CN110692201B - 用于调频无线电信号接收器的消除多路径信号的方法 - Google Patents

Abstract

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，所述无线电接收器包括接收对应于发射无线电信号的多个无线电信号的无线电接收天线，由所述天线接收的所述多个信号由时移无线电信号组成，所述多个信号旨在被组合以便提供要播放的组合无线电信号z _n ，其中

，所述方法的目的在于确定所述复权重向量的所述复分量并且包括：•在所述复权重的实部和虚部之间引入时间关联，其是根据所述接收信号之间的时间偏移，借助于所述复权重在极坐标中的表达，•实现迭代自适应算法以确定能够使z _n 的模量随时间保持恒定的所述复向量的增益和延迟。

Description

用于调频无线电信号接收器的消除多路径信号的方法

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。

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）”。

参考图1，为了部分地减轻关于“多路径”的上述缺点，开发了脉冲响应滤波器FIR，其旨在消除由于前述的“多路径”现象而接收到的大量信号所产生的干扰。这些FIR滤波器实现CMA算法（CMA是“Constant Modulus Algorithm”的英语缩写，意为恒定模量算法），CMA算法被配置成消去接收到的所有信号y _n ，这些信号对应于由“多路径”现象产生的次级信号（signal secondaire），以便提供经处理的FM无线电信号z _n 。

因此，仍然参考图1，x _n 表示由发射天线发射的信号，根据定义，该信号具有恒定模量，并且y _n 表示由所讨论的车辆的无线电接收器的接收天线接收到的无线电信号，C表示所述发射天线与所述接收天线之间的传输信道的传递函数。

接收到的无线电信号y _n 具有非恒定模量，因为它是多个时移接收信号（即来自于具有较多延迟或较少延迟的各个发射信号x _n ）的组合的结果。

在该链的最后，经处理的无线电信号z _n 构成了在应用CMA算法后重建的无线电信号。

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。

从数学的观点来看，如下表达上面介绍的原理，其中为无线电接收器天线接收到的多个无线电信号赋予复权重，所述多个无线电信号中尤其包括反射后接收到的信号，这些信号是“多路径”干扰的源头，目的在于在消去了由于“多路径”引起的干扰之后形成要播放的组合无线电信号。

组合无线电信号写作：

其中，在时刻n，y _n 是所讨论的天线接收到的在复基带上的无线电信号，并且w _(n)是经由脉冲响应滤波器赋予所述接收无线电信号的复权重。

根据现有技术，实现CMA算法以确定能够最小化以下成本函数的复向量W _n ：

，

其中，R是要确定的常数，其对应于组合信号的恒定模量。

根据现有技术，复权重向量W _n 被认为由线性复数构成，所述向量W _n 因此具有以下形式：

。

该复权重向量W _n 的形成要应用于接收无线电信号的自适应滤波系数的分量彼此独立，并且每个分量的实部和虚部也彼此独立。

可以通过瞬时梯度技术来降低相应的成本函数，使其写作：

利用

和

，得到：

即：

。

复权重的更新因此来自以下公式：

。

为了以独立的方式确定要应用于移动无线电接收器天线所接收的信号的复权重以便从中去除由于“多路径”引起的干扰，如目前应用的已知的自适应滤波技术和CMA算法的主要缺点在于它们有时收敛得很慢，尤其是它们有时会不恰当地收敛。换言之，证实了所需条件的复权重有时会导致播放质量较差的无线电信号。

因此，特别频繁地出现稳定性问题。

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，天线接收多个无线电信号，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。

正是为了减轻这些缺点提出了本发明，以使得能够使用根据改进的技术来组合由无线电接收器天线接收的FM无线电信号，所述信号是“多路径”现象的产物，以便消除由于“多路径”而引起的干扰。

发明内容

为此，本发明特别地规定，在旨在最后组合由无线电接收器天线接收到的由“多路径”现象产生的FM无线电信号的方法中引入所述接收信号之间的时间关联。

这样，并非将要赋予由所述天线接收的每个所述信号的复权重视为独立的，本发明提出一种时间平面上的自适应模型，以便从消除由于“多路径”产生的干扰的角度来改进无线电接收器的性能。

因此，根据本发明的用于FM无线电接收器的降低“多路径”的方法包括：在无线电接收器的天线所接收的多个信号的相应增益和相移之间进行时间关联，以便降低要由诸如CMA算法之类的所实现的迭代算法来求解的方程的自由度。

以这种方式，为了确定要赋予每个接收无线电信号的复权重而实现的所述迭代算法收敛得更快并且更稳定。

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的无线电接收天线，由所述天线接收的所述多个信号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旨在被组合以便提供要播放的组合无线电信号z _n ，其中在时刻n，

，其中y _n 是向量，其分量对应于以复基带表示的多个接收信号，并且W _n 是向量，其分量对应于复权重，所述复权重旨在被分别赋予所述多个接收无线电信号中的每个无线电信号，以便形成其中消去了由于多路径现象而引起的所有次级无线电信号的组合无线电信号z _n ，所述方法的目的在于确定所述复权重向量的所述复分量，并且包括以下步骤：

