基于压缩采样的脉冲超宽带信号检测方法

摘要

本发明涉及一种基于压缩采样的脉冲超宽带信号检测方法，包括脉冲超宽带信号压缩采样接收系统，所述脉冲超宽带信号压缩采样接收系统包括对所述脉冲超宽带信号分多个通道进行采样的多通道并行采样单元，分别向所述多通道采样单元的各通道发送测量波形的测量波形发生器，接收经过所述多通道采样单元采样的测量值的数字后端处理组件，各通道分别根据所述测量波形发生器产生的测量波形对所述脉冲超宽带信号进行线性投影，包括如下步骤：获取导频符号接收信号的压缩采样序列、获取数据符号接收信号的压缩采样序列、获取符号判决。本发明基于压缩采样的脉冲超宽带信号检测方法无需高采样速率、无需模拟延迟线、无需精确信道估计的压缩采样接收方式，使得对IR-UWB信号的检测可以低采样速率、低硬件成本实现。

说明书

技术领域

本发明涉及一种脉冲超宽带信号检测方法，尤其涉及一种基于压缩采样的脉冲超宽带信号检测方法。

背景技术

在以IR-UWB(Impulse Radio-Ultra WideBand，脉冲超宽带，简称“IR-UWB”)为物理层技术的短距无线通信应用中，“导频辅助+BPM调制”这种信令方式是使用得最为普遍的。传统的IR-UWB信号接收方案中，全分辨率数字接收机、模拟相关接收机、Rake接收机等均可用作此种信令方式的符号检测，分别简述如下：

全分辨率数字相关接收

对接收信号进行Nyquist或更高速率的采样，依据导频脉冲接收信号的采样序列获得一个相关模板(可以使用MLSE、或GML CLEAN等算法获得干净模板，也可使用多个脉冲接收序列的时间平均作为含噪模板)，然后与数据脉冲接收信号的采样序列进行相关运算，相关输出作为符号判决统计量。

模拟相关接收

直接使用导频脉冲的接收波形作为后续数据脉冲接收信号的模拟相关模板，相关输出的采样用于符号判决，所需采样速率为帧速率，相对Nyqusit速率已经极大减小，但模板信号是含噪的，所以性能上相对理想模板有损失；如果使用多个导频脉冲接收波形的时间平均波形作为模板，则所获得的性能与全分辨率数字接收中使用采样序列的时间平均作为模板时接近。

Rake接收

使用多个相关支路匹配接收信号中的多径成分，各支路收集的信号能量和用作符号判决量，所需采样速率亦为帧速率，但性能严重依赖于信道估计的精确程度，支路数量足够多时，与模拟相关接收的性能接近。

上述几种信号检测方法均存在实际实现困难的问题。全分辨率数字相关接收需要Nyquist采样速率，这对于带宽极宽的IR-UWB信号来说，以现有硬件水平基本上不可能“低功耗、低造价”实现；模拟相关接收需要较长的宽带模拟延迟线，硬件实现亦非常困难；Rake接收所需的精确信道估计以较大的导频开销为代价，且需要Rake支路数量足够多、各支路定时控制足够精确，硬件复杂度很高。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提供一种基于压缩采样的脉冲超宽带信号检测方法，克服现有技术中，硬件复杂、要求高采样速率以及精确需要精确信道估计的技术问题。

本发明的技术方案是：提供一种基于压缩采样的脉冲超宽带信号检测方法，包括脉冲超宽带信号压缩采样接收系统，所述脉冲超宽带信号压缩采样接收系统包括对所述脉冲超宽带信号分多个通道进行采样的多通道并行采样单元，分别向所述多通道采样单元的各通道发送测量波形的测量波形发生器，接收经过所述多通道采样单元采样的测量值的数字后端接收处理组件，各通道分别根据所述测量波形发生器产生的测量波形对所述脉冲超宽带信号进行线性投影，包括如下步骤：

