用于估计到达时间的系统和方法技术方案

提供了一种用于估计作为脉冲被发射并且作为脉冲之和被接收的信号的到达时间的技术。使用将所述接收信号的前期旁瓣降低到噪声水平的新型滤波器来对所述接收信号进行滤波。在所述经滤波的接收信号的主瓣的一点处标识第一能量上升点，在所述点处能量高出噪声一预定水平。从标识所述第一能量上升点开始，经由曲线匹配来估计所述到达时间，其中，所述经滤波的接收信号的形状与由在时间和能量两方面上均偏移的一个或多个参考曲线之和组成的形状相匹配。通过将与应用于所述接收信号相同的滤波器应用于所述发射信号来发现所述参考曲线。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于估计到达时间的系统和方法
本专利技术在其一些实施例中涉及信号处理，并且更具体地涉及用于确定到达时间(TOA)的系统和方法。
技术介绍
到达时间估计是对无线电信号从信号发射机到远程信号接收机的行进时间的估计。行进时间可以采用时间单位或距离单位来表示，如可以通过使到达时间乘以无线电波的已知速度来容易地计算发射机与接收机之间的距离。如图1中所示出的，估计到达时间的困难由无线电波具有从发射机10到接收机12的多条路径的事实引起。第一路径14是从发射机到接收机的直接路径，并且是TOA估计设法标识的路径。然而，由接收机12响应于接收到无线电信号而生成的波形的形状是组合波形，所述组合波形包括噪声以及第一到达波形(对应于第一路径14)与对应于接收机12在稍后时间处接收的其他路径(例如，16、18和20)的众多波形之和。每条路径被滤波成期望的带宽，因为参考波形不存在于此带宽外。如图2中所见，带宽滤波使每个波形具有前期旁瓣和后期旁瓣。前期旁瓣干扰与先前(较短)路径相对应的波形，并且后期旁瓣干扰与随后(较长)路径(回波或多径)相对应的波形。在图2中，已经经由第一路径14行进并且已经在时间τ0处到达的无线电波脉冲(抽头)22具有通过带宽滤波生成的第一波形24。第一波形24具有前期旁瓣26和后期旁瓣28。类似地，在对第二接收无线电波脉冲32进行带宽滤波之后生成的第二波形30(所述波形如经过第二路径16)具有第二前期瓣34和第二后期瓣36。通常，带宽滤波器对每个脉冲的脉冲响应在时域中具有sinc或类似低通波形，如由图2中的波形的形状所见。因此，由接收机接收的组合波形具有包括由前期瓣和后期瓣位于旁侧的主瓣的形状。图3和图4示出了通过两个天线无线电信号的带宽滤波输出响应获得的两个组合波形。通过对如由两个对应天线接收的无线电波(多个脉冲)进行带宽滤波生成波形40和42。波形40和42非常不同于与参考波形相对应的波形44(所述波形是经滤波的发射波形，即，由发射机发射并由现有技术滤波器滤波的多径波形)。因此，难以使用简单的信号处理通过将参考波形34与经滤波的波形进行比较来发现准确的到达时间。一些用于从这种波形中提取到达时间的技术是已知的。然而，这些技术或者处理简单并不准确，或者像最大似然(ML)算法那样准确但非常处理密集并且因此昂贵。
技术实现思路
