（通信与信息系统专业论文）时空调制接上机性能分析及射线跟踪法辅助定位研究.pdf

南京航空航天大学硕士学位沧文 摘要 本文选题来自国家自然科学基金在务。随着移动通信鲍快运发展，许多安全部门、 紧急救援组织以及广大用户处于安全和方便的考虑，都希望移动通信系统能够提供用 户位置信息的服务。目前移动通信定位主要存左两方面的问题：一是定位对通售育影 响：二是定位精度不够高。本文着重对捌角定位系统和测距差定宣系统展开研究：f 其 中，测角系统采用导师提出的“多天线的时空调制技术”获得方位信息，# 田此村用 户进行定位。其优点是充分利用不同天线的空间传播特点，对多径效应进行有效的抑 訇! = ) 教文阐述了时空谭割的规理，建立了日寸空迥够接蝗女巳的拦型尊i 芬磋型笔遵。言 与定位性能进行了研究。在测距差系统中，提出了一种新的算法，以提高定位精度。 该方法采用双曲线定位洼对用户进行初步定位，然后用射线跟踪法对定位结果进行修 正，抑制多径信号对定位精度的影响。文中介绍了射线跟踪法的实现及射线跟踪法辅 助定位的实现。 关键词：移动通信无线定位时空调制射线跟踪多径 时空谪寄j 接收梳性能分丰斤及射线跟踪法转助定位瓣宠 a b s t r a c t w i t hr a p i dd e v e l o p m e n to ft e l e c o m m u n i c a t i o n v a r i o u so r g a n i z a t i o n s ，s u c ha sn a t i o n a l s e c u r i wa g e n c ) e m e r g e n c ya n dp o l i c ed i s p a t c h e r s 。r e q u i r ec e l l u l a rs e r v i c ep r o v i d e r st o p m t i d e 。m c c h a n i s m 白fg c m o c a t i o ns r v i 。t ，m a n y t ) fh ee x i s t i n gc e l l u l a rl o c a t i o n t e c h n o l o g i e s h a v es e v e r ei i m i t 越i o n so n ei st h ee 币c i e n c yo ft r a f f i cw h e nl o c a f i o n t e c h n o l o g y i si m p l e m e n t e di nc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t h eo t h e ri st h ea c c u r a c yo f l o c a t i o n 。 t h i sp a p e rs t u d i e dt w om e t h o d st b rc e l t u t m , l o c a t i o ns y s t e m ：m e a s u r e da n g l e so fa r r i v a l i a o a ) it i m ej i 魏：o ：a f 。, - r r v a ：i t d o a ) 芝0 c , - n , e a s 毪r e i t a , e n o b 囊1 1 5 ：。c a t i o n i n f o r m a t i o nf r o mm u l t i a n t e t l n a s s p a c e a n dt i m em o d u l a t i o n ( s t m ) r e c e i v e r 强糖 m e c h a n i s mo fs t j di sd 粥o n s 对a i e d y h em o d e o f s t mr e c e i v e ri se s t a b l i s h e d q n sp a p e r a l s oe x a m i n e st h ep e r f o r m a n c eo fs t m r e c e i v e r ，c o m b i n e dw i t ht d o am e a s u r e m e n ta n d r a y t r a c i n gt e c h n o l o g y , a n o v e l a p p r o a c h t h a tc a l le l i m i n a t ee r r o r si n t r o d u c e db y m u l t i p a t h i sp r e s e n t e d t h ep e r f o r m a n c e o ft h i sm e t h o di se v a l u a t e d k e y w o r d ：m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ，w i r e l e s sg e o l o c a t i o n ，s p a c ea n dt i m em o d u l a t i o n ， m y t r a c i n g 。