CN117439634A - 一种双天线脉冲超宽带信号相位差测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种双天线脉冲超宽带信号相位差测量方法，涉及超宽带定位领域。该方法包括：第一天线和第二天线分别接收来自脉冲超宽带发射机发射的某一个信号，分别经过模拟下变频、低通滤波、模数转换等操作得到两路复基带信号；第一复基带信号与第二复基带信号的共轭相乘；相乘后的信号按照脉冲信号的重复周期进行累加；在累加后的信号幅值最大值进行鉴相，即得到两路信号的相位差。本发明提出的相位差直接测量方法，无需使用复杂的载波频偏估计与相位估计算法，直接测量两个天线间信号的相位差，具有计算复杂度低、精度高的特点。

Description

一种双天线脉冲超宽带信号相位差测量方法
技术领域
本发明涉及无线电信号接收处理领域，特别涉及一种双天线脉冲超宽带信号相位差测量方法。
背景技术
脉冲超宽带信号是一种纳秒级窄脉冲调制信号，通过收发脉冲超宽带信号，可以实现无线电测距与测向，进而实现信号发射机/接收机的位置估计。脉冲超宽带定位系统广泛应用于室内、地下等卫星导航不可用区域的定位导航，具有精度高、抗多径能力强等优点。
脉冲超宽带测角是指利用位置精确已知的两个或多个天线分别接收同一信号源发射的脉冲超宽带信号，通过求解不同天线间信号的载波相位差，进而计算出信号源到接收机天线的距离差，最终求解出脉冲超宽带信号的来波方向。
常规的多天线无线电测角系统通常采用基于空间谱估计算法来求解信号的来波方向，如MUSIC(Multiple Signal Classification，多重信号分类)算法及其改进算法，一般适用于窄带信号，具有精度高、计算复杂度大的特点。脉冲超宽带信号带宽大、采样速率高，难以采用MUSIC算法，现有算法通常采用对信号进行载波频偏估计、相位估计的方法(如专利ZL201480079211.7“在超宽带通信系统中测量入射角”、ZL201180055507.1“用于在超宽带通信系统中使用的接收机”)，求解每个天线通道的信号相位，进而计算出双天线通道的相位差。该方法需要复杂的载波跟踪环路与相位跟踪环路，计算复杂度高，无法实现长时间的相干积分，导致测角精度较低。
由上述分析可知，在脉冲超宽带测角系统中，现有技术通常采用载波环、锁相环等技术实时跟踪每个天线通道信号的相位，计算复杂度高，同时精度有限。而实际测角系统并不需要知道每个天线通道信号的相位，仅需测量相位差即可。
发明内容
为了解决脉冲超宽带信号的相位差测量问题，本发明提出了一种基于双天线脉冲超宽带信号相位差测量方法，该方法利用两个通道的脉冲超宽带数字基带信号，直接进行干涉获取相位差信息，无需进行载波频偏估计、相位估计等常规操作，具有计算复杂度低、精度高的特点。
本发明采用的技术方案为：
一种双天线脉冲超宽带信号相位差测量方法，包括以下步骤：
S101.第一天线接收脉冲超宽带模拟信号S1(t)，第二天线接收脉冲超宽带模拟信号S2(t)，两路模拟信号分别经过模拟下变频、低通滤波和模数转换，得到两路脉冲超宽带数字复基带信号S1(n)与S2(n)，每路数字复基带信号均包含I、Q两路信号；
S102.将数字复基带信号S2(n)取共轭，并与S1(n)相乘，得到相乘后的复信号S12(n)；
S103.将数字复信号S12(n)按照脉冲信号的重复周期进行周期性累加；
S104.对周期性累加的结果，在信号幅值最大的采样点处进行数字鉴相，鉴相结果即为脉冲超宽带信号到达第一天线和第二天线的相位差值。
进一步的，步骤S101中：
脉冲超宽带模拟信号S1(t)与S2(t)为同一脉冲超宽带信号源发射的信号，经过不同位置接收天线接收的结果；
脉冲超宽带模拟信号S1(t)与S2(t)为周期性重复的脉冲信号，周期为固定值；
脉冲超宽带模拟信号S1(t)与S2(t)在经过模拟下变频时，本地载波的频率与相位一致，即使用了相同的本地载波来实现；
脉冲超宽带模拟信号S1(t)与S2(t)在经过模数转换的量化采样时，采样点的时刻一致，即使用了相同的本地时钟来实现。
进一步的，步骤S102中的复信号S12(n)计算方法为：
S12(n)＝S1(n)S2 *(n)＝[SI1(n)+j×SQ1(n)]×[SI2(n)-j×SQ2(n)]
其中，SI1(n)为脉冲超宽带数字复基带信号S1(n)的I路信号，SQ1(n)为脉冲超宽带数字复基带信号S1(n)的Q路信号，SI2(n)为脉冲超宽带数字复基带信号S2(n)的I路信号，SQ2(n)为脉冲超宽带数字复基带信号S2(n)的Q路信号，j为虚数单位。
本发明相比现有技术具有如下优点：
本发明针对脉冲重复周期固定的脉冲超宽带信号，无需对每路超宽带信号的载波频偏、相位进行估计，通过将两个天线的基带信号进行干涉，直接测量信号的相位差，有效降低了超宽带测角接收机的复杂度。同时，可以通过长时间的相干积分，实现高精度的相位差估计。本发明用于所述的脉冲超宽带信号相位差测量方法用于测角，具有计算复杂度低、测角精度高等优点。
附图说明
图1是本发明所提供的一种双天线脉冲超宽带信号相位差的直接测量方法的整体原理图。
图2是本发明所述第一天线接收的脉冲超宽带信号经过下变频和低通滤波后的信号SI1(t)和SQ1(t)的某个示例。
图3是本发明所述的第二天线接收的脉冲超宽带信号经过下变频和低通滤波后的信号SI2(t)和SQ2(t)的某个示例。
图4是本发明所述的第一天线接收的基带信号S1(n)的某个示例。
图5是本发明所述的第二天线接收的基带信号S2(n)的某个示例。
图6是本发明所述的复信号S12(n)的某个示例。
图7是本发明所述的周期性累加后复信号C(n)的某个示例。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
一种双天线脉冲超宽带信号相位差测量方法，如图1所示，包括以下步骤。
S101.第一天线接收脉冲超宽带模拟信号S1(t)，第二天线接收脉冲超宽带模拟信号S2(t)，由于信号传播路径的不同，S2(t)与S1(t)之间存在时延τ，两路信号分别可以表示为：
S1(t)＝AD(t)p(t)cos(2πft)
S2(t)＝AD(t-τ)p(t-τ)cos(2πf(t-τ))
其中A表示脉冲幅值；D(t)表示调制的数据位信息，D(t)∈{-1，1}，其周期为脉冲重复周期T；p(t)为脉冲波形；f为载波频率。
以第一天线接收的S1(t)信号为例，射频信号S1(t)与本地复载波相乘以实现下变频，得到两路基带信号，I路与Q路信号分别可以表示为：
其中Δf表示本地载波频偏，表示载波初相。
如图2所示，通过低通滤波器后，信号可以表示为：
信号经过模数变换等操作后，写成复基带信号的形式如下：
其中n＝t/fs，fs为采样率。
同理，如图3所示，第二天线接收的S2(t)信号，经过与上述相同的下变频、低通滤波、模数变换操作，得到第二复基带信号的形式如下：
其中Δn＝τ/fs。如图4、图5所示，第一和第二数字复基带信号均包含I、Q两路信号。
S102.将第二数字复基带信号S2(n)取共轭，并与第一数字复基带信号S1(n)相乘，得到相乘后的复信号S12(n)，可以表示为
其中Δn＝τ/fs。由于第一天线与第二天线之间的距离很近，导致Δn很小，远小于数据位信息D(n)的周期和脉冲信号p(n)的宽度。例如，假设脉冲超宽带信号的载波频率为7987.2MHz，数据位信息D(n)的周期为1MHz，脉冲p(n)的半峰宽度为2ns，则载波半波长为3.75cm，时延τ的最大值为62.6ps，远小于脉冲p(n)的宽度和数据位信息D(n)的周期，则D(n)D(n-Δn)≈D(n)D(n)＝1，同时p(n)p(n-Δn)≈p2(n)，如图6所示。
S103.将数字复信号S12(n)按照脉冲信号的重复周期进行周期性累加，可以表示为
其中N表示脉冲信号重复周期所对应的采样点数，K表示累加次数。由于脉冲信号p(n)为固定周期的信号，通过相干累加可以提高信号的信噪比。图7给出了累加后的复信号C(n)的一个示例。
S104.对周期性累加的结果C(n)，在信号幅值最大的采样点处进行数字鉴相，鉴相结果即为脉冲超宽带信号到达第一天线和第二天线的相位差值。可以表示为
θ＝arctan(Im(C(i)),Re(C(i)))，其中
其中，arctan(·)为四象限鉴相函数，Im(·)为复数的虚部，Re(·)为复数的实部，argmax(·)表示求最大值所对应自变量的函数，|·|表示复数的幅值。以图7中所示的数据为例，信号峰值最大值出现在i＝549处，此时I路信号值为-253，Q路信号值为312，根据上式计算出的信号相位差为2.2521弧度。

