DE4231311C2 - Method for determining the impulse response of a transmission channel with expanded impulses and device for carrying out this method - Google Patents
Method for determining the impulse response of a transmission channel with expanded impulses and device for carrying out this methodInfo
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- DE4231311C2 DE4231311C2 DE19924231311 DE4231311A DE4231311C2 DE 4231311 C2 DE4231311 C2 DE 4231311C2 DE 19924231311 DE19924231311 DE 19924231311 DE 4231311 A DE4231311 A DE 4231311A DE 4231311 C2 DE4231311 C2 DE 4231311C2
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und eine Einrichtung zur Durchfüh rung dieses Verfahrens.The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and a device for implementation tion of this procedure.
Eine besonders vorteilhafte Anwendung eines solchen Ver fahrens und einer solchen Einrichtung liegt bei Pulsradar systemen.A particularly advantageous application of such a ver driving and such a facility lies with pulse radar systems.
Radarsysteme können als Einrichtungen zur Impulsantwort schätzung betrachtet werden. Der Radarsender sendet ein pulsförmiges Signal aus. Dieses durchläuft einen Kanal und gelangt zum Radarempfänger. Aus dem Empfangssignal, das aus dem erwünschten Signal und aus einem additiven Rausch signal besteht, soll die Impulsantwort des Kanals ge schätzt werden. Die Impulsantwort wird bestimmt durch die reflektierenden Objekte, die vom ausgesandten Signal ge troffen werden und die dieses zum Empfänger zurückstreuen. Durch Interpretation der geschätzten Impulsantwort kann man deshalb Informationen über Ort, Größe und Art der reflektierenden Objekte erhalten.Radar systems can act as impulse response devices estimate. The radar transmitter is transmitting pulse-shaped signal. This runs through a channel and reaches the radar receiver. From the received signal that from the desired signal and from an additive noise signal exists, the impulse response of the channel should be ge be appreciated. The impulse response is determined by the reflective objects from the emitted signal be hit and who scatter this back to the recipient. By interpreting the estimated impulse response therefore information about the location, size and type of get reflective objects.
Das Erzielen hoher Genauigkeit bei der Impulsantwort schätzung erfordert große Bandbreite und hohe Energie der gesendeten Impulse. Hohe Impulsenergie soll hierbei mit möglichst geringer Spitzenleistung der Senderendstufe erreicht werden, um den Senderaufwand klein zu halten. Die genannten Foderungen lassen sich bekanntlich durch Verwendung expandierter Impulse großen Zeit-Bandbreite-Produkts erfüllen.Achieving high accuracy in impulse response Estimation requires wide bandwidth and high energy sent impulses. High pulse energy is said to be involved lowest possible peak power of the transmitter output stage be achieved in order to keep the transmitter effort small. The known promotions can be known to use expanded impulses of large time-bandwidth product fulfill.
Aus der DE 38 11 282 A1 und der US-PS 5,070,337 sind Verfahren zum Bestimmen der Impulsantwort eines Übertragungskanals mit expandierten Impulsen aus einem Empfangssignal unter Nutzung der Kenntnis in einem Sender erzeugten periodischen oder aperiodischen Testsignals bekannt, wobei das Empfangssignal, dem ein korreliertes oder unkorreliertes Störsignal überlagert sein kann, in einem Empfänger zunächst einem auf das Testsignal signalangepaßten Filter zugeführt wird. DE 38 11 282 A1 and US Pat. No. 5,070,337 Method for determining the impulse response of a Transmission channel with expanded impulses from one Receive signal using knowledge in a transmitter generated periodic or aperiodic test signal known, the received signal to which a correlated or uncorrelated interference signal can be superimposed in one Receiver first one signal-adapted to the test signal Filter is fed.
Das Systemmodell, von dem die Erfindung ausgeht, zeigt Fig. 1, worin mit 1 ein Sender, mit 2 ein Übertragungs kanal, mit 3 ein Addierglied und mit 4 ein Empfänger bezeichnet ist. Allen auf eine Meßbandbreite B bandbe grenzten Signalformen wird im folgenden eine Folge von äquidistanten zeitdiskreten Abtastwerten im äquivalenten Tiefpaßbereich zugeordnet. Komplexe skalare Größen werden durch Unterstreichen gekennzeichnet. Matrizen und Vektoren sind in Fettdruck dargestellt. Die Symbole (.)* bzw. (.)T bedeuten konjugiert komplex bzw. transponiert.The system model from which the invention is based is shown in FIG. 1, wherein 1 denotes a transmitter, 2 a transmission channel, 3 an adder and 4 a receiver. All signal forms limited to a measurement bandwidth B bandbe are assigned a sequence of equidistant, time-discrete samples in the equivalent low-pass range. Complex scalar quantities are identified by underlining. Matrices and vectors are shown in bold. The symbols (.) * And (.) T mean conjugate complex or transposed.
Der expandierte SendeimpulsThe expanded send pulse
a = (a 1, a 2 ... a N)T, (1) a = ( a 1 , a 2 ... a N ) T , (1)
der Länge N am Ausgang des Senders 1 nach Fig. 1 gelangt über den Übertragungskanal 2 mit der Impulsantwortthe length N at the output of the transmitter 1 according to FIG. 1 passes through the transmission channel 2 with the impulse response
x = (x 1, x 2 ... x M)T, (2) x = ( x 1 , x 2 ... x M ) T , (2)
bestehend aus M Entfernungstoren, denen jeweils eine komplexe Reflektivität x i, i=1... M, zugeordnet wird. Mit dem additiven Rauschenconsisting of M distance gates, each of which is assigned a complex reflectivity x i , i = 1 ... M. With the additive noise
n = (n 1, n 2 ... n M+N-1)T, (3) n = ( n 1 , n 2 ... n M + N-1 ) T , (3)
das durch das Addierglied 3 eingespeist wird, und der
Toeplitz-Matrix
which is fed by the adder 3 , and the Toeplitz matrix
berechnet sich das Empfangssignal zu the received signal is calculated
e = (e 1, e 2 ... e M+N-1)T = A x + n, (5) e = ( e 1 , e 2 ... e M + N-1 ) T = A x + n , (5)
wobei A x die diskrete Faltung des expandierten Impulses a mit der Impulsantwort x beschreibt.where A x describes the discrete convolution of the expanded impulse a with the impulse response x .
