一种改进的多径获取方案*

1 引言

时延估计广泛地应用于雷达、声纳和通信等领域，是数字信号处理领域中一个十分活跃的研究课题，具有重要的理论意义和应用价值。在雷达应用领域，根据时延参数，我们可以确定目标的距离、速度和方位等信息[1]，而在无线通信中，只有对多径时延等信道传播特性有充分的认识，才能对移动通信系统进行优化，从而得到更好的系统性能。本文主要对通信中的多径时延获取方案进行研究。

通信中时延特性获取一般通过实际的信道测量。信道测量的目的在于获取信道的冲击响应，并从中提取出信道特征参数。目前的信道测量主要分三类：直接脉冲测量，扫频测量，滑动相关测量。

直接脉冲测量需要在发射端以一定的间隔传送射频窄脉冲，通过接收端滤波和检波后，在高速数字示波器上观测接收到的多径信号，得到各多径分量的幅度、到达时间及相位信息，直接脉冲法虽然实现简单，但是需要较高的功率峰均比，因为发射机功率受限，因此测量系统动态范围受限。扫频法利用信道响应的时域和频域间的对应关系，通过矢量网络分析仪控制信号产生器使其在某一特定的频段内按照指定的步进宽度变频，然后测量得到信道在每一个频点上的频率响应，进而通过逆傅里叶变换获得时域的信道冲激响应。由于矢量分析仪必须和发射机与接收机进行物理连接，所以扫频法只在短距离信道下可用。滑动相关测量使用伪噪声序列（Pseudo-Noise）作为信道探测信号，在接收端与发送信号做滑动相关即可得到信道冲击响应[2]。由于滑动相关法实现简单，且具有一定程度的抗噪声性，所以，目前很多的科研团队多采用滑动相关法进行信道测量[3-5]。

本文提出的方案基于滑动相关测量法，选择了LTE中ZC（Zadoff-Chu）序列作为测量信号；另外，由于在信噪比较低情况下，滑动相关测量的效果会受到影响，所以本文对方案进行改进，在滑动相关前会对信号进行噪声预处理，最后本文通过matlab仿真，得出所提方案的可行性。

2 滑动相关原理及信号选取

2.1 滑动相关原理

由上式可知，无线信道的冲击响应可以通过将白噪声作为发射信号，并依赖相关操作获得。实际中理想白噪声用伪噪声（Pseudo-Noise）序列代替。

2.2 测量信号选取

在信道测量中，测量信号的构建主要遵循以下几个原则：

（1）信号的相关特性：利用滑动相关法进行信道测量时，信号的相关特性至关重要。相关特性越好，信号的功率时延谱中旁瓣峰值越低，多径的误判概率也会显著下降。

（2）信号的带宽：探测信号带宽的倒数决定了测量时系统的时延分辨率。所以在信道频带范围内，信号的带宽越大，时延分辨率越高。

（3）信号持续时间：若信号持续时间较短，且小于信道的最大时延扩展时，将会影响测量的准确性，若信号持续时间较长，则会增加数据处理的时间，所以信号持续时间设定也很重要。

图1 ZC序列自相关及与白噪声的互相关

图2 m序列自相关及与白噪声的互相关

信道测量中相关性能较佳，同时也是最常用的伪噪声信号主要有m序列和Zadoff-Chu序列，因此本文对比考察了它们在同等长度下的自相关特性和以及与白噪声的互相关特性。

上面图1所示ZC序列的自相关函数峰均比约为442，图2显示了在同等长度下，m序列的自相关峰均比约为98，且ZC和m序列与同一高斯白噪声互相关的均值相差无几。比较而言，ZC序列的性能要优于同等长度的m序列，另外，ZC序列长度可以为任意值，所以综合而言，本文的测量方案选择以ZC序列作为测量信号。

3 改进的多径获取方案

基于滑动相关的多径获取方案由于在低信噪比时性能不佳，所以本文提出了改进的多径获取方案，即在滑动相关前对接收信号进行EMD分解滤波，其原理是利用EMD分解滤波后能滤除部分噪声且保留原信号的特性，此方案相对传统的方案有一定的性能提升。

3.1 基于EMD分解的滤波原理

经验模态分解方法(EMD)是将原始信号分解成若干固有模态函数(IMF)，在这个过程中原始信号的各种频率的成分以不同固有模态函数的形式从原始时问信号中分解出来[6]。其中固有模态函数满足如下条件：首先是极值点的个数和过零点的个数相等或者最多相差为1个；其次由极大值和极小值分别拟合得到的上包络和下包络的平均值为零。EMD分解的关键在于求取IMFs,其步骤如下：

①求取信号的极大值点和极小值点，同时拟合得到上下包络线并求得均值为

4 仿真分析

图3 初始滑动相关性能图

本节matlab仿真中设定信道为高斯白噪的多径信道，多径数为3，并且采用了序列长度为1023的ZC序列作为测量信号，设定信号带宽为50MHz，则理论时延分辨率为20ns，理论可测的最大多径时延为20.44us。

滑动相关测量的性能主要在于接收信号与参考信号作滑动相关后，接收信号与原参考信号完全对齐时才能得到最大值（峰），本文首先仿真了理想情况时的滑动相关测量的性能。

在没有噪声或信噪比较高的理想情况下，通过滑动相关能完全识别出整数倍采样点的时延，但是当信噪比的较低时，除了主径与多径形成的峰值，还有噪声形成的伪峰。所以基于滑动相关的多径时延获取关键在于如何提高多径峰值与伪峰之间的差值，即提高有效径的峰值与噪声之比，减少多径的误判。在此基础上，本文提出了新的多径获取方案。在接收信号进行滑动相关前，先对其进行EMD分解，再去除趋势项，最后进行滑动相关获取多径时延。本文在参数不变的情况下，对改进后的方案进行了仿真，仿真结果如下图：

对比图3和图4可知，在相同信噪比情况下，通过去除EMD分解后的残余项可以显著改善噪声对滑动相关的影响，减少多径误判的可能。

图5显示了不同信噪比下，直接滑动相关后的信号峰值与底噪的比值以及改进后的滑动相关信号峰值与底噪的比值，从图中可以看出，改进后的滑动相关对峰均比有明显改善，多径误判的几率会大大减小，从而也证明了本文提出的多径时延获取方案的可行性。

图4 基于EMD分解改进后的滑动相关

图5 不同信噪比下滑动相关性能对比

5 结束语

针对低信噪比时滑动相关法获取多径时性能不足的问题，本文对基于滑动相关的多径的获取方案进行了分析改进。通过理论分析和仿真结果表明，本文所提的多径获取方案性能会更优，可以对信道测量技术的进一步研究提供参考。