CN104393977A - 差分混沌键控或调频差分混沌键控的超宽带系统同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种差分混沌键控或调频差分混沌键控的超宽带系统同步方法，包括以下步骤：第一步：将初始搜索区间平均分成4个子区间，利用混沌信号具有极强的自相关性和极弱的互相关性的特点以及比较各子区间内收集到的有用信号能量的方法，将搜索区间缩至其中一个子区间，令n=2；第n步：将上一步确定的搜索区间平均分成2个子区间，并将每个子区间的中点设为新的积分起点，比较所得两个积分结果，将较大的积分结果的区间定为新的子区间，并将该子区间的中点设置为估计的同步时刻，令n=n+1，若n>N,算法结束，否则继续执行第n步算法；本发明所述的方法大大缩短了同步所需要的时间，而且计算复杂度很低，从而有效地降低了接收机的实现复杂度。

Description

差分混沌键控或调频差分混沌键控的超宽带系统同步方法

技术领域

本发明涉及一种差分混沌键控或调频差分混沌键控的超宽带系统同步方法。

背景技术

自从2002年美国联邦通信委员会(FCC, Federal Communications Commission)开放超宽带(UWB, ultra-wideband)传输频带以来，由于其在短距离无线通信领域的广阔应用前景，尤其是在无线个域网(WPANs, wireless personal area networks)、无线体域网(WBANs, wireless body area networks)和无线传感器网络的巨大潜在市场，超宽带已经引起了学术界和工业界越来越多的研究人员的研究兴趣（L. Yang and G. B. Giannakis, “Ultra-wideband communications: an idea whose time has come,” IEEE Signal Proc. Mag., vol. 21, no. 6, pp. 26-54, Nov. 2004）。另一方面，由于混沌调制技术具有易于实现、成本低、功耗低的优势，混沌波形已被选为IEEE 802.15.4a的UWB无线电标准的可选载波方案。在各种混沌调制技术中，差分混沌键控(DCSK, differential chaos shift keying)的改进版——调频差分混沌键控(FM-DCSK, frequency-modulated DCSK)已被证明具有最好的噪声性能及对抗多径衰落能力（M. P. Kennedy, G. Kolumban, G. Kis, and Z. Jako, “Performance evaluation of FM-DCSK modulation in multipath environments,” IEEE Trans. Circuits Syst. I, Fundam. Theory Appl., vol. 47, no. 12, pp.1702-1711, Dec. 2000）。因此基于FM-DCSK调制的超宽带通信将有美好的应用前景（X. Min, W. Xu, L. Wang, and G. Chen, “Promising performance of a frequency-modulated differential chaos shift keying ultra-wideband system under indoor environments,” IET Commun., vol. 4, no. 2, pp. 125-134, Jan. 2010）。另外，DCSK/FM-DCSK UWB亦是传输参考(TR，transmitted reference) UWB的一种，因此具体TR UWB的许多优点，如不需要信道估计等。

 由于UWB通过发送纳秒级的超短脉冲来传输信息，因此定时偏移将会对UWB系统的性能造成严重地恶劣影响。所以定时同步技术对于UWB收发机的实现来说非常重要。一些文献（C. Carbonelli and U. Mengali, “Synchronization algorithms for UWB signals,” IEEE Trans. Commun., vol. 54, no. 2, pp. 329–338, Feb. 2006和L. Wu, V. Lottici, and Z. Tian, “Maximum likelihood multiple access timing synchronization for UWB communications,” IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 7, no. 11, pp. 4497-4501, Nov. 2008等）提出将本地的模板信号与接收信号进行相关后实现同步的相干同步方法。由于在接收端生成本地的模板信号对于混沌无线通信来说是非常困难的，因此这种方法并不适用于DCSK/FM-DCSK UWB系统。另一些文献（L. Yang and G. Giannakis, “Timing ultra-wideband signals with dirty templates,” IEEE Trans. Commun., vol. 53, no. 11, pp. 1952-1963, Nov. 2005以及R. Zhang and X. Dong, “Synchronization and integration region optimization for UWB signals with non-coherent detection and auto-correlation detection,” IEEE Trans. Commun., vol. 56, no. 5, pp. 790-798, May 2008等）提出了适用于传统的TR UWB的非相干同步方法，其思想是对接收到的信号和该信号的延迟版本进行符号间的多次相关运算，根据比较多个相关结果来判断符号起始时刻，从而达到定时同步。然而，这种思想只适用于传统的发射端发送周期性的波形的UWB系统，而不适用于DCSK/FM-DCSK UWB系统，其原因是DCSK/FM-DCSK的混沌波形并不是固定的、不是周期性的，即使发送相同的符号，各个符号周期内的波形也互不相同。这将导致相邻符号间相关值非常低，因而基于符号间相关的算法都不适用于DCSK/FM-DCSK UWB系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种差分混沌键控或调频差分混沌键控的超宽带系统同步方法，该方法基于符号内的相关运算，同时利用了混沌信号自相关性强的特点，不仅同步速度快，而且实现复杂度低。