Das bereits in der DE-PS 7 68 068 beschriebene und in der heutigen Praxis ausschließlich angewandte Prinzip der Signalverarbeitung im Empfänger 4 zur Lösung des Entfal tungsproblems bei der Bestimmung der Impulsantwort x aus dem Empfangssignal e bei a-priori bekanntem expandierten Sendeimpuls a beruht auf der Filterung des Empfangssignals e mit einem auf den expandierten Sendeimpuls a signalange paßten Filter (matched filter). Am Ausgang des als digi taler Korrelator implementierbaren signalangepaßten Fil ters ergibt sich der SchätzwertThe principle of signal processing in the receiver 4 already described in DE-PS 7 68 068 and used exclusively in today's practice to solve the development problem in determining the impulse response x from the received signal e at a priori known expanded transmission pulse a is based on the Filtering of the received signal e using a filter matched to the expanded transmit pulse a (matched filter). The estimated value is obtained at the output of the signal-matched filter which can be implemented as a digital correlator
MF = A *T e = (A *T A) x + A *T n (6) MF = A * T e = ( A * T A ) x + A * T n (6)
der Kanalimpulsantwort x. Zum Berechnen des Schätzwertes MF sind M.N komplexe Multiplikationen auszuführen. Bei allen realen expandierten Impulsen a verfälschen die Korrelationsnebenmaxima der Autokorrlationsfunktion als die Elemente außerhalb der Hauptdiagonalen der Matrix A*T A in Gleichung (6) die Schätzung MF der Impulsantwort x. Solche Verfälschungen können zur Vortäuschung nicht vor handener Ziele oder zur Maskierung von Korrelationshaupt spitzen aufgrund schwach reflektierender Ziele durch Korrelationsnebenmaxima aufgrund stark reflektierender Ziele führen. Deshalb muß man sich bisher auf die Verwen dung expandierter Impulse beschränken, die auf geringe Korrelationsnebenmaxima gezüchtet sind. Eine solche Be schränkung ist hinderlich, wenn signalformagile Radar systeme realisiert werden sollen, bei denen man aus einer möglichst großen Klasse expandierter Impulse auswählen möchte. Auch mit gezielt signalfehlangepaßten Filtern (mismatched filter) können die schädlichen Korrelationsne benmaxima bei einem um den Fehlanpassungsverlust geringe ren Signal-Stör-Verhältnis (SNR) am Filterausgang nur verringert und damit die mit den Korrelationsnebenmaxima verbundenen Probleme bei der Kanalschätzung nur gemildert werden.the channel impulse response x . To calculate the estimated value MF , MN complex multiplications are to be carried out. For all real expanded pulses a, the correlation secondary maxima of the autocorrelation function as the elements outside the main diagonals of the matrix A * T A in equation (6) falsify the estimate MF of the impulse response x . Such falsifications can lead to the pretense of non-existent targets or to mask the main correlation peaks due to weakly reflecting targets by secondary correlation maxima due to strongly reflecting targets. Therefore, one has to limit the use of expanded impulses that are bred to low correlation secondary maxima. Such a limitation is a hindrance when radar systems with signal form agile are to be realized, in which one wants to choose from the largest possible class of expanded impulses. Even with specifically mismatched filters, the harmful correlation values can only be reduced with a lower signal-to-noise ratio (SNR) at the filter output due to the mismatch loss, thus only alleviating the problems associated with the correlation secondary maxima in channel estimation.
Eine vorteilhafte Alternative zur signal(fehl)angepaßten
Filterung ist die im Aufsatz von T. Felhauer, P. Voigt,
P. W. Baier und A. Mämmelä: "Die Optimalschätzung als vor
teilhafte Alternative zur Korrelation in Radarsystemen mit
expandierten Impulsen" in der Zeitschrift "AEÜ", Vol. 46,
1992, Seiten 32 bis 37 beschriebene erwartungstreue Opti
malschätzung. Am Ausgang eines erwartungstreuen Optimal
schätzers für unkorreliertes Rauschen n ergibt sich mit
Gleichung (4) der Schätzwert
An advantageous alternative to signal (mismatched) filtering is that in the article by T. Felhauer, P. Voigt, PW Baier and A. Mämmelä: "The optimal estimate as a beneficial alternative to the correlation in radar systems with expanded pulses" in the magazine "AEÜ"", Vol. 46, 1992, pages 32 to 37 described unbiased optimal estimate. At the output of an optimal estimator for uncorrelated noise n , equation (4) gives the estimated value
os = (A*T A)-1 A*T e = x + (A *T A)-1 A *T n. (7) os = ( A * T A ) -1 A * T e = x + ( A * T A ) -1 A * T n . (7)
Nach Gleichung (7) kann der Schätzwert os in den wahren Wert der Kanalimpulsantwort x und in einen additiven Rauschanteil minimaler Varianz separiert werden und wird deshalb als optimaler erwartungstreuer Schätzwert bezeich net. Der Preis für die dank der Erwartungstreue vollstän dige Elimination der Korrelationsnebenmaxima ist eine im Vergleich zur signalangepaßten Filterung für eine große Klasse expandierter Impulse geringe SNR-Degradation.According to equation (7), the estimated value os can be separated into the true value of the channel impulse response x and into an additive noise component of minimal variance and is therefore referred to as the optimal, true-to-expect estimate. The price for the complete elimination of the correlation secondary maxima thanks to the expectations is a low SNR degradation compared to the signal-adapted filtering for a large class of expanded pulses.
