專利名稱：基于壓縮采樣的脈沖超寬帶信號(hào)到達(dá)時(shí)間估計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種脈沖超寬帶信號(hào)到達(dá)時(shí)間估計(jì)方法，尤其涉及一種基于壓縮采樣 的脈沖超寬帶信號(hào)到達(dá)時(shí)間估計(jì)方法。
背景技術(shù)：
到達(dá)時(shí)間(T0A，time of arrival，到達(dá)時(shí)間，簡(jiǎn)稱“T0A”)估計(jì)的任務(wù)是從測(cè)距接 收信號(hào)的采樣序列中檢測(cè)到直達(dá)單徑DP(direCt path，直達(dá)單徑，簡(jiǎn)稱“DP”)中心所在的 采樣點(diǎn)。根據(jù)采樣速率及接收機(jī)硬件能力的不同，已有的T0A估計(jì)算法大致可分兩類相干 T0A估計(jì)算法和非相干T0A估計(jì)算法。如果接收機(jī)硬件能力足夠(能提供本地模板、能保證 高采樣速率)、運(yùn)算能力較強(qiáng)，可使用相干T0A估計(jì)算法；如果接收機(jī)硬件能力較差(不能 提供本地模板與高采樣速率)、運(yùn)算能力較差，則可使用非相干T0A估計(jì)算法。近年來，國內(nèi)外對(duì)IR-UWB的測(cè)距研究較為充分，提出了多種T0A估計(jì)算法，限于篇 幅，此處不逐一描述，只簡(jiǎn)單介紹兩類算法中性能最好、最具代表性的算法。MF-TC-JM算法 是已有的相干T0A估計(jì)算法中的性能最優(yōu)者，它針對(duì)接收信號(hào)匹配濾波輸出的高速采樣序 列進(jìn)行處理，通過門限檢測(cè)得到DP中心位置，門限設(shè)置參量是一個(gè)由匹配濾波輸出的峭度 和均方根時(shí)延擴(kuò)展所組成的符合參量(JM，joint metric)。ED-TC-MMR算法是已有的非相 干T0A估計(jì)算法中的性能最優(yōu)者，它針對(duì)接收信號(hào)的能量積分采樣序列進(jìn)行處理，也是通 過門限檢測(cè)得到DP所在的能量塊，認(rèn)為能量塊的中心是DP所在的精確位置，門限設(shè)置參量 使用能量采樣序列中最大值與最小值之比(MMR，maximum-to-minimum ratio)。由于匹配 濾波的處理增益和高采樣速率所帶來的高時(shí)間分辨率，MF-TC-JM算法的T0A估計(jì)精度遠(yuǎn)高 于ED-TC-MMR ；但ED-TC-MMR算法的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)硬件能力要求不高、運(yùn)算復(fù)雜度低。MF-TC-JM 算法的精度下限是CRLB，在信噪比足夠高的情況下可接近CRLB ；影響ED-TC-MMR算法精度 的決定因素是采樣速率，精度下限是0. 25Tb，其中Tb代表能量采樣周期，在信噪比足夠高的 情況下可接近此下限?，F(xiàn)有技術(shù)中，已有的相干T0A估計(jì)算法對(duì)接收機(jī)硬件能力要求很高，需要高采 樣速率與本地模板，且運(yùn)算復(fù)雜度高，以現(xiàn)有的硬件水平難以實(shí)際實(shí)現(xiàn)；而已有的非相 干T0A估計(jì)算法則受限于能量采樣序列的低分辨率，T0A估計(jì)精度不高，不能充分發(fā)揮 IR-UWB (Impulse Radio-Ultra WideBand，脈沖超寬帶，簡(jiǎn)稱“ IR-UWB”)信號(hào)的高精度測(cè)距 優(yōu)勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)中脈沖超寬帶信號(hào)到達(dá)時(shí)間估計(jì)方法 