脉冲响应形状通常是sinc、升余弦或围绕原点对称的相对慢衰减波形。对称的原因是频域匹配滤波器创建在时域中对称的零相位信号。匹配滤波器是优化噪声环境中的符号检测所必要的(结合均衡器使用)。在此问题中，所有抽头携带信息。然而，专利技术者已经发现，为了估计TOA(其中，信息仅由第一抽头携带，并且其相位在这种情况下不具有相关性)，匹配滤波器不必是正确的策略。因此，本专利技术的一些实施例涉及使用确保第一抽头不被随后抽头干扰(或较少干扰)的近因果滤波器(在原点之前接近零能量)。以这种方式对信号进行滤波使得容易标识第一抽头，并且因此容易计算TOA。(1)一种用于估计信号的到达时间的方法，所述信号由发射设备生成为发射脉冲并由接收设备接收为接收信号，所述接收信号经由近因果滤波器滤波，以便生成指示经滤波的接收信号的第一波形，其中：所述近因果滤波器的脉冲响应的形状具有具备在所述形状内的最大功率的主瓣、位于所述主瓣之前的前期旁瓣、以及位于所述主瓣之后的后期旁瓣。所述前期旁瓣具有接近所述第一波形的噪声水平的峰值。所述主瓣的所述最大功率与所述前期旁瓣中位于离所述主瓣期望距离内的最高前期旁瓣的第二最大功率之比为至少13dB。所述主瓣的斜率接近所述sinc滤波器的脉冲响应的所述主瓣的斜率。所述主瓣的宽度大于sinc滤波器的脉冲响应的主瓣的宽度，同时保持接近所述sinc滤波器的主瓣的所述宽度。所述方法包括：(i)如果所述第一波形在频域中，则将第一波形移动至时域；(ii)估计所述时域中的所述第一波形开始之前的前期样本中的噪声水平；(iii)标识所述时域中的所述第一波形上的第一能量上升点，其中，能量上升到相对于估计的噪声水平的预定阈值之上；(iv)从第一能量上升点开始，跟随所述时域中的所述第一波形的主瓣的上升曲线；以及(v)根据预定义决策技术标识所述时域中的所述第一波形内的第一脉冲的位置。(2)在所述用于估计信号的到达时间的方法的变体中，所述滤波器的频率响应接近平坦。(3)在所述用于估计信号的到达时间的方法的另一个变体中，将第一波形移动到时域包括对所述第一波形应用快速傅里叶逆变换(iFFT)。(4)在所述用于估计信号的到达时间的方法的进一步变体中，所述预定阈值超过所述估计的噪声大约10dB。(5)在所述用于估计信号的到达时间的方法的另一个变体中，跟随所述时域中的所述第一波形的所述主瓣的上升曲线包括对所述第一波形进行过采样。(6)在所述用于估计信号的到达时间的方法的又另一个变体中，经由逆DFT(离散傅里叶变换)、经由CZT(Chirp-Z变换)或者经由iFFT来执行过采样。(7)在进一步变体中，所述用于估计信号的到达时间的方法包括，在步骤(iii)与步骤(iv)之间：确定性质，所述性质包括以下各项中的至少一项：所述时域中的所述第一波形的信噪比(SNR)、信道长度、以及功率延迟分布；选择与所述性质匹配的多个预定近因果滤波器之一，当应用于具有相应性质的信号时，预计算所述预定近因果滤波器以便使得能够更好地估计到达时间；以及将所述选择的近因果滤波器应用于所述接收信号。(8)在所述方法的又进一步变体中，所述预定义决策技术包括：选择所述第一波形上的所述第一能量上升点处或之上的第一点，并计算所述第一点附近的SNR；以及使用查找表将所述SNR与所述第一点与待接收的第一脉冲的波形之间的预定时间偏移进行匹配。(9)在所述用于估计信号的到达时间的方法的变体中，经由以下各项中的至少一项确定所述预定时间偏移：一次或多次理论考虑、一次或多次仿真、预先获得的实验数据。(10)在所述用于估计信号的到达时间的方法的另一个变体中，所述预定义决策技术包括：将所述近因果滤波器应用于所述发射信号以便生成参考波形；选择所述第一波形上相对于所述估计的噪声在预定能量水平之上的至少两个连续点；计算所述至少两个连续点之间的区段的形状与所述参考波形的形状之间的匹配；沿着所述第一波形确定一个或多个点，直到发现操作点，在所述操作点来发现所述第一波形与所述参考波形之间的匹配；根据所述操作点附近的区段来构造所述参考波形的实例；以及确定所述操作点与所述参考波形的所述构造的实例的中心之间的时间间隔，所述时间间隔是对所述到达时间的估计。