CN101098189B - 用于超宽带通信系统的快速同步的实现方法 - Google Patents

Abstract

一种用于超宽带无线通信系统的快速同步的实现方法，是根据接收信号的特点，进行循环往复的时长减半的能量“比较-选择-修正”处理，以实现同步；即先截取一个符号的时长，将其均分成两段，并对该两段信号的能量大小进行比较，选择其中能量较大的一段，保留为下一步继续比较其能量的范围；然后将该选中的1/2符号时长的信号再均分为两段，继续比较其能量大小，再选择其中能量较大的一段信号，保留为后续比较的范围；以此类推，每次比较能量的大小和选择后，所考察的信号时长都会减半，这样，只需经过个位数量级的若干次循环操作，就能找到符号头的位置，实现快速同步。该方法能大大降低信号检测时的搜索和计算的复杂度，同时保持较低的传输误码率。

Description

用于超宽带通信系统的快速同步的实现方法

技术领域

本发明涉及一种用于超宽带无线通信系统的快速同步的实现方法，属于无线通信系统的信号检测与估计技术领域。

背景技术

近年来，尤其是2002年美国联邦通信委员会(FCC)发布了超宽带谱限后(参见《Ultra-wide bandwidth time-hopping spread-spectrum impulse radiofor wireless multiple-access communications》IEEE Trans.Commun.，Apr.2000，vol.48)，作为最前沿的无线短距离通信技术之一，超宽带技术得到了越来越多的关注和迅速的发展。典型的超宽带系统是通过发送纳秒级宽度的脉冲来传送信号，每个符号由若干个帧组成，每个帧中只发送一个脉冲(参见《Ultra-wide bandwidth time-hopping spread-spectrum impulse radio forwireless multiple-access communications》IEEE Trans.Commun.，Apr.2000，vol.48)。这种信号的占空比很小，因此，在室内多径信道环境下，如何实现高速、低复杂度且高性能的同步技术便成为一个巨大的技术挑战。

众所周知，同步的概念有两种：一种概念是发射机和接收机同时开机，将传播时延认为同步参数(参见《Synchronization algorithms for UWB signals》IEEE Trans.Wireless Commun.，Feb 2006，vol.54，no.2)；另一种概念是允许接收机在任意时刻开始接收，试图找到每个帧的开始或每个符号的开始，即实现帧同步和符号同步(参见《Blind UWB timing with a dirty template》inProc.Int.Conf.Acoust.，Speech，Signal Process.，vol.4，2004)。显然，第二种定义更符合实际状况。本发明方法就是基于第二种定义的同步技术。

现有的超宽带技术的同步方法大致可以分为以下几大类：一、用本地模板对接收信号做相关处理，找出其中的最大值(参见《Rapid acquisition ofultra-wideband signals in the dense multipath channel》in Proc.IEEE Conf.Ultra Wideband Syst.Technol.，May 2002)，由于查找最大值的范围非常大，所以该方法的计算量大、复杂度高。二、将接收信号的相邻两段信号做相关处理，找出最大值(参见《Blind UWB timing with a dirty template》in Proc.Int.Conf.Acoust.，Speech，Signal Process.，vol.4，2004)，由于该方法的计算是以有噪声的信号为模板，使得其对噪声很敏感，不易获得准确结果。三、利用同步联合信道估计方法实现的，即先帧同步，后符号同步，并且在同步的同时得到信道的参数(参见《Synchronization and channel estimation for UWBsignals》in Proc.IEEE Globecom，vol.2，Dec.2003)，该方法的计算精确度高，但相应的复杂度更是极高。总之，通信领域的同步方法有成千上万种，无法一一列举，上述几种方法只是最常见的超宽带技术的同步方法，它们的共同缺点是其获取速度太慢，通常的计算方法都需要经过几百、乃至几千个符号才能达到同步。因此，如何寻求一种高性能、低复杂度的同步算法至今仍然是业内人士都在探求解决的热点问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种用于超宽带无线通信系统的快速同步的实现方法，该方法能够大大降低信号检测时的搜索和计算的复杂度，同时保持较低的传输误码率，具有很好的应用前景。

