基于信道识别的超宽带信号同步算法的研究

1、基于信道识别的超宽带信号同步算法的研究摘 要超宽带无线电直接使用短脉冲承载信息，与传统的通信系统相比具有系统结构的实现比较简单，高速的数据传输，低功耗，安全性高，多径分辨能力强，定位精确，造价低等特点。这些特点决定了超宽带同步的特殊性。超宽带的同步必须快速准确地完成。超宽带接收机氛围相干接收机和非相干接收机。相应地，对超宽带同步方法的研究也是基于这两种接收机，而且衍生出很多的同步方案。本文提出的一种改进的同步算法的仿真环境为IEEE 802.15.4a标准的复数信道。利用信道类型识别方法，首先对信道进行识别，其次利用信道冲激响应来确定脉冲展宽，再利用自适应非相干差分的方法进行快速同步，仿真中还

2、会利用到窗口叠加的思想。通过仿真结果可知，在不同信道有必要采用不同的截止窗口，而且这个方法将有助于缩小同步误差。通过仿真还发现，信道识别的参数与同步误差存在一定的关系。关键词：超宽带；非相干；信道识别；快速同步ABSTRACTUltra Wide Band (UWB) Wireless Radio carries information by short pulses. Comparing with the traditional communication system, UWB processes following merits: easy to implement, high data

3、 rate, low power consumption, high security, high multipath resolution, accurate positioning, and low cost et.alThis feature decides the uniqueness of the synchronization of UWB. The synchronization of UWB should perform swiftly and accurately. There are two kinds of receivers for UWB, the coherent

4、one and the non-coherent one. Correspondingly, the synchronization methods for UWB are developed respecting the type of the receiver. And lots of extended synchronization methods have been developed.In this study, we adopt the IEEE 802.15.4a channel model. We borrow the channel identification method

5、 to identify channel first. And then, the pulse spread is computed by channel impulse response. Next, synchronization is accomplished by the adaptive non-coherent differential fast synchronization. During this simulation, the overlapping window scheme is also absorbed. The simulation results tell us

6、 that it more efficient to use different window size corresponding to different channel type, which would benefit decreasing synchronization error. It is also discovered that there are certain functions between the parameters for channel identification and the synchronization errors. Key words: UWB;

7、 Non-coherent; Channel Identification; Fast Synchronization一、超宽带技术的简介1. 超宽带的定义FCC在2002年提出的UWB标准为：如果一个信号-10dB辐射点的带宽已经超过500MHz，不管信号的相对带宽是多少都可以认为是一个UWB信号。由500MHz的下限频率可以得到一个大小为2.SGHz的阈值。中心频率在阈值以下的信号，当其相对带宽超过0.20时是UWB信号；而中心频率在阈值以上的信号，当其带宽超过500MHz时可以认为是UWB信号。UWB是一种在雷达和遥感器中被广泛应用的传输技术，近年来在通信应用中受到了巨大的关注。与传统的

8、无限技术相比UWB的主要特点是传输速率高、功耗低、具有高度的安全性、不易产生干扰、多径分辨能力强、准确的定位、低成本芯片结构等。它是解决企业、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有效技术手段。频谱资源可谓无线通信中最宝贵的资源，与占用指定的频带资源的传统无线通信相比，超宽带可以与现有的无线频谱重叠，在频谱资源日趋紧张的今天，大大提高了频谱利用率，提高了传输效率。2. 超宽带系统的信道特点无线通信系统的性能主要受到传输信道的制约。不同于传统的窄带和宽带信号，超宽带信道的传播具有独特性。在超宽带系统中，由于其传输信号有极高的带宽，系统具有很高的多径分辨率，多径

9、数目相对较少，因此不再满足中心极限定理的假设，Rayleigh分布或Rician分布已不再是UWB系统的小尺度衰落分布。对于超宽带系统来说研究其信道环境及模型也是一个相当重要的课题。为评估各种超宽带通信实现方案的性能以及标准化工作，通常需要根据其工作环境建立一个比较精确的信道模型。但由于超宽带信号的特殊性，如持续时间为纳秒两级、带宽宽等，因此他的信道特性会有一些与窄带通信系统不同的特点。研究无线电传输的普遍方向是建立信道模型，其目标就是很好地刻画出大尺度历经特征和小尺度多径特征。因此信道模型为计算传输损耗、链路预算、物理层方案采取等等提供了很好的依据。一般的无线传输信道模型都是通过结合统计分析

