CN112019282B - 一种短波时变信道衰落带宽估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于短波通信领域，公开了一种短波时变信道衰落带宽估计方法，首先利用已有的信道估计算法，如最小均方误差算法、递归最小二乘算法、序列自相关算法跟踪信道，并记录每一时刻信道轨迹；其次利用给定的“时间标尺”去衡量跟踪得到的信道轨迹，从而得到对应“时间标尺”下的过零率；最后遍历标尺，当“时间标尺”的长度与真实信道的衰落带宽形成共振关系时，得到的结果将会出现峰值(即过零率最大值)，根据过零率最大值确定短波时变信道的衰落带宽；该方法不需要经过复杂的数学变化，从时域角度对短波时变信道的衰落带宽进行估计，利用引入的时间标尺概念可以精确估计时变信道的衰落带宽，简单易行，有利于工程实现。

Description

一种短波时变信道衰落带宽估计方法

技术领域

本发明涉及短波通信领域，具体涉及一种短波时变信道衰落带宽估计方法，用于从时域角度对随时间变化而变化的信道衰落带宽进行估计。

背景技术

短波通信是指波长在10—100米，频率范围3—30MHz的一种无线电通信技术。短波通信发射的电波要经电离层的反射才能到达接收端，通信距离较远，是远程通信的主要手段。尽管新型无线电通信系统不断涌现，但是短波通信这一古老和传统的通信方式仍然受到全世界的普遍重视，不仅没有淘汰，反而还在不断快速发展。因为它有着其它通信系统不具备的优点：首先，短波是唯一不受网络和中继制约的远程通信手段，例如发生战争或灾害，卫星受到攻击时，短波的抗毁能力和自主通信能力是其他通信设备无法媲美的。其次，山区、戈壁和海洋等偏远地区通信主要靠短波。最后，低廉的通信费用也使得短波具有广阔的市场。

然而在短波通信中，由于接收机的位置在不断变化，同时由于通信环境的多样性，实际通信中接收机会收到来自不同路径的信号叠加，即便在噪声干扰很小的情况下也无法正常解调。多径的存在会导致码间串扰(Inter-Symbol Interference,ISI)，使通信系统的性能恶化，出现错误平层。从时域上看是前后码元叠加在一起，从频域上看还会造成频谱扩展。因此在信号处理前必须获知信道的特性，在通信中将其称之为信道估计。信道估计是影响整个短波通信通信系统性能的关键模块，对后续信号的处理来说信道的特性是指信道路径个数以及信道变化率(对应的衰落带宽)，只有在掌握了所处信道衰落带宽的前提下，才能有针对性地灵活调整后续信号处理所使用的参数，近而更有效的提取有用信号，同时也达到了自适应选取参数的效果。

在专利《一种盲信号带宽估计方法及装置的制作方法》中提出了一种盲信号带宽估计方法，将信号进行离散傅立叶变换，并对变换数据进行平滑处理、归一化处理，而后计算处理后数据的均值、门限值，基于门限值截取处理后的数据，从而获得信号对应的带宽估计值。在专利《一种信号带宽估计方法及装置制造方法》中公开了一种信号带宽的估计方法，将接收信号进行N级Welch变换，前一级Welch变换对带宽进行粗略估计来调整本级Welch变换窗口长度，最后得到N级Welch变换的功率谱；根据功率谱的最大值对自身进行修正，而后对修正后的功率谱进行逐点差分，并根据差分后结果的最大值与最小值得到信号带宽的估计值。

现有带宽估计技术其主要思想均是利用数学变化(例如傅立叶变换、Welch变换等)将时域信号转变到频域，并对频域信号进行相修正或平滑处理，从而获得信号的带宽。这些算法都需要利用复杂的数学变换，同时受变换精度和噪声的影响，频域信号存在频率分辨率不高，频域信号包络模糊不清的不足。针对这些不足本发明打破传统思想，从时域的角度去对信道的变化率(即衰落带宽)进行估计。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种短波时变信道衰落带宽估计方法，该方法不需要经过复杂的数学变化，从时域角度对短波时变信道的衰落带宽进行估计，利用引入的时间标尺概念可以精确估计时变信道的衰落带宽，简单易行，有利于工程实现。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

