【導(dǎo)讀】導(dǎo)下，獨立進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議，發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體。均已在文中以明確方式標明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本。本文致力于高速DS-UWB通信系統(tǒng)中同步技術(shù)的研究。先概括地介紹了超寬。Two-Stage捕獲算法，并利用工作組建議的信道模型進行了仿真。需的時間，同時也減小了漏檢概率。

　　

【正文】 THPAM 兩種調(diào)制信號中，其接收信號的不確定因素主要來自窄脈沖發(fā)射時延和傳播時延。發(fā)射時延包括脈 沖在自身發(fā)射周期 Ty 內(nèi)的時延和偽隨機跳時碼的相對偏移。設(shè)脈沖在 Ty內(nèi)的不定相位個數(shù)為 NΘ 1= /ftT ? ，其中 t?為一個相位間隔時間，跳時碼不定相位個數(shù)為 NΘ 2，則整個滑動相關(guān)需要檢測捕獲的不定相位個數(shù)為 N=NΘ 1NΘ 2。對可能的相位進行相關(guān)檢測，如果采用順序搜索的方法，由于脈沖寬度窄且占空比低，捕獲時間會很長。因此為了減少捕獲時間，需要采取一些改進方法。如圖 42 所示是在單積分滑動相關(guān)基礎(chǔ)上的一種改進方式，即多積分 并行滑動相關(guān)捕獲，這種方法對可能出現(xiàn)的相位并行檢測，可以成倍地降低捕獲時間。 圖 42 多積分并行滑動相關(guān)捕獲 （重畫） 如何對滑動相關(guān)的輸出值進行判決，直接影響到其捕獲時間及硬件復(fù)雜度。通常有門限判決輸出，相關(guān)值最大輸出，序慣判決輸出等。由于滑動相關(guān)器簡單， 所以其應(yīng)用較為廣泛。現(xiàn)在常用的一些搜索方法大多在此方法的基礎(chǔ)上，采取一些措施來限定搜索范圍或加快搜捕的時間，從而改善其性能。例如下面介紹的一些方法。對于室內(nèi)超寬帶信道，一般是一個衰落很小的密集多徑信道，因此捕獲可以充分利用信道的多徑展寬效應(yīng)。由于信道 的多徑擴展，導(dǎo)致可終止搜索的單元的個數(shù)不再只有一個，而是若干個。只要能捕獲到這些單元中的一個，就可以實現(xiàn)同步，從而能減少捕獲時間。下面主要對幾種傳統(tǒng)的搜索算法 [44][45][46]進行分析，包括線性搜索，真正的隨機搜索，觀測再 K 單元跳變搜索，比特翻轉(zhuǎn)搜索，在討論中，以 M 代表搜索到可終止單元的搜索次數(shù)，重點分析上述幾種搜索方法的平均搜索次數(shù) E[M]。 1) 線性搜索 線性搜索方法是從 N 個搜索單元的第一單元開始，依次往后搜索，直到搜到任一個可終止單元。由于信號的隨機性， K 個連續(xù)可終止單元落在 N 個單元中的任一個都是等 概率的，為 I/N。當起始點落在第一個單元及最后 K1 個單元時都只需要一次搜索既可以捕獲到同步。而起始點若落在第二個單元，則要搜索兩次，依次類推，最后落在第 NK+1 單元，則要搜索 1NK??次。因此平均搜索次數(shù)可示如下 : 211( ) 1 2 ( 1 )( ) ( 3 )2KE M N KN N NN K N KN? ? ? ? ? ? ? ? ?? ? ?? (41) 由分析容易得出，線性搜索最多搜索 NK+1 次一定能搜到可終止單元。 2) 真正隨機搜索 真正隨機搜索是一種不管先前搜索單元的搜索方法。