（通信与信息系统专业论文）超宽带同步技术研究和基于fpga的同步器实现.pdf

r 苏州大学学位论文独创性声明 1 7 9 0 3 3 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏 州大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本 声明的法律责任。 论文作者签名：二迭j 年日期：二型埠盟 i ：to ，j 超宽带同步技术研究和基于f p g a 的同步器实现 中文摘要 超宽带同步技术研究和基于f p g a 的同步器实现1 中文摘要 超宽带( u w b ) 无线通信技术具有传输速率高、功耗低、定位精度高、抗多径 能力强等许多优点，已成为短距离无线通信领域研究与开发的热点。但是超宽带技术 要走向成熟，还需要解决许多关键的技术问题，其中之一就是信号的同步及其硬件的 实现，要求不仅有良好的性能，且拥有简单的结构。 本文首先介绍了超宽带通信的发展动态和基本原理，深入研究了典型的u w b 通 信系统方案及其调制技术，讨论了u w b 通信的信道模型。接下来讨论了u w b 系统 的多种同步技术，然后采用了一种基于正交互补序列集递归算法构造的具有良好自相 关和互相关性的零相关区( z c z ) 序列集，用来作为自适应算法的训练序列，并通过 仿真验证了运用该训练序列的算法具有更好的同步性能。在硬件方面，设计了一种基 于f p g a 的帧同步器实现方案，该方案中采用的帧同步码是z e z 序列，在d s pb u i l d e r 开发环境中对其进行了硬件设计和仿真，最后将设计程序下载到f p g a 开发板，并进 行h i l 硬件仿真，结果表明该硬件方案确实可行。 关键词：超宽带，同步，z c z 序列，帧同步器，d s pb u i l d e r 作者：张文婷 指导老师：汪一鸣 本课题获国家自然科学摹金项目( 基于t u r b o 原理的u w b 接收多用户检测研究，批准号6 0 5 7 2 0 7 5 ) 基金资助。 i s y n c h r o n i z a t i o n ，d s pb u i l d e r l l w r i t t e nb y w e n t i n gz h a n g s p u e r v i s e db y y i m i n gw a n g 目录 第一章引言1 1 1 课题的意义【1 1 1 2 1 1 1 2 国内外研究现状3 1 3 课题研究内容4 1 4 论文结构4 第二章u w b 通信系统基础6 2 1u w b 的定义【1 1 6 2 2u w b 信号模型6 2 2 1 脉冲波形6 2 2 2u w b 调制方式7 2 3u w b 信道模型【1 1 8 2 4d s u w b 同步技术l o 2 4 1 最大似然定时估计方法【1 3 】11 2 4 2 基于污染模板信号的同步方法【1 4 】【1 5 】11 2 4 3 串行的滑动相关捕获方法1 2 2 4 4 多积分并行滑动相关捕获方法1 3 2 4 5d s u w b 中的自适应捕获方法【1 8 】1 3 2 5 本章小结1 5 第三章d s u w b 系统中改进的自适应算法1 7 3 1 系统模型描述1 7 3 2z c z 序列集的构造及运用1 9 3 2 1z c z 序列集的构造2 0 3 2 2 具体运用及实现2 2 3 3 性能与仿真分析2 3 3 4 本章小结2 4 第四章f p g a 开发基础2 6 4 1 f p g a 简介1 2 4 l i 2 5 1 。2 6 4 1 1 f p g a 基本组成2 6 4 1 2f p g a 设计流程2 7 4 1 3f p g a 开发环境2 8 4 2d s pb u i l d e r 及其设计流程2 9 4 3 本章小结3 1 第五章基于f p g a 的同步器实现3 2 5 1 同步器硬件实现方案分析3 2 5 2 基于z c z 序列的帧同步3 4 5 2 1 帧同步3 4 5 2 2 帧同步码3 4 5 2 3 帧同步捕获方法3 5 5 2 4 基于z c z 序列的快速同步识别器3 7 5 3f p g a 实现方案3 8 5 4 帧同步器的d s pb u i l d e r 设计。3 9 5 4 1 模型建立3 9 5 4 2s i m u l i n k 仿真4 l 5 5 硬件仿真4 l 5 5 1s i g n a l c o m p i l e r 的自动流程4 1 5 5 2h i l 仿真4 3 5 6 本章小结4 6 第六章结束语4 7 参考文献4 8 攻读硕士学位期间公开发表的论文5 0 致谢51 超宽带同步技术研究和基于f p g a 的同步器实现第一章引言 第一章引言 近年来，随着无线与移动通信技术以前所未有的速度迅猛发展，短距离无线与移 动通信在军事、工业、科学、医疗以及日常生活领域的需求日益增多。