基于信道識(shí)別的超寬帶信號(hào)同步算法的研究

1、基于信道識(shí)別的超寬帶信號(hào)同步算法的研究摘 要超寬帶無線電直接使用短脈沖承載信息，與傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)相比具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)比較簡單，高速的數(shù)據(jù)傳輸，低功耗，安全性高，多徑分辨能力強(qiáng)，定位精確，造價(jià)低等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)決定了超寬帶同步的特殊性。超寬帶的同步必須快速準(zhǔn)確地完成。超寬帶接收機(jī)氛圍相干接收機(jī)和非相干接收機(jī)。相應(yīng)地，對(duì)超寬帶同步方法的研究也是基于這兩種接收機(jī)，而且衍生出很多的同步方案。本文提出的一種改進(jìn)的同步算法的仿真環(huán)境為IEEE 802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)的復(fù)數(shù)信道。利用信道類型識(shí)別方法，首先對(duì)信道進(jìn)行識(shí)別，其次利用信道沖激響應(yīng)來確定脈沖展寬，再利用自適應(yīng)非相干差分的方法進(jìn)行快速同步，仿真中還

2、會(huì)利用到窗口疊加的思想。通過仿真結(jié)果可知，在不同信道有必要采用不同的截止窗口，而且這個(gè)方法將有助于縮小同步誤差。通過仿真還發(fā)現(xiàn)，信道識(shí)別的參數(shù)與同步誤差存在一定的關(guān)系。關(guān)鍵詞：超寬帶；非相干；信道識(shí)別；快速同步ABSTRACTUltra Wide Band (UWB) Wireless Radio carries information by short pulses. Comparing with the traditional communication system, UWB processes following merits: easy to implement, high data

3、 rate, low power consumption, high security, high multipath resolution, accurate positioning, and low cost et.alThis feature decides the uniqueness of the synchronization of UWB. The synchronization of UWB should perform swiftly and accurately. There are two kinds of receivers for UWB, the coherent

4、one and the non-coherent one. Correspondingly, the synchronization methods for UWB are developed respecting the type of the receiver. And lots of extended synchronization methods have been developed.In this study, we adopt the IEEE 802.15.4a channel model. We borrow the channel identification method

5、 to identify channel first. And then, the pulse spread is computed by channel impulse response. Next, synchronization is accomplished by the adaptive non-coherent differential fast synchronization. During this simulation, the overlapping window scheme is also absorbed. The simulation results tell us

6、 that it more efficient to use different window size corresponding to different channel type, which would benefit decreasing synchronization error. It is also discovered that there are certain functions between the parameters for channel identification and the synchronization errors. Key words: UWB;

7、 Non-coherent; Channel Identification; Fast Synchronization一、超寬帶技術(shù)的簡介1. 超寬帶的定義FCC在2002年提出的UWB標(biāo)準(zhǔn)為：如果一個(gè)信號(hào)-10dB輻射點(diǎn)的帶寬已經(jīng)超過500MHz，不管信號(hào)的相對(duì)帶寬是多少都可以認(rèn)為是一個(gè)UWB信號(hào)。由500MHz的下限頻率可以得到一個(gè)大小為2.SGHz的閾值。中心頻率在閾值以下的信號(hào)，當(dāng)其相對(duì)帶寬超過0.20時(shí)是UWB信號(hào)；而中心頻率在閾值以上的信號(hào)，當(dāng)其帶寬超過500MHz時(shí)可以認(rèn)為是UWB信號(hào)。UWB是一種在雷達(dá)和遙感器中被廣泛應(yīng)用的傳輸技術(shù)，近年來在通信應(yīng)用中受到了巨大的關(guān)注。與傳統(tǒng)的

8、無限技術(shù)相比UWB的主要特點(diǎn)是傳輸速率高、功耗低、具有高度的安全性、不易產(chǎn)生干擾、多徑分辨能力強(qiáng)、準(zhǔn)確的定位、低成本芯片結(jié)構(gòu)等。它是解決企業(yè)、家庭、公共場所等高速因特網(wǎng)接入的需求與越來越擁擠的頻率資源分配之間的矛盾的有效技術(shù)手段。頻譜資源可謂無線通信中最寶貴的資源，與占用指定的頻帶資源的傳統(tǒng)無線通信相比，超寬帶可以與現(xiàn)有的無線頻譜重疊，在頻譜資源日趨緊張的今天，大大提高了頻譜利用率，提高了傳輸效率。2. 超寬帶系統(tǒng)的信道特點(diǎn)無線通信系統(tǒng)的性能主要受到傳輸信道的制約。不同于傳統(tǒng)的窄帶和寬帶信號(hào)，超寬帶信道的傳播具有獨(dú)特性。在超寬帶系統(tǒng)中，由于其傳輸信號(hào)有極高的帶寬，系統(tǒng)具有很高的多徑分辨率，多徑

9、數(shù)目相對(duì)較少，因此不再滿足中心極限定理的假設(shè)，Rayleigh分布或Rician分布已不再是UWB系統(tǒng)的小尺度衰落分布。對(duì)于超寬帶系統(tǒng)來說研究其信道環(huán)境及模型也是一個(gè)相當(dāng)重要的課題。為評(píng)估各種超寬帶通信實(shí)現(xiàn)方案的性能以及標(biāo)準(zhǔn)化工作，通常需要根據(jù)其工作環(huán)境建立一個(gè)比較精確的信道模型。但由于超寬帶信號(hào)的特殊性，如持續(xù)時(shí)間為納秒兩級(jí)、帶寬寬等，因此他的信道特性會(huì)有一些與窄帶通信系統(tǒng)不同的特點(diǎn)。研究無線電傳輸?shù)钠毡榉较蚴墙⑿诺滥Ｐ?，其目?biāo)就是很好地刻畫出大尺度歷經(jīng)特征和小尺度多徑特征。因此信道模型為計(jì)算傳輸損耗、鏈路預(yù)算、物理層方案采取等等提供了很好的依據(jù)。一般的無線傳輸信道模型都是通過結(jié)合統(tǒng)計(jì)分析