 为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种差分混沌键控或调频差分混沌键控的超宽带系统同步方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：将初始搜索区间                                                平均分成4个子区间：、、和，将这四个子区间的起始点作为下式的积分时刻： 

其中，r(t)为接收的UWB信号，为同步模块的积分长度，M为训练序列的比特数，则由上式可得到在四个积分区间内对应的积分结果：；通过比较，可得中的最大值，而该最大值所对应的积分区间就是所在的区间X，接着，将随机的初始更新为区间X的起点，令n=2；

第步：经过第步后，可以将所在的区间缩短至，接着，将该搜索区间平均分成两个子区间，即和；分别将这两个子区间的中点，即和作为积分时刻代入下式：

       

这样可得到两个积分结果：和；如果，就判定位于前一子区间，若，便判定位于后一子区间；接着，接收机将更新为所判定的子区间的中点；最后，令，若，同步算法结束；否则，继续执行第n步算法，其中，N为一预先设定的数值。

在本发明一实施例中，所述第一步初始搜索区间的确定方法如下：由于接收机不知道发射机准确的信号发射时刻以及信道存在时延，准确的积分起始时刻对于接收机来说是不知道的，接收机随机地将积分起始时刻定为时刻，为了不失一般性，认为，其中为理想的积分起始时刻，T为符号周期。

在本发明一实施例中，所述符号周期T的值为：T=200ns。

在本发明一实施例中，所述第一步和第n步同步模块的积分长度的值为：=T/5=40ns。

在本发明一实施例中，所述第n步预先设定的数值N的值为:，其中表示向上取整,为接收机的同步分辨率。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明提供的同步方法在每一步将搜索区间缩短至上一步的一半，因此相比于传统的线性的、穷尽的搜索策略（参见R. Zhang and X. Dong, “Synchronization and integration region optimization for UWB signals with non-coherent detection and auto-correlation detection,” IEEE Trans. Commun., vol. 56, no. 5, pp. 790-798, May 2008），本方法不仅大大缩短了同步所需要的时间，而且计算复杂度很低，从而有效地降低了接收机的实现复杂度。

  附图说明

图1是本发明方法流程图。

图2是本发明涉及的FM-DCSK UWB系统框图。

图3是本发明方法第一步的算法示意图。

图4是本发明积分长度对本发明的同步算法的归一化均方误差性能的影响示意

图。

图5是本发明的同步算法在IEEE 802.15.4a CM1信道下的归一化均方误差性能示

意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

如图2所示为本发明涉及的FM-DCSK UWB系统框图（将图1中的调频器移除就是DCSK UWB的系统框图）。超宽带混沌信号发生器产生混沌脉冲宽度为Tw的超宽带混沌信号p(t)。发射机发射的信号s(t)可以表示为:

