CN111669191B - 一种基于分布式接收系统的短波超短波信号增强方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及无线通信中的阵列信号处理技术领域，公开一种基于分布式接收系统的短波超短波信号增强方法，包括：由多套GPS/北斗导航设备分别提供参考时钟和秒脉冲至各节点的多通道接收机，各多通道接收机依据参考时钟完成短波超短波信号下变频和采频操作，并将接收信号和秒脉冲以无线方式传输至中心计算节点；中心计算节点根据秒脉冲对接收信号进行时域对齐，依据信号带宽和各导航设备秒脉冲精度对各多通道接收机接收信号进行分段傅立叶变换，得到各段频域数据；中心计算节点按照迭代式波束形成算法，对各段各频点数据进行波束形成处理，再进行傅立叶反变换后输出。本发明可有效改善目标信号的接收效果，提升信号信噪比并抑制同频干扰。

Description

一种基于分布式接收系统的短波超短波信号增强方法
技术领域
本发明涉及无线通信中的阵列信号处理技术领域，尤其涉及一种基于分布式接收系统的短波超短波信号增强方法。
背景技术
为保证接收质量，短波超短波信号接收往往需要使用大尺寸高增益天线(频率更高的微波信号天线较小)。大尺寸高增益的天线等传感器工艺复杂，造价高昂，也更容易损坏，而受限于所在平台的载荷等条件，天线尺寸和功耗都不易过大。随着电信技术的飞速进步，轻便简单的天线等传感器生产成本正不断降低，物联网时代的发展趋势即是用小尺寸低功耗的传感器组成网络，协同接收目标辐射信号，并对各传感器数据进行融合处理。多天线联合完全可以达到或超过单个高增益天线的信号接收效果，同时解决了尺寸和功耗的问题。除此之外，通过对部署于多个不同位置的天线接收数据协同处理，可以根据空间方位信息识别不同来向的信号，有选择性地增强期望来向的信号并抑制其它来向的干扰。学界将对上述多天线接收处理通常称为阵列波束形成技术。
基于波束形成的信号增强技术已经获得了大量研究，配套的多通道接收机等硬件也非常成熟。但需要指出的是，现有相关技术是集中式的，即要求各天线及其配套接收机相邻放置，以方便进行接收机各通道的时间和频率同步(包括时钟频率相位等保持一致)，同时各接收节点以有线方式传输数据至处理节点进行波束形成处理。这种集中式阵列接收系统如图1所示。需要指出的是，阵列接收系统性能主要取决于阵列天线数目和孔径(即接收天线之间的距离)，因而实际应用中上述集中式阵列存在若干问题，例如集中式的部署方式对平台要求仍较高，即需要平台有足够大的体积、载荷和平整表面，因而在机动平台部署存在障碍。同时各接收通道数据通过有线方式传输至数据处理节点，这些都限制了其应用场合(赵加玲，无线传感器网络中的分布式波束形成算法的研究[D]，2014，南京大学.)。
与之相对，基于分布式系统的波束形成技术部署传感器时，设置多个相隔较远的节点(包含多个接收天线和多通道接收机)以适应机动平台。具体如图2所示，接收节点之间以及与数据处理节点间相距较远且以无线方式传输数据。相比较很容易发现，分布式系统部署位置更加灵活，传输方式也不局限于有线，明显更适合于无人机、汽车等移动平台，前景广阔。无线分布式系统为改善目标信号的接收质量提供了新的途径，但也明显带来了更多挑战(Santiago Felici-Castell,Enrique A.Navarro,et.Practical Considerationsin the Implementation of Collaborative Beamforming on Wireless SensorNetworks[J],Sensors,2017,17,237.)。一方面集中式系统天线相邻，因而同步很容易实现(直接电路共时钟即可)，而分布式放置的节点相邻远，又无法以有线方式互联，所以同步困难，这必然引入较大的系统误差；另一方面，各节点信号需要以无线方式分别传输至处理节点，无线传输必然带来较大的随机延时，如何克服传输延时实现数据融合也有待解决。上述问题是分布式系统应用中亟待解决的现实问题。
发明内容
本发明针对现有的以无线方式互联的分布式接收系统固有的位置无法精确校正，且存在传输时延的问题，提出一种基于分布式接收系统的短波超短波信号增强方法，以增强信号接收质量，提高系统接收范围。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于分布式接收系统的短波超短波信号增强方法，包括：