每次搜索時，都從 1，2，? ， N 個單元中隨機選擇一個進行判斷。若在第 m 次才搜索到可終止單元，則前 m1 次搜索到的都是非可終止單元。任一次可搜索到可終止單元的概率為K/N，而搜索到非可終止單元的概率為 1K/N。所以其平均搜索次數(shù)為 11( ) ( )mmN K K NE M m N N K? ???? ? ?? (42) 當 K 稍大于 1 時，真正隨機搜索就能有比線性搜索更好的性能。由分析可知，真正的隨機搜索即使搜索單元超過 N，也可能搜不到可終止單元，這在實際中是要盡量避免的。 3) 觀測再 K 單元跳變搜索 分析前面的搜索 方法，可知搜索順序就是由整數(shù) 1， 2，?， N 決定的某種置換。線性搜索也可看作是這些置換中的一個特例。這意外著可能存在一種特定的置換，具有更低的平均停止時間。這里的觀測再 K 單元跳變搜索就是這樣一種置換。 觀測再 K 單元跳變搜索的基本思想就像其名稱一樣，即從第一單元開始搜索，然后搜索第 K+1 單元，再搜索第 ZK+1 單元，這樣繼續(xù)下去。 4) 比特翻轉(zhuǎn)搜索 比特翻轉(zhuǎn)搜索法必須要求搜索單元數(shù) N 是 2 的冪次方，這種搜索方式由“比特翻轉(zhuǎn)”來決定搜索順序，即將二進制比特左右翻轉(zhuǎn)。例如，對于 K=16 的整數(shù)，N 個搜索單元可以表示為二 進制 0000， 0001， 0010， 0011，??， 1101， 1110，1111。這些整數(shù)的一種能最大化觀察距離的置換為“比特反轉(zhuǎn)”二進制數(shù)，左右反轉(zhuǎn)可得比特序列為 :0000， 1000， 0100， 1100，??， 10118， 16}， 0111， 1111，{0， 8， 4， 12， 2， 10， 6， 14， 1， 9， 5， 13， 3， 11， {1， 9， 5， 13， 3， 11， 7，15， 2， 10， 6， 14， 4， 127， 15}從而搜索順序為 {1， 9， 5， 13， 3， 11， 7， 15，2， 10， 6， 14， 4， 12,8,16}。 當前 超寬帶信號的捕獲算法 在現(xiàn)有的關(guān)于超寬帶無線通信系統(tǒng)文獻中，信號的同步方法一般分為兩類。一類是基于檢測的同步方法，另一類則是基于理論估計的搜索算法。下面我們將對這兩類信號捕獲方法進行介紹。 基于檢測的捕獲算法 在基于檢測的捕獲算法中，首先，對某一可選相位進行檢測獲得接收信號與本地模板信號的相關(guān)值，然后將得到的相關(guān)值與判決門限進行比較，最后通過比較得出該檢測相位是否是正確的捕獲相位。對于不確定的信號相位，我們可以利用并行，串行，或者串并混合的方式來進行搜索。基于檢測的捕獲算法主要聚焦 在如何利用有效的 搜索策略在搜索空間中找到正確的相位，或者如何能夠減小搜索空間從而達到快速捕獲的目的。 在傳統(tǒng)的粗捕獲方法中，首先，對搜索空間中的相位進行檢測，使本地模板延時 t 后再與接收到的信號進行相關(guān)，如果積分器的輸出超過了比較門限，那么此時相位則被認作是接收信號相位的正確的粗估計，反之，搜索控制模塊更新搜索的相位為： 1j j pt t T?? ?? 集 成 商 是否t搜 索 控 制模 板 信 號 發(fā) 生 器接 收 信 號是 否 應(yīng) 當 超過 圖 43 傳統(tǒng)粗捕獲方法框圖 （翻譯成中文重畫圖） 基于理論估計的捕獲算法 在利用 數(shù)據(jù)輔助和非數(shù)據(jù)輔助的最大似然算法來進行定時估計時 [4]，數(shù)據(jù)輔助的定時算法利用了 rake 結(jié)構(gòu)類型的抽頭延遲線。