本发明的短波时变信道衰落带宽估计方法的主要思路为：首先利用已有的信道估计算法，如最小均方误差算法、递归最小二乘算法、序列自相关算法跟踪信道，并记录每一时刻信道轨迹；其次利用给定的“时间标尺”去衡量跟踪得到的信道轨迹，从而得到对应“时间标尺”下的过零率；最后遍历标尺，当“时间标尺”的长度与真实信道的衰落带宽形成共振关系时，得到的结果将会出现峰值(即过零率最大值)，根据过零率最大值确定短波时变信道的衰落带宽。

一种短波时变信道衰落带宽估计方法，包括以下步骤：

步骤1，设短波信道共有n'+m'+1阶，其中，主径前有n'阶，主径后有m'阶，且在第t时刻的多径信道参数为h(t)＝(h_-n'(t),…,h₀(t),…,h_m'(t))，则待传输的用户消息u经信道编码后的码字比特为c，而后进行高阶调制，得到映射符号x；

步骤2，令信道估计器估计出的信道共有n+m+1阶，其中，主径前有n阶，主径后有m阶，即估计出的多径信道参数

为：

采用信道估计算法对多径信道进行跟踪，得到信道轨迹；

步骤3，利用不同长度的时间标尺去衡量所述信道轨迹，得到不同长度的时间标尺下对应的过零率，选择过零率最大值对应的信道衰落带宽作为短波时变信道的衰落带宽。

进一步的，步骤1中，所述信道编码后的码字比特为c为：

c＝(c₀,c₁,…,c_j,…,c_k-1),c_j∈{0,1}

其中，k为码字长度。

进一步的，步骤1中，所述映射符号x为：

x＝(x₀,x₁,…,x_j,…,x_k-1)，x_j＝1-2c_j。

进一步的，步骤2中，所述信道估计算法包含最小均方误差算法、递归最小二乘算法、序列自相关算法。

进一步的，步骤2中，第n条路径与主径之间的时间间隔大于信道最大时延M，第m条路径与主径之间的时间间隔大于信道最大时延M。

进一步的，步骤3包含以下子步骤：

子步骤3.1，给定时间标尺范围[0，T]，步进参数Δt，令循环索引变量i＝1；

子步骤3.2，计算时间标尺L_i＝i×Δt，当L_i＜T时进入子步骤3.3；否则进入子步骤3.5；

子步骤3.3，时间标尺L_i对信道进行过零率检测，并记录过零率z_i

子步骤3.4，令索引变量i增加1，进入子步骤3.2；

子步骤3.5，寻找过零率向量Z＝(z₁,…,z_i,…z_n)的过零率最大值z_max；

子步骤3.6，根据过零率最大值z_max计算短波时变信道的衰落带宽f_d。

进一步的，子步骤3.3中，所述过零率为信道上单位时间内跨越零点的次数，其测量规则为：分别读取时间标尺起点和终点的信道参数值，若两者符号相同则说明信道未跨越零值；若两者符号不同则说明信道跨越零值。

进一步的，子步骤3.6中，所述短波时变信道的衰落带宽f_d为：

f_d＝σ_f/α

其中，σ_f为信号变化快慢，

α为归一化标准差，α取

即短波时变信道的衰落带宽f_d为：

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的短波时变信道衰落带宽估计方法中引入了“时间标尺”的概念，利用时间标尺去衡量已知的信道轨迹，得到对应时间标尺下的过零率；遍历时间标尺，当“时间标尺”的长度与真实信道的衰落带宽形成共振关系时，得到的结果将会出现峰值(即过零率最大值)，根据过零率最大值确定短波时变信道的衰落带宽。该方法能准确的估计信道衰落带宽，简单易行，不需从频域上考察频谱，有利于工程实现。对短波时变信道的衰落带宽的准确估计有利于后续的信号过程中基于已掌握的信道变化情况有针对性地进行均衡、解调等工作。

(2)本发明揭示了信号过零率与信道衰落带宽的联系，并给出了利用过零率估计信道衰落带宽的方法，其中，时变信道的衰落带宽f_d为：

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1为短波信号传输路径图；

图2为两径衰落参数为2ms/1Hz短波信道时变特性图；

图3为不同衰落参数短波信道时域特性图；

图4为不同衰落带宽信道对应的频谱图；其中，图(a)为衰落带宽为1Hz对应的频谱图，图(b)衰落带宽为5Hz对应的频谱图；

图5为时间标尺物理意义图；

图6为利用不同长度的时间标尺测量过零率结果图；其中，图(a)的衰落信道带宽1Hz；图(b)的衰落信道带宽5Hz；

图7为正弦信号时间标尺与过零率图；其中，图(a)为正弦信号时间标尺示意图；图(b)正弦信号过零率图；

图8为不同样本时长估计出的衰落带宽统计情况图；其中，图(a)为均值统计结果图；图(b)为标准差统计结果图。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

