CN113395232B - 脉冲超宽带多天线延时接收机及其获取入射角的方法 - Google Patents

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CN113395232B CN202110938863.3A CN202110938863A CN113395232B CN 113395232 B CN113395232 B CN 113395232B CN 202110938863 A CN202110938863 A CN 202110938863A CN 113395232 B CN113395232 B CN 113395232B
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Abstract

本发明公开了一种脉冲超宽带多天线延时接收机及其获取入射角的方法，该接收机包括M根天线、M条射频通路、模拟前端、模数转换器和数字处理单元，每根天线对应连接一条所述射频通路，M条所述射频通路的输出端均与所述模拟前端连接，所述模拟前端的输出端连接所述模数转换器的输入端，所述模数转换器的输出端连接所述数字处理单元，其中第m条所述天线对应的所述射频通路上分别设有延时器，1<m≤M，m、M分别为大于1的自然数。本发明可以充分利用多天线带来的增益，又避免了多路天线信号间的混叠和干扰。

Description

脉冲超宽带多天线延时接收机及其获取入射角的方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其设计一种脉冲超宽带多天线延时接收机及其获取入射角的方法。
背景技术
脉冲超宽带（Impluse Radio Ultra Wideband, IR-UWB）系统是一种以非正弦波的窄脉冲为信息载体进行数据传输的通信系统，脉冲持续时间极短，为1~2纳秒左右，频谱范围为3.1~10.6GHz。在IEEE 802.15.4-2020与IEEE 802.15.4z-2020规范中详细定义了IR-UWB系统。UWB系统的发射功率低，信号能够很好地隐蔽在其他类型的信号以及环境噪声之中，电磁兼容性和稳定性强，传统的接收机无法识别和接收UWB信号，因而UWB系统具有很强的安全性。UWB系统可以不依赖于其他无线或有线网络，在两个终端/设备之间实现相互测距和数据通信。UWB单个信道带宽大于等于499.2MHz，利用基于飞行时间的测距方式，可以达到厘米级的测距精度。同时IEEE 802.15.4z规范中定义了一种基于AES-128加密的伪随机加扰时间戳序列（scrambled timestamp sequence, STS），利用STS序列和接收机的多天线可以实现高精度的二维甚至三维的入射角估计，从而实现两个设备之间点到点的测距与定位，相对于其他通信系统具有非常高的灵活性。UWB系统因为其测距精度高、稳定性安全性好、抗干扰能力强和支持设备到设备之间的通信与测距等特点，在室内外短距离无线通信和无线测距与定位等领域获得广泛应用。
目前基于多天线架构来进行入射角（Angle of Arrival, AoA）测量和信号接收的UWB接收机（例如中国专利文献CN 112702136 A、CN 103733085 B、CN 111025277 A等），为了避免不同相位的多路天线引起的时域信号的互相混叠和干扰，都采用天线时分切换的方式。在不同时间通过天线选择开关切换到选择的天线，保证同一时间内只有一路有效的信号进入系统。天线时分切换的方式虽然可以避免多路天线信号同时接收引起的混叠和干扰，但损失了多天线带来的增益。
以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种脉冲超宽带多天线延时接收机及其获取入射角的方法，可以充分利用多天线带来的增益，又避免了多路天线信号间的混叠和干扰。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的一个实施例公开了一种脉冲超宽带多天线延时接收机，包括M根天线、M条射频通路、模拟前端、模数转换器和数字处理单元，每根天线对应连接一条所述射频通路，M条所述射频通路的输出端均与所述模拟前端连接，所述模拟前端的输出端连接所述模数转换器的输入端，所述模数转换器的输出端连接所述数字处理单元，其中第m条所述天线对应的所述射频通路上分别设有延时器，1<m≤M，m、M分别为大于1的自然数。
优选地，第1条所述天线对应的所述射频通路上没有延时。
优选地，第m条通路的延时器的延时为
Figure 575459DEST_PATH_IMAGE001
，τ为通道间固定延时。
本发明的另一个实施例公开了一种基于脉冲超宽带多天线延时接收机获取入射角的方法，包括：所述脉冲超宽带多天线延时接收机的M根天线分别接收射频信号，射频信号分别通过与M根天线对应的M条射频通路形成模拟信号，所有通路的模拟信号在模拟前端汇集线性相加，经模拟前端和模数转换器后输入到数字处理单元，其中第m条所述天线对应的所述射频通路上分别设有延时器以通过不同的固定时延将每路模拟信号在时域分开，并获取每一路模拟信号以计算入射角，1<m≤M，m、M分别为大于1的自然数。
优选地，所述方法具体包括以下步骤：
S1：将所述脉冲超宽带多天线延时接收机配置为多段STS，将多段STS划分为STS前面部分和STS后面部分，其中STS前面部分包括前面的至少一段STS，STS后面部分包括后面的至少一段STS；
