CN1314219C - 峰值检测精度 - Google Patents

Abstract

在无线电系统中，通过从发射机X，(40)发送同步序列s(i)i＝0，...，N-1到接收机Y，(48)，以及通过检测在Y的匹配滤波器(44)的输出，h(i)＝s(N-1-i)的峰值，可以确定时间参考点。在实际系统中，这种峰值检测的精度受到在无线信道上干扰和噪声的限制。为了提高峰值检测精度，我们建议反复发送相同的同步序列K次。在重复信号之间的间隔L是常数，以及在每次重复信号时同步序列的幅度按给定的变化图形a(jL)，j＝0，...K-1，变化。接收机Y，(48)知道L和A(jL)，j＝0，...K-1。在与门限值进行比较后，接收机(48)的匹配滤波器(44)可以提供从反复接收的同步序列得到的峰值或由干扰和/或噪声引起的峰值。

Description

峰值检测精度

技术领域

本发明涉及电信号的峰值检测方法及其设备。

背景技术

在无线电发射机X中的匹配滤波器输出的峰值检测，如图1所示，被广泛地使用来确定具有无线电发射机X和无线电接收机Y的无线电系统中的时间参考点，其中匹配滤波器与具有良好的自相关性质的同步序列s(i)，i＝0，...，N-1，相匹配。例如，m序列和金序列(M.K.Simon等，“Spread Spectrum Communication Handbook(扩频通信手册)”，修订本，New York，McGraw-Hill Inc.，1994)具有这种想要的性质。在图1上，发射机12中的信号发生器10发送同步序列通过信道14到接收机16；接收机的匹配滤波器18把滤波器传递函数与输入信号进行相关。出现在匹配滤波器输出端处的相关函数的峰值在峰值检测部分19中被检测。匹配滤波器的传递函数h(i)是h(i)＝s(N-1-i)，i＝0，...，N-1。在理想情形下，在接收机的匹配滤波器输出端处峰值将出现在时间t＝t₀+N-1，其中t₀是从X到Y的无线电波传播时间。如果在固定的处理时间T后相同的同步序列从Y发送到X，则发射机X将在它的匹配滤波器输出端处在t＝2(t₀+N-1)+T时检测到峰值。假设X知道T，它可容易地从来回路程延时2t₀和电磁波的速度V₀＝30km/s导出距离。诸如这样的距离估计是峰值检测方法的应用的一个例子。

在信道上传输的同步信号可被表示为：

$s\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}s\left(i\right)\mathrm{\δ}(t-i),$

以及匹配滤波器的传递函数为：

$h\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}s(N-1-i)\mathrm{\δ}(t-i),$

其中δ(t)是狄拉克Δ函数(脉冲)(A.V.Oppenheim，“Digital SignalProcessing(数字信号处理)”，Prentice-Hall，Inc，1975)。

峰值检测通常是通过把匹配滤波器输出值y(t)与门限值φ进行比较而完成的。像任何线性滤波器一样，匹配滤波器输出是通过卷积y(t)＝s(t)*h(t)得出的(John G.Proakis，“Digital Communication(数字通信)”，第三版，McGraw-Hill Inc，1995)。在理想情形下，匹配滤波器在t＝t₀+N-1时产生最大值Pm＝E_s，其中E_s是s(i)的能量。在实际的系统中，匹配滤波器受到信道上干扰和噪声的影响，所以，倘若φ被设置成使得检测正确的峰值的概率不为零，则一个以上的匹配滤波器输出值会超过φ。有时，由干扰和/或噪声引起的峰值甚至会高于真实的峰值。有时真实的峰值由于干扰和/或噪声的抑制而不能被检测。

发明内容

这个现有的方法存在缺点：如果信号噪声比太差则不能找到峰值。本发明的一个目的是通过提供峰值检测的更精确的方法来解决精确的峰值检测的问题。

按照本发明的第一方面，一种检测电信号中的峰值/谷值的方法包括从发射机发送一个同步信号供接收机接收，其中该同步信号包括以在重复信号之间的预定的时间间隔重复的同步序列，以及同步序列的幅度在重复信号之间被改变。

