CN110663202B

CN110663202B - 降低多路径干扰的方法以及相关无线电接收器和机动车辆

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Publication number: CN110663202B
Application number: CN201880035694.9A
Authority: CN
Inventors: 林超; G.佐利尔
Original assignee: Continental Automotive GmbH; Continental Automotive France SAS
Current assignee: Continental Automotive GmbH; Continental Automotive France SAS
Priority date: 2017-06-01
Filing date: 2018-05-31
Publication date: 2023-04-07
Anticipated expiration: 2038-05-31
Also published as: US20200007179A1; FR3067189B1; CN110663202A; FR3067189A1; WO2018220327A1; US10608684B2

Abstract

用于降低多路径干扰的方法，其用于包括接收对应于多个无线电信号（X_1,n、X_2,n）中的每一个的至少两个无线电接收天线（A1、A2）的车辆的无线电接收器，所述多个信号中的每一个由因多路径现象产生的时移无线电信号组成，所述多个无线电信号被组合以便提供要播放的组合无线电信号y _n，其中在时刻n，

，其中X ₁或者说X ₂是向量，其分量对应于由第一天线（A1）或者说第二天线（A2）接收到的多个信号，

和

是标量，其分量是空间滤波器的复权重，并且

是其分量是时间滤波器的复权重的向量的转置矩阵，所述方法包括实现迭代自适应算法，以确定空间滤波器的所述复权重和时间滤波器的所述复权重。

Description

降低多路径干扰的方法以及相关无线电接收器和机动车辆

技术领域

本发明涉及调频无线电信号的接收的领域，特别是在受到本领域技术人员已知的多路径（或根据等同的英语术语的“multipath”）现象影响的移动无线电接收器中接收调频无线电信号的领域。

更确切地说，本发明涉及用于在调频无线电信号接收器中借助于对这些干扰同时进行空间和时间上的处理来消除由于“多路径”现象引起的反射无线电波的方法。

背景技术

众所周知，无线电接收器、尤其是机动车辆的多媒体系统中的无线电接收器能够接收无线电信号，特别是FM无线电信号，FM是“Frequency Modulation”的英语缩写，意为“频率调制”。

由无线电接收器以调制形式接收到的这种FM无线电信号经历各种传感器和匹配滤波，使得可以以良好的条件、尤其是在机动车辆的驾驶室中播放相应的解调无线电信号。

本领域技术人员知道FM（即调频）无线电信号被匹配的无线电接收器接收以便被解调然后播放给听众的工作原理。

与经由移动无线电接收器、尤其是集成到机动车辆中的移动无线电接收器来接收FM无线电信号有关的已知问题在于以下事实：由发射器发射的FM无线电信号可能例如在被无线电接收器的天线所接收之前被自然障碍物或建筑物反射。换言之，所发射的无线电信号在被接收器的天线所接收之前可能是沿着较长或较短的各种路径行进的。此外，发射信号可能由于屏蔽的原因而完全未被无线电接收器的天线接收到。

由此引发了必要的选择性，因为同一无线电信号可能以各种时移被一个天线接收到多次。该问题对于本领域技术人员是已知的，通常将其称为英语术语“multipath（多路径）”。

另外，为了减轻与“多路径”和屏蔽有关的前述缺点，已知为无线电接收器配备至少两个分立的天线，称为“相位分集”。

在机动车无线电接收器中，为了处理由于“多路径”引起的干扰，具有两个天线的相位分集系统是解决频率选择性问题的一种已知解决方案。

原理在于组合由无线电接收器的两个分立的天线接收到的FM无线电信号，以便从实质上获得由所述两个天线形成的组件的有向性（directivité），使得为沿某一角度到达天线阵列的期望的无线电信号给予优先，牺牲沿不同角度到达天线阵列的非期望的无线电信号。

