本发明属于无线信道测量
技术领域：
：，涉及一种用于无线信道参数测量的信号波形处理方法。
背景技术：
：：无线信道参数测量是开展无线通信系统设计、系统仿真和通信网络规划等的重要基础，所需测量的参数通常包括时延功率谱、主径绝对时延、主径接收功率、多径相对时延、多径相对功率等[1]。无线信道参数测量根据测量结果即时获取需求的不同可分为离线信道测量和实时信道测量，根据测量带宽的不同可分为宽带信道测量和窄带信道测量，根据空间相关性测量需求的不同可分单天线信道测量和多天线信道测量[2]。开展无线信道参数测量通常需要专用的无线信道参数测量系统，该类系统主要包括测量信号发射机和接收处理机两部分。无线信道参数测量系统设计的核心是测量信号的波形设计方法。不同的测量信号波形设计不仅决定了无线信道参数测量系统发射机和接收处理机的系统结构和信号处理方法，同时也决定了该系统所能够达到的可测量参数种类、测量精度、实时性、带宽和多天线测量等测量能力。与本发明相关的现有技术，目前无线信道参数测量常用的信号设计方法包括：(1)周期性脉冲该方法设计的信号样式是一组等周期的宽度极窄的冲击序列，如图1所示。接收信号是这个冲击序列和信道冲击响应的卷积。为观察信道的时变特性，发送信号必须使用周期序列。如需要观测信道的时间扩展，则必须要求发送脉冲的周期足够窄和间隔足够长，保证所有多径进入脉冲间隔。周期脉冲法可为信道测量提供一系列多径特征的“快照”。整个设备在接收端采用包络检测方式，忽略了相位信息，此时无法获取doppler信息。周期性脉冲法的主要局限在于峰均功率比，导致发射机对线性功放要求较高，且接收端需要较为复杂的方法以解决发射端“削峰”而带来的信号失真。目前该方法现在已经基本不再使用。(2)伪随机序列该信号设计方法是在改善周期脉冲法峰均功率比的问题的基础上发展起来的，是目前使用较多的一种测量信号设计方法。伪随机序列法一般采用m序列相关方法获取信道冲击响应信息，如图2和图3所示。该方法在发射端将伪随机m序列调制到射频发射，在接收端采用滑动相关器获得信道冲击响应。当收发段码片对齐时，可得到最大相关值。设计时，需保证序列的周期大于最大传播时延。该系统的多径分量时延分辨率δτ为伪随机序列码片时钟速率rc的倒数，即其中，tc是伪随机序列的码片时宽。另外，在早期模拟系统为主的时代，通常将发射机码片时钟速率和接收机码片时钟速率之比定为滑动因子，滑动因子一般大于1，相对滑动周期即为测量结果的输出周期。而对于目前常用数字系统而言，发射机伪随机序列码片和接收机伪随机序列的相对滑动一般是通过移位寄存器来实现的。伪随机序列无线信道测量法是目前常用的无线信道参数测量方法，现阶段业内主要的两种商业化的无线信道测量设备，即德国medav公司的rusk系列和芬兰elektrobit公司的propsound系列[3,4]，基本都采用的是这种信号设计方法。这种方法利用了伪随机序列的自相关特性，具有精度高，实现方法成熟的优点。该方法主要三个缺点：一是由于收发绝对时间的对准依赖于高精度时钟(如铷钟)或gps授时，收发端机需要在每次测量前进行时钟同步，这样才能测量出主径信号的绝对时延。二是在滑动相关器的实现中对系统运算资源要求较高，特别是在最大时延较大、测量精度要求较高的测量环境中时，因为此时需要伪随机序列具有较高的码片速率和较长的序列周期。因此一般情况下，基于伪随机序列的无线信道测量系统一般适用于离线测量。三是伪随机序列的设计一般是固定的，即以特定的码片速率整周期重复发射，如要不降低码片速率(即不降低测量时延精度)的情况下改变序列周期长度(即改变可测最大时延)，则需要重新选择m序列，且m序列的长度必须满足2n-1(n为自然数)的要求。