步骤1、由多套GPS/北斗导航设备分别提供参考时钟和秒脉冲至各节点的多通道接收机，各多通道接收机依据参考时钟完成短波超短波信号下变频和采频操作，并将接收信号和秒脉冲以无线方式传输至中心计算节点；
步骤2、中心计算节点根据秒脉冲对接收信号进行时域对齐，依据信号带宽和各导航设备秒脉冲精度对各多通道接收机接收信号进行分段傅立叶变换，得到各段频域数据；
步骤3、中心计算节点按照迭代式波束形成算法，对各段各频点数据进行波束形成处理，再进行傅立叶反变换后输出。
进一步地，所述步骤2包括：
步骤2.1、依据各多通道接收机发送来的秒脉冲信号，将各多通道接收机所接收信号进行时域对齐；
步骤2.2、依据信号带宽B和所用导航设备的秒脉冲时间精度T，将接收信号进行分段傅立叶变换，各段点数N需满足1/T<B/(2N)。
进一步地，所述步骤3包括：
步骤3.1、通过目标信号的来向信息，构建基于任意单个多通道接收机接收数据的最小方差无畸变响应波束形成器；
步骤3.2、存储所有该段该频点多通道接收机接收数据，计算协方差矩阵及其特征分解；
步骤3.3、依据特征值大小判断信号个数，计算信号子空间；
步骤3.4、将最小方差无畸变响应波束形成器权值投影到信号子空间，得到迭代式波束形器权值，结合该段所有通道的对应频点数据，进行波束形成信号输出；
步骤3.5、重复步骤3.1至步骤3.4得到各段波束形成后的信号，逐段对经过波束形成后的信号进行傅立叶反变换并输出。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明提供的短波超短波信号增强方法，基于以无线方式互联的分布式接收系统设计。与现有技术相比，本发明能有效克服此类分布式接收系统固有的位置无法精确校正，存在传输时延等问题，实验结果表明，本发明可有效改善目标信号的接收效果，提升信号信噪比并抑制同频干扰。本发明所需硬件均为市场上常见设备，主要通过对信号处理方法的创新取得上述优势。本发明可广泛应用于各类物联网系统，以及通信和雷达等领域。
附图说明
图1为传统集中式阵列接收系统工作示意图；
图2为分布式阵列接收系统工作场景示意图；
图3为本发明实施例一种基于分布式接收系统的短波超短波信号增强方法的分布式接收系统结构图；
图4为本发明实施例一种基于分布式接收系统的短波超短波信号增强方法的基本流程图；
图5为本发明实施例一种基于分布式接收系统的短波超短波信号增强方法的中心计算节点信号处理流程图；
图6为本发明实施例一种基于分布式接收系统的短波超短波信号增强方法的迭代式波束形成算法流程图；
图7为本发明实际接收信号相位关系变化图；
图8为本发明实际信号增强后星座图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：
本发明针对以短波或超短波方式传输的无线信号(主要频率范围在1MHz至300MHz)，要求各导航设备产生的10MHz参考频率之间误差在10-12Hz以内；要求多通道接收机以高于短波或超短波信号带宽的采样率对短波或超短波信号采样。本发明认为整个环境中存在的同频信号数不超过单个多通道接收机的通道数，且只有一个为期望信号，其它为干扰信号。
图3为本发明分布式接收系统结构图。如图3所示，分布式接收系统结构基础是经典的配套多天线的多通道接收机，本发明认为各多通道接收机部署前已经过通道误差校正等处理，各接收机有标准的10MHz外部参考时钟接口和秒脉冲接口。
基于图3所示分布式接收系统，本发明公开一种基于分布式接收系统的短波超短波信号增强方法，如图4所示，包括：
步骤S101：由多套GPS/北斗导航设备分别提供参考时钟和秒脉冲至各节点的多通道接收机，各多通道接收机依据参考时钟完成短波超短波信号下变频和采频操作，并将接收信号和秒脉冲以无线方式传输至中心计算节点；
步骤S102、中心计算节点根据秒脉冲对接收信号进行时域对齐，依据信号带宽和各导航设备秒脉冲精度对各多通道接收机接收信号进行分段傅立叶变换，得到各段频域数据；
步骤S103、中心计算节点按照迭代式波束形成算法，对各段各频点数据进行波束形成处理，再进行傅立叶反变换后输出。