10、和實(shí)驗(yàn)方法得到的，實(shí)驗(yàn)方法依賴于基于測試數(shù)據(jù)的曲線和解析式擬合。超寬帶的信道模型主要分為室內(nèi)和室外兩大類。室內(nèi)環(huán)境又分為住宅和辦公室兩種。不管是室內(nèi)還是室外都存在直視路徑（LOS）和無直視路徑（NLOS）兩種基本情況。這將會(huì)給UWB信道模型的建立帶來的相當(dāng)大的困難。小尺度衰落簡稱衰落，是指無線電信號(hào)在短時(shí)間或短距離傳播后其幅度、相位或多徑時(shí)延快速變化，以至于大尺度路徑損耗的影響可以忽略不計(jì)。這種衰落是由于同一傳輸信號(hào)沿著兩個(gè)或多個(gè)路徑傳播，以微小的時(shí)間差到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)互相干擾所引起的。這些波稱為多徑波。接收機(jī)天線將他們合成一個(gè)幅度和相位都急劇變化的信號(hào)，其變化程度取決于多徑波的強(qiáng)度、相對(duì)傳播

11、時(shí)間及傳播信號(hào)的帶寬。沖激響應(yīng)是寬帶信道特性，它包含了所有用于模擬和分析信道中任何類型的無線電傳播的信息，可謂沖激響應(yīng)特性的線性濾波器。信道的濾波特性以任一時(shí)刻到達(dá)的多徑波為基礎(chǔ)，其幅度與時(shí)延影響信道的濾波特性。這種濾波器形式的信道結(jié)構(gòu)給UWB通信系統(tǒng)的系統(tǒng)模型提供了良好的理論依據(jù)。3. 超寬帶系統(tǒng)同步技術(shù)的特點(diǎn)同步是數(shù)字系統(tǒng)不可或缺的重要的技術(shù)，發(fā)送端和接收端要保持頻率和相位上的一致。因此保證了同步，接收端才可以正確的解調(diào)和判斷有效的信息。同步技術(shù)可以分為：載波同步、位同步、幀同步和網(wǎng)同步。對(duì)于擴(kuò)頻通信來說，完成了以上同步，整個(gè)系統(tǒng)才可以工作，即一個(gè)系統(tǒng)性能的好壞與同步系統(tǒng)的好壞息息相關(guān)。因

12、此，無線通信要求同步系統(tǒng)要具有非常高的可靠性?；谛诺雷R(shí)別的超寬帶同步算法研究在擴(kuò)頻系統(tǒng)中同步的作用是將接收到的偽隨機(jī)序列（PN碼）和本地產(chǎn)生的偽隨機(jī)（PN碼）序列保持同步，即在頻率和相位上要保持一致。同步過程可以分成兩個(gè)階段：起始同步/同步捕獲：接收機(jī)對(duì)發(fā)射機(jī)發(fā)送的信號(hào)未知的情況下，要進(jìn)行搜索捕獲的過程。即接收信號(hào)和本地信號(hào)間的相位差要保持在一定的范圍內(nèi)也就是同步范圍內(nèi)。跟蹤過程：捕獲完成后要繼續(xù)保持同步，以保證受到干擾或影響時(shí)也能很好的保持一定的同步。即使產(chǎn)生偏移時(shí)，同步系統(tǒng)也要完成調(diào)整，使整個(gè)系統(tǒng)能進(jìn)入良好的同步。超寬帶信號(hào)由其本身的特點(diǎn)即發(fā)送亞納秒級(jí)別的脈沖傳遞有用信息，而且它的信道為

13、具有嚴(yán)重頻率選擇性衰落的密集多徑信道，因此同步受到了巨大的挑戰(zhàn)，同時(shí)面臨著一系列難題。因?yàn)閁WB信號(hào)與傳統(tǒng)的窄帶信號(hào)不同，因此它不存在頻偏估計(jì)和相位估計(jì)的問題，因此對(duì)IR-UWB來說以前的同步不一定很好地適用。能量收集對(duì)IR-UWB來說是非常必要的，因?yàn)橛蒊R-UWB發(fā)送機(jī)的設(shè)計(jì)可以看出，其發(fā)送功率很低，這也是IR-UWB的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。但是，低功率信號(hào)往往會(huì)被噪聲所淹沒，這個(gè)給接收機(jī)帶來了相當(dāng)大的困擾。IR-UWB大部分活躍在WPAN的室內(nèi)環(huán)境中，存在嚴(yán)重的多徑效應(yīng)。一個(gè)UWB信號(hào)經(jīng)過被障礙物散射、衍射、反射等等，能量將分散在各多徑中。因此沒有良好的接收端能量處理技術(shù)很難得到相應(yīng)的信息。但是得到

14、充足的多徑信號(hào)就需要準(zhǔn)確的同步，得用很好的同步來保證接收信號(hào)能量的累積。但是一般最先到達(dá)的第一徑不一定是最大徑，最大徑可能出現(xiàn)在后面的某一徑上，導(dǎo)致得到的多條徑同時(shí)滿足同步的要求，這個(gè)將給接收機(jī)帶來額外的同步判決模塊。IR-UWB的同步捕獲算法可以從多個(gè)方面展開研究：1)信號(hào)處理的角度：一維相關(guān)算法、多維子空間算法；2)參數(shù)估計(jì)準(zhǔn)則：假設(shè)檢驗(yàn)理論的似然比算法、估計(jì)理論的最大似然算法；3)接收信號(hào)的隨機(jī)性：平穩(wěn)過程捕獲算法、循環(huán)平穩(wěn)過程捕獲算法；4)導(dǎo)頻序列有無：數(shù)據(jù)輔助的同步算法、非數(shù)據(jù)輔助的同步算法；5)接收模板信號(hào)類型：本地模板算法、臟模板算法。二、超寬帶信道模型1.IEEE 802.15

15、.4a 信道LDR-UWB系統(tǒng)主要致力于低速率UWB發(fā)送信號(hào)，主要在以下的環(huán)境下對(duì)這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測試和仿真。室內(nèi)住宅，室內(nèi)辦公室，室內(nèi)工廠，戶外農(nóng)場和人體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)等等。2.IEEE 802.15.3a 信道2003年7月，IEEE 802.15.SG3a 研究小組信道墨西哥分委會(huì)發(fā)布了UWB室內(nèi)多徑信道模型的最終報(bào)告，用這個(gè)模型評(píng)估提交給IEEE 802.15.3任務(wù)組各種物理層的性能。IEEE信道模型分委會(huì)最終決定采用基于簇方式的模型。三、超寬帶NLOS信道識(shí)別IR-UWB脈沖采用ns級(jí)的極短脈沖，傳輸帶寬極寬，具有強(qiáng)分辨多徑能力，短距離多徑環(huán)境下高精度測距。其理論上的測距精度能達(dá)到厘米級(jí)。今

16、年來UWB脈沖的TOA估計(jì)算法得到廣泛的關(guān)注，利用TOA估計(jì)計(jì)算收發(fā)兩端距離的UWB測距系統(tǒng)也得到了相應(yīng)的發(fā)展。采用估計(jì)接收信號(hào)中的直達(dá)單徑（direct path，DP）的到達(dá)時(shí)間而得到信號(hào)從發(fā)射端到接收端的傳播時(shí)間的TOA算法有：基于能量檢測的非相干TOA估計(jì)算法，使用匹配濾波器技術(shù)的相干TOA估計(jì)算法。在LOS的情況下TOA估計(jì)較準(zhǔn)，因?yàn)樽杂煽臻g維DP的傳播媒介；在NLOS情況下，TOA估計(jì)存在一定的偏差，這個(gè)將帶來測距誤差。因?yàn)镹LOS情況下，DP傳播過程中經(jīng)過一個(gè)或多個(gè)障礙物，這些障礙物造成了傳播的附加時(shí)延，這個(gè)使TOA估計(jì)產(chǎn)生正值偏差?，F(xiàn)存的解決NLOS的傳統(tǒng)問題有：第一種，基于分

17、組估計(jì)的殘余進(jìn)行加權(quán)估計(jì)的定位算法，設(shè)計(jì)特定的定位算法在定位階段減小NLOS誤差對(duì)最終定位精度的影響。第二種，先識(shí)別目前傳輸?shù)男诺罓顟B(tài)，然后在相應(yīng)的定位部分引入辨別的結(jié)果，進(jìn)而有效地限制NLOS帶來的影響。NLOS識(shí)別方法普遍以蜂窩網(wǎng)為背景，以節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)性為前提。但是在WSN中，大部分節(jié)點(diǎn)為靜止或準(zhǔn)靜止的。因此需要關(guān)注CIR（channel impulse response）的特征，尋找信道狀態(tài)的信息。1.超寬帶NLOS信道識(shí)別方法峭度測試方法：數(shù)據(jù)的峭度（Kurtosis）定義為數(shù)據(jù)的四階矩和二階矩平方的比值，用來度量信號(hào)偏離正態(tài)分布信號(hào)的程度。假如，數(shù)據(jù)的峭度大，則在均值附近有明顯的尖峰值

18、，峭度較低時(shí)，在均值附近將會(huì)產(chǎn)生相對(duì)平坦的峰值。由于峭度可以描述一組采樣數(shù)據(jù)的尖峰度，也同樣可以描述已知信道的LOS程度。對(duì)于高峭度值的信道脈沖響應(yīng)，其接收到的信號(hào)更大的可能為LOS。給定的確定信道的實(shí)現(xiàn)為h(t),h(t)的峭度可以定義為：k=Eht-h4Eht-h22=Eht-h4h4其中k和k分別為ln(k)的均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差，通過上面兩個(gè)公式可以得到相應(yīng)信道的峭度和峭度對(duì)數(shù)正態(tài)分布PLOS,NLOSkurt(k)，進(jìn)而可得：Pk=Ploskurt(k)Pnloskurt(k)若P(k)>l，則視為LOS；若P(k)<l，則視為NLOS。峭度可以提供多徑成分幅值統(tǒng)計(jì)相關(guān)的信息，

19、但是不能提供接收多徑成分的延時(shí)屬性。兩個(gè)重要的描述多徑信道延時(shí)的統(tǒng)計(jì)量為平均時(shí)延擴(kuò)展(mean excess delay spread)和均方根時(shí)延擴(kuò)展(RMS delay spread)。平均時(shí)延擴(kuò)展測試方法：平均時(shí)延擴(kuò)展(mean exeess delay spread)可以定義為：m=-th(t)2dt-h(t)2dt同理可得平均時(shí)延擴(kuò)展的對(duì)數(shù)正態(tài)分布PLOS,NLOSmed(m)，進(jìn)而可得：Pm=Plosmed(m)Pnlosmed(m)若p(m)>l，則視為LOS；若P(m)<1，則視為NLOS。均方根時(shí)延擴(kuò)展：均方根時(shí)延擴(kuò)展 (RMS delay spread)定義為：