(3)扫频信号扫频信号测量方法是一种频域信道探测方法，是利用频域与时域存在对应关系，而采用在频域上是宽带平坦的信号进行信道测量的方法。测量系统一般由一台矢量网络分析仪和一台频率扫描仪构成。矢量网络分析仪控制扫描仪，通过阶梯式的离散频率扫描一个特定频带。在接收端利用矢量网络分析仪去控制发射端的扫频仪发射一个特定带宽的窄带信号，通过接收端的测试仪可以得到若干阶梯状的频率段，即相应频段的幅度和相位响应，然后通过傅里叶反变换为时域形式。该方法的局限性在于：一是测量距离有限，由于收发天线都需要接入矢量网络分析仪，因此在距离扩展不开，一般只适用于室内环境测量；而是测量非实时性。对于时变信道，频率响应变化非常快，必须采用快扫描使总的扫描频率响应测试间隔尽可能短，实现快速扫描又必须减少频率台阶，这会牺牲时域的时间分辨率及附加时延的范围。另外，该系统需要矢量网络分析仪和频率扫描仪等高性能仪器仪表来搭建，造价较高。参考文献谢益溪.无线电波传播—原理与应用[m].北京：人民邮电出版社，2008.王满喜，李永成，刘国柱等.基于抛物方程的无线信道多径传输参数估算[j].无线电工程,2015,45(7):1-5.蒋培刚汪少波李化加.宽带无线信道测量仪的设计及应用[j].电信科学，2004年第4期：62-65.刘留，陶成，邱佳慧等.高速铁路宽带无线信道测量方法研究[j].铁道学报，2011,33(5)：49-53.davidl,kennethstuart.anfpga-basedadaptable200mhzbandwidthchannelsounderforwirelesscommunicationchannelcharacterisation[j],internationaljournalofreconfigurablecomputing.2011,pp:1-14。技术实现要素：为克服现有技术的不足，本发明在目前常用的伪随机序列测量信号设计方法的基础上，提出了一种一种用于无线信道参数测量的信号波形处理方法。本发明利用gps或北斗秒脉冲信号作为信号发射起始基准时刻，然后用一定占空比的脉冲信号对周期性伪随机序列进行调制，产生了一种周期可变、非全占空、自带有时间基准的测量发射信号。基于该信号设计的无线信道测量系统，在不降低时延测量精度的前提下，可具备收发端机在每次测量前无需时钟同步、在不同场景下的测量时延精度和最大可测量时延均可自由调整而无需重新选择伪随机序列等优点。为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种用于无线信道参数测量信号的信号波形处理方法，将脉冲信号和伪随机序列相结合，通过脉冲随机序列信号作为信号基础波形，然后依据秒脉冲定时信息进行成帧发送，并在接收端同样利用秒定时信息进行同步滑动相关接收，从而能够在不降低时延测量精度的前提下，具备收发端机在每次测量前无需时钟同步、在不同场景下的测量时延精度和最大可测量时延均可自由调整而无需重新选择伪随机序列、更适合在线测量；其步骤如下：(1)、一定占空比的脉冲信号设计，是将一定占空比的脉冲信号对周期性伪随机序列进行调制的测量信号设计，脉冲信号以将1秒的时间区间为一个设计单位，起始时刻与gps或北斗输出的秒脉冲对齐，1秒的时间区间划分成等脉冲周期、一定占空比的脉冲信号，其中脉冲信号的周期和占空比是设计的核心；通常无线信道参数测量的场景主要包括室内、室外、野外、电离层等传播场景，不同场景下的无线信道多径特性测量要求的不同场景的时延分辨率和时延范围要求：传播场景室内，时延分辨率δτ≤30ns；最大可测时延τmax不小于300ns；传播场景室外，时延分辨率δτ≤50ns；最大可测时延τmax不小于5us；传播场景野外，时延分辨率δτ≤50ns；最大可测时延τmax不小于10us；传播场景电离层，时延分辨率δτ≤0.1ms；最大可测时延τmax不小于50ms；脉冲信号的周期tpulse和占空比γ分别与具体场景所要求的时延分辨率δτ和最大可测时延τmax有关：其中，rc是伪随机序列码片时钟速率，tc是伪随机序列的码片时宽，tpn是伪随机序列的周期；具体场景所要求的时延分辨率δτ仍由周期性伪随机序列决定，但是最大可测时延τmax不在依赖于伪随机序列周期tpn，而是通过占空比γ来自由调整；(2)、发射信号帧格式设计根据最大可测时延要求的不同大致划分为两种：小时延场景和大时延场景；小时延场景包括室内、室外和野外这些最大可测时延要求在1ms以内的场景，大时延场景指最大可测时延在1ms～50ms之间及其以上的场景；针对小时延场景，发射信号帧格式设计：每100个帧组成一个复帧，一个复帧1秒钟；复帧起始时间为秒脉冲，发射机通过秒脉冲提取出100个帧同步信号，作为每个帧的起始时间；每个帧循环发送多组脉冲伪随机码信号，脉冲周期为1ms，并留有6ms的脉冲低电平信号作为计算时隙，为实时测量提供计算时间，计算结果每帧即10ms输出一次；其中每帧发送脉冲伪随机码的组数与计算时隙的大小，根据测量环境的信噪比要求和系统硬件计算能力的不同而进行折中调整；针对大时延场景，发射信号帧格式设计：每10个帧组成一个复帧，一个复帧1秒钟；复帧起始时间为秒脉冲，发射机通过秒脉冲提取出10个帧同步信号，作为每个帧的起始时间；每个帧循环发送多组脉冲伪随机码信号，脉冲周期设定为最大可测时延，并留有20ms的脉冲低电平信号作为计算时隙，为实时测量提供计算时间，计算结果每帧即100ms输出一次；同样，每帧发送脉冲伪随机码的组数与计算时隙的大小，根据测量环境的信噪比要求和系统硬件计算能力的不同而进行折中调整；(3)、主要参数测量方法，无线信道参数测量所需获取的参数包括时延功率谱、主径绝对时延、主径接收功率、多径相对时延、多径相对功率；1)主径绝对时延，主径绝对时延δτmain实际就是测量信道的传播时延δτprop，两者又有所不同，由于秒脉冲的输出有精度要求，假设其误差为δt0，故δτmain＝δτprop±δt0(4)在计算中，传播时延δτprop和秒脉冲误差δt0的综合延时效应均可通过本地伪随机码相对收端秒脉冲的相对时延δτdelay来获得，因此δτmain＝δτdelay(5)2)多径相对时延，多径时延δτpath是相对主径而言的，因此，计算δτpath只需对接收信号和本地伪随机序列的相关峰值间距进行测量即可获得；为提高精度是对多组相关结果进行累积平均后峰值结果进行计算；3)主径和多径接收功率，主径接收功率——测量的是相关运算得到的首个相关峰值的绝对功率，多径接收功率——测量的是主径绝对时延、多径相对时延及其后相关峰值相对于首个相关峰值的相对功率，这些参数依据对多组相关结果进行累积平均后峰值结果进行计算；4)延时功率谱，延时功率谱即是将主径、多径的接收功率在延时域上展开的计算结果，延时功率谱需将各径功率以主径功率进行归一化。一种用于无线信道参数测量信号的信号波形处理方法，所述脉冲信号占空比的确定：当最低脉冲周期确定后，脉冲信号占空比就取决于伪随机序列的周期tpulse，即：其中，根据伪随机序列的性质，如果伪随机序列采用的是常用的m序列的话，其周期tpulse满足2n-1(n为自然数)。n的取值大小与伪随机序列自相关特性及无线信道的信噪比要求有关，该部分可参考常规的伪随机序列无线信道测量方法[3,5]，就经验值来讲，n一般取9～14，此时tpn分别为511tc～8191tc。