• 在所述复权重的实部和虚部之间引入时间关联，所述关联是根据所述多个接收无线电信号中的所述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，即：

，

以便在所述复权重的实部和虚部之间融入互相关性，以及

• 实现迭代自适应算法以确定能够使z _n 的模量随时间保持恒定的g ₀、g ₁、……、g _k-1以及θ ₀、θ ₁、……、θ _k-1。

借助于根据本发明的方法，为了确定复权重W _n 而实现的迭代算法由于自由度降低而收敛更快并且具有改进的稳定性，所述自由度降低是通过引入时间关联而获得的，该时间关联归纳了在更新所述复权重的系数时的互相关性。

有利地，所述迭代自适应算法是恒定模量自适应算法。

根据一个实施例，根据本发明的方法包括确定对应于发射调频无线电信号的包络的模量的常数R，实现迭代自适应算法包括确定能够随时间最小化成本函数的

、

，所述成本函数通过下面的瞬时梯度来表征：

其中，

是由时刻n处的复权重向量的每个复权重的复增益组成的向量，

是由时刻n处的复权重向量的每个复权重的复延迟组成的向量，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。

根据一个实施例，借助于下式来计算

、

随时间的相应演变：

其中，

是由时刻n处的复权重向量的每个复权重的复增益组成的向量，

是由时刻n处的复权重向量的每个复权重的复延迟组成的向量。

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，在图1中示出了消去“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时间模型，以便虑及从物理的角度存在于由所讨论的无线电接收器的天线接收的“多路径”FM无线电信号之间的时间关联。

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。

因此，根据本发明，将时间自适应模型的复权重置于极坐标中，以便将所述复权重之间的强时间关联引入到系统中，同时虑及每个接收到的“多路径”信号的各自的增益。因此，由要应用于接收无线电信号的自适应滤波器构成的复权重向量写作：

。

因此，根据本发明，实现迭代算法以确定能够最小化下面的成本函数的值g _k 和θ _k ：

其中，R是要确定的常数，对应于FM无线电信号的包络的模量，其例如能够通过对组合接收信号的功率求平均来获得。

该成本函数的瞬时梯度的计算得到：

。

与现有技术不同，接收到的FM无线电信号的模型于是写作：

其中，K是复权重的数量，即要应用于接收无线电信号的自适应滤波器的系数的数量。

因此，写入瞬时梯度使得能够获得：

以及

其中，

是由时刻n处的复权重向量的每个复权重的复增益组成的向量，

是由时刻n处的复权重向量的每个复权重的复延迟组成的向量，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。

由此获得成本函数的梯度的以下表达式：

。

因此，通过以下公式获得要确定的每个复权重的增益和相位随时间的更新：

其中，μ_g和μ_θ是迭代步长，对其进行选择以更新每个复权重的增益和相位。本领域技术人员知道，迭代步长μ越大，算法收敛得越快，但是精度较低。相反，对于较小的迭代步长μ，算法的收敛较慢，但精度较高。在实践中，关于迭代步长μ的值的最终选择通常是在实验活动期间以试验的方式在现场进行的。

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，经由脉冲响应滤波器FIR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，完全可以实现其他类型的迭代算法。

Claims (6)

1.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的无线电接收天线，由所述天线接收的所述多个信号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旨在被组合以便提供要播放的组合无线电信号z _n ，其中在时刻n，

，其中Y _n 是向量，其分量对应于以复基带表示的多个接收信号，并且W _n 是向量，其分量对应于复权重，所述复权重旨在被分别赋予所述多个接收无线电信号中的每个无线电信号，以便形成其中消去了由于多路径现象而引起的所有次级无线电信号的组合无线电信号z _n ，所述方法的目的在于确定所述复权重向量的复分量，并且包括以下步骤：

• 在所述复权重的实部和虚部之间引入时间关联，所述关联是根据所述多个接收无线电信号中的所述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，即：

，

以便在所述复权重的实部和虚部之间融入互相关性，以及

• 实现迭代自适应算法以确定能够使z _n 的模量随时间保持恒定的g ₀、g ₁、……、g _K-1以及θ ₀、θ ₁、……、θ _K-1。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述迭代自适应算法是恒定模量自适应算法。

3.根据权利要求1或2所述的方法，包括确定对应于发射调频无线电信号的包络的模量的常数R，实现迭代自适应算法包括确定能够随时间最小化成本函数的

、

，所述成本函数通过下面的瞬时梯度来表征：

其中，

是由时刻n处的复权重向量的每个复权重的复增益组成的向量，

是由时刻n处的复权重向量的每个复权重的复延迟组成的向量，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。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，借助于下式来计算

、

随时间的相应演变：

其中，

是由时刻n处的复权重向量的每个复权重的复增益组成的向量，

是由时刻n处的复权重向量的每个复权重的复延迟组成的向量，并且其中，μ_g和μ_θ是迭代步长，对其进行选择以更新每个复权重的增益和相位，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。

5.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4中的任一项所述的方法。

6.机动车辆，其包括根据权利要求5所述的无线电接收器。

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