预定的时间间隔可以基本上是恒定的。

同步序列的重复和序列幅度的变化有利地允许接收信号与发送信号的更精确地相关，以便检测同步信号中的峰值或谷值。

信号的幅度可以通过加权因子被改变，该加权因子可以具有约为零的平均值，以及可以具有被归一化为大约是1的能量。加权因子可以是幅度变化函数或时间序列、以及可以具有a(jL)的形式，其中L是在同步序列的重复信号之间的预定的时间间隔，以及j＝0，...，K-1。

同步信号优选地由接收机的相关器或匹配滤波器接收，该接收机优选地用第一峰值检测器，优选地通过与预定的门限值φ进行比较而检测峰值。接收机优选地具有由于对幅度变化进行相关的幅度相关器。

这里对峰值检测的参考，也可被构建为对信号中谷值的参考。

对于在时间t_q大于门限值φ的每个相关器/匹配滤波器输出值y’(t_q)，幅度相关器优选地把匹配滤波器/相关器的2K-1个输出值，优选地从y’(t_q-jL)到y’(t_q+jL)，与幅度变化函数a(jL)，j＝0，...K-1进行相关。该输出值优选地基本上是等距离的，优选地相隔为L。指出下述情况是非常重要的：y’(t_q)是相关器/匹配滤波器检测的峰值，但在y’(t_q-jL)与y’(t_q+jL)j＝1，...K-1之间的任何匹配滤波器的样本不一定是相关器/匹配滤波器检测的峰值。幅度相关器优选地取来自匹配滤波器/相关器的y’(t_q)和其他优选的2K-1数值，优选地从y’(t_q-jL)到y’(t_q+jL)，j＝1，...K-1，来计算与K个已知加权因子a(jL)的相关函数。

然后，把对于每个检测的同步序列的、来自每组K个幅度相关器输出的最大相关值，优选地与第二门限值θ进行比较。超过第二门限值的数值有利地给出检测到打算的峰值的高的概率，由此给出打算的时间参考点。

然后，接收机优选地在对于发射机是已知的预定的延时(T)，优选地发送同步信号到发射机，该同步信号对于接收机是已知的。发射机的匹配滤波器优选地接收来自接收机的信号。

发射机优选地接收来自接收机的重新发送的信号，以及以与以上对于接收机描述的相同的方式优选地处理接收到的信号。

然后，发射机优选地从在幅度相关器的输出端处峰值的检测时间(t’_m，s)、预定的转发延迟时间(T)、和开始发送同步信号的时间ts，优选地根据t’_m，s＝t_s+T+2(t₀+N-1)，确定在发射机与接收机之间的传播延迟时间t₀。这里，t’_m，s表示参考时间，它指出在每次发送的同步信号中第一接收到的同步序列的末尾。

在同步序列的重复信号之间的延时持续时间可以大于同步序列的长度。

按照本发明的第二方面，用于检测电信号中的峰值/谷值的系统包括发射机和接收机，其中发射机可用来发送同步信号到接收机，该同步信号包括以在重复信号之间的预定的时间间隔重复的同步序列，以及同步序列的幅度在重复信号之间被改变。

接收机可包括至少一个相关器/匹配滤波器，优选地与同步序列的形式匹配。接收机优选地包括幅度相关器。发射机优选地包括至少一个匹配滤波器。

发射机和接收机可以形成可用来执行在第一方面揭示的步骤的定位系统、测距系统、延时估值系统、同步系统、时间提前系统和/或目标检测系统。

这里描述的任何特性可以在任何组合中与以上的任何方面相组合。

附图说明

为了更好地了解本发明和显示如何实施本发明的实施例，现在将参照附图描述具体的实施例，其中：

图1是传统的峰值检测系统的图；

图2是按照本发明的峰值检测的方法的流程图；以及

图3是峰值检测系统的示意图。

具体实施方式

在无线电系统中，通过从发射机X，40发送同步序列s(i)i＝0，...，N-1到接收机Y，48，以及通过检测在Y的匹配滤波器44的输出，h(i)＝s(N-1-i)的峰值，可以确定时间参考点。在实际系统中，这种峰值检测的精度受到在无线信道上干扰和噪声的限制。为了提高峰值检测精度，我们建议重复发送相同的同步序列K次。在重复信号之间的间隔L是常数，以及在每个重复信号中同步序列的幅度按给定的变化图形a(jL)，j＝0，...K-1，变化。接收机Y，48知道L和A(jL)，j＝0，...K-1。在与门限值进行比较后，接收机48的匹配滤波器44可以传递从重复接收的同步序列得到的峰值或由干扰和/或噪声引起的峰值。

