CN111010355A - 一种穿钢系统的信道估计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种穿钢系统的信道估计方法，能够降低计算复杂度和所需的内存。所述方法包括：在接收端，根据接收到的导频信号，利用压缩感知的稀疏重构算法对信道估计进行重构，得到穿钢系统的信道状态响应估计值；根据得到的信道状态响应估计值对接收端的接收信号进行均衡，得到均衡之后的信号。本发明涉及超声波通信技术领域。

Description

一种穿钢系统的信道估计方法
技术领域
本发明涉及超声波通信技术领域，特别是指一种穿钢系统的信道估计方法。
背景技术
在石油、气体、核能等领域，经常使用密闭的金属容器，而这些工业作业工程中，经常需要采集密闭金属容器中的一些信息，如温度，湿度等。由于法拉第电磁感应效应，射频通信无法正常工作。而这些工作环境一般要求金属容器的密闭性不被破坏，因此也不能使用传统的钻孔有限传输技术。超声波具有良好的传输特性，可以穿透金属，并且不会破坏金属的密闭性。因而使用超声波作为信号载体，在金属中传输数据有很好应用前景。为了满足这些特殊环境下的信号传递，研究建立超声波穿钢系统十分必要。
如图1所示，在穿钢系统中，待传输信号经过发射端DSP进行处理，经过DAC得到模拟信号，模拟信号经过发送端超声波换能器将电信号转换为超声波信号，超声波信号经过钢板传输至钢板另一侧的接收端超声波换能器，接收端超声波换能器将超声波信号转换为电信号，该电信号经过ADC转换为数字信号，传输进接收端DSP得到接收信号，完成穿钢系统的信号传输。
在进行信号传输时，为了更好的适应信道传送基带信号常在发射端DSP采用调制技术，对应的在接收端DSP要采用解调技术。在信号传输时进行信道编码能够很好的提高系统的性能，降低系统的误码率，而进行信道估计将有助于信道的译码。
但是，在穿钢系统中，现有的信道估计方式是基于最小二乘估计(LS)/最小均方误差(MMSE)进行导频点处(即：导频位置处)的信道估计再结合插值算法完成整个系统的信道估计，这些算法计算复杂，且要求存储空间大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种穿钢系统的信道估计方法，以解决现有技术所存在的基于LS/MMSE的信道估计方法，存在计算复杂度高、存储空间大的问题。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种穿钢系统的信道估计方法，包括：
在接收端，根据接收到的导频信号，利用压缩感知的稀疏重构算法对信道估计进行重构，得到穿钢系统的信道状态响应估计值；
根据得到的信道状态响应估计值对接收端的接收信号进行均衡，得到均衡之后的信号。
进一步地，在接收端，根据接收到的导频信号，利用压缩感知的稀疏重构算法对信道估计进行重构，得到穿钢系统的信道状态响应估计值之前，所述方法还包括：
在发射端，确定导频的插入方式及插入间隔；
根据确定的导频的插入方式及插入间隔，确定导频插入位置；
根据确定的导频插入位置，在发送信号的正交频分复用信号中插入导频，将插有导频的正交频分复用信号发送出去。
进一步地，在确定导频的插入方式及插入间隔时，得到的导频选择矩阵在与傅里叶变换矩阵相乘后满足有限等距性质；
其中，导频选择矩阵与发送信号、接收信号之间的关系为：
PXFh＝Φh＝PY
其中，P表示导频选择矩阵；Y表示接收信号；X表示发送信号；PX表示发送的导频信号；PY表示接收到的导频信号；F表示傅里叶变换矩阵，傅里叶变换矩阵是稀疏矩阵，用于使信道状态响应值h从时域变到频域H；Φ表示传感矩阵。
进一步地，所述在接收端，根据接收到的导频信号，利用压缩感知的稀疏重构算法对信道估计进行重构，得到穿钢系统的信道状态响应估计包括：
A1，计算传感矩阵Φ和接收到的导频信号PY的内积，选出内积最大的L个值；其中，L取值在1到最大稀疏度K之间；
