一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信的分集接收方法及系统
阅读说明：本技术 一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信的分集接收方法及系统 (Diversity receiving method and system for ground wireless communication of vacuum pipeline magnetic levitation vehicle ) 是由 虞凯 韦道准 谢联莲 杨捷 李廷军 庞雪春 杨岗 陈昳 王学林 王业立 王富斌 于 2021-08-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信的分集接收方法及系统。本发明使用多路天线接收实现空间分集,通过低噪放处理以及二次变频对信号进行调理,得到中频信号基于电平幅值对其采样,以电平幅值的采样值作为选择依据,对中频信号进行选择性合并,实现了改善接收信号的多径效应现象,提高接受信号质量,同时系统装置结构简单,制作成本低,易于制造与投入应用。(The invention discloses a diversity receiving method and a system for ground wireless communication of a vacuum pipeline magnetic levitation vehicle. The invention uses multi-path antenna receiving to realize space diversity, conditions the signal through low noise amplification processing and secondary frequency conversion, obtains the intermediate frequency signal and samples the intermediate frequency signal based on the level amplitude value, and selectively combines the intermediate frequency signal by taking the sampling value of the level amplitude value as the selection basis, thereby realizing the multipath effect phenomenon of the received signal and improving the quality of the received signal.)
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信的分集接收方法和系统。
背景技术
由于列车运行于密闭管道中，无线电信号会产生较为频繁的反射、折射现象，使得接收信号是由来自不同路径的信号组合，各个路径延时不同，导致合并信号的幅度是起伏的，容易产生无规则的随机衰落，引发多径效应。除此之外，低真空管道高速磁悬浮列车相比开放环境中的磁悬浮列车，运行速度更快，列车的高速移动会引起时变多普勒频移，进而在不同路径上引入随机频率调制，引发接收信号的周期性衰落，进一步加重多径效应。
目前国内外多采用分集合并技术来改善车地无线通信系统中接收信号衰落的情况，分集方式有空间分集、极化分集、角度分集、频率分集等方式，合并则有选择性合并、最大比率合并和等增益合并。
在分集技术中，空间分集利用空间上相互独立的天线组同时接收发射信号，获得多个独立衰落的信道，通过多信道间信息互补获得分集增益。对于空间分集而言，分集支路数M越大，分集的效果越好。但当M较大时，分集的复杂性增加，分集的增益的增加随着M的增大而变得缓慢。极化分集则是利用两个在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出不相关的衰落特性，利用这一特点，在发端同一地点分别装上垂直极化和水平极化天线，在接收端同一位置也分别装上垂直极化和水平极化天线，就可得到两路衰落特性不相关的信号。极化分集可以看作是空间分集的特殊情况。这种方法的优点是比较紧凑，节省空间，缺点是由于发射功率要分配到两幅天线上去，信号功率将有3dB的损失。角度分集则是在接收端，采用方向性天线，分别指向不同的信号到达方向，则每个方向性天线接收到的多径信号是不相关的。频率分集是将要传输的信息分别以不同的载频发射出去，只要载频之间的间隔大于相干带宽，那么在接收端就可以得到衰落特性不相关的信号。该方法可以减少天线数目，但要占更多的频率资源。
在合并技术中，最大比率合并方式性能最佳，能够充分利用多路信号的冗余信息，对各种信道环境都能适应，特别是可以将信噪比严重恶化的各支路信号合并成信噪比可以接受的有用信号。但是最大比率合并需要实时分析各路信号的信噪比，设备相对复杂，同时对信道估计器的可靠性要求也较高，错误的估计将导致严重的传输性能下降。等增益合并方式性能较最大比合并方式次之，设备相对较简单，但是其性能是在各支路信噪比相差较小时达到。当一路信号严重衰落或被遮挡的极端情况下，由于弱的一路信号的噪声被充分放大参与合并，反而导致等增益合并后的信噪比比单个支路还要差，故适用范围非常有限。选择性合并方式性能相比前两种合并方式较差，不能充分利用各通道的冗余信息。但算法可靠，设备简单，应用较成熟。