为了区分真实的峰值和不想要的峰值，每个匹配滤波器输出峰值y’(t_q)确定要被馈送到幅度相关器45的、2K-1个等距离的匹配滤波器输出样本：从y’(t_q-iL)到y’(t_q+iL)，i＝1，...K-1，它们匹配于a(jL)，j＝0...K-1。通过这些输入，幅度相关器45计算与a(jL)，j＝0...K-1，的K个相关值。第n个相关值被计算来满足假设：y’(t_q)是在重复串中第n个接收的同步序列的末尾处预期的峰值。这是通过把K个输入样本y’(t_q-(n-1)L+jL)与a(jL)，j＝0...K-1，进行相关而完成的。如果第s个相关值z(t_q-(s-1)L)是这K个相关值的最大值，则接收机48将记录z(t_q-(s-1)L)作为与y’(t_q)有关的最大相关值、以及相应的相关起始时间t_q，s＝t_q-(s-1)L。

通过这样做，在任何时间t_i在匹配滤波器输出端处检测的所有的峰值y’(t_q)将导致在相关起始时间t_i，s＝t_i-(s-1)L的相应的最大相关值z(t_i，s)。现在，跟随在幅度相关器后面的峰值检测器52把所有的最大相关值z(t_i，s)与第二门限值进行比较。如果特定的y’(t_m)确实是在第s个接收的同步序列的末尾处的峰值，则与这个y’(t_m)有关的z(t_m，s)必需在统计上是非常大的，因此，以高的概率超过第二门限值。幅度相关器45产生z(t_m，s)的相关起始时间t_m，s规定时间参考点，它最可能指向第一个接收的同步序列的末尾。

更具体地说，在如图3所示的峰值检测方法中，在接收机48中使用匹配滤波器44和幅度相关器45。从发射机发出同步序列s(i)，i＝0，...N-1，K次。在两个相邻的同步序列之间的间隔L是常数，以及对于接收机是已知的，但每个同步序列s_j(i)，j＝0，...K-1的幅度现在按照a(jL)s_j(i)，i＝0，...N-1而变化。不失一般性，a(jL)的能量可被归一化为1，以及a(jL)的平均值是零，即，

$\underset{j=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}{a}^2\left(\mathrm{jL}\right)=1,$ $\underset{j=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}a\left(\mathrm{jL}\right)=0.$

在发射机的输出端处的复合同步信号s’(t)可这样被表示为：

$s^{,}\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_i\left(i\right)\mathrm{\δ}(t-i)*\underset{j=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}a\left(\mathrm{jL}\right)\mathrm{\δ}(t-\mathrm{jL}),$

其中*表示卷积运算。

在理想情形下(即，没有干扰和噪声)，将在t＝t0+N-1+jL处j＝0，...K-1，出现y’(t)＝s’(t)*h(t)的K个峰值(其中y’(t)是第一匹配滤波器44的输出，以及h(t)是第一匹配滤波器44的传递函数，正如在引言中对于匹配滤波器18描述的)，为：

${P^{,}}_m\left(t\right)=\underset{j=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}a\left(\mathrm{jL}\right)P_m\mathrm{\δ}(t-(t_0+N-1)-\mathrm{jL})$

在真实无线电环境中，必须使用门限值φ来规定任何匹配滤波器样本y’(t_i)＞φ为峰值。这样规定的峰值可能是在第j个同步序列的末尾处出现的想要的峰值a(jL)P_m。它们也可能是由干扰和/或噪声引起的峰值。另外，由于干扰和/或噪声的抑制效应，这些检测的峰值可能没有覆盖在每个接收的同步序列的末尾处预期的所有的想要的峰值。然而，想要的峰值的已知的加权因子a(jL)，j＝0，...K-1，使得更容易区分想要的峰值与由干扰和/或噪声造成的不想要的峰值。假设在实际的系统中，有Q个检测的峰值y’(t_q)＞φ，q＝1，...Q，其中某些可能是由干扰和/或噪声造成的不想要的峰值。接收机现在取在t_q的每个检测的峰值y’(t_q)和在y’(t_q)之前的K-1个等距离的匹配滤波器输出样本y’(t_q-jL)以及在y’(t_q)之后的K-1个等距离的匹配滤波器输出样本y’(t_q+jL)j＝1，...K-1，来计算与已知的幅度加权因子a(jL)，j＝0，...K，的K个相关值。