A2，将接收到的导频信号PY用y来表示：y＝Φh，并将选出的L个值对应的传感矩阵的列构成矩阵Φt，利用最小二乘原则求出h的估计值：
Figure BDA0002296421500000031
其中，上标T表示矩阵转置，下标t表示当前迭代次数；
A3，确定残差rt，其中，rt表示为：
Figure BDA0002296421500000032
A4，判断当前迭代次数t是否小于最大稀疏度K，若小于，则返回步骤A1继续执行，并且步骤A1改为计算传感矩阵Φ与残差rt的内积；否则，则重构所得的h即当前迭代所得的
Figure BDA0002296421500000033
值，并利用
Figure BDA0002296421500000034
得到信道状态响应估计值H。
进一步地，所述根据得到的信道状态响应估计值对接收端的接收信号进行均衡，得到均衡之后的信号包括：
通过公式Y′＝Y×H对接收端的接收信号进行均衡，得到均衡之后的信号Y′；其中，Y表示接收信号，H表示信道状态响应估计值；
其中，在第n+1次迭代时的信道状态响应值H(n+1)表示为：
H(n+1)＝H(n)+μ×e×Y′
其中，H(n)表示第n迭代时的信道状态响应值；μ表示学习速率；e表示偏差，e＝Y-Y′。
进一步地，所述穿钢系统包括：发射端信号处理模块、与所述发射端信号处理模块相连的发射端超声波换能器、与所述发射端超声波换能器相连的金属板、与所述金属板相连的接收端超声波换能器，与所述接收端超声波换能器相连的接收端信号处理模块；其中，
超声波换能器与金属板之间通过耦合剂进行黏贴；
发射端超声波换能器和接收端超声波换能器在金属板两侧同轴对称安装。
进一步地，所述方法还包括：
对穿钢系统的信道传播模型进行扫频测试，根据测试结果，确定超声波换能器、耦合剂和金属板的尺寸。
进一步地，所述方法还包括：
基于超声波换能器、耦合剂和金属板的材料特性，建立穿钢系统的信道传播模型。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，利用穿钢系统的多径效应形成的稀疏信道的稀疏特性，应用压缩感知的稀疏重构算法实现信道估计，采用压缩感知的稀疏重构算法能够在减少内存和降低采样速率的情况下实现对穿钢系统的信道估计，从而降低误码率和计算复杂度，提高传输数据的准确性。
附图说明
图1为现有的穿钢系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的穿钢系统的信道估计方法的流程示意图；
图3为本发明实施例提供的穿钢系统的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的超声波换能器的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的扫频响应结果示意图；
图6为本发明实施例提供的穿钢系统的工作流程示意图；
图7为本发明实施例提供的压缩感知的稀疏重构算法的重构效果示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
本发明针对现有的基于LS/MMSE的信道估计方法，存在计算复杂度高、存储空间大的问题，提供一种穿钢系统的信道估计方法。
如图2所示，本发明实施例提供的穿钢系统的信道估计方法，包括：
S101，在接收端，根据接收到的导频信号，利用压缩感知的稀疏重构算法对信道估计进行重构，得到穿钢系统的信道状态响应估计值；
S102，根据得到的信道状态响应估计值对接收端的接收信号进行均衡，得到均衡之后的信号。
本发明实施例所述的穿钢系统的信道估计方法，利用穿钢系统的多径效应形成的稀疏信道的稀疏特性，应用压缩感知的稀疏重构算法实现信道估计，采用压缩感知的稀疏重构算法能够在减少内存和降低采样速率的情况下实现对穿钢系统的信道估计，从而降低误码率和计算复杂度，提高传输数据的准确性。
