理，可以减小有效噪声带宽，改善分集接收的性能。
附图说明
图1是时频协同扩频分集接收实现装置的结构示意图；
图2短时傅里叶反变换的实现原理图；
图3短时傅里叶变换的实现原理矩阵图；
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和本具体实施方式，一种时频协同的扩频分集接收方法，它包括以下步骤：
步骤一、将接收到的多径信号分离成不相关的多路信号，不同时间延迟的多路信号经过同步处理，得到多路待处理的信号xi(t)，i＝1,2,L,l，l为路径数，且l为正整数。
步骤二、将每路待处理信号xi(t)的采样序列xi(n)和每路信道估计的共轭序列送入缓存器进行缓存，xi(n)和的长度均为N，其中N为正整数；
步骤三、采用短时傅里叶变换(STFT)的时频分析方法计算信号采样序列xi(n)和信道估计共轭序列的时频分布矩阵，分别记为Xi和Hi，xi(n)和的长度均为N，矩阵大小均为N*N，其中N为正整数；
步骤四、将时频分布矩阵Xi和Hi按列进行线性卷积，卷积后的矩阵记为Si，大小为(2N-1)*N；
步骤五、将矩阵Si每列进行截断操作，得到截断后的卷积矩阵，记为Si-new，矩阵大小为N*N；
步骤六、将每路操作得到的截断卷积矩阵Si-new进行线性叠加，得到矩阵Ssum，对矩阵Ssum进行短时傅里叶反变换(ISTFT)，得到重构信号的时域序列xrecon(n)，即为待解调的信号输出。
步骤三中，将步骤二所述的长度为N的缓存序列xi(n)进行短时傅里叶变换(STFT)得到时频分布矩阵，具体为：
短时傅里叶变换(STFT)的离散形式为
其中，xi(n)为待分析的采样序列，g(m)为窗函数的采样序列，m、n∈N+。
记待分析的采样序列为xi(n)＝{xi(1),xi(2),xi(3),L xi(N-1),xi(N)}，窗函数的采样序列为g(m)＝{g(1),g(2),g(3),L g(M-1),g(M)}。其中，N为待分析采样序列的长度，M为窗函数采样序列的长度，n＝{1,2，L,N}，m＝{1,2，L,M}，M、N∈N+，且M为2的倍数。
短时傅里叶变换(STFT)的过程如下：用窗函数对信号进行截断，将待分析序列xi(n)被窗函数序列g(m)截断得到的元素记为xingm。让窗滑动，可以得到多组截断后的序列，即为图2中矩阵的列元素，共N列。窗中心首先对应xi(1)的位置，顺次移动，直到窗中心对应xi(N)的位置。N列元素中可含全零列，取决于窗函数滑动时的移动步长。图3是移动步长为一个序列元素的情况。分别对图3矩阵的每列元素作N点的FFT，即可得到短时傅里叶变换(STFT)后的时频分布矩阵，矩阵大小为N*N。
步骤四中，将步骤三所述的信号序列xi(n)和信道估计共轭序列的时频分布矩阵Xi和Hi按列进行卷积运算得到矩阵Si，具体为：
记矩阵Xi的第k行第j列元素为矩阵Hi的第k行第j列元素为矩阵Si的第k行第j列元素为卷积运算满足以下关系
卷积后的矩阵大小为(2N-1)*N。
步骤五中将卷积后矩阵Si的每列元素的前N-1项去除，具体为：
卷积后的列元素为n＝1,2,3,L,2N-1，将n＝1,2,3,L,N-1的N-1项删去，保留下的n＝N,N+1,L,2N-1的N项，即为截断后剩下的矩阵列元素截断使得部分多普勒频率分量被去除，降低了多普勒效应对系统性能的影响。
步骤六中将每路操作得到的截断卷积矩阵Si-new进行线性叠加，得到矩阵Ssum，对矩阵Ssum进行短时傅里叶反变换(ISTFT)，得到信号的重构时域序列xrecon(n)，具体为：
短时傅里叶反变换(ISTFT)的公式为