为了减轻由“多路径”现象引起的空间和时间上的干扰的影响，存在借助于脉冲响应滤波器（也称为“FIR”）的特定配置来实现信道均衡的系统，以均衡信道的传递函数。

因此，在该现有技术中，多调谐器接收器采用两种类型的处理，它们是分离地进行的，在信道的时间均衡的上游进行“相位分集”空间处理。

此外，根据现有技术，用于消除“多路径”信号的算法通常是“恒定模量”类型的算法。实际上，频率调制的原理确保了所发射的无线电信号具有恒定的模量。因此，称为CMA算法（CMA是针对“Constant Modulus Algorithm”，并且意为恒定模量算法）的计算算法得到调整，并且本领域技术人员不断寻求改进它们，其主要约束是要在计算之后确保在处理之后在接收器内组合的无线电信号具有基本恒定的模量。

CMA算法是迭代的计算算法，其目标在于确定要应用于无线电接收器的一个或多个天线所接收的FM无线电信号的复权重的实部和虚部，以便将它们组合在一起以消除组合的无线电信号中的由于“多路径”产生的干扰。

因此，根据现有技术重要的是：借助于第一次实现CMA算法来确定空间滤波分量，然后借助于实现第二CMA算法来确定脉冲响应滤波器的分量以进行时间上的滤波。

图1示出了代表现有技术的示意图，其中，两个天线A1、A2分别经由相应的输入级FE1、FE2接收与所发射的FM无线电信号相对应的无线电信号X_1,n、X_2,n。实现两个连续的滤波级以得到重组信号Y_n，旨在播放该重组信号Y_n。首先，存在空间滤波级G₁或者说G₂，然后是时间滤波级W。

参考图1，由此得出“空间分集”系统的第一组方程：

其中，、是复权重的标量，用于由每个天线A1、A2接收到的信号 X _{1,
n}、 X _{2,
n}的空间滤波； J _CMA是要借助于CMA算法来进行最小化的成本函数，并且R是要确定的常数，其对应于组合信号的恒定模量。

由此得出“时间分集”系统的第二组方程：

其中，是复权重矩阵，其分量对应于要应用于信号 Z _n以进行时间滤波的脉冲响应滤波器的系数， Z _n由来自于空间滤波级的信号 z _n的连续采样构成； J _CMA'是要借助于CMA算法进行最小化的成本函数，并且R是要确定的常数，其对应于组合信号的恒定模量。

然而，由于空间滤波是在上游、独立地进行的，没有虑及干扰的时间维度，这会导致缺点。实际上，为空间滤波实现CMA类型的第一迭代算法。在此阶段没有虑及时间问题的事实导致了所实现的算法随时可能导致跳至相邻的无线电信号。随后执行的时间滤波于是可能在收敛方面遇到极大的困难，甚至不收敛。

未知数众多，而且这些未知数之间没有关联，这使得尤其难以快速确定稳定的解。

如本领域技术人员所知，在FM无线电接收领域中特别存在快速收敛至正确且稳定的解的这些难题，这是因为算法可先验利用的唯一确定的约束在于以下事实：调频无线电信号的包络的模量是恒定的。

然而，另一方面，天线A1、A2接收多个无线电信号中的每一个，其对应于沿着各种路线行进的、直接的或经历过一次或多次反射的发射无线电信号，并且必须确定复权重，以便应用于这些无线电信号中的每一个。该方程包括大量未知数，并且因此CMA算法的目标是确定一组非最优解中的最佳解，从而使得能够确保组合无线电信号的恒定模量。

更特别地，在期望的无线电信号与在相邻频道上传输的无线电信号共存的场景中，这种收敛问题更加突出。经常会发生这样的情况：通过CMA算法获得的复权重会为相邻无线电信号给予优先，从而损害期望的无线电信号。于是，特别频繁地出现稳定性问题。

发明内容

为了弥补这些缺点，本发明提出，首先，在对由彼此分离的至少两个天线接收到的所有信号进行线性组合之后，执行唯一的空间和时间优化。

这样，实现单个迭代算法、特别是CMA类型的单个迭代算法，以对由所述至少两个分立的天线接收到的多个信号同时进行空间滤波和时间滤波。

其次，根据优选实施例，以极坐标表示所获得的方程，以便引入以所述至少两个天线接收到的信号之间的关系的形式的物理含义。有利地，相对于现有技术，该解决方案使得能够针对所实现的CMA算法获得正交的解轴。另外，如在后面的描述中所证明的，借助于在各系数的演变之间引入的关联，还改进了所实现的算法快速收敛至较少的稳定解数量的能力。