获取导频符号接收信号的压缩采样序列：通过对连续的多帧接收信号的压缩测量，获取导频符号接收信号的采样序列，作为后续相关检测的模板序列；

获取数据符号接收信号的压缩采样序列：通过对连续的多帧接收信号的压缩测量，获取数据符号接收信号的压缩采样序列，作为后续相关检测的待相关序列；

获取符号判决：通过相关检测，获得符号判决，即检测结果；

本发明的进一步技术方案是：设所用导频符号数为N_p，各符号使用的脉冲重复发送次数为N_f，符号判决所需的M个测量值分摊到对连续的D帧信号的测量之上，令N_D＝N_f/D，则一共有N_pN_D批压缩测量序列，第n批序列为y_p[n]＝Фr_prj+Фw_p[n]，其中：Ф为对应的压缩测量矩阵，r_prj是一个脉冲的接收信号落在压缩投影范围内的虚拟采样序列，w[n]是接收信号中的噪声的虚拟采样序列。

本发明的进一步技术方案是：还包括反馈回路，所述反馈回路将所述数字后端处理组件的处理结果部分反馈至所述测量波形发生器，测量波形发生器依据反馈信息产生新的测量波形，后续相关检测的模板序列的获取、以及待相关序列的获取，均使用新产生测量波形得到。。

本发明的进一步技术方案是：对于有反馈回路的情况，在获取导频符号接收信号的压缩采样序列步骤中，导频符号接收信号分为第一部分和第二部分，包括如下步骤：

获得第一部分导频符号接收信号的压缩采样序列：发射端发送个导频符号，用完全随机的测量矩阵Ф对相应的接收信号进行压缩测量，共有批压缩测量值，第n批序列记为其中是此部分导频符号接收信号中噪声的虚拟采样序列。

获得子空间估计：采用第一部分导频符号接收信号的压缩采样序列对信号子空间H进行估计。

获得第二部分导频符号接收信号的子空间压缩采样序列：数字后端处理组件在得到信号子空间H的估计之后，将其反馈给测量波形发生器，测量波形发生器按照获得的信号子空间估计信息产生新的测量波形，即，其中G为随机矩阵，对导频符号中剩余的个的接收信号进行压缩测量，可获得共批压缩测量序列，记为其中是此部分导频符号接收信号中噪声的虚拟采样序列，的平均序列将作为之后的相关检测的模板序列。

本发明的进一步技术方案是：在获得子空间估计步骤中，采用第一部分导频符号接收信号的压缩采样序列进行信号子空间估计，包括如下步骤：

以子空间的压缩采样序列初始化：字典矩阵V＝ФΨ(v_i表示矩阵V的第i列)、测量残差估计结果L＝[]及迭代次数t＝1；

获取与残差最匹配原子的序号：从字典矩阵中寻找与残差最匹配原子的序号，

获得当前原子的系数并更新残差：更新残差

判断是否终止：设迭代次数门限为K′，若t＞K′，则迭代终止，跳至第四步；否则更新t＝t+1，将当前搜索到的原子序号增加到估计结果中，即L＝[L，l_t]，并跳回第一步；

获得子空间的估计：依据L得到信号子空间的估计结果为

本发明的技术效果是：提供一种基于压缩采样的脉冲超宽带信号检测方法，通过获取导频符号接收信号的压缩采样序列作为相关模板、获取数据符号接收信号的压缩采样序列作为待相关序列、计算相关输出作为符号判决参量来完成脉冲超宽带信号的检测。本发明基于压缩采样的脉冲超宽带信号检测方法无需高采样速率、无需模拟延迟线、无需精确信道估计，使得IR-UWB信号的接收可以低采样速率、低硬件成本实现。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的流程图。

图3为本发明有反馈回路情况下获取采样序列的流程图。

图4为本发明获得子空间估计的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，对本发明技术方案进一步说明。

如图1、图2、图3、图4所示，本发明的具体实施方式是：本发明基于压缩采样的脉冲超宽带信号检测方法，包括脉冲超宽带信号压缩采样接收系统，所述脉冲超宽带信号压缩采样接收系统包括对所述脉冲超宽带信号分多个通道进行采样的多通道并行采样单元2，分别向所述多通道采样单元的各通道发送测量波形的测量波形发生器1，接收经过所述多通道采样单元采样的测量值的数字后端处理组件3，各通道分别根据所述测量波形发生器产生的测量波形对所述脉冲超宽带信号进行线性投影。