20、rms2=-t-m2h(t)2dt-h(t)2dt同理可得PLOS,NLOSrms-ds(rms)分布，進(jìn)而可得：Prms=Plosrms-ds(rms)Pnlosrms-ds(rms)若p(rms)>l，則視為LOS；若P(rms)<1，則視為NLOS。聯(lián)合似然比測試方法：相關(guān)文獻(xiàn)中提出了聯(lián)合似然比測試（Joint）方法。Jk,m,rms=P(k)P(m)P(rms)Jk,m,rmsLOS><NLOS1其中Pk=Ploskurt(k)Pnloskurt(k) ，Pm=Plosmed(m)Pnlosmed(m) ，Prms=Plosrms-ds(rms)Pnlosrms

21、-ds(rms)由相關(guān)文獻(xiàn)可知，Ploskurt(k)，Pnloskurt(k)，Plosmed(m)，Pnlosmed(m)，Plosrms-ds(rms)，Pnlosrms-ds(rms)分別為峭度（kurtosis），平均附加時(shí)延（mean excess delay spread）, 均方根時(shí)延擴(kuò)展(RMS delay spread)的LOS和NLOS的對(duì)數(shù)正態(tài)分布。2.超寬帶NLOS信道識(shí)別方法仿真圖1).峭度的對(duì)數(shù)正態(tài)分布的仿真圖2).平均時(shí)延擴(kuò)展的對(duì)數(shù)正態(tài)分布圖3).均方根時(shí)延擴(kuò)展的對(duì)數(shù)正態(tài)分布圖3.四種方法的比較對(duì)以上四種方法進(jìn)行比較可以得到以下的結(jié)果。上表說明，Joint方法有

22、明顯的優(yōu)越性。四、超寬帶系統(tǒng)同步技術(shù)在通信系統(tǒng)中同步技術(shù)作為不可或缺的重要環(huán)節(jié)，越來越受到業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注。有效性和可靠性是通信的兩大主題。系統(tǒng)同步系統(tǒng)的性能直接影響系統(tǒng)能否有效地、可靠地工作。通信系統(tǒng)的同步分為網(wǎng)同步、載波同步、位同步、幀同步。當(dāng)通信的接收雙方完成了這一系列的同步之后，接收端才可以較可靠地恢復(fù)出發(fā)送端所發(fā)送的原始信號(hào)。因此，同步技術(shù)與整個(gè)系統(tǒng)的性能息息相關(guān)。IR-UWB自身特點(diǎn)和適用的環(huán)境，存在相應(yīng)的問題：第一，IR-UWB脈沖持續(xù)時(shí)間之后幾個(gè)納秒，因此接收機(jī)需要進(jìn)行多次搜索,而且搜索時(shí)間長；第二, IR-UWB工作的環(huán)境為多徑環(huán)境，單脈沖信號(hào)經(jīng)過信道時(shí)遇到障礙物會(huì)反射、繞

23、射、散射等等，因此到達(dá)接收端時(shí)單脈沖已經(jīng)變成了一個(gè)脈沖串信號(hào)。每條徑都帶有信息，而且最先到達(dá)的不一定是能量最大的。信道多徑特征似的同步問題更加嚴(yán)峻。1.超寬帶系統(tǒng)的定時(shí)同步超寬帶無線技術(shù)發(fā)送納秒級(jí)極短脈沖信號(hào)，一個(gè)符號(hào)由幾個(gè)幀構(gòu)成，每個(gè)幀包含一個(gè)脈沖信號(hào)，占空比很小。這些特點(diǎn)導(dǎo)致IR-UWB信號(hào)在密集多徑的室內(nèi)環(huán)境中具有其他信號(hào)所不具有的優(yōu)越性。因此，高性能、低復(fù)雜度、高速率的同步技術(shù)成了超寬帶系統(tǒng)的一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。超寬帶系統(tǒng)的接收同步方法與一般擴(kuò)頻系統(tǒng)的接收機(jī)一樣，分為捕獲和跟蹤兩個(gè)階段。捕獲是為了讓接收機(jī)能夠解調(diào)出信號(hào)，將接收信號(hào)與本地參考信號(hào)的相位差限制在某一較小的范圍內(nèi)。跟蹤則是使這個(gè)

24、相位差進(jìn)一步減小，或者始終保持一定的相位差，使其在外界的影響下盡量不要偏離正常的相位。占空比極低的超寬帶通信系統(tǒng)對(duì)跟蹤的要求非常高。對(duì)同步技術(shù)的側(cè)重點(diǎn)的不同，還可以把同步技術(shù)分成以下幾類：根據(jù)對(duì)同步概念的不同理解，一種認(rèn)為發(fā)送端和接收端同步開機(jī)，將傳播時(shí)延作為同步參數(shù)；另一種，接收機(jī)在任意時(shí)刻開機(jī)接收，接收機(jī)尋找每個(gè)幀的開始或每個(gè)符號(hào)的開始，即幀同步或符號(hào)同步。根據(jù)是否采用訓(xùn)練序列可以劃分為，數(shù)據(jù)輔助(DA)的定時(shí)同步和非數(shù)據(jù)輔助(NDA)的定時(shí)同步即盲同步。數(shù)據(jù)輔助的同步方法因?yàn)樵黾恿诵畔⒌娜哂喽?，其同步精度要比非?shù)據(jù)輔助要高。其代價(jià)為犧牲了系統(tǒng)的有效性，提高了系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)同步的精度可