                           （1）

其中，k为符号序号，T为符号周期，为发送的数据信息。 

本发明的信道模型采用的是IEEE 802.15.4a的抽头延迟线模型，信道的冲激

响应可表示为：

                                            （2）

其中，L为可分辨的多径抽头数，和分别为第径信号的幅度衰减因子和多径

时延。

经过信道传播后的接收信号r(t)可以表示为

                  （3）

其中，为卷积操作，n(t)为加性高斯白噪声(AWGN)。

在接收端,接收机将对接收到的信号r(t)和其延迟T/2后的信号进行相关积

分操作。由于接收机不知道发射机准确的信号发射时刻以及信道存在时延，准确

的积分起始时刻对于接收机来讲是不知道的。图2中的定时同步模块即是解决积

分起始时刻的估计问题。

假设系统启动时，接收机随机地将积分起始时刻定为时刻。不失一般性，可

以认为。

如图1所示，本发明提供的同步方法，是基于发送长度为M比特的样式为“＋

1,－1,＋1,－1……”的训练序列的，训练序列的另一作用是对连续的多个符号求

和后取平均来弱化信号中掺杂的噪声。方法的具体步骤如下：

    第一步：将初始的搜索区间平均分成4个子区间：、、和。将这四个子区间的起始点作为公式（4）的积分时刻，则有四个积分结果：

              （4）

其中，r(t)为接收的UWB信号，T_in为同步模块的积分长度，M为训练序列的比特

数。令：

                                     （5）

则接收机根据公式（6）更新，也就是将更新为最大的积分结果所对应的区间的起点，其中公式（6）中的mod为取余数操作。

                                         （6）

至此，第一步完毕。

第一步的方法很好地利用了混沌信号自相关性强、互相关性弱的特点，我们

以图3对此进行说明。

假设随机的初始位于如图3中的位置。根据公式（4），可得到四个积分区间内（阴影部分）对应的积分结果：。由于非常靠近，则中包含的有用信号能量远多于和，所以明显地，和远小于。另一方面，由于混沌信号是一种波形类似噪声的信号，互相关值远小于自相关值。因此，在四个积分结果中是最大的，再根据公式（5）和（6），将更新在所对应的区间的起点，令n=2。

第步：经过第步后，可以将所在的区间缩短至。接着，

将该搜索区间平均分成两个子区间：和。这一步的目的是确

定位于哪个子区间。分别将这两个子区间的中点，即和作为积分

时刻，这样可得到如下两个积分结果：

 （7）

如果，就判定位于前一子区间。这是因为当时，

所收集的有用信号能量将超过所收集到的。反之，若，便判定位

于后一子区间。用方程表示就是：

                                         （8）

             接着，接收机将更新为公式（8）所判定的所在的区间的中点，即

                                           （9）

       至此，由公式（8）可知，所在的区间长度可以缩短至。而由公式（9）可知，此时可能的最大同步误差为。令N为本发明方法所需要的总步骤数，为接收机的同步分辨率。显然，当第n步之后的最大同步误差小于等于同步分辨率（即）时，可以认为已经完成同步。此时，由得，。由此可得，总步骤数，其中表示向上取整。

在该步的最后，令。若，重新执行第n步算法；若，同步算法结束。

系统参数设置如下：混沌脉冲宽度Tw = 2ns,符号周期T = 200ns，同步分辨率 = 0.125ns,信道为IEEE 802.15.4a CM1信道。

图4表示当信噪比大于14dB时，取T/5可获得最佳的归一化均方误差(normalized mean square error)性能，其中归一化均方误差定义为。有鉴于此，本发明方法中公式（4）和（7）中的均设为T/5 = 40ns。

图5表示本发明的同步方法的归一化均方误差性能及其与训练序列比特数(M)的关系。训练序列比特数越多，同步的性能越好。这是因为公式（4）和（7）中的取平均操作将接收信号中的高斯噪声弱化了，而M越大，噪声被弱化的效果就越明显。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种差分混沌键控或调频差分混沌键控的超宽带系统同步方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步：将初始搜索区间平均分成4个子区间：                                               、、和，将这四个子区间的起始点作为下式的积分时刻： 

其中，r(t)为接收的UWB信号，为同步模块的积分长度，M为训练序列的比特数，M=16，则由上式可得到在四个积分区间内对应的积分结果：；通过比较，可得中的最大值，而该最大值所对应的积分区间就是所在的区间X，接着，将随机的初始更新为区间X的起点，令n=2；

第n步：经过第步后，可以将所在的区间缩短至，接着，将该搜索区间平均分成两个子区间，即和；分别将这两个子区间的中点，即和作为积分时刻代入下式：

    

这样可得到两个积分结果：和；如果，就判定位于前一子区间，若，便判定位于后一子区间；接着，接收机将更新为所判定的子区间的中点；最后，令，若，同步算法结束；否则，继续执行第n步算法，其中，N为一预先设定的数值。

2.根据权利要求1所述的差分混沌键控或调频差分混沌键控的超宽带系统同步方法，其特征在于：所述第一步初始搜索区间的确定方法如下：由于接收机不知道发射机准确的信号发射时刻以及信道存在时延，准确的积分起始时刻对于接收机来说是不知道的，接收机随机地将积分起始时刻定为时刻，为了不失一般性，认为，其中为理想的积分起始时刻，T为符号周期。

3.根据权利要求2所述的差分混沌键控或调频差分混沌键控的超宽带系统同步方法，其特征在于：所述符号周期T的值为：T=200ns。

4.根据权利要求1所述的差分混沌键控或调频差分混沌键控的超宽带系统同步方法，其特征在于：所述第一步和第n步同步模块的积分长度的值为：=T/5=40ns。

5.根据权利要求1所述的差分混沌键控或调频差分混沌键控的超宽带系统同步方法，其特征在于：所述第n步预先设定的数值N的值为:，其中表示向上取整,为接收机的同步分辨率。