CN102780666B - 一种pswf脉冲调制信号的抗定时抖动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种PSWF脉冲调制信号的抗定时抖动方法。在该方法中，从PSWF脉冲无线电信号与低通信号的等效性出发，由同相分量和正交分量的运算结果提取定时抖动大小，以实时修正本地模板信号相位，实现本地模板信号与接收信号之间的准确同步，从而消除了定时抖动对解调性能的影响。该方法既保持了相关接收机的最佳输出信噪比特性，又克服了已有方法的应用局限性，为提高基于脉冲无线电技术的通信系统可靠性提供了有效的技术支持，具有重要价值。

Description

一种PSWF脉冲调制信号的抗定时抖动方法

技术领域

本发明涉及无线电通信中的信号处理方法，尤其涉及一种PSWF脉冲调制信号的抗定时抖动方法。

背景技术

椭圆球面波函数集(Prolate Spheroidal Wave Functions，PSWF)具有时-频域能量聚集性最佳、时域双正交、完备、近似时限带限、频谱可控等优良特性，自提出伊始便受到了学术界的广泛关注，并展现出良好的应用前景。

目前，椭圆球面波函数已在多个领域得到广泛应用。该函数被用于小波信号分析，可以达到比sinc函数更高的时间分辨率；用于数字图像和数字信号处理，可有效解决时间分辨率和空间分辨率矛盾，用于光学系统分析建模，具有更好的通用性；用于无线通信信道研究，可以更准确地建模高速移动通信信道和时频选择性衰落信道；用于通信信号设计，可以实现灵活的频谱控制，并具有更高的频谱效率和功率效率。

在接收端如何对PSWF脉冲信号实现有效接收是实现通信的关键。匹配滤波器是在高斯信道下对确知信号接收的最佳检测器，相关接收机是其一种实现方式，可以获得与匹配滤波器相同的输出信噪比，该方式是在接收端产生与理想接收信号相同波形的本地模板信号，与实际接收信号进行相关检测，根据相关结果进行判决，得到用户的传输信息。

但是由于同步误差、传输路径、基准时钟漂移等因素的影响，导致本地模板信号与接收信号之间产生随机定时抖动，从而造成接收信噪比的损失，考虑到脉冲持续时间极短，即使是微弱的定时抖动，也会使解调性能迅速下降。

如何消除定时抖动，实现本地模板信号与接收信号之间的准确对准，是提高通信系统可靠性的重要手段。关于脉冲调制信号的定时抖动问题，目前解决方法主要有两类。一类方法是基于矩阵理论在发射端根据定时抖动大小对脉冲信号进行预修正，以增强信号的抗定时抖动能力，但该方法并不能根据通信系统环境实时修正定时抖动大小(见文献：Giuseppe ThadeuFreitas，Ryuji Kohno.Design of jitter-robust orthogonal pulses for UWB systems[C].IEEEGlobecom 2003，SF USA，2003，739-743)。另一类方法是基于估计理论，根据接收信号估计定时抖动的概率分布特性以修正本地模板信号，实时性好，但该方法结构较复杂、运算量大(见文献：Zhang Bing，Li Baoxue，Fei Yuanchun.An UWB receiver structure with improvedperformance in timing jitter sensitivity[C].2009 3rd IEEE International Symposium on Microwave，Antenna，Propagation and EMC Technologies for Wireless Communications，2009，1177-1180)。

发明内容

为了克服现有技术的局限性，本发明提供了一种PSWF脉冲调制信号的抗定时抖动接收方法，以实现本地模板信号与接收信号之间的准确对准，从而提高通信系统的可靠性。在该方法中，从PSWF脉冲调制信号与低通信号的等效性角度出发，根据同相分量和正交分量的计算结果提取定时抖动大小，以实时修正本地模板信号相位，实现本地模板信号与接收信号之间的准确同步，从而消除定时抖动对解调性能的影响。

