CN114268902A - 一种基于pdoa的脉冲超宽带测向方法 - Google Patents

一种基于pdoa的脉冲超宽带测向方法 Download PDF

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本发明提供一种基于PDOA的脉冲超宽带测向方法，包括使用双天线双通道超宽带射频接收机对UWB标签发射的超宽带射频信号进行接收；使用本地超宽带前导脉冲匹配滤波器得到离散多径信道冲击响应估计结果；构造时域掩码，将基带复信号内的多径能量置零；对仅包含首径脉冲的两组基带时域复信号执行傅里叶变换，获得两组基带频域复信号带宽内各频点的幅度值；将两组基带频域复信号执行互相关处理，计算相位差获得归一化相位差序列；获得超宽带射频信号到达两个天线端口的相位差；计算出UWB标签发射的超宽带射频信号的到达入射角。本发明提供的基于PDOA的脉冲超宽带测向方法，仅使用两根天线在复杂多径信道下实现高精度空间测向。

Description

一种基于PDOA的脉冲超宽带测向方法
技术领域
本发明实施例涉及超宽带技术领域，特别是涉及一种基于PDOA的脉冲超宽带测向方法。
背景技术
随着超宽带(Ultra Wideband，简称UWB)技术日益普及到日常生活中，除了其具有出色的测距功能，还得益于其高精度的测向功能。而实现超宽带测向最常用的技术是基于到达相位差(Phase Difference of Arrival,PDOA)实现的，相比于到达时间差(TimeDifference of Arriva，TDOA)实现的技术，PDOA具有天线阵列规模小的优点。
经典的针对宽带信号测向的方法未将天线阵列中每条通路接收的宽带信号变换至频域，再利用窄带信号测向的原理分辨出信号中所有信号源的入射方向。然而在实际应用场景中，由于超宽带信号的带宽通常可以达到500MHz甚至1GHz，射频收发机通常很难保证整个频带内具有同样的衰落，此外，无线信道也会造成频率选择性衰落，这会导致基带接收机接收到的超宽带信号具有显著的I/Q不平衡，其结果就是直接使用超宽带信号执行PDOA估计会引入可观的误差。
因此需要提供一种基于PDOA的脉冲超宽带测向方法，能够解决上述问题。
发明内容
本发明提供一种基于PDOA的脉冲超宽带测向方法，仅使用两根天线在复杂多径信道下实现高精度空间测向。
本发明实施例提供一种基于PDOA的脉冲超宽带测向方法，包括以下步骤：
使用双天线双通道超宽带射频接收机对UWB标签发射的超宽带射频信号进行接收，经由下变频以及ADC采样后获得分别从两根天线接收到的基带复信号；
使用本地超宽带前导脉冲匹配滤波器得到离散多径信道冲击响应估计结果；
构造时域掩码，将所述基带复信号内的多径能量置零，获得仅包含首径脉冲的两组基带时域复信号；
对所述仅包含首径脉冲的两组基带时域复信号执行傅里叶变换，获得两组基带频域复信号，并获得所述两组基带频域复信号带宽内各频点的幅度值；
将所述两组基带频域复信号执行互相关处理，计算相位差获得归一化相位差序列；
根据所述两组基带频域复信号带宽内各频点的幅度值计算相位差合并权重系数，依次计算出权重序列；
根据所述权重序列和所述归一化相位差序列计算合并相位差结果，获得所述超宽带射频信号到达两个天线端口的相位差；
计算出所述UWB标签发射的超宽带射频信号的到达入射角。
优选地，所述基带复信号通过以下公式计算：
Figure BDA0003435420360000021
其中，y(t)表示所述基带复信号，h(τ)表示τ时刻的信道冲击响应，x(t)表示所述超宽带射频信号，ω表示高斯白噪声。
优选地，所述使用本地超宽带前导脉冲匹配滤波器得到离散多径信道冲击响应估计结果包括使用所述本地超宽带前导脉冲匹配滤波器消除多径衰落导致的符号间干扰，获得离散多径信道冲击相应估计结果[h(1),h(2),h(3),…h(L)]。