25、以劃分為精同步和粗同步。不同的信道環(huán)境、不同的系統(tǒng)環(huán)境，對(duì)系統(tǒng)的同步具有不同的要求。一般情況下，同步精度的高低與系統(tǒng)復(fù)雜度和同步速度有著一定的聯(lián)系。往往犧牲一定的同步精度來換取系統(tǒng)的低復(fù)雜度。精度的級(jí)別由高到低可以分為：幀級(jí)、脈沖級(jí)、亞納秒級(jí)。根據(jù)同步的先后順序可以劃分為符號(hào)同步和幀同步。同步的最終目的是接收端要正確地解調(diào)出發(fā)送端發(fā)送出去的信號(hào)，因此找出每個(gè)符號(hào)的每個(gè)幀的起始位置至關(guān)重要。符號(hào)同步作為幀同步的前序工作，要找出接收信號(hào)的每個(gè)符號(hào)的起始位置，以便于以后能夠準(zhǔn)確地分辨出每個(gè)幀的起始位置。2.超寬帶系統(tǒng)同步方法超寬帶系統(tǒng)的同步技術(shù)一般分為兩種方法，一種為基于檢測理論的同步方法，另一種是

26、基于估計(jì)理論的檢測方法。1).基于檢測理論的同步方法傳統(tǒng)的定時(shí)捕獲方法采用相關(guān)峰值選擇的方法，這種方法基于檢測理論來估計(jì)。將參考信號(hào)與接收信號(hào)進(jìn)行卷積，在不同步的情況下，卷積器（相關(guān)器）輸出分布在零附近，當(dāng)時(shí)鐘同步時(shí)，卷積器的輸出在一個(gè)較大的幅值附近。這時(shí)的時(shí)鐘信號(hào)就是同步信號(hào)。較低的計(jì)算復(fù)雜度和較快的相位搜索時(shí)間是基于檢測估計(jì)理論的超寬帶同步方法的重點(diǎn)。根據(jù)模板信號(hào)的相位取值，其可以分不同模式的方法。如，串行的滑動(dòng)相關(guān)捕獲方法，多積分并行滑動(dòng)相關(guān)捕獲方法，混合捕獲方法，自適應(yīng)捕獲方法等等。2).基于估計(jì)理論同步方法估計(jì)理論的同步方法就是指采用統(tǒng)計(jì)的方法，從一系列待選的時(shí)延中選擇使統(tǒng)計(jì)量最大的

27、作為最終結(jié)果，這些統(tǒng)計(jì)量一般從接收信號(hào)與樣本信號(hào)的卷積中獲得，采用最大似然的準(zhǔn)則。估計(jì)同步方法分為數(shù)據(jù)輔助的同步方法和非數(shù)據(jù)輔助的同步方法。常用的基于估計(jì)理論的同步方法有最大似然定時(shí)估計(jì)方法，基于循環(huán)平穩(wěn)的同步方法，基于臟模板信號(hào)的同步方法等等。3).現(xiàn)有的超寬帶同步方法在超寬帶通信系統(tǒng)的同步過程要達(dá)到精確同步和快速同步。目前，超寬帶信號(hào)的同步捕獲技術(shù)研究的重點(diǎn)主要集中在搜索策略和判決準(zhǔn)則上，分別針對(duì)的是降低多徑條件下超寬帶信號(hào)的平均捕獲時(shí)間和提高捕獲概率。基于DS-UWB系統(tǒng)的滑動(dòng)相關(guān)的方法屬于檢測理論同步方法，是通過遍歷可能的定時(shí)時(shí)刻，找到能量輸出最大的一路作為符號(hào)定時(shí)的開始。在脈寬相對(duì)較

28、寬，滑動(dòng)狀態(tài)較少時(shí)常用，但是脈寬較窄，需要滑動(dòng)的狀態(tài)數(shù)較多時(shí)，滑動(dòng)相關(guān)法的收斂速度或系統(tǒng)復(fù)雜度無法接受。為此，文獻(xiàn)28利用SVD算法，先估計(jì)信道的沖激響應(yīng)，再采用最小均方誤差算法得到定時(shí)信息，如定時(shí)捕獲和信道估計(jì)聯(lián)合算法。存在的缺點(diǎn)是涉及大量的矩陣運(yùn)算，計(jì)算復(fù)雜度很高，要求相當(dāng)高的采樣速率。文獻(xiàn)29則提出了采用廣義似然比的同步方法（GLRT)。GLRT方法是一種基于無線UWB信道的定時(shí)捕獲方法，利用譜估計(jì)的方法，即在信號(hào)傳輸時(shí)，信道可假設(shè)為白色高斯過程；當(dāng)有信號(hào)出現(xiàn)時(shí)，利用自回歸模型(AR)重建接收信號(hào)的功率譜密度，通過廣義似然檢測法(GLRT)對(duì)信號(hào)到來進(jìn)行檢測。通過檢測GLRT值的變化，就

