[word格式] DS-UWB系统伪随机序列同步捕获算法实现及分析

[word格式] DS-UWB系统伪随机序列同步捕获算法实现及分析 DS-UWB系统伪随机序列同步捕获算法实 现及分析 第27卷第2期南京邮电大学(自然科学版) 2007年4月JournalofNanjingUniversityofPostsandTelecommunications(NaturalScien ce) V01.27No.2 Apr.2007 文章编号:1673-5439(2007)02-0085-05 DS-UWB系统伪随机序列同步捕获算法实现及分析 齐丽娜,朱洪波 (南京邮电大学通信与信息工程学院,江苏南京210003) 收的DS-UWB系统中,同步对系统的性能至关重 摘要:采用RAKE接 要.利用辅助序列进行系统同步 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 能够确定本地序列移动方向,快速实现同步.首先,实现了DS—UWB系统中采用辅助序列进行 的伪随机序列同步捕获.与传统的滑动相关方法不同,利用了接收信号与特定辅助序列的相关信 息,对本地伪随机序列同接收信号中的伪随机序列相位差进行估计,并得到相位移动的方向,从而 减小捕获时间.最后,理论分析与仿真结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明,利用辅助序列实现 DS—UWB系统伪随机序列同 步捕获的平均捕获时间低于串行滑动相关方法平均捕获时间的一 半. 关键词:超宽带;同步;扩频;伪随机序列 中图分类号:TN914.331;TN929.5文献标识码:B RealizationandAnalysisofAcquisitionAlgorithmtoSynchronize PNSequencesinDS-UWBSystems QILi-na,ZHUHong-bo (CollegeofCommunicationandInformationEngineering,NanjingUniversityofPostsandTelecommunications,Nanjing210003,China) Abstract:SynchronizationiScrucialtothesystemperformanceforDS.UWBsystemwithRAKEreceiver.The directionoftheupdateofthelocalsignalgeneratorcangurcklydeterminedandsynchronizedbyuseofanauxiliary signsequence.Inthispaper.PNsequencesynchronizationisacquiredusinganauxiliarysequenceinDS—UWBsys— terns.Unliketraditionalslidingapproach,thecross—correlationinformatio nbetweenthereceivedsignalandtheauxil— iarysequenceisemployedtoestimatethephasedifferencebetweenthelocalPNsequenceandthatinthereceived signa1.Thedirectionforthephaseupdateofthelocalsignalgeneratoristhusob tainedandtheacquisitiontimewill bereduced.Thetheoreticalanalysisandsimulationresultsindicatethat,forD S—UWBsysems,theavaragePNse— quencesynchronizationacquisitiontimeusingauxilarysequenceisonlyahal fofthatusingsequentralslidingap— proach. Keywords:ultrawideband(UWB);synchronization;spreadspectrum(SS); PNsequence 1引言 近年来,超宽带技术…由于其频带宽,功率低, 收稿13期:2006-09-03;修回13期:2006—10—12 基金项目:国家自然科学基金重点项目(60432040)和国家自然 科学基金(60572024)资助项目 通讯作者:齐丽娜电话:(025)85120807 E—mail:d0415@njupt.edu.an 抗干扰,抗多径和多址容量大等特点得到了越来越 多的关注,尤其适合于近距离高速无线通信.其中, 直接序列(DS)方式是超宽带系统实现多址接 人的一种重要方式.由于DS—UWB系统使用极窄 的脉冲作为信息的载体,即使很小的同步误差都会 造成接收性能的显着下降,因此必须有高精度的定 时同步.所以,在采用RAKE接收的DS—UWB系 86南京邮电大学(自然科学版)2007年 统l4中如何获得精确的同步对系统的性能至关重 要.传统的同步方式是利用理想的本地 模板 个人简介word模板免费下载关于员工迟到处罚通告模板康奈尔office模板下载康奈尔 笔记本 模板 下载软件方案模板免费下载 波形对 接收的信号进行滑动相关来实现,但是在超宽 带信号传输的多径环境中,该方法虽然同步获取实 现简单,但是平均捕获时间较长.