Der Algorithmus der erwartungstreuen Optimalschätzung nach Gleichung (7), bei dem das Empfangssignal e mit einer M × (M + N - 1) SchätzmatrixThe algorithm of the optimal estimation according to equation (7), in which the received signal e has an M × (M + N - 1) estimation matrix
M = [m ij] = (A*T A)-1 A*T (8) M = [ m ij ] = ( A * T A ) -1 A * T (8)
multipliziert wird, kann unter Verwendung eines digitalen Korrelators nach Fig. 2 mitcan be multiplied using a digital correlator according to FIG
L = 2 M + N - 1 (9)zeitvarianten Tap-Koeffizienten w i(k), i = 1... L, am Eingang von L Multiplizierern 6 und mit L - 1 Verzögerungs elementen 5 sowie einem Summierglied 7 implementiert werden. Den Schätzwert os nach Gleichung (7) am Ausgang 8 des Korrelators erhält man, wenn sich die Tap-Koeffizien ten w i(k) gemäß den Elementen m ij in den unterschiedlichen Zeilen der Schätzmatrix M nach Gleichung (8) ändern. Zur Berechnung des Schätzwertes os sind somit M.(M + N - 1) komplexe Multiplikationen auszuführen. Ist die Anzahl M der Entfernungstore der Kanalimpulsantwort x sehr viel größer als die Länge N des expandierten Impulses a, was in Pulsradarsystemen häufig der Fall ist, so ist mit der erwartungstreuen Optimalschätzung ein im Vergleich zur signalangepaßten Filterung deutlich größerer Rechenaufwand verbunden.L = 2 M + N - 1 (9) time-variant tap coefficients w i (k), i = 1 ... L, at the input of L multipliers 6 and with L - 1 delay elements 5 and a summing element 7 . The estimated value os according to equation (7) at the output 8 of the correlator is obtained when the tap coefficients w i (k) change according to the elements m ij in the different rows of the estimation matrix M according to equation (8). To calculate the estimated value os , M. (M + N - 1) complex multiplications are to be carried out. If the number M of the distance gates of the channel impulse response x is very much greater than the length N of the expanded impulse a , which is often the case in pulse radar systems, the expected optimal prediction is associated with a computational effort that is significantly greater compared to the signal-adapted filtering.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein neuartiges Verfahren zur hochauflösenden Kanalschätzung für Übertra gungssysteme, insbesondere Pulsradarsysteme, mit expan dierten Impulsen auf der Basis der erwartungstreuen Opti malschätzung zu schaffen, dessen Rechenaufwand bei an nähernd gleicher Genauigkeit des Schätzwertes der Kanal impulsantwort deutlich geringer ist als bei der erwar tungstreuen Optimalschätzung nach Gleichung (7).The invention has for its object a novel Procedure for high-resolution channel estimation for transmissions systems, especially pulse radar systems, with expan impulses based on the expected expectations To create a painting estimate, the computational effort at approximately the same accuracy of the estimated value of the channel impulse response is significantly lower than that of the expected The best estimate according to equation (7).
Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This task is carried out in a generic method by the in the characterizing part of claim 1 specified features solved.
Zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfah rens und eine vorteilhafte Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben.Appropriate developments of the inventive method rens and an advantageous device for carrying out of the method are in the further claims specified.
Im folgenden wird die ein Verfahren und eine Einrichtung zur aufwandsgünstigen hochauflösenden Kanalschätzung betreffende Erfindung anhand von Figuren erläutert.The following is a procedure and a setup for cost-effective high-resolution channel estimation relevant invention explained with reference to figures.
Es zeigenShow it
Fig. 1 eine Darstellung des bereits erläuterten System modells, Fig. 1 is an illustration of the system already described model,
Fig. 2 die bereits beschriebene bekannte Möglichkeit zur Implementierung eines erwartungstreuen Optimal schätzers, FIG. 2 estimator known way to implement a loyal expected Optimal already described,
Fig. 3 die Separierung des erwartungstreuen Optimalschät zers in signalangepaßtes Filter und Nebenmaxima- Reduktionsfilter, Fig. 3, the separation of the unbiased optimum contemptuous in decomp matched filter and Nebenmaxima- reduction filter,
Fig. 4 die aufwandsgünstige suboptimale Möglichkeit nach der Erfindung zur Implementierung der erwartungs treuen Optimalschätzung, Fig. 4, the low-complexity sub-optimal way according to the invention for implementing the expectation true optimal estimation,
Fig. 4a die Autokorrelationsfunktion zu Fig. 4, Fig. 4a, the autocorrelation function of FIG. 4,
Fig. 4b die Korrelationsfunktion zu Fig. 4, FIG. 4b shows the correlation function of FIG. 4,
Fig. 5 eine typische Kanalimpulsantwort x in Pulsradar systemen, Fig. 5 shows a typical channel impulse response x in pulse radar systems,
Fig. 6a, b, c die Schätzwerte MF, xI' xII' Figure 6a, b., C is the estimated values MF, x I x 'II'
Fig. 7 nachgefilterte Bereiche des Schätzwerts II Fig. 7 post-filtered areas of the estimated value II
Fig. 8 der resultierende Schätzwert als Überlagerung des Schätzwerts I und dem nachgefilterten Schätz wert II, Fig. 8, the resulting estimated as a superposition of the estimate I and the postfiltered estimated II,
Fig. 9 die Signal-Stör-Verhältnis (SNR)-Degradation d(L) abhängig von der Filterlänge L für einen Frank-Code der Länge N = 36, Fig. 9, the signal-to-noise ratio (SNR) Degradation d (L) dependent on the filter length L for a Frank code of length N = 36,
Fig. 10 das Blockschaltbild einer Einrichtung zur Durch führung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur aufwandsgünstigen hochauflösenden Kanalschätzung. Fig. 10 is a block diagram of a device for the implementing of the method for high-resolution low-cost channel estimation.