优选地，所述构造时域掩码，将所述基带复信号内的多径能量置零，获得仅包含首径脉冲的两组基带时域复信号，包括使用能量判决的方式确定首径脉冲的出现时刻t0，如果接收的超宽带信号前导符号的周期为T，则对t0+nT以外出现的能量使用数值为0的掩码，得到仅包含首径IQ信息的两组基带时域复信号y′1(t)和y′2(t)。
优选地，所述对所述仅包含首径脉冲的两组基带时域复信号执行傅里叶变换，获得两组基带频域复信号，并获得所述两组基带频域复信号带宽内各频点的幅度值，包括对所述仅包含首径脉冲的两组基带时域复信号执行傅里叶变换，获得两组基带频域复信号Y′1(w)和Y′2(w)，其中w表示频点位置，对所述超宽带射频信号频带内的频点的频域信号通过取模求得其在各频点的幅度值[A1,A2,A3,…AN]。
优选地，所述将所述两组基带频域复信号执行互相关处理，计算相位差获得归一化相位差序列，包括通过以下公式计算相位差：
angle(Y′1(w)*conj(Y′2(w)))
结果相位差序列为[θ1,θ2,θ3,…θN]，对应的频点依次为[w1,w2,w3,…wN]；
结合射频载频频率对各频点对应的相位差进行归一化处理，通过以下公式计算相位差归一化：
Figure BDA0003435420360000031
其中，wc表示射频载频频点，获得归一化相位差序列[θ′1,θ′2,θ′3,…θ′N]。
优选地，所述根据所述两组基带频域复信号带宽内各频点的幅度值计算相位差合并权重系数，依次计算出权重序列，包括通过以下公式计算：
Figure BDA0003435420360000032
其中，[A1,A2,A3,…AN]表示各频点的幅度值，[Q1,Q2,Q3,…QN]表示依次计算出的权重序列。
优选地，所述根据所述权重序列和所述归一化相位差序列计算合并相位差结果，获得所述超宽带射频信号到达两个天线端口的相位差，包括通过以下公式计算：
Figure BDA0003435420360000041
其中，[Q1,Q2,Q3,…QN]表示依次计算出的权重序列，[θ1,θ2,θ3,…θN]表示结果相位差序列。
优选地，所述计算出所述UWB标签发射的超宽带射频信号的到达入射角，包括通过以下公式计算：
Figure BDA0003435420360000042
其中，γ表示所述UWB标签发射的超宽带射频信号到达两根天线中心的距离差，c表示光在空气中的传播速度，wc表示射频载频频点，所述入射角
Figure BDA0003435420360000043
其中D表示双天线物理中心间距。
优选地，所述测向包括二维测向和三维测向。
与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：
本发明实施例的基于PDOA的脉冲超宽带测向方法，使用双天线双通道超宽带射频接收机对UWB标签发射的超宽带射频信号进行接收，经由下变频以及ADC采样后获得分别从两根天线接收到的基带复信号；使用本地超宽带前导脉冲匹配滤波器得到离散多径信道冲击响应估计结果；构造时域掩码，将所述基带复信号内的多径能量置零，获得仅包含首径脉冲的两组基带时域复信号；对所述仅包含首径脉冲的两组基带时域复信号执行傅里叶变换，获得两组基带频域复信号，并获得所述两组基带频域复信号带宽内各频点的幅度值；将所述两组基带频域复信号执行互相关处理，计算相位差获得归一化相位差序列；根据所述两组基带频域复信号带宽内各频点的幅度值计算相位差合并权重系数，依次计算出权重序列；根据所述权重序列和所述归一化相位差序列计算合并相位差结果，获得所述超宽带射频信号到达两个天线端口的相位差；计算出所述UWB标签发射的超宽带射频信号的到达入射角；相比于在时域直接对超宽带信号执行相位差估计的方法，本方法可以有效克服由于频带不平坦引起的时域复信号IQ不平衡对相位差估计结果的影响，通过使用本地超宽带前导脉冲匹配滤波器得到离散多径信道冲击响应估计结果来获得更高的接收信噪比，并通过匹配滤波器消除多径衰落引起的符号间干扰，因此具有系统级算法复杂度低的优势。
进一步地，通过构造时域掩码，将所述基带复信号内的多径能量置零，获得仅包含首径脉冲的两组基带时域复信号，从而达到仅使用双天线即可在复杂多径信道环境下实现高精度的标签方位估计；