利用辅助序列进 行伪随机序列捕获的方法J,能够对本地伪随机 序列同接收信号中的伪随机序列相位差进行估计, 并得到相位移动的方向,减小平均捕获时间.本文 将该方法应用于DS—UWB系统,并进行理论分析以 及计算机仿真实验,结果表明该快速算法虽然增加 了一定的设备复杂度,但是能够较快速,准确实现 DS—UWB系统伪随机序列同步捕获. 2伪随机序列串行捕获算法 采用DS—BPSK调制的UWB系统中,设系统的 数据比特流为?{?1},系统脉冲波形用W(t) 表示,则多用户DS—BPSK调制的UWB系统中,第 个用户发送信号可以由下式表示: 1?NSF s “(,)=—??c(,一n一z), ?VSFf1 (1) 其中,{c??1}(z=1,2,…,N)为扩频序列,? 为扩频因子,为码元周期,为帧周期. 在DS—UWB系统中,伪随机序列同步捕获是同 步系统的重要结构,也是直接序列系统中必不可少 的成分.串行滑动相关法是直接序列系统采用较多 的一种伪随机序列同步捕获方法,主要是利用理想 的本地模板波形对接收的信号进行串行滑动相关来 实现.本地伪随机序列发生器根据搜索控制时钟改 变伪随机序列相位,带有噪声的接收信号与本地伪 随机序列发生器产生的伪随机序列相乘,然后通过 一 个积分器,再对积分器的结果进行判决.过程框 图如图1所示. 图1伪随机序列串行捕获方法框图 这种方法实际上是利用伪随机序列的自相关特 性,检测本地信号与接收信号在不同时延下的互相 关值,当本地信号与接收信号的相位对齐时,就会达 到峰值,此时即停止本地伪随机序列的滑动,进入跟 踪状态.但是,DS—UWB系统的信道具有严重的多 径现象,利用串行滑动相关方法进行伪随机序列同 步捕获较慢,平均捕获时间较长. 3利用辅助序列的伪随机序列捕获快 速算法 3.1利用辅助序列进行伪随机序列捕获 算法. 根据伪随机序列自相关函数的二值特性,对两 个原始伪随机序列乘以不同的加权系数,可以根据 产生峰值的大小,区分这两个峰值是由哪个原始序 列产生的.将其推广到整个伪随机序列的周期,若 对每一个相位的伪随机序列乘以不同的加权系数后 求和,则和序列同伪随机序列的互相关函数的值与 两者之间的相位差有一一对应的关系.利用由此得 到的辅助序列与接收序列运算信息,能够对本地伪 随机序列同接收信号中的伪随机序列相位差进行估 计,并得到相位移动的方向,从而能够大大减小同步 捕获时间. 设系统码元周期为,伪随机序列长度为N,则 伪随机序列周期为?,利用辅助序列进行伪随机 序列同步捕获方法 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 如下: Step1本地伪随机序列相位初始化; Step2系统时钟为伪随机序列周期整数倍时, 辅助序列与接收序列进行相关运算,估计接收信号 相位丁; Step3根据估计相位信息丁确定本地伪随机 序列,并与接收伪随机序列进行相关判决,若同步则 进入跟踪阶段,若失步则进行Step4; Step4相位估计电路利用辅助序列对接收信 号相位进行跟踪,时钟为伪随机序列周期整数倍时, 向锁相环路提交更新的预估计相位丁; Step5同步判决电路根据锁相环路提供的估 计相位信息确定本地伪随机序列的移动方向,调整 本地伪随机序列,然后回到Step2重新进行下一轮 伪随机序列的同步捕获. 3.2利用辅助序列进行伪随机序列捕获算 法实现 DS—UWB系统中由于使用极窄的脉冲作为信息 的载体,即使很小的同步误差都会造成接收性能的 显着下降,因此必须有高精度的定时同步.由于文 第2期齐丽娜等:DS-UWB系统伪随机序列同步捕获算法实现及分 析87 献[8]利用辅助序列进行伪随机序列的同步捕获能 够确定估计相位移动方向,因此将该方法应用于 DS.UWB系统进行系统伪随机序列的快速同步,并 对同步性能进行分析和仿真. DS.UWB系统中利用辅助序列进行伪随机序列 同步捕获根据具体的应用对原方法进行一定的改 进,将同步过程分为两个部分:同步判决过程以及相 位预估计过程,分别如图2,图3所示. 图2同步判决工作原理框图 图3相位预估计工作原理框图 同步判决部分的工作过程如下: Step1接收到的信号与本地伪随机序列发生 器产生的信号相乘; Step2对乘积进行周期内积分; Step3根据伪随机序列的自相关特性,当积分 器输出值大于一定门限值时,表示本地的伪随机序 列与接收到信号中的伪随机序列已经同步,系统进 入跟踪阶段;如果积分器输出值小于门限值,则本地 伪随机序列发生器根据锁相环电路输入的相位估计 信息对序列进行调整,然后从Step1重新开始. 相位预估计部分的主要工作是利用移位寄存器存 储辅助序列信息,并通过辅助序列发生器生成本地伪 随机序列,然后计算接收信号与本地伪随机序列的相 差,然后决定相位移动的方向,为同步判决电路提供相 位调整的相位估计信息,工作过程框图如图3所示. 图2,图3中接收信号的基带表达式如下: (,)=Pc(t一)+(,),(2) 其中,P为已知的信号平均功率,为捕获系统要估 计的编码相位,z(t)为零均值加性高斯白噪声信道. C(,)为伪随机码波形表达式,如下所示: c(,)=?ckPrc(,-krc),(3) 其中,C是J7,r为周期的二进制伪随机序列的第k个 码字,P(?)