其中，g(n)为窗函数的采样序列，STFTx(m,n)为信号序列x(k)的时频分布矩阵，并满足
当采用步骤三的短时傅里叶变换(STFT)进行时频分析处理时，反变换可以由以下步骤给出：(1)将步骤五中得到的截断卷积矩阵线性叠加后得到的矩阵Ssum的每列元素作N点的IFFT；(2)将所得矩阵的列元素取出，与窗函数的共轭序列相乘，即可得到重构信号的重叠截断形式。共轭序列如下式所示。
其中，序列g*(n)中有N-M个0；(3)如图3所示，将重构信号的重叠部分进行相加和归一化处理，即可恢复出信号的时域形式。窗口化和重叠平均化处理，可以减小等效噪声带宽，进一步改善分集接收的性能。
具体实施方式二、结合图1和本具体实施方式，一种时频协同的扩频分集接收方法及实现装置，它包括l根接收天线、2l个短时傅里叶变换模块、l个卷积模块、l个截断模块、线性叠加模块、短时傅里叶反变换模块、解扩模块、解调模块。
采用l根接收天线将接收到的多径信号分离成不相关的l路待处理信号，l为路径数且l为正整数。对于每一路信号的处理路径均包括两个短时傅里叶变换模块、一个卷积模块和一个截断模块；卷积模块的两个输入端分别用于接收每路待处理信号xi(t)的采样序列xi(n)和每路信道估计的共轭序列l个截断模块分别与线性叠加模块的l个输入端连接，线性叠加模块的输出端与短时傅里叶反变换模块的输入端连接，短时傅里叶反变换模块的输出端与解扩模块的输入端连接，解扩模块的输出端与解调模块的输入端连接。

Claims (3)

1.一种时频协同的扩频分集接收方法，其特征是：它包括以下步骤：
步骤一、将接收到的多径信号分离成不相关的多路信号，不同时间延迟的多路信号经过同步处理，得到多路待处理的信号xi(t)，i＝1,2,L,l，l为路径数，且l为正整数。
步骤二、将每路待处理信号xi(t)的采样序列xi(n)和每路信道估计的共轭序列送入缓存器进行缓存，xi(n)和的长度均为N，其中N为正整数；
步骤三、采用短时傅里叶变换(STFT)的时频分析方法计算信号采样序列xi(n)和信道估计共轭序列的时频分布矩阵，分别记为Xi和Hi，xi(n)和的长度均为N，矩阵大小均为N*N，其中N为正整数；
步骤四、将时频分布矩阵Xi和Hi按列进行线性卷积，卷积后的矩阵记为Si，大小为(2N-1)*N；
步骤五、将矩阵Si每列进行截断操作，得到截断后的卷积矩阵，记为Si-new，矩阵大小为N*N；
步骤六、将每路操作得到的截断卷积矩阵Si-new进行线性叠加，得到矩阵Ssum，对矩阵Ssum进行短时傅里叶反变换(ISTFT)，得到重构信号的时域序列xrecon(n)，即为待解调的信号输出。
2.根据权利要求1所述的一种时频协同的扩频分集接收方法，其特征在于步骤五中将矩阵Si每列元素进行截断操作的方法是：将矩阵Si每列元素的前N-1项去除。
3.实现权利要求1的接收装置，其特征是：它包括l根接收天线、2l个短时傅里叶变换模块、l个卷积模块、l个截断模块、线性叠加模块、短时傅里叶反变换模块、解扩模块、解调模块。
采用l根接收天线将接收到的多径信号分离成不相关的l路待处理信号，l为路径数且l为正整数。对于每一路信号的处理路径均包括两个短时傅里叶变换模块、一个卷积模块和一个截断模块；卷积模块的两个输入端分别用于接收每路待处理信号xi(t)的采样序列xi(n)和每路信道估计的共轭序列l个截断模块分别与线性叠加模块的l个输入端连接，线性叠加模块的输出端与短时傅里叶反变换模块的输入端连接，短时傅里叶反变换模块的输出端与解扩模块的输入端连接，解扩模块的输出端与解调模块的输入端连接。
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