进一步地，本方法的测向包括二维测向和三维测向，从而实现高精度的空间测向。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，而不是全部实施例。对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的一个实施例提供的基于PDOA的脉冲超宽带测向方法的流程图；
图2为本发明的另一个实施例提供的基于PDOA的脉冲超宽带测向方法的构造时域掩码的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
基于现有技术存在的问题，本发明实施例提供一种基于PDOA的脉冲超宽带测向方法，仅使用两根天线在复杂多径信道下实现高精度空间测向。
图1为为本发明的一个实施例提供的基于PDOA的脉冲超宽带测向方法的流程图。现在参看图1，本发明实施例提供一种基于PDOA的脉冲超宽带测向方法，包括以下步骤：
S101：使用双天线双通道超宽带射频接收机对UWB标签发射的超宽带射频信号进行接收，经由下变频以及ADC采样后获得分别从两根天线接收到的基带复信号；
S102；使用本地超宽带前导脉冲匹配滤波器得到离散多径信道冲击响应估计结果；
S103：构造时域掩码，将所述基带复信号内的多径能量置零，获得仅包含首径脉冲的两组基带时域复信号；
S104：对所述仅包含首径脉冲的两组基带时域复信号执行傅里叶变换，获得两组基带频域复信号，并获得所述两组基带频域复信号带宽内各频点的幅度值；
S105：将所述两组基带频域复信号执行互相关处理，计算相位差获得归一化相位差序列；
S106：根据所述两组基带频域复信号带宽内各频点的幅度值计算相位差合并权重系数，依次计算出权重序列；
S107：根据所述权重序列和所述归一化相位差序列计算合并相位差结果，获得所述超宽带射频信号到达两个天线端口的相位差；
S108：计算出所述UWB标签发射的超宽带射频信号的到达入射角。
在具体实施中，所述基带复信号通过以下公式计算：
Figure BDA0003435420360000071
其中，y(t)表示所述基带复信号，h(τ)表示τ时刻的信道冲击响应，x(t)表示所述超宽带射频信号，ω表示高斯白噪声。
在具体实施中，所述使用本地超宽带前导脉冲匹配滤波器得到离散多径信道冲击响应估计结果包括使用所述本地超宽带前导脉冲匹配滤波器消除多径衰落导致的符号间干扰，获得离散多径信道冲击相应估计结果[h(1),h(2),h(3),…h(L)]。
在具体实施中，所述构造时域掩码，将所述基带复信号内的多径能量置零，获得仅包含首径脉冲的两组基带时域复信号，包括使用能量判决的方式确定首径脉冲的出现时刻t0，如果接收的超宽带信号前导符号的周期为T，则对t0+nT以外出现的能量使用数值为0的掩码，得到仅包含首径IQ信息的两组基带时域复信号y1 ′(t)和y2 ′(t)。
图2为本发明的另一个实施例提供的基于PDOA的脉冲超宽带测向方法的构造时域掩码的示意图。现在参看图2，利用能量检索的方式确定时域序列中首径的位置，然后生成首径位置处为1，其余部分为0的掩码序列与时域序列相关，得到只包含首径IQ信息的时域信号，其中横坐标为32GHz ADC采样点，纵坐标为ADC归一化幅度。
在具体实施中，所述对所述仅包含首径脉冲的两组基带时域复信号执行傅里叶变换，获得两组基带频域复信号，并获得所述两组基带频域复信号带宽内各频点的幅度值，包括对所述仅包含首径脉冲的两组基带时域复信号执行傅里叶变换，获得两组基带频域复信号Y1 ′(w)和Y2 ′(w)，其中w表示频点位置，对所述超宽带射频信号频带内的频点的频域信号通过取模求得其在各频点的幅度值[A1,A2,A3,…AN]。
在具体实施中，所述将所述两组基带频域复信号执行互相关处理，计算相位差获得归一化相位差序列，包括通过以下公式计算相位差：
angle(Y′1(w)*conj(Y′2(w)))
结果相位差序列为[θ1,θ2,θ3,…θN]，对应的频点依次为[w1,w2,w3,…wN]；