m u k i p a t h 一2 一 南京航空吭天丈学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 移动用户定位的需求 通蔷定盘筻综旨免是爰化鬯子系统综合一体他的重要缉曦瓤锌也是学科发展的 必然趋势。其中安全性是促进车辆定位( a v l ) 技术发展的首要动因，也是需要对电信网 用户终端进行定位的主要考虑因素之一。目前公众交换电话网( p s t n ) 中的紧急呼叫业 务( 如匪警儿o 、火警1 1 9 、医疗急救1 2 0 、交通事故1 2 2 等) 可以提供呼叫用户电话号 码的自动识别( a n ) 和用户地理位置( 对固定电话用户) 等信息，以利随时与紧急呼叫用 户进行必要的通信联络。 随着移动通信技术的发展，无线蜂窝网的覆盖面越来越广，移动电话移动台( m s ) 普及率也越来越高，移动电话发起的紧急呼叫数量在全部紧急呼叫中所占的比例也随 之上升。现有的蜂窝网能为移动电话紧急呼叫提供的辅助决策信息非常少，移动用户 的流动性使得很多情况下用户对周围环境并不熟悉，因此紧急呼口q 时很难准确描述其 所处的地理位置，调查表明，约有2 5 的移动用户在发起紧急呼叫时不知道所处的确切 位置这对及时合理的处理紧急呼叫十分不利甚至贻误时机。如果移动嗣户发出紧急 呼叫时，能自动地将移动台的确切定位值提供给有关部门，并与其它的调度管理应用 系统配合构成高度智能化的计算机辅助决策( c a d ) 系统，将极大地提高公众紧急服务的 现代化水平。 因此，美国联邦通信委员会( f c c ) 于1 9 9 6 年1 0 月通过了e 9 i1 决议 1 ，强制性 要求在五年内，即最迟到2 0 0 1 年l o 月1 日，移动通信网要能为发起紧急呼叫的移动 用户提供应急终端的号码和准确的定位信息。位置信息中经纬度的精度要求在6 7 以上 的慨率内小于1 2 5 米。咀后逐步提高到9 0 概率内小于4 0 米，对无线本地网用户，还 可提供楼层的高度信息。 1 2 移动电话用户定位的分类与原理 一、移动电话定位系统的分类 目前，针对移动电话的定位系统可分为两大类：基于移动台的定位系统和基于网 络的远程定位系统。前者属于自主定位系统，有两种：一是将g p s 或g l o n a s s 接收机 集成于移动台o , i s ) 中。其最大优点是系统实现简单，除了要对移动台改进外，无需 对现有的蜂窝网做任何改动，只需在懈与特定的应用中心之问建立数据链路，就可以 一l 一 时空稠制接收机性能分析及射线跟踪法辅助定位研究 近仃u p s o l o h a a b 正i 立i n 爵司拄而q i j 总i j l 送，买玩吾芹应焉坊琵。匿为了满足：j i i 的要求，在用户手机中嵌入g p s g l o n a s s 模块多数用户不易接受 2 。另一种是m s 接 收不同基站( b s ) 的信号，通过测量t d o a 进行运算定位。这种系统要求跗现有蜂窝网 作必要的改进，除了要在m s 中采用抗多径算法和定位算法来精确测量到达时间差 t t d o a j 之外，还应左羽络同步方面采取适当措施。 基于网络的定位系统属于远程定位系统，是由不同的b s 接收m s 发射的信号，进 行参数测量，实现对懈的定位。实际的实现方案有两种。一种是在b s 中增加定位接 收单元处理来自s 业务信道中的突发信息，以进行t o a 测量并送往定位中心( l c ) ， 计算i d u a 值、永解定位点。要进行精确的t d o a 厕量和走位，基立占网络龙、须同步或者 各b s 间的时钟差在l c 中己知。 二、移动电话定位系统的原理 定位系统可以利用信号强度( s s ) 、载波相位( c p ) 、信号到达角度( a o a ) 和时间测量 值( 包话信号到达时间t o a 、信号到达时间差t d o a ) 以及它们的组合进行定位估算。每 个参数测量值可以确定目标所在的一条轨迹，多个测量值可以确定目标所处的多条轨 迹，通过求解轨迹交点便可以确定移动目标的位置。在某些情况下，轨迹交点可能并 非唯一即出现定位点的模糊性( 如t o a 或t d o a 二维定位，两轨迹相交时可能有2 个 交点) ，这可以通过一系列方法加以解决。例如利用与移动目标运动轨迹连续性有关的 先验信息或者额外的测量值( 如s s 、a o a 、t o a 、t d 。a ) 来确定真实的定位点，更多的测 量值将有助于提高定位精度和可靠性。 在自主定 立系统中，m s 可以接收b s 的信息并进行适当的信号参数测量，并利用这 些测量值算出m s 的位置。在远程定位系统中，m s 发出的信号被一个或多个接收机接收、 测量，测量值被送往定位中心( l c ) 进行运算求出该m s 的定位值，这些定位信息可以在 l c 应用，也可以传给其它系统应用，如计算机辅助调度决策系统等。