基于二进制序列60 GHz时域信道探测器设计与实现

，，

(国网安徽电力公司 电力科学研究院，合肥 230000)

基于二进制序列60 GHz时域信道探测器设计与实现

丁全，张淑娟，钱光超

(国网安徽电力公司电力科学研究院，合肥230000)

信道探测器具有广泛的用途，由于现有的基于时域的探测器需要专用的硬件，具有开发周期长，严重耗时等不足，为了解决该问题，提出了一种基于二进制序列时域信道探测器设计方案；系统选择两种二进制序列，即最大长度序列与Golay互补序列，从理论上详细分析了使用该两种二进制序列作为激励信号的时域探测器的各种优点；提出的信道探测器是由一些现成的实验仪器连接并构建的实验平台，该平台通过PC机进行控制，最后通过实例实验结果表明，在毫米波段(MMW)为57-64 GHz频段上，构建的系统探测速度更快以及抗线性干扰能力更强。

MMW；毫米波段；信道探测；m序列；最大长度序列；Golay互补对；非线性

0 引言

在现代通信、定位和雷达系统，特别是对于巨大的带宽在毫米波从57到64 GHz频段上的系统来说，完全掌握传播信道的参数是绝对的益处的，因为这些参数越精确，在数据传输中就可以使用越高级的数据处理方法和调制技术。数据传输速率就更高而且比特错误率(BER)更低。毫米波段中几GHz的巨大瞬间带宽, 能够保证了高数据吞吐量与准确的空间定位。

一般来说获得无线电信道的参数可以通过信道探测器，有几种技术和方法可以完成这些测量。这些测量既可以在频域中也可以在时域中完成. 在频域中，通常使用矢量网络分析仪(VNA)来进行测量。矢量网络分析仪可以进行文献[1]和文献[2]中的阶梯式扫频。而在时域中，利用发送与接收宽带脉冲或脉冲序列来进行测量。已经有几篇文献涉及了60GHz的时域信道探测仪的设计。这些设计通常利用了定制的硬件设计甚至芯片, 而开发这些定制品是很耗时的。例如，文献[3]中作者提出了一个带宽100 MHz的探测系统。这个系统的发送器与接收器之间不需要线缆连接，其能够非常灵活地进行测量。其他一些文献如[4] 、[5]或[6]描述了多种不同的多进多出(MIMO)时域信道探测系统，这些系统的带宽可达几GHz且有合理动态范围。

本文提出了一种基于二进制序列的时域信道探测系统。这个系统由几个现成的实验仪器构成。它相对基于直接脉冲的时域方法保证了更短的测量时间, 更大的几GHz的带宽, 并提供了更好的相关增益。

1 本文提出的测量系统

在时域中测量信道脉冲响应(CIR)有多种方法。通常方法是通过发送高斯脉冲(或由它派生的脉冲)然后运用CLEAN算法[7]解卷积收到的信号来恢复CIR。然而本文提出的是基于脉冲序列而非单脉冲的时域通道探测。如图1所示。

图1 本文提出的信道探测器架构

图1所示的是本文提出的信道探测系统的框图。以Anritsu信号质量分析仪MP1800A作为基带二进制序列发生器，数据速率高达fchip= 12.5 Gbits/s，最大的射频输出功率为13 dBm。数字采样示波器Tektronix MSO72004C用作接收器。它提供4个通道，16 GHz带宽，50 GS/s的实时采集速率以及31.25 MS的每通道数据存储量。信号质量分析仪也提供10 MHz的参考和选通(触发)信号到示波器。功率放大器(PA)与低噪声放大器(LNA)分别是QuinStar QPW-50662330与QLW-50754530-I2。本文利用一台PC机来控制仪器与数据交换以提供附加功能。

Sivers IMA FC1003V/01 上下变频器用于在基带和射频之间变频。它是一个中频输入带宽高达5 GHz的直接转换收发器。基带发送的信号被馈送到上变频器的I分支。Q分支接50 Ω的端接器，从而在实际上禁用了该输入。在理想情况下，会得到频谱围绕载波频率fc= 59.6 GHz对称的调幅(AM)信号。然后这个RF信号是通过被测信道传播，其任意类型的天线都可以使用，但是我们通常采用开端波导WR15，因为它简单并且能够获得辐射图。所得的输出信号I与Q分量形成复合而被传给Tektronix MSO72004C示波器进行采样以及进一步处理。为了实现完全一致性，本地振荡器(LO)信号在Agilent 83752A RF生成器中生成，后经Wilkinson功率分配器分配到上下变频器的LO输入。

