基于二進制序列60 GHz時域信道探測器設計與實現

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(國網安徽電力公司 電力科學研究院，合肥 230000)

基于二進制序列60 GHz時域信道探測器設計與實現

丁全，張淑娟，錢光超

(國網安徽電力公司電力科學研究院，合肥230000)

信道探測器具有廣泛的用途，由于現有的基于時域的探測器需要專用的硬件，具有開發周期長，嚴重耗時等不足，為了解決該問題，提出了一種基于二進制序列時域信道探測器設計方案；系統選擇兩種二進制序列，即最大長度序列與Golay互補序列，從理論上詳細分析了使用該兩種二進制序列作為激勵信號的時域探測器的各種優點；提出的信道探測器是由一些現成的實驗儀器連接并構建的實驗平臺，該平臺通過PC機進行控制，最后通過實例實驗結果表明，在毫米波段(MMW)為57-64 GHz頻段上，構建的系統探測速度更快以及抗線性干擾能力更強。

MMW；毫米波段；信道探測；m序列；最大長度序列；Golay互補對；非線性

0 引言

在現代通信、定位和雷達系統，特別是對于巨大的帶寬在毫米波從57到64 GHz頻段上的系統來說，完全掌握傳播信道的參數是絕對的益處的，因為這些參數越精確，在數據傳輸中就可以使用越高級的數據處理方法和調制技術。數據傳輸速率就更高而且比特錯誤率(BER)更低。毫米波段中幾GHz的巨大瞬間帶寬, 能夠保證了高數據吞吐量與準確的空間定位。

一般來說獲得無線電信道的參數可以通過信道探測器，有幾種技術和方法可以完成這些測量。這些測量既可以在頻域中也可以在時域中完成. 在頻域中，通常使用矢量網絡分析儀(VNA)來進行測量。矢量網絡分析儀可以進行文獻[1]和文獻[2]中的階梯式掃頻。而在時域中，利用發送與接收寬帶脈沖或脈沖序列來進行測量。已經有幾篇文獻涉及了60GHz的時域信道探測儀的設計。這些設計通常利用了定制的硬件設計甚至芯片, 而開發這些定制品是很耗時的。例如，文獻[3]中作者提出了一個帶寬100 MHz的探測系統。這個系統的發送器與接收器之間不需要線纜連接，其能夠非常靈活地進行測量。其他一些文獻如[4] 、[5]或[6]描述了多種不同的多進多出(MIMO)時域信道探測系統，這些系統的帶寬可達幾GHz且有合理動態范圍。

本文提出了一種基于二進制序列的時域信道探測系統。這個系統由幾個現成的實驗儀器構成。它相對基于直接脈沖的時域方法保證了更短的測量時間, 更大的幾GHz的帶寬, 并提供了更好的相關增益。

1 本文提出的測量系統

在時域中測量信道脈沖響應(CIR)有多種方法。通常方法是通過發送高斯脈沖(或由它派生的脈沖)然后運用CLEAN算法[7]解卷積收到的信號來恢復CIR。然而本文提出的是基于脈沖序列而非單脈沖的時域通道探測。如圖1所示。

圖1 本文提出的信道探測器架構

圖1所示的是本文提出的信道探測系統的框圖。以Anritsu信號質量分析儀MP1800A作為基帶二進制序列發生器，數據速率高達fchip= 12.5 Gbits/s，最大的射頻輸出功率為13 dBm。數字采樣示波器Tektronix MSO72004C用作接收器。它提供4個通道，16 GHz帶寬，50 GS/s的實時采集速率以及31.25 MS的每通道數據存儲量。信號質量分析儀也提供10 MHz的參考和選通(觸發)信號到示波器。功率放大器(PA)與低噪聲放大器(LNA)分別是QuinStar QPW-50662330與QLW-50754530-I2。本文利用一臺PC機來控制儀器與數據交換以提供附加功能。

Sivers IMA FC1003V/01 上下變頻器用于在基帶和射頻之間變頻。它是一個中頻輸入帶寬高達5 GHz的直接轉換收發器。基帶發送的信號被饋送到上變頻器的I分支。Q分支接50 Ω的端接器，從而在實際上禁用了該輸入。在理想情況下，會得到頻譜圍繞載波頻率fc= 59.6 GHz對稱的調幅(AM)信號。然后這個RF信號是通過被測信道傳播，其任意類型的天線都可以使用，但是我們通常采用開端波導WR15，因為它簡單并且能夠獲得輻射圖。所得的輸出信號I與Q分量形成復合而被傳給Tektronix MSO72004C示波器進行采樣以及進一步處理。為了實現完全一致性，本地振蕩器(LO)信號在Agilent 83752A RF生成器中生成，后經Wilkinson功率分配器分配到上下變頻器的LO輸入。

激勵信號是無縫重復的二進制序列形式。序列的長度為N個碼片。最大可觀察的CIR時間跨度取決于碼片的個數：

(1)

(2)