Um einen tieferen Einblick in die erwartungstreue Optimal schätzung zu erhalten und um einen anschaulichen Vergleich mit der signalangepaßten Filterung zu ermöglichen, ist in Fig. 3 der erwartungstreue Optimalschätzer 9 in die beiden Funktionsblöcke signalangepaßtes Filter 10 und Nebenmaxima-Reduktionsfilter 11 separiert dargestellt.In order to obtain a deeper insight into the optimal estimate that is true to expectations and to enable a clear comparison with the signal-adapted filtering, FIG. 3 shows the optimal estimate 9 that is true to expectations in the two function blocks signal-adapted filter 10 and secondary maximum reduction filter 11 .
Das signalangepaßte Filter 10 maximiert zunächst das Signal-Stör-Verhältnis γmax an dessen Ausgang 12, während das Nebenmaxima-Reduktionsfilter 11 die störenden Korrelationsnebenmaxima im Schätzwert MF eliminiert. Der Preis für diese Elimination der Korrelationsnebenmaxima ist ein am Ausgang 13 des Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 im Vergleich zum maximierten Signal-Stör-Verhältnis γmax um die SNR-Degradation d verringertes Signal-Stör-Ver hältnis γa. Die erwartungstreue Optimalschätzung stellt somit eine Erweiterung der Theorie der konventionellen signalangepaßten Filterung dar. Da jedoch im allgemeinen alle Elemente v ij der Matrix (A*T A)-1 von Null verschieden sind, ist die Implementierung des Nebenmaxima-Reduktions filters 11 mit sehr großem Aufwand verbunden. Eine auf wandsgünstige Möglichkeit zur Implementierung des Neben maxima-Reduktionsfilters 11 wird bei Betrachtung der unab hängig vom expandierten Impuls typischen Stuktur der Ma trix (A*T A)-1 offensichtlich, die approximativ Toeplitz strukturiert ist, d. h. alle Elemente in einer jeweiligen Diagonalen sind approximativ gleich, und bei der die Be träge |v ij| der Elemente v ij mit zunehmendem Abstand von der Hauptdiagonalen stark abnehmen.The matched filter 10 first maximizes the signal-to-noise ratio γ max at its output 12 , while the secondary maximum reduction filter 11 eliminates the disturbing secondary correlation maxima in the estimated value MF . The price for this elimination of the secondary correlation maxima is a signal-to-noise ratio γ a reduced at the output 13 of the secondary maximum reduction filter 11 in comparison to the maximized signal-to-noise ratio γ max by the SNR degradation d. The optimal estimate that is true to expectations thus represents an extension of the theory of conventional signal-adapted filtering. However, since in general all elements v ij of the matrix ( A * T A ) -1 are different from zero, the implementation of the secondary maximum reduction filter 11 is very large Associated effort. An inexpensive way of implementing the addition to the maxima reduction filter 11 becomes apparent when considering the structure of the matrix ( A * T A ) -1 which is typical regardless of the expanded impulse and which is structured approximately Toeplitz, ie all elements are in a respective diagonal approximately the same, and for which the amounts | v ij | of the elements v ij decrease sharply with increasing distance from the main diagonal.
Approximiert man die Matrix durch eine ideal Toeplitz
strukturierte Matrix, wobei z. B. die Elemente der mittle
ren Zeile der Matrix (A*T A)-1 die Elemente in den jeweili
gen Diagonalen der ideal Toeplitz-strukturierten Matrix
bestimmen, und berücksichtigt man dabei nur die L betrags
mäßig größten Elemente um die Hauptdiagonale der Matrix
(A*T A)-1, so kann das Nebenmaxima-Reduktionsfilter 11
aufwandsgünstig suboptimal mit einem digitalen Korrelator
nach Fig. 2 mit jedoch L zeitinvarianten Tap-Koeffizienten
If the matrix is approximated by an ideally structured Toeplitz matrix, z. B. the elements of the middle row of the matrix ( A * T A ) -1 determine the elements in the respective diagonals of the ideal Toeplitz-structured matrix, and taking into account only the L elements with the largest amounts around the main diagonal of the matrix ( A * T A ) -1 , the secondary maximum reduction filter 11 can be suboptimally inexpensive with a digital correlator according to FIG. 2, but with L time-invariant tap coefficients
implementiert werden. Fig. 4 verdeutlicht dies am Beispiel eines Barker Codes der Länge N gleich 13 als expandierter Sendeimpuls a. Als Antwort auf einen einzelnen expandierten Impuls a erhält man am Ausgang des signalangepaßten Filters 10 die in Fig.4a dargestellte Autokorrelationsfunktion. Diese Autokorrelationsfunktion wird mit einem Nebenmaxima-Reduktionsfilter 11, dessen L gleich 50 Koeffizienten gemäß Gleichung (9) aus der mittleren Zeile der Matrix (A.T A)-1 gewählt werden, gefiltert, so daß sich die in Fig. 4b dargestellte Korrelationsfunktion am Ausgang dieses Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 ergibt. Bei der Berechnung der Matrix (A.T A)-1 wurde von M gleich 500 Entfernungstoren der zu schätzenden Kanalimpulsantwort x ausgegangen.be implemented. Fig. 4 illustrates this example of a Barker code of length N is equal to 13 as the expanded transmitted pulse a. In response to a single expanded pulse a , the autocorrelation function shown in FIG. 4a is obtained at the output of the signal-adapted filter 10 . This autocorrelation function is filtered with a secondary maximum reduction filter 11 , whose L is equal to 50 coefficients according to equation (9) selected from the middle line of the matrix ( A. T A ) -1 , so that the correlation function shown in FIG Output of this secondary maximum reduction filter 11 results. When calculating the matrix ( A. T A ) -1 , M was assumed to equal 500 distance gates of the channel impulse response x to be estimated.