S2：判断当前段STS是属于STS前面部分还是STS后面部分，如果是属于STS前面部分，则执行步骤S3，如果是属于STS后面部分，则执行步骤S5；
S3：依次进行多相时延搜索、残余频偏估计；
S4：对当前段STS的后续各段STS进行频偏补偿，并返回步骤S2以将下一段STS作为当前段STS进行处理；
S5：如果当前段STS是最后一段STS，则用频偏补偿后的当前段STS的数据进行AoA估计得到最终的AoA估计值；如果当前段STS不是最后一段STS，则用频偏补偿后的当前段STS的数据及其之后的各段STS的数据分别进行AoA估计，并对多次AoA估计的结果进行加权平均得到最终的AoA估计值。
优选地，步骤S3中的多相时延搜索步骤包括：在每根所述天线的固定时延附近，通过在预设滑动窗口内的搜索确定因传输距离差异引起信号在时域的偏移，以确定该天线的时域脉冲信号的边界位置。
优选地，步骤S3中的多相时延搜索步骤具体为：
A1：本地生成STS信号
Figure 535324DEST_PATH_IMAGE002
，并根据本地生成的STS信号生成信道均 衡后的STS信号模板
Figure 780361DEST_PATH_IMAGE003
，K为以采样点为单位的当前段STS的长度；
A2：将所述数字处理单元的接收信号与信道均衡后的STS信号模板进行互相关，以确定第m根天线的信号相对于第1根天线在时域的偏移；
A3：重复步骤A2，直到所有M根天线的时域偏移都确定。
优选地，步骤A2具体包括：
A21：确定搜索起点的位置为 pbegin=N-(m-1)q-W/2，其中N为第1根天线的STS信号的起始符号边界在接收信号缓存中的位置，(m-1)q 为以采样点为单位时第m根天线对应的射频通路上延时器中预设的时延，W 为搜索窗口的大小；
A22：计算所述数字处理单元的接收信号与本地信道均衡后的STS信号模板做互相 关，存储互相关结果为
Figure 28940DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure 689728DEST_PATH_IMAGE005
，s(p)为所述 数字处理单元在pT时刻接收的信号，T为所述模数转换器的采样周期，且初始计算时p= pbegin，k = 1；
A23：令p=p+1，k = k + 1，重复步骤A22；
A24：重复A22至A23，直到k = W；
A25：求取
Figure 815685DEST_PATH_IMAGE006
中模值最大的点，计算对应的位置
Figure 169306DEST_PATH_IMAGE007
并记 录；
A26：确定第m根天线信号相对于第1根天线在时域的偏移为
Figure 639601DEST_PATH_IMAGE008
。
优选地，其中所述数字处理单元在nT时刻的接收信号为：
Figure 104081DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 100856DEST_PATH_IMAGE010
为发射端在采样点
Figure 563061DEST_PATH_IMAGE011
处的基带信 号，(m-1)q 为以采样点为单位时第m根天线对应的射频通路上延时器中预设的时延，
Figure 582969DEST_PATH_IMAGE012
为第m根天线在时延
Figure 398610DEST_PATH_IMAGE013
处的链路增益，∅为发射机与接收机之间的起始相位差，ε为发射机与 接收机之间的残余频率偏移，
Figure 187574DEST_PATH_IMAGE014
为第m根天线相对于第1根天线因距离差引入的在时延
Figure 820681DEST_PATH_IMAGE013
处的相位差。
优选地，根据本地生成STS信号生成信道均衡后的STS信号模板
Figure 62306DEST_PATH_IMAGE003
具体包括：用本 地生成的STS信号与STS起始位置的信道估计结果的共轭 h*进行卷积，生成信道均衡后的 STS信号模板
Figure 930905DEST_PATH_IMAGE003
=v⨂h*。
优选地，步骤S3中的残余频偏估计步骤具体为：
B1：多天线互相关峰值加权合并得到cpeak，获取多天线分集增益：
Figure 839956DEST_PATH_IMAGE015
其中，Wm为第m根天线的权值；
B2：根据峰值相位求残余频偏：
ε=angle(cpeak)/(πKT)
其中，angle(.)为求复数角度函数；
进一步地，步骤S4中对当前段STS的后续各段STS进行频偏补偿具体包括：根据步骤B2的估计结果，利用每段STS的空隙调整接收机的时钟，消除后续各段STS信号s(n)的残余频偏，得到补偿后的信号s'(n)：
Figure 643963DEST_PATH_IMAGE016
。
优选地，第m根天线的权值Wm和第m根天线的峰值模值大小
Figure 950049DEST_PATH_IMAGE017
成正比，或 者所有天线权值相等，或者只有峰值模值大于预设阈值对应的天线的权值为非0，其余天线 的权值为0。
优选地，步骤S5中用频偏补偿后的STS的数据进行AoA估计具体包括：
C1：用本地生成的STS信号
Figure 294442DEST_PATH_IMAGE018
与接收的经过频偏补偿的STS信号s'(n) 进行相关，得到互相关结果：
Figure 995682DEST_PATH_IMAGE019
