脉冲超宽带同步技术的研究

论文摘要

同步技术是通信系统的关键技术之一,对于脉冲无线电超宽带系统则更是如此。其一、宽带导致时间搜索域上的高分辨率,因而为捕获过程带来更大的搜索区域;另外极低占空比的窄脉冲可能引起多径,在超宽带接收机端可能会有多于一个的多径满足同步要求引起误判。其二、由于收发端存在不可避免的时钟频偏,将为接收系统引入显著的误码率。其三、现存的网络时钟同步算法不能满足分布式超宽带网络的同步精度和网络开销等要求。针对密集多径条件下的超宽带同步困难的问题,研究了超宽带同步技术,包括物理层捕获、频偏估计、网络层时钟同步和超宽带平台的同步算法验证等四个方面。建立了脉冲无线电超宽带系统的数学模型,研究了脉冲无线电超宽带系统的接收模式。从理论上对常用的三种接收模式基于发送相关、基于能量检测和基于相关检测进行了深入的分析和比较。详细分析了衡量同步捕获性能的两个重要参数:平均捕获时间和虚警检测率,仿真对比了在IEEE提供的四种超宽带信道模型下不同接收模式的平均捕获时间和虚警检测率等同步性能指标。提出了一种采用变步长搜索策略的快速捕获算法。传统的采用非连续跳跃式搜索的快速捕获算法主要是针对于捕获时间的改进,其跳跃式搜索引起较大的失捕获概率。针对这个问题,提出了一种改进失捕获概率和平均捕获时间的快速捕获算法,变步长算法（Variable Step Algorithm,VSA）。从理论上推导了平均捕获时间和失捕获概率的公式,为研究变步长捕获算法的同步性能提供了理论依据。仿真比较了该算法与经典快速捕获算法的同步性能,仿真表明,变步长算法具有跳跃式搜索的特点,因此能够将搜索区域大幅度的减小,有助于减小平均捕获时间。并且该方案能够改善跳跃式搜索算法的失捕获情况。其次,提出了一种采用分数域辅助的频偏估计方法。鉴于频偏对超宽带系统的重要影响,提出了采用切普信号作为特殊的帧同步脉冲来估计系统频偏。通过对切普信号频偏特性的理论分析,证明频偏不会影响切普信号在分数域上收敛的特性,切普信号是非常适合作为频偏系统的帧同步脉冲。并且提出了一种全新的采用分数域辅助的频偏估计系统。该系统的核心是分数域辅助的频偏估计算法,算法包括时域和分数域两部分,通过在超宽带信号上叠加切普信号并且通过选择适当的分数域达到估计系统频偏的目的。在此系统的基础上,进一步提出了利用切普信号进行超宽带脉冲的捕获预测方案。对提出算法的频偏估计性能进行了仿真分析,其估计偏差接近最大似然的克拉美劳界。并且仿真比较了正常捕获和分数域捕获预测的同步性能,证明后者的捕获时间可以得到改善。然后,提出了一种适合于超宽带分布式网络的时钟同步算法。通过分析超宽带分布式网络的物理层特点,得出现有的网络时钟同步算法无法满足同步精度、网络开销等要求的结论,提出了双线估计算法（Dual Line Estimation Algorithm,DLEA）,该算法能够提供时钟频偏的估计,能够考虑多次时延测量的结果,并且是基于成对模式。双线估计法包括数据搜集和频偏、时偏估计两部分,最后根据频偏和时偏的估计结果调整本地时钟。仿真证明,双线估计法的时钟同步精度明显优于传统的时钟同步算法,并具有降低网络开销的优势。最后,在基于FPGA的超宽带硬件平台上验证第3章提出的变步长捕获算法。首先介绍了超宽带硬件平台的设计原理,其主要的设计包括发送机、接收端和同步模块,着重介绍了各部分中FPGA的设计及仿真。然后验证了第三章提出的变步长算法的同步实现方案,同步的设计包括捕获和验证两部分。经过硬件的调试,采用变步长同步方案的超宽带平台误码率可以达到10-6数量级,具有较好的同步接收性能。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 超宽带同步的基本问题
• 1.3 物理层捕获的研究现状
• 1.3.1 检测同步法
• 1.3.2 估计同步法
• 1.4 频偏估计的研究现状
• 1.5 网络时钟同步的研究现状
• 1.5.1 传统网络同步协议
• 1.5.2 分布式网络同步协议
• 1.6 论文研究的主要内容及结构
• 第2章 脉冲超宽带系统接收模式分析与比较
• 2.1 引言
• 2.2 系统模型
• 2.2.1 超宽带脉冲波形
• 2.2.2 超宽带信号数学模型
• 2.2.3 超宽带IEEE信道模型
• 2.3 超宽带接收机的捕获分析
• 2.3.1 基于相关检测的接收模式
• 2.3.2 基于能量检测的接收模式
• 2.3.3 基于传输参考接收模式
• 2.4 三种模式的同步捕获性能比较
• 2.5 本章小结
• 第3章 变步长快速捕获算法的研究
• 3.1 引言
• 3.2 脉冲超宽带捕获的定义
• 3.3 经典的快速捕获算法
• 3.3.1 基于马尔可夫链算法
• 3.3.2 Oh-Shin算法
• 3.4 变步长捕获
• 3.4.1 平均捕获时间和捕获概率分析
• 3.4.2 仿真结果
• 3.5 本章小结
• 第4章 分数域辅助的频偏估计研究
• 4.1 引言
• 4.2 频偏问题的数学模型
• 4.3 训练符号的频偏特性分析
• 4.3.1 分数傅立叶变换定义
• 4.3.2 切普信号的特性分析
• 4.4 分数域辅助频偏估计和捕获算法
• 4.4.1 分数域辅助的频偏估计
• 4.4.2 捕获预测算法
• 4.4.3 仿真结果
• 4.5 本章小结
• 第5章 基于双线估计的网络时钟同步算法
• 5.1 引言
• 5.2 经典网络时钟同步算法
• 5.2.1 传统网络同步协议
• 5.2.2 分布式网络同步协议
• 5.2.3 分布式网络时钟同步算法评价
• 5.3 物理层采用超宽带信号提出的要求
• 5.4 双线估计法
• 5.4.1 数据搜集
• 5.4.2 频偏估计（a|
• 2和时偏估计（b|'>）₂和时偏估计（b|
• 2'>）₂
• 5.5 性能仿真
• 5.6 本章小结
• 第6章 超宽带硬件平台的同步算法验证
• 6.1 引言
• 6.2 超宽带通信系统
• 6.3 超宽带平台发射机硬件设计
• 6.3.1 原理说明
• 6.3.2 发射机FPGA设计
• 6.4 接收机部分
• 6.4.1 原理说明
• 6.4.2 A/D的配置
• 6.4.3 接收机FPGA设计
• 6.5 变步长同步算法的验证
• 6.5.1 捕获模块的设计
• 6.5.2 验证模块的设计
• 6.6 硬件调试结果
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 个人简历