CN103138800A - 一种超宽带同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超宽带通讯技术的同步方法，包括如下步骤：步骤A，用峰值噪声比作为门限,以较大的滑动步长来做互相关，在峰值噪声的比值超过预设门限时，认为正确捕捉到接收信号；步骤B，利用相关器输出的小峰值信号，通过二次包络来生成较为平滑的相关器输出包络曲线；步骤C，以相关器输出包络曲线最高点为中心确立细同步区间；步骤D，在所确立的细同步区间上以较小的滑动步长再次做相关，取相关输出的峰值并计算导频序列的相应时移。本发明解决了在以较低滑动步长做互相关并取峰值来确定细同步区间所带来的准确性问题，从而提高了时延估计的精准度。

Description

一种超宽带同步方法

技术领域

本发明属于超宽带无线通信技术领域，具体涉及一种超宽带同步方法。

背景技术

超宽带(UltraWideBand，简称UWB)技术是一种新型无线通信技术，在近年来得到了广泛的关注，其发送信号带宽可高达数吉赫兹（GHz）。UWB技术一般可以分为脉冲体制和载波体制两种基本的实现方式。脉冲体制UWB通过基带脉冲序列传输信息，具有系统结构简单、成本低、功耗低等优点，在无线通信、测距、探测等领域具有广泛的用途；脉冲体制UWB技术，在接收端可采用峰值检测、能量检测、模拟相关检测等方法，其处理性能受到模拟处理的限制，一般只能实现较低速率的无线通信和探测、定位等功能；在接收端也可以采用高速采样的方法，经过低精度量化，进行数字处理，具有性能稳定、易于集成的优点，并能够实现较高的无线传输速率。

IEEE针对UWB诸多应用场景颁布了相关标准，包括低速无线传感器网络标准IEEE802.15.4，以及用于医疗监测领域的无线体域网（Wireless Body AreaNetwork，简称WBAN）。

高速采样的脉冲超宽带系统中，同步是实现的难点之一。脉冲无线电超宽带的脉冲宽度为纳米级，在理论上可以获得厘米级的定位精度。超宽带系统常用的同步结构为多积分并行滑动相关同步，这种结构可以很大程度上降低捕获时间，但同时也增加了硬件复杂度，所需要的积分器个数也将大大增加。当以较大的滑动步长来做粗相关可以减少积分器的个数，以峰值点为中心所确定的细同步区间的可信度将下降，所估计的时延将不够准确，如何在降低积分器支路的同时保证时延估计的精准度成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有硬件复杂度低并具有较高的时延估计准确性的超宽带同步方法。

本发明是提供的一种超宽带同步方法，包括如下步骤：

步骤A，用峰值噪声比作为门限,以较大的滑动步长来做互相关，在峰值噪声的比值超过预设门限时，认为正确捕捉到接收信号；

步骤B，利用相关器输出的小峰值信号，通过二次包络来生成较为平滑的相关器输出包络曲线；

步骤C，以相关器输出包络曲线最高点为中心确立细同步区间；

步骤D，在所确立的细同步区间上以较小的滑动步长再次做相关，取相关输出的峰值并计算导频序列的相应时移。

进一步，所述步骤A具体为：接收信号与导频序列先以较大的滑动步长T_coarse做相关，并对相关输出取绝对值，在经过一个搜索周期后，计算判决统计量

其中Peak为相关输出的峰值，

为估计的噪声平均，预设门限值为Th，当F>Th时，认定捕获到信号，反之认定没有捕获到信号。

进一步，所述步骤C具体为：以包络曲线最高点的位置为中心，以设定的细同步区间长度L_fine来确立细同步区间，细同步区间立缩小了搜索的范围。

进一步，所述步骤D具体为：

在细同步区间上，以较小的滑动步长T_fine在细同步区间上L_fine上再次做相关，并对相关输出取绝对值，找到峰值的位置peak_pos,即可得到时延估计。

进一步，在步骤A之前，

发射端用冲激无线电技术来发射超宽带信号，用高斯脉冲的二阶导数作为脉冲波形，采用PPM或PAM对脉冲进行调制，并用伪随机码对数据符号进行编码。高斯脉冲的二阶导数可以表示为：