29、可得到符號(hào)定時(shí)的時(shí)間。該算法的核心為：假設(shè)信號(hào)到來前是平穩(wěn)的AWGN信道，那么通過檢測功率變化時(shí)刻就可以得到符號(hào)的定時(shí)估計(jì)。因此，該方法把符號(hào)定時(shí)的估計(jì)問題轉(zhuǎn)化成符號(hào)到來時(shí)刻的檢測問題。GLRT檢測法的優(yōu)點(diǎn)是電路設(shè)計(jì)簡單，降低采樣速率，從而降低了系統(tǒng)對(duì)硬件速率的要求。文獻(xiàn)30提出了尋找相關(guān)序列為思想的基于barker碼的同步方法。為了增強(qiáng)信噪比，提高捕獲率，可以在導(dǎo)頻中使用PN碼，利用PN碼的自相關(guān)性實(shí)現(xiàn)超寬帶信號(hào)的檢測和捕獲；同時(shí)使用PN碼產(chǎn)生較為簡單，有利于簡化超寬帶系統(tǒng)。barker碼本身具有偽隨機(jī)碼的特性，很強(qiáng)的自相關(guān)性，是一種具有特殊規(guī)律的二進(jìn)制碼組。它是一個(gè)非周期序列，一個(gè)n位的b

30、arker碼，每個(gè)碼元只可能取值+l或一1。目前己找到的barker碼有7組，具體為2，3，4，5，7，11，13位。將其應(yīng)用于導(dǎo)頻信號(hào)，可以在接收端相關(guān)接收時(shí)更好的聚集能量，提高信噪比。文獻(xiàn)30提出了兩種方案。方案1為，在一個(gè)界內(nèi)發(fā)射0個(gè)BPSK調(diào)制的高斯二階脈沖即在Tf內(nèi)發(fā)射barker碼，積分時(shí)間為Tf。方案2為，在n個(gè)脈沖重復(fù)周期界內(nèi)發(fā)射n個(gè)BPSK調(diào)制的高斯二階脈沖，即積分時(shí)間為nTf。最后兩種方案比較，在BER性能方面，方案2優(yōu)于方案1；在同步捕獲時(shí)間方面SNR較高時(shí)方案2由于方案1，而SNR較低時(shí)方案1的捕獲時(shí)間短于方案2的捕獲時(shí)間，因此作者建議混合使用。文獻(xiàn)3133在超寬帶多徑

31、信道下采用基于最大似然(ML)比的同步算法，分別對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行粗同步和精同步。最大似然估計(jì)準(zhǔn)則，在各個(gè)時(shí)間段內(nèi)分別將各徑的具體時(shí)延l,0和幅度衰減系數(shù)l估計(jì)出來，這不僅使得同步更加精確，而且接收的多徑分量都是在相應(yīng)時(shí)間段內(nèi)能量最強(qiáng)的，因此接收機(jī)性能得到進(jìn)一步提高。文獻(xiàn)34使用搜索方法，先進(jìn)行粗同步隨后進(jìn)行精同步。粗同步確定接收信號(hào)的真實(shí)相位在小的搜索子空間中，細(xì)同步在小的子空間中確定接收信號(hào)的真實(shí)相位。文獻(xiàn)35則為了縮小搜索空間，通過采用混合直接序列展寬和跳時(shí)的信號(hào)格式。分成兩步進(jìn)行。首先通過平方操作將直接序列碼去掉，得到相對(duì)較小的跳時(shí)碼定時(shí)偏移量；其次，通過相關(guān)判決進(jìn)行精同步。文獻(xiàn)36在

32、本地模板的設(shè)計(jì)上進(jìn)行了改進(jìn).用“臟”模板信號(hào)作為本地模板信號(hào)，與接收信號(hào)進(jìn)行相關(guān)使積分器具有更好的積分輸出。文獻(xiàn)37則為了簡化本地模板信號(hào)的產(chǎn)生，直接利用簡單的正弦波代替本地相關(guān)信號(hào)。此外，還有很多具體的超寬帶同步方法。3.相干/非相干檢測的超寬帶同步方法接收機(jī)是超寬帶通信系統(tǒng)的核心部分。接收到的信號(hào)在接收機(jī)里進(jìn)行同步、解調(diào)、譯碼等。同步模塊作為接收機(jī)的前端處理，是接收機(jī)的關(guān)鍵模塊之一?；贗R-UWB的接收機(jī)可以分為相干接收機(jī)和非相干接收機(jī)。對(duì)應(yīng)使用的同步技術(shù)為相干檢測同步技術(shù)和非相干檢測同步技術(shù)。兩種方式都是以滑動(dòng)相關(guān)為主要形式，因此都屬于是基于檢測理論的同步方法。1).基于相干檢測的同步

33、方法相干接收機(jī)使用相干檢測的方法，將已經(jīng)設(shè)計(jì)好的模板信號(hào)與接收到的信號(hào)做相關(guān)得到同步，進(jìn)而解調(diào)出接收到的信號(hào)。在超寬帶通信系統(tǒng)中，采用本地產(chǎn)生的模板信號(hào)與接收到的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)。因此，模板信號(hào)對(duì)相干檢測的方法起到很大的作用。發(fā)送信號(hào)經(jīng)過超寬帶多徑信道會(huì)產(chǎn)生一定的幅度和相位的畸變，所以根據(jù)不同的接收信號(hào)本地模板接收信號(hào)也應(yīng)該進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。因此，調(diào)整模板信號(hào)也是相干檢測同步的一個(gè)有效的方法。 IR-UWB通信系統(tǒng)相干接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖上圖為超寬帶系統(tǒng)相干接收機(jī)的一般框圖。對(duì)于相干接收機(jī)來說準(zhǔn)確地估計(jì)多徑成分的幅度和延時(shí)是非常重要的，它可以利用這些信息設(shè)計(jì)出更好的本地模板信號(hào)。假如能進(jìn)行很好的合理的信道