(11)在所述用于估计信号的到达时间的方法的又另一个变体中，所述操作为以下各项之一：发现所述第一波形的形状与所述参考波形的相应部分的形状之间最小的最小二乘误差的点；所述第一波形的所述形状与所述参考波形的相应部分的形状之间的最小二乘误差低于第一预定阈值的点，并且所述点的能量相对于所述估计的噪声在第二预定阈值之上；发现所述第一波形的形状与所述参考波形的相应部分的形状之间最小的加权最小二乘误差的点，所述最小的加权最小二乘误差被表示为Y′＝a1X′1+N′其中，Y’和X’(t1)是包含分别从所述第一波形和所述参考波形中获得的2或N个连续点的复向量，a1是复标量，并且t1是所本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于估计信号的到达时间的方法，所述信号由发射设备生成为发射脉冲并且由接收设备接收为接收信号，所述接收信号经由近因果滤波器滤波，以便生成指示经滤波的接收信号的第一波形，其中：所述近因果滤波器的脉冲响应的形状具有具备在所述形状内的最大功率的主瓣、位于所述主瓣之前的前期旁瓣、以及位于所述主瓣之后的后期旁瓣；所述前期旁瓣具有接近所述第一波形的噪声水平的峰值；所述主瓣的所述最大功率与所述前期旁瓣中位于离所述主瓣期望距离内的最高前期旁瓣的第二最大功率之比为至少13dB；所述主瓣的斜率接近所述sinc滤波器的脉冲响应的所述主瓣的斜率；所述主瓣的宽度大于sinc滤波器的脉冲响应的主瓣的宽度，同时保持接近所述sinc滤波器的主瓣的宽度；所述方法包括：(i)如果所述第一波形在频域中，则将第一波形移动至时域；(ii)估计所述时域中的所述第一波形开始之前的前期样本中的噪声水平；(iii)标识所述时域中的所述第一波形上的第一能量上升点，其中，能量相对于估计的噪声水平上升到预定阈值之上；(iv)从第一能量上升点开始，跟随所述时域中的所述第一波形的主瓣的上升曲线；以及(v)根据预定义决策技术标识所述时域中的所述第一波形内的第一脉冲的位置。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.02.19 US 14/626,7341.一种用于估计信号的到达时间的方法，所述信号由发射设备生成为发射脉冲并且由接收设备接收为接收信号，所述接收信号经由近因果滤波器滤波，以便生成指示经滤波的接收信号的第一波形，其中：所述近因果滤波器的脉冲响应的形状具有具备在所述形状内的最大功率的主瓣、位于所述主瓣之前的前期旁瓣、以及位于所述主瓣之后的后期旁瓣；所述前期旁瓣具有接近所述第一波形的噪声水平的峰值；所述主瓣的所述最大功率与所述前期旁瓣中位于离所述主瓣期望距离内的最高前期旁瓣的第二最大功率之比为至少13dB；所述主瓣的斜率接近所述sinc滤波器的脉冲响应的所述主瓣的斜率；所述主瓣的宽度大于sinc滤波器的脉冲响应的主瓣的宽度，同时保持接近所述sinc滤波器的主瓣的宽度；所述方法包括：(i)如果所述第一波形在频域中，则将第一波形移动至时域；(ii)估计所述时域中的所述第一波形开始之前的前期样本中的噪声水平；(iii)标识所述时域中的所述第一波形上的第一能量上升点，其中，能量相对于估计的噪声水平上升到预定阈值之上；(iv)从第一能量上升点开始，跟随所述时域中的所述第一波形的主瓣的上升曲线；以及(v)根据预定义决策技术标识所述时域中的所述第一波形内的第一脉冲的位置。