为了达到上述目的，本发明提供了一种用于超宽带无线通信系统的快速同步的实现方法，是基于能量获取的同步方法，其特征在于：该方法根据接收信号的能量分布特点，进行循环往复的时长减半的能量“比较-选择-修正”处理，以实现同步；也就是该方法利用超宽带通信系统的信号结构特点，先截取一个符号的时间长度，将该符号的时长均分成两段，并比较该两段时长相等的信号的能量大小，选择其中能量较大的一段，保留作为下一步继续比较能量的范围；然后将该选中的1/2符号时长的信号再分成等长的两段，继续比较它们的能量大小，再选择其中能量较大的一段信号，保留作为继续比较的范围；以此类推，每次进行能量大小的比较和选择后，所考察的信号时长都会减半，这样，只需要经过若干次循环操作，就能找到符号头的位置，实现快速同步。

所述实现快速同步、找到符号头位置的循环操作的次数是小于十次的个位数。

所述方法包括下述步骤：

(1)系统启动，开始接收信号r(t)，以便开始同步操作：设置系统启动时间为t₀₃和同步开始时间为t_1，1＝t₀₃+T_s，即在该系统启动后，等待一个符号的时间长度之后开始进行同步操作，式中，T_s为一个符号的时间长度；

(2)初始化设置同步操作的各项参数，以便使用积分窗来获取接收信号的能量：将同步循环比较的控制参数j的初始值设置为1，且j≤M；式中，自然数M是最大循环次数，M的取值范围是式中，T_p为超宽带信号的发送脉冲宽度，为下取整操作；再根据设定的同步循环比较的控制参数j的数值，决定积分窗的宽度w_j：w_j＝T_s/2^j；最后，设定相应的同步修正间隔值Δ_j：Δ_j＝w_j/2；

(3)将一个符号时长的信号均分成两段，分别进行能量获取的计算：将两个宽度都为w_j的积分窗(Integration window)左右相邻放置，分别加在同步开始时间t₁₁的前后两段信号上，即在t_1，1-w₁到t_1，1和t_1，1到t_1，1+w₁的两个同样时长的信号上进行积分处理，该两个积分窗的总宽度为一个符号的时间长度；得到的该左、右两个积分窗的输出信号，即其能量分别为： $y_{j\_\mathrm{left}}={\∫}_{t_{1,j}-w_j}^{t_{1,j}}r{\left(t\right)}^2\mathrm{dt}$ 和 $y_{j\_\mathrm{right}}={\∫}_{t_{1,j}}^{t_{1,j}+w_j}r{\left(t\right)}^2\mathrm{dt};$

(4)进行时长减半的能量“比较-选择-修正”处理：比较两个积分窗的输出信号y_{j_left}和y_{j_right}的能量大小，即其数值大小，并选择其中能量较大的一段信号作为继续比较的范围：如果y_{j_left}＞y_{j_right}，则将继续进行同步的时间修正为t_1，j+1＝t_1，j-Δ_j；反之，如果y_{j_left}＜y_{j_right}，则将继续进行同步的时间修正为t_1，j+1＝t_1，j+Δ_j；

(5)驱动时长减半的比较操作循环进行：将同步循环比较的控制参数j加1：j＝j+1，再判断该控制参数j是否不大于最大循环次数M，如果j≤M成立，则返回执行步骤(2)的操作；否则，执行步骤(6)的操作；

(6)同步实现，且最终同步时间为t_syn：＝t_1，M+1，同步操作结束。

所述方法中进行的循环操作次数M至少是1次，最多为

次，其中T_s为一个符号的时间长度，T_p为超宽带信号的发送脉冲宽度，

为下取整操作；该同步循环比较的控制参数j的最大值M的数值取决于符号长度和脉冲宽度；符号长度T_s为脉冲宽度T_p的100或1000倍，因此，循环操作的次数M是小于十次的个位数。

