[发明专利]基于能量检测的超宽带系统同步方法

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种应用于脉冲体制超宽带(IR-UWB)通信系统的同步方法。

背景技术

近年来，超宽带(Ultra-wideband，UWB)无线通信系统受到工业界和学术界的广泛重视。

根据FCC公布的超宽带定义，若一个信号所占用的瞬时带宽超过500MHz，或者相对带宽大于0.2，则此信号为UWB信号。相对带宽(或分数带宽，Fractional Bandwidth)定义为能量带宽与中心频率的比值。

UWB通信技术能够在极宽的频谱上实现信息传播，具有高传输速率、低发射功率、低成本、低功耗等特点，在各种通信网络和系统中具有广阔的应用前景。尤其是极窄脉冲体制的UWB通信系统(IR-UWB)采用与传统载波调制不同的思路，在基带上直接发射携带信息的脉冲，简化了射频，便于集成设计。

但是随着信号带宽的增加，极短的脉冲宽度和丰富的多径分量让UWB信号同步的难度也进一步增加。作为接收端首先要解决的问题，同时也是接收端最重要的组成部分之一，同步已经成为UWB系统设计的关键问题，即使很小的定时误差都会引起性能的急剧下降。

有文献提出一种数据辅助(DA)的UWB系统同步方法，它利用接收信号生成噪声模板(Noise Template，NT)，然后采用条件似然估计的方法(Conditional Maximum Likelihood，CML)得到定时信息。一种基于同步叠加模板(Synchronized Aggregate Template，SAT)的盲估计方法也被提出，该方法通过检测SAT的能量达到同步的目的。以上方法中的模板包含了信道信息，可直接用于解调，从而绕过了复杂的信道估计，但是同步中需要用大量的导频符号(Pilot Symbols)，从而降低了频带利用率。最近，一种基于最小二乘方(LeastSquare，LS)的同步方法被提出，该方法在同步过程中，同时得到信道信息，允许低复杂度解调，而且需要的导频符号更少，但是该方法在低信噪比下对噪声的干扰十分敏感。

发明内容

鉴于上述现存同步方法存在各个方面的缺点，本发明的目的在于提供一种基于能量检测的超宽带系统同步方法，该方法采用较少的导频符号，而且即使在较低信噪比下也能达到较好的同步性能。

本发明提供的超宽带系统同步方法，是一种数据辅助(Data-Aided，DA)同步方法，将导频符号分成两部分：前导频用作脉冲级同步(Pulse-level Timg Timing)，采用未经跳时(Time-Hopping)调制的符号信息；后导频用来帧级同步(Frame-level Timing)，采用跳时调制的符号信息。

同步过程具体步骤如下：

a)利用前导频符号构建噪声模板(Noise Template)。根据信号的周期循环特性，采用延迟线结构，将信号以帧为单位长度叠加，然后平均，得到帧级噪声模板。其中，叠加操作是为了抑制噪声。

b)引入一个能量检测过程用于找到帧头，即脉冲级偏移量(Pulse-level Offset)。在该过程中，采用窄的能量窗口检测帧级噪声模板，对于IEEE802.15.3a的CM1信道，能量检测窗口长度仅为10ns。检测遍历帧级噪声模板，找出信号能量最大值，并得到脉冲级偏移量。该步骤包含平方，位移，积分和比较操作。

c)利用后导频符号得到帧级偏移量(Frame-level Offset)。通过已经得到的噪声模板、脉冲级偏移量和本地已知的TH码，采用最小二乘方方法，最小化接收波形和估计波形之间的欧式距离，估计得到帧级偏移量。

有益效果

本发明提供的同步方法采用的能量检测过程充分利用了UWB室内信道的特性，只搜寻信号区域的部分能量，与同类算法比较，减少了估计算法中的噪声分量，提高了同步均方差性能，在低信噪比下亦有较好性能。

附图说明

图1给出了导频符号序列结构。其中，斜线部分为符号信号区域。其余部分为保护间隔区域。

图2给出的是脉冲级同步阶段除去噪声分量的接收波形结构示意图。其中，斜线部分为信号能量区域。波形以T_f为周期，信道响应长度为T_h。ε为接收机与发射机之间的时间偏移量。