2.如权利要求1所述的方法，其中，所述滤波器的频率响应接近平坦。3.如权利要求1所述的方法，其中，将第一波形移动到时域包括：对所述第一波形应用快速傅里叶逆变换(iFFT)。4.如权利要求1所述的方法，其中，所述预定阈值超过所述估计的噪声大约10dB。5.如权利要求1所述的方法，其中，跟随所述时域中的所述第一波形的所述主瓣的上升曲线包括：对所述第一波形进行过采样。6.如权利要求5所述的方法，其中，经由逆DFT(离散傅里叶变换)、经由CZT(Chirp-Z变换)或者经由iFFT来执行过采样。7.如权利要求1所述的方法，进一步包括在步骤(iii)与步骤(iv)之间：确定性质，所述性质包括以下各项中的至少一项：在所述时域中的所述第一波形的信噪比(SNR)、信道长度、以及功率延迟分布；选择与所述性质匹配的多个预定近因果滤波器之一，当应用于具有相应性质的信号时，预计算所述预定近因果滤波器以便使得能够更好地估计所述到达时间；将选择的近因果滤波器应用于所述接收信号。8.如权利要求1所述的方法，其中，所述预定义决策技术包括：选择所述第一波形上的所述第一能量上升点处或之上的第一点，并计算所述第一点附近的SNR；使用查找表将所述SNR与预定时间偏移进行匹配，所述预定时间偏移介于所述第一点与待接收的第一脉冲的波形之间。9.如权利要求8所述的方法，其中，经由以下各项中的至少一项确定所述预定时间偏移：一次或多次理论考虑、一次或多次仿真、预先获得的实验数据。10.如权利要求1所述的方法，其中，所述预定义决策技术包括：将所述近因果滤波器应用于所述发射信号以便生成参考波形；选择所述第一波形上相对于所述估计的噪声在预定能量水平之上的至少两个连续点；计算所述至少两个连续点之间的区段的形状与所述参考波形的形状之间的匹配；沿着所述第一波形确定一个或多个点，直到发现操作点，在所述操作点处发现所述第一波形与所述参考波形之间的匹配；根据所述操作点附近的区段来构造所述参考波形的实例；确定所述操作点与所述参考波形的所述构造的实例的中心之间的时间间隔，所述时间间隔是对所述到达时间的估计。11.如权利要求10所述的方法，其中，所述操作为以下各项之一：发现所述第一波形的形状与所述参考波形的相应部分的形状之间最小的最小二乘误差的点；所述第一波形的所述形状与所述参考波形的相应部分的形状之间的最小二乘误差低于第一预定阈值的点，并且所述点的能量相对于所述估计的噪声在第二预定阈值之上；发现所述第一波形的形状与所述参考波形的相应部分的形状之间最小的加权最小二乘误差的点，所述最小的加权最小二乘误差被表示为Y′＝a1X′1+N′其中，Y’和X’(t1)是包含分别从所述第一波形和从所述参考波形中获得的2或N个连续点的复向量，a1是复标量，并且t1是所述参考波形的时间偏移，X’1是与待接收的第一脉冲的波形相对应的复向量，C是来自信号加噪声的一般模型的2或N点噪声向量N’的噪声协方差矩阵，并且N’是从Y’中减去第一到达脉冲(第一路径)的波形之后剩余的所述噪声；加权最小二乘误差低于所述第一波形的所述形状与所述参考波形的相应部分的形状之间的预定误差的点，并且所述点的能量相对于所述估计的噪声在第二预定阈值之上。12.