10、和实验方法得到的，实验方法依赖于基于测试数据的曲线和解析式拟合。超宽带的信道模型主要分为室内和室外两大类。室内环境又分为住宅和办公室两种。不管是室内还是室外都存在直视路径（LOS）和无直视路径（NLOS）两种基本情况。这将会给UWB信道模型的建立带来的相当大的困难。小尺度衰落简称衰落，是指无线电信号在短时间或短距离传播后其幅度、相位或多径时延快速变化，以至于大尺度路径损耗的影响可以忽略不计。这种衰落是由于同一传输信号沿着两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号互相干扰所引起的。这些波称为多径波。接收机天线将他们合成一个幅度和相位都急剧变化的信号，其变化程度取决于多径波的强度、相对传播

11、时间及传播信号的带宽。冲激响应是宽带信道特性，它包含了所有用于模拟和分析信道中任何类型的无线电传播的信息，可谓冲激响应特性的线性滤波器。信道的滤波特性以任一时刻到达的多径波为基础，其幅度与时延影响信道的滤波特性。这种滤波器形式的信道结构给UWB通信系统的系统模型提供了良好的理论依据。3. 超宽带系统同步技术的特点同步是数字系统不可或缺的重要的技术，发送端和接收端要保持频率和相位上的一致。因此保证了同步，接收端才可以正确的解调和判断有效的信息。同步技术可以分为：载波同步、位同步、帧同步和网同步。对于扩频通信来说，完成了以上同步，整个系统才可以工作，即一个系统性能的好坏与同步系统的好坏息息相关。因

12、此，无线通信要求同步系统要具有非常高的可靠性。基于信道识别的超宽带同步算法研究在扩频系统中同步的作用是将接收到的伪随机序列（PN码）和本地产生的伪随机（PN码）序列保持同步，即在频率和相位上要保持一致。同步过程可以分成两个阶段：起始同步/同步捕获：接收机对发射机发送的信号未知的情况下，要进行搜索捕获的过程。即接收信号和本地信号间的相位差要保持在一定的范围内也就是同步范围内。跟踪过程：捕获完成后要继续保持同步，以保证受到干扰或影响时也能很好的保持一定的同步。即使产生偏移时，同步系统也要完成调整，使整个系统能进入良好的同步。超宽带信号由其本身的特点即发送亚纳秒级别的脉冲传递有用信息，而且它的信道为

13、具有严重频率选择性衰落的密集多径信道，因此同步受到了巨大的挑战，同时面临着一系列难题。因为UWB信号与传统的窄带信号不同，因此它不存在频偏估计和相位估计的问题，因此对IR-UWB来说以前的同步不一定很好地适用。能量收集对IR-UWB来说是非常必要的，因为由IR-UWB发送机的设计可以看出，其发送功率很低，这也是IR-UWB的一个优点。但是，低功率信号往往会被噪声所淹没，这个给接收机带来了相当大的困扰。IR-UWB大部分活跃在WPAN的室内环境中，存在严重的多径效应。一个UWB信号经过被障碍物散射、衍射、反射等等，能量将分散在各多径中。因此没有良好的接收端能量处理技术很难得到相应的信息。但是得到

14、充足的多径信号就需要准确的同步，得用很好的同步来保证接收信号能量的累积。但是一般最先到达的第一径不一定是最大径，最大径可能出现在后面的某一径上，导致得到的多条径同时满足同步的要求，这个将给接收机带来额外的同步判决模块。IR-UWB的同步捕获算法可以从多个方面展开研究：1)信号处理的角度：一维相关算法、多维子空间算法；2)参数估计准则：假设检验理论的似然比算法、估计理论的最大似然算法；3)接收信号的随机性：平稳过程捕获算法、循环平稳过程捕获算法；4)导频序列有无：数据辅助的同步算法、非数据辅助的同步算法；5)接收模板信号类型：本地模板算法、脏模板算法。二、超宽带信道模型1.IEEE 802.15

15、.4a 信道LDR-UWB系统主要致力于低速率UWB发送信号，主要在以下的环境下对这个系统进行测试和仿真。室内住宅，室内办公室，室内工厂，户外农场和人体区域网络等等。2.IEEE 802.15.3a 信道2003年7月，IEEE 802.15.SG3a 研究小组信道墨西哥分委会发布了UWB室内多径信道模型的最终报告，用这个模型评估提交给IEEE 802.15.3任务组各种物理层的性能。IEEE信道模型分委会最终决定采用基于簇方式的模型。三、超宽带NLOS信道识别IR-UWB脉冲采用ns级的极短脉冲，传输带宽极宽，具有强分辨多径能力，短距离多径环境下高精度测距。其理论上的测距精度能达到厘米级。今