中，到達(dá)時(shí)間估計(jì)精度不高，不能充分發(fā)揮脈沖超寬帶信號(hào)的高精度測(cè)距優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種基于壓縮采樣的脈沖超寬帶信號(hào)到達(dá)時(shí)間估計(jì)方 法，包括脈沖超寬帶信號(hào)壓縮采樣接收系統(tǒng)，所述脈沖超寬帶信號(hào)壓縮采樣接收系統(tǒng)包括 對(duì)所述脈沖超寬帶信號(hào)分多個(gè)通道進(jìn)行采樣的多通道并行采樣單元，分別向所述多通道采樣單元的各通道發(fā)送測(cè)量波形的測(cè)量波形發(fā)生器，接收經(jīng)過所述多通道采樣單元采樣的測(cè) 量值的數(shù)字后端處理組件，各通道分別根據(jù)所述測(cè)量波形發(fā)生器產(chǎn)生的測(cè)量波形對(duì)所述脈 沖超寬帶信號(hào)進(jìn)行線性投影，包括如下步驟確定投影區(qū)間以各幀接收信號(hào)的峰值位置作為參考點(diǎn)確定投影區(qū)域 [T peak-TprJ, X oedk+Tp/2]，其中T peak表示脈沖超寬帶信號(hào)峰值位置相對(duì)幀起點(diǎn)位置的長 度，Tm.表示投影長度；TP表示脈沖寬度。獲得采樣序列通過對(duì)連續(xù)的多幀接收信號(hào)的壓縮測(cè)量，獲取測(cè)距符號(hào)接收信號(hào) 的壓縮采樣序列；獲得到達(dá)時(shí)間的估計(jì)采用CS (Compressive Sensing，壓縮感知，簡(jiǎn)稱“CS”)T0A
估計(jì)算法依據(jù)采樣序列得到到達(dá)時(shí)間估計(jì)值
權(quán)利要求
一種基于壓縮采樣的脈沖超寬帶信號(hào)到達(dá)時(shí)間估計(jì)方法，包括脈沖超寬帶信號(hào)壓縮采樣接收系統(tǒng)，其特征在于，所述脈沖超寬帶信號(hào)壓縮采樣接收系統(tǒng)包括對(duì)所述脈沖超寬帶信號(hào)分多個(gè)通道進(jìn)行采樣的多通道并行采樣單元，分別向所述多通道采樣單元的各通道發(fā)送測(cè)量波形的測(cè)量波形發(fā)生器，接收經(jīng)過所述多通道采樣單元采樣的測(cè)量值的數(shù)字后端處理組件，各通道分別根據(jù)所述測(cè)量波形發(fā)生器產(chǎn)生的測(cè)量波形對(duì)所述脈沖超寬帶信號(hào)進(jìn)行線性投影，包括如下步驟確定投影區(qū)間以各幀接收信號(hào)的峰值位置作為參考點(diǎn)確定投影區(qū)域[τpeak Tprj，τpeak+Tp/2]，其中τpeak表示脈沖超寬帶信號(hào)峰值位置相對(duì)幀起點(diǎn)位置的長度，Tprj表示投影長度；Tp表示脈沖寬度。獲得采樣序列通過對(duì)連續(xù)的多幀接收信號(hào)的壓縮測(cè)量，獲取測(cè)距符號(hào)接收信號(hào)的壓縮采樣序列；獲得到達(dá)時(shí)間的估計(jì)采用壓縮感知TOA估計(jì)算法依據(jù)采樣序列得到到達(dá)時(shí)間估計(jì)值其中τpeak表示脈沖超寬帶信號(hào)峰值位置的長度，Tprj表示脈沖超寬帶信號(hào)投影長度，iDP表示檢測(cè)到的直達(dá)單徑DP的中心位置在重構(gòu)序列中的序號(hào)，F(xiàn)s表示重構(gòu)序列的采樣頻率。FSA00000240830200011.