尤其是随着各 种便携式个人通信设备与家用电器设备的增多，人们对短距离无线与移动通信又提出 了新的要求。 因特网、多媒体和无线通信技术的发展，人们与信息网络已经密不可分，人们对 实现高速率、高质量无线多媒体业务的需求越来越迫切，便携式电子设备与因特网之 间的短距离高速无线通信已成为未来通信技术的重要发展趋势之一。 为构建短距离高速无线网络，近来国际上提出了无线个域网( w 伴n ) 的概念。 w p a n ( w i r e l e s sp e r s o n a l a r e a n e t w o r k ) 是在便携式移动计算机和家用电器( 如数字 摄像机、高清电视、m p 3 播放机) 设备间进行短距离( 1 0 米以内) 通信的网络。其 核心思想是用无线电或红外线代替传统的有线电缆，组建个人化的信息网络，实现 w p a n 的技术主要有：蓝牙( b l u e t o o t h ) ，i r d a ( i n f r a r e dd a t a a s s o c i a t i o n ) ，h o m er f 以及超宽带( u w b ，u l t r a - w i d e b a n dr a d i o ) 等4 种。其中u w b 的高性能和低功耗的 优点使得它成为未来最富有竞争力的技术之一【1 1 。 1 1 课题的意义幻 美国s p e r r yr a n d 公司的g e r a l df r o s s 、c a t h o l i c 大学的h a r m u t h 、罗马航空研究 中心的p a u lv a ne t t e n 是u w b 最早的丌拓者。g e r a l der o s s 在1 9 7 3 年4 月1 7 日获 得的美国专利( 专利号为3 7 2 8 6 3 2 ) 是u w b 发展的一个里程碑，标志着u w b 无线 电技术从概念研究推进到实际应用开始阶段。 在美国，有关u w b 技术的绝大部分早期研究工作，均在机密的美国政府计划支 持下进行。1 9 9 4 年以后，保密限制才逐渐解除，从而大大加快了这方面研究的步伐。 尽管u w b 技术在过去二十年间有过相当可喜的进展，但在通信领域一直未被公认为 是一种主流技术，直到2 0 0 2 年2 月美国联邦通信委员会( f c c ) 批准了u w b 技术 在图像系统，汽车雷达系统和通信、遥控系统中使用的许可，通过了u w b 技术可以 进入商业应用的动议，才重新点燃了工业界、大学、政府部门对u w b 技术研究和开 第一章引苦 超宽带i r d 步技术研究和基于f p g a 的同步器实现 发的热情。 u w b 通信技术因其具有低功率谱密度、低截获概率、低功耗、高数据速率、能 有效对抗多径效应、系统设计简单、低成本等优点，近年来倍受国际通信学界的广泛 关注。认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术，在新一代移动通信和军事隐蔽 通信中也将有极好的应用前景，有可能成为解决企业、家庭、公共场所等高速因特网 接入的需求与越来越拥挤的频率资源分配之间的矛盾的技术手段。可以预料，u w b 技术将在未来高速信息网络中发挥重要作用。因此，各国竞相开展了u w b 技术的研 究工作。 目前超宽带的无线通信按实现方式可大致分为两大类，即无载波超宽带或脉冲超 宽带( i m p u l s er a d i ou w b ，i r - u w b ) 和多频带正交频分复用的超宽带( m u l t i b a n d o r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ，m b o f d mu w b ) 这两种方式，其中脉 冲无线电技术是传统的超宽带技术，本课题研究的对象是这种无载波的脉冲超宽带方 式。由于超宽带脉冲通信的特点，接收理论和技术异于一般窄带通信系统，因而高性 能接收理论和技术成为整个超宽带系统研究的关键。特别是多用户条件下高密度多径 信道下u w b 信号的接收理论和实现技术，更是需要迫切解决的问题。而系统的同步 是进行有效接收的前提，同步性能的降低会直接导致通信系统性能的降低，甚至使系 统不能正常工作【2 1 。在u w b 通信中，因为窄脉冲的脉宽限制，极窄脉冲的定时定位 精度要求极高，在实现上有更高的难度，因此同步问题的研究解决就显得尤为重要。 和传统的窄带通信系统或者无线接收设备相比较，u w b 的接收结构较为简单，但实 现的接收机和理论上的最佳接收机存在着不小的差异，因此有必要对此在实践上进行 研究。 