其中WinStart是多径搜索窗起始位置，WinEnd是多径搜索窗终止位置，搜索窗大于设置时延tM，覆盖各天线信号，K为以采样点为单位的当前段STS的长度；
C2：根据步骤C1的互相关结果搜索需要路径位置，获取需要路径各天线相位；
C3：利用各天线相位和阵列结构，进行AoA估计。
优选地，根据步骤C1的互相关结果搜索需要路径位置，获取需要路径各天线相位具体包括：
从R(p)中时延从小到大搜索到第一条R(p)的复数模值大于给定门限的位置即为直达径在第1根天线的位置p1，该直达径在其它天线的位置pm为：
Figure 767329DEST_PATH_IMAGE020
该路径对应的各天线的相位为：
ψ(m)=angle(R(pm )),m=1,2,…,M。
本发明的还有一个实施例公开了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有基于脉冲超宽带多天线延时接收机获取入射角的程序，所述基于脉冲超宽带多天线延时接收机获取入射角的程序被至少一个处理器执行时实现上述的基于脉冲超宽带多天线延时接收机获取入射角的方法步骤。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的脉冲超宽带多天线延时接收机及其获取入射角的方法，多路天线信号同时汇聚接收，在每条射频通路设计了延时器引入可配置的时延，通过不同的固定时延将每路模拟信号在时域分开，使得该接收机在同一时刻可将多路天线的时域信号进行分集接收，充分利用多天线带来的增益，又避免了多路天线信号间的混叠和干扰。
在优选的方案中，通过多相时延搜索确定每一路天线的信号，基于IEEE-802.15.4和IEEE-802.15.4z中的同步字段和STS字段准确定位每一路信号，从而为精准地获取AoA打下基础；进一步地，将脉冲超宽带多天线延时接收机配置为多段STS，可以利用前面一段或多段STS进行残余频率估计，并对后面的一段或多段进行残余频偏的补偿，用频率补偿后的STS数据进行AoA估计，提升AoA的精度及解调的性能；更进一步地，如果STS前面部分包括多段，可以每段进行一次多相时延搜索和残余频率估计补偿，迭代多次，减小频偏误差；如果STS后面部分包括多段，可以每段AoA结果进行加权平均，减少估计误差。
附图说明
图1是IEEE 802.15.4z帧结构示意图；
图2是IEEE 802.15.4z STS结构示例示意图；
图3是本发明优选实施例提出的IR-UWB多天线延时接收机的架构；
图4是本发明优选实施例提出的IR-UWB多天线延时接收机处理总体流程图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于电路/信号连通作用。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
如图1所示，在IEEE 802.15.4z标准中定义了IR-UWB系统包含STS的帧结构：第一STS包格式100、第二STS包格式200和第三STS包格式300。先是发射一段同步信号（Synchronization, SYNC）和帧头定界信号（Start of Frame Delimiter, SFD），用于收发同步；SFD之后可以发射经过加密的STS信号。在第二STS包格式200的情况下，STS可以在物理层信息头（Physical layer HeadeR, PHR）和物理层承载数据段（PHY Payload）之后发射。图2是STS结构的进一步示例。STS信号可以只有一段，也可以分成多段，比如2、3、4段。每段STS前后有一小段时间的发射空隙（Gap），这个发射空隙可以用来对接收通道的配置调整而不会丢失有效信号。
如图3所示，是本发明优选实施例提出的IR-UWB多天线延时接收机的结构示意图。该接收机采用多天线10（第1天线、第2天线、……、第M天线）设计，每根天线10连接一条独立的射频通路20，该射频通路20包含低噪声放大器21、混频器22和延时器23。射频信号通过低噪声放大器21后，在混频器22与本地时钟信号进行混频，降频到零中频形成模拟信号。所有通路的模拟信号在模拟前端30汇集线性相加，经模拟前端30和模数转换器（ADC）40后输入数字处理单元50（本发明中的模拟前端30是有聚合功能的）。其中，接收到的射频信号到达不同的天线，由于天线与发射端传输距离的不同，造成不同通道的模拟信号的时延和相位的差别，时延通常会远小于一个符号的周期；不同天线10的模拟信号如果在模拟前端30直接线性相加，会形成信号的混叠，造成解调性能的损失和难以做入射角（Angle ofArrival, AoA）测量。为了解决这一问题，本发明中创新性地设计了射频通路延时器和数字处理单元的多相时延搜索算法，在每条射频通路20设计了延时器23，每条通路引入可配置的时延，通过不同的固定时延将每路模拟信号在时域分开。在数字处理单元的多相时延搜索，基于IEEE-802.15.4 和IEEE-802.15.4z中的同步字段和STS字段准确定位每一路信号，从而可以进行精准的AoA测量。