α²为脉冲形成因子；二进制PPM的跳时超宽带(TH-PPM)发射信号可以表示为：

S(t)是由单周期脉冲s(t)组成的脉冲序列，j是发射脉冲的个数，T_s为脉冲重复周期，T_c为码片时间(chip time)，c_j为跳时序列,a_jε是由PPM调制引起的位移。

进一步，其特征在于，当所述方法应用于AWGN信道环境和IEEE802.15.SG3a的CM1信道环境时，IEEE802.15.SG3a信道冲激响应可以表示为：

式中，α_k，l为多径的衰减系数，T_l为第l簇的时延，τ_k，l表示以T_l为基准，第l簇的第k个多径分量的时延。

二次包络的方法充分利用了相关器输出的小峰值信号，以包络最高点所确立的细同步区间的准确性得到增强，解决了在以较低滑动步长做互相关并取峰值来确定细同步区间所带来的准确性问题，从而提高了时延估计的精准度，解决了降低积分器支路的同时保证时延估计的精准度的问题，该方法在AWAN信道环境下能够显著减少测距误差并且适用于于IEEE802.15.SG3a的CM1信道环境。

附图说明

图1基于二次包络的超宽带同步方法流程图；

图2相关器输入信号示意图；

图3导频信号示意图；

图4是否捕获的判定示意图；

图5基于二次包络的同步仿真示意图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种超宽带定位系统同步的方法。对现有的“互相关+取峰值”方法进行了改进，先做粗相关，即以较大的滑动步长来做互相关，在峰值噪声的比值超过预设门限时，认为正确捕捉到接收信号，对相关器输出做二次包络，得到相关器输出较为平滑的包络曲线，取包络曲线的最高点并以此最高点为中心来确定细同步区间，确立细同步区间之后，再以较小的滑动步长来做互相关，取细相关输出的峰值并计算模板信号的相应时移，这个时移值就是超宽带信号的估计时延。本发明能够在兼顾超宽带信号时延估计性能的同时显著减少接收机积分器的支路数。

下面结合附图，对本发明做进一步详细的描述。

如图1所示，本实施例对本发明的具体实施方式进行详细说明，具体为：在超宽带冲激无线电系统中，以结合二进制PPM的跳时超宽带(TH-PPM)为例实施基于二次包络的超宽带同步方法。

发射信号对可以表示为：

$s\left(t\right)=\underset{j}{\mathrm{\Σ}}p(t-j{T}_s-c_j{T}_c-a_j\mathrm{\ϵ})---\left(1\right)$

S(t)是由单周期脉冲s(t)组成的脉冲序列，j是发射脉冲的个数，T_s为脉冲重复周期，T_c为码片时间(chip time)，c_j为跳时序列,a_jε是由PPM调制引起的位移。信道采用AWGN信道和IEEE802.15.SG3a信道的CM1信道。

r(t)=s(t)*h(t)+n(t)     （2）

h(t)为信道冲激响应，n(t)为加性噪声。

粗相关即用接收信号r(t)与导频序列p(t)以滑动步长T_coarse在搜索周期T_max内做滑动相关，T_coarse为较大的滑动步长，粗相关可表示为：

$U={\∫}_0^{T_{\max }}r\left(t\right)p(t-{\mathrm{\τ}}_0)\mathrm{dt}---\left(3\right)$

p(t-τ₀)为导频序列的循环移位，τ₀为导频序列p(t)以滑动步长T_coarse的移位时长，τ₀等于整数倍的T_coarse，例如T_coarse，2T_coarse，3T_coarse等。

如图5所示，二次包络即对粗相关输出U做两次平滑处理，滤除随机噪声，生成平滑的包络曲线，可以采用移动平均滤波器，高斯、布莱克曼、多通道移动平均滤波器来做平滑处理。

细相关即以二次包络的最高点为中心，确立长度为L_fine的细同步区间I，并在细同步区间上以滑动步长T_fine在细同步区间范围内做滑动相关，T_fine为较小的滑动步长，细相关可表示为：

$U_{\mathrm{fine}}={\∫}_{I}r\left(t\right)p(t-{\mathrm{\τ}}_1)\mathrm{dt}---\left(4\right)$

p(t-τ₁)为导频序列的循环移位，τ₁为导频序列p(t)以滑动步长T_fine的移位时长，τ₁等于整数倍的T_fine，例如R_fine，2T_fine，3T_fine等。