另一方面，随着微电子设计技术与工艺的发展，数字集成电路已发展成为今天的 专用集成电路( a s i c ，a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) ，但因其设计周期长，灵 活性差等缺点制约了它的发展。可编程逻辑器件( p l d ，p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 的出现为此提供了一个很好的解决方案，用户可以通过对器件的编程实现所需要的逻 辑功能，并因其成本比较低，使用灵活，设计周期短，可靠性高而得到了迅速发展。 至今，p l d 已经发展成为可以完成超大规模的复杂可编程逻辑器件( c p l d ，c o m p l e x p r o g r a m m a b l el o g i cd e v i c e ) 和现场可编程逻辑器件( f p g a ，f i e l dp r o g r a m m a b e lg a t e a r r a y ) 。f p g a 较之c p l d 规模更大，资源更多，更适合用来实现复杂的时序逻辑。 2 超宽带同步技术研究和基于f p g a 的i 司步器实现第一章引言 除此之外，高速和高可靠是f p g a 明显的特点，其最高工作频率可以达到百兆量级， 其时钟延迟可达纳秒量级，结合其流水线工作方式，在超高速应用领域有非常广阔的 应用前景。 考虑到同步技术在通信领域的重要性，同步检测器的硬件实现显得尤为迫切。由 于f p g a 高速，高可靠以及可重构性能等特点，选用f p g a 来实现同步器是有意义且 符合行业发展趋势的。 1 2 国内外研究现状 虽然f c c 批准了u w b 可以进入商业应用，但u w b 技术还远没有成熟。要构建 高效的设计优良且能在非实验室环境下使用的u w b 通信系统，还需要许多新的理论 上和实际上的探索。 在国外，u w b 已逐步走向实用化、商业化阶段。目前国外开发研制出多种点对 点超宽带技术的无线通信系统。飞思卡尔( f r e e s c a l e ) 设计的d s u w b ( d i r e c t s e q u e n c e u w b ) 无线技术x s l l 0 商用芯片组己通过f c c 认证，可在2 0 米的距离内以1 1 0 m b p s 的速度传输多路高清串行视频数据涮3 1 。2 0 0 4 年8 月，f c c 批准嵌入式d s u w b 的 电子产品可以在美国出售。根据市场研究机构s n r 的报告，2 0 0 6 年是u w b 极其重 要的一年，相关产品在在全球大量涌现。从2 0 0 6 年到2 0 0 8 年，u w b 设备以每年4 0 0 的增长率增长【4 1 。 而国内相关研究也在紧锣密鼓进行之中，东南大学、电子科技大学、清华大学、 哈尔滨工业大学、北京邮电大学、中国科技大学等单位都展开了研究工作，并在传输 系统构成、信号发生与调制、接收方法、超宽带天线等部分关键技术上取得了较好的 研究成果。东南大学2 0 0 3 2 0 0 4 年度开放课题提出了超宽带专题，并有基于t u r b o 处 理技术u w b 接收技术的研究。2 0 0 6 年中国通信标准化协会( c c s a ) 率先在国内完成 “u w b 与t d s c d m a 干扰保护研究”的研究报告【5 1 ，对即将商用的3 g 网络规划设计。 今后还将陆续发布“u w b 与i m t - 2 0 0 0 f d d ”、“u w b 与g s m ”、“u w b 与 i m t - a d v a n c e d ”研究报告。2 0 0 8 年3 月4 日，中国信息产业网指出u w b 技术在高速 w p a n 和低速w p a n 中都具有广泛应用前景( 如家庭多媒体应用、计算机桌面应用、 多媒体会议应用等) 1 6 j 。 第一章引苦超宽带i 司步技术研究和基于f p g a 的间步器实现 而在f p g a 方面，1 9 8 5 年，x i l i n x 公司推出的全球第一款f p g a 产品x c 2 0 6 4 ， 采用2 9 m 工艺，包含6 4 个逻辑模块和8 5 0 0 0 个晶体管，门数量不超过1 0 0 0 个。2 2 年后的2 0 0 7 年，f p g a 业界双雄x i l i n x 和a l t e r a 公司纷纷推出了采用最新6 5 n m 工 艺的f p g a 产品，其门数量已经达到千万级，晶体管个数更是超过l o 亿个。一路走 来，f p g a 在不断地紧跟并推动着半导体工艺的进步- 2 0 0 1 年采用1 5 0 n m 工艺、 2 0 0 2 年采用1 3 0 n m 工艺，2 0 0 3 年采用9 0 n m 工艺，2 0 0 6 年采用6 5 n m 工型7 1 。