第8卷第2期
2007年4月
解放军理工大学学报(自然科学版)
Journal of PLA University of Science and Technology
Vo1.8 NO.2
Apr.2007
文章编号:1009—3443(2007)02—0113—05
一种跳时超宽带无线电信号的高效同步捕获方法
王康年 , 葛利嘉 , 张洪德 , 郑林华
(1.重庆通信学院,重庆400035;2.国防科技大学,湖南长沙410073)
摘 要:为了实现高效的跳时超宽带无线电信号的同步捕获,主要研究了超宽带无线通信中跳时序列码的
同步技术,对捕获过程中的两个主要性能指标,即平均捕获时间和捕获概率进行了深入的分析,提出了一种
适于超宽带无线通信跳时码的同步捕获方法——二维空间下的菱形捕获法。计算机仿真结果表明,该捕获方
法工作原理简单、捕获速度快、硬件复杂度低,是超宽带冲激无线电的有效捕获方法之一。
关键词:超宽带无线通信;捕获与跟踪;跳时序列;菱形检测
中图分类号:TN911 文献标识码:A
High performance acquisition approach for time—hopping UWB sequence
jn Wjreless communication
WANG Kang—nian ,GE Li—jia , ZHANG Hong—de ,ZHENG Lin—hua
(1.Chongqing Communications Institute,Chongqing 400035,China;
2.National University of Defense Technology,Changsha 41 0073,China)
Abstract:One of the key technologies for UWB impulse radio is synchronization.The synchronization tech—
nology for time—hopping sequence in UWB wireless communication was studied.Such issues as mean acqui—
sition time and acquisition probability were deduced theoretically.A novel rapid acquisition approach
termed two——dimensional diamond detection was proposed for time— hopping sequence in UWB wireless com——
munication.Finally,the numeric acquisition performances of this approach were obtained by computer
simulations。The result proved that this approach can get into synchronization state more rapidly with sim—
ple theory and simple hardware.
Key words:UWB(ultra wide band)wireless communication;acquisition and t伸筋草的功效 racking;time—hopping se—
quence;dimond detection
跳时超宽带无线通信是近年来通信领域的一个
新热点。跳时超宽带信号以受伪随机跳时序列编码
的低占空比脉冲串作为信息载体,除了多径传播带
来的影响之外,信号固有特性对其同步捕获提出了
很大的挑战。一方面由于脉冲很窄(纳秒级或更小),
占空比很低(可达1O 以下),需要很长的搜索时
收藕日期:2006—09—21.
基金项目:国家自然科学基金资助项目(60272083).
作者简介:王康年(1959一),男,副教授;研究方向:超宽带无
线通信和多载波通信技术;E—mail:hdzhangnudt