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于壓縮采樣的脈沖超寬帶信號(hào)到達(dá)時(shí)間估計(jì)方法，其特征在 于，設(shè)所用測(cè)距符號(hào)數(shù)為Nt，各符號(hào)使用的脈沖重復(fù)發(fā)送次數(shù)為Nf，到達(dá)時(shí)間估計(jì)所需的M 個(gè)測(cè)量值分?jǐn)偟綄?duì)連續(xù)的D幀信號(hào)的測(cè)量之上，令Nd = Nf/D，則一共有NtN11批壓縮測(cè)量序 列，第η批序列為y[n] = Φ Ψ1ιρ .+ Φ [η]，其中Φ為對(duì)應(yīng)的壓縮測(cè)量矩陣，Ψ是稀疏表 達(dá)矩陣，hm.是信道沖擊響應(yīng)落在壓縮投影范圍內(nèi)的虛擬采樣序列，w[n]是接收信號(hào)中的噪 聲的虛擬采樣序列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于壓縮采樣的脈沖超寬帶信號(hào)到達(dá)時(shí)間估計(jì)方法，其特征 在于，在獲得到達(dá)時(shí)間的估計(jì)步驟中，通過迭代搜索得到了包含直達(dá)單徑DP的高分辨率序 列，具體包括如下步驟初始化字典矩陣V = Φ Ψ (Vi表示矩陣V的第i列)、測(cè)量殘差e。= 、估計(jì)結(jié)果‘ =O胸 及迭代次數(shù)t = 1。獲取與殘差最匹配原子的序號(hào)從字典矩陣中尋找與殘差最匹配原子的序號(hào)， !丨〈U〉丨 =1,2,....N ||v(. Il獲取當(dāng)前原子的系數(shù)并更新殘差即，獲取當(dāng)前原子的系數(shù)t(()=‘(()+%^，并IKIIl〈u >1更新殘差e,=。-V^v,,;IKII判斷是否終止設(shè)迭代次數(shù)門限為T。，殘差相對(duì)門限為ε，若t > T?；騶M2/|y||2 ，則 迭代終止；否則更新t = t+ι，并跳轉(zhuǎn)回第一步；獲得到達(dá)時(shí)間估計(jì)對(duì)原子系數(shù)的估計(jì)結(jié)果^使用門限比較得到DP徑的位置序號(hào)，iDP=mm(i\hp.{i)\>r-m&x\hp^ ,其中 Y 是門限因子；TOA 估計(jì)值即為“‘ ~+ (V廣7^)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述基于壓縮采樣的脈沖超寬帶信號(hào)到達(dá)時(shí)間估計(jì)方法，其特征在 于，還包括反饋回路，所述反饋回路將所述數(shù)字后端處理組件的處理結(jié)果部分反饋至所述 測(cè)量波形發(fā)生器，測(cè)量波形發(fā)生器依據(jù)反饋信息產(chǎn)生新的測(cè)量波形，此后的壓縮測(cè)量將使 用新產(chǎn)生的測(cè)量波形。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述基于壓縮采樣的脈沖超寬帶信號(hào)到達(dá)時(shí)間估計(jì)方法，其特征在 于，對(duì)于有反饋回路的情況，在獲得采樣序列步驟中，測(cè)距符號(hào)接收信號(hào)分為第一部分和第 二部分，包括如下步驟獲得第一部分測(cè)距符號(hào)接收信號(hào)的壓縮采樣序列發(fā)射端發(fā)送乂個(gè)測(cè)距符號(hào)，每個(gè)符 號(hào)重復(fù)發(fā)送&個(gè)脈沖；接收端每批次的壓縮測(cè)量個(gè)數(shù)為Mt個(gè)，分?jǐn)偟綄?duì)D1幀信號(hào)的測(cè)量之 上，測(cè)量支路數(shù)仍記為Me,則M1 = D1 · Me ；壓縮測(cè)量波形是與無反饋壓縮測(cè)量架構(gòu)完全相同的偽隨機(jī)序列，組成測(cè)量矩陣Φ。令^^1，則共有％ 批壓縮測(cè)量值，第η批序列為Yh[η] = Φ Whprj+ΦwH[η]，K AA獲得子空間估計(jì)采用第一部分測(cè)距符號(hào)接收信號(hào)的壓縮采樣序列對(duì)信號(hào)子空間進(jìn)行 估計(jì)。