2 0 0 7 2 0 1 7 是半导体特征循环的第五个回归。在这个回归中，c p u 中将融入可重构技术，可重 构技术中融入c p u ，而f p g a 正是最成功的可重构计算系统。 1 3 课题研究内容 本文主要针对多用户窄脉冲u w b 系统的同步难题进行了研究，提出一种自相关 和互相关性都较为理想的零相关区序列，用来作为自适应同步算法的训练序列，使其 同步性能更加优良。文章中对其进行了仿真分析，比较了与原算法的同步误码率性能； 在硬件方面，本课题基于f p g a 设计了一种用零相关区序列作为帧同步码的快速同步 器。详细分析了该帧同步器的理论基础和工作原理，然后利用d s pb u i l d e r 开发工具， 对该方案进行了模型设计和软件仿真，并对其综合适配，生成网表文件和硬件描述语 言。最后通过h i l 将程序下载到f p g a 开发板上再进行硬件级的仿真。 1 4 论文结构 第一章引言 介绍u w b 技术、本课题提出的背景和意义、国内外研究现状，以及本论文的主 要内容和结构安排。 第二章u w b 通信系统简介 简述了u w b 的基本原理、u w b 信号模型、信道模型、u w b 的一些同步技术。 第三章d s u w b 系统中的改进的自适应算法 介绍了d s u w b 的系统模型，并详细讨论了在存在码间干扰和多用户的情况下， 适用于实际情况的改进的自适应算法，并对该算法进行仿真和分析。 第四章f p g a 开发基础 4 超宽带i 司步技术研究和基于f p g a 的同步器实现第一章引言 介绍了f p g a 开发的一些基础知识，以及d s pb u i l d e r 在系统设计上的优点和流 程。 第五章基于f p g a 的同步器实现 详细讨论了利用f p g a 实现z c z 帧同步器方案的过程，并且对该方案分别进行 了软件和硬件层面的仿真，验证方案的可行性和准确性。 第六章结束语 总结本论文的工作，并提出今后工作的重点。 通信容量有两种实现方法，一是通过增加信号功率s ，二是增大传输带宽。u w b 技 术就是通过后者来获得非常高的传输速率。 2 2u w b 信号模型 超宽带无线电通信按实现方式大致可以分为两类：即脉冲无线电和多频带o f d m ( o r t h o g o n a lf r e - q u e n c yd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g ) 。其中，脉冲无线电是传统的超宽带技 术，它是指采用冲激脉冲( 超短脉冲) 作为信息载体的无线电技术【引。这种脉冲传输 技术的特点是，通过对非常窄( 往往小于l n s ) 的脉冲信号进行调制，以获得非常宽 的带宽来传输数据。 2 2 1 脉冲波形 u w b 脉冲信号是基于极窄脉冲的超宽带信号，通常采用高斯脉冲或其微分形式。 比较常见的是s c h o l t z 单周脉冲，它类似于高斯函数二阶导数形式，其时域表达式为 w ( f ) = 么【l 一4 7 r ( t r ) 2 】p 勘( 价) 2( 2 3 ) 6 超宽带同步技术研究和基于f p g a 的同步器实现第二章u w b 通信系统基础 其中，a 为脉冲峰值幅度，f 为脉冲宽度参数。本课题取a = i ，f = 0 2 6 n s ，则可以得 到如图2 1 所示的信号波形。 h o 旺脉冲波形 2 2 2u w b 调制方式 图2 1s c h o i t z 脉冲波形 信息数据符号对脉冲进行调制的方式有很多种，脉冲位置调制( p p m ，p l u s e p o s i t i o nm o d u l a t i o n ) 和脉冲幅度调制( p a m ，p l u s ea m p l i t u d em o d u l a t i o n ) 是最常用 的两种调制方式。除了要对脉冲进行调制外，为了形成所产生的信号的频谱，还要用 伪随机码或伪随机噪声( p n ，p s e u d on o i s e ) 对数据符号进行编码。一般编码后的数 据符号引起脉冲在时间轴上的偏移，这就是所谓的跳时超宽带( t h u w b ， t i m i n g h o p p i n gu w b ) 。而直接序列超宽带( d s u w b ，d i r e c t s e q u e n c eu w b ) ，就 是编码后的数据符号对基本脉冲的幅度进行调制憎1 。由于本课题主要针对d s u w b 的应用，因此下面介绍一下d s u w b 的信号模型。 