为了清楚地描述本发明提出的短波时变信道衰落带宽估计方法，首先简要介绍系统模型和本发明引入的“时间标尺”的概念。

1、系统模型

待传输的用户消息u经信道编码后的码字为c＝(c₀,c₁,…,c_j,…,c_k-1),c_j∈{0,1}，而后进行BPSK调制得到映射符号x＝(x₀,x₁,…,x_j,…,x_k-1)。其中，x_j＝1-2c_j,(x_j＝±1)，k为码字长度。假设信道共有n'+m'+1阶，主径前有n'阶，主径后有m'阶，且在第t时刻的特性为h(t)＝(h_-n'(t),…,h₀(t),…,h_m'(t))。令信道估计器估计出的信道共有n+m+1阶，主径前有n阶(n条路径)，主径后有m阶(m条路径)，即信道估计出的信道应具有如下形式：

可以利用现有的信道估计算法，主要有最小均方误差(LeastMean Square，LMS)算法、递归最小二乘(Recursive Least Square，RLS)和和序列自相关算法等对信道进行跟踪，信道跟踪能够给出信道变化的轨迹，这里不再详细说明。需要指出的是，待估计信道的阶数是未知的，因此估计信道时采用的参数n、m通常是由信道最大时延M确定的。也就是说第n条路径与主径之间的时间间隔要大于M，同时第m条路径与主径之间的时间间隔也要大于M，这样做的目的是确保真实信道的每路径都能够在估计结果中体现。图1给出了短波信号经电离层反射到达接收端的示意图。

在短波信号传输过程中，信道具有随时间变化而变化的特点，这种变化不但对信号造成衰落同时还会产生多普勒频谱。如图2所示，图中给出了两径衰落参数为2ms/1Hz短波信道(实部)的特性图。

图2中，参数两径是指存在两条路径，2ms是指两条路径时间间隔，1Hz是指由于收发台相对运动及多角度反射而引起的多普勒频谱带宽为1Hz，也可以简单的理解为数值越大信道变换越快。一般的对于短波信道而言每条路径的衰落情况(信道轨迹)是不同的，但是其变化率是相同的，即每条路径的衰落带宽是一样的。因此在考察短波衰落信道带宽时，仅研究主径的衰落带宽即可。

图3给出了衰落带宽分别为1Hz和5Hz的主径轨迹，从图中也反映出衰落带宽越宽则信道轨迹在单位时间内过零(跨越0点)的次数越多。本发明就是在已经给出信道轨迹的情况下，去估计其对应的衰落带宽，这样才能有针对性地灵活调整后续信号处理所使用的参数，近而更有效的提取有用信号，同时也达到了自适应选取参数的效果。

2、衰落带宽的数学分析

为了估计衰落信道对应的衰落带宽，必须了解衰落信道的特性以及变化的统计规律。傅立叶变换是分析、考察信号中包含各种频率分量的有效工具，同时也是时域-频域互相转换的常用方法，从短波信道的时域特性图中可以看到。

针对短波时变衰落信道的轨迹(时域信号)进行傅立叶变换，即可得到对应的频谱(频域信号)，如图4所示；图中分别给出了短波通信环境下衰落带宽分别为1Hz和5Hz时对应的频谱特性。为了便于比较，图中给出了短波衰落信道的理论频谱。

从图4中可以看到衰落带宽越大，其对应的频谱宽度越宽，同时也可以看到对应的频谱呈现高斯分布特性。通常不同环境类型信道(如城市、森林、海面等)对应的频谱形状(高斯形、矩形、钟形等)是不尽相同的，然而在实际通信环境下短波衰落信道的频谱一般呈现出高斯特性。事实上对于短波衰落信道的频谱其对应的数学表达式为：