在实际应用中， 经常需要将主定位信息传给远端的应用中心( 称作f 司接远程定位) 或将远程定位中e l 算 出的定位数据传给有关的m s ( 间接自主定位) 应用，这就是所谓的间接定位。 i 3 移动用户定位的精度及误差因素 若移动用户定位系统中采用的观测量是t o a ，则要求m s 的发射与所有b s 的接收 精确同步( 1us 的定位误差将导致3 0 0 m 的定位误差) ，并且在其发射信号中要包含发 射时间标记以便接收基站信号到达时间，确定信号所传播的距离。因此，影响t o a 定位 系统的误差有：m s 时钟与b s 时钟的神差、多径误差、非视线传播( n l o s ) 、接收机通 道延迟、b s 转发延迟、热噪声等。其中，m s 时钟与b s 时钟的钟差、多径误差、b s 转 发延迟和非视线传播是主要的误差源。由于t o a 系统需要精确的时钟同步( 这一点目 前难以做到) 以及在上行链路中要加入时间标记( 这使得上行链路数据量增大) ，这些 因素使得t o a 定位系统的实际应用意义不大。 一0 一 南京航空航天大学硕士学位论文 苦宅竺系笼覃鼍舱理捌量是? 0 出了只需测量! 嚣发射的售弓到进千嗣：! 筘传 播时间差，因此不需要m s 与b s 间的精确同步。所以，影响定位误差的主要原因是多 径误差、非视线传播和接收机的延迟锁定环误差，同时还有帽邻用户的干扰。文献 3 的仿真结果表明，延迟锁定环的误差主要是由多径引起的，因此，t d o a 系统的主要误 差可以认为是多径误差和非视线传播。 a o a 定位只需要2 个b s 进行a o a 测量便可唯一确定一个二维定位点，不存在定位 点的模糊性，但存在角度测量误差、多径传播误差和非视线传播误差。其中非视线传 播将直接影响测角精度。本文将介绍基于时空调制技术的测角定位方法。 1 4 时空调制的特点 时空调制是将多天线时空阵列处理、时空编码与调制理论相结合的调制方法。经 典的调制理论采用单天线对信号进行发射和接收，而时空调制采用多天线发射，多天 线接收，它与普通调制的不同在于，调制信号中含有用户的方位信息，且能有效抑制 多径和抗移动通信信道的快慢衰落。例如，当信噪比为2 0 分贝，带宽为3 0 0 k h z 的衰 落信道，用单天线发射时，信道利用率为1 1 4 o b s h z ；若采用时空编码，达到同 样性能，信道利用率为9 8 b s h z 4 。 1 5 射线跟踪方法及应用现状 目前，用理论的方法预测无线电波在复杂环境下的传播十分困难，因此广泛采用 射线跟踪法对电波传播进行预测。在第三代移动通信中，系统的工作频率比较高，可 达到1 8 2 o g h z ，因为电波的波长比建筑物尺寸小的多，此时电波的传播可以用几 何光学来近似，即认为电磁波沿直线传播，远场区的电磁波可视为局部平面波，可以 用射线跟踪法对电波传播进行预测。 射线跟踪的基本思想是：将电波发射点视为点源，其发射的电磁波作为向各个方 向传输的射线，对每条射线进行跟踪，在遇到障碍物时按反射、透射或绕射来进行场 强计算，在接收点：悔到达该点的各条射线合并，从而实现电波传播预测。 射线跟踪法的测量精度取决于建筑物模型和射线模型的复杂度。模型越复杂测量 精度越高，但是计算量也越大。 目前，射线跟踪法主要应用于无线通信系统小区覆盖范围的预测 5 。传统的测量 方法首先对小区进行划分，然后用场强计对划分好的各点进行测量，估算出小区的覆 盖范围，这种方法与射线跟踪法相比需要耗费大量的人力物力，不够经济。出文献 j ， 6 ， 7 j 中可以看出，射线跟踪法的计算结果与传统方法的测量结果相比十分接 近，是一种有效而且经济的预测技术。 时空调制接收机性能分析及射线跟踪法辅助定位研究 1 6 本文所做的工作及章节安排 本课题来源于导师的国家自然科学基金项目，此基金项目的主要任务是解决未来 移动通信系统中定立和在恶劣的多径干扰下频率功率有效通信的双重问题。本文基于 导师的研究成果新型的时空调制理论及目前广泛采用的射线跟踪法分别对a o a 和t d o a 定位系统进行研究。 工作内容概述如下： 1 在对时空调制的码空间进行研究的基础上产生时空调制基带信号。 2 建立时空调制接收机的数学模型。 3 研究时空调制接收机的误码率及测角性能。 4 建立三维射线跟踪模型。 5 建立双曲线定位模型。 6 将射线跟踪模型与双曲线定位相结合进行辅助定位。 7 研究射线跟踪法辅助定位的性能。 本文在第二章介绍了时空调制的原理：第三章介绍了时空调制接收机的模型及性 能研究；第四章介绍了射线跟踪法辅助定位方法及性能研究。 南京航空航天大学砸十学位论又 第二章时空调制定位原理 2 t 测向定位原理 测南定空洼主要裂号塑是三鲁测量法及夏三晕测量洼，璺2 - i 一：示出二维平 酉主对丰蔓射：秭兰牙测向定壹r j ：夏剽罨桓翥潭进j 亍导豌眉的被云j j 定位i h j 的两秭情 - 兀4 用产 b 用户 ( x ! ，y 2j y ：) 置2 ：一1 潮向定位器理图 设焉t 霸；商台测得辐射源方再鼻刹为9 夏j ，项：j 营为正习，若已急测寓言车 身的坐标位置( x 。，v ) ，y ! j ，则利用两个等方位线i ：，e ：为等方虚线j 相交即 可求得车菖射源的坐标位置( x ，y ，) ，见图( a ) ，凌方法称为三角测量法。