指出下述情况是重要的：y’(t_q)不一定是想要的峰值，以及在y’(t_q)之前/之后的K-1个等距离的匹配滤波器输出样本y’(t_q-jL)/y’(t_q+jL)可以是或不一定是检测的峰值。然而，如果y’(t_q)是想要的峰值，则接收机总是可以在a(jL)，j＝0，...K-1，与K个想要的峰值的幅度之间产生完美的匹配，如果它尝试进行K个不同的相关的话。在y’(t_q)是在第n个接收的同步序列的末尾处预期的峰值的假设下，计算第n个相关。如果在相关计算中a(jL)符合从复合同步信号s’(t)中第j个接收的同步序列得出的峰值的位置，则达到完美的匹配。

这样，接收机48在y’(t_q)是在第一个接收的同步序列的末尾处预期的峰值的假设下开始进行第一个相关。第一相关值

$z\left(t_q\right)=\underset{j=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}a\left(\mathrm{jL}\right)y^{\′}(t_q+\mathrm{jL})$

因此通过把y’(t_q)和K-1个以后的匹配滤波器输出样本y’(t_q+jL)与a(jL)进行相关而得出。因此，第n个相关值z(t_q-(n-1)L)是在y’(t_q)是在第n个接收的同步序列的末尾处预期的峰值的假设下得到的。这是通过把K个匹配滤波器输出样本y’(t_q-(n-1)L+jL)与a(jL)，j＝0，...K-1进行相关而完成的。

$z(t_q-(n-1)L)=\underset{j=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}a\left(\mathrm{jL}\right)y^{\′}(t_q-(n-1)L+\mathrm{jL})$

如果第s个相关值z(t_q-(s-1)L)是K个相关值的最大值，则接收机将记录z(t_q-(s-1)L)作为与y’(t_q)有关的最大相关值、以及相应的相关起始时间t_q，s＝t_q-(s-1)L。如果与y’(t_q)有关的一个以上的相关值给出相同的最大值，则随机地选取它们中的一个值作为z(t_q-(s-1)L)。

通过这样做，在任何时间t_i在匹配滤波器输出端处检测的所有的峰值y’(t_q)将导致在幅度相关器输出端处相应的最大相关值z(t_i，s)。相应的相关起始时间是t_i，s＝t_i-(s-1)L。显然，如果y’(t_i)确实是在第s个接收的同步序列的末尾处想要的峰值，则因为完美的匹配，有关的最大相关值z(t_i，s)在统计上必须是非常大的。而且，因为t_i指向第s个接收的同步序列的末尾，t_i，s＝t_i-(s-1)L自动指向第一个接收的同步序列的末尾。

如果跟随在幅度相关器后面的峰值检测器把所有的最大相关值z(t_i，s)与第二门限值θ进行比较，则可以确定想要的时间参考点。有可能选择θ以使得超过θ的所有的z(t_m，s)规定一个时间参考点，以及相应的相关起始时间t_m，s以高的概率指向复合的同步信号s’(t)中第一个接收的同步序列a(0)s₀(i)的末尾。

应当指出，如果属于同一个复合的同步信号s’(t)的两个想要的峰值y’(t₁)和y’(t₂)给出z(t_m1，s1)＞θ和z(t_m2，s2)＞θ，则t_m1，s1＝t_m2，s2，如果z(t_m1，s1)和z(t_m2，s2)分别是对于y’(t_m1)和y’(t_m2)的完美的匹配的相关值的话。