其中，σ_f为随机变量的标准差，且σ_f＝αf_d，f_d为信道的衰落带宽；α为归一化标准差，针对短波衰落信道其值为

从短波衰落信道的频谱表达式可以看到其频谱理论上是无限宽的，也就是说经过衰落信道后的信号理论上是由各种频率分量叠加而成，叠加后在时域上的表现形式如图3所示。从上述对短波信号衰落带宽的分析可知，衰落带宽这个参数在时域上体现了信号的变化快慢；在频域上体现了信号的功率谱密度。因此不论从时域还是频域的角度都能够考察信号的衰落带宽，从理论上讲只要有了衰落信道的轨迹，就可以利用傅利叶变换得到对应的频谱图，从而获知信道的衰落带宽。但这不具有可实现性，对信道进行傅利叶变化后的得到的频谱图分辨率较低，仅能大致看出对应的包络不能精确识别幅度-频率的关系。基于频域上的弊端，可以从时域的角度出发来考察衰落带宽。

3、时间标尺

在了解了衰落带宽的物理意义后，可知此参数对应的是信号变化的快慢，反映到信道上就是单位时间内跨越零点的次数，即过零率为跨越零点的次数除以过零的时间总长。这样就可以利用“时间标尺”去测量信道的过零率，过零率定义为信道跨域0值的频率。测量规则为：分别读取时间标尺起点和终点的信道参数值，若两者符号相同则说明信道未跨越0值；若两者符号不同则说明信道跨越0值。如图5所示，图中的衰落信道带宽为1Hz，每一段折线均表示时间标尺，标尺的长度为0.5秒。

从图5中可以看到通过时间标尺对信道的测量，可知5秒内信道过0次数为5次，即过零率为1Hz。过零率将随着时间标尺选取长度的增长而逐渐减小；例如若时间标尺选取5秒的长度，则通过测量后得知信道跨越0值次数为1次，即过零率为0.2Hz。显然，选取不同时间标尺进行测量则能够得到不同的过零率，图6给出了不同时间标尺下的过零率情况。

4、过零率与衰落带宽的关系

掌握了信号过零率的数值后可以很方便的从中了解信号变化的快慢。为了直观的说明两者之间的关系，这里对频率为1Hz的正弦信号的过零率进行考察，如图7所示。

图7(a)分别给出了时间标尺为0.5秒、1.0秒和1.5秒时测量的情况，从图7看到：

(1)时间标尺为0.5秒，两段标尺长度等于正弦信号的周期(1.0秒)时，单位时间内2次跨越0点过零率为2Hz，刚好为正弦信号频率的2倍。此时过零率达到最大值，类似于物理学中的“共振现象”。

(2)随着标尺长度的增加，过零率逐渐下降，当时间标尺长度刚好等于周期整倍数时(例如1秒、2秒、3秒等)，标尺的起点和终点对应的数值完全相同永远不会发生符号变化的情况，此时的过零率为0。

(3)当标尺长度继续增加，会导致测量出的跨越0点次数小于实际跨越0点次数，且标尺越长此误差越大。因此对应的过零率会随着时间标尺的增加慢慢变小并逐渐逼近于0。

从上述对正弦信号过零率的分析可知，当选取的时间标尺为一特定值时会发生类似于物理学中的“共振”现象，使得过零率达到最大值，且此数值为信号变化快慢(频率)的2倍。正弦信号的过零率与衰落信道轨迹的过零率具有大致相同的特性，都是随着时间标尺的增加慢慢变小并逐渐逼近于0，只是在衰落信道轨迹中包含了各种不同频率的正弦信号，其过零率是各种不同频率正弦信号过零率叠加而成的。

在考察衰落带宽时仅需观察发生“共振”现象时的过零率，即掌握了信道轨迹变化的快慢(信道衰落带宽)。例如图6(a)中发生“共振”时，时间标尺长度为0.063秒，过零率为1.422Hz，此时信号变化快慢为σ_f＝1.422/2＝0.711Hz，考虑到短波信道下

因此信道衰落带宽f_d＝σ_f/α＝1.006Hz。同理，图6(b)中发生“共振”时，时间标尺长度为0.018秒，过零率为7.082Hz，信道衰落带宽f_d＝5.008Hz。即信道衰落带宽为过零率除以