接收机通过SYNC和SFD段建立同步，并完成信道估计。同步建立后，第一根天线的时域脉冲信号的边界位置已经确定；同步建立过程不在本发明的范围内，本发明认为在进行多相时延搜索之前，同步已经建立。发射机与接收机的频率偏移在同步阶段已经得到一定程度的估计与补偿，如果系统只配置一段STS，可以直接用这段STS进行AoA测量和时延估计。但是频偏估计的误差会引入额外的相位角的旋转，从而在互相关过程中不同采样点相关累加时相位不一致导致累加幅度下降，进而对解调性能和AoA的精度造成影响，如果没有残余频偏，相关累计的采样点相位一致，可以得到最大的累加幅度结果。因此在配置多段STS情况下可以进一步进行残余频率估计和补偿。本发明中，基于STS的分段结构，把多段STS划分为STS前面部分和STS后面部分，利用STS前面部分（前面一段或多段STS）进行残余频率估计，并对STS后面部分（后面的一段或多段）进行残余频偏的补偿，用频率补偿后的STS数据进行AoA估计，提升AoA的精度及解调的性能。如果STS前面部分包括多段，可以每段进行一次多相时延搜索和残余频率估计补偿，迭代多次，减小频偏误差。如果STS后面部分包括多段，可以每段AoA结果进行加权平均，减少估计误差。处理流程如图4所示，其中发射机与接收机的频率偏移在同步阶段已经得到一定程度的估计与补偿，因此在信道估计之后，就可以进行一次频偏补偿；而如果同步阶段没有对频偏进行估计，则初始的频偏补偿值为0Hz。
在本实施例中，接收机有M根天线与M条射频通路，其中第1条射频通路没有延时器，第m条通路的延时器的延时可表达为tm=(m-1)τ=(m-1)qT,1<m≤M，τ为通道间固定延时，是ADC采样周期T的整数倍，比如q倍，可由数字处理单元灵活配置。模数转换器送入数字处理单元在nT时刻的信号可以表示为：
Figure 311443DEST_PATH_IMAGE021
(1)
其中，
Figure 662790DEST_PATH_IMAGE010
为发射端在采样点
Figure 280853DEST_PATH_IMAGE011
处的基带信号，
Figure 302030DEST_PATH_IMAGE022
为信道在间隔为(0,1,..,L-1)T上的离散采样冲击响应，
Figure 5544DEST_PATH_IMAGE023
，L为信道时延扩展采样点长度；
Figure 629423DEST_PATH_IMAGE012
为第m根天线 在时延
Figure 367572DEST_PATH_IMAGE013
处的链路增益；
Figure 543338DEST_PATH_IMAGE024
为第m根天线相对于第1根天线因距离差引入的在时延
Figure 734148DEST_PATH_IMAGE013
处的相位差；
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE025
为UWB载波信号的波长；dm,l为第m根天线（m>1）与第1根天线相对于发 射端在时延
Figure 4461DEST_PATH_IMAGE013
采样点处的距离差，不同时延不同入射角的传播路径会存在不同的距离差； tm=(m-1)τ=(m-1)qT为第m条射频通路系统设定的时延，τ为系统设置的延时；∅为发射机与 接收机之间的起始相位差；ε为发射机与接收机之间的残余频率偏移。其中，tm是系统设定 的用于区分多个不同天线接收到信号的确定时延，∅在系统同步阶段确定，ε与
Figure 597117DEST_PATH_IMAGE014
需要在 数字处理单元中进一步确定，并通过
Figure 84730DEST_PATH_IMAGE014
估计AoA 。
（1）多相时延搜索
在STS前面一段或多段中的各段，接收机会利用存储的该段STS信号进行多相时延搜索。在每根天线的固定时延附近，通过在预设滑动窗口内的搜索确定因传输距离差异引起信号在时域的偏移，从而确定该天线的时域脉冲信号的边界位置，具体算法如下：
A1：本地生成STS信号
Figure 762836DEST_PATH_IMAGE018
，K为STS的长度，以采样点为单位。用本地生 成的STS信号与STS起始位置的信道估计结果的共轭 h* 进行卷积，生成信道均衡后的STS 信号模板
Figure 853152DEST_PATH_IMAGE003
=v⨂h* ；
A2：确定第m根天线的信号相对于第一根天线在时域的偏移；具体包括以下步骤：
A21：确定搜索起点的位置为 pbegin=N-(m-1)q-W/2，其中N为第一根天线的STS信号的起始符号边界在接收信号缓存中的位置，(m-1)q 为第m根天线的在延时器中预设的时延（此处已经离散化成以采样点为单位），W 为搜索窗口的大小；
A22：计算接收信号与本地信道均衡后的STS信号模板做互相关，存储互相关结果 为
Figure 300313DEST_PATH_IMAGE004
，其中
Figure 958828DEST_PATH_IMAGE005
，初始计算时p=pbegin，k = 1；
A23：令p=p+1，k = k + 1，重复步骤A22；
A24：重复A22至A23，直到k = W；
A25：求取
Figure 124230DEST_PATH_IMAGE006
中模值最大的点，计算对应的位置
Figure 768969DEST_PATH_IMAGE007
并记 录；
A26：确定第m根天线信号相对于第一根天线在时域的偏移为
Figure 70637DEST_PATH_IMAGE008
。
A3：重复步骤A2，直到所有M根天线的时域偏移都确定。
（2）残余频偏估计与补偿
由于多相延时搜索中已经进行信道均衡，如果没有残余频偏，则互相关结果峰值相位应该为0。如果存在残余频偏，则会体现在互相关结果的峰值相位上。可以从峰值相位来估计残余频偏，并对后续数据进行频偏补偿。可用多段STS进行迭代，提高精度。其中具体每一段STS的残余频偏估计与补偿方法如下：