该方法实际使用时所进行的时长减半的能量“比较-选择-修正”操作的循环次数是取决于算法的复杂度和对系统性能的不同要求。

本发明是一种用于超宽带无线通信系统的快速同步方法，它与传统的同步方法相比较，其主要优点是：同步获取的速度快：只需要一个符号时长就能获得同步；而传统方法一般要经过上百、甚至上千个符号的相关比较，才能实现同步。计算的复杂度低：只需要进行个位数量级的循环操作就能获得同步，并且创新提出一种采用获取能量的比较方法来实现同步操作，与传统的相关方法相比较，显著降低计算工作量。而且，本发明的计算复杂度是可控制的，这是因为本发明的循环操作次数是可以选择的，所以实施本发明方法时，可根据系统性能和计算复杂度的要求进行综合考虑和均衡，选择适宜的循环操作次数。

本发明方法实现同步的技术创新之处是：利用积分窗获取相同符号时长的能量，再进行其数值大小的比较。目前，一般的同步方法都是采用模板先相关、然后进行全面搜索，计算的复杂度非常高。本发明的能量获取方法避免了繁杂的相关运算和大范围的搜索，操作直观、计算简单、容易实现。

再者，本发明使用的时长减半的能量“比较-选择-修正”的搜索方法，也是一种技术上的创新。现有的搜索方法都是按照时间仓顺序进行一个一个的逐个比较，直到找到最大值，计算量达到上千次、甚至上万次。而本发明方法的每次操作只比较两个数值-两个相同时长宽度的符号的能量大小，然后选择其中一个，抛弃另一个；随后立刻将搜索范围减半，修正后继续进行比较操作；接着，继续比较后，再减半……，只需要几次操作(个位数级)就能找到所要寻觅的同步位置。

再者，本发明的同步方法用于非相干接收机接收信号时，由于非相干接收机具有很好的抗定时抖动的能力，使得同步精度不必做到很精确，也能对接收信号实现精确判决，所以只需实现粗同步，所接收的信号就能达到令人满意的解调、判决的各项技术指标。在同步和判决两个步骤上都大大地降低了系统操作的复杂度。因此，本发明方法具有很好的推广应用前景。

附图说明

图1是本发明用于超宽带无线通信系统的快速同步的实现方法的流程图。

图2是本发明方法用于超宽带非相干接收机的实施例的操作步骤示意图。

图3是图2所示的超宽带非相干接收机的实施例中的接收信号示意图。

图4(A)、(B)分别是本发明用能量获取方法获得快速同步时使用的能量检测器的电路结构方框图和实施例中超宽带非相干接收机的电路结构方框图。

图5是图2所示的本发明快速同步方法实施例中循环比较的算法实例图。

图6是本发明利用非相干接收机判决时使用的不同取值的接收机参数仿真的误码率曲线图。

图7是本发明用于超宽带系统的快速同步方法时使用的不同数值的最大循环次数所对应的仿真误码率曲线。

图8是本发明用于超宽带系统仿真的误码率曲线与理想同步情况下系统仿真的误码率曲线比较图。

图9是在有时间抖动存在的情况下，本发明用于非相干接收超宽带系统仿真的误码率曲线与相干接收系统仿真的误码率曲线比较图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。

本发明是一种用于超宽带无线通信系统的基于能量获取的快速同步的实现方法，该方法根据接收信号能量分布的特点，进行循环往复进行的时长减半的能量“比较-选择-修正”处理操作，实现了快速、低复杂度的同步。也就是说，该方法利用超宽带通信系统的信号结构特点，先截取一个符号的时间长度，并将该符号的时长均分成两段，对该两段相等时长的信号的能量大小进行比较，选择其中能量较大的一段，保留作为下一步继续进行能量比较的范围；然后将该选中的1/2符号时长的信号再分成等长的两部分，继续比较它们的能量大小，再选择其中能量较大的一段信号，保留作为下一步继续比较的范围；以此类推，每次进行能量大小的比较和选择后，所考察的信号时长都会减半，这样，只需要经过个位数量级的若干次循环操作，就能找到符号头的位置，实现快速同步。