Neben einer Verringerung der Korrelationsnebenmaxima, die auch bei bekannten ähnlichen Verfahren auftritt, weist jedoch die Korrelationsfunktion (Fig. 4b)Am Ausgang eines gemäß Gleichung (10) spezifizierten Nebenmaxima-Reduk tionsfilters 11 eine Besonderheit auf, die für die folgen den Überlegungen von grundlegender Bedeutung ist. Diese Besonderheit ist der unabhängig vom gewählten expandierten Sendeimpuls immer auftretende nebenmaximafreie Bereich um die Korrelationshauptspitze. Die Breite Δ dieses Bereichs kann bei einem beliebigen expandierten Impuls der Länge N allein durch die Anzahl L der Tap-Koeffizienten des Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 gemäßIn addition to a reduction in the correlation secondary maxima, which also occurs in known similar methods, the correlation function ( FIG. 4b) at the output of a secondary maximum reduction filter 11 specified according to equation (10) has a special feature which is of fundamental importance for the following considerations is. This special feature is the area around the main correlation peak, which always occurs regardless of the selected expanded transmission pulse. The width Δ of this range can be determined in accordance with any expanded pulse of length N solely by the number L of the tap coefficients of the secondary maximum reduction filter 11
Δ = L - (2N - 1) + 1 (11)Δ = L - (2N - 1) + 1 (11)
variiert werden. Dieser nebenmaximafreie Bereich tritt immer dann auf, wenn die gesamte zu filternde Autokorre lationsfunktion (Fig. 4a) am Ausgang des signalangepaßten Filters 10 innerhalb des als digitaler Korrelator implementierbaren Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 ist.can be varied. This secondary maximum-free area always occurs when the entire autocorrection function to be filtered ( FIG. 4a) is at the output of the signal-adapted filter 10 within the secondary maximum reduction filter 11 that can be implemented as a digital correlator.
Aufgrund einer komplexen Reflektivität x i berechnet sich bei additivem unkorreliertem Rausch n mit der KovarianzmatrixDue to a complex reflectivity x i the additive uncorrelated noise n is calculated using the covariance matrix
R n = E (n n*T) = σn 2I (12) R n = E ( n n * T ) = σ n 2 I (12)
das maximale Signal-Stör-Verhältnis am Ausgang des
signalangepaßten Filters 10 zu
the maximum signal-to-noise ratio at the output of the matched filter 10
Abhängig von der Anzahl L der Tap-Koeffizienten w i des
Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 berechnet sich der
Nutzanteil aufgrund der i-ten komplexen Reflektivität
x i im i-ten Entfernungstor zu
Depending on the number L of the tap coefficients w i of the secondary maximum reduction filter 11 , the useful portion is calculated on the basis of the i-th complex reflectivity x i in the i-th distance gate
Bezeichnet man die Elemente der Matrix A*T A mit
bij, i, j = 1 ... M, wobei die Elemente b ij die Korrela
tionen zwischen den Rauschwerten am Ausgang des signal
angepaßten Filters 10 beschreiben, so läßt sich die
Varianz des Rauschanteils im i-ten Entfernungstor am
Ausgang des Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 zu
Designating the elements of the matrix A * T A with b ij , i, j = 1 ... M, where the elements b ij describe the correlations between the noise values at the output of the signal-matched filter 10 , the variance of the Noise component in the i-th distance gate at the output of the secondary maximum reduction filter 11
berechnen. Mit Gleichung (14) und Gleichung (15) berechnet sich das Signal-Stör-Verhältnis im i-ten Entfernungstor am Ausgang des Nebenmaxima-Reduktionsfilter 11 zuto calculate. Equation (14) and equation (15) are used to calculate the signal-to-interference ratio in the i-th distance gate at the output of the secondary maximum reduction filter 11
Abhängig von der Anzahl L der Tap-Koeffizienten w i des
Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 berechnet sich die SNR-
Degradation
The SNR degradation is calculated depending on the number L of the tap coefficients w i of the secondary maximum reduction filter 11
zu to
Die SNR-Degradation d(L) nach Gleichung (18) ist somit der Preis, den man für die Unterdrückung der Korrelationsne benmaxima durch das Nebenmaxima-Reduktionsfilter 11 zahlen muß.The SNR degradation d (L) according to equation (18) is thus the price that must be paid for the suppression of the correlation ne benmaxima by the secondary maximum reduction filter 11 .
Die in Fig. 4 erkennbaren Korrelationsnebenmaxima am Ausgang des Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 entstehen ausschließlich während des Ein- bzw. Auslaufens der zu filterenden Autokorrelationsfunktion (Fig. 4a) in das bzw. aus dem Nebenmaxima-Reduktionsfilter 11. Die Höhe dieser Korrelationsnebenmaxima ist neben der Anzahl L der Tap- Koeffizienten des Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 im Gegensatz zur Breite des nebenmaximafreien Bereichs auch stark von der Wahl des expandierten Impulses a abhängig.The correlation secondary maxima recognizable in FIG. 4 at the output of the secondary maximum reduction filter 11 arise exclusively during the entry or exit of the autocorrelation function to be filtered ( FIG. 4a) into or out of the secondary maximum reduction filter 11 . In addition to the number L of the tap coefficients of the secondary maximum reduction filter 11, the level of these secondary correlation maxima is also strongly dependent on the choice of the expanded pulse a, in contrast to the width of the region free of secondary maxima.