16、年来UWB脉冲的TOA估计算法得到广泛的关注，利用TOA估计计算收发两端距离的UWB测距系统也得到了相应的发展。采用估计接收信号中的直达单径（direct path，DP）的到达时间而得到信号从发射端到接收端的传播时间的TOA算法有：基于能量检测的非相干TOA估计算法，使用匹配滤波器技术的相干TOA估计算法。在LOS的情况下TOA估计较准，因为自由空间维DP的传播媒介；在NLOS情况下，TOA估计存在一定的偏差，这个将带来测距误差。因为NLOS情况下，DP传播过程中经过一个或多个障碍物，这些障碍物造成了传播的附加时延，这个使TOA估计产生正值偏差。现存的解决NLOS的传统问题有：第一种，基于分

17、组估计的残余进行加权估计的定位算法，设计特定的定位算法在定位阶段减小NLOS误差对最终定位精度的影响。第二种，先识别目前传输的信道状态，然后在相应的定位部分引入辨别的结果，进而有效地限制NLOS带来的影响。NLOS识别方法普遍以蜂窝网为背景，以节点的移动性为前提。但是在WSN中，大部分节点为静止或准静止的。因此需要关注CIR（channel impulse response）的特征，寻找信道状态的信息。1.超宽带NLOS信道识别方法峭度测试方法：数据的峭度（Kurtosis）定义为数据的四阶矩和二阶矩平方的比值，用来度量信号偏离正态分布信号的程度。假如，数据的峭度大，则在均值附近有明显的尖峰值

18、，峭度较低时，在均值附近将会产生相对平坦的峰值。由于峭度可以描述一组采样数据的尖峰度，也同样可以描述已知信道的LOS程度。对于高峭度值的信道脉冲响应，其接收到的信号更大的可能为LOS。给定的确定信道的实现为h(t),h(t)的峭度可以定义为：k=Eht-h4Eht-h22=Eht-h4h4其中k和k分别为ln(k)的均值和标准偏差，通过上面两个公式可以得到相应信道的峭度和峭度对数正态分布PLOS,NLOSkurt(k)，进而可得：Pk=Ploskurt(k)Pnloskurt(k)若P(k)>l，则视为LOS；若P(k)<l，则视为NLOS。峭度可以提供多径成分幅值统计相关的信息，

19、但是不能提供接收多径成分的延时属性。两个重要的描述多径信道延时的统计量为平均时延扩展(mean excess delay spread)和均方根时延扩展(RMS delay spread)。平均时延扩展测试方法：平均时延扩展(mean exeess delay spread)可以定义为：m=-th(t)2dt-h(t)2dt同理可得平均时延扩展的对数正态分布PLOS,NLOSmed(m)，进而可得：Pm=Plosmed(m)Pnlosmed(m)若p(m)>l，则视为LOS；若P(m)<1，则视为NLOS。均方根时延扩展：均方根时延扩展 (RMS delay spread)定义为：

20、rms2=-t-m2h(t)2dt-h(t)2dt同理可得PLOS,NLOSrms-ds(rms)分布，进而可得：Prms=Plosrms-ds(rms)Pnlosrms-ds(rms)若p(rms)>l，则视为LOS；若P(rms)<1，则视为NLOS。联合似然比测试方法：相关文献中提出了联合似然比测试（Joint）方法。Jk,m,rms=P(k)P(m)P(rms)Jk,m,rmsLOS><NLOS1其中Pk=Ploskurt(k)Pnloskurt(k) ，Pm=Plosmed(m)Pnlosmed(m) ，Prms=Plosrms-ds(rms)Pnlosrms

21、-ds(rms)由相关文献可知，Ploskurt(k)，Pnloskurt(k)，Plosmed(m)，Pnlosmed(m)，Plosrms-ds(rms)，Pnlosrms-ds(rms)分别为峭度（kurtosis），平均附加时延（mean excess delay spread）, 均方根时延扩展(RMS delay spread)的LOS和NLOS的对数正态分布。2.超宽带NLOS信道识别方法仿真图1).峭度的对数正态分布的仿真图2).平均时延扩展的对数正态分布图3).均方根时延扩展的对数正态分布图3.四种方法的比较对以上四种方法进行比较可以得到以下的结果。上表说明，Joint方法有

