(中國西南電子技術(shù)研究所，成都 610036)

1 引 言

超寬帶(Ultra Wideband,UWB)通信技術(shù)以其獨有的優(yōu)勢已受到各國科研人員的高度關(guān)注。不同于傳統(tǒng)的通信方式，UWB系統(tǒng)采用寬度極窄的脈沖傳遞信息，因此具有帶寬大、傳輸速率高、穿透力強、抗干擾、抗多徑等先天優(yōu)勢，非常適合于軍事應(yīng)用[1]。但正是基于這些特點，對超寬帶信號的相關(guān)接收提出了挑戰(zhàn)，尤其是信號的同步，更是超寬帶無線通信的一大難點。就其同步實現(xiàn)過程來看，可以分為脈沖同步和擴頻序列同步，其中脈沖同步又是序列同步的前提和基礎(chǔ)[2]，也是UWB通信技術(shù)的難點所在。本文提出了一種基于收發(fā)兩端聯(lián)合設(shè)計，通過多個重復(fù)導(dǎo)頻偽隨機序列前后相關(guān)的方法實現(xiàn)脈沖同步。插入偽隨機序列后會帶來一定的功率和效率損失，但從全局來看，是值得的。

2 信號模型

UWB系統(tǒng)有多種擴頻方式，本文以直接序列擴頻超寬帶(DS-UWB)技術(shù)為例，給出其信號模型[3]：

(1)

3 脈沖同步的基本思想

脈沖同步的基本方法是提高脈沖相關(guān)函數(shù)Rp(τ)的分辨間隔[4]，將碼片周期Tc分成M份，每份間隔Δ=Tc/M，然后取本地脈沖pi(t)=p(t-iΔ)，0≤i

(2)

同步時，有：

(3)

式中，0≤i

圖1 不同時延本地脈沖和接收脈沖相關(guān)積分

對于擴頻系統(tǒng)，信號能量分散在多個碼片上，需要合并多個碼片提高信噪比，因此還需要將不同時延下匹配濾波的輸出和本地序列滑動相關(guān)，根據(jù)滑動相關(guān)的最大值確定脈沖同步位置。不同本地脈沖pi(t)對應(yīng)的最大滑動相關(guān)值γi為

(4)

但是對于UWB系統(tǒng)，超大的擴頻增益和極窄的脈沖分辨間隔使得直接使用這種方法計算量過大，難以實現(xiàn)。特別是長距離通信的UWB系統(tǒng)，由于多徑時延擴展非常大，同步序列往往較長，則更為困難[5]。為了降低脈沖同步的復(fù)雜度，本文提出一種利用多個前導(dǎo)同步序列前后相關(guān)實現(xiàn)脈沖同步的方法。

4 前后相關(guān)實現(xiàn)脈沖同步

為實現(xiàn)前后相關(guān)的脈沖同步方法，需要在通信數(shù)據(jù)包前設(shè)計多個重復(fù)的前導(dǎo)偽隨機序列，如圖2所示。

圖2 插入多個前導(dǎo)序列的數(shù)據(jù)幀

對于偽隨機序列的長度選擇，應(yīng)根據(jù)多徑時延擴展的情況進(jìn)行設(shè)計[6]，這里不作專門論述。

圖3 前后相關(guān)實現(xiàn)脈沖同步示意圖

將兩個接收到的同步碼元信號與本地脈沖p0(t)=p(t)匹配濾波，將濾波輸出前后相關(guān)，如圖3所示，得到p0(t)對應(yīng)的相關(guān)輸出結(jié)果γ0。然后調(diào)整本地脈沖p1(t)=p(t-Δ)，與下一組連續(xù)兩個接收同步碼元信號匹配濾波、前后相關(guān)得到γ1。依此類推，得到γi為

(5)

這種前后相關(guān)的算法利用同步序列的周期重復(fù)性，因此在不知道序列同步的位置時，可以較好地合并信號能量，改善同步性能。主要存在的問題是使用的同步頭資源較多。如圖3所示，實現(xiàn)脈沖同步需要使用2M個同步碼元。為了降低同步頭資源，可以分段實現(xiàn)前后相關(guān)。

圖4 分段前后相關(guān)實現(xiàn)脈沖同步

所謂分段進(jìn)行前后相關(guān)就是將接收到的兩個同步碼元都等分成M段，每段包含Npre,M=「Npre/M?(「·?表示向下取整)個碼片。每一段分別和本地脈沖pi(t)=p(t-iΔ)匹配濾波，然后將兩個同步碼元的對應(yīng)段前后相關(guān)，如圖4所示。

(6)

這樣將M個相關(guān)值{γ0,γ1,…,γM-1}比較大小可以確定脈沖同步的位置。這種方法縮短了前后相關(guān)的長度，從而減少了所需同步頭碼元的個數(shù)。

M越大，Npre,M=「Npre/M?越小，前后相關(guān)的長度越小，相關(guān)值的輸出信噪比就會相應(yīng)降低。為了保證脈沖同步的性能，在固定Npre的情況下，分段相關(guān)長度縮小的程度是有限的，不能隨著M的增加而無限制地縮小，所以分段前后相關(guān)能夠減少所需同步頭碼元的個數(shù)也是有限的。因此在進(jìn)一步增加M的情況下，采用分段前后相關(guān)仍可能也需要增加同步頭的資源。

脈沖同步時相關(guān)的步長Δ與信號帶寬有關(guān)，信號帶寬越大，脈沖同步時的步長越短，需要的分辨精度越高。

下面給出脈沖同步的實現(xiàn)流程：

(1)將兩個接收的同步碼元信號r(t)、r(t+Npre·Tc)分成M段，每段長度為「Npre/M?Tc，每一段分別和本地脈沖pi(t)=p(t-iΔ)匹配濾波并采樣，得到ri[n]和ri[n+Npre],iNpre,M

(2)將兩個碼元和相同脈沖匹配輸出的對應(yīng)段ri[n]和ri[n+Npre]進(jìn)行前后相關(guān)，得到M個前后相關(guān)值{γ0,γ1,γ2,…，γM}，其中γi見式(6)；

5 結(jié)束語

信號同步迄今為止仍然是超寬帶通信系統(tǒng)的一大難點，還需要進(jìn)行大量的理論研究和探索。本文在傳統(tǒng)滑動相關(guān)的基礎(chǔ)上，提出了一種可用于超寬帶通信系統(tǒng)，利用多個引導(dǎo)偽隨機序列前后相關(guān)實現(xiàn)脈沖同步的方法，不失為一種值得探討借鑒的思路。

參考文獻(xiàn)：

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