B1：多天线互相关峰值加权合并得到cpeak，获取多天线分集增益：
Figure 900053DEST_PATH_IMAGE015
其中，第m根天线的权值Wm可以和第m根天线的峰值模值大小
Figure 552751DEST_PATH_IMAGE017
成正比， 从而完成性能最优的最大比合并，比如：Wm=
Figure 984870DEST_PATH_IMAGE017
，m=1,2,…,M。
也可以设所有天线权值相等，比如W_m=1，从而完成性价比较优的等增益合并。
当然也可以只取其中一部分甚至只有1根峰值模值最大的天线计算，相当于只有1天线权值非0，其它天线权值为0。此时完成计算量最小的选择合并。
B2：根据峰值相位求残余频偏：
ε=angle(cpeak)/(πKT)
其中，angle(.)为求复数角度函数，K为STS长度，T为ADC采样周期。
B3：根据步骤B2的估计结果，利用每段STS的空隙调整接收机的时钟，消除后续各段STS信号s(n)的残余频偏，得到补偿后的信号s'(n)：
Figure 406624DEST_PATH_IMAGE016
。
（3）AoA估计
由于无线传输的反射效应，不同时延到达接收端的信号通常有不同的入射角。可以对不同时延的路径分别估计AoA。在定位应用中，没有经过反射的直达径的入射角具有更加重要的应用。AoA估计可以用经过精确频偏补偿的后面各段STS进行。其中具体一段STS的估计方法为：
C1：本地生成STS信号
Figure 406941DEST_PATH_IMAGE018
，K为STS的长度，单位为采样点。用本地生成 的STS信号与接收的经过精确频偏补偿的STS信号s'(n)进行相关，得到互相关结果：
Figure 281356DEST_PATH_IMAGE019
其中WinStart是多径搜索窗起始位置，WinEnd是多径搜索窗终止位置，搜索窗大于设置时延tM，覆盖各天线信号。
C2：搜索需要路径位置，获取需要路径各天线相位。
比如要对时延最小的直达径进行AoA估计，从R(p)中时延从小到大搜索到第一条R(p)的复数模值大于给定门限的位置即为直达径在第一天线的位置，即为p1。根据系统设置，则该直达径在其它天线的位置pm为：
Figure 32012DEST_PATH_IMAGE020
该路径对应的各天线的相位为：
ψ(m)=angle(R(pm )),m=1,2,…,M
C3：利用各天线相位和阵列结构，计算三维入射俯仰角和水平角。
本发明优选实施例设计了多天线延时接收机，多路天线信号同时汇聚接收，为了避免多路天线信号的混叠和干扰，创新性的设计了射频通路延时器和数字处理单元的多相时延搜索算法，在每条射频通路设计了延时器引入可配置的时延，通过不同的固定时延将每路模拟信号在时域分开，再通过数字处理单元的多相时延搜索确定位每一路天线的信号。该接收机在同一时刻可将多路天线的时域信号进行分集接收，充分利用多天线带来的增益，又避免了多路天线信号间的混叠和干扰。
本发明另一优选实施例还提供了一种计算机存储介质，所述计算机存储介质存储有基于脉冲超宽带多天线延时接收机获取入射角的程序，所述基于脉冲超宽带多天线延时接收机获取入射角的程序被至少一个处理器执行时实现上述技术方案中的基于脉冲超宽带多天线延时接收机获取入射角的方法步骤。
本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不是由其他人描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变。

Claims (11)

1.一种基于脉冲超宽带多天线延时接收机获取入射角的方法，其特征在于，包括：所述脉冲超宽带多天线延时接收机的M根天线分别接收射频信号，射频信号分别通过与M根天线对应的M条射频通路形成模拟信号，所有通路的模拟信号在模拟前端汇集线性相加，经模拟前端和模数转换器后输入到数字处理单元，其中第m条所述天线对应的所述射频通路上分别设有延时器以通过不同的固定时延将每路模拟信号在时域分开，并获取每一路模拟信号以计算入射角，
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，m、M分别为大于1的自然数；
其中，计算入射角具体包括以下步骤：
S1：将所述脉冲超宽带多天线延时接收机配置为多段STS，将多段STS划分为STS前面部分和STS后面部分，其中STS前面部分包括前面的至少一段STS，STS后面部分包括后面的至少一段STS；
S2：判断当前段STS是属于STS前面部分还是STS后面部分，如果是属于STS前面部分，则执行步骤S3，如果是属于STS后面部分，则执行步骤S5；
S3：依次进行多相时延搜索、残余频偏估计，其中多相时延搜索步骤包括：在每根所述天线的固定时延附近，通过在预设滑动窗口内的搜索确定因传输距离差异引起信号在时域的偏移，以确定该天线的时域脉冲信号的边界位置；
S4：对当前段STS的后续各段STS进行频偏补偿，并返回步骤S2以将下一段STS作为当前段STS进行处理；
S5：如果当前段STS是最后一段STS，则用频偏补偿后的当前段STS的数据进行AoA估计得到最终的AoA估计值；如果当前段STS不是最后一段STS，则用频偏补偿后的当前段STS的数据及其之后的各段STS的数据分别进行AoA估计，并对多次AoA估计的结果进行加权平均得到最终的AoA估计值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S3中的多相时延搜索步骤具体为：