公开号为CN106357308A，名为“一种基于空间分集和位置分集相结合的接收方法及系统”的中国专利公开了一种利用多个接收通道分别接收列车前后两个基站的毫米波信号，经信号解调后进行同频接收分集形成两路信号，基于两个车载控制单元进行分集接收的方法。但是本发明是首先利用分集接收方法，经变频后采集信号数据帧的电平幅值，其次再利用选择性合并以电平幅值的采样值作为选择依据，对信号进行筛选后输出。两种方案的实现方法及系统均不一样，所能达到的有益效果也有差异。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的接收信号衰落引发多径效应的不足，提供一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信的分集接收方法和系统，通过空间分集方式，对接收到的信号进行选择性合并，管道高速车地无线通信系统的信号衰落得到明显抑制。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信的分集接收方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤101，通过N幅天线独立接收基站发出的同一信号，获得N路独立信号，其中N是大于或等于2的整数；
步骤102，对N路独立信号进行信号调理，得到N路中频信号；
步骤103，对N路中频信号进行AD采样和延时处理，得到每路中频信号的信号数据帧及每帧的电平幅值采样值；
步骤104，选择电平幅值采样值最大的信号数据帧，将该信号数据帧所对应的中频信号作为目标中频信号，并输出；
步骤105，重复步骤101～104，持续输出目标中频信号。
优选地，一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信的分集接收方法中，所述信号调理采用低噪声放大器对接收到的N路独立信号进行放大处理。
优选地，一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信的分集接收方法中，基于低噪声放大器放大后的信号，利用二次变频得到中频信号。
优选地，一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信的分集接收方法中，所述 AD采样是当检测到每路中频信号的信号数据帧的高电平帧时，对其电平幅值进行采样。
优选地，一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信的分集接收方法中，对电平幅值的采样值进行延时处理，延时量为τ，τ取一个数据帧的长度。
优选地，一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信的分集接收方法中，输入选择性合并模块的电平幅值采样值和中频信号之间存在延时关系，利用上一帧的电平幅值采样值去选择下一帧的中频信号。
一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信的分集接收系统，其特征在于，所述系统包括：
分集接收模块，包括N幅天线，分别架设在列车车体上，用于独立接收基站发出的同一信号，得到N路独立信号，其中N是大于或等于2的整数；
信号调理模块，用于对N路独立信号进行信号调理，以得到N路中频信号；
AD采样和延时模块，用于对N路中频信号进行AD采样和延时处理，得到每路中频信号的信号数据帧及每帧的电平幅值采样值；
选择性合并模块，包括数字信号处理单元，用于选择电平幅值采样值最大的信号数据帧，将该信号数据帧所对应的中频信号作为目标中频信号，并输出。
优选地，一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信的分集接收系统中，所述N 幅天线分别架设在列车的车头和车尾。
优选地，一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信的分集接收系统中，所述N 幅天线，N取值为4，列车的车头和车尾各两个。
优选地，一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信的分集接收系统中，所述车头和车尾天线间的间距为d1，d1取λ/4的奇数倍长度，其中λ为所述信号波长。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：
本发明采用空间分集方式，通过多路天线接收信号，以信号数据帧电平幅值的采样值作为选择依据，对接收到的信号进行选择性合并，充分利用多路信道的冗余信息，一方面抑制低真空管道环境下高速磁悬浮车地无线通信中的多径效应，改善接收信号质量；另一方面在保证性能的同时，设备结构简单，成本低。
附图说明
：图1为车载天线安装示意图；
图2为分集接收系统结构图；
图3为信号调理模块流程图；
图4为选择性合并原理示意图；
图5为分集接收系统流程图；
图6为列车行驶距离和移动基站接收电平变化关系图；
图7为延时量τ长度示意图；
图中标记：1-分集接收模块，2-信号调理模块，3-AD采样和延时模块，4- 选择性合并模块
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
本发明的是利用多路天线接收信号，对接收到的信号进行信号调理，然后经过AD采样和延时处理，根据信号数据帧电平幅值大小对信号进行选择，筛选出的合格信号作为最终的输出信号。
一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信的分集接收系统，分集接收系统结构图如图2所示。