其中:c≈ 3 × 108ms-1是光速。 考慮到N≈ 211= 2 048且fchip= 12.5 GHz，最大傳播距離為Dmax≈ 49 m，對于絕大多數短距MMW信道是足夠的。

當探測序列是理想情況下，相關增益可以被看作是N個高斯白噪聲樣本的平均，由文獻[10]可得：

Gcorr=10·logN

(3)

相關增益本文將在下章節詳細研究，在N= 2 048的情況中，相關增益為Gcorr= 33.11 dB。

2 基于二進制序列時域信道探測器設計

本文提出了一種基于二進制序列的時域信道探測系統。這個系統由幾個現成的實驗儀器構成。它相對基于直接脈沖的時域方法保證了更短的測量時間, 更大的幾GHz的帶寬, 并提供了更好的相關增益。首先本文首先定義一些函數。

2.1 互相關函數

兩個復值函數a(t)與b(t)之間的互相關可以定義為:

(4)

其中: * 表示復共軛。當a(t)與b(t)的周期為T，互相關可以定義為：

(5)

其中:Rab(τ1)表示信號在一個時間(t)周期(T)上的平均值。為使互相關的計算更快，通過傅立葉變換如下：

(6)

2.2 自相關函數

可以在公式4中，令b(t) =a(t)，即可得信號a(t)的自相關函數。如果信號a(t)是周期性的且周期為T，那么自相關函數可以以相同的方式從公式5中得到。因為本文專注于周期性二進制(例如實值的)序列，檢查離散時間周期(循環)自相關函數通常是更方便的:

(7)

其中:N是序列a[n]的碼片的數目，并且索引被理解為取模N，例如a[n]≡a[nmodN]。適合信道探測的Raa[τ1]的理想形狀是單位脈沖， 對公式7，本文將離散時間高階自相關函數寫成:

(8)

考慮到Ra ... a[τ1, ... ,τi] 是i維的單位脈沖，

高階自相關函數也可以用傅里葉變換來計算:

(10)

3 系統操作原理

被測信道可以建模為一個線性時不變系統，其輸入輸出之間的關系可表示為:

(11)

其中:u(t)是系統輸入，y(t)是系統輸出，g1(τ1)是信道脈沖響應。

可用于信道探測的激勵信號有許多種。本文使用二進制序列信號組來用于信道探測激勵信號，本文將檢查兩種類型的二進制信號，最大長度序列(MLS)和Golay互補對。正如前文所述，信號u(t)是具有碼片數N的無縫重復序列。它的周期為T，一個碼片的持續時間為Δt。 由于我們假設g1(τ1)是因果性的且T的長度有限，即:

(12)

m序列互相關法是一種被廣泛使用的線性系統脈沖響應的測量方法。

(13)

圖2所示是一個短m序列的自相關函數。

圖2 一個m序列的循環自相關函數

4 系統設計與實現

本文在基本的配置Dell XPS 8700-R398 PC機上做的實驗，通常被測系統都是至少呈現出弱非線性的行為的。當被測系統是非線性的，所得到的信道脈沖響應會存在一些偽影。偽影不是線性脈沖響應的一部分。如圖3所示使用本文提出的系統得到的測量結果的一個實例。本文在基帶中完成整個測量，即不使用上下變頻器，發生器的輸出直接接到示波器的上的一個通道。為了能夠得到更好地實驗效果，我們對數千個測量取平均以提高信噪比。由圖3中可以看到位于大約15 ns的直接路徑以及位于8 ns和110 ns的一些由非線性引起偽峰。

圖3 運用m序列的示例測量

當系統呈弱非線性時，可以用Volterra級數展開來表示其輸入-輸出關系。Volterra級數展開是系統脈沖響應和Taylor級數的推廣，如下:

(14)

其中:u(t)是系統的輸入，y(t)是系統的輸出，gi(τ1, ... ,τi)是第i階Volterra核，可以看作是系統的高階脈沖響應。請注意，如果系統是線性的，則只有第一階Volterra核g1(τ1)(公式26的第一項)是非零的。那么這個公式退化為普通卷積，其中g1(τ1)是線性脈沖響應。

本文考慮一個最簡單的非線性系統Wiener模型。該模型由一個線性存儲器塊和一個靜態(無存儲器)非線性塊級聯組成。其中的線性存儲器塊可以通過其脈沖響應h(τ)來表征，非線性塊可以建模為(可能截斷的)多項式，

y(t)=c1z(t)+c2z2(t)+c3z3(t)

(15)

當非線性只考慮到第三階，那么這個系統的第i階Volterra核:

gi(τ1,…,τi)=cih(τ1)…h(τi)

(16)

原始序列乘以相同但向右移了一個碼片的序列等于相同但向右移了4個碼片的序列。對于每一個m序列而言移多少位數是唯一的，并且可由m序列的生成LFSR的反饋連接確定。 為了更好地說明，我們在圖4中描繪了一個m序列的二階自相關函數。這個m序列與在之前實驗中用到的m序列完全相同。