更确切地说，本发明的主题是一种用于降低多路径干扰的方法，其用于实现在车辆的无线电接收器中，所述无线电接收器旨在接收所发射的无线电信号并且包括接收对应于所述发射无线电信号的多个无线电信号中的每一个的至少两个无线电接收天线，由所述天线中的每一个接收的所述多个信号中的每一个由因多路径现象产生的时移无线电信号组成，所述多个无线电信号被组合以便提供要播放的组合无线电信号 y _n，其中在时刻 n，，其中 X ₁是向量，其分量对应于以复基带表示的由第一天线接收到的多个信号， X ₂是向量，其分量对应于以复基带表示的由第二天线接收到的多个信号，和是标量，其分量是空间滤波器的复权重，并且是其分量是时间滤波器的复权重的向量的转置矩阵，所述方法包括实现迭代自适应算法，以确定空间滤波器的所述复权重和时间滤波器的所述复权重。

借助于根据本发明的方法，为了对由所述至少两个天线接收到的多个无线电信号进行空间和时间滤波而实现的迭代自适应算法收敛得更快并且更稳定。

有利地，所述迭代自适应算法被配置成最小化如下的成本函数 J

其中，R是要确定的常数，其对应于组合信号 y _n的恒定模量。

有利地，所述迭代自适应算法是被配置成最小化成本函数的恒定模量自适应算法。

根据前面的实施例，其分量形成时间滤波器的复权重的矩阵的分量、以及其分量形成空间滤波器的复权重的标量的分量的相应演变写作：

其中， μ _W、 μ _G1和 μ _G2是被选择以更新每个复权重的增益和相位的迭代步长。

在该实施例中，在空间滤波器和时间滤波器的分量之间存在的较强关联意味着迭代自适应算法的更高的效率。

前面的方程是一般性的，并且可以用笛卡尔坐标或极坐标进行展开。为了获得最佳效率，如后文解释的，根据优选实施例，复权重以极坐标表示。

根据该实施例，根据本发明的方法还包括：在时间滤波器的所述复权重与空间滤波器的所述复权重之间引入关联，所述关联是根据由所述至少两个天线接收到的所述多个无线电信号之间的时间偏移，这是借助于所述复权重在极坐标中的表达，使得成本函数的瞬时梯度写作：

其中：

，其中：

，

并且：

以便在所述复权重的实部和虚部之间融入互相关性。

其中， μ _A、 μ _θ、 μ _b1、 μ _b2、、是被选择以更新每个复权重的增益和相位的迭代步长，并且运算符“”被定义为逐分量地执行两个向量的乘法，结果是一个向量。

在该实施例中，在空间滤波器和时间滤波器的分量之间存在非常强的关联意味着迭代自适应算法的更高的效率。

有利地，时间滤波器是脉冲响应滤波器。

本发明还涉及一种包括微控制器的无线电接收器，所述微控制器被配置成实现如上面简述的方法。

本发明还涉及一种机动车辆，其包括如上面简述的无线电接收器。

附图说明

通过阅读以下描述将更好地理解本发明，该描述仅作为示例给出，并且其参考附图，所述附图示出：

- 图1示出了根据现有技术的用于消去“多路径”无线电信号的方法的原理示意图；

- 图2示出了根据本发明的用于消去“多路径”无线电信号的方法的原理示意图。

具体实施方式

介绍根据本发明的用于FM无线电信号的自适应方法，其主要旨在实现于机动车辆中的车载多媒体系统的无线电接收器中。然而，也旨在本发明在任何其他技术领域中的实现，特别是在任何类型的FM无线电接收器中的实现。