结合射频载频频率对各频点对应的相位差进行归一化处理，通过以下公式计算相位差归一化：
Figure BDA0003435420360000081
其中，wc表示射频载频频点，获得归一化相位差序列[θ′1,θ′2,θ′3,…θ′N]。
在具体实施中，所述根据所述两组基带频域复信号带宽内各频点的幅度值计算相位差合并权重系数，依次计算出权重序列，包括通过以下公式计算：
Figure BDA0003435420360000082
其中，[A1,A2,A3,…AN]表示各频点的幅度值，[Q1,Q2,Q3,…QN]表示依次计算出的权重序列。
在具体实施中，所述根据所述权重序列和所述归一化相位差序列计算合并相位差结果，获得所述超宽带射频信号到达两个天线端口的相位差，包括通过以下公式计算：
Figure BDA0003435420360000083
其中，[Q1,Q2,Q3,…QN]表示依次计算出的权重序列，[θ1,θ2,θ3,…θN]表示结果相位差序列。
在具体实施中，所述计算出所述UWB标签发射的超宽带射频信号的到达入射角，包括通过以下公式计算：
Figure BDA0003435420360000091
其中，γ表示所述UWB标签发射的超宽带射频信号到达两根天线中心的距离差，c表示光在空气中的传播速度，wc表示射频载频频点，所述入射角
Figure BDA0003435420360000092
其中D表示双天线物理中心间距。
综上所述，本发明实施例的基于PDOA的脉冲超宽带测向方法，使用双天线双通道超宽带射频接收机对UWB标签发射的超宽带射频信号进行接收，经由下变频以及ADC采样后获得分别从两根天线接收到的基带复信号；使用本地超宽带前导脉冲匹配滤波器得到离散多径信道冲击响应估计结果；构造时域掩码，将所述基带复信号内的多径能量置零，获得仅包含首径脉冲的两组基带时域复信号；对所述仅包含首径脉冲的两组基带时域复信号执行傅里叶变换，获得两组基带频域复信号，并获得所述两组基带频域复信号带宽内各频点的幅度值；将所述两组基带频域复信号执行互相关处理，计算相位差获得归一化相位差序列；根据所述两组基带频域复信号带宽内各频点的幅度值计算相位差合并权重系数，依次计算出权重序列；根据所述权重序列和所述归一化相位差序列计算合并相位差结果，获得所述超宽带射频信号到达两个天线端口的相位差；计算出所述UWB标签发射的超宽带射频信号的到达入射角；相比于在时域直接对超宽带信号执行相位差估计的方法，本方法可以有效克服由于频带不平坦引起的时域复信号IQ不平衡对相位差估计结果的影响，通过使用本地超宽带前导脉冲匹配滤波器得到离散多径信道冲击响应估计结果来获得更高的接收信噪比，并通过匹配滤波器消除多径衰落引起的符号间干扰，因此具有系统级算法复杂度低的优势。
进一步地，通过构造时域掩码，将所述基带复信号内的多径能量置零，获得仅包含首径脉冲的两组基带时域复信号，从而达到仅使用双天线即可在复杂多径信道环境下实现高精度的标签方位估计；
进一步地，本方法的测向包括二维测向和三维测向，从而实现高精度的空间测向。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于PDOA的脉冲超宽带测向方法，其特征在于，包括以下步骤：
使用双天线双通道超宽带射频接收机对UWB标签发射的超宽带射频信号进行接收，经由下变频以及ADC采样后获得分别从两根天线接收到的基带复信号；
使用本地超宽带前导脉冲匹配滤波器得到离散多径信道冲击响应估计结果；
构造时域掩码，将所述基带复信号内的多径能量置零，获得仅包含首径脉冲的两组基带时域复信号；
对所述仅包含首径脉冲的两组基带时域复信号执行傅里叶变换，获得两组基带频域复信号，并获得所述两组基带频域复信号带宽内各频点的幅度值；
将所述两组基带频域复信号执行互相关处理，计算相位差获得归一化相位差序列；
根据所述两组基带频域复信号带宽内各频点的幅度值计算相位差合并权重系数，依次计算出权重序列；
根据所述权重序列和所述归一化相位差序列计算合并相位差结果，获得所述超宽带射频信号到达两个天线端口的相位差；