为[0,]上单位幅度矩形脉冲,为 码片周期,此处假设{C}为m序列. 本文采用的辅助序列表达式如下J: ct(t)=?『一—mTc),(4) : ‘ [一Im0 ct(t)=?PTc(,-krc).(5) 根据式(3),(5)可以看出序列{}与{C}具有 相同的周期J7,r;同时信号(t)与C(t)具有相同的周 期J7,r,同时辅助序列信号(t)与原始序列信号 C(t)的互相关函数R(?)与原始序列信号C(t)的 自相关函数R(?)具有相同的周期J7,r. 下面对DS-UWB系统中利用辅助序列进行伪 随机序列同步捕获算法的性能进行主要分析,得到 该方法的伪随机序列同步的平均捕获时间. 3.3利用辅助序列进行伪随机序列捕获算 法性能分析 编码相位估计误差e…=一,其中为编 码相位估计值,为输入相位值,可以使用相位估计 流程图来计算接收机对编码相位的平均捕获时间. 本文所用流程图如图4所示,其中各状态定义如下: 状态.s,捕获开始状态; 状态F,捕获过程结束; 状态0,lef, I?; 状态f12一,一,1,Ier,m-1I? Ie…一 I,并且(一0.5)<Ie…I<(+0.5); 状态i(i=1,2,…,),Ie…一1I<Ie…I,并 且(i-0.5)<Ie…I<(i+0.5). 图4中,为相位向正确方向更新前经过的未检 测相位队列的码片数,当系统到达状态0后,以概率 进行检测,因此失检测的概率为(1一),P为1 和1状态的虚警概率,P,n为其他状态的虚警概率. 一 般隋况下两个虚警概率不同,但是对于J7,r较大的情 况下,可以假设P=P,并不影响实验结果. 生成函数如下: ()=?Psr(m),(6) 88南京邮电大学(自然科学版)2007年 其中,P,(m)为由状态.s经过m步到达状态F的概 率,因此采用流程图约简法可以得到生成函数的具 体表达式: N一1 ,’2 dZ[(?if())一0.5】 ),(7) 其中,日()=?+(1一P,0)z,则可以得到平均 捕获时间,其表达式如下: 凡 【(P,0+1)+ 盘1.(8)J (1一)=(1一 图4相位估计状态流程图 文献[5]给出传统的串行搜索算法平均捕获时 间如下: 2+(2一Pd)(N一1)(向+1)71-al=凡——旦— . (9) 将本文的平均捕获时间与传统的串行搜索算法 平均捕获时间进行比较,为了比较两种方法,定义 R=T./T.Pd远大于4N/(一1)时,.可 以近似表示为 Rl一.?——.(10) 4仿真结果与分析 对整个同步算法进行仿真,系统参数如表1所 示.比较利用辅助序列的伪随机序列同步捕获算法 与串行的伪随机序列同步捕获方法的平均捕获时 间,图5为伪随机序列长度等于511,在不同值情 况下两种捕获算法平均捕获时间之比随检测概率的 变化曲线,图6为等于30,在不同伪随机序列周期 情况下两种捕获算法平均捕获时间之比随检测概率 的变化曲线.根据仿真结果可以看到,利用辅助序 列的伪随机序列同步捕获的方法比传统的串行伪随 机序列同步捕获方法快两倍以上.并且从仿真结果 可以看出,检测概率P固定的情况下,伪随机序列 周期?越大,本文实现算法平均同步捕获时间越 短;检测概率固定的情况下,越小,本文实现方 法性能提高越多,同步捕获平均需要时间越短. 表1DS-UWB系统中利用辅助序列进行同步仿真实验参数 参数名参数值 帧周期=54ns 码元周期Tc=0.167ns 调制方式BPSK 脉冲宽度及波形类型T=1ns高斯二阶导数脉冲 伪随机序列类型m序列 IEEE802.15.3aUWBMuhipath Channelmodel channelm0del【J中的CM1信道模型 图5辅助序列搜索方法与串行搜索方法 捕获时间比较【N=511) 第2期齐丽娜等:DS—UWB系统伪随机序列同步捕获算法实现及分 析89 图6辅助序列搜索方法与串行搜索方法 捕获时间比较f=30) 利用辅助序列进行DS.UWB系统中伪随机序 列同步捕获平均时间的减少是以同步捕获系统实现 的复杂度为代价换来的.串行滑动相关方法调整本 地伪随机序列相位只需要通过搜索控制时钟使相位 向一个方向滑动;而利用辅助序列方法,由于要确定 本地伪随机序列相位的移动方向,需要通过特定的 电路系统实现,增加了系统的复杂度,来换取平均捕 获时间的减少,在检测概率P为1的情况下,利用 辅助序列方法的平均捕获时间刚好是串行滑动相关 方法的一半. 5结论 使用RAKE接收机的DS-UWB系统中伪随机 序列的同步捕获非常重要,本文实现了DS.UWB系 统中利用辅助序列伪随机序列的捕获系统,该方法 首先对初始相位进行估计,然后利用辅助序列与接 收信号的相关信息确定估计相位移动方向,所以其 捕获时间比串行滑动相关捕获方法有更小的平均值 和方差,实验仿真结果表明,利用辅助序列实现 DS.UWB系统伪随机序列同步捕获能够较大程度上 降低平均捕获时间. , 参考文献: [1]YANGLiuqing,GEORGIOSB.Giannakis.Ultra—widebandcommu— nieations:anideawhosetimehascome[J].IEEESignalProcessing Magazine,2004.21(6):26—54. 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