@yahoo.com.an.
问;另一方面由于功率密度谱很低,加上干扰和噪声
的影响,达到高的捕获概率比较困难。此外,采用数
字同步方法时,要求的抽样速率很高。因此,提出时
间开销小、捕获概率高和硬件实现简单的同步捕获
方法,是跳时超宽带无线通信的一个关键技术难题。
目前,典型的捕获方法主要有滑动、匹配相关和对不
定区域的搜索等nq]。这些方法具有各自的优点与
不足。采用多积分并行滑动相关或用匹配滤波器取
代相关积分器,可以成倍地降低捕获时间,但硬件实
现复杂。不定区域的搜索方法,例如比特翻转搜索
法,大大降低了平均捕获时间,但要求信道特性符合
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114 解放军理工大学学报(自然科学版) 第8卷
线性搜索条件。还有利用跳时码的差分特性进行检
测捕获的方法,速度快、硬件实现简单,但对跳时码
特性[4州]有特殊的要求。本文受图像快速捕获技
术[7 ]的启发,提出将二维空间菱形捕获法用于跳时
超宽带无线电信号的捕获。研究结果表明,这种方法
具有捕获速度快、捕获概率高和硬件复杂度低的共享充电宝 突
出特点。
1 问题描述
常见的超宽带跳时模型很多,以最基本的TH—
PPM调制信号模型为例,PPM调制,又称时间调制
(TM),其信号波形如下:
s (f):∑w(t—jt,一q t 一 ]),
(1)
其中:W(f)是发送的单周期脉冲,持续时间为 (为
ns级);k代表多用户系统中第k个用户;t,为脉冲
重复周期,W 《f,; 是信息序列; 表示动感音乐 由信息序列
控制的发射脉冲时延;每 个单周期脉冲波形传
送一个二进制符号;d表示传送的二进制“0”、“1”序
列;“口”表示取整运算; 是由PN码控制的发射脉
冲时延;jtz+C} t +UUE Jl N]表示了所发射的冲激脉
冲串中第J个脉冲的起点;c 一c N为第五用户b
PN跳时序列的第J个码元,最大值为N ,PN码周
期为Ⅳ 。
接收信号可表示为
r ’(f)一 w(t—jt,一c t 一
』
附f ]一r)+ (f), (2)
其中:r表示传播时延; (f)代表高斯白噪声。
本地相关信号
s强’(f)一 w(t—it-,一c t )。 (3)
了
信号捕获的任务是:找到与参考相位的相位差
小于一定捕获精度的接收相位。对于同步捕获,其接
收信号的不确定因素主要来自伪随机跳时码C 和
信号传播时延。设脉冲在重复周期t,内的不定相位
个数为 —tf/ ̄t,其中, 为一个相位间隔时间,
PN跳时码不定相位个数为Ⅳ,则整个滑动相关需
要检测捕获的不定相位个数为C=MN。显然,由于
脉冲宽度极窄, 必须很小,同时考虑到低占空比
和较长的跳时码周期,不定相位数目C很大,如果
采用顺序捕获的方法,捕获时间会很长,甚至达到难
以容忍的程度。因此,减少捕获时间是跳时超宽带信
号捕获面临的一个必须解决的重要问题。
2二维菱形捕获
将需要捕获的相位用二维空间,描述如下:
I:(Cx,C ), 一0,1,2,…,M;Y一0。1。2,….Ⅳ。
(4)
其中:C 表示脉冲在重复周期内的相位;C 表示
PN跳时码的相位。于是,捕获的目标就成为在二维
空间,中找到一个最佳匹配点。虽然差错平面在整
个捕获区域内具有单调性的假定并不实际,但在全
局最佳点的小范围附近满足单调性条件是可能的。
从数学的角度,可以表述成如下目标函数的优化:
d一> li 一五Il P(五), (5)
t∈S
其中:S是捕获窗范围内包括的所有点数的集合
是最接近 的检测点;ff ff代表欧几里得距离范
数;P( )是 点为全局极值点的概率。
菱形捕获法考虑到检测点一般具有中心偏移的
特点,将捕获中第1步的捕获图案设计为以捕获窗
中心为中心,附近环绕的8点共同构成大菱形,然后
向外进行捕获。这种捕获策略考虑了全局最佳点的
概率分布特点,较传统的捕获方法更不容易落入局
部极值点的陷阱,而且大大提高了捕获速度。
图1描述了菱形捕获算法的捕获图案,以半径
为2个点的圆作为捕获区域,图中的13个圆点表示
圆内所有可能的评测点。该算法使用2种捕获图案,
r 、
~
, 、
.