34、估計(jì)，能估計(jì)出N條最強(qiáng)路徑的幅度和延遲信息，則可以應(yīng)用于相關(guān)Rake接收機(jī)中。因此，對(duì)相干接收機(jī)來說，良好的信道估計(jì)模塊是接收機(jī)能夠順利完成同步和解調(diào)信息的重要的部分。2).基于非相干檢測的同步方法相干接收機(jī)需要設(shè)計(jì)模板信號(hào)，因此對(duì)同步要求非常高；相關(guān)Rake接收機(jī)則對(duì)信道估計(jì)要求相對(duì)較高，所以相干接收機(jī)面臨著巨大的挑戰(zhàn)。相比之下，非相干超寬帶系統(tǒng)接收機(jī)則執(zhí)行上相對(duì)容易。非相干接收機(jī)則采用非相干檢測的同步方法進(jìn)行同步（非相干接收機(jī)即為非相干自相關(guān)接收機(jī)）。TR（Transmitted Reference）和DF（differential，差分）模式為非相干自相關(guān)超寬帶接收機(jī)常用的兩種模型。兩種

35、模式將接收到的信號(hào)與自身延遲信號(hào)做自相關(guān)，TR模式則延遲小于一個(gè)幀長時(shí)間，DR模式則延遲一個(gè)符號(hào)時(shí)間。非相干接收將接收到的信號(hào)作為模板信號(hào)不要求估計(jì)信道的狀態(tài)，因此回避了設(shè)計(jì)本地模板信號(hào)的過程和多徑成分的能量聯(lián)合問題，因此執(zhí)行上相對(duì)簡單。TR模式和DF模式都屬于自相關(guān)接收機(jī)。因此在這里給出自相關(guān)接收機(jī)的接收框圖。自相關(guān)接收機(jī)的接收框圖進(jìn)行檢測時(shí)，首先對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行低通濾波。Z=0Trtrt-Ddt其中rt為經(jīng)過濾波器后的接收信號(hào)。TR模式的超寬帶接收機(jī)采用自相關(guān)接收的方法，不需要精確的時(shí)間同步，也不需要進(jìn)行信道估計(jì)，從而降低了整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜度。TR模式超寬帶接收機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：（1）每個(gè)幀包含一個(gè)參

36、考脈沖和一個(gè)數(shù)據(jù)脈沖，在一個(gè)幀持續(xù)時(shí)間內(nèi)，信道的特征基本保持不變，兩個(gè)脈沖經(jīng)歷相同的衰減。因此，發(fā)送的參考脈沖為檢測信號(hào)提供了一個(gè)很好的具有信道狀態(tài)的模板，不需要進(jìn)行信道估計(jì)。同時(shí)，一個(gè)幀內(nèi)的數(shù)據(jù)脈沖和參考脈沖具有很好的相關(guān)性。（2）對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)比特進(jìn)行重復(fù)多個(gè)幀，增加了字符長度，也增加了相關(guān)接收機(jī)的積分時(shí)間長度，對(duì)同步只需要達(dá)到符號(hào)級(jí)別的同步即可。因此大大降低了接收機(jī)的復(fù)雜度。4.一種改進(jìn)的同步算法模型一種基于信道識(shí)別的非相干超寬帶同步算法非相干接收機(jī)的同步性能取決于積分區(qū)域和積分器輸出端的采樣點(diǎn)的位置。然而，在相干接收機(jī)中同步完全取決于接收信號(hào)和模板信號(hào)，因此模板信號(hào)的不精確性直接影響系統(tǒng)的

37、性能。對(duì)非相干超寬帶接收機(jī)來說，同步誤差引起的積分區(qū)域選擇不準(zhǔn)確和積分器輸出采樣點(diǎn)的不準(zhǔn)確不會(huì)導(dǎo)致非相干接收機(jī)性能的很大下降。因此這也是本文研究非相干超寬帶接收機(jī)的一個(gè)重要原因。文獻(xiàn)39提出了一種新穎的非相干自適應(yīng)同步算法，其通過對(duì)每幀的自適應(yīng)搜索，剔除噪聲積分區(qū)間，快速完成同步，從而改善了同步的準(zhǔn)確度。同步所需的符號(hào)個(gè)數(shù)比傳統(tǒng)的相干接收機(jī)少，只需幾十個(gè)符號(hào)即可完成同步。該方法中使用的UWB多徑信道模型是脈沖響應(yīng)線性濾波的模型，脈沖展寬是由作者設(shè)定的。但是，目前IEEE規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)的信道模型有IEEE 802.15.3a模型和IEEE 802.15.4a模型。因此，根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)信道模型能確定

38、更加合理的脈沖展寬，從而有助于UWB的快速準(zhǔn)確的進(jìn)行同步。在前面方法的基礎(chǔ)上，相關(guān)文獻(xiàn)使用了在相干接收機(jī)中應(yīng)用的一些快速搜索方法，如比特反轉(zhuǎn)法。仿真中還使用了重疊窗口的理論，提出了一種改進(jìn)的快速同步方法，同步速度得到了一定的提高。該方法在仿真中使用的信道為IEEE 802. 15.3a信道，這個(gè)信道為高速UWB信道，是實(shí)數(shù)信道。但是在實(shí)際中，信號(hào)通過信道，幅度、相位等都會(huì)受到影響，因此利用復(fù)信道更有利于同步的研究。因此，在研究UWB同步中有必要對(duì)脈沖展寬進(jìn)行準(zhǔn)確的研究，以及其對(duì)超寬帶快速同步的影響也要重新討論。為了進(jìn)一步改善同步性能，本文首先討論了脈沖的展寬問題。首先采用文獻(xiàn)21的信道識(shí)別方法