本发明中，导频及数据符号信号从发射端经信道到达接收端的描述如下：

发射信号为s(t)，

$>s\left(t\right)=d\left(t\right)*p\left(t\right)$>

$>=(\underset{i=0}{\overset{N_p-1}{\Sigma }}\underset{j=0}{\overset{N_f-1}{\Sigma }}\delta (t-{\mathrm{iN}}_f{T}_f-{\mathrm{jT}}_f)+\underset{i=0}{\overset{N_s-1}{\Sigma }}\underset{j=0}{\overset{N_f-1}{\Sigma }}{b}_i\delta (t-{\mathrm{iN}}_f{T}_f-{\mathrm{jT}}_f-N_p{N}_f{T}_f))*p\left(t\right)$>

$>=\underset{i=0}{\overset{N_p-1}{\Sigma }}\underset{j=0}{\overset{N_f-1}{\Sigma }}p(t-i{N}_f{T}_f-{\mathrm{jT}}_f)+\underset{i=0}{\overset{N_s-1}{\Sigma }}\underset{j=0}{\overset{N_f-1}{\Sigma }}{b}_{i}p(t-{\mathrm{iN}}_f{T}_f-{\mathrm{jT}}_f-N_p{N}_f{T}_f)---\left(1\right)$>

N_p表示导频符号个数；

N_s表示数据符号个数

N_f表示各符号使用的脉冲重复发送次数；

p(t)表示发送脉冲波形，通常使用高斯脉冲的各阶导函数波形，脉冲宽度记为T_p；

T_f表示脉冲发送间隔。

信道为h(t)

$>h\left(t\right)=\underset{l=1}{\overset{L}{\Sigma }}{\alpha }_l\delta (t-{\tau }_l)---\left(2\right)$>

L表示多径总数，

α_l表示单径增益，

τ_l表示单径到达时间。

接收信号为r(t)：

$>r\left(t\right)=d\left(t\right)*p\left(t\right)*a_1\left(t\right)*h\left(t\right)*a_2\left(t\right)$>

$>=s\left(t\right)*h\left(t\right)*a_1\left(t\right)*a_2\left(t\right)$>

$>=(\underset{i=0}{\overset{N_p-1}{\Sigma }}\underset{j=0}{\overset{N_f-1}{\Sigma }}p(t-{\mathrm{iN}}_f{T}_f{\mathrm{jT}}_f)+\underset{i=0}{\overset{N_s-1}{\Sigma }}\underset{j=0}{\overset{N_f-1}{\Sigma }}{b}_{i}p(t-{\mathrm{iN}}_f{T}_f-{\mathrm{jT}}_f-N_p{N}_f{T}_f))*\left(\underset{l=1}{\overset{L}{\Sigma }}{\alpha }_l\delta (t-{\tau }_l)\right)*a_1\left(t\right)*a_2\left(t\right)---\left(3\right)$>

$>=(\underset{i=0}{\overset{N_p-1}{\Sigma }}\underset{j=0}{\overset{N_f-1}{\Sigma }}\underset{l=1}{\overset{L}{\Sigma }}{\alpha }_{l}p(t-{\tau }_l-{\mathrm{iN}}_f{T}_f-{\mathrm{jT}}_f)+\underset{i=0}{\overset{N_s-1}{\Sigma }}\underset{j=0}{\overset{N_f-1}{\Sigma }}{b}_i\underset{l=1}{\overset{L}{\Sigma }}{\alpha }_{l}p(t-{\tau }_l-{\mathrm{iN}}_f{T}_f-{\mathrm{iT}}_f-N_p{N}_f{T}_f))*a_1\left(t\right)*a_2\left(t\right)$>

其中a₁(t)、a₂(t)分别为发射天线、接收天线响应，不考虑波形失真问题，式(3)简化为：

$>r\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{N_p-1}{\Sigma }}\underset{j=0}{\overset{N_f-1}{\Sigma }}\underset{l=1}{\overset{L}{\Sigma }}{\alpha }_{l}p(t-{\tau }_l-{\mathrm{iN}}_f{T}_f-{\mathrm{jT}}_f)+\underset{i=0}{\overset{N_s-1}{\Sigma }}\underset{j=0}{\overset{N_f-1}{\Sigma }}{b}_i\underset{l=1}{\overset{L}{\Sigma }}{\alpha }_{l}p(t-{\tau }_l-{\mathrm{iN}}_f{T}_f-{\mathrm{jT}}_f-N_p{N}_f{T}_s)---\left(4\right)$>