为了进一步说明本发明的有益效果，下面对本发明进行仿真过程及结果的说明。

表1基于二次包络的超宽带定位系统同步方法仿真系统参数

表2仿真参数

参数	定义	仿真1	仿真2
				Tcoarse	粗相关滑动步长（s）	3e-10	6e-10
Tfine	细相关滑动步长（s）	1e-10	2e-10
				Lfine	细同步区间长度（s）	100e-9	100e-9

仿真1所需要的积分器支路数为1000，仿真2所需要的积分器支路数为500。相关器输入信号如图2所示，导频序列如图3所示，以滑动步长T_coarse做滑动相关，依据图4所示判定捕获到信号后对相关器输出做二次包络，并以包络最高点为中心依据设定的细同步区间长度L_fine确定细同步区间，在所确立的细同步区间上以滑动步长T_fine再次做相关并取峰值从而确定时延，如图5所示。

表3AWGN信道环境下仿真结果对比

表4IEEE802.15.SG3a的CM1信道环境下仿真结果对比

从表3、表4的仿真数据来看，在AWGN信道环境下，在从支路数由1000降为500时基于峰值的方法时延误差平均增大显著，同步性能不好，而基于二次包络的方法时延误差平均有所增大，但仍具有较好的同步性能；在IEEE802.15.SG3a的CM1信道环境下，在从支路数由1000降为500时，基于峰值的方法和基于二次包络的方法时延误差平均都有所增大，但同步性能没有明显下降。

总的来说，基于峰值的方法在粗相关之后，直接对粗相关输出取峰值，并以峰值点位置为中心来确立细同步区间。基于峰值的方法用相同的方法做粗相关和细相关，与基于二次包络方法的区别在于细同步区间确立的不同。基于二次包络的方法在AWGN信道环境下同步性能优于基于峰值的方法，在IEEE802.15.SG3a的CM1信道环境下同步性能相比较基于峰值的方法有所提升，具有很好的普适性。

Claims (6)

1.一种超宽带同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A，用峰值噪声比作为门限, 以较大的滑动步长来做互相关，在峰值噪声的比值超过预设门限时，认为正确捕捉到接收信号；

步骤B，利用相关器输出的小峰值信号，通过二次包络来生成较为平滑的相关器输出包络曲线；

步骤C，以相关器输出包络曲线最高点为中心确立细同步区间；

步骤D，在所确立的细同步区间上以较小的滑动步长再次做相关，取相关输出的峰值并计算导频序列的相应时移。

2.根据权利要求1所述的超宽带同步方法，其特征在于，所述步骤A具体为：接收信号与导频序列先以较大的滑动步长                                                

做相关，并对相关输出取绝对值，在经过一个搜索周期后，计算判决统计量

，其中

为相关输出的峰值，

为估计的噪声平均，预设门限值为，当

时，认定捕获到信号，反之认定没有捕获到信号。

3.根据权利要求1所述的超宽带同步方法，其特征在于，所述步骤C具体为：以包络曲线最高点的位置为中心，以设定的细同步区间长度

来确立细同步区间，细同步区间立缩小了搜索的范围。

4.根据权利要求1所述的超宽带同步方法，其特征在于，所述步骤D具体为：在细同步区间上，以较小的滑动步长

在细同步区间上

上再次做相关，并对相关输出取绝对值，找到峰值的位置

,即可得到时延估计。

5.根据权利要求1所述的超宽带同步方法，其特征在于：在步骤A之前，发射端用冲激无线电技术来发射超宽带信号，用高斯脉冲的二阶导数作为脉冲波形，采用PPM或PAM对脉冲进行调制，并用伪随机码对数据符号进行编码，高斯脉冲的二阶导数可以表示为：

，

为脉冲形成因子；二进制PPM的跳时超宽带(TH-PPM) 发射信号可以表示为：，S(t)是由单周期脉冲s(t)组成的脉冲序列，j是发射脉冲的个数，

为脉冲重复周期，

为码片时间(chip time)，

为跳时序列, 

是由PPM调制引起的位移。

6.根据权利要求1至5任一所述的超宽带同步方法，其特征在于，当所述方法应用于AWGN信道环境和IEEE 802.15.SG3a的CM1信道环境时，IEEE 802.15.SG3a信道冲激响应可以表示为：

，式中，

为多径的衰减系数，为第

簇的时延，

表示以

为基准，第

簇的第k个多径分量的时延。

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