圖4 m序列的二階循環自相關函數

信道探測信號的另一個很好的選擇是Golay互補序列對。它們易于用遞歸算法構造，并具有理想的自相關函數。本文考慮長度為16個碼片的互補序列a[n]和b[n]。它們的循環自相關函數如圖5所示。

圖5 互補對的循環自相關函數

Golay互補序列的高階自相關函數的平均值也有有趣的性質。如圖6所示的是二階自相關函數，從圖中我們可以看出，那些函數的最大值低于m序列的相應函數的最大值，并且對于更長的Golay互補序列來說那些函數的最大值甚至更低。由于一些項是負的，一些是正的，由非線性引起的一些偽影可能會相互抵消。此外，這些函數比m序列的相應函數更像噪聲，導致偽影不會像m序列那樣成為偽峰，而是會分散在時間上，并增加總體本底噪聲。

圖6 互補Golay序列的二階循環自相關函數

圖7所示的是運用Golay互補序列的示例性測量。測量設置與圖3及圖5的相同。測量結果實際上沒有偽峰，但是就如上一段所述那樣總體本底噪聲稍高。不過，脈沖響應幅度的估計當然仍會受到非線性的影響。

圖7 運用互補Golay序列的示例測量

5 結論

本文提出了一種工作在時域上的60 GHz信道探測器，簡要描述了它所使用的儀器和使用的原理和方法，詳細描述了在線性和弱非線性環境中使用它的理論背景和數據處理，討論了m序列和Golay互補序列的幾種相關性質。與使用矢量網絡分析儀(VNA)的常規信道探測相比，本文提出的系統的主要優點是信道測量的速度非常快。本文提出的系統被用于測量和表征移動車輛內的時變信道。將來的工作包括用Golay互補序列作為輸入信號測試整個系統。

[1] Mebaley-Ekome S, Clavier L, Frappe A, et al. Estimation of 60-GHz channels based on energy detection[C]. IEEE International Conference on Ultra-Wideband. IEEE, 2014:68-73.

[2] Peter M, Keusgen W. A Component-Based Time Domain Wideband Channel Sounder and Measurement Results for the 60 GHz In-Cabin Radio Channel[C]. European Conference on Antennas and Propagation. IET, 2007:1-6.

[3] Cassioli D, Durantini A. A time-domain propagation model of the UWB indoor channel in the FCC-compliant band 3.6 - 6 GHz based on PN-sequence channel measurements [J]. 2004,1(1):213-217.

[4] Lei M, Huang Y. Time-Domain Channel Estimation of High Accuracy for LDPC Coded SC-FDE System Using Fixed Point Decoding in 60-GHz WPAN[C]. Consumer Communications and NETWORKING Conference, 2009. Ccnc. IEEE, 2009:1-5.

[5] 姜永權, 馬逸新. 一種基于PN序列的OFDM時域信道估計方法[J]. 汕頭大學學報(自然科學版), 2006, 21(4):75-80.

[6] 吳成恩,等一種新的基于訓練序列的時域MIMO-OFDM信道估計方法[J]. 計算機科學, 2012, 39(5):80-82.

[7] 王 超. 60 GHz系統信道均衡器VLSI設計[D]. 成都：電子科技大學, 2013.

[8] 曹立偉. 時域MIMO信道測量平臺設計與通信模塊實現[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學, 2013.

[9] 盧 鑫, 蔡 鐵, 徐 駿. 基于DFT的時域LS信道估計算法[J]. 計算機工程, 2010, 36(11):11-13.

[10] 李丹萍, 劉 毅, 張海林. MIMO SC-FDE系統的時域信道估計新算法[J]. 通信學報, 2011, 32(2):144-149.

DesignandImplementationof60GHzTimeDomainChannelDetectorBasedonBinarySequence

Ding Quan, Zhang Shujuan, Qian Guangchao

(Electric Power Research Institute of Anhui Power Compony,Hefei 230000,China)

the channel detector has a wide range of uses, because the time domain detector requires special hardware based on the existing, has a long development cycle, the shortage of time, in order to solve this problem, this paper proposes a binary sequence based on time-domain channel detector design. The system selects two kinds of binary sequences, that is, the maximum length sequence and the Golay complementary sequence, and theoretically analyzes the advantages of using the two binary sequences as the excitation signal in the time domain detector. The channel detector is proposed in this paper is the experimental platform connected by some experimental instruments and the construction of the platform, through the control of PC, finally the experimental results show that in the millimeter wave band (MMW) for the 57-64 GHz band, the system faster to detection and anti linear interference.

MMW; millimeter wave band; channel detection; m sequence; maximum length sequence; Golay complementary pair; nonlinearity

2017-09-05；

2017-09-27。

國網安徽省電力公司電力科學研究院-信息安全漏洞風險感知預警技術研究項目。

丁 全(1982-)，男，安徽合肥人，高級工程師，碩士研究生，主要從事電力信息安全技術監督工作方向的研究。

1671-4598(2017)11-0303-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.11.077

TP393

A