经带通滤波器g(t)滤除带外噪声：

$>x\left(t\right)=(r\left(t\right)+n\left(t\right))*g\left(t\right)=r\left(t\right)+n\left(t\right)*g\left(t\right)$>

$>=\left(\underset{i=0}{\overset{N_p-1}{\Sigma }}\underset{j=0}{\overset{N_f-1}{\Sigma }}\underset{l=1}{\overset{L}{\Sigma }}{\alpha }_{l}p(t-{\tau }_l-{\mathrm{iN}}_f{T}_f-{\mathrm{jT}}_f)\right)+\underset{i=0}{\overset{N_s-1}{\Sigma }}\underset{j=0}{\overset{N_f-1}{\Sigma }}{b}_i\underset{l=1}{\overset{L}{\Sigma }}{\alpha }_{l}p(t-{\tau }_l-{\mathrm{iN}}_f{T}_f-{\mathrm{jT}}_f-N_p{N}_f{T}_f)+w\left(t\right)---\left(5\right)$>

n(t)表示AWGN噪声，方差为σ²，双边功率谱密度记为N₀/2，

g(t)表示带通滤波器，通带为[f_c-B/2，f_c+B/2]，起滤除带外噪声的作用，对接收波形不会造成失真，

w(t)表示n(t)的带限输出，自相关函数为R_w(τ)＝BN₀sinc(Bτ)cos(2πf_cτ)。

本发明基于压缩采样的脉冲超宽带信号检测方法包括如下步骤：

步骤100：获取导频符号接收信号的压缩采样序列，即，通过对连续的多帧接收信号的压缩测量，获取导频符号接收信号的采样序列，作为后续相关检测的模板序列；

在具体实施过程中，本发明分为无反馈回路和有反馈回路两种工作方式，反馈回路是将所述数字后端处理组件的处理结果部分反馈至所述测量波形发生器的回路，测量波形发生器依据反馈信息产生新的测量波形，后续相关检测的模板序列的获取、以及待相关序列的获取，均使用新产生测量波形得到。其中：

无反馈回路时：设符号判决所需的M个测量值分摊到对连续的D帧信号的测量之上，令N_D＝N_f/D，则一共有N_pN_D批压缩测量序列，记为

y_p[n]＝Фr_prj+Фw_p[n]，1≤n≤N_pN_D    (6)

其中Ф是压缩测量矩阵，w_p[n]是方差为σ²的WGN的虚拟采样序列，r_prj是一个脉冲的接收信号落在压缩投影范围内的虚拟采样序列。

有反馈回路时，获得压缩采样序列的过程如下：

步骤110：获得第一部分导频符号接收信号的压缩采样序列，即，此阶段使用N_p个导频符号中的前个，用完全随机的测量矩阵Ф对接收信号进行压缩测量。共有批压缩测量序列，记为

$>y_{p_1}\left[n\right]={\mathrm{\Phi r}}_{\mathrm{prj}}+{\mathrm{\Phi w}}_{p_1}\left[n\right],1\le n\le N_{p_1}{N}_D---\left(7\right)$>

其中是方差为σ²的WGN的虚拟采样序列。

步骤120：获得子空间估计，即，使用进行对信号子空间H的估计，其流程完整描述如下：

步骤121：初始化。

令字典矩阵V＝ФΨ，v_i表示矩阵V的第i列，即字典中的第i个原子；测量残差估计结果L＝[]，迭代次数t＝1。

步骤122：获取与残差最匹配的原子的序号，即：从字典中寻找与残差最匹配的原子的序号。

$>l_t=\underset{i=\mathrm{1,2},...,N}{\arg \max }\frac{|<e_{t-1},v_i>|}{\left|\right|v_i\left|\right|}---\left(8\right)$>