需要说明的是：
压缩感知技术打破了奈奎斯特采样定理要求采样速率达到带宽的两倍以上才能进行信号精确重构的限制，压缩感知要求采样其中的少量有用的点，就可以进行重构，因此，压缩感知技术改善了采样速率要求高的要求，及无效的冗余信息浪费存储空间的缺点。
为了更好地理解本发明所述的穿钢系统的信道估计方法，先对穿钢系统进行简要说明：
在前述穿钢系统的信道估计方法的具体实施方式中，进一步地，如图3所示，所述穿钢系统包括：发射端信号处理模块、与所述发射端信号处理模块相连的发射端超声波换能器、与所述发射端超声波换能器相连的金属板(例如，钢板)、与所述金属板相连的接收端超声波换能器，与所述接收端超声波换能器相连的接收端信号处理模块；其中，
信号处理模块通过导线与超声波换能器相连，超声波换能器与金属板之间通过耦合剂进行黏贴，超声波在金属板中进行传输；
发射端超声波换能器和接收端超声波换能器在金属板两侧同轴对称安装。
如图4所示，图4是一种经典的超声波换能器结构示意图，本发明中不限于这一种结构的超声波换能器，其中，超声波换能器中的压电晶体是核心部件用来发射和接收超声波。
在前述穿钢系统的信道估计方法的具体实施方式中，进一步地，所述方法还包括：
基于超声波换能器、耦合剂和金属板的材料特性，建立穿钢系统的信道传播模型。
本实施例中，所述信道传播模型为超声波在穿钢系统中的传输特性，具体为：
根据惠更斯原理，超声波在信道中传播具有反射、折射、衍射等现象，根据这些现象可以得到穿钢系统是频率选择性衰落信道，为了消除这些现象产生的多径效应需要合理地选择合理的金属板、超声波换能器和耦合剂材料，并合理地设计穿钢系统中各材料的尺寸包括超声波换能器的半径和厚度，钢板的厚度，耦合剂的厚度。
作为一优选实施例，所述方法还包括：
对穿钢系统的信道传播模型进行扫频测试，根据测试结果，确定超声波换能器、耦合剂和金属板的尺寸。
本实施例中，可以通过电路仿真软件Pspice对穿钢系统的信道传播模型进行扫频测试，具体的：根据谐振频率与钢板和超声波换能器的厚度公式可以得出为了得到联合谐振，需要的钢板和超声波换能器的尺寸，例如，如图5所示，纵轴是电压，横轴是频率，根据扫频结果，钢板厚度可以选用28mm，超声波换能器选用厚度2.25mm，半径30mm，每隔0.104MHz产生一次谐振。
需要说明的是：超声波换能器、耦合剂和金属板的尺寸可以根据实际应用场景确定，在本实施例中不做限定。
本申请中，信道传播模型可以表示为：Y＝XH+N，其中，Y表示接收到的信号，X表示发送信号，H表示信道的状态响应，N表示高斯白噪声。
本实施例中，图6为穿钢系统的工作流程示意图，在发射端，依次对发送信号(信源)执行信道编码、交织、信号调制、串并转换、插入导频、子载波调制、插入循环前缀、并串转换、数模转换、上变频操作后，通过信道发送出去；在接收端，依次对接收到的信号执行下变频、模数转换、串并转换、移除循环前缀、子载波调制、信道估计、信道均衡、并串转换、信号解调、解交织、信道译码操作，得到均衡之后的信号(信宿)。
本实施例中，道编码、交织、信号调制、串并转换、插入导频、子载波调制、插入循环前缀、并串转换、数模转换、上变频操作在发射端信号处理模块中完成；下变频、模数转换、串并转换、移除循环前缀、子载波调制、信道估计、信道均衡、并串转换、信号解调、解交织、信道译码操作在接收端信号处理模块中完成。
本实施例中，信道编码通过增加冗余位信息达到对带传递的原始信号进行纠错校验的目的，其中，信道纠错码能够纠正随机错误；交织是将突发错误转换为随机错误从而能译码纠错；信号调制是可以增加每个正交频分复用信号(OFDM)符号传输时的比特，一般有BPSK，QPSK，8PSK，16QAM调制等；串并转换即将串行数据流转换成并行数据流，为了后边的OFDM调制使用；插入导频用于信道估计；子载波调制即OFDM调制；插入循环前缀是为了消除符号间干扰。