分集接收模块1包括N幅天线，当N取值为4时，所述天线分为两组，如图1所示的列车车头和车尾各有两幅天线，天线间的间距为d1，d1取λ/4的奇数倍长度，λ为信号波长，单位为毫米；四幅天线用于独立接收基站发出的同一信号，得到四路独立信号，输出至信号调理模块2。
信号调理模块2包括低噪声放大器(LNA)、变频器以及带通滤波器(BPF)，基于接收到的四路独立信号，首先通过低噪声放大器对四路独立信号进行低噪放处理，经过第一次变频器变频以及滤波器保留中频，再经过第二次变频器变频以及滤波器保留中频，输出中频信号至AD采样和延时模块、选择性合并模块。
AD采样和延时模块3收到所述中频信号，首先利用AD采样对每路中频信号进行检测和采样，得到每路中频信号的信号数据帧及每帧电平幅值采样值，再经过延时处理，输出至选择性合并模块。
选择性合并模块4以电平幅值采样值作为信号选择依据，如图4所示，利用数字信号处理单元选择电平幅值采样值最大的信号数据帧，将该信号数据帧所对应的中频信号作为目标中频信号，并输出。
一种用于真空管道磁悬浮车地无线通信的分集接收方法的流程图如图5示，包括如下步骤：
步骤101，通过N幅天线独立接收基站发出的同一信号，获得N路独立信号，其中N是大于或等于2的整数；
在移动无线通信中，空间略有变动就可能出现较大的场强变化，当使用两个或两个以上天线接收信号时，它们受到衰落影响是不相关的，两者在同一时刻经受衰落点影响的可能性也较小，因此可以采用多副天线接收的空间分集方案，利用多副天线独立接收同一信号，再合并输出，衰落的程度能被大大地减小。
具体的，在列车的车头和车尾分别架设两幅天线，四幅天线独立接收基站发出的同一信号，得到四路独立信号r1(t)、r2(t)、r3(t)、r4(t)，四路独立信号所在的通道分别为分集信道1、分集信道2、分集信道3、分集信道4，其中信号从基站发出到天线接收的过程中也存在其他干扰信号n1(t)、n2(t)、n3(t)、n4(t)，如图4 所示。
步骤102，对N路独立信号进行信号调理，得到N路中频信号；
对接收到的四路独立信号r1(t)、r2(t)、r3(t)、r4(t)，进行低噪放处理以及二次变频，如图3所示，首先利用低噪声放大器(LNA)将信号进行放大；其次利用二次变频，将信号变频至中频信号，同时抑制镜像频率，具体的，第一本振源 (LO1)和第二本振源(LO2)的频率分别取f1和f2，接收到的信号频率为f0，经过第一次变频后，进行低通滤波，保留频率为If＝f0-f1的中频信号，再经过第二次变频后，进行低通滤波，保留频率为If＝f0-f1-f2的中频信号，四路中频信号一方面输入到选择性合并模块中，另一方面输入到AD采样和延时模块。
其中，镜像频率是与本振信号相差一个中频频率的信号，当它混入接收的信号时，会在变频时同样产生“中频信号”，可以表示为f1-If，该“中频信号”会对真正的中频信号带来干扰，这种现象常存在于第一级变频中，由If＝f0-f1可知，当二次变频的第一级变频采用低频率的本振LO1，则输出一个高频率的中频，此时与本振相差一个中频的镜像频率f1-If就会被抑制，实现了对于镜频的抑制作用。因此二次变频的过程能够抑制频率为f1-If的镜像频率的干扰，同时中频信号也更容易处理。
步骤103，对N路中频信号进行AD采样和延时处理，得到每路中频信号的信号数据帧及每帧的电平幅值采样值；
AD采样模块接收到四路中频信号后，对其进行电平检测，在检测到比较高的电平时，对当前中频信号的信号数据帧进行采样，并且输出每路中频信号的信号数据帧及每帧的电平幅值采样值，假设四路信号数据帧电平幅值的采样值分别为V1、V2、V3、V4，大小关系为V1＞V2＞V3＞V4；由于所述四幅天线不一定能同时接收到信号，利用延时来保证每一帧信号的电平幅值的采样值成功输入到选择性合并模块，具体的，采样结果经过延时τ保存后，再发送给选择性合并模块作为信号选择依据，τ取一个数据帧的长度，如图7所示。
特别的，由于采样存储存在耗时问题，并且数据帧的传输速度相对较快，即对当前一帧的信号采样存储，当操作完成时，下一帧数据已经传送完成，但是由于信号的电平变化在一定时间内是连续且波动较小的，如图6所示，当前保存的这一帧数据采样值和下一帧数据的采样值相差不大，可以用当前的采样值作为下一帧采样值的近似值。可以理解为，利用上一帧输入到选择性合并模块的信号电平幅值采样值，来判断下一帧输入到选择性合并模块的信号的情况。
步骤104，选择电平幅值采样值最大的信号数据帧，将该信号数据帧所对应的中频信号作为目标中频信号，并输出；
选择性合并模块接收到中频信号和电平幅值采样值，以电平幅值采样值V1、 V2、V3、V4作为选择依据，数字信号处理单元依据最大电平幅值采样值，选择出信号数据帧所对应的中频信号作为目标中频信号，并且自动切换至目标中频信号所在的一路分集信道，即电平幅值采样值V1所对应的分集信道，对其当前分集信道的目标中频信号进行保留并输出，舍弃其它分集信道的中频信号，完成对当前所接收到的四路独立信号的选择。
步骤105，重复步骤101～104，持续输出目标中频信号。
由于基站发出的同一信号，都包含四幅天线独立接收到的四路独立信号，即都包含有多帧信号数据帧，故系统在对每一帧信号数据帧进行选择，输出目标中频信号时，需要重复上述步骤。
综上所述，利用多幅天线独立接收同一信号再合并输出，可以减小信号衰落程度；同时由于电平幅值大小可以反应信号的衰落情况，因此选择性合并可以避免衰落情况过于严重的信号对于后续的处理带来不利的影响。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。