Für den folgenden Algorithmus zur hochauflösenden Kanal schätzung sind die Korrelationsnebenmaxima, die beim Ein- und Auslaufen des zu filternden Signals in das Nebenmaxi ma-Reduktionsfilters 11 entstehen, ohne Bedeutung. Der Algorithmus nutzt lediglich den unabhängig vom gewählten expandierten Impuls stets auftretenden nebenmaximafreien Bereich um die Korrelationshauptspitze sowie die Informa tion aufgrund des als Zwischenschätzwert interpretierbaren Schätzwertes MF am Ausgang des signalangepaßten Filters Weiterhin zeichnen sich in Pulsradarsystemen die zu schätzenden Kanalimpulsantworten x typischerweise durch einzelne Gruppen von eng benachbarten nichtverschwindenden Reflektivitäten aus. Fig. 5 zeigt den Betrag einer in Pulsradarsystemen typischen Kanalimpulsantwort, bestehend aus M gleich 500 Entfernungstoren, wobei lediglich in neun Entfernungstoren nichtverschwindende Reflektivitäten auf treten. Diese nichtverschwindenden Reflektivitäten sind als zwei Gruppen mit jeweils vier Reflektivitäten sowie eine Einzelreflektivität angeordnet.For the following algorithm for high-resolution channel estimation, the correlation secondary maxima, which arise when the signal to be filtered enters and leaves the secondary maximum reduction filter 11, are of no importance. The algorithm utilizes only the independent of the selected expanded pulse always occurs next maxima devoid region about the correlation main peak and the informa tion due to the interpretable as an intermediate estimated value estimated value MF at the output of the matched filter Furthermore, characterized in pulse radar systems, to be estimated channel impulse responses x typically by individual groups of closely spaced non-vanishing reflectivities. Fig. 5 shows the amount in a typical pulsed radar systems channel impulse response consisting of M equal to 500 range gates, said non-vanishing only in nine range gates reflectivities occur. These non-vanishing reflectivities are arranged as two groups, each with four reflectivities and a single reflectivity.
Wird ein Frank Vielphasencode der Länge N gleich 36 als expandierter Impuls a verwendet, so ergibt sich bei einem eingangsseitigen Signal-Stör-Abstand ae von 35 dB der in Fig. 6a dargestellte Schätzwert MF am Ausgang eines signalangepaßten Filters 10. Durch die störenden Korre lationsnebenmaxima werden die fünf kleinsten Reflektivitä ten maskiert, so daß lediglich die vier größten Reflekti vitäten detektiert werden können. Weiterhin kann der Schätzwert MF leicht in einen Teil I, in dem die stören den Schätzfehler rein stochastischer Natur sind, siehe Fig. 6b, und in einen Teil II, in dem die störenden Schätzfehler hauptsächlich durch Korrelationsnebenmaxima bedingt sind, siehe Fig. 6c, separiert werden.If a Frank multi-phase code of length N equal to 36 is used as the expanded pulse a , then with an input-signal-to-noise ratio a e of 35 dB, the estimated value MF shown in FIG. 6a at the output of a signal-adapted filter 10 is obtained . Due to the disturbing correlation secondary maxima, the five smallest reflectivities are masked, so that only the four largest reflectivities can be detected. Furthermore, the estimated value MF can easily be separated into a part I , in which the disturbing estimation errors are of a purely stochastic nature, see FIG. 6b, and a part II , in which the disturbing estimation errors are mainly caused by correlation secondary maxima, see FIG. 6c will.
Dem Teil I gehört auch die detektierte Einzelreflektivi tät an, da die Korrelationsnebenmaxima aufgrund dieser Reflektivität unterhalb des durch den eingangsseitigen Signal-Stör-Abstand ae sowie den Prozeßgewinn Pmax be stimmten Rauschpegel am Ausgang des signalangepaßten Fil ters 10 liegen und somit nicht stören. Eine Nachfilterung von i ist somit nicht sinnvoll. Im Gegensatz dazu können durch die Korrelationsnebenmaxima im Teil II weitere Reflektivitäten maskiert sein, was eine Nachfilterung von II sinnvoll macht. Der Teil II kann weiterhin in zwei Bereiche separiert werden, die unabhängig voneinander nachgefiltert werden können. Da diese Bereiche bekannter Länger als Ganzes vorliegen, kann das Ein- und Auslaufen dieser Bereiche in das nach Gleichung (10) spezifizierte Nebenmaxima-Reduktionsfilter 11 vermieden werden.Part I also includes the detected individual reflectivity, since the correlation secondary maxima are below the noise level at the output of the signal-adapted filter 10 due to this reflectivity below the signal-to-noise ratio a e and the process gain P max . Post-filtering i is therefore not sensible. In contrast, additional reflectivities can be masked by the correlation secondary maxima in Part II , which makes a post-filtering of II useful. Part II can also be separated into two areas, which can be filtered independently of each other. Since these areas are known as a whole for a longer period, the entry and exit of these areas into the secondary maximum reduction filter 11 specified according to equation (10) can be avoided.
Wird bei einer Länge Lx des zu filternden Bereichs von II die Anzahl L der Tap-Koeffizienten des Nebenmaxima-Re duktionsfilters 11 zuIf the length L x of the region to be filtered is II, the number L of the tap coefficients of the secondary maximum reduction filter 11 increases
L = 2 Lx (19)L = 2 L x (19)
gewählt, so kann gewährleistet werden, daß der zu filtern de Bereich von II während der Lx Taktschritte zum Berech nen des nachgefilteren Schätzwertes stets vollständig in nerhalb des Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 bewegt wird, und damit die Korrelationsnebenmaxima eliminiert werden. Fig. 7 zeigt II nach einer Filterung der einzelnen Berei che mit dem nach Gleichung (10) und Gleichung (19) spezi fizierten Nebenmaxima-Reduktionsfilter 11. Fig. 8 zeigt den resultierenden Schätzwert der Kanalimpulsantwort als Überlagerung des ungefilterten Bereiches und des nachge filterten Bereiches. Man erkennt, daß nun sämtliche Re flektivitäten eindeutig detektiert werden können.selected, it can be ensured that the area de II to be filtered is always moved completely within the secondary maximum reduction filter 11 during the L x clock steps for calculating the post-filtered estimated value, and thus the secondary correlation maxima are eliminated. Fig. 7 shows II, after filtering, the individual with the preparation surface according to equation (10) and equation (19) speci fied secondary maxima reduction filter 11. Fig. 8 shows the resulting estimate of the channel impulse response as a superimposition of the unfiltered area and the post-filtered area. It can be seen that all re flectivities can now be clearly detected.
