IR-UWB测距系统中TOA估计算法研究

论文摘要

脉冲无线电超宽带（IR-UWB）是一种使用脉冲方式的无载波通信技术,由于其具有时间分辨力高、抗干扰性能好、传输速率高、功耗低等优点,是未来通信与定位应用的首选技术之一。目前,大部分测距技术都是基于直达单径（DP）的到达时刻估计,但由于室内环境中噪声、多径干扰、非视距传输的影响,直达单径不是最强路径,因此,如何在多径、非视距环境下实现较高TOA估计精度是超宽带测距技术面临的一个挑战。目前针对TOA估计的研究主要有两种:基于匹配滤波的相关检测法和基于能量检测的非相关检测法。在IEEE802.15.4a的各种标准提案中,推荐通过能量检测方案实现低速率、低功耗的测距与定位。因此,国内外学者普遍把研究重点放在基于能量检测的非相关TOA估计算法上。本文在简要分析了超宽带基本原理的基础上,以减小噪声影响和提高测距精度为目的,对超宽带测距系统中TOA估计算法进行了深入研究。首先,从超宽带特有的信号及信道传播特性入手分析了路径损耗、多径延时等对测距精度的影响,并为后续的TOA估计方法研究提供了数学模型。其次,根据超宽带信号的特性分析超宽带用于测距的优势,并以到达时间的测距技术为基础,介绍传统的TOA估计方法及TOA估计的性能界。第三,通过对已有的非相关检测算法的研究和改进,得出一种基于能量检测的锯齿波相关TOA估计方案。先将接收信号通过能量检测接收机,提取信号包络信息,再利用锯齿波作为本地模板信号与包络信号做相关,相关峰位置为直达单径的TOA估计。仿真结果表明,此算法不仅省略了门限的设置过程,而且还可达到与门限法相近的估计精度,具有算法复杂度小,估计精度高的优点。最后,针对能量检测方法在低信噪比环境下性能较差,导致TOA估计精度大幅降低的缺点,文中先将小波降噪方法引入到TOA估计中,降噪后的信号经过最小二乘估计得到信道幅度衰减因子和时延参数,然后通过恒虚警（CFA）准则的门限检测方法得到直达单径的TOA估计。仿真结果表明,本方案在小信噪比环境下可以更好的完成测距工作,具有较好的测距精度,并且CFA准则下的TOA估计性能优于固定门限。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 超宽带测距定位系统的发展现状
• 1.3 超宽带TOA 估计技术研究现状
• 1.4 本文的主要贡献
• 1.5 论文结构
• 第二章 脉冲超宽带信号及室内信道模型
• 2.1 脉冲超宽带信号模型
• 2.2 S-V 模型及其修正模型
• 2.3 IEEE 802.15.4a 标准信道模型
• 2.3.1 路径损耗模型
• 2.3.2 多径模型
• 2.3.3 小尺度衰落模型
• 2.4 IEEE802.15.4a 的超宽带信道仿真
• 2.5 本章小结
• 第三章 脉冲超宽带测距技术
• 3.1 测距技术概述
• 3.2 脉冲超宽带测距的优势
• 3.3 基于时间的测距技术
• 3.3.1 TOA 测距
• 3.3.2 TDOA 测距
• 3.4 TOA 测距误差主要来源
• 3.5 超宽带TOA 估计方法
• 3.5.1 相关检测算法
• 3.5.2 非相关能量检测算法
• 3.5.3 最大似然算法
• 3.5.4 两步TOA 估计算法
• 3.6 TOA 估计性能界
• 3.6.1 Cramer-Rao 下界（CRLB）
• 3.6.2 Ziv-Zakai 下界（ZZLB）
• 3.7 本章小结
• 第四章 基于能量检测的TOA 估计算法
• 4.1 系统模型
• 4.2 TOA 估计算法
• 4.2.1 最大能量选择法
• 4.2.2 门限选择法
• 4.2.3 最大能量反向搜索法
• 4.2.4 多尺度能量乘积法
• 4.3 改进的基于能量检测的TOA 估计算法
• 4.3.1 测距算法
• 4.3.2 算法仿真分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 基于小波降噪的TOA 估计算法
• 5.1 系统模型
• 5.2 小波阀值去噪
• 5.3 基于最小二乘的TOA 估计
• 5.4 门限的选择
• 5.5 算法仿真分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 已完成工作和结论
• 6.2 下一步工作与展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者在攻读硕士期间主要研究成果