阅读说明：本技术 基于信号相似度的快速分集方法 (Rapid diversity method based on signal similarity ) 是由 李廷军 陈子健 杨海宁 程钰间 樊勇 方凯 王海明 高原 蒋俊 邓江明 王倩 于 2021-09-28 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于信号相似度的快速分集方法,包括以下步骤：S1、接收多个通道的输入信号并解调得到帧信号；S2、多个通道并行计算误差能量,将最先检测到的有效帧头有效门信号上升沿作为起始时间,同时往后延时预设的时间作为帧头接收时间窗；S3、在帧头接收时间窗内计算帧头误差能量；判断帧头误差能量是否具有最小值并且最小值小于预设门限值,若是则保存最小帧头误差能量；S4、对所有最小帧头误差能量进行比较,若只存在一个最小值则选取最小值对应的通道；若存在多个最小值,则从最小值对应的通道中选取排序最靠前的通道。本发明在空间分集的基础上,提出一种空间多组数据信息帧的相似度计算和判决方法,能够快速选择出一路最优信道。(The invention discloses a rapid diversity method based on signal similarity, which comprises the following steps: s1, receiving input signals of a plurality of channels and demodulating the input signals to obtain frame signals; s2, a plurality of channels calculate error energy in parallel, the rising edge of the effective door signal of the effective frame header detected firstly is used as the starting time, and the preset time is delayed backwards to be used as the frame header receiving time window; s3, calculating frame header error energy in a frame header receiving time window; judging whether the frame header error energy has a minimum value and the minimum value is smaller than a preset threshold value, if so, storing the minimum frame header error energy; s4, comparing all the minimum frame header error energies, and selecting a channel corresponding to the minimum value if only one minimum value exists; and if a plurality of minimum values exist, selecting the channel with the top rank from the channels corresponding to the minimum values. The invention provides a similarity calculation and judgment method of spatial multi-group data information frames on the basis of spatial diversity, which can quickly select an optimal channel.)

基于信号相似度的快速分集方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于信号相似度的快速分集方法。

背景技术

高速磁悬浮列车的通信系统对可靠性要求严格，其性能影响着整个系统的正常运行，准确、及时的实现数据接收是高速铁路通信系统的技术要点。无线通信存在多径效应引起的码间干扰和信道衰落，载体在高速移动时加剧了多普勒频移，将导致通信质量降低，改善的措施包括缩短传输距离、扩频和分集接收等。

分集接收作为解决信道衰落的主要技术，基本原理是：通过分集接收装置对多个信道(时间、频率或者空间)接收到的信号进行多路采集，由于多个信道的传输特性不同，承载相同信息的多个信号副本的衰落就不会相同，接收机按照一定的策略对多个副本进行合并，更好的恢复出原发送信号。在移动无线环境中，特别是高速磁悬浮轨道交通，以及多天线多基站的高速移动无线环境中，由于信号来自不同的时间、频率和空间，而采用分集方法可以提高无线通信信道的传输质量以及处理速度，所以分集技术的应用对于这些应用场景是非常重要的。

分集技术使接收端获得多个相互独立的支路信号，合并技术解决以何种方式将多路信号相结合以提高输出的信噪比。传统的合并方法主要分为三类：选择合并(SC)、等增益合并(EGC)以及最大比值合并(MRC)。

MRC的加权方式是对支路信号进行相位调整，并乘以一个与噪声功率有关的系数，使得各支路同相相加并加强了信号削弱了噪声。MRC合并需要对各个分集支路进行不断的检测以估计信道的衰落幅度、相位，这使得接收机的结构复杂。

EGC相比MRC复杂度低，与MRC方式的区别在于不在对信号幅度进行加权，EGC可以看作是MRC的一个特例。虽然减少了对信号衰落幅度的估计，降低了复杂度，但是由于只对相位进行补偿，当相位估计出现误差时会出现比MRC更严重的问题，同时信号衰弱较大的分支也以同样的幅度系数参与合并，会导致引入更多的噪声。

SC的方式是只选中瞬时信噪比最大的一路信号将其输出，由于无需进行信道估计，故复杂度最低，但也需要实时对支路信噪比进行计算，并且牺牲了合并增益。

由于该技术的应用背景针对于高速磁悬浮无线通信环境中，上述三种传统合并技术难以在分集系统的性能增益与技术实现简易性之间进行折中，尤其在处理时间极短的这种特定场合中，需要短时间内快速分集处理接收到的多路信号，所以上述传统的分集方法效率较低，很难实现。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术在处理多路信号时间慢、信号恢复质量差、信噪比计算时间长等问题，在空间分集的基础上，提出一种空间多组数据信息帧的相似度计算和判决方法，能够快速选择出一路最优信道的基于信号相似度的快速分集方法。

本发明的目的在于提供一种基于信号相似度的快速分集方法，包括以下步骤：

S1、接收多个通道的输入信号，分别对每个通道的输入信号进行解调，得到帧信号；

S2、将每个通道中长为N段码元的帧头作为快速分集处理的对象，对帧头内所有N段码元进行M倍过采样，得到长度为N×M的帧头序列，将过采样得到的帧头序列滑入移位寄存器中，与移位寄存器中存储的数据帧协议规定的帧头码元以自相关计算的形式计算帧头误差能量S_ij，将帧信号和帧头误差能量送入FIFO中以进行后续判断；

S3、判断帧头能量误差是否满足以下两个条件：

a、S_i(k-1)＞S_ik且S_i(k+1)＞S_ik，其中S_i(k-1)、S_ik、S_i(k+1)分别表示k-1、k、k+1时刻第i路通道的帧头能量误差；

b、S_ik＜S_R，即k时刻第i路通道的帧头误差能量小于预设的门限值S_R；

若通道i第k时刻的能量误差满足以上两个条件，则通道i产生一个帧长度的通道有效门信号；将最先符合以上两个条件的通道有效门信号上升沿作为起始时间，并往后延时一个预设的时间，作为帧头接收时间窗；