参见图1，介绍本发明方法的具体操作步骤：

(1)系统启动，开始接收信号r(t)，以便开始同步操作：设置系统启动时间为t₀₃和同步开始时间为t_1，1＝t₀₃+T_s，即在该系统启动后，等待一个符号的时间长度之后开始同步操作，式中，T_s为一个符号的时间长度；

(2)初始化设置同步操作的各项参数，以便使用积分窗来获取接收信号的能量：将同步循环比较的控制参数j的初始值设置为1，且j≤M；式中，自然数M是循环次数的上限，即最大循环次数，M的取值范围是

式中，T_p为超宽带信号的发送脉冲宽度，

为下取整操作；再根据设定的同步循环比较的控制参数j的数值，决定积分窗的宽度w_j：w_j＝T_s/2^j；最后，设定相应的同步修正间隔值Δ_j：Δ_j＝w_j/2；

(3)将一个符号时长的信号均分成两段，分别进行能量获取的计算：将两个宽度都为w_j的积分窗左右相邻放置，分别加在同步开始时间t_1，1的前后两段信号上，即在t_1，1-w₁到t_1，1和t_1，1到t_1，1+w₁的两个同样长度的信号上进行积分处理，该两个积分窗的总宽度为一个符号的时间长度；得到的该左、右两个积分窗的输出信号，即其能量分别为： $y_{j\_\mathrm{left}}={\∫}_{t_{1,j}-w_j}^{t_{1,j}}r{\left(t\right)}^2\mathrm{dt}$ 和 $y_{j\_\mathrm{right}}={\∫}_{t_{1,j}}^{t_{1,j}+w_j}r{\left(t\right)}^2\mathrm{dt};$

(4)进行减半的能量“比较-选择-修正”处理：比较两个积分窗的输出信号y_{j_left}和y_{j_right}的能量大小，即其数值大小，并选择其中能量较大的一段信号作为继续比较的范围：如果y_{j_left}＞y_{j_right}，则将继续进行同步的时间修正为t_1，j+1＝t_1，j-Δ_j；反之，如果y_{j_left}＜y_{j_right}，则将继续进行同步的时间修正为t_1，j+1＝t_1，j+Δ_j；

(5)驱动时长减半的比较操作循环进行：将同步循环比较的控制参数j加1：j＝j+1，再判断该控制参数j是否不大于最大循环次数M，如果j≤M成立，则返回执行步骤(2)的操作；否则，跳转执行步骤(6)的操作；

(6)同步实现，且最终同步时间为t_syn：＝t_1，M+1，结束同步操作。

下面介绍本发明方法的一个应用实施例，即在超宽带通信系统中非相干接收机利用本发明方法实现低复杂度的同步和判决的接收信号的过程。

参见图2，先具体介绍本发明方法实施例接收信号处理过程中顺序执行的四个操作步骤：(1)发射机产生发送信号，(2)经过信道传输后得到接收信号，(3)实施本发明快速同步方法进行同步处理，(4)在接收机进行解调接收处理，最后得到判决后的解调信号。下面对各个操作步骤作详细说明。

(1)发射信号：超宽带通信系统发送的信号是采用二进制脉冲位置调制的，其单用户的发送信号可以表述为： $s\left(t\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{c}_{i}g(t-i{T}_s-a_i{T}_s/2);$

需要说明的是：该实施例中的每个信息比特采用一个符号传送，即每个符号内只包含一个携带比特信息的脉冲，其它部分都为零(在无噪声的情况下)。所有的发射信号按发射顺序排列成一个序列，即发送信号序列{a₁，a₂，a₃，…}；因此，上式中，{a_i}是系统发送的信息比特，自然数i为信息比特的序号，{a_i}的取值为0或1，且服从{0，1}均匀分布。g(t)是脉冲波形，该脉冲波形的宽度为T_p(纳秒级)。每个符号的时间长度为T_s，一般为脉冲宽度T_p的10至1000倍。系数c_i＝2a_i-1是对应的符号幅度，它的作用是平滑功率谱密度。