, ● - 、
r ' r ' e
、 ,,
C
图1 菱形捕获算法的捕获
Fig.1 Diamond detection
如图2所示。第1个称为大菱形捕获图案LDSP
(1arge diamond search pattern),由9个评测点组
成,围绕着中心点的8个点组成一个菱形,如图2
(a)所示。第2个称为小菱形捕获图案SDSP(small
diamond search pattern),由5个评测点形成小菱
形,如图暑假第一课 2(b)所示。菱形捕获是一种基于中心偏移
的多级捕获方法,它的主要特点是:第1步的捕获图
案设计为检测点基于中心偏移的LDSP型图案,根
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第2期 王康年,等:一种跳时超宽带无线电信号的高效同步捕获方法 115
/
r 1
,
、
r '
、、--一 一,,
’、
、
' r
、-
,‘ 一,
(a)大菱形(LDSP) (b)小菱形(SDSP)
图2捕获图案
Fig.2 Detection scheme
据上述的最佳点附近差错平面具有单调性的假设,
采用了中途停止的捕获策略。即一旦最小块失真出
现在LDSP中心点位置。搜索转入SDSP图案,中途
就结束捕获。
在该算法的捕获过程中。LDSP被重复使用,直
到最小相位误差点出现在中心点。然后捕获图案由
LDSP转换为SDSP,以进入最后的捕获阶段。在
SDSP的5个评测点中,出现最小相位误差点的位
置就确定了最佳的捕获点。
二维菱形捕获算法可总结为:
步骤1,根据PN跳时序列和 等超宽带参数,
确定二维搜索空间I:( ,Cy)。
步骤2,初始化大菱形LDSP以捕获窗口的原
点为中心,然后测试LDSP的9个评测点。如果计算
得到的最佳同步点(即最小相位误差点)位于中心位
置,则转到步骤4;否则转到步骤3。
步骤3,以上捕获步骤中得到的最小相位误差
点为中心,重新构造一个新的LDSP。如果得到的新
最佳同步点位于中心位置,转到步骤4;否则,重复
此步骤,直至检测点到达捕获窗边缘,终止捕获。
步骤4,捕获图案由LDSP转换为小菱形SD—
SP。这一步骤中得到的最佳同步点就确定了最终的
最佳同步点。
如果最佳匹配点出现在LDSP的中心点,捕获
图案就从LDSP转换为SDSP,来进行最后的捕获。
这种情况下,只需要测试4个新的评测点。如果当前
最佳匹配点位于LDSP的拐角或边缘时,相邻步骤
中的评测点会部分重叠,分别只有5个或3个新的
评测点需要测试,如图3所示。因此捕获时间将会大
大缩短。
在首次进行LDSP搜索时,初始位置可以是位
于圆点的第1个LDSP,也可以是根据训练样本得
到的经验位置。
~
▲
r
I
、 ,
C。 r ' ,
、
~
‘
,
e。
■ I
r、、
-
、
J
J
,
-
,
、 ' r '
、
、~ ,
(a)拐角处 (b)边缘处
图3最佳匹配点在LDSP拐角和边缘时新的
需要评测的点
Fig.3 New point which needs recomputing when the best
match point lies at the corner or edge of LDSP
3捕获时间和捕获概率分析
首先分析基本的滑动窗口捕获法r6]。用(,z。 ,愚)
表示这样一个正确捕获事件:正确相位在第,z个单
元,在二维空间坐标为( ,y)。故 —yM4-X。在
捕获过程中经过了 次漏检和k次虚警。这一事件
所经历的时间和出现概率分别用r,( , ,愚)和
P(,z, ,k)表示。用丁。表示在每一单元检测所需的
时间。在某一单元发生虚警时,除了在这一单元上的
检测时间外,还需要排除虚警的时间r, 或称为虚
警代价。因此
V(n, ,k)一nT 4-jCT 4-kTfa。 (6)
下面考虑事件(,z,J,k)的概率,正确相位在第,z
个单元的概率为1/C。检测概率为Pa,发生 次漏检
后最后一次检测到正确相位的概率为P (1一Pa) ;
虚警概率为P“,在这一事件中共检测了(,z+ )个
单元,其中相位正确的单元有( 4-1)个,剩下K一
,z+ C一 一1个相位不正确的单元,因此O≤愚≤K。
在K个单元中,恰发生k次虚警的概率为
f 1P (1一Pfa) ~。 \患/
因此,事件(,z,J,愚)的概率为
P(,z,J,k)一 -
