基于多个引导序列实现超宽带系统脉冲同步的方法*

(中国西南电子技术研究所，成都 610036)

1 引 言

超宽带(Ultra Wideband,UWB)通信技术以其独有的优势已受到各国科研人员的高度关注。不同于传统的通信方式，UWB系统采用宽度极窄的脉冲传递信息，因此具有带宽大、传输速率高、穿透力强、抗干扰、抗多径等先天优势，非常适合于军事应用[1]。但正是基于这些特点，对超宽带信号的相关接收提出了挑战，尤其是信号的同步，更是超宽带无线通信的一大难点。就其同步实现过程来看，可以分为脉冲同步和扩频序列同步，其中脉冲同步又是序列同步的前提和基础[2]，也是UWB通信技术的难点所在。本文提出了一种基于收发两端联合设计，通过多个重复导频伪随机序列前后相关的方法实现脉冲同步。插入伪随机序列后会带来一定的功率和效率损失，但从全局来看，是值得的。

2 信号模型

UWB系统有多种扩频方式，本文以直接序列扩频超宽带(DS-UWB)技术为例，给出其信号模型[3]：

(1)

3 脉冲同步的基本思想

脉冲同步的基本方法是提高脉冲相关函数Rp(τ)的分辨间隔[4]，将码片周期Tc分成M份，每份间隔Δ=Tc/M，然后取本地脉冲pi(t)=p(t-iΔ)，0≤i

(2)

同步时，有：

(3)

式中，0≤i

图1 不同时延本地脉冲和接收脉冲相关积分

对于扩频系统，信号能量分散在多个码片上，需要合并多个码片提高信噪比，因此还需要将不同时延下匹配滤波的输出和本地序列滑动相关，根据滑动相关的最大值确定脉冲同步位置。不同本地脉冲pi(t)对应的最大滑动相关值γi为

(4)

但是对于UWB系统，超大的扩频增益和极窄的脉冲分辨间隔使得直接使用这种方法计算量过大，难以实现。特别是长距离通信的UWB系统，由于多径时延扩展非常大，同步序列往往较长，则更为困难[5]。为了降低脉冲同步的复杂度，本文提出一种利用多个前导同步序列前后相关实现脉冲同步的方法。

4 前后相关实现脉冲同步

为实现前后相关的脉冲同步方法，需要在通信数据包前设计多个重复的前导伪随机序列，如图2所示。

图2 插入多个前导序列的数据帧

对于伪随机序列的长度选择，应根据多径时延扩展的情况进行设计[6]，这里不作专门论述。

图3 前后相关实现脉冲同步示意图

将两个接收到的同步码元信号与本地脉冲p0(t)=p(t)匹配滤波，将滤波输出前后相关，如图3所示，得到p0(t)对应的相关输出结果γ0。然后调整本地脉冲p1(t)=p(t-Δ)，与下一组连续两个接收同步码元信号匹配滤波、前后相关得到γ1。依此类推，得到γi为

(5)

这种前后相关的算法利用同步序列的周期重复性，因此在不知道序列同步的位置时，可以较好地合并信号能量，改善同步性能。主要存在的问题是使用的同步头资源较多。如图3所示，实现脉冲同步需要使用2M个同步码元。为了降低同步头资源，可以分段实现前后相关。

图4 分段前后相关实现脉冲同步

所谓分段进行前后相关就是将接收到的两个同步码元都等分成M段，每段包含Npre,M=「Npre/M?(「·?表示向下取整)个码片。每一段分别和本地脉冲pi(t)=p(t-iΔ)匹配滤波，然后将两个同步码元的对应段前后相关，如图4所示。

(6)

这样将M个相关值{γ0,γ1,…,γM-1}比较大小可以确定脉冲同步的位置。这种方法缩短了前后相关的长度，从而减少了所需同步头码元的个数。

M越大，Npre,M=「Npre/M?越小，前后相关的长度越小，相关值的输出信噪比就会相应降低。为了保证脉冲同步的性能，在固定Npre的情况下，分段相关长度缩小的程度是有限的，不能随着M的增加而无限制地缩小，所以分段前后相关能够减少所需同步头码元的个数也是有限的。因此在进一步增加M的情况下，采用分段前后相关仍可能也需要增加同步头的资源。

脉冲同步时相关的步长Δ与信号带宽有关，信号带宽越大，脉冲同步时的步长越短，需要的分辨精度越高。

下面给出脉冲同步的实现流程：

(1)将两个接收的同步码元信号r(t)、r(t+Npre·Tc)分成M段，每段长度为「Npre/M?Tc，每一段分别和本地脉冲pi(t)=p(t-iΔ)匹配滤波并采样，得到ri[n]和ri[n+Npre],iNpre,M

(2)将两个码元和相同脉冲匹配输出的对应段ri[n]和ri[n+Npre]进行前后相关，得到M个前后相关值{γ0,γ1,γ2,…，γM}，其中γi见式(6)；

5 结束语

信号同步迄今为止仍然是超宽带通信系统的一大难点，还需要进行大量的理论研究和探索。本文在传统滑动相关的基础上，提出了一种可用于超宽带通信系统，利用多个引导伪随机序列前后相关实现脉冲同步的方法，不失为一种值得探讨借鉴的思路。

参考文献：

[1] FONTANA R J，AMETI A，RICHLEY E，et al.Recent applications of ultra wideband radar and communications system[C]//Proceedings of IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies.Baltimore:IEEE,2002:225-234.

[2] YE G R，GE L J，LI S Q. Analysis of Ultra Wideband Impulse Radio Signal Interference to Direct Sequence Spread Spcetrum Receiver[C]//Proceedings of IEEE SPAWC2003.[S.l.]:IEEE,2003：229-233.

[3] 王金龙，王呈贵，阚春荣，等. 无线超宽带(UWB)通信原理与应用[M]. 北京：人民邮电出版社，2005.

WANG Jin-long，WANG Cheng-gui，KAN Chun-rong，et al. Wireless UWB communication theory and application[M]. Beijing：People′s Posts & Telecom Press,2005.(in Chinese)

[4] Somayazulu V S， Foerster J R, Roy S.Design Challenges for very High Data Rate UWB Systems[C]//Proceedings of the Thirty-Sixth Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers.Pacific Grove, CA :IEEE,2002:717-721.

[5] GE Li-jia，YUE Guan-gong,Sofiene Affes. On the ber performance of Puls-Position-Modulation UWB radio in multipath channels[C]//Proceedings of 2002 IEEE Confrence on Ultral Wideband Systems and Technologies.[S.l.]:IEEE,2002:231-234.

[6] McKinstry D R,Buehrer R M. LMS analog and digital narrowband rejection system for UWB communications[C]// Proceedings of 2003 IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies(UWBST2003).[S.l.]:IEEE,2003：91-95.