在不失一般性的前提下，为了简化数学推导，本发明实施例假设一个符号的时间长度T_s远远大于其波形宽度T_p，而且大于其最大信道传输时延，这样就能够避免由多径信道产生的符号间干扰。此时，便得到了上式所示的完整的发射信号。

(2)信道传输：该实施例采用的信号模型为L径衰落信道，它是S-V模型(参见《A statistical model for indoor multipath propagation》IEEE Journal onSelected Areas of Communications，vol.5，no.2，Feb 1987.)的修改模型：

$h\left(t\right)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_l\mathrm{\δ}(t-{\mathrm{\τ}}_l),$ 式中，γ_l和τ_l分别为第l径的幅度衰减和多径时延，非负整数l是多径传输信道的序号，其取值范围是[0，L-1]，而且τ₀＜τ₁＜…＜τ_L-1，τ_l+1-τ_l＜2T_p即两个传输时延之间的差小于两个脉冲宽度，即密集多径信道。作为一个准静止信道，信道衰减和时延在几个符号内保持不变或慢变。于是，接收机接收到的信号可以表示为： $r\left(t\right)=\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_{l}s(t-{\mathrm{\τ}}_l)+w\left(t\right)+m\left(t\right);$ 式中，w(t)是热噪声，m(t)表示其他用户带来的多用户干扰。由于该实施例只关注一个用户，所以其他用户带来的多用户干扰可以根据中心极限定理被认为为是一个高斯白噪声随机过程，从而可以将其归入热噪声而省略之。为了将多径扩展与传输时延τ₀区分开来，多径时延可以被写为τ_l，0＝τ_l-τ₀，接收信号可以被写成下式： $r\left(t\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{c}_i\underset{l=0}{\overset{L-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_{l}g(t-{\mathrm{iT}}_s-a_i{T}_s/2-{\mathrm{\τ}}_{l,0}-{\mathrm{\τ}}_0-{\mathrm{\τ}}_{01})+n\left(t\right);$ 式中，t₀₁是传输开始时间，n(t)是热噪声和多用户干扰的总和。

参见图3，介绍经过上述信道传输后，所接收的信号脉冲(无噪声的情况下)的波形结构图。该图中包含两个符号，第一个符号对应的发送信息比特为0，即{a_i}取值为0，由于该实施例系统是采用二进制脉冲位置调制方式，波形存在于符号头的位置；第二个符号对应的发送信息比特为1，其波形存在于符号1/2的位置，即{a_i}取值为1。由于多径信道和天线的存在，使得接收到的信号并不是发送波形的简单叠加，而是变形的信号波形，通常称之为多径信号。

(3)同步处理：众所周知，传输时延τ₀与传输开始时间t₀₁的和t₀₂的计算公式为：t₀₂＝τ₀+t₀₁，但接收机既不知道传输时延τ₀，也不知道传输开始时间t₀₁，而且接收机是从接收机的启动时间t₀₃(＞t₀₂)开始进行同步操作的，并在t₀₃之后获得同步。显然，t₀₁并不起什么作用，而t₀₂只是一个参考。因此，在不失一般性的情况下，本发明设置t₀₂＝0。在进行同步处理的算法中，t₀₃将一步一步地被调整，直到它到达一个符号头的位置。

为了区分本发明同步算法中的不同时间，采用不同的下标表示不同阶段的时间变量。同步前的时间值表示为t_0，j′，j′∈[1，3]；同步算法中的时间值表示为t_1，j，j∈[1，M+1](M是循环次数，它的选取会在下文介绍)。下面具体说明本发明所采用的基于能量获取的同步处理方法的各个操作内容：

该实施例采用“抽头延迟线”TDL(tapped delay line)模型来描述超宽带多径信道，以简化分析。该模型认为每间隔一个发送信号的脉冲宽度T_p就有一个触发信号，一共有L_c个。此时，接收信号可以被重新写为：

$r\left(t\right)=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{c}_i\underset{l=0}{\overset{L_c-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\γ}}_{l}g(t-{\mathrm{iT}}_s-a_i{T}_s/2-l{T}_p)+n\left(t\right).$