A1：本地生成STS信号
Figure 49367DEST_PATH_IMAGE002
，并根据本地生成的STS信号生成信道均衡后的STS信号模板
Figure DEST_PATH_IMAGE003
，K为以采样点为单位的当前段STS的长度；
A2：将所述数字处理单元的接收信号与信道均衡后的STS信号模板进行互相关，以确定第m根天线的信号相对于第1根天线在时域的偏移；
A3：重复步骤A2，直到所有M根天线的时域偏移都确定。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤A2具体包括：
A21：确定搜索起点的位置为
Figure 647839DEST_PATH_IMAGE004
，其中N为第1根天线的STS信号的起始符号边界在接收信号缓存中的位置，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为以采样点为单位时第m根天线
Figure 665473DEST_PATH_IMAGE006
的射频通路上延时器中预设的时延，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为搜索窗口的大小；
A22：计算所述数字处理单元的接收信号与本地信道均衡后的STS信号模板做互相关，存储互相关结果为
Figure 956777DEST_PATH_IMAGE008
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE009
，
Figure 692652DEST_PATH_IMAGE010
为所述数字处理单元在pT时刻接收的信号，T为所述模数转换器的采样周期，且初始计算时p= pbegin，k = 1；
A23：令p=p+1，k = k + 1，重复步骤A22；
A24：重复A22至A23，直到k = W；
A25：求取
Figure DEST_PATH_IMAGE011
中模值最大的点，计算对应的位置
Figure 94815DEST_PATH_IMAGE012
并记录；
A26：确定第m根天线信号相对于第1根天线在时域的偏移为
Figure DEST_PATH_IMAGE013
。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，其中所述数字处理单元在nT时刻的接收信号为：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
其中，
Figure 701377DEST_PATH_IMAGE016
为发射端在采样点
Figure DEST_PATH_IMAGE017
处的基带信号，
Figure 163582DEST_PATH_IMAGE018
为以采样点为单位时第m根天线
Figure DEST_PATH_IMAGE019
的射频通路上延时器中预设的时延，
Figure 386753DEST_PATH_IMAGE020
为第m根天线在时延l处的链路增益，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为发射机与接收机之间的起始相位差，
Figure 329957DEST_PATH_IMAGE022
为发射机与接收机之间的残余频率偏移，
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为第m根天线相对于第1根天线因距离差引入的在时延l处的相位差。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据本地生成STS信号生成信道均衡后的STS信号模板
Figure 322184DEST_PATH_IMAGE024
具体包括：用本地生成的STS信号与STS起始位置的信道估计结果的共轭
Figure DEST_PATH_IMAGE025
进行卷积，生成信道均衡后的STS信号模板
Figure 955290DEST_PATH_IMAGE026
。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，
步骤S3中的残余频偏估计步骤具体为：
B1：多天线互相关峰值加权合并得到
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，获取多天线分集增益：
Figure 665757DEST_PATH_IMAGE028
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
为第m根天线的权值；
B2：根据峰值相位求残余频偏：
Figure 409722DEST_PATH_IMAGE030
其中，angle(.)为求复数角度函数。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S4中对当前段STS的后续各段STS进行频偏补偿具体包括：根据步骤B2的估计结果，利用每段STS的空隙调整接收机的时钟，消除后续各段STS信号s(n)的残余频偏，得到补偿后的信号
Figure DEST_PATH_IMAGE031
：