若载有测向机的 载体对已知两辐射源i ，2 进行测向，得到两个方泣角数据io ，8 。：) 。已知辐射源 鲍位置为j ，vj 受j x ，蚶显然利罨富辐射源起始的两个等方龟线：z e ，= + o ! 等方位线j 的交点，就可以求得载津的坐标盘置，该方法称为反三角测量法。 2 2 测角系统的位置线误差 2 2 1 位置线误差 定位准确度是衡量无线电定位系统性能的最主要技术指标，而定位误差的产生首 先是由于在定位信号电参量( 振福、频率、相位、传播时间) 的测量过程中，不可避 免地存在由设备和传播条件所引起的误差，由于信号的电参量和定位参数( 角度、距 离、距离差、速度) 之间存在定的对应关系，因此电参量的测量误差将引起对应 时空调制接收机性能分析及射线跟踪法辅助定位研究 萎j j 匿参孤浜主舀杰，福厦地盘产生位置线、两个寻航生怀取画趸瘟i j 票i j 鞔遗j 误差：另夕卜，由于无线电定位系统在定位过程中至少需要测量两条位置线，因此定位 误差不仅与每条位置线本身的误差有关，而且与两条( 或几条) 位置线的相对位置i 夹 角) 也有关。 盈子琶定生系统甲存在子种噪声和干扰，以及在测量过程中许多难以预测和控截 翦匪誊的影响，圈此这种测量误差是一个随机变量。这一随机变量的概率分布函数虽 然根难通过理论分析精确地描述，但在方差不大的情况下可以近似地把它看成个正 态分帮的随机变量。 趸泣参数误爱与泣置线：或1 互置面j 误差之间的商压关系可用标量场理论确定。 根据标量的定义：空闻区域d ；内每一点m ( x ，y ，z ) 对应一个数量值审( 一u 亩，它在此空 间区域d 内，就构成一个标量场，在定位系统的工作区域内，每一点m ( x ，y ，z ) 对应一 个定位参数值u ( x ，y ，z ) 。所谓位置面，就是导航参数值u ( x ，y ，z ) 等于某一常数u 的等 位面。这一等位面与地球表面的交线就是被称为位置线的等位线。若假定被测点的真 实导航参数为u ，真实位置面或位置线为1 3 ，当导航参数存在测量误差时，测量得到的 导航参数为u t a u ，对应于导航参数u + u 的测量位置线将为n + n ，au 与n + n 之 间的关系就是导航参数误差与位置面( 或位置线) 误差之间的对应关系。 可以用标量场的梯度来确定上述关系，函数u 的梯度可表示为 工 岳= g r a d u = _ g d u 瓦 ( 2 - 2 1 ) 口h 亘是沿等：立面( 或等位线) 的法线方向万的矢量，其数值取决于函数u 在厅方向 的增长率，见图2 2 1 ，即i g i = 竿。如果用有限增量来代替微分，则有 口n 灯：尝( 2 2 2 ) ! g ! 图2 2 一l 导航参数梯度的确定 式2 - 2 - 2 中的1g1 是式2 2 一【式中梯度的模，即 g =厝丽 如果蚕是位置线法线方向的矢量， 模由于娑= o 而变成 0 2 吲c 2 用2 - 2 4 代入式2 - 2 2 可以得到 丽a u ( 2 2 - 3 ) 则u ( x ，y ，z ) 应是平面场u ( x ，y ) ，同时梯度的 ( 2 2 - 4 ) ( 2 - 2 - 5 ) 式中：u 导航参数误差：an 位置线误差 由式2 2 5 可知，位置线误差与定位参数误差成正比，从而，位置线误差也是零均值 的正态随机变量。此外，ar l 与位置面( 或位置线) 的梯度有关。因此与位置面( 或 位置线) 的形状有关，或者说与无线电定位系统的几何特征有关。 2 2 2 测角系统的位置线误差 在测角系统中，导航参数为 0 = a r c t g ( x y ) 根据上文中2 2 5 式，可以求出位置线误差为an = u g = r 。0( 2 - 2 6 ) 式中r = 1 g 是测定点m 到导航台的距离，u = 0 为测角误差。参见图 ( 2 2 2 ) x 图2 - 2 2 测角导航系统的位置线梯度 若以o0 表示测角误差日的方差，则位置线误差的方差on = r oo 因此，位置线误 差的方差与测角误差的方差和距离之积成正比。 7 一 时空调制接收机性能分析及射线跟踪法辅助定位研究 互此凌收巩j ；测角误差罡= 测笔志生系统的重要兰能指标本文 开宽了时空调制 接收机的测角误差的方差。 2 3 时空调制测向原理 时空调制除了包古普通的时域调制信息外，还有空间方位调制信息，是对经典数 字调制理论的突破。时空调制具有抗多径的潜力，也是智能天线的一种形式。 2 3 1 空间调制的概念 普通无线电发射设备由天线向空间辐射的高频调幅信号是由低频调制信号对高频 载波进行调制后得到的。若是单音调幅，则发射机送到天线的信号为 d 02 爿( 1 + m 。s i n n t l sio积(2-3-i) = as i n 刁f 一05 r n a c o s ( i z r + o ) t + 0 5 m a c o s ( 万一q v 式中 q ：调制信号频率 u ：载波频率 m ：调幅系数 该式说明单音调制的调幅信号包含有三个不同频率的正弦分量( 载频、上边频和 下边频) 。