进一步地，通过设置多套GPS/北斗导航设备产生10MHz参考时钟和秒脉冲(PulsePer Second,PPS)，分别接入各个多通道接收机，多通道接收机工作采用参考时钟信号驱动其内部电路工作，据此保证各个多通道接收机所接收信号在一定时间内强相关；同时各个多通道接收机将秒脉冲和所接收信号通过无线方式传输至中心计算节点。
进一步地，图5为中心计算节点信号处理流程图。如图5所示，中心计算节点信号处理流程为：首先依据秒脉冲信号对不同的多通道接收机数据进行时域对齐处理，再依据信号带宽和秒脉冲精度进行分段傅立叶变换得到各段频域数据，接着各个频点分别进行波束形成处理，最终各频点数据进行分段傅立叶反变换，得到增强后的短波超短波信号。
在信号时域对齐处理中，中心计算节点通过比较各个多通道接收机传来的秒脉冲信号上升沿，确定各个接收机数据延时大小，再通过对各个多通道接收机接收信号移位得到对齐后数据。
在信号傅立叶变换处理中，中心计算节点选择任意多通道接收机传来信号进行频域分析，估计信号带宽B；然后依据所用导航设备的秒脉冲信号时间精度T，将接收信号进行分段傅立叶变换。各段点数N需保证1/T<B/(2N)。
在信号波束形成处理中所需的波束形成器权值计算方法在下面会配合图6详细描述。设某频点波束形成器权值向量为w，该段所有通道的对应频点数据组成向量x，波束形成输出为wHx。
在信号傅立叶反变换处理中，中心计算节点逐段对经过波束形成后的信号进行傅立叶反变换得最终输出。上述处理中的傅立叶变换和傅立叶反变换都可以由各种形式的改进傅立叶算法快速进行。
进一步地，图6为迭代式波束形成算法流程图，迭代式波束形成算法具体包括：
步骤S103.1、中心计算节点通过目标信号的来向信息(位置信息)，构建基于任意单个多通道接收机接收数据的最小方差无畸变响应波束形成器；
步骤S103.2、中心计算节点存储所有该段该频点多通道接收机接收数据，计算协方差矩阵及其特征分解；
步骤S103.3、中心计算节点依据特征值大小判断信号个数，计算信号子空间；
步骤S103.4、中心计算节点将最小方差无畸变响应波束形成器权值投影到信号子空间，得到迭代式波束形器权值，结合该段所有通道的对应频点数据，进行波束形成信号输出。
步骤S103.5、重复步骤S103.1至步骤S103.4得到各段波束形成后的信号。
下面结合图6对算法各步骤详细描述。由于用到公式定量描述，这里首先明确各符号定义：
设分段傅立叶变换后，第k段中心计算节点接收的第q个频点数据向量为x(q,k)，它由各个多通道接收机数据构成，即
Figure GDA0003302376560000061
其中
Figure GDA0003302376560000062
上标T表示向量转置，而xm,n(q,k)表示第m个多通道接收机，第n通道对应数据。
根据阵列信号处理相关理论，各接收机各通道接收数据强相关，即数据仅有相位差异，因此有
xm(q,k)＝βmam(q,p)s(q,k)+nm(k)
其中βm表示各个多通道接收机之间的相位差，nm(k)表示噪声，s(q,k)为信号q频点数据，am(q,p)表示阵列流形矢量，其中向量p代表位置向量，如考虑二维向量，p由目标水平二维坐标构成。
根据阵列相关理论，xm(q,k)为标准的阵列数据。因为单个多通道接收机所连接的传感器集中放置，一般可认为目标大概位置p，和单个多通道接收机对应的阵列流形矢量am(q,p)已知。
具体地，在所述步骤S103.1中，中心计算节点可构建最小方差无畸变响应波束形成器计算公式如下
Figure GDA0003302376560000063
其中μ表示一个微小常数，可根据所需信号强度设置，或者直接设置为1；上标-1代表矩阵求逆；Rm计算公式如下
Figure GDA0003302376560000064
其中，上标H代表共轭转置。
需要说明的是，上述wm的计算过程得到的是经典的最小方差无畸变响应波束形成器，而其它各种稳健波束形成算法，如对角加载等都可以引入以计算wm。
具体地，在所述步骤S103.2中，q频点所有多通道接收机接收数据的协方差矩阵及其特征分解计算如下
Figure GDA0003302376560000071
其中U,Σ分别代表特征矢量矩阵和特征值矩阵；Σ为对角矩阵，其对角线元素由矩阵R(q)特征值构成，特征值记为λi，λi由大到小排列。
具体地，在所述步骤S103.3中，中心计算节点依据特征值大小判断信号个数，确定信号子空间的方法为：中心计算节点计算λi/λi+1，并找出λi/λi+1序列中的最大值记作j。U矩阵中的第1至j列作为信号子空间Us。