Figure 256456DEST_PATH_IMAGE032
。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，第m根天线的权值
Figure DEST_PATH_IMAGE033
和第m根天线的峰值模值大小
Figure 794884DEST_PATH_IMAGE034
成正比，或者所有天线权值相等，或者只有峰值模值大于预设阈值对应的天线的权值为非0，其余天线的权值为0。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S5中用频偏补偿后的STS的数据进行AoA估计具体包括：
C1：用本地生成的STS信号
Figure 258227DEST_PATH_IMAGE002
与接收的经过频偏补偿的STS信号
Figure 71462DEST_PATH_IMAGE031
进行相关，得到互相关结果：
Figure 303860DEST_PATH_IMAGE036
其中WinStart是多径搜索窗起始位置，WinEnd是多径搜索窗终止位置，搜索窗大于设置时延
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，覆盖各天线信号，K为以采样点为单位的当前段STS的长度；
C2：根据步骤C1的互相关结果搜索需要路径位置，获取需要路径各天线相位；
C3：利用各天线相位和阵列结构，进行AoA估计。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，根据步骤C1的互相关结果搜索需要路径位置，获取需要路径各天线相位具体包括：
从R(p)中时延从小到大搜索到第一条
Figure 278769DEST_PATH_IMAGE038
的复数模值大于给定门限的位置即为直达径在第1根天线的位置
Figure DEST_PATH_IMAGE039
，该直达径在其它天线的位置
Figure 698249DEST_PATH_IMAGE040
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE041
；
该路径对应的各天线的相位为：
Figure 252859DEST_PATH_IMAGE042
。
11.一种计算机存储介质，其特征在于，所述计算机存储介质存储有基于脉冲超宽带多天线延时接收机获取入射角的程序，所述基于脉冲超宽带多天线延时接收机获取入射角的程序被至少一个处理器执行时实现权利要求1至10任一项所述的基于脉冲超宽带多天线延时接收机获取入射角的方法步骤。
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Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11617148B2 (en) * 2019-05-03 2023-03-28 Samsung Electronics Co., Ltd. Enhancement of flexibility to change STS index/counter for IEEE 802.15.4z
WO2023172792A1 (en) * 2022-03-08 2023-09-14 Qualcomm Incorporated Radio frequency sensing with channel impulse response
CN114660540B (zh) * 2022-03-21 2022-10-21 青岛柯锐思德电子科技有限公司 一种脉冲到达时间区域max检测系统及检测方法
WO2023230763A1 (en) * 2022-05-30 2023-12-07 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Method and apparatus for estimating time delay between excitation signal and stimulated signal
CN115278522A (zh) * 2022-07-13 2022-11-01 隔空（上海）智能科技有限公司 Uwb信号入射角处理及定位方法、系统、电子设备、介质
CN117572401B (zh) * 2023-11-24 2024-07-23 北京理工大学 一种基于测量子孔径多普勒相位差的无源定位方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1503491A (zh) * 2002-11-25 2004-06-09 深圳市中兴通讯股份有限公司上海第二 智能天线收发分集方法和装置
CN102073041A (zh) * 2010-11-10 2011-05-25 北京航空航天大学 一种顶层电离层探测星载mimo雷达系统
CN104980237A (zh) * 2015-07-27 2015-10-14 北京万集科技股份有限公司 通道相位延迟自动校准方法及信号处理器、rsu
CN105391664A (zh) * 2015-10-16 2016-03-09 哈尔滨工业大学深圳研究生院 基于mimo的lte全双工系统中模拟干扰抵消方法
CN108828546A (zh) * 2018-05-24 2018-11-16 西安空间无线电技术研究所 一种天基多通道动目标雷达接收处理系统及方法