激励信号是无缝重复的二进制序列形式。序列的长度为N个码片。最大可观察的CIR时间跨度取决于码片的个数：

(1)

(2)

其中:c≈ 3 × 108ms-1是光速。 考虑到N≈ 211= 2 048且fchip= 12.5 GHz，最大传播距离为Dmax≈ 49 m，对于绝大多数短距MMW信道是足够的。

当探测序列是理想情况下，相关增益可以被看作是N个高斯白噪声样本的平均，由文献[10]可得：

Gcorr=10·logN

(3)

相关增益本文将在下章节详细研究，在N= 2 048的情况中，相关增益为Gcorr= 33.11 dB。

2 基于二进制序列时域信道探测器设计

本文提出了一种基于二进制序列的时域信道探测系统。这个系统由几个现成的实验仪器构成。它相对基于直接脉冲的时域方法保证了更短的测量时间, 更大的几GHz的带宽, 并提供了更好的相关增益。首先本文首先定义一些函数。

2.1 互相关函数

两个复值函数a(t)与b(t)之间的互相关可以定义为:

(4)

其中: * 表示复共轭。当a(t)与b(t)的周期为T，互相关可以定义为：

(5)

其中:Rab(τ1)表示信号在一个时间(t)周期(T)上的平均值。为使互相关的计算更快，通过傅立叶变换如下：

(6)

2.2 自相关函数

可以在公式4中，令b(t) =a(t)，即可得信号a(t)的自相关函数。如果信号a(t)是周期性的且周期为T，那么自相关函数可以以相同的方式从公式5中得到。因为本文专注于周期性二进制(例如实值的)序列，检查离散时间周期(循环)自相关函数通常是更方便的:

(7)

其中:N是序列a[n]的码片的数目，并且索引被理解为取模N，例如a[n]≡a[nmodN]。适合信道探测的Raa[τ1]的理想形状是单位脉冲， 对公式7，本文将离散时间高阶自相关函数写成:

(8)

考虑到Ra ... a[τ1, ... ,τi] 是i维的单位脉冲，

高阶自相关函数也可以用傅里叶变换来计算:

(10)

3 系统操作原理

被测信道可以建模为一个线性时不变系统，其输入输出之间的关系可表示为:

(11)

其中:u(t)是系统输入，y(t)是系统输出，g1(τ1)是信道脉冲响应。

可用于信道探测的激励信号有许多种。本文使用二进制序列信号组来用于信道探测激励信号，本文将检查两种类型的二进制信号，最大长度序列(MLS)和Golay互补对。正如前文所述，信号u(t)是具有码片数N的无缝重复序列。它的周期为T，一个码片的持续时间为Δt。 由于我们假设g1(τ1)是因果性的且T的长度有限，即:

(12)

m序列互相关法是一种被广泛使用的线性系统脉冲响应的测量方法。

(13)

图2所示是一个短m序列的自相关函数。

图2 一个m序列的循环自相关函数

4 系统设计与实现

本文在基本的配置Dell XPS 8700-R398 PC机上做的实验，通常被测系统都是至少呈现出弱非线性的行为的。当被测系统是非线性的，所得到的信道脉冲响应会存在一些伪影。伪影不是线性脉冲响应的一部分。如图3所示使用本文提出的系统得到的测量结果的一个实例。本文在基带中完成整个测量，即不使用上下变频器，发生器的输出直接接到示波器的上的一个通道。为了能够得到更好地实验效果，我们对数千个测量取平均以提高信噪比。由图3中可以看到位于大约15 ns的直接路径以及位于8 ns和110 ns的一些由非线性引起伪峰。

图3 运用m序列的示例测量

当系统呈弱非线性时，可以用Volterra级数展开来表示其输入-输出关系。Volterra级数展开是系统脉冲响应和Taylor级数的推广，如下:

(14)

其中:u(t)是系统的输入，y(t)是系统的输出，gi(τ1, ... ,τi)是第i阶Volterra核，可以看作是系统的高阶脉冲响应。请注意，如果系统是线性的，则只有第一阶Volterra核g1(τ1)(公式26的第一项)是非零的。那么这个公式退化为普通卷积，其中g1(τ1)是线性脉冲响应。

本文考虑一个最简单的非线性系统Wiener模型。该模型由一个线性存储器块和一个静态(无存储器)非线性块级联组成。其中的线性存储器块可以通过其脉冲响应h(τ)来表征，非线性块可以建模为(可能截断的)多项式，

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

(15)

当非线性只考虑到第三阶，那么这个系统的第i阶Volterra核:

gi(τ1,…,τi)=cih(τ1)…h(τi)

(16)

原始序列乘以相同但向右移了一个码片的序列等于相同但向右移了4个码片的序列。对于每一个m序列而言移多少位数是唯一的，并且可由m序列的生成LFSR的反馈连接确定。 为了更好地说明，我们在图4中描绘了一个m序列的二阶自相关函数。这个m序列与在之前实验中用到的m序列完全相同。

图4 m序列的二阶循环自相关函数

信道探测信号的另一个很好的选择是Golay互补序列对。它们易于用递归算法构造，并具有理想的自相关函数。本文考虑长度为16个码片的互补序列a[n]和b[n]。它们的循环自相关函数如图5所示。

图5 互补对的循环自相关函数

Golay互补序列的高阶自相关函数的平均值也有有趣的性质。如图6所示的是二阶自相关函数，从图中我们可以看出，那些函数的最大值低于m序列的相应函数的最大值，并且对于更长的Golay互补序列来说那些函数的最大值甚至更低。由于一些项是负的，一些是正的，由非线性引起的一些伪影可能会相互抵消。此外，这些函数比m序列的相应函数更像噪声，导致伪影不会像m序列那样成为伪峰，而是会分散在时间上，并增加总体本底噪声。

图6 互补Golay序列的二阶循环自相关函数

图7所示的是运用Golay互补序列的示例性测量。测量设置与图3及图5的相同。测量结果实际上没有伪峰，但是就如上一段所述那样总体本底噪声稍高。不过，脉冲响应幅度的估计当然仍会受到非线性的影响。

图7 运用互补Golay序列的示例测量

5 结论

本文提出了一种工作在时域上的60 GHz信道探测器，简要描述了它所使用的仪器和使用的原理和方法，详细描述了在线性和弱非线性环境中使用它的理论背景和数据处理，讨论了m序列和Golay互补序列的几种相关性质。与使用矢量网络分析仪(VNA)的常规信道探测相比，本文提出的系统的主要优点是信道测量的速度非常快。本文提出的系统被用于测量和表征移动车辆内的时变信道。将来的工作包括用Golay互补序列作为输入信号测试整个系统。

[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] 姜永权, 马逸新. 一种基于PN序列的OFDM时域信道估计方法[J]. 汕头大学学报(自然科学版), 2006, 21(4):75-80.

[6] 吴成恩,等一种新的基于训练序列的时域MIMO-OFDM信道估计方法[J]. 计算机科学, 2012, 39(5):80-82.

[7] 王 超. 60 GHz系统信道均衡器VLSI设计[D]. 成都：电子科技大学, 2013.

[8] 曹立伟. 时域MIMO信道测量平台设计与通信模块实现[D]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学, 2013.

[9] 卢 鑫, 蔡 铁, 徐 骏. 基于DFT的时域LS信道估计算法[J]. 计算机工程, 2010, 36(11):11-13.

[10] 李丹萍, 刘 毅, 张海林. MIMO SC-FDE系统的时域信道估计新算法[J]. 通信学报, 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。

国网安徽省电力公司电力科学研究院-信息安全漏洞风险感知预警技术研究项目。

丁 全(1982-)，男，安徽合肥人，高级工程师，硕士研究生，主要从事电力信息安全技术监督工作方向的研究。

1671-4598(2017)11-0303-04

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

TP393

A