22、明显的优越性。四、超宽带系统同步技术在通信系统中同步技术作为不可或缺的重要环节，越来越受到业内人士的广泛关注。有效性和可靠性是通信的两大主题。系统同步系统的性能直接影响系统能否有效地、可靠地工作。通信系统的同步分为网同步、载波同步、位同步、帧同步。当通信的接收双方完成了这一系列的同步之后，接收端才可以较可靠地恢复出发送端所发送的原始信号。因此，同步技术与整个系统的性能息息相关。IR-UWB自身特点和适用的环境，存在相应的问题：第一，IR-UWB脉冲持续时间之后几个纳秒，因此接收机需要进行多次搜索,而且搜索时间长；第二, IR-UWB工作的环境为多径环境，单脉冲信号经过信道时遇到障碍物会反射、绕

23、射、散射等等，因此到达接收端时单脉冲已经变成了一个脉冲串信号。每条径都带有信息，而且最先到达的不一定是能量最大的。信道多径特征似的同步问题更加严峻。1.超宽带系统的定时同步超宽带无线技术发送纳秒级极短脉冲信号，一个符号由几个帧构成，每个帧包含一个脉冲信号，占空比很小。这些特点导致IR-UWB信号在密集多径的室内环境中具有其他信号所不具有的优越性。因此，高性能、低复杂度、高速率的同步技术成了超宽带系统的一个巨大的挑战。超宽带系统的接收同步方法与一般扩频系统的接收机一样，分为捕获和跟踪两个阶段。捕获是为了让接收机能够解调出信号，将接收信号与本地参考信号的相位差限制在某一较小的范围内。跟踪则是使这个

24、相位差进一步减小，或者始终保持一定的相位差，使其在外界的影响下尽量不要偏离正常的相位。占空比极低的超宽带通信系统对跟踪的要求非常高。对同步技术的侧重点的不同，还可以把同步技术分成以下几类：根据对同步概念的不同理解，一种认为发送端和接收端同步开机，将传播时延作为同步参数；另一种，接收机在任意时刻开机接收，接收机寻找每个帧的开始或每个符号的开始，即帧同步或符号同步。根据是否采用训练序列可以划分为，数据辅助(DA)的定时同步和非数据辅助(NDA)的定时同步即盲同步。数据辅助的同步方法因为增加了信息的冗余度，其同步精度要比非数据辅助要高。其代价为牺牲了系统的有效性，提高了系统的可靠性。根据同步的精度可

25、以划分为精同步和粗同步。不同的信道环境、不同的系统环境，对系统的同步具有不同的要求。一般情况下，同步精度的高低与系统复杂度和同步速度有着一定的联系。往往牺牲一定的同步精度来换取系统的低复杂度。精度的级别由高到低可以分为：帧级、脉冲级、亚纳秒级。根据同步的先后顺序可以划分为符号同步和帧同步。同步的最终目的是接收端要正确地解调出发送端发送出去的信号，因此找出每个符号的每个帧的起始位置至关重要。符号同步作为帧同步的前序工作，要找出接收信号的每个符号的起始位置，以便于以后能够准确地分辨出每个帧的起始位置。2.超宽带系统同步方法超宽带系统的同步技术一般分为两种方法，一种为基于检测理论的同步方法，另一种是

26、基于估计理论的检测方法。1).基于检测理论的同步方法传统的定时捕获方法采用相关峰值选择的方法，这种方法基于检测理论来估计。将参考信号与接收信号进行卷积，在不同步的情况下，卷积器（相关器）输出分布在零附近，当时钟同步时，卷积器的输出在一个较大的幅值附近。这时的时钟信号就是同步信号。较低的计算复杂度和较快的相位搜索时间是基于检测估计理论的超宽带同步方法的重点。根据模板信号的相位取值，其可以分不同模式的方法。如，串行的滑动相关捕获方法，多积分并行滑动相关捕获方法，混合捕获方法，自适应捕获方法等等。2).基于估计理论同步方法估计理论的同步方法就是指采用统计的方法，从一系列待选的时延中选择使统计量最大的