某个用户的d s u w b 发射信号可以表示为： s ( ，) = ( 2 d t 鹏l - 1 ) c w ( t - j t 。) ( 2 4 ) = “ 其中，各参数含义为： 1 、w ( t ) 是传输脉冲波形，它一般采用高斯脉冲的导数形式，本课题采用s c h o l t z 单周 脉冲，一个脉冲持续时间( z ) 一般为2 3 纳秒左右。 2 、c j 是各用户的扩频码序列。 7 第_ 二章u w b 通信系统基础 超宽带同步技术研究和慕于f p g a 的问步器实现 3 、q ，似l 是二元数字信息，代表用户发送的数据序列，每个数据信息发送m 个窄脉 冲，u 表示取整，每m 个脉冲代表一个符号。当发送数据0 时，2d 【，m 厂1 = 一1 ， 脉冲波形相移1 8 0 度；当发送数据1 时，2 d 【，。l - 1 = 1 ，脉冲波形无需相移。在 这种调制方式下，单个符号持续时间z = m 疋，信息传输速率r 。= 1 t , = 1 ( n , t c ) 。 可见，在d s u w b 中，通过直扩实现扩频多址，采用相位调制传输信息，实现了 u w b 扩频通信。 进行数据调制后的d s i j w b 脉冲时域参考波形如图2 2 所示： 图2 2 数据调制后的d s - u 1 n b 脉冲时域图 2 3u w b 信道模型1 1 发射端发送的超宽带信号在空中传播时，由于反射、散射、绕射等的作用，会沿 多个不同的路径到达接收端，沿不同路径来的信号有不同的衰减和时延差，接收端收 到的信号，就是沿不同路径来的信号的叠加。在移动通信环境下，由于收发信机本身 的移动和周围物体的移动，衰减和时延不是常量，而会随时间改变。 最近几年关于u w b 室内多径信道模型的研究论文较多1 0 1 【1 2 】，它们所提出的信道 模型也不尽相同，这是由于室内信道的参数十分依赖于具体的室内环境，而研究者用 于分析的实验数据取自不同的实验环境，并采用了不同的分析方法所致。 2 0 0 3 年1 月，i e e e 标准化组织p 8 0 2 1 5 工作组提交了一份超宽带室内信道建模的 最终建议。目前，该i e e e8 0 2 1 5 3 a 的室内信道模型已经得到广泛认可，并成为各研 8 超宽带| 一j 步技术研究和基于f p g a 的同步器实现第二章u w b 通信系统基础 究机构进行超宽带性能仿真的公开信道平台。该信道模型可以表示为： ( 2 5 ) 此式指明该多径信道的簇数为l ，每簇由k 条路径构成。其中，乃为第，簇的时 延；它服从参数为人( 到达速率) 的泊松分布，它的概率密度函数为 p ( li 正一。) = 人e x p 【一人( t t 一。) 】( 2 6 ) 吒，为第，簇内第k 条路径相对于第一条路径到达时间乃的时延，服从参数为五的泊 松分布，概率密度函数为 p ( r k 。，i 一1 ) 。，) = 2 e x p 一力( ，一i 一1 ) ，) 】 ( 2 7 ) 一般簇中多径的数量要远远大于簇的数量，因此有名 人。，为多径的衰减系数； 它可以定义为 ，= p k s 屏，。这里，p 是等概率取+ 1 和一1 的随机变量，用来描述因 信号反射引起的随机的脉冲倒相；反，为对数阴影衰落效应。孱，不再服从传统的瑞 利分布，而是服从均值为段f ，方差为仃2 ( 仃2 = 盯? + 盯；) 的对数正态分布，即： 2 0 1 9 ( f l k 。，) o cn o r m a l ( 1 l 仃2 ) ( 2 8 ) 或i 屏，| _ 1 0 州2 0 ( 聆o cn o r m a l ( i , t k f ，仃2 ) ) ( 2 9 ) 。，：! 竺! 竺! 竺! ! 二! 竺互! ! 二! 竺三! ：! ! 兰一c r 2l n ( 1 0 )( 2 1 0 ) 2 1 丽矿一一万一 u j 其中，r 为簇的功率衰减因子，y 为簇内路径分量的功率衰减因子。相应地，多径的 能量分布为： e 溉】_ q 。p 吲乙嘲， ( 2 1 1 ) 其中，q 。是第一簇中第一个多径分量的能量。可以看到，多径的能量分布分成了两 部分，成双指数分布。双指数衰减的示意图如图2 3 所示： 图2 3 双指数衰减示意图 9 、， 七 一 乃 一 o 万口 k 脚 。枷 = 、，o 厅 超宽带同步技术研究和慕于f p g a 的同步器实现 当下面的参数明确后，由冲激响应表示的信道模型就可以完全 率衰减因子y 与簇内多径幅度的标准差q 和o r ： 在u w b 多用户环境下，每个用户的发送信号经过各自的多径信道之后叠加起来， 并且同时叠加了高斯白噪声，就形成接收信号到达每个用户的接收机。考虑到本课题 中无法得到实际的接收数据，因此，只能借助软件来产生。其中，所使用的信道模型 即为上述的i e e e8 0 2 1 5 3 a 的室内信道模型，i e e e 把信道模型分为视距( l o s ) 和非视 距( n l o s ) ，本课题使用了n l o s 信道模型。 