3、根据权利要求1所述的一种用于无线信道参数测量信号的信号波形处理方法，其特征是：所述信号成帧与发送：假设在时延测量精度为50ns、最大可测时延为1ms的系统设计要求给出信号成帧过程的步骤如下：(1)选择周期为8191长度的m序列为伪随机序列，对其补零形成长度为8192，码片速率选择为20mhz，为故其实际周期为0.4096ms；(2)对m序列进行双极性变换，即“1”为“+1”，“0”为“-1”；(3)选择周期为20000长度的脉冲序列，其高电平“1”占空长度为11808长度，其余为0；(4)将(3)产生的脉冲序列与(1)产生的m序列相乘，得到一组脉冲伪随机码；(5)将脉冲伪随机码重复5组形成并补上5ms长度的“0”值作为计算时隙，形成一发送10ms长度的帧；(6)接收gps或北斗接收机提供的1pps(即秒脉冲)信号，利用秒脉冲的上升沿触发触发器输出作为发送使能，每10ms推送一组10ms长度的帧信号；(7)帧信号经过成形滤波、基带bpsk调制和射频调制发送出去。一种用于无线信道参数测量信号的信号波形处理方法，所述信号接收，接收机采用滑动相关器算法进行接收，具体过程如下：(1)接收gps或北斗接收机提供的1pps(即秒脉冲)信号，提取出100个帧同步信号，每个触发推送m序列为伪随机序列，对其补零形成长度为8192。(2)将接收到的每帧信号经剥去载波后按序送入滑动相关器，每次滑动本地pn序列一个码片宽度，如图8所示，然后与接收信号做长度为m序列长度相同的对位相乘取和运算，不断滑动本地pn序列，即可到图8中的多峰值的计算结果。(3)对计算结果以1ms为周期进行分段求和平均，得到平均的多峰值结果。(4)根据预设门限，以首个高于门限的峰值为接收主径，其他为接收多径，记录峰值大小和峰值位置。(5)计算接收主径位置距接收信号的1ms分段起始位置之间代表的时间差δt位置，该时间差与m序列周期之差即为主径绝对时延。即δτmain＝|tpn-(1ms-δt位置)|(9)(6)接收多径的相对时延可以通过主径位置和多径位置之差计算得到。一种用于无线信道参数测量的信号波形处理方法，本发明技术方案带来的优越性如下：本发明提出的用于无线信道参数测量的脉冲伪随机信号，将脉冲信号和伪随机序列相结合，设计了一种脉冲随机序列信号作为信号基础波形，然后依据秒脉冲定时信息进行成帧发送，并在接收端同样利用秒定时信息进行同步滑动相关接收，从而能够在不降低时延测量精度的前提下，具备收发端机在每次测量前无需时钟同步、在不同场景下的测量时延精度和最大可测量时延均可自由调整而无需重新选择伪随机序列、更适合在线测量等优点。能够在不降低时延测量精度的前提下，具备收发端机在每次测量前无需时钟同步、在不同场景下的测量时延精度和最大可测量时延均可自由调整而无需重新选择伪随机序列、更适合在线测量等优点。本发明采用的脉冲随机序列信号的产生方法、基于秒脉冲定时信息的信号成帧方法是对目前常用的伪随机序列测量信号设计方法的重大改进。附图说明图1周期性脉冲波形图；图2伪随机序列波形图；图3基于伪随机序列波形的测量方法；图4基于扫频波形的测量方法；图5本发明所提出的测量信号生成方法；图6小时延场景下的信号帧格式设计；图7大时延(10ms)场景下的信号帧格式设计；图8主要参数测量方法。具体实施方式如图1、2、3、4、5、6、7、8所示，本发明所提出的无线信道测量信号波形设计方法，是以目前常用的伪随机序列测量信号设计方法为基础，对其进行改进设计。本发明的基本原理是首先利用gps或北斗秒脉冲信号作为信号发射起始基准时刻，然后根据场景的不同，将1秒的时间区间划分成等脉冲周期、一定占空比的脉冲信号，利用该脉冲信号对周期性伪随机序列进行调制，在不重新选择伪随机序列，如m序列的情况下将信号重复周期进行了扩展，从而产生了一种周期可变、非全占空、自带有时间基准的脉冲伪随机序列信号，即测量发射信号，如图5所示。