Claims (3)

1.一种双天线脉冲超宽带信号相位差测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101.第一天线接收脉冲超宽带模拟信号S1(t)，第二天线接收脉冲超宽带模拟信号S2(t)，两路模拟信号分别经过模拟下变频、低通滤波和模数转换，得到两路脉冲超宽带数字复基带信号S1(n)与S2(n)，每路数字复基带信号均包含I、Q两路信号；
S102.将数字复基带信号S2(n)取共轭，并与S1(n)相乘，得到相乘后的复信号S12(n)；
S103.将数字复信号S12(n)按照脉冲信号的重复周期进行周期性累加；
S104.对周期性累加的结果，在信号幅值最大的采样点处进行数字鉴相，鉴相结果即为脉冲超宽带信号到达第一天线和第二天线的相位差值。
2.根据权利要求1所述的双天线脉冲超宽带信号相位差测量方法，其特征在于，步骤S101中：
脉冲超宽带模拟信号S1(t)与S2(t)为同一脉冲超宽带信号源发射的信号，经过不同位置接收天线接收的结果；
脉冲超宽带模拟信号S1(t)与S2(t)为周期性重复的脉冲信号，周期为固定值；
脉冲超宽带模拟信号S1(t)与S2(t)在经过模拟下变频时，本地载波的频率与相位一致，即使用了相同的本地载波来实现；
脉冲超宽带模拟信号S1(t)与S2(t)在经过模数转换的量化采样时，采样点的时刻一致，即使用了相同的本地时钟来实现。
3.根据权利要求1所述的双天线脉冲超宽带信号相位差测量方法，其特征在于，步骤S102中的复信号S12(n)计算方法为：
S12(n)＝S1(n)S2 *(n)＝[SI1(n)+j×SQ1(n)]×[SI2(n)-j×SQ2(n)]
其中，SI1(n)为脉冲超宽带数字复基带信号S1(n)的I路信号，SQ1(n)为脉冲超宽带数字复基带信号S1(n)的Q路信号，SI2(n)为脉冲超宽带数字复基带信号S2(n)的I路信号，SQ2(n)为脉冲超宽带数字复基带信号S2(n)的Q路信号，j为虚数单位。
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