2 4d s u w b 同步技术 同步( s y n c h r o n i z a t i o n ) 技术是任何一个通信系统都要解决的一个实际问题，其 性能的好坏直接关系到整个通信系统的性能。可以说，没有准确的同步，就不可能进 行可靠的数据传输，它是信息可靠传输的前提。 u w b 系统具有诸如高数据传输率、低功耗、结构简单、精确定位等许多优点， 但由于直接使用基带传输亚纳秒级的极窄脉冲，并且由于功耗的限制( 如f c c 规定 其功率谱应小于4 1 3 d b m m h z ) ，信号淹没在噪声之中，同时又有本系统多用户干扰 和其他窄带系统信号的干扰，接收信号如何准确同步就成为难点之一。 u w b 通信系统的接收同步方法与一般扩频系统的接收机一样，通常也可以分为 两个连续的阶段即捕获( a c q u i s i t i o n ) 和跟踪( t r a c k i n g ) 部分。同步的方法大致可 以分为基于估计理论和基于检测理论两大类，本文主要讨论d s u w b 的同步，具体 有以下几种常见方法。 l o 超宽带同步技术研究和基于f p g a 的同步器实现第二章u w b 通信系统基础 2 4 1 最大似然定时估计方法m 1 数据辅助的最大似然( m l ) 定时估计利用具有固定抽头延迟厶的r a k e 接收机， 假设定时偏移小于一个符号的持续时间，且接收信号相同，即( f ) = y ( f ) ，其中 k = o 1 ，一1 。接收信号可以表示成： 厶一1 ，( f ) = q s ( t - n t ，- g ) i = o 式中，q 是码片增益，通过观察m 个符号，估计出帧定时偏移m ( 2 1 2 ) 焉r c = 忡a r g m ，- l a x ，蓦九m ；以) ( 2 1 3 ) 其中的，z ( m ；以) ：羔r ( f ) 仇沙( f 一巩弓一m 弓一f e ) 出为m 个第f 个相关器脉冲频 率的抽样输出的和。 2 4 2 基于污染模板信号的同步方法n 4 1 n 5 1 基于污染模板信号的同步方法( t i m i n gw i t hd i r t yt e m p l a t e s ，t d t ) 是以 p a m d s u w b 为模型推导的，并且没有考虑符号间干扰( i n t e r - s y m b o li n t e r f e r e n c e ， i s i ) 。t d t 算法通过相邻两个码元长的接收信号之间的互相关来实现同步，用这两个 相邻信号互为模板。由于模板信号是受信道以及噪声影响的，信号的形状经过信道会 发生畸变，且信号的时延是未知的，所以称为污染模板，该算法就称为t d t 算法。 该算法不需要对信道响应进行估计，也不需要训练序列，是一种比较简单的同步方法。 该算法的具体实现过程可分为以下几个步骤： ( 1 ) 设刀= t s 为所接收到信号的起始时间，其中0 t s z ，互是符号周期。 ( 2 ) 从步骤( 1 ) 中的起始时刻”开始，把接收到的信号按每段一个符号长z 分成m 段，将其中的第m 段信号。( f ) 和与其相邻的第m + 1 段信号吒册+ 。( f ) 做相关运算： , i t 如( 刀，m ) = 【5 ，。( ，k 1 ( t ) d t ( 2 1 4 ) ( 3 ) 对步骤( 2 ) 中得出的m 2 个相关值的绝对值求和后再求平均，得到k ( ”) ： 第二章u w b 通信系统基础 超宽带同步技术研究和皋于f p g a 的同步器实现 如( 刀) = 云篙1 旧扣k 却“，) 衍i ( 2 1 5 ) 然后令刀= 船+ a t ，若胛 t + ( ，一1 ) 出，则重复步骤( 2 ) ；否则，进行步骤( 4 ) 。其 中出是粗同步搜索的步长，出是一比特信号通过信道扩展之后的长度。这样共可 得出如( 刀) 的，个值。 ( 4 ) 由步骤( 3 ) 可以得出如( 胛) 的，个值，取其中的最大值，与之相对应的，z 记为 螽= a r g m a x r 。( n ) ，则而就对应于取得粗同步的时刻点，而粗同步的时刻点就可以 表示为t + ( 疗一1 ) a t ，系统实现了帧一级的粗同步。 该算法不需要对信道响应进行估计，也不需要训练序列，是一种盲同步方案，它 能够实现任何精度等级的同步，但它没有考虑码问干扰，而实际运用时u w b 信道的 时延扩展十分严重，特别是在多用户情况下码间干扰十分严重。 2 4 3 串行的滑动相关捕获方法 滑动相关的方式是同步方法中最基本的一种，这种方法在直接序列扩频信号的捕 获中已经得到了广泛的应用，这种方法也可以应用于超宽带跳时信号的捕获。滑动相 关捕获的基本思想是：在所有可能出现的某一个不定相位丌始进行相关检测，将参考 模板信号v ( r ) 与接收信号厂( ，) 进行相关卷积，积分器输出与门限进行比较，大于门限 时判决相位正确，即捕获成功：否则判决相位不正确，转入下一相位再进行相关检测。 