本发明的主要技术方案如下：1、一定占空比的脉冲信号设计将一定占空比的脉冲信号对周期性伪随机序列进行调制，是本发明所提的测量信号设计的重要环节。脉冲信号以将1秒的时间区间为一个设计单位，起始时刻与gps或北斗输出的秒脉冲对齐，1秒的时间区间划分成等脉冲周期、一定占空比的脉冲信号，其中脉冲信号的周期和占空比是设计的核心内容，需要根据测量场景的不同需求而设计。通常无线信道参数测量的场景主要包括室内、室外、野外、电离层等传播场景，不同场景下的无线信道多径特性测量要求如表1所示。表1不同场景的时延分辨率和时延范围要求[1]脉冲信号的周期tpulse和占空比γ分别与具体场景所要求的时延分辨率δτ和最大可测时延τmax有关：其中，rc是伪随机序列码片时钟速率，tc是伪随机序列的码片时宽，tpn是伪随机序列的周期。可见，具体场景所要求的时延分辨率δτ仍由周期性伪随机序列决定，但是最大可测时延τmax不在依赖于伪随机序列周期tpn，而是可以通过占空比γ来自由调整，从而避免了在3.2节所介绍的传统伪随机序列测量方法中，当需要保持测量精度不变而增加最大可测时延时，必须重新选择更长周期的伪随机序列以及随之带来的相关计算量增加的问题，因此本发明所提出的信号设计方法更适合于在线测量。2、发射信号帧格式设计针对表1中的场景，可以根据最大可测时延要求的不同大致划分为两种：小时延场景和大时延场景。小时延场景包括室内、室外和野外这些最大可测时延要求在1ms以内的场景，大时延场景指最大可测时延在1ms～50ms之间及其以上的场景。针对小时延场景，发射信号帧格式设计如图6所示。每100个帧组成一个复帧，一个复帧1秒钟。复帧起始时间为秒脉冲，发射机通过秒脉冲提取出100个帧同步信号，作为每个帧的起始时间。每个帧循环发送多组(图中为4组)脉冲伪随机码信号，脉冲周期为1ms，并留有6ms的脉冲低电平信号作为计算时隙，为实时测量提供计算时间，计算结果每帧即10ms输出一次。另外，需要指出的是每帧发送脉冲伪随机码的组数与计算时隙的大小可以根据测量环境的信噪比要求和系统硬件计算能力的不同而进行折中调整。针对大时延场景，发射信号帧格式设计如图7所示。每10个帧组成一个复帧，一个复帧1秒钟。复帧起始时间为秒脉冲，发射机通过秒脉冲提取出10个帧同步信号，作为每个帧的起始时间。每个帧循环发送多组脉冲伪随机码信号，脉冲周期可以设定为最大可测时延(图中给出的是8组周期为10ms的脉冲伪随机码)，并留有20ms的脉冲低电平信号作为计算时隙，为实时测量提供计算时间，计算结果每帧即100ms输出一次。同样，每帧发送脉冲伪随机码的组数与计算时隙的大小可以根据测量环境的信噪比要求和系统硬件计算能力的不同而进行折中调整。3、主要参数测量方法无线信道参数测量一般所需获取的参数包括时延功率谱、主径绝对时延、主径接收功率、多径相对时延、多径相对功率等。本发明所提出的信号设计方法可实施完成对上述参数的测量。如图8所示。主径绝对时延主径绝对时延δτmain实际就是测量信道的传播时延δτprop，但两者又有所不同。由于秒脉冲的输出有一定精度，假设其误差为δt0，故δτmain＝δτprop±δt0(4)在计算中，传播时延δτprop和秒脉冲误差δt0的综合延时效应均可通过本地伪随机码相对收端秒脉冲的相对时延δτdelay来获得，因此δτmain＝δτdelay(5)多径相对时延多径时延δτpath是相对主径而言的，因此，计算δτpath只需对接收信号和本地伪随机序列的相关峰值间距进行测量即可获得。