Während im Teil I maximaler Prozeßgewinn Pmax vorliegt, tritt in den nachgefilterten Bereichen von II abhängig von der zur Nachfilterung erforderlichen Anzahl L der Tap- Koeffizienten nach Gleichung (18) die SNR-Degradation d(L) nach Gleichung (18) auf. In Fig. 9 ist die SNR-Degradation d(L) für einen Frank Code der Länge N gleich 36 über der normierten Filterlänge L/N aufgetragen. Mit den Längen Lx1 gleich 103 und Lx2 gleich 72 können den entsprechenden Bereichen von II mit Gleichung (19) und Fig. 9 die SNR- Degradationen d(Lx1) gleich 1,6 dB und d(Lx2) gleich 1,85 dB zugeordnet werden.While there is maximum process gain P max in part I, the SNR degradation d (L) according to equation (18) occurs in the post-filtered areas of II depending on the number L of tap coefficients required for post-filtering according to equation (18). In Fig. 9, the SNR degradation d (L) of length N is plotted equal to 36 on the normalized filter length L / N for a Frank code. With the lengths L x1 equal to 103 and L x2 equal to 72, the corresponding ranges of II with equation (19) and FIG. 9 can be the SNR degradations d (L x1 ) equal to 1.6 dB and d (L x2 ) equal to 1, 85 dB can be assigned.
Der nachfolgenden Tabelle ist die Anzahl der komplexen
Multiplikationen für die jeweiligen Schätzalgorithmen zur
Bestimmung eines Schätzwertes angegeben.
The table below shows the number of complex multiplications for the respective estimation algorithms for determining an estimated value.
Für das Beispiel nach Fig. 6 bis 8 konnte die Anzahl der komplexen Multiplikationen zur Berechnung eines quasi nebenmaximafreien Schätzwertes mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur hochauflösenden Kanalschätzung von 267500 bei erwartungstreuer Optimalschätzung auf 33793 oder 12,6% reduziert werden. Im Vergleich zur signalangepaßten Filterung wird eine deutlich verbesserte Dynamik durch einen geringen Mehraufwand erreicht. Da der nebenmaxima freie Bereich im Ausgangssignal des Nebenmaxima-Reduk tionsfilters 11 unabhängig vom gewählten expandierten Impuls auftritt, ist der Systemdesigner bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur hochauflösenden Kanal schätzung nicht länger auf eine kleine Klasse speziell gezüchteter expandierter Impulse mit guten Korrelations eigenschaften beschränkt. Die daraus resultierende Signal formvielfalt ist besonders interessant, wenn ein signal formagiles Pulsradarsystem realsiert werden soll.For the example according to FIGS. 6 to 8, the number of complex multiplications for calculating a quasi-secondary maxima-free estimated value could be reduced to 33793 or 12.6% with the inventive method for high-resolution channel estimation from 267500 with optimal expectations. Compared to the signal-adapted filtering, a significantly improved dynamic is achieved through a little additional effort. Since the side maxima free area in the output signal of the side maxima reduction filter 11 occurs independently of the selected expanded pulse, the system designer is no longer restricted to a small class of specially bred expanded pulses with good correlation properties when using the method according to the invention for high-resolution channel estimation. The resulting variety of signal shapes is particularly interesting if a signal-formable pulse radar system is to be implemented.
Im folgenden wird anhand von Fig. 10 eine vorteilhafte Einrichtung zur Implementierung des Verfahrens zur aufwandsgünstigen hochauflösenden Kanalschätzung nach der Erfindung beschrieben.An advantageous device for implementing the method for cost-effective high-resolution channel estimation according to the invention is described below with reference to FIG. 10.