这三个正弦分量是各自独立的。我们可阻在发射机内实现调制也可以由发射 机分别产生载波、上边频和下边频分量，再通过三个独立的天线同时辐射出去。这样， 三者在空间的合成波也是一个调幅波，但在幅度和相位上与2 3 一l 式不同。由于这种 调制过程是在空间实现的，所以称之为空间调制。空间调制的典型应用是甚高频全向 信标( v o r ) 。它发射的信号通过空间调制，在不同的方位上会产生不同的相位。目标通 过测得的相位来判断自己所处的方位。下面将介绍时空调制的原理。 2 3 2 二天线时空调制原理 设待发射的二进制信息a 。经普通调制后能通过a 、b 两天线发射，如图2 3 一i ，当 控制信号b 。= l 时，k l 接通，k 2 断开，用天线a 发射t d m a 的一个分帧；当b = 一1 时， k 2 接通，k l 断开，用天线b 发射t d 舭的一个分帧。k l 和k 2 的切换均在t d 姒的保 护时隙内进行，对基本用户没有影响。 南京航空航天大学硕士学位论文 调 制 器 图2 3 一】双天线时空调制发射原理图 由于两副天线的距离为1 ，因此，在r 点接收到的合成信号为 r ( t ) = a c o s f i y t 十妒( d 。f ) + 6 ，y ( 曰) ( 2 - 3 2 ) 式中p ( 日。，f ) 为普通调制的相位函数，若对p s k 信号妒( 盯。) - = 0 5 a ，+ o 5n ，a 。等 一 于l 或一l 。当r 到发射机的距离较远时，w ( o ) = 冬s i n 目，b 。为一特定序列。如果选用 t d m a 系统基准分帧的独特码，由于四天线发送两个分帧，当接收机位于不同的方位时， 就对应不同的( 口) 。因此，发射机除了发射普通的信息巩外，还包括有与方位角e 有 关的空问调制信息。所以r ( t ) 是时间空间调制信号，这种能产生时间调制和空间调制 信号的方法称为时空调制技术。 2 3 3 四天线时空调制原理 从双天线时空调制中可以发现，它的测角性能受多径干扰的影响很大，其次，考 虑到天线的高频响应时间，开关k 1 、k 2 的切换只能在空闲时隙，不能连续发射或进行 快速时空调制。为了克服这些局限，下面介绍四天线时空调制的方法。 令四天线位于正方形a 、b 、c 、d 的四个顶点，其对角线距离为1 ，取对角线交点 为坐标原点0 ，对角线为x 轴和y 轴。如图2 - 3 2 i 一r 。 f - df 上 b 图2 - 3 - 2 四天线几何关系图 r 9 肜 时空调制接收机性能分析及射线跟踪法辅助定位研究 苕对天线j 帚信号 s ( t j ：b ，c o s ：u t 。中( a 。t ) ： 激励，天线b 用一s ( t ) 激励；天线c 用信号 s ：( tj = c 。s i n u t - - 中( a ，t ) ： 激励，天线d 用一s ：( t ) 激励。则在方位角e 方向产生的远区场为 r ( t ) = 6 。x ( o ) c o s 耐+ 妒( 口 r ) 】+ c 。y ( o ) s i n n + 妒( ，) ( 2 - 3 3 j 变换后 r ( t ) = a ( o ) c o s 卿+ p ( d 。r ) + ( 臼) 】 ( 2 - 3 4 j a ( o ) = x 2 ( 口) + y ：( 臼) 卿胁c t g 糍 x ( 口) ：s i n ( 孚s i n 臼) ，( 目) ：s i n ( 孚c o s 目) 式2 - 3 3o 雕j e ( a 。，) 是普通调制的相位函数，对于p s kn 号- g , ( a 。) = 0 5 za n + o 5 。a bc 都是取l 的二进制码。四天线时空调制由于没有射频开关切换，可以 采用高速信号或c d m a 等系统。若用于t d m a 系统，由于四副天线的多径参数一样，相 位差分后，就可以基本上消除多径干扰，达到抗多径的目的。其次，四天线发射也类 似于等增益发射分集，有抗多径的特性。 由于本文第一部分主要研究时空调制接收机的性能，因此只对时空调制原理做简 要的介绍，下一章将介绍时空调制接收机的仿真。 l o 南京航空航天大学硕士学位论文 第三章时空调制接收机的仿真 3 1 时空调制信号的相位编码 一、正交四相调制信号 在q p s k 系统中，载波相位共有四个可能的取值，对应于四个已调信号的矢量如图 3 - 1 1 所示。图中所示为正交o p s k 信号。图中已调波相位取兰的奇数倍，即取垦旦三堕， 44 n = o i ，2 ，3 ，这时信号可看成是载波相互正交的两路二相p s k 信号之和，即1 、3 为一路 2 、4 为另一路。这时在接收端可以用q p s k 判决反馈环直接解调出两路信号i 和i ：。 ji ，1 。 | | 。x 7 图3 一卜l 正交q p s k 信号矢量图 二、非正交四相调制信号 时空调制信号由用户方位信息和普通调制信息这两部分组成，其中用户方位信息 。