獲得子空間壓縮采樣序列數(shù)字后端處理組件在得到信號(hào)子空間估計(jì)之后，將其反饋給測(cè)量波形發(fā)生器，測(cè)量波形發(fā)生器按照獲得的信號(hào)子空間估計(jì)信息產(chǎn)生新的測(cè)量波形，即，對(duì)應(yīng)新的測(cè)量矩陣$6，發(fā)射端發(fā)送義個(gè)測(cè)距符號(hào)，每個(gè)符號(hào)重復(fù)發(fā)送〃Λ個(gè)脈沖；接收端每批次的壓縮測(cè)量個(gè)數(shù)為M2個(gè)，分?jǐn)偟綄?duì)D2幀信號(hào)的測(cè)量之上，則M2 = D2 · Me。令 Nf=^，則共有^ 批壓縮測(cè)量值，第η批序列為^^問態(tài)乎/^+ ^^^， 1<w<^D2，最后的TOA估計(jì)將基于對(duì)這些子空間壓縮測(cè)量序列的處理得以完成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述基于壓縮采樣的脈沖超寬帶信號(hào)到達(dá)時(shí)間估計(jì)方法，其特征在 于，在獲得子空間估計(jì)步驟中，采用第一部分測(cè)距符號(hào)接收信號(hào)進(jìn)行信號(hào)子空間估計(jì)，包括 如下步驟以子空間的壓縮采樣序列初始化字典矩陣V = Φ Ψ (Vi表示矩陣V的第i列)、測(cè)量 殘差^ =yH、估計(jì)結(jié)果L =[]及迭代次數(shù)t = ι ；獲取與殘差最匹配原子的序號(hào)從字典矩陣中尋找與殘差最匹配原子的序號(hào)，/, =argmax'；'"=1,2, ..(V ||ν； IlIU獲得當(dāng)前原子的系數(shù)并更新殘差更新殘差a =^1-VVziv'-IKII判斷是否終止設(shè)迭代次數(shù)門限為K'，若t>K'，則迭代終止，跳至第四步；否則更 新t = t+Ι，將當(dāng)前搜索到的原子序號(hào)增加到估計(jì)結(jié)果中，即L = [L，It]，并跳回第一步； 獲得子空間的估計(jì)依據(jù)L得到信號(hào)子空間的估計(jì)結(jié)果為〃 = [νν ···，νν1。
全文摘要
本發(fā)明涉及基于壓縮采樣的脈沖超寬帶信號(hào)到達(dá)時(shí)間估計(jì)方法，包括脈沖超寬帶信號(hào)壓縮采樣接收系統(tǒng)，所述脈沖超寬帶信號(hào)壓縮采樣接收系統(tǒng)包括對(duì)所述脈沖超寬帶信號(hào)分多個(gè)通道進(jìn)行采樣的多通道并行采樣單元，分別向所述多通道采樣單元的各通道發(fā)送測(cè)量波形的測(cè)量波形發(fā)生器，接收經(jīng)過所述多通道采樣單元采樣的測(cè)量值的數(shù)字后端處理組件，各通道分別根據(jù)所述測(cè)量波形發(fā)生器產(chǎn)生的測(cè)量波形對(duì)所述脈沖超寬帶信號(hào)進(jìn)行線性投影，包括如下步驟確定投影區(qū)間、獲得采樣序列、獲得到達(dá)時(shí)間的估計(jì)。本發(fā)明從低速率的壓縮采樣序列中獲得高精度TOA估計(jì)。
文檔編號(hào)H04B17/00GK101944926SQ201010260588
公開日2011年1月12日 申請(qǐng)日期2010年8月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月24日
發(fā)明者吳紹華, 姚海平, 張凌雁, 張欽宇, 王野 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院