收稿日期:20181128;修回日期:20190121 基金项目:国家科技重大专项资助项目(2017ZX030204003)
作者简介:冯亚丽(1993),女,硕士研究生,主要研究方向为宽带微功率无线信道测量数据处理(591891232@qq.com);刘成(1992),男,硕士
研究生,主要研究方向为宽带微功率无线信道测量方案设计;张祥斌(1991),男,硕士研究生,主要研究方向为宽带微功率无线信道建模.
Chirp信号多径时延估计算法研究
冯亚丽,刘 成,张祥斌
(重庆邮电大学 通信与信息工程学院,重庆 400065)
摘 要:针对分数阶傅里叶变换(FRFT)对 Chirp信号进行多径时延估计时的不足,改进了一种按照多径分量能
量大小依次消除的 FRFT多径时延估计算法。该算法以迭代方式进行,按多径分量的能量大小依次返回多径分
量的估计值;在每次迭代中,包含子迭代以准确判定当前分量的多径参数和起止时间,然后利用当前多径参数生
成探测信号时域副本,将其从残余信号中减去,达到多径信号的分离。以根据功率时延分布特点拟定的信道模
型作为传输环境,对该算法进行了仿真验证。仿真表明,相比于其他三种时延估计算法,改进算法能够更准确地
对多径时延进行估计。
关键词:时延估计;Chirp信号;分数阶傅里叶变换;多径分量消除
中图分类号:TN911.7 文献标志码:A 文章编号:10013695(2020)06006163804
doi
:10.19734/j.issn.10013695.2018.11.0872
ResearchonmultipathdelayestimationalgorithmforChirpsignal
FengYali,LiuCheng,ZhangXiangbin
(SchoolofCommunication&InformationEngineering,ChongqingUniversityofPosts&Telecommunications,Chongqing400065,China)
Abstract:InordertosolvetheproblemofthefractionalFouriertransform(FRFT)inestimatingthemultipathdelayforChirp
signal,thispaperproposedanimprovedFRFTmultipathdelayestimationalgorithmbasedontheenergyofeachmultipathcom
ponent.Thealgorithmsequentiallyreturnedtheestimatedvaluesofmultipathcomponentsbyiterationaccordingtotheenergy
magnitudeofmultipathcomponents.Ineachiteration
,therewereasubiterationtoaccuratelyestimatetheparameterandloca
tionofthecurrentcomponent,andthengeneratedatimedomaincopyofthesoundingsignal,whichwassubtractedfromthere
sidualsignaltoreachseparationofthemultipathsignal.Thispapermadesomeexperimentswhichusedchannelmodelbasedon
thecharacteristicsofpowerdelaydistribution.Theresultsshowthattheimprovedalgorithmcanestimatethemultipathdelay
moreaccuratelythantheotherthreedelayestimationapproaches.
Keywords:timedelayestimation;Chirpsignal;fractionalFouriertransform(FRFT);multipathcomponentcancellation
Chirp信号又称线性调频信号,存在于自然界的很多领域,
如天体物理学中的引力波、蝙蝠的回声定位、医学中的心音信
号等。因 Chirp信号具有高处理增益、低发射功率、抗多普勒
频移等优 点,所 以其在 雷 达
[1]
、扩 频 通信
[2]
、水 下 探测
[3]
和
UWB探测
[4]
等领域中有着相当广泛的应用。对 Chirp信号进
行多径时延估计是信道探测中对测量数据进行处理的一个关
键环节。传统的多径时延估计主要采用匹配滤波、解卷积(de
convolution,DC)算法。Bell等人提出的匹配滤波算法,其时延
分辨率为脉冲压缩后
sinc函数的主瓣宽度(近似于探测信号
带宽的 倒 数),sinc函 数 旁 瓣 对 多 径 信 息 的 提 取 影 响 比 较
大
[5]
。DC算法对噪声的存在较为敏感,只有在信噪比(signal
tonoiseratio,SNR)足够好的时候才能很好地估计出多径时
延
[6]
。传统的这些算法要求探测信号为平稳信号,而 Chirp信
号为非平稳信号,所以用其来处理 Chirp信号存在先天不足。
随后的一些基于高阶累积量的算法,如互四阶矩最小范数时延
估计算法和四二阶归一化累积量自适应时延估计方法,此类算
法首先把 Chirp信号转换为平稳信号,再进行时延估计,时延
估计准确度高。但此类算法时间复杂度普遍较大,不适合实际
使用
[7]
。随着 FRFT理论的出现和不断发展,作为非平稳信号
的有力分析工具,因其变换基底为一组正交的 Chirp信号,且
具有多种与快速傅里叶变换(fastFouriertranform,FFT)计算相
当的离散算法,近年来被广泛应用于 Chirp信号的检测与参数
估计
[8~10]
。Ozaktas等 人
[8]
于 1996年 提 出 了 一 种 精 确 计 算
FRFT的离散算法,其时间复杂度为O(NlogN)。至此,FRFT
不再停留于理论研究阶段,迈向了工程实践的道路。Tao等
人
[9]
在前人的研究基础上,首次推导了 FRFT时延估计(FRFT
timedelayestimation,FRTDE)算法的精度与 SNR之间关系的
数学表达式。
Zhou等人
[10]
基于 FRTDE算法提出了一种新的
子样本
FRFT时间延迟估计(subsampleFRFTtimedelayestima
tion,SFRTDE)算法,它进一步利用信号 FRFT输出峰值的相位
信息来搜索匹配的时延,并通过计算机仿真验证了其相对于
FRTDE和平均幅度平方分数差分函数算法的有效性和优越
性。Sejdic
′
等人
[11]
对 FRFT做了一个较为详细的概述,具体介
绍了 FRFT定义、数学实现及其应用领域,将其和数学变换联
系起来,强调实现 FRFT的各种方法,并比较了它们的优缺点,
总结了 FRFT处理非平稳信号和时变信号所存在的优势。在
信道测量系统硬件资源和计算复杂度结合考虑的情况下,经济
适用的多径时延估计方法成为当下迫切的需求。本文从现有
的时延估计技术入手,同时应用 Chirp信号在 FRFT域的峰值
汇聚特性和时域的脉冲压缩特性来研究新的时延估计算法,以
便从测量数据中得到更精确的信道模型。
1 信号模型
Chirp信道探测信号的时域表达式为
s(t)=exp(j2
π
f
c
t+j
π
kt
2
) -T
s
/2
≤
t
≤
T
s
/2 (1)
第 37卷第 6期
2020年 6月
计 算 机 应 用 研 究
ApplicationResearchofComputers
Vol37No6
Jun.2020