对于这个新的时间参考点检测方法可以找到许多应用。例如，为了确定来回路程时间2t₀，接收机可以在t＝t_m，s+T开始发射相同的复合同步信号s’(t)。然后，发射机可假设：在它的幅度相关器输出端处检测的最大相关值z(t_m，s)＞θ出现在t_m，s＝2(t₀+N+1)+T，只要它在t＝0已开始发射第一个同步序列。因此，t₀被确定。

通常，不要求L＞N-1。然而，对于L＞N-1，用于新的峰值检测方法的无线系统可以如图2所示被简化，其中信号发生器20产生同步序列，在22把序列传送到组合器，它加上加权因子23。在24，信号被发送，以便在44，在接收机的匹配滤波器处被接收。在28，执行样本选择，后面接着是在30的幅度检测和在32的峰值检测。

这里所揭示的方法可应用来使用于各种系统和装置，总的显示于图3，它们可包括定位系统、测距系统、延时估值系统、同步系统、时间提前系统和/或目标检测系统，或用于以上所有系统的装置。在图3，发射机40被显示为具有信号发生器42，第一匹配滤波器50，幅度相关器51，信号组合器46，峰值检测装置58和相关装置60，以及接收机48具有第一匹配滤波器44，幅度相关器45，峰值检测装置52，相关装置54和转发装置56。

这里描述的方法和设备比起现有的系统和方法具有重大的优点：同步序列的重复和以不同的幅度重复允许更精确的峰值检测，所以，允许根据波的传播速度和从发射机到接收机和返回的来回路程进行更精确的测距等。

Claims (11)

1.一种检测电信号中的峰值/谷值的方法，该方法包括：

从发射机发送一个同步信号以供接收机接收，其中该同步信号包括以在重复信号之间的预定的时间间隔而重复的同步序列，并且同步序列的幅度在重复信号之间是变化的，

由接收机的相关器或匹配滤波器接收同步信号，用以生成输出值，以及

用第一峰值检测器通过比较输出值与预定的门限值φ而检测输出值的峰值，

其特征在于，该方法包括：

由幅度相关器使同步序列的幅度变化与由所述检测到的峰值所确定的输出值相关。

2.如权利要求1所述的方法，其中预定的时间间隔基本上是恒定的。

3.如权利要求1所述的方法，其中信号的幅度通过加权因子被改变。

4.如权利要求3所述的方法，其中加权因子是幅度变化函数或时间序列，幅度变化函数或时间序列具有a(jL)的形式，其中L是在同步序列的重复信号之间的预定的时间间隔，以及j＝0，…，K-1。

5.如权利要求1所述的方法，其中对于在时间t_q的大于门限值φ的每个相关器/匹配滤波器输出值y’(t_q)，幅度相关器使相关器/匹配滤波器的2K-1个输出值，从y’(t_q-jL)到y’(t_q+jL)，与幅度变化函数a(jL)，j＝0，…K-1相关。

6.如权利要求5所述的方法，其中输出值基本上是等距离的。

7.如前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其中对于每个检测的同步序列，把每组K个相关器/匹配滤波器输出的最大相关值与第二门限值θ进行比较。

8.如权利要求1所述的方法，其中在同步序列的重复信号之间的延时的持续时间大于同步序列的长度。

9.一种在检测电信号中的峰值/谷值并且包括发射机和接收机的系统中使用的接收机，其中发射机可用来发送同步信号到接收机，该同步信号包括以在重复信号之间的预定的时间间隔而重复的同步序列，并且同步序列的幅度在重复信号之间是变化的，

该接收机包括：

至少一个相关器/匹配滤波器，接收同步信号用以生成输出值，以及

第一峰值检测器，通过比较输出值与预定的门限值φ而检测输出值的峰值，

其特征在于，该接收机包括：

幅度相关器，用于使同步序列的幅度变化与由所述检测到的峰值所确定的输出值相关。

10.如权利要求9所述的接收机，其中对于在时间t_q的大于门限值φ的每个相关器/匹配滤波器输出值y’(t_q)，幅度相关器使相关器/匹配滤波器的2K-1个输出值，从y’(t_q-jL)到y’(t_q+jL)，与幅度变化函数a(jL)，j＝0，…K-1相关。

11.如权利要求9或10所述的接收机，其中对于每个检测的同步序列，把每组K个相关器/匹配滤波器输出的最大相关值与第二门限值θ进行比较。

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