[发明专利]正交下混频数字模板匹配的脉冲超宽带无线信号接收方法

摘要

正交下混频数字模板匹配的脉冲超宽带无线信号接收方法属于无线脉冲信号的接收技术领域，其特征在于，结合了正交下混频及数字模版匹配技术，在正交下混频后采用了高采样率的ADC，在数字模版匹配中采用了能自适应调整且设有不同偏移位置的灵活的匹配相关模版，因而具有以下优点：能够更好地适应码片内脉冲经过信道后的各种可能的波形；具有很高的基带带宽，利于实现快速及高精度的频率偏差纠正；简化了Rake接收机的硬件结构及实现代价；同时支持脉冲无线电及有载波方案的UWB信号接收，通用性强。

主权项

1.正交下混频数字模板匹配的脉冲超宽带无线信号接收方法，其特征在于，所述方法依次含有以下步骤：步骤(1)接收信号经过依次由天线、低噪声放大器、I/Q两路模拟混频器和低通滤波器按串行组成的射频前端后，得到经过频谱搬移的零中频模拟基带信号；所述I/Q两路模拟混频器的本振信号频率按下述方式确定：根据超宽带通信系统方案所制订的微微网架构及发射用户所选取的中心频率点，选取相同频率的正弦波信号作为该混频器的本振信号，该I/Q两路本振信号保持正交性；步骤(2)该模拟前端输出的零中频模拟基带信号送到采样率等于码片速率数倍的高采样率低精度ADC进行零中频基带信号采样，生成I/Q两路的数字基带信号；步骤(3)把步骤(2)得到的I/Q两路高速数字基带信号送入一个集成在数字集成电路芯片上的数字匹配相关Rake接收机，在数字域按以下步骤对所述I/Q两路高速数字基带信号进行频率及定时的估计和纠正、数字匹配相关以及Rake接收和帧同步捕获，把得到的输出信号依次进行扩频码解扩与信道译码，恢复出原始发送信号：步骤(3.1)用一个频率纠正电路依次按以下步骤对输入的I/Q两路高速数字基带信号进行频率纠正：步骤(3.1.1)把I/Q两路数字基带信号I′(n)、Q′(n)送入包括极性类型载波恢复环路在内的载波恢复环路内的鉴相器，按以下算法提取相位误差信号εc(n)：εc(n)＝I(n)×Q(n)，n为采样点标号；步骤(3.1.2)把相位误差信号εc(n)输入该载波恢复环路内的二阶数字环路滤波器进行滤波，其时序为：第n+1采样点的相位误差累积信号φ(n+1)为：φ(n+1)＝φ(n)+K1f(n)+K2εc(n).第n+1采样点的频率误差累积信号f(n+1)为：f(n+1)＝f(n)+εc(n)其中，常数K1和K2为该二阶数字环路滤波器的滤波系数，当所述ADC的采样率fs远大于环路的自然频率时：K2＝2ηωnTs，$K_1=K_2^2/4{\eta }^2={\omega }_n{T}_s,$ ωn＝2πfn为环路的自然角频率，η为阻尼系数，Ts＝1/fs；步骤(3.1.3)把经过所述环路滤波得到的相位误差累积信号φ(n+1)作为所述环路内本地数控振荡器的输入，以调整本振信号的频率；步骤(3.1.4)把输入到频率纠正环路的I/Q两路数字基带信号I(m)、Q(m)与本地数控振荡器的输出cosφ(n)、sinφ(n)相乘，进行相位旋转，从而得到经过频率纠正的I/Q两路数字基带信号I′(m)、Q′(m)：I′(m)＝I(m)×cosφ(n)+Q(m)×sinφ(n)Q′(m)＝Q(m)×cosφ(n)-I(m)×sinφ(n)m与n之差为所述整个载波恢复环路的运算延时；步骤(3.2)用一个定时纠正环路按照以下步骤对所述频率纠正电路的输出信号作定时纠正：步骤(3.2.1)利用经过频率纠正的I路数字基带信号I′(n)与