具体地，在所述步骤S103.4中，迭代式波束形成器权值计算是将S103.1中计算的wm，投影到信号子空间；具体计算公式如下
Figure GDA0003302376560000072
其中0代表全零行向量，下表L1和L2代表向量维度；具体L1为向量
Figure GDA0003302376560000073
的维度，L2数值为向量
Figure GDA0003302376560000074
的维度。
为验证本发明效果，进行如下实验：
实验采用多个GPS导航设备模块，并由多个该模块产生10MHz参考(时钟)频率和PPS(秒脉冲)信号给多通道接收机，具体地，实验采用JACKSON LABS的LC_XO版本的GPS模块，USRPX310多通道接收机，USRPX310含4接收通道。
图7展示的是两台多通道接收机接收实际信号的相位关系变化情况，以此说明本发明的有效性。图7中(a)部分和(b)部分展示的是两USRPX310接收机各自第1通道接收测试信号的相位差变化情况，测试信号为10.005MHz单频正弦波，从图7中(a)部分结果中可以看出，传统方案(不用导航设备产生10MHz信号作为参考(时钟)频率)两接收机接收信号的相位差变化较快，特别是可能产生突变，如图所示在140s时，相位差开始由-200°左右增加为约1300°，这正是接收机参考频率不同导致。图7中(b)部分为按本发明上述方案接收信号相位差，可以看出在1分钟内，信号相位差均值变化约为7°，方差始终大约为5°。方差主要来源于设备噪声，一般波束形成算法均可兼容一定的相位误差，这与本发明无关不再赘述。而信号相位差的均值的基本稳定反映了信号相位关系的稳定，由于此时信号相位变化速度慢于大多波束形成算法收敛速度，因而不会对后续处理带来影响。
图8展示的是实际信号增强后星座图，实验所用硬件不变，但测试信号变为16QAM信号。图8中(a)部分展实的是传统基于单个USRPX310多通道接收机的波束形成处理效果图，而图8中(b)部分展实的是按本发明，对两个USRPX310多通道接收机的波束形成处理效果图。对比不难发现图8中(b)部分的星座图更加聚敛，说明信号质量更好，这验证了本发明可以有效利用多个分布式多通道接收机的数据，有效增强信号能量。
以上所示仅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 (2)

1.一种基于分布式接收系统的短波超短波信号增强方法，其特征在于，包括：
步骤1、由多套GPS/北斗导航设备分别提供参考时钟和秒脉冲至各节点的多通道接收机，各多通道接收机依据参考时钟完成短波超短波信号下变频和采频操作，并将接收信号和秒脉冲以无线方式传输至中心计算节点；
步骤2、中心计算节点根据秒脉冲对接收信号进行时域对齐，依据信号带宽和各导航设备秒脉冲精度对各多通道接收机接收信号进行分段傅立叶变换，得到各段频域数据；
步骤3、中心计算节点按照迭代式波束形成算法，对各段各频点数据进行波束形成处理，再进行傅立叶反变换后输出；
所述步骤3包括：
步骤3.1、通过目标信号的来向信息，构建基于任意单个多通道接收机接收数据的最小方差无畸变响应波束形成器；
步骤3.2、存储所有该段该频点多通道接收机接收数据，计算协方差矩阵及其特征分解；
步骤3.3、依据特征值大小判断接收信号的信号个数，计算信号子空间；
步骤3.4、将最小方差无畸变响应波束形成器权值投影到信号子空间，得到迭代式波束形器权值，结合该段所有通道的对应频点数据，进行波束形成信号输出；
步骤3.5、重复步骤3.1至步骤3.4得到各段波束形成后的信号，逐段对经过波束形成后的信号进行傅立叶反变换并输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式接收系统的短波超短波信号增强方法，其特征在于，所述步骤2包括：
步骤2.1、依据各多通道接收机发送来的秒脉冲信号，将各多通道接收机所接收信号进行时域对齐；
步骤2.2、依据信号带宽B和所用导航设备的秒脉冲时间精度T，将接收信号进行分段傅立叶变换，各段频点数N需满足1/T<B/(2N)。
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