下面给出短波时变信道衰落带宽估计方法的具体步骤：

已知：信道轨迹，给定时间标尺范围[0，T]，步进参数Δt；

0.令循环索引变量i＝1；

1.计算时间标尺L_i＝i×Δt，当L_i＜T时进入步骤2；否则进入步骤4；

2.基于时间标尺L_i对信道进行过零率检测，并记录过零率z_i；

3.循环索引变量i＝i+1，进入步骤1；

4.寻找过零率向量Z＝(z₁,…,z_i,…z_n)的过零率最大值z_max；

5.计算信道衰落带宽

性能仿真

采用时间标尺能够很方便的考察衰落信道的带宽，其估计的准确程度与信道样本的时间长度有关，显然样本时间越长则越能够体现信道变化快慢的情况，估计的精度就越高。为了考察这个精度，这里对不同时间长度的样本进行衰落带宽估计，且每个时间长度下分别产生1000个不同的信道样本并采用本发明给出的短波时变信道衰落带宽估计来估计衰落带宽，对这1000个结果进行统计得到其均值和方差，仿真结果如图8所示。

图8中给出了衰落带宽1Hz和5Hz的统计情况，从仿真曲线中可以看到：均值的统计结果与真实值几乎相同，这说明本发明提出的短波时变信道衰落带宽估计是一种一致性估计方法(一致性是指估计量的均值等于真实值)。随着样本时长的增长，估计量的标准差逐渐减小。

虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (8)

1.一种短波时变信道衰落带宽估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，设短波信道共有n'+m'+1阶，其中，主径前有n'阶，主径后有m'阶，且在第t时刻的多径信道参数为h(t)＝(h_-n'(t),…,h₀(t),…,h_m'(t))，则待传输的用户消息u经信道编码后的码字比特为c，而后进行高阶调制，得到映射符号x；

步骤2，令信道估计器估计出的信道共有n+m+1阶，其中，主径前有n阶，主径后有m阶，即估计出的多径信道参数

为：

采用信道估计算法对多径信道进行跟踪，得到信道轨迹；

步骤3，利用不同长度的时间标尺去衡量所述信道轨迹，得到不同长度的时间标尺下对应的过零率，选择过零率最大值对应的信道衰落带宽作为短波时变信道的衰落带宽。

2.根据权利要求1所述的短波时变信道衰落带宽估计方法，其特征在于，步骤1中，所述信道编码后的码字比特为c为：

c＝(c₀,c₁,…,c_j,…,c_k-1),c_j∈{0,1}

其中，k为码字长度。

3.根据权利要求2所述的短波时变信道衰落带宽估计方法，其特征在于，步骤1中，所述映射符号x为：

x＝(x₀,x₁,…,x_j,…,x_k-1)，x_j＝1-2c_j。

4.根据权利要求1所述的短波时变信道衰落带宽估计方法，其特征在于，步骤2中，所述信道估计算法包含最小均方误差算法、递归最小二乘算法、序列自相关算法。

5.根据权利要求1所述的短波时变信道衰落带宽估计方法，其特征在于，步骤2中，第n条路径与主径之间的时间间隔大于信道最大时延M，第m条路径与主径之间的时间间隔大于信道最大时延M。

6.根据权利要求1所述的短波时变信道衰落带宽估计方法，其特征在于，步骤3包含以下子步骤：

子步骤3.1，给定时间标尺范围[0，T]，步进参数Δt，令循环索引变量i＝1；

子步骤3.2，计算时间标尺L_i＝i×Δt，当L_i＜T时进入子步骤3.3；否则进入子步骤3.5；

子步骤3.3，时间标尺L_i对信道进行过零率检测，并记录过零率z_i

子步骤3.4，令索引变量i增加1，进入子步骤3.2；

子步骤3.5，寻找过零率向量Z＝(z₁,…,z_i,…z_n)的过零率最大值z_max；

子步骤3.6，根据过零率最大值z_max计算短波时变信道的衰落带宽f_d。

7.根据权利要求6所述的短波时变信道衰落带宽估计方法，其特征在于，子步骤3.3中，所述过零率为信道上单位时间内跨越零点的次数，其测量规则为：分别读取时间标尺起点和终点的信道参数值，若两者符号相同则说明信道未跨越零值；若两者符号不同则说明信道跨越零值。

8.根据权利要求6所述的短波时变信道衰落带宽估计方法，其特征在于，子步骤3.6中，所述短波时变信道的衰落带宽f_d为：

f_d＝σ_f/α

其中，σ_f为信号变化快慢，

α为归一化标准差，α取

即短波时变信道的衰落带宽f_d为：

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