在o 9 0 0 范围内变动，两相邻码元矢量的角度差不一定为9 0 0 ，不能保证两路信号正 交，其信号为非正交四相调制信号，四相二进制信号的矢量如图3 - i 一2 ，图中，信号矢 量为l 、2 、3 、4 ，其中，l 、3 码元矢量与2 、4 码元矢量的矢量和均为0 ，码元l 与 码元4 的夹角为20 ，由于0 不一定等于45 l l ，两路信号l 、3 和2 、4 不一定正交。为了 在接收端用q p s k 判决反馈环取出信号，在接收端必需收到正交信号，因此不能采用 q p s k 的相位编码规则。 时空调制接收机性能分析及射线跟踪法辅助定位研究 叉一 图3 1 2 空间调相信号矢量图 如果以矢量1 为初始码元，则1 、3 码元的矢量和为3 ；l 、4 码元的矢量和为4 ； l 、2 码元的矢量和为2 ；1 、l 码元的矢量和为l 。；其中2 。、3 、4 。码元矢量两两正 交，码元矢量1 与其他三个码元矢量都不正交，即2 。、3 、4 。码元矢量所调制的载波 在接收端两两相乘后经过v c o 环路积分其值为零，而l 与其他三个码元相乘后的积分 不为零。因此，只要在编码中不出现1 即可。 三、八相四进制调制的矢量空间 八相四进制的矢量空间如下图3 - 1 - 3 。为了使码元矢量的距离最大，设计了如下 的相位编码方法： 巩= 也一+ 要以； q = o ，l ，2 ，3 上式中0 。为角度信息；a 为普通的调制信息。 f 3 一l 一1 ) 以和曰。为相邻两个码元矢量的相位。 l 心 蘑麓。 。 e n 钏惑 虬雾 7 ，日池- 2 0 ) q 图3 - 1 - 3 八相四进制码元矢量 调制后，信号的形式为： x ( t ) = a 。c o s o c o s ( c l ) t ) 一b o s i n o 。s i n ( u t ) ( 3 一卜2 ) 时空调制信号的功率谱与q p s k 信号的功率谱类似，如下图所示： 南京航空航天大学硕士学位论文 ( a )( b ) 图3 一卜4( a ) ：时空调制信号功率谱( b ) ：q p s k 信号功率谱 3 2 时空调制接收机模型 本文的时空调制接收机在射频端采用差分相干解调，解调后的信号分为两路，其中 一路通过低通滤波器，用于用户的方位角估计；另一路通过带通滤波器，用于提取信 号中的普通调制信息。接收机采用o p s k 判决反馈环进行载波提取，本文仿真时不考虑 判决反馈环的相位误差。下图为接收机的框图。 图3 - 2 一l时空调制接收机原理图 时空调制接收机性能分析及射线跟踪法辅助定位研究 图中接收机收到的信号为 ( f ) = 【a c o s o , + 月。( n ) c o s 耐一【as i n o , + ”、( n ) s i n n r t ( 3 - 2 1 ) 信号经过一个码元的时延后得盈 卜i ( ，) = ac o s o ，一i + 玎。( 门一1 ) c o s a r t 一 as i n 只1 + 门。( n i ) s i n 甜( 3 2 2 ) 令s 。( n ) ：a c o s0 。* f i 。( n ) ： s ，( n ) = a s in0 。t n 、( n ) ： 则r ( t ) = s 。( n ) c o s u t s ，( n ) s i n u t 同理有 r 。( t ) = s 。( n 一1 ) c o s 6 dt s ( n 一1 ) s i n u t ； r 。( t ) = 一s k ( n 1 ) s i n u t + s ，( n 一1 ) c o s u t 信号经过差分相干解调时有： ( 3 2 6 ) ( 3 2 7 ) y ：2 o ) _ 一- ( f ) 2 j 1s t ( ) s t ( n - 1 ) ( 1 + c o s 2 n r t ) + ；s ( 月) s ，( h 一1 ) ( 1 一c 。s 2 硝) ( 3 2 8 ) 一扣( 郴肋- 1 ) s i n 2 删一互1 趴郴小- 1 ) s i n 2 耐 y j = ( 喊，( 垆l s 。( 行) 瓯( h 1 ) 一s ，( ”) s ，( ”一1 ) s i n 2 耐( 3 2 9 ) + s ( ”) s ，( 一1 ) c o s 2 a r t s ，( h ) s ( 胛一1 ) s i n 2 t o t 经过低通滤波和带通滤波后分别产生信号： y ，= ；【s 。( m ) s ，( 一1 ) 一s ( 月) s k ( h i ) = 一a 2 s i n ( 一2 只。+ 兰口。) + 。 y ：= ； s 。( 九) s ；( ”一1 ) + s ，( 竹) s ( 门一1 ) = a ：c o s ( 一2 目。+ 三a 。) + ： ( 3 - 2 - 1 0 ) ( 3 2 一1 1 ) ，= i s 。( 竹) 最( 一1 ) 一s ，( h ) s ，( n 1 ) c 。s 2 耐 一三【s i ( h ) s ，( n 一1 ) + s ( 月) s i ( h 一1 ) s i n 2 w r ( 3 2 一l 2 ) = i xc o s 2 叫一1 z x , s i n 2 研 。、n ：均为含有乘性噪声的噪声项。 钔弓 一 一 2 屯卜 0 南京航空航天大学硕士学位论文 x 。