信道估计器输出的主径位置，得到主径信号；步骤(3.2.2)把所述主径信号输入一个主径相关器，得到主径相关值Corr(n)；步骤(3.2.3)把本地模版信号与所述主径信号送入一个早相关器得到一个早径相关值Corr(n-1)，该早径相关值是本地模版信号与较主径信号早一个单位采样间隔的信号的互相关值，该本地模版信号由本地模版信号产生器产生，其初值为已知的单个码片内发射机发射的标准信号，并根据模版调整信号进行相位延迟或提前；步骤(3.2.4)把步骤(3.2.3)所述的本地模版信号与所述主径信号送入一个迟相关器，得到一个迟径相关值Corr(n+1)，该迟径相关值是本地模版信号与较主径信号迟一个单位采样间隔的信号的互相关值；步骤(3.2.5)把所得到的主径相关值Corr(n)、早径相关值Corr(n-1)、迟径相关值Corr(n+1)送入一个定时误差提取器，按下式算出定时误差信号εt(n)：εt(n)＝sign(Corr(n))*[Corr(n+1)-Corr(n-1)].步骤(3.2.6)把步骤(3.2.5)得到的定时误差信号εt(n)送入一阶数字低通环路滤波器得到累积的定时误差值：其时序为：Et(n)＝Et(n-1)+Klεl(n)，常数K1为该滤波器的滤波系数，K1＜1；步骤(3.2.7)用一个比较器来判断步骤(3.2.6)得到的累积误差值是否达到设定的阈值，若达到设定的阈值则把累积误差值清零，同时发出一个模版调整信号，控制本地模版信号产生器把本地模版信号的相位延迟或提前一个单位采样间隔，并输出模版调整信号给之后的数字匹配相关Rake接收电路以实现定时纠正；采取提前或延迟取决于累积误差的极性，若为正，则提前，否则，延迟；步骤(3.3)把步骤(3.2.7)得到的模版调整信号和经过频率纠正的I路数字基带信号I′(n)送入一个数字匹配相关及Rake接收电路，按以下步骤计算出该Rake相关接收电路的输出：步骤(3.3.1)把该数字基带信号和由本地模版信号产生器输出的若干个不同偏移位置的信号模版送入信道估计器，经过信号相关运算搜索到一个与最大相关值对应的主径位置及依次与若干个次大相关值对应的次径位置，所述相关运算是指：按各采样点计算两个输入信号的乘积并累加，主径位置的获得过程即符号同步的过程；步骤(3.2.7)得到的模版调整信号在连续两次信道估计的时间间隔内对主径及选定的各个次径的模版信号进行调整；步骤(3.3.2)根据步骤(3.3.1)得到的主径与各个次径的位置，把经过频率纠正的I路数字基带信号I′(n)与得到的主径与选定的各个次径对应的模版信号分别送入一个相关器组，按步骤(3.3.1)所述的方法分别进行相关运算，得到数字匹配后的信号，送往Rake合并器；步骤(3.3.3)Rake合并器按设定的方案合并次径的数目至少为一条，无上限；步骤(3.3.4)Rake合并器由主径及各次径所对应的相关结果构成的多径能量按照最大合并比准则或等增益合并比准则进行加权累加，得到一个总的能量，即该Rake相关接收电路的输出I″(n)；步骤(4)把步骤(3.3.4)得到的Rake相关接收的输出信号I″(n)送往一个帧同步捕获器，按以下步骤输出帧同步后的Rake相关接收信号：步骤(4.1)把步骤(3.3.4)得到的输出信号I″(n)送往一个帧同步电路，把该信号的极性作为信息数据位，搜索相应于该信息数据位的输出即可找到帧分隔符，从而定位帧头并定位数据信息的起始位置；步骤(4.2)把步骤(4.1)得到的结果I(n)送往后续的扩频码解扩模块及信道译码器。