在本发明的计算方法中，使用了几个符号时间长度的前缀，它们被设计为全零的序列(即：a_i≡0)。因此，当假设无噪声的情况下，多径信号只会出现在信号头的位置，一个符号内的其他位置全为零。

在通信过程中，接收机是在一个任意选定的时间t₀₃开始工作，即是在接收机启动时间t₀₃后，再等待一个符号的时间长度T_s之后开始同步操作，于是，定义同步开始时间为：t_1，1＝t₀₃+T_s。

本发明的同步方法是基于能量获取方法：通过比较两个选定信号的能量值大小来逐步调整同步时间的值，最终找到符号头的位置，实现同步。因此需要使用能量检测器(参见图4(A)所示的能量检测器的电路结构方框图)，它由一个平方律器件(Square-law device)和一个积分宽度可变的有限时间积分窗(Integration window)组成。在任何时间，积分窗输出的结果都是平方律器件输入的信号在一个时间段内的能量值。

假设同步处理的计算方法于t_1，1开始，并将两个积分窗分别加在t_1，1-w₁到t_1，1和t_1，1到t_1，1+w₁的两段信号上，该两个积分窗的宽度分别为w₁＝T_s/2，这样两个积分窗的总宽为一个符号的时间长度T_s。因为一个符号内有且只有一个多径信号，所以在这两个积分窗里有且只有一个多径信号。两个积分窗的输出可分别表示为： $y_{1\_\mathrm{left}}={\∫}_{t_{11}-w_1}^{t_{11}}r{\left(t\right)}^2\mathrm{dt}$ 和 $y_{1\_\mathrm{right}}={\∫}_{t_{11}}^{t_{11}+w_1}r{\left(t\right)}^2\mathrm{dt}.$ 此时，比较两者的数值大小，如果y_{1_left}比y_{1_right}大时，即左积分窗的输入信号比右积分窗的输入信号包含更多的能量，在这种情况下，本发明认为多径信号被包含在左积分窗里；反之，则认为多径信号被包含在右积分窗里。所以，如果左积分窗对应的输入信号被选中，继续进行后续操作步骤。此时，同步开始时间被修正Δ₁＝w₁/2，产生更新的同步时间t_1，2＝t_1，1-Δ₁。反之，t_1，2＝t_1，1+Δ₁。

此后，将两个积分窗的宽度都减半到w₂＝w₁/2＝T_s/2²，然后将两个积分窗移至t_1，2-w₂到t_1，2和t_1，2到t_1，2+w₂的两段信号上。然后重复上面的操作，直至积分窗的宽度被减至T_s/2^M，M是最大循环次数，它与T_s有关，而且对系统性能有影响。

参见图5，介绍上述实施例的同步计算方法的一个实例。同步开始时间是t_1，1，由于右积分窗覆盖的能量比左积分窗大，所以，第一次时长减半的能量“比较-选择”操作后，右积分窗对应的输入信号被选中，同步时间被修正到t_1，2。同理，第二次时长减半的能量“比较-选择-修正”后，再次选中右积分窗所对应的输入信号，同步时间被修正到t_1，3。按此方法，循环进行上述操作，直至到达设定的循环次数后，结束同步操作。

因此，概括上述同步计算方法的操作流程包括下述步骤(参见图1)：

步骤1，令t_1，1＝t₀₃+T_s，j＝1。

步骤2，根据给定的j值，设定积分窗的宽度w_j＝T_s/2^j，并给出相应的同步调整间隔值Δ_j＝w_j/2。

步骤3，分别计算两个积分窗的输出 $y_{j\_\mathrm{left}}={\∫}_{t_{1,j}-w_j}^{t_{i,j}}r{\left(t\right)}^2\mathrm{dt}$ 和 $y_{j\_\mathrm{right}}={\∫}_{t_{1,j}}^{t_{1,j}+w_j}r{\left(t\right)}^2\mathrm{dt}.$