通过搜索控制模块调整模板信号的相位f j + 。= + 占乃( + 。= + s 乃其中占 l ，乃是脉 冲宽度) 如此循环，直至捕获成功。其原理如图2 4 所示【1 6 1 ，其中。表示接收信号，( ，) 与模板信号v ( f t ) 相乘： 接收信号 “t ) v ( t 图2 4 串行的滑动相关捕获的同步系统 1 2 f j 为m 步捕获时问 超宽带同步技术研究和基于f p g a 的同步器实现第二章u w b 通信系统基础 一般来说，接收信号的相位是无穷多的，捕获只是解决了粗同步，将信号捕捉到 一个相位间隔时间内。该方案是一种串行搜索，不仅搜索时间长，速度慢，而且由于 多径的存在，当可分解的多径信号到达时，有可能满足判决门限，导致误判，所以该 方法不具有稳健性。 2 4 4 多积分并行滑动相关捕获方法 为了减少捕获的时间，多积分并行的滑动相关捕获方法是在单积分滑动相关基础 上的一种改进方式，这种方法对可能出现的相位并行检测，可以成倍地降低捕获时间， 比较适合于超宽带跳时信号的捕获。其原理图如图2 5 所示1 7 】： 接收信 号r ( t ) 图2 5 多积分并行的滑动相关捕获的同步系统 这种并行的搜索是将接收信号，( f ) 和所有可能的相位的本地参考信号 ，( ，) 进行相 关。k 个相关器同时、独立工作，在检查完一次所有的相位之后，选择其中的最大值 进行判决。 这种方式捕获速度最快，理论上最简单，但是其硬件复杂度却是最高，因为需要 使用很多的相关器，并且要存储所有相关器的输出结果，其接收机的结构最复杂，代 价最高。 2 4 5d s u w b 中的自适应捕获方法m 1 基于自适应的同步方法，其同步与检测电路的基本结构如图2 6 所示，其核心是 一个横向数字滤波器，需要用到自适应均衡算法。首先对接收机的输入合成信号进行 超宽带司步技术研究和幕于f p g a 的j f d 步器实现 一个横向滤波器。图中的增量系数起着调整权值矢量 输出值之间的差别： ) ) ；( d ( f ) = 2 1 d l ( k ，) ，厶j 一1 ) ，万变化，同步阶段 ( 2 1 6 1 ) ) ；( 夕似( f ) j 2 研笼训，厶j 一1 ) ，万确定，检测阶段 。 向i ) l l 练序列d ( i ) ，理想信号就是已知的训练序列。对应 望信号样本序列进行一次训练，可以得到均方误差随迭 代计算次数变化的关系，即学习曲线。如果信号不同步，那么期望信号样本序列与输 入过程样本矢量之间没有相关性或相关性减弱，学习曲线不收敛或者收敛性较差。逐 步调整同步因子6 ，使得学习曲线收敛最好，这时对应的值就是达到同步的信号偏移 值，相应的权值也就是最佳权值。在检测阶段，将图2 6 中开关打向硬判决器，以同 步阶段获得的权值矢量为基础，把对输出信号j ，( 刀( 劝进行判决所得的估计信号作为准 理想信号，继续迭代过程。虽然由于理想值是未知的，这时均衡器实际上是一个非线 性系统。但在信号是平稳过程的前提下，权值参数的调整比较细微，通常收敛性能够 得到保证。 该同步算法实现的关键是如何快速正确地找到最终的同步因子。主要从以下几步 去考虑： ( 1 ) 确定搜索范围。考虑到多径簇的时间间隔满足指数分布，长的延迟时间概 率很小，故可将搜索范围减半。设用户k 的信道最大时延扩展为t 。( k ，则搜索区间为 畦慨j o ( 2 ) 确定可变步长搜索方法。由于以数据比特为检测的基本单元，可以分为粗、 细两级同步： ( a ) 粗同步。以瓦为同步因子万的偏移步长，即 硐川，2 m 到2 l 盟gj ( 2 1 7 ) 瓦决定了同步因子的间隔，m 决定了同步因子的个数。粗同步搜索后得到的最 佳值设为瓦一。 超宽带同步技术研究和基于f p g a 的同步器实现第二章u w b 通信系统基础 ( b ) 细同步。将瓯一作为细同步的初始值万触l ，以其为中心前后依次减半改 变步长，求低端和高端的同步因子，即 耻啮一阱瓯啮+ 倒拈l ，2 ，聊 ( 2 1 8 ) ( 3 ) 确定判决条件 粗同步判决时，以所有彰j = 1 ，2 肌对应的输出误差的数学期望中的最小值作为 收敛最小的判决条件，即 e k 芝g ( f ) ) 】= m i n 仁l 警，0 ( f ) ) l e k 鸳，0 ( f ) ) l ，e k 筻，q ( f ) ( 2 1 9 ) 细同步判决时，以磊，西，如这三个同步因子对应的输出误差的数学期望中的最小 值作为收敛最小的条件，直到同步步长等于1 为止。即 e k ：。