超寬帶無線通信的一種快速同步捕獲算法

1、超寬帶無線通信的一種快速同步捕獲算法摘要:針對超寬帶(ultra-ideband,UB)信號的詳細特征,利用巴克碼的相關特性,設計了一種構造簡單的訓練序列,在此根底上建立了基于最大似然(L)準那么的UB同步捕獲算法。該算法大大降低了UB信號時間捕獲的復雜度,可以快速實現(xiàn)同步。仿真結果說明,只需要較短的訓練序列,該算法就能獲得優(yōu)良的同步性能,當訓練序列較長時可以很好地逼近理想捕獲情況下的系統(tǒng)誤碼率。關鍵詞:超寬帶;同步;時間捕獲;最大似然準那么0引言超寬帶(ultra-ideband,UB)無線電的出現(xiàn)已有數十年的歷史,但以前它僅僅應用在軍事雷達和定位設備中。2002年2月14日,這項無線技術首

2、次獲得了美國聯(lián)邦通信委員會(F)的批準,用于民用通信,從而引起了各國的廣泛關注,迅速成為研究熱點。目前國內外主要研究UB在無線個人局域網(irelesspersnalareanetrk,PAN)中的應用,并已獲得重大進展。和其它所有通信體制一樣,要建立UB通信系統(tǒng),首先要解決的是同步問題。為了降低信號的頻譜密度,UB系統(tǒng)往往通過多個幀來發(fā)送一個符號,每幀包含一個單脈沖信號,幀周期往往遠大于脈沖周期。同步捕獲的任務就是確定符號的位置以及每個符號的起始點。符號定時是建立同步的基矗并且由于在超寬帶系統(tǒng)中,接收機一般利用Rake接收機分集接收,需要對信道多徑分量的幅度和時延進展估計,符號定時的準確與否

3、決定了估計的精度。然而,同步也正是UB技術的一大難點。這主要是因為UB信號為類脈沖信號,脈沖寬度窄,幅度低,通過滑動相關法搜索峰值的方法在多徑信道環(huán)境下性能往往會受到影響,在應用跳時(TH)碼的系統(tǒng)中尤其如此。而且由于在一個符號內要搜索數千個碼片,所需要的采樣率高達幾GHz,捕獲時間長,復雜度高122。為了進步捕獲速度,文獻3提出了基于arkv鏈構造的序列搜索方式,文獻4那么利用Bean碼的相關特性來實現(xiàn)同步。但是這些算法的采樣率仍然沒有本質變化。由于UB信號的重復發(fā)送使得無需對信號進展過采樣就具有循環(huán)平穩(wěn)特性,有人提出了基于循環(huán)平穩(wěn)統(tǒng)計特性(ylstatinarity,S)的盲估計算法5-6

4、,它可以降低采樣速率,但是和所有的盲估計算法一樣,有著收斂速度慢的缺點。文獻7和文獻8分別設計了訓練序列,并在此根底上提出了各自的同步捕獲算法,利用他們設計的訓練序列可使算法大大簡化。但是利用這些訓練序列進展符號的捕獲時,其相關峰不顯著,符號捕獲效果并不理想。并且,由于幀捕獲是在符號捕獲的根底上進展的,符號捕獲的誤差會進一步影響幀捕獲的效果。巴克碼具有良好的自相關和互相關特性,在各種通信系統(tǒng)中得到了廣泛應用。本文根據UB信號的詳細特點,在巴克碼的根底上設計了一種合適UB通信系統(tǒng)的訓練序列。在此根底上,利用最大似然比(axiulikely-hd,L)準那么對接收信號進展同步捕獲。根據此算法,僅需

5、要每幀甚至每符號對接收機輸出采樣一次,就可以完成對接收信號的同步捕獲,從而使得采樣率大大降低,實現(xiàn)了UB信號的快速捕獲。同時,本文對估計結果的均方差以及相應的系統(tǒng)誤碼率進展了仿真,仿真結果說明,與上述算法相比,本文提出的算法可以在較短的訓練序列下獲得更高的同步性能。1信號模型UB系統(tǒng)一般利用Nf幀來發(fā)送一個符號,每幀包含一個單脈沖信號。設幀周期為Tf,那么符號周期Ts=NfTf,發(fā)送符號成形脈沖可以表示為式中:g(t)單周期的短脈沖信號,其周期為Tg,實際系統(tǒng)中,一般Tf為Tg的數百倍。j偽隨機跳時序列,T碼片周期,jTTf-Tg,Pj0,Nf-1。當調制方式為脈沖幅度調制(PA),即發(fā)送符號

6、bn1時,發(fā)送信號可以表示為式中:Es符號功率。設多徑衰落信道共包含L條反射途徑,每條途徑對應的增益用l表示,時延用l表示,并滿足條件0L-1。為了保證多徑信道不會引起ISI,通常有L-1Tf-2Tg。記l,0=l-0,接收端的接收信號可以表示為式中:n(t)高斯噪聲。接收機為相關接收機,參考信號為gs(t),對接收機輸出進展采樣間隔為Tf的采樣,由于不知道接收信號的時間信息,采樣初始時刻與接收信號的符號起始時刻之間存在著一定的偏向,設為,顯然,與0對接收機的影響完全一樣,因此可以作為一個整體對待。設采樣時刻為nTs+Tf,令+0-Tf=nsTs+nfTf+,ns,nf=0,1,0,Tf)由于