CN111948614A (zh) * 2020-08-20 2020-11-17 电子科技大学 一种相控阵雷达宽带自干扰射频域分段对消系统及方法

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6591084B1 (en) * 1998-04-27 2003-07-08 General Dynamics Decision Systems, Inc. Satellite based data transfer and delivery system
US8203484B2 (en) * 2007-02-09 2012-06-19 University Of Southern California Path-sharing transceiver architecture for antenna arrays
KR100917862B1 (ko) * 2007-12-14 2009-09-18 한국전자통신연구원 다중입력 다중출력 시스템에서 ｑｒ 분해 장치 및 그 방법
CN101320995B (zh) * 2008-07-23 2012-03-21 哈尔滨工业大学深圳研究生院 基于脉冲超宽带测距的方法及系统
CN103733085B (zh) 2011-07-28 2016-09-14 艾尔默斯半导体股份公司 用于运行uwb装置的方法
US9404993B2 (en) * 2014-07-30 2016-08-02 Aruba Networks, Inc. System and methods for information collection and processing for location estimation in MIMO wireless networks
US9658311B2 (en) * 2014-07-30 2017-05-23 Aruba Networks, Inc. System and methods for location determination in MIMO wireless networks
US10171129B1 (en) * 2017-07-03 2019-01-01 Apple Inc. Pulse shaping interoperability protocol for ultra wideband systems
EP3493426B1 (en) * 2017-12-01 2020-06-17 Nxp B.V. A receiver-system
US11327151B2 (en) * 2019-06-24 2022-05-10 Nxp B.V. Ranging technology use for ultra-broadband communication in millimeter wave communication systems
CN111025277B (zh) 2019-12-25 2023-05-30 青岛海信电子设备股份有限公司 Uwb测距系统和uwb测距系统的控制方法
US10992419B1 (en) * 2020-03-12 2021-04-27 Nxp B.V. Wireless communications device and method for performing an angle measurement
CN111416636B (zh) * 2020-03-19 2021-07-02 上海感悟通信科技有限公司 一种多天线信号合并方法和无线通信设备
CN112702136B (zh) 2021-03-25 2021-06-25 杭州优智联科技有限公司 基于多天线uwb系统获取pdoa的方法、装置、设备及存储介质

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1503491A (zh) * 2002-11-25 2004-06-09 深圳市中兴通讯股份有限公司上海第二 智能天线收发分集方法和装置
CN102073041A (zh) * 2010-11-10 2011-05-25 北京航空航天大学 一种顶层电离层探测星载mimo雷达系统
CN104980237A (zh) * 2015-07-27 2015-10-14 北京万集科技股份有限公司 通道相位延迟自动校准方法及信号处理器、rsu
CN105391664A (zh) * 2015-10-16 2016-03-09 哈尔滨工业大学深圳研究生院 基于mimo的lte全双工系统中模拟干扰抵消方法
CN108828546A (zh) * 2018-05-24 2018-11-16 西安空间无线电技术研究所 一种天基多通道动目标雷达接收处理系统及方法
CN111948614A (zh) * 2020-08-20 2020-11-17 电子科技大学 一种相控阵雷达宽带自干扰射频域分段对消系统及方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于三个定向天线RSS的二维到达角估计;冷文;《计算机工程》;20210517;全文 *
雷达遥感在环境保护工作中的应用;赵少华等;《微波学报》;20140215;全文 *

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