假設(shè)從各條路徑接收到的信號有相同的脈沖形狀 ψ k(t)=ψ (t)， k=0， 1，?， Nmp1，而且定時偏差小于一個符號周期。接收信號表達式為 : 10( ) ( )Ls l c clr t g x t N T lT????? ? ?? (43) 其中， lg 是相應(yīng)的抽頭延長線的增益， cL 為抽頭延長線個數(shù)。通過利用網(wǎng)格搜索對 M 個符號進行觀察，對幀級定時偏移從進行估計，其表達式為 : 1 2 ( 。 )0a r g m a x cL N lTlNJ? ?? ???? ? (44) 其中， N? ?[0,? , fN ﹣ 1] 10( 。 ) ( ) ( )Mc k b f f ckJ N lT r t b t k N T N T lT???? ?????? ? ? ?? ?代表了在第 l 個 相關(guān)器中 M 個脈沖率抽樣值的求和。 在非數(shù)據(jù)輔助的定時估計算法中，當沒 有符號間干擾時，利用相鄰符號的互相關(guān)值來估計接收信號的定時信息。在這一方法中，首先截取長度為一個符號間隔的接收信號作為模板信號，然后，與后續(xù)的長度為一個符號間隔的接收信號進行相關(guān)。最后，對相關(guān)器輸出的 K 對相關(guān)值進行求和，利用求和的值來估計定時信息。假設(shè)定時偏差在一個符號持續(xù)時間之內(nèi)，那么定時偏移可以表示為： 2 2( 2 1 )1a r g m a x ( ( ) ( ) )bfbfk k N Tbfk N Tk r t r t N T d t? ????? ? (45) ? 的取值范圍為 [0, ]bfNT?? 高速 DSUWB系統(tǒng)中同步技術(shù) 本節(jié)主要對高速 DSUWB 系統(tǒng)中的同步技術(shù)進行了分析和研究。采用了改進的 Twostage 同步捕獲算法。 改進的 Twostage 同步捕獲算法 線形搜索算法 [4]是一種傳統(tǒng)的捕獲搜索算法，但是利用線形搜索算法達到同步狀態(tài)所需要的時間較長。因此在文獻 [3][7]中，提出了適用于 UWB 信號的捕獲方法。這幾種方法能夠在密集多徑環(huán)境的條件下快速達到捕獲狀態(tài)。在文獻 [8]中，提出 了一種在多徑信道條件下第二步基于線形搜索的 twostep 搜索算法，即TSSLS 算法。算法 TSSLS 利用了兩個不同的門限和搜索窗來完成快速同步。在文獻 [1]中，提出了一種 twostage 序列塊搜索算法即 SBS。在 SBS 算法中，首先進行一個粗略的塊搜索過程，然后在選擇的塊中再進行細捕獲。當信噪比大于 10dB時， SBS 算法所需的平均捕獲時間將隨著搜索相位的增加而增加。 在本節(jié)中，我們提出了一種改進的 twostage 捕獲算法。為了能夠完成快速可靠的 UWB 信號捕獲，在提出的捕獲算法中，每一個階段都使用了不同 的步長和不同的門限。在第一和第二個捕獲階段中分別運用了線性搜索算法和隨機置換搜索算法。為了評估所提出算法的性能，我們利用 工作組建議的信道模型 [50]進行了仿真。采用的信號形式是第三章介紹的二進制相移鍵控的直接序列擴頻 DSBPSK 信號模型。 改進的 Twostage 搜索算法 在提出的改進的 twostage 搜索算法中，整個捕獲過程分為兩個階段，分別為粗捕獲和細捕獲階段。