Pd(1一Pd) f K 1P乞(1一Pfa) ~。(7)
。 \定』
平均捕获时间用7; 表示,为
TA一 :P(,z,J,k)丁( ,J,k), (8)
n,j,k
其中:,z的取值范围为1~C; 的取值范围为O~。。;
k的取值范围为O~K,因此,式(8)可写为
. C ∞ _A= ∑∑∑[(,z 4-jC)T 4-kTr ]
一 1 =0 0
f 1 P (1一Pfa)K-kPd(1一Pd) 一
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解放军理工大学学报(自然科学版) 第8卷
1 C薹c + c, [壹k=0()c 一 u =1 J;O \ /
Pfa) -iFa(1一Pa) + 1∑∑Tfa
。 1;0
比较式(7)(13)以及式(10)(14),并考虑到,z的
变化可知,利用菱形搜索法后,捕获概率大为提高,
而且消耗更小的时间成本。
[塞( )戌(1-Pfa)t;- ̄]尸d( --pd)j,(9) 4 捕获仿真及结论
可求得结果为
一TA一(C--1叫 )+ Ti,(1O)
其中:Ta 一T +PfaTr 是在每个不正确相位单元的
平均花费时间。由式(1O)可知,捕获时间与检测时间
、检测概率Pa、虚警代价丁 和捕获长度C有关。
捕获长度C与伪随机码和脉冲发射周期的起始相
位不确定区域的大小有关。
下面分析菱形搜索算法的捕获时间和捕获概
率,假设正确相位在第,z个单元,坐标为(C ,C。)。
在菱形搜索法中,每一个菱形占用25个点,而
LDSP中需要检测的点只有9个,因此每一次的漏
检的检测次数最多为 c。由于当最佳匹配点位于
LDSP的拐角时,需要检测的点数是最多的,即5个
点,而且每一次新的LDSP检测都会使得两个方向上
的覆盖点数增加2,因此考虑最不利的情况(覆盖所
有可能的相位点),正确检测时所需要检测的点数为
,49+ 二_曼5+ 5一
一16。 (11)
如果仍然正确相位在第 个单元,在二维空间
坐标为(C ,C。),,z—C。C +C ,则前面的分析有如
下变化:
T(n,J,五)一,z T +jc Ti+kTfa'
其中: ,≤ 一16,
C,≤ C。 (12)
P( , ,五)一 P ( 一P ) ( )P是( 一Pfa)K~,
其中: K = +jc 一J一1。 (13)
为了分析方便,式(12)(13)中,z的计算仍然保
持不变,此时可以得到
一(c 一1)Td ( )+ Ti,(14)
若P 一1,P 一0,即没有漏检和虚警时,由 计算
式可得
(c,+1)丁
一—— 一
。
滑动相关捕获仿真主要在加性高斯白噪声环境
下分析滑动相关的捕获概率性能,以及比较不同概
率时的所用捕获时间。单脉冲采用文献[9]中的二次
微分高斯脉冲波形,脉冲宽度为W 一1.25e一8;脉
冲重复周期tf一1.25e一6;每比特所含脉冲数N 一
1O;加性高斯白噪声干扰;信息比特发全“0”码。采有
单积分滑动相关捕获。该仿真中采用的PN码为长
度是1 023位的 序列,使用了 一10时 序列最
简单的生成多项式。该7n序列需要1O级移位寄存
器,由第3级和第1O级引回反馈。仿真结果如图4、
5所示。
图4捕获概率比较
Fig.4 Comparison of acquisition probability
/dB
图5捕获时间比较
Fig.5 Comparison of acquisition time
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第2期 王康年,等:一种跳时超宽带无线电信号的高效同步捕获方法 117
5 结 语
从捕获仿真实验中可以看出,菱形捕获算法可
以大大提高跳时信号的同步捕获的捕获概率,并缩
短同步捕获的时间。
虽然从菱形捕获法的理论分析可以看出利用更
小的时间消耗成本就可以得到更大的捕获概率,而
且仿真试验也验证了这一分析结果,但是该算法也
还有许多需要深入研究的问题,比如最佳评测准则
的选定、搜索的最佳初始位置的确定以及搜索的收
敛性等,这也是该文后续工作的研究方向。
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(责任编辑:程群)
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