Das Empfangssignal e gelangt zunächst auf ein in konven tionellen Radarempfängern bereits vorhandenes signalange paßtes Filter 10. Der Schätzwert MF am Ausgang 12 des signalangepaßten Filters 10 wird durch eine von einer Steuerlogik 18 gesteuerte Schwellwertschaltung 14 in einen nicht weiter zu filternden Teil I am Ausgang 16 und in einen durch störende Korrelationsmaxima verfälschten Teil II am Ausgang 15 separiert. Der durch die Länge N des expandierten Impulses festgelegte Prozeßgewinn Pmax des signalangepaßten Filters 10 und der eingangsseitige Signal-Stör-Abstand γe bestimmen den zur Separierung notwendigen Rauschpegel am Ausgang 12 des signalangepaßten Filters 10. Die Teile I bzw. II werden zunächst in digitalen Speichern 19 bzw. 17 zwischengespeichert. Die einzelnen Bereiche von x II werden nun sequentiell nachge filtert. Hat ein Bereich von II die Länge Lx, so werden die ersten 2.Lx Tap-Koeffizienten w i des als digitaler Korrelator implementierbaren Nebenmaxima-Reduktionsfilters 11 gemäß Gleichung (9) aktiviert. Der zu filternde Bereich der Länge Lx von II wird in die ersten L Speicherzellen eines Schieberegisters 22 geladen. Während den folgenden Lx Taktschritten wird der zu filternde Bereich von II mit den zuvor durch die Steuerlogik 18 aktivierten Tap-Koeffi zienten w i, i = 1 ... 2Lx, korreliert. Am Ausgang 20 eines Summiergliedes 7 ergibt sich dabei der von störenden Kor relationsnebenmaxima befreite Bereich des nachgefilterten Teiles II. Der zur Nachfilterung verwendete digitale Korrelator (Nebenmaxima-Reduktionsfilter 11) besteht aus einem Schieberegister 22 mit 2M Speicherzellen, 2M Multi plizierern 6 zum Einspeisen der maximal 2M aktivierten Tap-Koeffizienten w i und dem Summierglied 7. Die maximale Anzahl von 2M Tap-Koeffizienten wird jedoch nur aktiviert, falls der gesamte Schätzwert am Ausgang 12 des signalange paßten Filters 10 durch störende Korrelationsnebenmaxima verfälscht ist, d. h. wenn MF gleich II ist. Nachdem alle Bereiche von II nachgefiltert wurden, wird im digitalen Speicher 19 durch Überlagerung von I mit dem nachgefil terten Teil II der resultierende Schätzwert ermittelt und am Ausgang 21 ausgegeben.The received signal e first reaches a signal-matched filter 10 already present in conventional radar receivers. The estimated value MF at the output 12 of the signal-adapted filter 10 is separated by a threshold circuit 14 controlled by a control logic 18 into a part I at the output 16 which is not to be further filtered and into a part II at the output 15 which is distorted by disturbing correlation maxima. The process gain P max of the signal-adapted filter 10 determined by the length N of the expanded pulse and the signal-to-noise ratio γ e on the input side determine the noise level at the output 12 of the signal-adapted filter 10 which is necessary for the separation. Parts I and II are first temporarily stored in digital memories 19 and 17, respectively. The individual areas of x II are now sequentially filtered. If a region of II has the length L x , then the first 2.L x tap coefficients w i of the secondary maximum reduction filter 11 which can be implemented as a digital correlator are activated in accordance with equation (9). The area of length L x of II to be filtered is loaded into the first L memory cells of a shift register 22 . During the following L x clock steps, the area to be filtered is correlated by II with the tap coefficients w i , i = 1 ... 2L x previously activated by the control logic 18 . At the output 20 of a summing element 7 , the area of the post-filtered part II which is free from interfering correlation secondary maxima is obtained. The digital correlator used for post-filtering (secondary maximum reduction filter 11 ) consists of a shift register 22 with 2M memory cells, 2M multipliers 6 for feeding in the maximum 2M activated tap coefficients w i and the summing element 7 . However, the maximum number of 2M tap coefficients is only activated if the entire estimated value at the output 12 of the filter 10 matched by the signal is falsified by disturbing correlation secondary maxima, ie if MF is II . After all areas of II have been re-filtered, the resulting estimate is determined in digital memory 19 by overlaying I with the part II that has been re-filtered and output at output 21 .
Die zur Nachfilterung maximal benötigten 2M Tap-Koeffi zienten können für den verwendeten expandierten Sendeim puls a-priori off-line berechnet und in einem der digita len Speicher 17 oder 19 abgelegt werden. Da die Genauig keit des Schätzwertes am Ausgang 21 der Einrichtung nach Fig. 10 nur noch in geringem Maße von den Korrelations eigenschaften des expandierten Sendeimpulses abhängt, kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft in signalformagilen Radarsystemen angewendet werden, da der Systemdesigner bei der Wahl der expandierten Impulse nicht mehr auf eine Klasse von speziell gezüchteten Signalformen beschränkt ist. In einem signalformagilen Radarsystem müs sen für alle verwendeten expandierten Impulse die entspre chenden 2M Tap-Koeffizienten gemäß Gleichung (10) off-line berechnet und in einem digitalen Speicher im Empfänger abgelegt werden. Bei Anwendung der erwartungstreuen Optimalschätzung nach Gleichung (7) müßte dagegen für jeden verwendeten expandierten Impuls eine komplette Schätzmatrix M mit M.(M + N - 1) Elementen im Empfänger abgespeichert werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist somit nicht nur wesentlich aufwandsgünstiger (siehe die vorher bereits erläuterte Tabelle), sondern auch sehr viel speichereffizienter implementierbar als die erwartungs treue Optimalschätzung.The maximum 2M tap coefficients required for post-filtering can be calculated a-priori off-line for the expanded transmission pulse used and stored in one of the digital memories 17 or 19 . Since the accuracy of the estimated value at the output 21 of the device according to FIG. 10 depends only to a small extent on the correlation properties of the expanded transmission pulse, the method according to the invention can be used particularly advantageously in signal-formable radar systems, since the system designer chooses the expanded pulses is no longer limited to a class of specially bred waveforms. In a signal-formable radar system, the corresponding 2M tap coefficients must be calculated off-line according to equation (10) for all the expanded pulses used and stored in a digital memory in the receiver. In contrast, if the optimal estimate according to equation (7) is used, a complete estimation matrix M with M. (M + N - 1) elements would have to be stored in the receiver for each expanded pulse used. The method according to the invention is thus not only significantly less expensive (see the table already explained above), but also can be implemented much more memory-efficiently than the optimal estimate that is true to expectations.
Durch eine geringfügige Modifikation der Steuerlogik 18 kann mit der Einrichtung nach Fig. 10 auch erreicht wer den, daß jeweils nur Reflektivitäten besonders interessie render Entfernungstore ohne systematische Fehler aufgrund von Korrelationsnebenmaxima und damit mit größter Genauig keit geschätzt werden. Eine solche Modifikation wäre in einem Zielverfolgungsradar von besonderer Bedeutung, wo die Entfernung von Objekten durch den Verfolgungsalgorith mus in einem bestimmten Bereich a-priori bekannt ist.By a slight modification of the control logic 18 can also be achieved with the device according to FIG. 10 who the that only reflectivities of particular interest render distance gates without systematic errors due to correlation secondary maxima and thus be estimated with the greatest accuracy. Such a modification would be of particular importance in a target tracking radar, where the distance of objects by the tracking algorithm is known a priori in a certain area.
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