(中國(guó)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(dú)有的優(yōu)勢(shì)已受到各國(guó)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(qiáng)、抗干擾、抗多徑等先天優(yōu)勢(shì)，非常適合于軍事應(yīng)用[1]。但正是基于這些特點(diǎn)，對(duì)超寬帶信號(hào)的相關(guān)接收提出了挑戰(zhàn)，尤其是信號(hào)的同步，更是超寬帶無(wú)線通信的一大難點(diǎn)。就其同步實(shí)現(xiàn)過(guò)程來(lái)看，可以分為脈沖同步和擴(kuò)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(diǎn)所在。本文提出了一種基于收發(fā)兩端聯(lián)合設(shè)計(jì)，通過(guò)多個(gè)重復(fù)導(dǎo)頻偽隨機(jī)序列前后相關(guān)的方法實(shí)現(xiàn)脈沖同步。插入偽隨機(jī)序列后會(huì)帶來(lái)一定的功率和效率損失，但從全局來(lái)看，是值得的。

2 信號(hào)模型

UWB系統(tǒng)有多種擴(kuò)頻方式，本文以直接序列擴(kuò)頻超寬帶(DS-UWB)技術(shù)為例，給出其信號(hào)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(shí)，有：

(3)

式中，0≤i

圖1 不同時(shí)延本地脈沖和接收脈沖相關(guān)積分

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

(4)

但是對(duì)于UWB系統(tǒng)，超大的擴(kuò)頻增益和極窄的脈沖分辨間隔使得直接使用這種方法計(jì)算量過(guò)大，難以實(shí)現(xiàn)。特別是長(zhǎng)距離通信的UWB系統(tǒng)，由于多徑時(shí)延擴(kuò)展非常大，同步序列往往較長(zhǎng)，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(gè)前導(dǎo)同步序列前后相關(guān)實(shí)現(xiàn)脈沖同步的方法。

4 前后相關(guān)實(shí)現(xiàn)脈沖同步

為實(shí)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(jì)多個(gè)重復(fù)的前導(dǎo)偽隨機(jī)序列，如圖2所示。

圖2 插入多個(gè)前導(dǎo)序列的數(shù)據(jù)幀

對(duì)于偽隨機(jī)序列的長(zhǎng)度選擇，應(yīng)根據(jù)多徑時(shí)延擴(kuò)展的情況進(jìn)行設(shè)計(jì)[6]，這里不作專門論述。

圖3 前后相關(guān)實(shí)現(xiàn)脈沖同步示意圖

將兩個(gè)接收到的同步碼元信號(hào)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(duì)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(gè)接收同步碼元信號(hào)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(shí)，可以較好地合并信號(hào)能量，改善同步性能。主要存在的問(wèn)題是使用的同步頭資源較多。如圖3所示，實(shí)現(xiàn)脈沖同步需要使用2M個(gè)同步碼元。為了降低同步頭資源，可以分段實(shí)現(xiàn)前后相關(guān)。

圖4 分段前后相關(guān)實(shí)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(gè)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(gè)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(gè)同步碼元的對(duì)應(yīng)段前后相關(guān)，如圖4所示。

(6)

這樣將M個(gè)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(zhǎng)度，從而減少了所需同步頭碼元的個(gè)數(shù)。

M越大，Npre,M=「Npre/M?越小，前后相關(guān)的長(zhǎng)度越小，相關(guān)值的輸出信噪比就會(huì)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(zhǎng)度縮小的程度是有限的，不能隨著M的增加而無(wú)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(gè)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(shí)相關(guān)的步長(zhǎng)Δ與信號(hào)帶寬有關(guān)，信號(hào)帶寬越大，脈沖同步時(shí)的步長(zhǎng)越短，需要的分辨精度越高。

下面給出脈沖同步的實(shí)現(xiàn)流程：

(1)將兩個(gè)接收的同步碼元信號(hào)r(t)、r(t+Npre·Tc)分成M段，每段長(zhǎng)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(gè)碼元和相同脈沖匹配輸出的對(duì)應(yīng)段ri[n]和ri[n+Npre]進(jìn)行前后相關(guān)，得到M個(gè)前后相關(guān)值{γ0,γ1,γ2,…，γM}，其中γi見式(6)；

5 結(jié)束語(yǔ)

信號(hào)同步迄今為止仍然是超寬帶通信系統(tǒng)的一大難點(diǎn)，還需要進(jìn)行大量的理論研究和探索。本文在傳統(tǒng)滑動(dòng)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(gè)引導(dǎo)偽隨機(jī)序列前后相關(guān)實(shí)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)：

[1] FONTANA R J，AMETI A，RICHLEY E，et al.Recent applications of ultra wideband radar and communications system[C]//Proceedings of IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies.Baltimore:IEEE,2002:225-234.

[2] YE G R，GE L J，LI S Q. Analysis of Ultra Wideband Impulse Radio Signal Interference to Direct Sequence Spread Spcetrum Receiver[C]//Proceedings of IEEE SPAWC2003.[S.l.]:IEEE,2003：229-233.

[3] 王金龍，王呈貴，闞春榮，等. 無(wú)線超寬帶(UWB)通信原理與應(yīng)用[M]. 北京：人民郵電出版社，2005.

WANG Jin-long，WANG Cheng-gui，KAN Chun-rong，et al. Wireless UWB communication theory and application[M]. Beijing：People′s Posts & Telecom Press,2005.(in Chinese)

[4] Somayazulu V S， Foerster J R, Roy S.Design Challenges for very High Data Rate UWB Systems[C]//Proceedings of the Thirty-Sixth Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers.Pacific Grove, CA :IEEE,2002:717-721.

[5] GE Li-jia，YUE Guan-gong,Sofiene Affes. On the ber performance of Puls-Position-Modulation UWB radio in multipath channels[C]//Proceedings of 2002 IEEE Confrence on Ultral Wideband Systems and Technologies.[S.l.]:IEEE,2002:231-234.

[6] McKinstry D R,Buehrer R M. LMS analog and digital narrowband rejection system for UWB communications[C]// Proceedings of 2003 IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies(UWBST2003).[S.l.]:IEEE,2003：91-95.