27、作为最终结果，这些统计量一般从接收信号与样本信号的卷积中获得，采用最大似然的准则。估计同步方法分为数据辅助的同步方法和非数据辅助的同步方法。常用的基于估计理论的同步方法有最大似然定时估计方法，基于循环平稳的同步方法，基于脏模板信号的同步方法等等。3).现有的超宽带同步方法在超宽带通信系统的同步过程要达到精确同步和快速同步。目前，超宽带信号的同步捕获技术研究的重点主要集中在搜索策略和判决准则上，分别针对的是降低多径条件下超宽带信号的平均捕获时间和提高捕获概率。基于DS-UWB系统的滑动相关的方法属于检测理论同步方法，是通过遍历可能的定时时刻，找到能量输出最大的一路作为符号定时的开始。在脉宽相对较

28、宽，滑动状态较少时常用，但是脉宽较窄，需要滑动的状态数较多时，滑动相关法的收敛速度或系统复杂度无法接受。为此，文献28利用SVD算法，先估计信道的冲激响应，再采用最小均方误差算法得到定时信息，如定时捕获和信道估计联合算法。存在的缺点是涉及大量的矩阵运算，计算复杂度很高，要求相当高的采样速率。文献29则提出了采用广义似然比的同步方法（GLRT)。GLRT方法是一种基于无线UWB信道的定时捕获方法，利用谱估计的方法，即在信号传输时，信道可假设为白色高斯过程；当有信号出现时，利用自回归模型(AR)重建接收信号的功率谱密度，通过广义似然检测法(GLRT)对信号到来进行检测。通过检测GLRT值的变化，就

29、可得到符号定时的时间。该算法的核心为：假设信号到来前是平稳的AWGN信道，那么通过检测功率变化时刻就可以得到符号的定时估计。因此，该方法把符号定时的估计问题转化成符号到来时刻的检测问题。GLRT检测法的优点是电路设计简单，降低采样速率，从而降低了系统对硬件速率的要求。文献30提出了寻找相关序列为思想的基于barker码的同步方法。为了增强信噪比，提高捕获率，可以在导频中使用PN码，利用PN码的自相关性实现超宽带信号的检测和捕获；同时使用PN码产生较为简单，有利于简化超宽带系统。barker码本身具有伪随机码的特性，很强的自相关性，是一种具有特殊规律的二进制码组。它是一个非周期序列，一个n位的b

30、arker码，每个码元只可能取值+l或一1。目前己找到的barker码有7组，具体为2，3，4，5，7，11，13位。将其应用于导频信号，可以在接收端相关接收时更好的聚集能量，提高信噪比。文献30提出了两种方案。方案1为，在一个界内发射0个BPSK调制的高斯二阶脉冲即在Tf内发射barker码，积分时间为Tf。方案2为，在n个脉冲重复周期界内发射n个BPSK调制的高斯二阶脉冲，即积分时间为nTf。最后两种方案比较，在BER性能方面，方案2优于方案1；在同步捕获时间方面SNR较高时方案2由于方案1，而SNR较低时方案1的捕获时间短于方案2的捕获时间，因此作者建议混合使用。文献3133在超宽带多径

31、信道下采用基于最大似然(ML)比的同步算法，分别对接收到的信号进行粗同步和精同步。最大似然估计准则，在各个时间段内分别将各径的具体时延l,0和幅度衰减系数l估计出来，这不仅使得同步更加精确，而且接收的多径分量都是在相应时间段内能量最强的，因此接收机性能得到进一步提高。文献34使用搜索方法，先进行粗同步随后进行精同步。粗同步确定接收信号的真实相位在小的搜索子空间中，细同步在小的子空间中确定接收信号的真实相位。文献35则为了缩小搜索空间，通过采用混合直接序列展宽和跳时的信号格式。分成两步进行。首先通过平方操作将直接序列码去掉，得到相对较小的跳时码定时偏移量；其次，通过相关判决进行精同步。文献36在

32、本地模板的设计上进行了改进.用“脏”模板信号作为本地模板信号，与接收信号进行相关使积分器具有更好的积分输出。文献37则为了简化本地模板信号的产生，直接利用简单的正弦波代替本地相关信号。此外，还有很多具体的超宽带同步方法。3.相干/非相干检测的超宽带同步方法接收机是超宽带通信系统的核心部分。接收到的信号在接收机里进行同步、解调、译码等。同步模块作为接收机的前端处理，是接收机的关键模块之一。基于IR-UWB的接收机可以分为相干接收机和非相干接收机。对应使用的同步技术为相干检测同步技术和非相干检测同步技术。两种方式都是以滑动相关为主要形式，因此都属于是基于检测理论的同步方法。1).基于相干检测的同步