在前述穿钢系统的信道估计方法的具体实施方式中，进一步地，在接收端，根据接收到的导频信号，利用压缩感知的稀疏重构算法对信道估计进行重构，得到穿钢系统的信道状态响应估计值之前，所述方法还包括：
在发射端，确定导频的插入方式及插入间隔；
根据确定的导频的插入方式及插入间隔，确定导频插入位置；
根据确定的导频插入位置，在发送信号的正交频分复用信号中插入导频，将插有导频的正交频分复用信号发送出去。
本实施例中，在发射端确定导频的插入方式，其中，导频插入方式可以包括：导频随机插入、导频均匀插入等方式。
本实施例中，可以根据发送信号的正交频分复用信号(OFDM)的子载波数，确定导频插入间隔。
在前述穿钢系统的信道估计方法的具体实施方式中，进一步地，在确定导频的插入方式及插入间隔时，得到的导频选择矩阵在与傅里叶变换矩阵相乘后满足有限等距性质(RIP)。
本实施例中，导频选择矩阵用来将发送信号中导频相应位置的数据选择出来，其中，导频选择矩阵与发送信号、接收信号之间的关系为：
PXFh＝Φh＝PY
其中，P是导频选择矩阵；Y表示接收信号；X表示发送信号；PX表示导频信号；F表示傅里叶变换矩阵，使信道状态响应值h从时域变到频域H；Φ表示传感矩阵。
本实施例中，傅里叶变换矩阵是稀疏矩阵，导频信号就是测量矩阵，传感矩阵就是测量矩阵和稀疏矩阵的乘积。
在前述穿钢系统的信道估计方法的具体实施方式中，进一步地，所述在接收端，根据接收到的导频信号，利用压缩感知的稀疏重构算法对信道估计进行重构，得到穿钢系统的信道状态响应估计包括：
A1，计算传感矩阵Φ和接收到的导频信号PY的内积，选出内积最大的L个值；其中，L取值在1到最大稀疏度K之间，K值可以根据一般情况下穿钢系统的信道径数给出大概值，一般是5-16径等；
A2，将接收到的导频信号PY用y来表示：y＝Φh，并将选出的L个值对应的传感矩阵的列构成矩阵Φt，利用最小二乘原则求出h的估计值：
Figure BDA0002296421500000081
其中，上标T表示矩阵转置，下标t表示当前迭代次数；
A3，确定残差rt，其中，rt表示为：
Figure BDA0002296421500000082
A4，判断当前迭代次数t是否小于最大稀疏度K，若小于，则返回步骤A1继续执行，并且步骤A1改为计算传感矩阵Φ与残差rt的内积；否则，则重构所得的h即当前迭代所得的
Figure BDA0002296421500000083
值，并利用
Figure BDA0002296421500000084
得到信道状态响应估计值H。
本实施例中，接收端信号处理模块可以利用正交匹配追踪算法(OMP)进行重构，重构效果图如图7所示；其中，稀疏重构算法OMP也可以由其他算法代替，例如，正则化正交匹配追踪(ROMP)算法、凸松弛算法，具体采用哪种稀疏重构算法可以根据实际应用场景确定。
与基于LS/MMSE的信道估计方法相比，本实施例提供的穿钢系统的信道估计方法，在低信噪比时的信道估计效果更好。
在前述穿钢系统的信道估计方法的具体实施方式中，进一步地，所述根据得到的信道状态响应估计值对接收端的接收信号进行均衡，得到均衡之后的信号包括：
通过公式Y′＝Y×H对接收端的接收信号进行均衡，得到均衡之后的信号Y′；其中，Y表示接收信号，H表示信道状态响应估计值；
其中，在第n+1次迭代时的信道状态响应值H(n+1)表示为：
H(n+1)＝H(n)+μ×e×Y′
其中，H(n)表示第n迭代时的信道状态响应值；μ表示学习速率；e表示偏差，e＝Y-Y′。
本实施例中，公式Y′＝Y×H的迭代停止条件是：H趋于稳定达到的迭代次数。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种穿钢系统的信道估计方法，其特征在于，包括：