S4、对于每一个通道，帧头误差能量值随着帧头滑入移位寄存器的过程时刻变化，在帧头接收时间窗内，对帧头内所有N段码元进行M倍过采样，将过采样得到的码元序列滑入移位寄存器中，并与移位寄存器中存储的数据帧协议规定的帧头码元逐次计算帧头误差能量S_ij；判断在帧头接收时间窗内每个通道的帧头误差能量是否具有最小值并且最小值小于预设门限值，若是则与FIFO中所存储的帧头误差能量比较并实时更新，保存最小帧头误差能量，并将该帧信号作为有效信号进行保存；否则将该帧信号视为无效信号剔除；

S5、帧头接收时间窗结束后，对所有通道保存的最小帧头误差能量进行比较，若最小帧头误差能量只存在一个最小值，则选取最小帧头误差能量最小值对应的通道作为接收机的接收信道；若最小帧头误差能量存在多个最小值，则从最小帧头误差能量最小值对应的通道中选取通道排序最靠前的通道作为接收机的接收信道；信号整帧传输完毕后，将通道有效门信号置零，清空FIFO，开启新一轮分集接收。

本发明的有益效果是：本发明提出的一种基于信号相似度的快速分集接收方法解决了传统的分集方法在处理多路信号时间慢、信号恢复质量差、信噪比计算时间长等问题，在空间分集的基础上，提出一种空间多组数据信息帧的相似度计算和判决方法，能够快速选择出一路最优信道。

附图说明

图1为本发明的基于信号相似度的快速分集方法的使用场景图；

图2为本发明的基于信号相似度的快速分集方法的流程图；

图3为本发明快速计算帧头误差能量过程；

图4为本发明的帧头误差能量判决示意图；

图5为本发明的多路通道信号处理过程。

具体实施方式

图1为本发明的通信设备布局示意图，地面基站将信号分散发射向列车上布置的多个接收天线。列车上多个接收天线对应的接收信道接收到承载相同信息的多个副本，由于多个信道的传输特性不同，信号多个副本的衰落就不会相同，信道之间相互独立完成信号合并接收过程。

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。

如图2所示，本发明的一种基于信号相似度的快速分集方法，包括以下步骤：

S1、接收多个通道R₁～R_n的输入信号，分别对每个通道的输入信号进行解调，得到帧信号；

S2、将每个通道中长为N段码元的帧头作为快速分集处理的对象，对帧头内所有N段码元进行M倍过采样，得到长度为N×M的帧头序列，将过采样得到的帧头序列滑入移位寄存器中，与移位寄存器中存储的数据帧协议规定的帧头码元以自相关计算的形式计算帧头误差能量S_ij，如图3所示；

为了比较两个帧头码元的相关程度，引用数字信号处理方面的相关系数概念。例如通道R_i在j时刻获取到的帧头码元序列为[y_i(j)，y_i(j+1)，...，y_i(j+N*M-1)]，数据帧协议规定的帧头码元序列为[x_i(0)，x_i(1)，...，x_i(NxM-1)]，则两个帧头码元在j时刻的帧头能量误差S_ij为：

a可以使用异或运算的方法选为1，得到帧头误差能量的表达式为：

将帧信号和帧头误差能量送入FIFO中以进行后续判断；

S3、判断帧头能量误差是否满足以下两个条件：

a、S_i(k-1)＞S_ik且S_i(k+1)＞S_ik，其中S_i(k-1)、S_ik、S_i(k+1)分别表示k-1、k、k+1时刻第i路通道的帧头能量误差；

b、S_ik＜S_R，即k时刻第i路通道的帧头误差能量小于预设的门限值S_R；

若通道i第k时刻的能量误差满足以上两个条件，则通道i产生一个帧长度的通道有效门信号；将最先符合以上两个条件的通道有效门信号上升沿作为起始时间，并往后延时一个预设的时间，作为帧头接收时间窗；

S4、对于每一个通道，帧头误差能量值随着帧头滑入移位寄存器的过程在时刻发生变化，因此需要在确定帧头接收时间窗后，在帧头接收时间窗内重新计算每个通道的帧头误差能量；在帧头接收时间窗内，对帧头内所有N段码元进行M倍过采样，将过采样得到的码元序列滑入移位寄存器中，并与移位寄存器中存储的数据帧协议规定的帧头码元逐次计算帧头误差能量S_ij；判断在帧头接收时间窗内每个通道的帧头误差能量是否具有最小值并且最小值小于预设门限值，如图4所示，若是则与FIFO中所存储的帧头误差能量比较并实时更新，保存最小帧头误差能量，并将该帧信号作为有效信号进行保存；否则将该帧信号视为无效信号剔除；

S5、帧头接收时间窗结束后，对所有通道保存的最小帧头误差能量进行比较，若最小帧头误差能量只存在一个最小值，则选取最小帧头误差能量最小值对应的通道作为接收机的接收信道；若最小帧头误差能量存在多个最小值，则从最小帧头误差能量最小值对应的通道中选取通道排序最靠前的通道作为接收机的接收信道，如图5所示；信号整帧传输完毕后，将通道有效门信号置零，清空FIFO，开启新一轮分集接收。

传统选择合并(SC)需要对各支路信号计算信噪比，每路的计算处理时间是整信号帧长度T_sc，本发明的计算处理时间实际是时间窗T，故达到了快速分集接收的目的。

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。