本发明提出引入自适应空间和时间模型，以便同时虑及从物理的角度存在于由所讨论的无线电接收器的多个天线接收的“多路径”FM无线电信号之间的空间关联和时间关联。

在关于雷达的另一技术领域中，已知使用自适应时间模型来组合由雷达天线接收的信号。然而，在雷达领域中实现的技术不能迁移到FM无线电接收领域的情形中。

实际上，在雷达世界中实现的自适应时间模型是基于脉冲响应滤波器的实现，该脉冲响应滤波器能够将复权重向量应用于接收到的复信号的向量，所述复权重向量写作：

。

此模型无法在FM无线电接收领域中消除“多路径”信号，因为在FM无线电信号的情况下，每个经时移了的接收到的“多路径”信号所沿着的每个路线都具有取决于无线电波所行进的距离的特定增益，与雷达接收的情况不同，所述距离不是与频率有关的线性函数。

另外，该模型无法虑及在由接收器的天线阵列所接收的信号之间存在的空间关联。

参考图2，本发明提出同时处理由包括至少两个天线A1、A2的天线阵列接收到的多个无线电信号的空间滤波和时间滤波。天线A1、A2分别接收与一个发射FM无线电信号相对应的多个信号X₁、X₂。在经由输入级FE1、FE2进行采集之后，接收信号通过专用级H进行空间和时间平面上的滤波，在该专用级H的输出处获得重组信号Y_n，旨在播放该重组信号Y_n。

因此，在实现迭代自适应算法、尤其是CMA算法之后，经滤波和重组的信号写作：

其中，，，并且表示天线A1、A2接收到的最后K个信号； H ₁和 H ₂是矩阵，其复分量表示要应用于所述接收信号以确保空间和时间分集系统的求解的权重。

为了去除冗余参数，可以重写上面的方程，以便分离来自空间角度和时间角度的线性组合。因此，通过选择首先执行空间滤波，获得：

。

换言之，从图2可以清楚地看到，在知晓 H ₁和 H ₂矩阵是由空间分量和时间分量构成的情况下，重组信号 y _n写作：

其中，是矩阵，其分量是与要实现以进行时间滤波的脉冲响应滤波器的分量相对应的复权重；和是标量，其分量是与要实现以进行空间滤波的滤波器的分量相对应的复权重； X _{1
,n}和 X _{2
,n}是对应于两个天线A1、A2接收到的信号的复向量；“^T”是矩阵转置记号。