步骤4，比较y_{j_left}和y_{j_right}的数值大小，如果y_{j_left}＞y_{j_right}，则同步时间被调整为t_1，j+1＝t_1，j-Δ_j；如果y_{j_left}＜y_{j_right}，则同步时间被调整为t_1，j+1＝t_1，j+Δ_j。

步骤5，令j＝j+1，并判断j≤M是否成立，若不成立，则返回步骤2，继续进行同步处理；否则，顺序执行步骤6的操作。

步骤6，最终同步时间为t_syn：＝t_1，M+1。

(4)非相干接收机执行判决处理：根据信号模型的特点，实施例选用一个具有很好的抗时间抖动能力的非相干接收机。因此，只需要做到粗同步就能得到系统性能相当满意的接收信号，从而在系统传输的各项指标性能和计算复杂度之间得到了一个很好的平衡。非相干接收机的电路结构方框图参见图4(B)。

同步后的接收信号先被送入一个平方律器件，然后送入积分窗，输出的信号为 $I_i^{\left(m\right)}={\∫}_{(i+m/2)T_s+t_{\mathrm{syn}}}^{(i+m/2)T_s+t_{\mathrm{syn}}+{\mathrm{\Δ}}_T}r{\left(t\right)}^2\mathrm{dt},$ 式中，m为即将判决出来的比特值，m的取值为0或1。自然数i是符号的序号，同步时间t_syn是前述同步计算处理完成后得到的最终同步时间，接收机参数Δ_T的取值能够控制积分窗的大小，从而在一定程度上影响系统的性能，后面将讨论该参数Δ_T的取值情况。

然后，进行判决处理，判决准则为 ${\hat{a}}_i=\left\{\begin{array}{cc}0,& I_i^0>I_i^1\\ 1,& I_i^0\≤I_i^1\end{array}\right..$

下面介绍上述实施例进行同步计算方法的性能仿真结果。该实施例选用高斯函数的二阶导数作为脉冲波形g(t)，脉冲宽度为T_p＝1.0ns，并能量归一化。符号时间长度为T_s＝200ns。试验是采用IEEE 802.15.3提出的现实CM1室内信道模型，并假设多径信道的最大多径时延为50ns。

接收机参数Δ_T是非常关键的一项指标，因为它的取值不当会导致性能的明显下降。图6给出了不同Δ_T所对应的误比特率曲线图。Δ_T的取值范围为0到50ns，信噪比为20dB。图中有且只有一个点对应着最佳的误比特率性能，即Δ_T为20ns时。因此，图7、图8和图9中的Δ_T值都被设定为20ns。

当最大循环次数

时(

为下取整操作)，对应的同步计算方法步骤2中的积分窗宽度分别为：100ns，50ns，25ns，12.5ns，6.25ns，3.125ns，1.5625ns。图7中比较了M分别取7、5、或3时，对应的均方误差值MSE(mean-square error)的曲线图。其中每个曲线都单调下降，且在高信噪比状况有渐平的趋势，这是由M的取值带来的分辨率导致的。随着M取值的增大，均方误差值单调下降。

另外，申请人将本发明的同步方法应用于整个通信系统，并将其性能与理想同步的情况下的通信系统性能进行比较。同步为整个通信系统带来增益。图8给出了信噪比0-20dB时所对应的采用本发明同步方法后的系统误比特率曲线(该线中间穿有圆形)和理想同步条件下通信系统的误比特率曲线(该线中间穿有三角形箭头)。结果显示，采用本发明同步方法的系统性能只比理想状况下的性能略有下降，但是，本发明的同步处理方法只需要一个符号时间就能完成具有相当精确度的同步。

非相干接收机与相干接收机进行比较的好处，除了同步处理的简单、低复杂度以外，还有它在有时间抖动存在的情况下的高鲁棒性。图9说明了这一点。中间穿有圆形的曲线是非相干接收机的，中间穿有三角形箭头的曲线是相干接收机的。图9给出了时间抖动0-10dB时，非相干接收机给出的误比特率性能是令人满意的，而相干接收机的性能则随着同步误差的出现，迅速下降。试验表明，对于所有的被测时间抖动，非相干接收机的误比特率性能都比相干接收机优秀。