= s 。( n ) s 。( n 1 ) 一s 、( n ) s ( n 1 ) ： x 、= s ( n ) s 。( n 一1 ) + s ( n ) s 。( n t ) 由式3 - 2 一1 0 、3 - 2 一i1 可以推出 - 。；( 毗昔+ 丌) ( 32 一1 3 ) ( 3 2 一】4 ) ( 0 2 15 j y ，2 一等= 一；瓯c 啪胁- 1 ，t 郴加叫，( 3 - 2 - t 6 ) = 一i a 2 s i n ( 2 d 。) + 3 舻等= 扣蜊川m 肋舯叫， ：， = i a 2 c o s ( 2 。) + 。 n 。、n ；均为含有乘性噪声的噪声项。由式3 2 一1 6 、3 2 一1 7 可以得出 口。：一兰( 口r c 僖! 三厅) 厅 y 4 3 3 接收机的基带仿真及结果 3 3 1 接收机仿真模型 ( 3 2 一1 8 ) 本文采用蒙特卡罗方法仿真了接收机的误码性能和测角性能。用蒙特卡罗法仿真 接收机的性能，就是将叠加了噪声( 噪声由计算机产生的等概随机二进制序列变换而 成) 的接收信号解调后产生的信息序列与发送的信息序列一一对比的方法，即可以统 计出误比特率等重要性能指标。这种方法十分简单。用该方法测量误比特率时需要大 量的信息码。通常要测得1 0 0 个误码才能确保统计得到的误比特率有足够好的置信度， 即均方根值的偏差不大于1 0 。例如，为了测得l 0 1 的误码率，需要1 0 个信码。本文 由于计算机内存的限制，只能测量出1 0 1 的误码率。 仿真使用的软件为：。h t l a b ，它是一种“演算纸”式的编程语- k ，集成了数值分析、 矩阵运算、信号处理等工具，功能强大。对于建模及数值分析来说，其优点十分突出， 但由于是一种解释性的语言，它的运算速度较陧。 本文对接收机进行基带仿真。仿真中的白噪声通过低通或带通滤波器后变为窄带 时空调制接收机性能分析及射线跟踪法辅助定位研究 高斯噪声。由于带通随机过程是由低通随机过程经过载波调制后产生的，如图，3 3 1 它的表达式为 ( ，) = x 。( t ) c o s 2 矾卜、( t ) s i n 2 n f o t ( 3 - 3 1 ) 式中x 。( t ) 和x 、( t ) 是x ( t j 的同相分量和正交分量。随机过程x 、( t ) 和x 、( t ) 是低通过程。 因此在进行基带仿真时，可以把带通过程看成低通过程。仿真框图如下 3 3 2 仿真步骤 图 3 - 3 - 2 时空调制接收机仿真模型 a 、由均匀随机数发生器产生l o 二个信息码a ，( 以比特为单位) ：角度发生器产 生0 9 0 度的初始方位信息。 南京肮空航天大学硕士学位论文 b 、按式3 一卜1 的规则进行编码； c 、产生方差为o2 的高斯随机数； d 、在每个编码后的码元上叠加8 个高斯随机数，每叠加上一个高斯随机数 就产生一个新的变量，把该变量作为抽样点的值，总共产生8 1 0 个抽样 点； e 、把抽样点序列通过差分相干变换后产生四路信号，其中两路为角度估计 信号，另两路为普通调制信息； f 、将四路信号分别通过低通滤波器； g 、根据式3 2 一1 7 对滤波后的信号进行判决，得到普通信息a 。再根据式 3 2 1 4 对方位角进行判决，得到角度信息0 ： h 、将a 。与a 比较，统计出误码率；对每一个。统计1 0 0 0 次，用于求出解 调后方位信息误差的方差； 3 3 3 仿真参数的确定 在仿真接收机的误码率时，仿真结果必需反映接收信号比特能量与误码率的关系。 由于系统中存在噪声，因此，首先必需确定信号比特能量与噪声功率谱的关系。 在图3 3 2 中，高斯随机数发生器产生功率谱密度为o2 的高斯白噪声。由于信噪 比与信号比特能量及信号带宽的关系如下式： s n r ：旦：呈生( 3 3 2 ) n o盯二b 。 其中， s n r ：信噪比： s ，：信号功率： o ? ：噪声功率谱密度： ：噪声功率； e ；：信号符号能量； r ；：符号速率； b ：滤波器等效噪声带宽： 由于 e 、：e 。 l o g ! m r ，= r n l 0 9 2 m 其中e 。为比特能量，r 。为比特速率，m 为符号的进制。式3 3 2 变换后有： 时空调制接收机性能分析及射线跟踪法辅助定位研究 0 12 ：旦生( 3 3 3 ) s n r b 。 接收信号为 r = a c o s ( t + o 。)( 3 - 3 4 ) 仿真时取a = l ，则e 。= 时2 = 1 2 ，e 。= 1 4 ；抽样频率f ；= 1 0 0 0 h z s ；r = 1 2 5b i t s ： 即每个比特码元抽样8 个点。当信号以四进制符号速率r 、在信道中传输时，由于r ，= r 2 ，因此，所需信道的带宽为2r ，= r = 1 2 5 h z ，这时低通滤波器的三分贝带宽 b 。d b = 1 2 5 h z ；本仿真系统采用三阶巴特沃什低通滤波器，并且令滤波器增益为l ；。滤波 器的幅度谱如下图： 低逋褥嫒嚣幅釉呐应 、 j t 1 日 6 4 2 0 0 0 d 享 一 南京航空航天大学硕士学位论文 n n 来描述。