o ( f ) ) 】= m i n 忙k z ，0 ( f ) ) l e k 彩g ( f ) ) l e k ，g ( f 加疗= l ，2 ，研 ( 2 2 0 ) 式( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 中，朋为厂b ) = l 鲁l - 1 = 0 的根。 1 个i 2 5 本章小结 图2 6 自适应同步与检测电路基本结构 判决器 本章主要讨论了u w b 通信的基本原理，本论文的研究重点是脉冲调制方式的 u w b 系统，具体包括u w b 通信的理论基础、信号模型、信道模型，各种u w b 同 而实际的 关性有较大的随机性，一定程度影响了同步性能。因此，本课题提出并改进了一种相 关性较好的零相关区序列，用作自适应同步算法的训练序列，以获得更好更稳定的同 步性能。 1 6 超宽带同步技术研究和基于f p g a 的同步器实现 第三章d s u w b 系统中改进的自适应算法 第三章d s u w b 系统中改进的自适应算法 由于最初的自适应算法的训练序列是随机产生的，不能保证其自相关和互相关 性，以致其抑制码间干扰和多用户干扰的作用不稳定，从而影响了同步性能。本章构 造了一种具有理想自相关和互相关特性的零相关区序列集( z c z ) 作为自适应算法的 训练序列。该序列能有效地消除码间干扰和多用户间干扰，并通过插“o ”等运算， 进一步增强了抗码间干扰能力，取得了良好的同步性能，减低了误码率。 3 1 系统模型描述 考虑一个k ( k = 1 1 5 ) 个用户的d s u w b 系统的信号通过室内多径信道，我 们试图检测出所有的k 个用户的同步点，然后分别进行相关检测，以解调出数据比特， 系统的整体框图如图3 1 所示： 图3 1 系统模型框图 b 。( f ) 是第k 个用户发送的等概率二进制比特流 + l ，- 1 ) 数据帧，经过扩频码信号 波形s 。( ，) 二进制相移键控( b p s k ) 调制后输出，其中m 是数据比特帧长度。其中每 个用户发送序列前三，个比特作为同步序列，之后才是用户的数据比特，同步帧头的 长度可以根据需要改变。在理想同步的情形下，为了能够检测出所有用户的同步点， 各用户的同步头序列是相互正交的；而在自适应算法中，为了简便起见，采用了随机 产生各用户训练序列，但当序列不是很长时，它的自相关和互相关性比较随意不够稳 定，从而影响了系统的同步性能。因此，本课题提出了一种自相关和互相关性能都比 较理想的零相关区序列( z c z ) 并对其进行了循环和插“0 ”运算以达到更好的同步 效果。 图3 2 单比特d s i g b 发射信号 于u w b 信道，这罩采用的是i e e e8 0 2 1 5 s g 3 a 建议的u w b 多径信道模型，第 k 个用户的多径信道模型可表示为： 工r = 吼，万( 卜乃一吒，) ( 3 3 ) i = 0k = 0 上式中的各参数的定义已经在第2 3 节详细给出。图3 3 给出了单比特的d s u w b 信号经过某个用户的信道之后的时域波形图，可以看出单比特的发送信号通过信道之 后信号宽度扩展到原信号宽度的数倍甚至数十倍，并且有了明显的初始时延。k 个用 户的发送信号经过各自的多径信道之后叠加起来，并且同时叠加了高斯白噪声，形成 接收信号，( f ) 到达每个用户的接收机。 1 8 超宽带i 司步技术研究和基于f p g a 的同步器实现第三章d s u w b 系统中改进的自适应算法 o4 06 08 01 0 01 1 4 01 1 币m e ( n s ) 图3 3 单比特d s 一哪b 信号经过信遭 假设第k 个用户的信号x k ( f ) 经过其多径信道o ) 传输后接收到的信号为： y 女( r ) = x 女( f ) o 仇( ，)( 3 4 ) 接收机输入端的合成信号则为： k ，( f ) = y t ( ，) + ，2 ( ，) ( 3 5 ) k = 1 其中，z o ) 是均值为零的高斯白噪声( a w g n ) 。 接收信号经过信号同步，同步判决最后还原出各用户比特数据。 3 2z c z 序列集的构造及运用 由于u w b 系统是一个多径多用户的系统，信号传输过程中存在信道衰减，多径 干扰和码间干扰等问题，影响信号的同步。因此人们希望找到一种具有理想相关特性 的序列作为训练序列，从而消除系统的多径干扰和码间干扰，使得系统的性能达到最 佳。具体而言，d s u w b 通信系统中的多用户训练序列应具有如下相关特性： ( 1 ) 为减少码间干扰，每个训练序列的自相关函数是一个冲激函数，即 万( f ) ：j 吲o 【o ，0 ( 3 6 ) ( 2 ) 为消除多址干扰，各用户采用的训练序列应两两正交。 但既具有理想自相关性又同时具有理想互相关性的序列集很难找到。近年来，在 h t 内具有理想相关性的零相关区序列【1 9 1 及其在准同步c d m a 系统中的应用被广 1 9 啦