7、在接收端為數,因此時間捕獲的任務就是完成對未知的參數ns和nf的估計。接收機在nTs+Tf時刻的采樣值用x(n,)表示顯然,由于尚未建立同步,x(n,)將包含兩個也只會包含兩個發(fā)送符號的信息。令Rg()=gs(t)gs(t-)dt,那么Rg()只有在(-Tg,Tg)時非零,脈沖功率為Eg。當不存在跳時碼時,由于L-1Tf-2Tg,那么對于任何0,Tf),接收信號中的每一幀都只會跟與接收機模板的某一幀的相關值非零,這時接收機的輸出可表示為2算法描繪從式(4)可見,式中n(n,)為高斯分布隨機變量,As、ns與nf為未知參數。其中As包含了多個未知參數,但可以當作一個整體對待,ns與nf即為待估計

8、的同步信息。顯然,這是一個典型的參數估計問題。設訓練序列集合為,共包含個訓練符號。由于n(n,)為高斯噪聲,故似然函數可以用式(5)表示其對數似然函數可化簡為設滿足條件bn=bn-1(1n)的符號集合為+,其對應的下標集合用+表示,那么有式中:E+=n+b2n-ns用于ns估計的訓練序列功率之和。設滿足條件bn=-bn-1(1n)的符號集合為-,其對應的下標集合用-表示,那么有顯然,假設ns,nf=0時上似然函數取最大值,因此,nf的估計結果為由式(8)可以發(fā)現(xiàn),符號的捕獲其實就是相關碼的捕獲,顯然捕獲性能的好壞取決于相關碼的特性。為此,選用自相關和互相關特性都很好的巴克碼作為符號捕獲的相關碼

9、。為了滿足條件bn=bn-1(n+),復制巴克碼中的每個碼元并將其置于被復制碼元的前面。由式(9),幀捕獲與相關碼本身無關,只要求滿足bn=-bn-1(n-)即可。為了進步訓練序列的利用率,在上述每一對符號間插入一個符號,該符號為其前一符號的相反數。可得訓練序列構造如下。=a0,a0,-a0,a1,a1,-a1,aK-1,aK-1,-aK-1+=a0,a1,aK-1-=-a0,-a1,-aK-1式中:a0,a1,aK-1一組巴克碼,K巴克碼的長度,訓練序列總長度=3K。轉貼于論文聯(lián)盟.ll.此時,利用所有的訓練符號來完成對UB接收信號的捕獲,式(8)和式(10)可以重新表示為當系統(tǒng)中添加了跳時

10、碼時,接收信號不能表示成式(4)相對簡單的形式,因此ns與nf的估計也要復雜一些。但是對在跳時碼存在與不存在的情況分別進展了仿真和比擬。仿真參數設置如下:跳時碼周期T=1ns,碼元在0,N-1中均勻分布,N=90,其余系統(tǒng)參數與誤碼率性能仿真一樣。仿真結果說明,跳時碼的存在對本文上述算法性能影響不大,參見圖1。事實上,由于采樣值都是通過在一個符號周期內積分得到的,同時將As作為一個整體對待,內部的些許偏向不會對整體性能帶來大的影響。這一論點在文獻2中也得到了論證。3仿真分析為了對本文提出的算法進展進一步的驗證和分析,我們在atlab615平臺上對算法進展了仿真。選擇的脈沖形狀為高斯脈沖的二階導

11、,周期為Tg=1ns。多徑信道的模型根據參考文獻9-10中的描繪建立。多徑的到達服從泊松分布,每條途徑的幅度均服從瑞利分布,最大多徑擴展時延為48ns。系統(tǒng)模型中,用20幀來發(fā)送一個符號,即Nf=20,Tf=50ns。仿真過程中,訓練序列的起始時間基準點在-Ts,(K-1)Ts中隨機選取,這也就意味著ns、nf和分別在-1,K-1、0,Nf-1和0,Tf中均勻分布。信噪比定義為符號功率與噪聲功率的比值,調制方式為脈沖幅度調制。首先,選用不同長度的巴克碼生成訓練序列,分別對其同步估計結果的均方差(SE)進展了仿真,K分別等于3,5,7,11,對應的巴克碼分別為-1,-1,1,-1,-1,-1,1

12、,-1,-1,-1,-1,1,1,-1,1和-1,-1,-1,1,1,1,-1,1,1,-1,1,仿真結果如圖2所示。仿真結果說明,SNR越大,估計性能越好。同樣訓練序列長度越長,估計均方差也越校這是因為訓練長度越長,一次估計中可利用的有用信號越多,相當于信噪比得到了進步。因此,當系統(tǒng)要求在信道環(huán)境較為惡劣的情況下進展通信,適當增加訓練序列的長度可以保證同步的性能。與文獻7-8的仿真結果比照,可以發(fā)現(xiàn),在本文設計的訓練序列根底上實現(xiàn)的同步捕獲,性能與理想符號捕獲前提下的幀捕獲的性能相差無幾。接著,仿真了不同巴克碼長度下利用本算法實現(xiàn)同步對系統(tǒng)誤比特率(BER)的影響,并與沒有同步的系統(tǒng)誤碼率以及理想同步捕獲的系統(tǒng)誤碼率進展了比擬。為了更好地說明同步誤差對系統(tǒng)的影響,仿真時在同步后添加了理想的信道估計模塊。仿真結果如圖3所示。從圖中同樣可以看到,SNR越大,訓練序列越長,系統(tǒng)BER越校而且,即使在只有K=3的情況下,本算法也能大大進步系統(tǒng)性能。當K=11時,系統(tǒng)性能與理想情況下已經相差無幾。4完畢語本文針對UB技術的難點之一同步捕獲問題進展了深化的分析和研究。針對UB信號的詳細特征,充分利用巴克碼的相關特