Claims (5)

1.一种用于超宽带无线通信系统的快速同步的实现方法，是基于能量获取的同步方法，其特征在于：该方法根据接收信号的能量分布特点，进行循环往复的时长减半的能量“比较-选择-修正”处理，以实现同步；也就是该方法利用超宽带通信系统的信号结构特点，先截取一个符号的时间长度，将该符号的时长均分成两段，并比较该两段时长相等的信号的能量大小，选择其中能量较大的一段，保留作为下一步继续比较能量的范围；然后将该选中的1/2符号时长的信号再分成等长的两段，继续比较它们的能量大小，再选择其中能量较大的一段信号，保留作为继续比较的范围；以此类推，每次进行能量大小的比较和选择后，所考察的信号时长都会减半，这样，只需要经过若干次循环操作，就能找到符号头的位置，实现快速同步。

2.根据权利要求1所述的快速同步的实现方法，其特征在于：所述实现快速同步、找到符号头位置的循环操作的次数是小于十次的个位数。

3.根据权利要求1所述的快速同步的实现方法，其特征在于：所述方法包括下述步骤：

(1)系统启动，开始接收信号r(t)，以便开始同步操作：设置系统启动时间为t₀₃和同步开始时间为t_1，1＝t₀₃+T_s，即在该系统启动后，等待一个符号的时间长度之后开始进行同步操作，式中，T_s为一个符号的时间长度；

(2)初始化设置同步操作的各项参数，以便使用积分窗来获取接收信号的能量：将同步循环比较的控制参数j的初始值设置为1，且j≤M；式中，自然数M是最大循环次数，M的取值范围是

式中，T_p为超宽带信号的发送脉冲宽度，

为下取整操作；再根据设定的同步循环比较的控制参数j的数值，决定积分窗的宽度w_j：w_j＝T_s/2^j；最后，设定相应的同步修正间隔值Δ_j：Δ_j＝w_j/2；

(3)将一个符号时长的信号均分成两段，分别进行能量获取的计算：将两个宽度都为w_j的积分窗左右相邻放置，分别加在同步开始时间t_1，1的前后两段信号上，即在t_1，1-w₁到t_1，1和t_1，1到t_1，1+w₁的两个同样时长的信号上进行积分处理，该两个积分窗的总宽度为一个符号的时间长度；得到的该左、右两个积分窗的输出信号，即其能量分别为：和

(4)进行时长减半的能量“比较-选择-修正”处理：比较两个积分窗的输出信号y_{j_left}和y_{j_right}的能量大小，即其数值大小，并选择其中能量较大的一段信号作为继续比较的范围：如果y_{j_left}＞y_{j_right}，则将继续进行同步的时间修正为t_1，j+1＝t_1，j-Δ_j；反之，如果y_{j_left}＜y_{j_right}，则将继续进行同步的时间修正为t_1，j+1＝t_1，j+Δ_j；

(5)驱动时长减半的比较操作循环进行：将同步循环比较的控制参数j加1：j＝j+1，再判断该控制参数j是否不大于最大循环次数M，如果j≤M成立，则返回执行步骤(2)的操作；否则，执行步骤(6)的操作；

(6)同步实现，且最终同步时间为t_syn：＝t_1，M+1，同步操作结束。

4.根据权利要求1或2或3所述的快速同步的实现方法，其特征在于：所述方法中进行的循环操作次数M至少是1次，最多为

次，其中T_s为一个符号的时间长度，T_p为超宽带信号的发送脉冲宽度，

为下取整操作；该同步循环比较的控制参数j的最大值M的数值取决于符号长度和脉冲宽度；符号长度T_s为脉冲宽度T_p的100或1000倍，因此，循环操作的次数M是小于十次的个位数。

5.根据权利要求1所述的快速同步的实现方法，其特征在于：该方法实际使用时所进行的时长减半的能量“比较-选择-修正”操作的循环次数是取决于算法的复杂度和对系统性能的不同要求。

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