计算出所述UWB标签发射的超宽带射频信号的到达入射角。
2.根据权利要求1所述的基于PDOA的脉冲超宽带测向方法，其特征在于，所述基带复信号通过以下公式计算：
Figure FDA0003435420350000011
其中，y(t)表示所述基带复信号，h(τ)表示τ时刻的信道冲击响应，x(t)表示所述超宽带射频信号，ω表示高斯白噪声。
3.根据权利要求1所述的基于PDOA的脉冲超宽带测向方法，其特征在于，所述使用本地超宽带前导脉冲匹配滤波器得到离散多径信道冲击响应估计结果包括使用所述本地超宽带前导脉冲匹配滤波器消除多径衰落导致的符号间干扰，获得离散多径信道冲击相应估计结果[h(1),h(2),h(3),…h(L)]。
4.根据权利要去1所述的基于PDOA的脉冲超宽带测向方法，其特征在于，所述构造时域掩码，将所述基带复信号内的多径能量置零，获得仅包含首径脉冲的两组基带时域复信号，包括使用能量判决的方式确定首径脉冲的出现时刻t0，如果接收的超宽带信号前导符号的周期为T，则对t0+nT以外出现的能量使用数值为0的掩码，得到仅包含首径IQ信息的两组基带时域复信号y′1(t)和y′2(t)。
5.根据权利要求4所述的基于PDOA的脉冲超宽带测向方法，其特征在于，所述对所述仅包含首径脉冲的两组基带时域复信号执行傅里叶变换，获得两组基带频域复信号，并获得所述两组基带频域复信号带宽内各频点的幅度值，包括对所述仅包含首径脉冲的两组基带时域复信号执行傅里叶变换，获得两组基带频域复信号Y′1(w)和Y′2(w)，其中w表示频点位置，对所述超宽带射频信号频带内的频点的频域信号通过取模求得其在各频点的幅度值[A1,A2,A3,…AN]。
6.根据权利要求5所述的基于PDOA的脉冲超宽带测向方法，其特征在于，所述将所述两组基带频域复信号执行互相关处理，计算相位差获得归一化相位差序列，包括通过以下公式计算相位差：
angle(Y′1(w)*conj(Y′2(w)))
结果相位差序列为[θ1,θ2,θ3,…θN]，对应的频点依次为[w1,w2,w3,…wN]；
结合射频载频频率对各频点对应的相位差进行归一化处理，通过以下公式计算相位差归一化：
Figure FDA0003435420350000021
其中，wc表示射频载频频点，获得归一化相位差序列[θ′1,θ′2,θ′3,…θ′N]。
7.根据权利要求6所述的基于PDOA的脉冲超宽带测向方法，其特征在于，所述根据所述两组基带频域复信号带宽内各频点的幅度值计算相位差合并权重系数，依次计算出权重序列，包括通过以下公式计算：
Figure FDA0003435420350000031
其中，[A1,A2,A3,…AN]表示各频点的幅度值，[Q1,Q2,Q3,…QN]表示依次计算出的权重序列。
8.根据权利要求7所述的基于PDOA的脉冲超宽带测向方法，其特征在于，所述根据所述权重序列和所述归一化相位差序列计算合并相位差结果，获得所述超宽带射频信号到达两个天线端口的相位差，包括通过以下公式计算：
Figure FDA0003435420350000032
其中，[Q1,Q2,Q3,…QN]表示依次计算出的权重序列，[θ1,θ2,θ3,…θN]表示结果相位差序列。
9.根据权利要求8所述的基于PDOA的脉冲超宽带测向方法，其特征在于，所述计算出所述UWB标签发射的超宽带射频信号的到达入射角，包括通过以下公式计算：
Figure FDA0003435420350000033
其中，γ表示所述UWB标签发射的超宽带射频信号到达两根天线中心的距离差，c表示光在空气中的传播速度，wc表示射频载频频点，所述入射角
Figure FDA0003435420350000041
其中D表示双天线物理中心间距。
10.根据权利要求1所述的基于PDOA的脉冲超宽带测向方法，其特征在于，所述测向包括二维测向和三维测向。
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