为了提高精度，通常是对多组相关结果进行累积平均后峰值结果进行计算。3)主径和多径接收功率主径接收功率一般测量的是相关运算得到的首个相关峰值的绝对功率，多径接收功率一般测量的是第2、3以及其后相关峰值相对于首个相关峰值的相对功率，这些参数可依据对多组相关结果进行累积平均后峰值结果进行计算。4)延时功率谱延时功率谱即是将主径、多径的接收功率在延时域上展开的计算结果，如图8中的计算结果所示。需要指出的是，一般延时功率谱需将各径功率以主径功率进行归一化。确定时延测量精度，开展无线信道参数测量的测量信号设计，首先要明确测量方对时延测量精度的要求，一般来讲如果侧重于测量后离线分析结果，则测量精度要求相对较高，如果侧重于实时获取测量结果，则测量精度要求相对较低。不同场景下的测量精度要求可参考本发明中表1所示。根据公式(3)可知，时延测量精度δτ确定后，就确定了所采用的伪随机序列的最低码元速率，即：确定最大可测时延最大可测时延受限于所需开展测量的无线信道场景，不同场景下的最大可测时延要求可参考本发明中表1所示。最大可测时延实际上测量过程中的最大无模糊测量时延。根据公式(2)可知，最大可测时延τmax确定后，就确定了所采用的最低脉冲周期，即：tpulse≥τmax(7)确定脉冲信号占空比当最低脉冲周期确定后，脉冲信号占空比就取决于伪随机序列的周期tpulse，即：其中，根据伪随机序列的性质，如果伪随机序列采用的是常用的m序列的话，其周期tpulse满足2n-1(n为自然数)。n的取值大小与伪随机序列自相关特性及无线信道的信噪比要求有关，该部分可参考常规的伪随机序列无线信道测量方法[3,5]，就经验值来讲，n一般取9～14，此时tpn分别为511tc～8191tc。信号成帧与发送假设在时延测量精度为50ns、最大可测时延为1ms的系统设计要求下，参考图6，下面给出信号成帧过程的主要步骤：(1)选择周期为8191长度的m序列为伪随机序列，对其补零形成长度为8192，码片速率选择为20mhz，为故其实际周期为0.4096ms。(2)对m序列进行双极性变换，即“1”为“+1”，“0”为“-1”。(3)选择周期为20000长度的脉冲序列，其高电平“1”占空长度为11808长度，其余为0。(4)将(3)产生的脉冲序列与(1)产生的m序列相乘，得到一组脉冲伪随机码。(5)将脉冲伪随机码重复5组形成并补上5ms长度的“0”值作为计算时隙，形成一发送10ms长度的帧。(6)接收gps或北斗接收机提供的1pps(即秒脉冲)信号，利用秒脉冲的上升沿触发触发器输出作为发送使能，每10ms推送一组10ms长度的帧信号。(7)帧信号经过成形滤波、基带bpsk调制和射频调制发送出去。信号接收接收机采用滑动相关器算法进行接收，具体过程如下：(1)接收gps或北斗接收机提供的1pps(即秒脉冲)信号，提取出100个帧同步信号，每个触发推送m序列为伪随机序列，对其补零形成长度为8192。(2)将接收到的每帧信号经剥去载波后按序送入滑动相关器，每次滑动本地pn序列一个码片宽度，如图8所示，然后与接收信号做长度为m序列长度相同的对位相乘取和运算，不断滑动本地pn序列，即可到图8中的多峰值的计算结果。(3)对计算结果以1ms为周期进行分段求和平均，得到平均的多峰值结果。(4)根据预设门限，以首个高于门限的峰值为接收主径，其他为接收多径，记录峰值大小和峰值位置。(5)计算接收主径位置距接收信号的1ms分段起始位置之间代表的时间差δt位置，该时间差与m序列周期之差即为主径绝对时延。即δτmain＝|tpn-(1ms-δt位置)|(9)(6)接收多径的相对时延可以通过主径位置和多径位置之差计算得到。当前第1页12当前第1页12