步骤123：更新残差。

$>e_t=e_{t-1}-\frac{|<e_{t-1},v_{l_t}>|}{{\left|\right|v_{l_t}\left|\right|}^2}{v}_{l_t}---\left(9\right)$>

步骤124：判断是否终止。

若t＞K′，则迭代终止；否则更新t＝t+1，将当前搜索到的原子序号增加到估计结果中，即L＝[L，l_t]，并返回步骤121初始化。

步骤125：获得子空间的估计，依据L得到信号子空间的估计结果为

步骤130：获得第二部分导频符号接收信号的子空间压缩采样序列。

数字后端接收处理组件3在得到H的估计之后，将其反馈给测量波形发生器2，测量波形发生器2按照获得的信号子空间估计信息产生新的测量波形，即其中G为随机矩阵。使用新的测量波形对导频符号中剩余的个的接收信号进行压缩测量，可获得共批压缩测量序列，记为

$>y_{p_2}\left[n\right]=\bar{\Phi }{r}_{\mathrm{prj}}+\bar{\Phi }{w}_{p_2}\left[n\right],1\le n\le N_{p_2}{N}_D---\left(10\right)$>

其中是方差为σ²的WGN的虚拟采样序列。式(10)的平均序列将在随后的子空间压缩域相关检测中用作相关模板。

步骤200：获取数据符号接收信号的压缩采样序列，即，根据测量波形发生器产生的压缩测量矩阵获取数据符号接收信号的压缩采样序列；

无反馈回路时，第j(1≤j≤N_s)个数据符号共有N_D批压缩测量序列，记为

y_s|j[n]＝b_jФr_prj+Фw_s[n]，1≤n≤N_D，1≤j≤N_s    (11)

其中w_s[n]数据符号接收信号中加入的方差为σ²的WGN的虚拟采样序列。有反馈回路时，将所述数字后端处理组件的处理结果部分反馈至所述测量波形发生器时，用子空间压缩测量矩阵对N_s个数据符号中的第j个的接收信号的压缩测量序列(共N_D批)为

$>y_{s|j}\left[n\right]=b_j\bar{\Phi }{r}_{\mathrm{prj}}+\bar{\Phi }{w}_{s|j}\left[n\right],1\le n{\le N}_D,1\le j\le N_s---\left(12\right)$>

其中w_s|j[n]是方差为σ²的WGN的虚拟采样序列。式(12)所示的平均序列将在随后的子空间压缩域相关检测器中作为待相关的接收信号序列。

步骤300：获取符号判决：通过假设检验问题推导相关检测判决量，根据检测判决量获取符号判决。

具体如下：

无反馈回路时，对b_j的判决即为如下假设检验问题：

$>\left(\begin{array}{cc}{H}_0:y_s\left[n\right]=-{\mathrm{\Phi r}}_{\mathrm{prj}}+\Phi w_s\left[n\right],& (b_j=-1)\\ H_1:y_s\left[n\right]={\mathrm{\Phi r}}_{\mathrm{prj}}+\Phi w_s\left[n\right],& (b_j=1)\end{array}\right)---\left(13\right)$>

基于广义似然比检验，可推导出如下相关检测判决量

$>T\left(y_s\right)={(\Phi r_{\mathrm{prj}}+\Phi {\bar{w}}_p)}^T(b_j\Phi r_{\mathrm{prj}}+\Phi {\bar{w}}_s)\left(\begin{array}{c}>0\to H_1\\ <0\to H_0\end{array}\right)---\left(14\right)$>

上式中，相关模板即为式(6)的平均序列，待相关序列即为式(11)的平均序列。

有反馈回路，可推导出相关检测判决量为

$>T\left(y_s\right)={(\bar{\Phi }{r}_{\mathrm{prj}}+\bar{\Phi }{\bar{w}}_{p_2})}^T(\bar{\Phi }{r}_{\mathrm{prj}}+\bar{\Phi }{\bar{w}}_s)\left(\begin{array}{c}>0\to H_1\\ <0\to H_0\end{array}\right)---\left(15\right)$>

相关模板即为式(10)的平均序列，待相关序列即为式(12)的平均序列。

以上内容是结合具体的优选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，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。