在接收端，根据接收到的导频信号，利用压缩感知的稀疏重构算法对信道估计进行重构，得到穿钢系统的信道状态响应估计值；
根据得到的信道状态响应估计值对接收端的接收信号进行均衡，得到均衡之后的信号。
2.根据权利要求1所述的穿钢系统的信道估计方法，其特征在于，在接收端，根据接收到的导频信号，利用压缩感知的稀疏重构算法对信道估计进行重构，得到穿钢系统的信道状态响应估计值之前，所述方法还包括：
在发射端，确定导频的插入方式及插入间隔；
根据确定的导频的插入方式及插入间隔，确定导频插入位置；
根据确定的导频插入位置，在发送信号的正交频分复用信号中插入导频，将插有导频的正交频分复用信号发送出去。
3.根据权利要求2所述的穿钢系统的信道估计方法，其特征在于，在确定导频的插入方式及插入间隔时，得到的导频选择矩阵在与傅里叶变换矩阵相乘后满足有限等距性质；
其中，导频选择矩阵与发送信号、接收信号之间的关系为：
PXFh＝Φh＝PY
其中，P表示导频选择矩阵；Y表示接收信号；X表示发送信号；PX表示发送的导频信号；PY表示接收到的导频信号；F表示傅里叶变换矩阵，傅里叶变换矩阵是稀疏矩阵，用于使信道状态响应值h从时域变到频域H；Φ表示传感矩阵。
4.根据权利要求3所述的穿钢系统的信道估计方法，其特征在于，所述在接收端，根据接收到的导频信号，利用压缩感知的稀疏重构算法对信道估计进行重构，得到穿钢系统的信道状态响应估计包括：
A1，计算传感矩阵Φ和接收到的导频信号PY的内积，选出内积最大的L个值；其中，L取值在1到最大稀疏度K之间；
A2，将接收到的导频信号PY用y来表示：y＝Φh，并将选出的L个值对应的传感矩阵的列构成矩阵Φt，利用最小二乘原则求出h的估计值：
Figure FDA0002296421490000021
其中，上标T表示矩阵转置，下标t表示当前迭代次数；
A3，确定残差rt，其中，rt表示为：
Figure FDA0002296421490000022
A4，判断当前迭代次数t是否小于最大稀疏度K，若小于，则返回步骤A1继续执行，并且步骤A1改为计算传感矩阵Φ与残差rt的内积；否则，则重构所得的h即当前迭代所得的
Figure FDA0002296421490000023
值，并利用
Figure FDA0002296421490000024
得到信道状态响应估计值H。
5.根据权利要求4所述的穿钢系统的信道估计方法，其特征在于，所述根据得到的信道状态响应估计值对接收端的接收信号进行均衡，得到均衡之后的信号包括：
通过公式Y′＝Y×H对接收端的接收信号进行均衡，得到均衡之后的信号Y′；其中，Y表示接收信号，H表示信道状态响应估计值；
其中，在第n+1次迭代时的信道状态响应值H(n+1)表示为：
H(n+1)＝H(n)+μ×e×Y′
其中，H(n)表示第n迭代时的信道状态响应值；μ表示学习速率；e表示偏差，e＝Y-Y′。
6.根据权利要求1所述的穿钢系统的信道估计方法，其特征在于，所述穿钢系统包括：发射端信号处理模块、与所述发射端信号处理模块相连的发射端超声波换能器、与所述发射端超声波换能器相连的金属板、与所述金属板相连的接收端超声波换能器，与所述接收端超声波换能器相连的接收端信号处理模块；其中，
超声波换能器与金属板之间通过耦合剂进行黏贴；
发射端超声波换能器和接收端超声波换能器在金属板两侧同轴对称安装。
7.根据权利要求6所述的穿钢系统的信道估计方法，其特征在于，所述方法还包括：
对穿钢系统的信道传播模型进行扫频测试，根据测试结果，确定超声波换能器、耦合剂和金属板的尺寸。
8.根据权利要求7所述的穿钢系统的信道估计方法，其特征在于，所述方法还包括：
基于超声波换能器、耦合剂和金属板的材料特性，建立穿钢系统的信道传播模型。
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