本发明的目的是通过如下技术措施来达到：

①PSWF脉冲调制信号的等效低通表示

由通信原理可知，任何一个带通信号r(t)都可等效表示为一个低通信号r_L(t)与正弦载波乘积的形式，即：

$r\left(t\right)=\mathrm{Re}[r_L\left(t\right)\·e^{j{\mathrm{\ω}}_{c}t}]=r_L\left(t\right)\·\cos {\mathrm{\ω}}_{c}t---\left(1\right)$

其中ω_c为带通信号r(t)的中心频率。因此，在本发明中，将接收到的PSWF脉冲调制信号等效为一个低通信号与正弦载波调制的信号形式，正弦载波的频率为脉冲调制信号的中心频率。

②信号处理

在本发明中，为了有效消除定时抖动影响，正确解调信息，在接收端，将接收到的PSWF脉冲调制信号分为两个支路，一路参与相关解调，另一路提取定时抖动信息，用于实时修正相关接收机中的本地模板信号相位，实现本地模板信号与接收信号之间的准确对准，从而消除了定时抖动对解调性能的影响。如图1所示。

③定时抖动提取

在定时抖动提取支路中，压控振荡器产生与PSWF脉冲调制信号中心频率相同的正弦信号，该信号又分为两个支路，一路直接与PSWF脉冲调制信号参与乘法运算形成正交分量，另一路经移相90°后再与PSWF脉冲调制信号参与乘法运算形成同相分量，经低通滤波后，根据同相分量和正交分量的运算结果求解定时抖动大小，从而实时修正相关接收机中的本地模板信号的相位。如图1所示。

令接收到的脉冲调制信号为r(t)，当与存在定时抖动误差τ的同频正交的正余弦信号分别相乘时，其同相分量结果x_同相(τ)为：

其正交分量结果x_正交(τ)为：

同相分量和正交分量的运算结果经低通滤波后，其结果分别为

x_同相(τ)＝r_L(t)cosω_cτ/2                       (4)

x_正交(τ)＝-r_L(t)sinω_cτ/2                       (5)

由上述表达式易知，可根据低通滤波后的同相分量和正交分量求解定时抖动τ大小，其值为：

④本地模板信号相位修正

在相关解调支路中，接收端产生与理想接收信号相同波形的本地模板信号，与接收信号进行相关检测，根据定时抖动提取支路中得到的定时抖动大小实时修正本地模板信号的相位，实现本地模板信号与接收信号之间的准确对准，然后对相关结果进行判决，从而正确解调信息。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

①实时性好

本发明提出的抗定时抖动接收方法，是根据同相分量和正交分量的运算结果提取定时抖动大小，能够实时修正本地模板信号的相位，克服了基于矩阵理论的定时抖动消除方法中实时性较差的问题。

②运算量小

本发明提出的抗定时抖动接收方法，只需要计算接收信号的同相分量和正交分量，即可获得定时抖动的大小，其运算量小于基于估计理论的定时抖动消除方法。

③抗干扰能力强

本发明提出的抗定时抖动接收方法，采用与接收信号相匹配的本地模板信号进行相关解调，通过求解定时抖动大小来实时修正本地模板信号与接收信号的相位误差，从而保持了匹配滤波的最佳输出信噪比特性，使系统具有较强的抗干扰能力。

④应用范围广

本发明提出的抗定时抖动接收方法，未对所采用的脉冲信号形式做出条件约束，可适用于任意脉冲调制信号的定时抖动消除，具有较广的适用范围；又因采用相关解调方式，保持了本地模板信号与接收信号间的最佳匹配性，从而使该方法既适用于单路脉冲调制信号的抗定时抖动接收，又适用于多路正交脉冲调制信号的抗定时抖动接收。因此，本发明具有较广的适用范围。