33、方法相干接收机使用相干检测的方法，将已经设计好的模板信号与接收到的信号做相关得到同步，进而解调出接收到的信号。在超宽带通信系统中，采用本地产生的模板信号与接收到的信号进行相关。因此，模板信号对相干检测的方法起到很大的作用。发送信号经过超宽带多径信道会产生一定的幅度和相位的畸变，所以根据不同的接收信号本地模板接收信号也应该进行相应的调整。因此，调整模板信号也是相干检测同步的一个有效的方法。 IR-UWB通信系统相干接收机结构框图上图为超宽带系统相干接收机的一般框图。对于相干接收机来说准确地估计多径成分的幅度和延时是非常重要的，它可以利用这些信息设计出更好的本地模板信号。假如能进行很好的合理的信道

34、估计，能估计出N条最强路径的幅度和延迟信息，则可以应用于相关Rake接收机中。因此，对相干接收机来说，良好的信道估计模块是接收机能够顺利完成同步和解调信息的重要的部分。2).基于非相干检测的同步方法相干接收机需要设计模板信号，因此对同步要求非常高；相关Rake接收机则对信道估计要求相对较高，所以相干接收机面临着巨大的挑战。相比之下，非相干超宽带系统接收机则执行上相对容易。非相干接收机则采用非相干检测的同步方法进行同步（非相干接收机即为非相干自相关接收机）。TR（Transmitted Reference）和DF（differential，差分）模式为非相干自相关超宽带接收机常用的两种模型。两种

35、模式将接收到的信号与自身延迟信号做自相关，TR模式则延迟小于一个帧长时间，DR模式则延迟一个符号时间。非相干接收将接收到的信号作为模板信号不要求估计信道的状态，因此回避了设计本地模板信号的过程和多径成分的能量联合问题，因此执行上相对简单。TR模式和DF模式都属于自相关接收机。因此在这里给出自相关接收机的接收框图。自相关接收机的接收框图进行检测时，首先对接收信号进行低通滤波。Z=0Trtrt-Ddt其中rt为经过滤波器后的接收信号。TR模式的超宽带接收机采用自相关接收的方法，不需要精确的时间同步，也不需要进行信道估计，从而降低了整个系统的复杂度。TR模式超宽带接收机的优点：（1）每个帧包含一个参

36、考脉冲和一个数据脉冲，在一个帧持续时间内，信道的特征基本保持不变，两个脉冲经历相同的衰减。因此，发送的参考脉冲为检测信号提供了一个很好的具有信道状态的模板，不需要进行信道估计。同时，一个帧内的数据脉冲和参考脉冲具有很好的相关性。（2）对每个数据比特进行重复多个帧，增加了字符长度，也增加了相关接收机的积分时间长度，对同步只需要达到符号级别的同步即可。因此大大降低了接收机的复杂度。4.一种改进的同步算法模型一种基于信道识别的非相干超宽带同步算法非相干接收机的同步性能取决于积分区域和积分器输出端的采样点的位置。然而，在相干接收机中同步完全取决于接收信号和模板信号，因此模板信号的不精确性直接影响系统的

37、性能。对非相干超宽带接收机来说，同步误差引起的积分区域选择不准确和积分器输出采样点的不准确不会导致非相干接收机性能的很大下降。因此这也是本文研究非相干超宽带接收机的一个重要原因。文献39提出了一种新颖的非相干自适应同步算法，其通过对每帧的自适应搜索，剔除噪声积分区间，快速完成同步，从而改善了同步的准确度。同步所需的符号个数比传统的相干接收机少，只需几十个符号即可完成同步。该方法中使用的UWB多径信道模型是脉冲响应线性滤波的模型，脉冲展宽是由作者设定的。但是，目前IEEE规定的标准的信道模型有IEEE 802.15.3a模型和IEEE 802.15.4a模型。因此，根据IEEE标准信道模型能确定