而且b ，等于功率增益为g 。的理想矩形滤波器的带宽，要求该理想滤波器和 所讨论的滤波器应当通过相同的白噪声功率。如图3 - 3 4 ： 7 f l l 】川 jl 厂厂、 g a 面积相等 j 。 y 、 1 图3 3 4 带通滤波器的等效噪声带宽 理想滤波器的带宽是等效的滤波器带宽，但是对于实际滤波器来说，b 将大于三 分贝带宽，可以证明：三分贝带宽为b 的r c 低通滤波器，其噪声等效带宽b 、= bn 2 8 。因此，仿真中的b 。= 1 2 5 n 2 = 1 9 6 3 5 h z ； 如果将l 0 0 0 个方差为o ：的高斯随机数通过低通滤波器，由于滤波器的带宽限制， 使得输出后的高斯随机数的方差减小为原来的一半，因此在滤波前应将高斯自噪声的 功率谱密度增加倍，即 口：堡曼 s n r 只 3 3 4 仿真结果 ( 3 3 8 ) 本文对接收信号的误码率和测角误差进行了仿真。首先随机地产生角度信号e 。 和初始码元a | ，然后根据式( 3 - 卜1 ) 得到b 。1 0 个原始信号码元如图3 - 3 5 所示， 这时的信噪比为2 0 分贝。 堕至塑兰! 壁坚塑丝墼坌堡墨塾垡璺壁婆塑墅塞垡婴塞 量一1 笔1 3 0 原始氘度信号0n 01234 56 789 码元时衰i l 原始角度信号0n 1 1 0 4 篁： 01234 5678 9 码元时刻 栅蚰碣元值号a n 1 口 01234 567891 口 码元b 恼j 图3 3 5 原始基带信号e n 、0 。、巩 经过差分相干解调的基带信号加入高斯白噪声后得到滤波前的信号y ，。和y 。 如图3 - 3 - 6 所示。 鲜 睾田5 斟0 5 鬈n 睾- ( 35 滤波前的信号y 3 01234567891 0 玛元时刻 滤渡前的信号y 4 h ； 一上一一：，f 1 t 州 卜 一! 、：? k j ：一 03456789 玛元时刻 图3 - 3 6 滤波前的两路基带信号y1 。y 。 基带信号y ，、y 经过低通滤波后的波形如图3 - 3 - 7 所示。 一2 0 一 堕曼堕至塾垂查兰堡主兰垡堕奎 墓0 5 。 坦- ( 3 5 毪0 5 景0 睾- 0 5 滤渡后的信号归 码元嗽i j 滤波后的信号y 4 012 34567891 0 码元时刻 图3 - 3 7 滤波后的基带信号y 。、y 。 由于低通滤波器相当于一个积分器，因此对每个码元的最后一个抽样时刻进行判 决。对y ：、y 。进行判决后，根据式( 3 2 1 8 ) 进行译码可得到a n ，判决后的波形如 图3 3 8 ： 甚0 5 寒0 阜旬5 ”5 草- 1 3 5 毯4 孽2 餐0 y 捣肚判决后的信号y 3j u d g e 【；广h ij i ；h ； 012456789 码元时雾l 衅i 蛸决后的信号一j u d g e h；h 卜hl lh；h ；i1 034567891 0 码元时刻 经过译码后的a n 023456789 码元时刻 图3 - 3 - 8 判决后的信号波形 本文提供了原始信码个数为1 0 j 时的仿真结果，并用类似的解调方法对4 p s k 系 统进行了仿真。仿真结果如图3 3 9 。 一2 1 时空调制接收机性能分析及射线跟踪法辅助定位研究 图3 3 9 时空调制及4 p s k 调制的误码率 图中代表时空调制接收机的误码率，- 代表4 p s k 调制时的误码率。 接收机进行测角性能的仿真时，分别对每个给定角度进行1 0 0 0 次样本统计，得出 接收机测角误差的方差如表3 3 一l ，此时的信噪比为2 0 分贝： 方位角 o6 8 81 3 7 52 0 6 3 2 7 5 0 3 4 3 7 4 1 2 54 8 1 2 单位：度 角度误差 1 2 4 01 2 1 91 2 4 8l 2 1 61 2 4 81 2 1 11 2 2 71 2 6 3 的方差 单位：度 表3 - 3 - ! 方位角测量误差 从图3 - 3 - 9 中可以看出，采用时空调制时，接收机的性能比4 p s k 调制时差大约两 分贝。由于接收机采用差分相干解调，4 p s k 信号的性能要比普通的相干解调差大约两 个分贝 8 。接收机的测角性能不是很理想，可能是由于采用式3 2 一1 5 进行判决时， y ，和y ! 有一定的误差导致0 。出现错误。 南京航空航天大学硕士学位论文 第四章射线跟踪法定位原理 目前，基于扩频技术的通信系统( c d m a ) 已经进入实用阶段，由于码分多址方式的 性能超过t d 姒方式，因此有扩大应用范围的趋向。在c d m 蜂窝网中，每一个蜂窝区 无线基站到移动终端的无线链路称为正向通路，而移动终端到基站的上行链路称为反 向通路。两种通路均可以用于无线定位业务。利用反向通路定位的方法中，由移动终 端发出预定信号，并由时间同步的几个基站接收。从这些接收信号测得到达时间差， 即t d o a ，据此估计出移动终端的位置。 本文从第四章开始介绍多径对定位精度的影响，以及采用双曲线定位与射线跟踪 结合进行辅助定位的基本算法，并将结果与一般双曲线定位的结果比较，证明了