通过上述分析，本发明提出的抗定时抖动接收方法，可有效消除脉冲调制信号的定时抖动，为提高脉冲无线电通信系统的可靠性提供了有效的技术支持，具有重要价值。

附图说明

图1是抗定时抖动方法的原理框图。

图2是实施例中脉冲调制信号的时域波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例

设计要求：采用脉冲持续时间为T_s＝3ns、时间带宽积因子为c＝3π、频谱范围为5-7GHz的椭圆球面波函数(PSWF)作为信息传输波形，基于脉冲幅度调制实现单用户二进制信息传输，假定本地模板信号与接收信号间的定时抖动误差为τ＝5％×T_s，采用本发明提出的抗定时抖动接收方法，求解该定时抖动大小，实现模板信号与接收信号间的准确对准，正准接收信息。

采用本发明提出的方法，上述设计要求可按如下步骤实施。

①单用户脉冲幅度调制实现

在5-7GHz通信频段内，采用椭圆球面波函数(PSWF)作为脉冲信号传输二进制信息，脉冲持续时间为T_s＝3ns，当所传信息为1，-1，-1，1，-1时，脉冲调制信号的时域波形如图2所示。

②PSWF脉冲调制信号的等效低通表示

由上述设计要求可知，本地模板信号与接收信号间的定时抖动误差为τ＝5％×T_s，令第j个码元时间内接收到的信号r(t-τ)表示为：

r(t-τ)＝d_j·p(t-τ)＝d_j·p_L(t-τ)·cos[2π×6×10⁹×(t-τ)]，(j-1)T_s≤t≤jT_s      (6)

其中，d_j为传输的二进制信息，p_L(t)为p(t)的等效低通信号。

③信号处理

将接收到的脉冲调制信号分为两个支路，一路参与相关解调，另一路提取定时抖动信息，用于实时修正相关接收机中的本地模板信号相位，实现本地模板信号与接收信号之间的准确对准，从而消除了定时抖动对解调性能的影响。

④定时抖动提取

由上述设计要求可知，用于传输信息的PSWF脉冲调制信号的频谱范围为5-7GHz，其中心频率为6GHz。因此，在定时抖动提取支路中，压控振荡器产生与脉冲调制信号中心频率相同的正弦信号，即接收机的压控振荡器产生频率为6GHz的正弦信号sin(2π×6×10⁹×t)，该信号又分为两个支路，一路直接与脉冲调制信号参与乘法运算形成正交分量，另一路经移相90°后产生余弦信号cos(2π×6×10⁹×t)，再与脉冲调制信号参与乘法运算形成同相分量，用于定时抖动提取。

根据式(2)、式(3)、式(4)、式(5)，压控振荡器产生的正余弦信号分别与接收到的信号r(t-τ)相乘，经低通滤波后，同相分量为：

正交分量为：

由此可求解定时抖动大小为：τ＝-arctg(x_正交/x_同相)/(2π×6×10⁹)。

⑤本地模板信号相位修正

根据定时抖动提取支路中得到的定时抖动大小实时修正本地模板信号的相位，实现本地模板信号与接收信号之间的准确同步，然后对相关结果进行判决，从而正确解调信息。

Claims (1)

1.一种PSWF脉冲调制信号的抗定时抖动方法，从PSWF脉冲调制信号与低通信号的等效性角度出发，在接收端，将接收到的PSWF脉冲调制信号分为两个支路，一路参与相关解调，另一路提取定时抖动信息，用于实时修正相关接收机中的本地模板信号相位，实现本地模板信号与接收信号之间的准确对准，从而消除定时抖动对解调性能的影响；

其中，定时抖动提取支路由压控振荡器、移相器、乘法器、滤波器和定时抖动提取模块组成，压控振荡器产生与PSWF脉冲调制信号中心频率相同的正弦信号，该信号又分为两个支路，一路直接与PSWF脉冲调制信号通过乘法器参与乘法运算形成正交分量，另一路经移相器移相90°后再与PSWF脉冲调制信号通过乘法器参与乘法运算形成同相分量，同相分量和正交分量分别经滤波器低通滤波后输送至定时抖动提取模块，定时抖动提取模块完成定时抖动的求解功能，定时抖动大小为其中x_正交为正交分量，x_同相为同相分量，ω_c为PSWF脉冲调制信号中心频率，所求解的定时抖动大小用于实时修正相关接收机中的本地模板信号的相位。