38、更加合理的脉冲展宽，从而有助于UWB的快速准确的进行同步。在前面方法的基础上，相关文献使用了在相干接收机中应用的一些快速搜索方法，如比特反转法。仿真中还使用了重叠窗口的理论，提出了一种改进的快速同步方法，同步速度得到了一定的提高。该方法在仿真中使用的信道为IEEE 802. 15.3a信道，这个信道为高速UWB信道，是实数信道。但是在实际中，信号通过信道，幅度、相位等都会受到影响，因此利用复信道更有利于同步的研究。因此，在研究UWB同步中有必要对脉冲展宽进行准确的研究，以及其对超宽带快速同步的影响也要重新讨论。为了进一步改善同步性能，本文首先讨论了脉冲的展宽问题。首先采用文献21的信道识别方法

39、，对IEEE 802.15.4a信道进行信道类型识别；之后在具体的信道类型中采用具体的积分窗口和截止窗口大小，进一步改进了文献39的非相干自适应同步算法。仿真过程中将使用文献38的积分窗口重叠的思想进行同步搜索和细同步。仿真结果表明，本文的基于信道识别的新同步方法有助于减小同步误差，而且通过仿真得到J(可暂时理解为一种联合似然比)与同步误差有一定的关系，即J值越大同步误差相对小。1).本文的发射端系统模型本文采用的发射信号：st=i=0j=0Nf-1LiEpp(t-iNf+jTf-cjTc)其中，Ts为一个符号持续时间，Tf为一个帧持续时间，Tc为码片间隔，Tm为脉冲展宽，Li=±1

40、为调制脉冲极性，Ep为脉冲能量，cj为伪随机跳时码（PRTH，Pseudo-random time-hopping），P(t)为归一化短脉冲。一个符号由Nf个帧构成，即Ts=Nf；一个帧由Nh个跳时码构成。脉冲的分布严格遵守跳时码的调频图案，脉冲极性在一个符号范围内保持不变。每个帧内的脉冲根据PRTH图案移动其位置。其发射端的方框图如下：本文发射端框图下面对发射框图进行具体的解释：O端：假设给定待发射的二进制序列：q=，q0，q1，q2，q3，q4，q5，其传输速率为R0=1/Tb（bit/s）。(Tb：传输一个比特所用的时间)。A端：b=b0，b1，b2，b3，其速率为RA=1/Tb（bit

41、/s）。b为基准码1与q的差分编码，b的个数比q的个数多一个。B端：信号b经过Ns的重复编码产生一系列的二进制序列：a =，a0，a1，a2，a3，a4aj，aj+1,=b0,b0,b0b0,b0,b0b1,b1,b1b1,b1,b1bk,bk,bkbk,bk,bk产生新传输速率为：RB=NsTb=NsNsTf=1Tf (bit/s)。C端：发送编码器使用整数值码序列伪随机序列c和二进制序列a产生一个新的序列d。d的表达式如下所示：dj=cjTc+aj此时的传输速率为：RC=NsTb=NsNsTf=1Tf (符号/s)。D端：d序列进入调制模块产生了一系列脉冲，此时脉冲的传输速率为：RD=Ns

42、Tb=NsNsTf=1Tf (脉冲/s)。一个帧包含一个脉冲，dj代表第j个帧上脉冲的具体位置，因此脉冲发生位置可以表示为(jTs+cjTc+aj)。F端：脉冲形成器为冲激响应为P(t)的脉冲形成滤波器。P(t)得保证经过脉冲形成滤波器产生的脉冲序列互不重叠，输出信号为S0(t)。G端：最后一个模块将改变S0(t)的极性，根据差分编码所得的b改变发送序列的极性。2).接收端系统模型本文超宽带非相干差分接收机系统结构由上图可知，先完成信道估计才能进行信道识别，随后根据信道识别得到的信息再进行帧同步。但是信道估计还需要有一定的同步，为了提供信道估计所需的同步接收机先对训练序列进行粗略的码同步，之后进行硬判决解调出相应的训练序列。虽然这个同步信息误差较大，但是对信道估计是有一定的帮助。本论文不涉及信道估计部分，直接对4a信道状态进行识别。3).算法实现许多有关文献都提到的剔除噪声的重要性，证明了接收机的前端同步与系统的性能息息相关。本文提出的改进的同步方法，首先对 IEEE 802.15.4a的八种信道模型进行信道识别，通过前面提出的公式：Jk,m,rms=P(k)P(m)P(rms)可得到相应的J值，并且通过公式：Jk,m,rmsLOS><NLOS1进行识别。根据识别得到的具体信道环境设置不同的同步参数。之后采用自适应搜索方法进行脉冲搜索，搜索