39、，對(duì)IEEE 802.15.4a信道進(jìn)行信道類型識(shí)別；之后在具體的信道類型中采用具體的積分窗口和截止窗口大小，進(jìn)一步改進(jìn)了文獻(xiàn)39的非相干自適應(yīng)同步算法。仿真過程中將使用文獻(xiàn)38的積分窗口重疊的思想進(jìn)行同步搜索和細(xì)同步。仿真結(jié)果表明，本文的基于信道識(shí)別的新同步方法有助于減小同步誤差，而且通過仿真得到J(可暫時(shí)理解為一種聯(lián)合似然比)與同步誤差有一定的關(guān)系，即J值越大同步誤差相對(duì)小。1).本文的發(fā)射端系統(tǒng)模型本文采用的發(fā)射信號(hào)：st=i=0j=0Nf-1LiEpp(t-iNf+jTf-cjTc)其中，Ts為一個(gè)符號(hào)持續(xù)時(shí)間，Tf為一個(gè)幀持續(xù)時(shí)間，Tc為碼片間隔，Tm為脈沖展寬，Li=±1

40、為調(diào)制脈沖極性，Ep為脈沖能量，cj為偽隨機(jī)跳時(shí)碼（PRTH，Pseudo-random time-hopping），P(t)為歸一化短脈沖。一個(gè)符號(hào)由Nf個(gè)幀構(gòu)成，即Ts=Nf；一個(gè)幀由Nh個(gè)跳時(shí)碼構(gòu)成。脈沖的分布嚴(yán)格遵守跳時(shí)碼的調(diào)頻圖案，脈沖極性在一個(gè)符號(hào)范圍內(nèi)保持不變。每個(gè)幀內(nèi)的脈沖根據(jù)PRTH圖案移動(dòng)其位置。其發(fā)射端的方框圖如下：本文發(fā)射端框圖下面對(duì)發(fā)射框圖進(jìn)行具體的解釋：O端：假設(shè)給定待發(fā)射的二進(jìn)制序列：q=，q0，q1，q2，q3，q4，q5，其傳輸速率為R0=1/Tb（bit/s）。(Tb：傳輸一個(gè)比特所用的時(shí)間)。A端：b=b0，b1，b2，b3，其速率為RA=1/Tb（bit

41、/s）。b為基準(zhǔn)碼1與q的差分編碼，b的個(gè)數(shù)比q的個(gè)數(shù)多一個(gè)。B端：信號(hào)b經(jīng)過Ns的重復(fù)編碼產(chǎn)生一系列的二進(jìn)制序列：a =，a0，a1，a2，a3，a4aj，aj+1,=b0,b0,b0b0,b0,b0b1,b1,b1b1,b1,b1bk,bk,bkbk,bk,bk產(chǎn)生新傳輸速率為：RB=NsTb=NsNsTf=1Tf (bit/s)。C端：發(fā)送編碼器使用整數(shù)值碼序列偽隨機(jī)序列c和二進(jìn)制序列a產(chǎn)生一個(gè)新的序列d。d的表達(dá)式如下所示：dj=cjTc+aj此時(shí)的傳輸速率為：RC=NsTb=NsNsTf=1Tf (符號(hào)/s)。D端：d序列進(jìn)入調(diào)制模塊產(chǎn)生了一系列脈沖，此時(shí)脈沖的傳輸速率為：RD=Ns

42、Tb=NsNsTf=1Tf (脈沖/s)。一個(gè)幀包含一個(gè)脈沖，dj代表第j個(gè)幀上脈沖的具體位置，因此脈沖發(fā)生位置可以表示為(jTs+cjTc+aj)。F端：脈沖形成器為沖激響應(yīng)為P(t)的脈沖形成濾波器。P(t)得保證經(jīng)過脈沖形成濾波器產(chǎn)生的脈沖序列互不重疊，輸出信號(hào)為S0(t)。G端：最后一個(gè)模塊將改變S0(t)的極性，根據(jù)差分編碼所得的b改變發(fā)送序列的極性。2).接收端系統(tǒng)模型本文超寬帶非相干差分接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由上圖可知，先完成信道估計(jì)才能進(jìn)行信道識(shí)別，隨后根據(jù)信道識(shí)別得到的信息再進(jìn)行幀同步。但是信道估計(jì)還需要有一定的同步，為了提供信道估計(jì)所需的同步接收機(jī)先對(duì)訓(xùn)練序列進(jìn)行粗略的碼同步，之后進(jìn)行硬判決解調(diào)出相應(yīng)的訓(xùn)練序列。雖然這個(gè)同步信息誤差較大，但是對(duì)信道估計(jì)是有一定的幫助。本論文不涉及信道估計(jì)部分，直接對(duì)4a信道狀態(tài)進(jìn)行識(shí)別。3).算法實(shí)現(xiàn)許多有關(guān)文獻(xiàn)都提到的剔除噪聲的重要性，證明了接收機(jī)的前端同步與系統(tǒng)的性能息息相關(guān)。本文提出的改進(jìn)的同步方法，首先對(duì) IEEE 802.15.4a的八種信道模型進(jìn)行信道識(shí)別，通過前面提出的公式：Jk,m,rms=P(k)P(m)P(rms)可得到相應(yīng)的J值，并且通過公式：Jk,m,rmsLOS><NLOS1進(jìn)行識(shí)別。根據(jù)識(shí)別得到的具體信道環(huán)境設(shè)置不同的同步參數(shù)。之后采用自適應(yīng)搜索方法進(jìn)行脈沖搜索，搜索