超宽带无线通信的一种快速同步捕获算法(1)
2014-07-05 01:10
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摘 要: 针对超宽带(ult ra-wideband ,UWB) 信号的具体特征,利用巴克码的相关特性,设计了一种结构简单的训练序列,在此基础上建立了基于最大似然(ML) 准则的UWB 同步捕获算法。该算法大大降低了UWB 信号时间捕获的复杂度,能够快速实现同步。仿真结果表明,只需要较短的训练序列,该算法就能获得优良的同步性能,当训练序列较长时可以很好地逼近理想捕获情况下的系统误码率。
关键词: 超宽带;同步;时间捕获;最大似然准则0 引 言
超宽带(ult ra-wideband ,UWB) 无线电的出现已有数十年的历史,但以前它仅仅应用在军事雷达和定位设备中。2002 年2 月14 日,这项无线技术首次获得了美国联邦通信委员会( FCC) 的批准,用于民用通信,从而引起了各国的广泛关注,迅速成为研究热点。目前国内外主要研究UWB在无线个人局域网( wireless per sonal area network ,WPAN) 中的应用,并已取得重大进展。
和其它所有通信体制一样,要建立UWB 通信系统,首先要解决的是同步问题。为了降低信号的频谱密度,UWB系统往往通过多个帧来发送一个符号,每帧包含一个单脉冲信号,帧周期往往远大于脉冲周期。同步捕获的任务就是确定符号的位置以及每个符号的起始点。符号定时是建立同步的基础。并且由于在超宽带系统中,接收机一般利用Rake 接收机分集接收,需要对信道多径分量的幅度和时延进行估计,符号定时的准确与否决定了估计的精度。然而,同步也正是UWB 技术的一大难点。这主要是因为UWB 信号为类脉冲信号,脉冲宽度窄,幅度低,通过滑动相关法搜索峰值的方法在多径信道环境下性能往往会受到影响,在应用跳时( TH) 码的系统中尤其如此。而且由于在一个符号内要搜索数千个码片,所需要的采样率高达几GHz ,捕获时间长,复杂度高[ 122 ] 。
为了提高捕获速度,文献[ 3 ]提出了基于Markov 链结构的序列搜索方式,文献[ 4 ]则利用Beacon 码的相关特性来实现同步。但是这些算法的采样率仍然没有本质变化。由于UWB 信号的重复发送使得无需对信号进行过采样就具有循环平稳特性,有人提出了基于循环平稳统计特性(cyclostationarity ,CS) 的盲估计算法[ 5-6 ] ,它可以降低采样速率,但是和所有的盲估计算法一样,有着收敛速度慢的缺点。文献[7 ]和文献[ 8 ]分别设计了训练序列,并在此基础上提出了各自的同步捕获算法,利用他们设计的训练序列可使算法大大简化。但是利用这些训练序列进行符号的捕获时,其相关峰不显著,符号捕获效果并不理想。并且,由于帧捕获是在符号捕获的基础上进行的,符号捕获的误差会进一步影响帧捕获的效果。
本文来自中国科教评价网 巴克码具有良好的自相关和互相关特性,在各种通信系统中得到了广泛应用。本文根据UWB 信号的具体特点,在巴克码的基础上设计了一种适合UWB 通信系统的训练序列。在此基础上,利用最大似然比(maximum likely-hood , ML) 准则对接收信号进行同步捕获。根据此算法,
仅需要每帧甚至每符号对接收机输出采样一次,就可以完成对接收信号的同步捕获,从而使得采样率大大降低,实现了UWB 信号的快速捕获。同时,本文对估计结果的均方差以及相应的系统误码率进行了仿真,仿真结果表明,与上述算法相比,本文提出的算法可以在较短的训练序列下获得更高的同步性能。
1 信号模型
UWB 系统一般利用Nf 帧来发送一个符号,每帧包含一个单脉冲信号。设帧周期为Tf ,则符号周期Ts = Nf T f ,发送符号成形脉冲可以表示为式中: g( t) ———单周期的短脉冲信号,其周期为Tg ,实际系统中,一般Tf 为T g 的数百倍。{ cj } ———伪随机跳时序列,Tc ———码片周期, cj Tc