而且在這兩個階段所運用的門限值和步長都是不同的。下面是這種方法的詳細描述。 在第一個階段，即粗捕獲的過程中，我 們使用隨機置換搜索方法在多徑信道的有效延時擴展中尋找信號到達的起始相位。首先，接收信號與本地模板信號從山東大學碩士學位論文某一個搜索相位開始進行相關(guān)，然后將得到的相關(guān)值與門限 γ1 進行比較。如果相關(guān)值大于門限 γ1，則完成捕獲進入確認階段。如果相關(guān)值小于門限 γ2，則模板信號根據(jù)隨機置換搜索算法移位到下一個搜索相位。如果在某一搜索相位接收信號與本地模板信號的相關(guān)值小于門限 γ1 而且大于 γ2 則搜索階段由粗捕獲進入細捕獲階段。在細捕獲過程中，步長由粗捕獲階段的 Δ1 變?yōu)?Δ2，而且在該搜索相位的兩邊分別進行 α =Δ1/Δ2 次的線性搜索。所以在細捕獲階段最多需要進行的搜索次數(shù)為 2α 。如果在這 2α 次的線性搜索中，相關(guān)器的輸出值大于門限 :，則完成捕獲，否則開始搜索下一個搜索相位。整個過程如此循環(huán)往復(fù)，直到完成 UWB 信號的捕獲。在該方法中門限值 γ1γ2， 步長 Δ1Δ2。捕獲框圖如圖 51 所示 圖 51 改進的 twostage 捕獲算法的理論框圖 （此圖重畫，將英文翻譯成中文） 我們使用平均檢測時間代替平均捕獲時間來表示系統(tǒng)的性能。平均檢測時間定義為完成捕獲而沒有發(fā)生虛警事件所需要的平均時間。 判決門限 γ1 和 γ2 的選擇由下式?jīng)Q定： 12( , )FAp ? ? ?? (51) 其中， 12( , )FAp ?? 表示虛警概率， ? 是一個較小的常數(shù)以此來表示可以容忍的最大的虛警概率。 系統(tǒng)性能分析 與前面?zhèn)鹘y(tǒng)捕獲算法計算平均捕獲時間的方法類似，在該算法中，假設(shè)第一步采用隨即置換搜索算法，那么在 Ns 個搜索相位中，第一次搜索的 搜索相位滿足捕獲要求的概率為 k/Ns，第二次搜索的搜索相位滿足捕獲要求的概率為NskNs? . 1Nsk ,以此類推，根據(jù)概率統(tǒng)計學，本節(jié)所提出的捕獲算法的平均檢測時間 E(Ms)由下式表示 : 1 2210( ) 1 ( )1112sNK issiljs s ssN K jk K lE M iN N j N i lNK?? ? ??????? ? ? ? ? ?? ? ? ? ?? ??????? (52) 其中 12() cf? ? ? ? ? ? (53) 1/( )lcK K f? ? ? ? ? (54) 其中， lK 是傳統(tǒng)搜索算法中步長為固定常數(shù)時正確的捕獲相位的個數(shù)， cf 是抽樣頻率， Ns 是總的搜索相位， k 是本文所提算法產(chǎn)生的正確的捕獲相位的個數(shù)。 從等式 (52)中，我們可以看出期望的平均檢測時間主要由步長 1? 決定，而平均漏檢概率主要由步長 Δ2 決定。在給定虛警概率上界的情況下，我們可以使得步長 1? 較長從而減少平均檢測時間。當搜索相位的總數(shù)是 2 的冪次方時，在粗捕獲階段如果采用比特翻轉(zhuǎn)方法，則在平均檢測時間方面能夠取得更好的性能。但是在大多數(shù)情況下，搜索相位的個數(shù)不是 2 的冪次方。所以為了方便比較，我們在粗捕獲階段采用了隨機置換搜索方法。 本文利用 Matlab 對 BPSK 調(diào)制技術(shù)的 DSUWB 無線通信系統(tǒng)，在 工作組建議的 CMI 和 CM3 信道條件下的性能進