如权利要求1所述的方法，其中，所述预定义决策技术包括：将所述近因果滤波器应用于所述发射信号以便生成参考波形；选择所述第一波形上相对于所述估计的噪声在预定能量水平之上的至少两个连续点；计算第一波形的形状与所述参考波形的实例中的至少两个之和的形状之间的最小二乘误差|Y′-∑aiX′(ti)|2，最小化公式为，其中，Y’和X’(ti)为包含分别从所述第一波形和从参考波形的第i个实例中获得的2或N个连续点的复向量，ai是复标量，ti是所述参考波形的第i个实例的时间偏移，并且i≥2；沿着所述第一波形确定一个或多个点，直到发现操作点，在所述操作点处所述最小二乘误差被最小化或所述最小二乘误差低于某个阈值；根据所述操作点附近的区段来构造所述参考波形的i个实例；确定所述操作点与所述参考波形的所述第一构造的实例的中心之间的时间间隔，所述时间间隔是对所述到达时间的估计。13.如权利要求12所述的方法，其中，所述加权最小二乘误差被最小化或低于预定义阈值的所述操作点，所述加权最小二乘误差为：(Y′-∑aiX′(ti))HC-1(Y′-∑aiX′(ti))其中，C是来自信号加噪声Y′-∑aiX′i+N′的一般模型的2或N点噪声向量N′的噪声协方差矩阵，并且N′是在减去与前i个到达路径相对应的i个波形之后剩余的所述噪声，将考虑希望考虑所述前i个到达路径对所述第一路径的影响(i≥2，并且包括所述第一路径)。14.如权利要求1所述的方法，进一步包括在步骤(i)之前：结合低通滤波器，将所述近因果滤波器应用于时域中的所述接收信号。15.如权利要求14所述的方法，进一步包括在应用所述近因果滤波器之后对所述第一波形进行以下各项中的至少一项：下采样、导频解扰、累积和整合。16.如权利要求1所述的方法，包括在步骤(i)之前：将所述接收信号转换成频域信号；对所述频域信号进行解扰；将所述因果应用于所述频域中的所述频域信号滤波器，以便生成所述频域中的第一波形；以及将经滤波的在所述频域中的所述第一波形转换成所述时域中的所述第一波形。17.如权利要求1所述的方法，包括在步骤(i)之前：对所述时域中的所述接收信号进行下采样、导频解扰、累积和整合中的至少一项，以便生成相关的接收波形；将所述相关的接收波形转换成频域信号；将所述因果应用于所述频域中的相关的接收波形，以便生成所述频域中的第一波形；以及将经滤波的在所述频域中的所述第一波形转换成所述时域中的所述第一波形。18.如权利要求14所述的方法，包括在应用所述近因果滤波器之前构造所述近因果滤波器。19.如权利要求18所述的方法，其中，构造所述近因果滤波器包括：在所述频域中将所述滤波器定义为K维向量X，并且在所述时域中定义为N维向量x，其中，X＝Fx，F是具有K乘N大小的傅里叶变换矩阵，其中将矩阵A定义为A＝W+V，其中，V是具有元素Vk，k的频域对角矩阵，而w是时域对角矩阵，在所述时域对角矩阵中，在非因果区域中选择强权重wn,n，并且在其他地方放宽wn，n，并且W是w的托普利兹矩阵；选择Vk，k和wn，n的值；将G定义为表示所述滤波器的理想频域响应的向量，其中，对k≤K而言，Gk＝1，并且在其他情况下Gk＝0；将G定义为对角矩阵，在所述对角矩阵中，对角Gk,k元素与所述向量G的Gk元素相对应；将P定义为任意频域相位旋转对角矩阵；将定义为由矩阵PH的对角元素形成的向量；解出的通过使用来确定X；通过使用X＝Fx来确定x；如果必要，调整Vk,k和wn,n以便获得满意的向量X和x。20.如权利要求19所述的方法，其中：所述非因果区域是所述的所述前期旁瓣的区域，并且在所述因果区域中wn,n>&...

【专利技术属性】
技术研发人员：拉比·查拉贝斯，B·弗兰诺维奇，D·斯洛克，
申请(专利权)人：内斯特威弗联合股份公司，拉比·查拉贝斯，
类型：发明
国别省市：法国,FR