对于具有K个系数的脉冲响应滤波器，在时刻 n，复矩阵写作：

其中，在笛卡尔坐标中：。

至于要实现以进行空间滤波的复标量，其写作：

。

以相同的方式，与两个天线A1、A2接收到的信号相对应的复向量分别写作：

。

从中获得重组信号的以下表达式：

。

然后，实现迭代自适应算法，特别是CMA算法，以确定使得能够最小化下面的成本函数的、、的复分量：

。

要指出的是，在本披露中，仅设想了(2, 1)类型的CMA算法，但是同样可以实现任何其他类型的自适应算法，特别是任何其他类型的CMA算法。

借助于瞬时梯度技术来最小化前述成本函数：

即：

。

成本函数于是写作：

。

并且借助于下面的方程来获得用于接收信号的空间和时间滤波的复分量的更新：

。

这样，在空间滤波的系数和时间滤波的系数之间存在关联。、的分量的更新实际上取决于，并且反之亦然。

因此，所实现的迭代自适应算法、特别是CMA算法收敛得更快，并且尤其是收敛至更稳定的解。

根据优选实施例，可以在用于空间滤波的标量的分量与被实现以进行时间滤波的脉冲响应滤波器的分量之间引入甚至更强的关联。

从来自图2的方程开始，根据该方程，作为提醒：

如已经指出的，对于具有K个系数的脉冲响应滤波器，在时刻 n，复矩阵写作：

在极坐标中，。

因此，，其中：

。

同样，标量和，由于其本身也是复数的，因此能够用极坐标表示。因此：

并且。

作为提醒，与两个天线A1、A2接收到的信号相对应的复向量分别写作：

。

从中获得重组信号的以下表达：

。

因此，如前面的实施例中那样，实现诸如CMA算法之类的迭代自适应算法以确定使得能够最小化下面的成本函数的、、的复分量：

。

要再次指出的是，在本披露中，仅设想了(2, 1)类型的CMA算法，但是同样可以实现任何其他类型的自适应算法，特别是任何其他类型的CMA算法。

借助于瞬时梯度技术来最小化前述成本函数：

即，自此：

并且。

将这些项代入到先前表达的成本函数中，由此得出：

。

从这些公式可以得出要确定的复权重的实部和虚部之间的较强的互相关性。

这样，基于这些公式的迭代自适应算法、特别是CMA算法的实现，在最小化上面展示的成本函数的约束下，比现有技术更高效地收敛。实际上，与诸如现有技术中实现的其中复权重的系数是独立的线性笛卡尔坐标的CMA算法不同的是，前面引入的空间和时间关联归纳出系数更新时的互相关性，从而降低了自由度的数量。

借助于本发明，CMA算法收敛到解的更小的子集，所述子集被包括在诸如现有技术中实现的CMA算法的可能解的集合中。

因此，实现根据本发明的方法使得能够以比现有技术中更好的稳定性消除由“多路径”现象产生的次级信号。

此外要明确的是，本发明不限于借助于CMA算法的上述实施例，而是可以有本领域技术人员可想到的变型；特别地，可以实现其他类型的迭代算法。

Claims

1.一种降低多路径干扰的方法，该方法要在车辆的无线电接收器中实现，所述无线电接收器旨在接收发射的无线电信号并且包括至少两个无线电接收天线（A1、A2），所述至少两个无线电接收天线接收对应于所述发射的无线电信号的多个无线电信号（X_1,n、X_2,n）中的每一个无线电信号，由每个天线接收的所述多个无线电信号中的每个无线电信号由时移无线电信号组成，所述时移无线电信号因多路径现象而产生，所述多个无线电信号被组合以提供要播放的组合无线电信号y _n，其中在时刻n，，其中X _1,n是向量，其分量对应于以复基带表示的由第一天线（A1）在时刻n接收到的多个信号，X _2,n是向量，其分量对应于以复基带表示的由第二天线（A2）在时刻n接收到的多个信号，和是标量，其分量是空间滤波器的复权重，并且是其分量是时间滤波器的复权重的向量的转置矩阵，所述方法包括实现迭代自适应算法，以确定空间滤波器的所述复权重和时间滤波器的所述复权重，其特征在于，其分量形成时间滤波器的复权重的矩阵的分量、以及其分量形成空间滤波器的复权重的标量的分量的相应演变写作：

其中，μ _W、μ _G1和μ _G2是被选择以更新每个复权重的增益和相位的迭代步长，并且R是要确定的常数，其对应于组合信号y _n的恒定模量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述迭代自适应算法被配置成最小化如下的成本函数J

。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述迭代自适应算法是被配置成最小化成本函数的恒定模量自适应算法。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，还包括：在时间滤波器的所述复权重与空间滤波器的所述复权重之间引入关联，所述关联是根据由所述至少两个天线（A1、A2）接收到的所述多个无线电信号之间的时间偏移，这是借助于所述复权重在极坐标中的表达，使得成本函数的瞬时梯度写作：

其中：

，其中：

，

并且：

并且其中，运算符“”被定义为逐分量地执行两个向量的乘法，结果是一个向量，

以便在所述复权重的实部和虚部之间融入互相关性。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，其分量形成时间滤波器的复权重的矩阵的分量、以及其分量形成空间滤波器的复权重的标量的分量的相应演变写作：

其中，μ _A、μ _θ、μ _b1、μ _b2、、是被选择以更新每个复权重的增益和相位的迭代步长。

6.根据权利要求1、2、3和5中的任一项所述的方法，其中，时间滤波器是脉冲响应滤波器（FIR）。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，时间滤波器是脉冲响应滤波器（FIR）。

8.一种包括微控制器的无线电接收器，所述微控制器被配置成实现根据权利要求1至7中的任一项所述的方法。

9.一种机动车辆，其包括根据权利要求8所述的无线电接收器。