超宽带信号高灵敏度接收技术研究.pdf
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1、DOI:10.12265/j.gnss.2023036超宽带信号高灵敏度接收技术研究徐广辉1,2,蔚保国1,2,赵军1,2,鲍亚川1,2,杨梦焕1,2,于雪岗1,2(1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室,石家庄 050081;2.中国电子科技集团公司第五十四研究所,石家庄 050081)摘要:美国联邦通讯委员会(FederalCommunicationsCommission,FCC)规定的超宽带(ultrawideband,UWB)信号功率谱密度不大于41.3dBm/MHz,这就限制了 UWB 信号的发射功率.为了提升有限功率条件下 UWB 信号接收机的接收灵敏度,延长 UWB 信号测距距
2、离,设计了一种长相干积分算法来提升接收信号处理增益,并对 IEEE802.15.4协议中划分的两种 UWB 信号体制,即高频脉冲(highfrequencypulse,HRP)UWB 和低频脉冲(lowfrequencypulse,LRP)UWB 分别进行了长相干积分仿真.仿真结果表明:长相干积分对 HRPUWB 信号的积分增益更加明显,而对 LRPUWB 信号的增益效果有限,基于仿真结果对通导一体化 UWB 信号体制设计提供了参考以及设计改进方向.关键词:超宽带(UWB);长相干积分;信号设计;高灵敏度接收;通导融合中图分类号:P228;TP391文献标志码:A文章编号:1008-9268(
3、2023)04-0030-070引言超宽带(ultrawideband,UWB)信号因其超宽的带宽和极窄的脉冲波形使其具备时间分辨率高、扛多径效应好、系统复杂度低、功耗低以及抗干扰能力强等的特点,其定位精度理论上可以达到厘米量级.在室内定位1、车辆协同定位2-3以及物联网4应用等场景中发挥重要作用,同时基于 UWB 信号独特的信号体制设计,UWB 技术在现代军事、灾害搜救等方面也扮演着越来越重要的角色,UWB 穿墙雷达5-6的应用与普及就是最好的例子.随着 IEEE802.15.4a标准的出台,UWB 物理层被引入到 WLAN 标准中,利用UWB技术来实现一种高效节能、高数据率的通信技术,同时
4、具备高精度测距的能力成为一种可能7-8.而最新的标准 IEEE802.15.4z 中则突出了 UWB 信号用于测距性能的改进和相关信号设计规范与建议,对于推进 UWB 技术在通导一体化应用领域的快速发展起到积极作用.作为卫星导航定位系统的重要补充,通信导航一体化设计以北斗+5G、北斗+低轨、北斗+物联网等技术手段实现覆盖范围更广、精度更高、更加稳健的时空服务9,而作为实现室内室外无缝覆盖、地上地下无缝衔接的重要手段,UWB 技术在综合 PNT 服务的“最后一公里”和万物互联的最后0.1m 扮演重要角色.通导一体化 UWB 信号体制设计中重点突出测距性能与通信性能的融合10,通信能力与测距能力将
5、成为 UWB 信号设计的整体能力而不再区分各自的重要性,通信性能与测距性能的一致性将成为未来 UWB 信号体制设计的参考指标.测距距离、测距精度、通信解调误码率等要素的统筹设计将成为未来 UWB 信号的设计标准.当前针对 UWB信号测距与定位性能的研究,主要是在 IEEE 的标准框架下进行有关定位算法11-12、典型应用场景8下的应用方法等方面的研究,但对于如何从信号设计的角度出发,通过信号处理的方式提高 UWB 终端的接收灵敏度,从而实现在规定的发射功率下增加测距距离的研究文献则比较少.本文在前期工作的基础上从 UWB 信号的测距距离、测距精度角度出发进一步探索了 UWB 信号的接收处理方法
6、,通过延长相干积分处理时间进一步提升接收机的接收灵敏度,进而达到提升测距距离和测距精度的目的.论文以典型的 UWB 信号为研究对象,从高频脉冲(highfrequencypulse,HRP)UWB 和低频脉冲(lowfrequencypulse,LRP)UWB 中分别选择了一组具有典型参数特征的 UWB 信号进行长相收稿日期:2023-03-03资助项目:国家重点研发计划(2021YFB3900800);河北省省级科技计划(20310901D)通信作者:徐广辉E-mail:第 48卷第4期全球定位系统Vol.48,No.42023年8月GNSS World of ChinaAugust,202
7、3干积分接收处理试验.试验结果表明,长相干积分算法能够有效提升 HRPUWB 信号的测距距离,增加的处理增益可以提高 UWB 信号的测距精度,而长相干积分算法对 LRPUWB 信号则没有明显的增益效果,试验结果对 UWB 信号的设计方向有一定的指导意义.需要强调的是长相干积分算法是以增加硬件平台的处理资源为代价实现的,因此长相干积分的积分时长受到硬件资源的限制,积分序列的选取或者设计要满足一定的规则才能达到增益提升的目的.1UWB 信号典型结构1.1 HRP UWB 信号典型结构HRPUWB 协议数据单元(presentationprotocoldataunit,PPDU)由同步帧头(sync
8、hronizationheader,SHR)、物理层帧头(physicalheader,PHR)、物理层载荷组成,其中 SHR 由同步字段(SYNC)和帧开始界定符(startframedeilimiter,SFD)组成,物理层载荷来自数据链路(MAC)层的层数据服务单元(presentationservicedataunit,PSDU)数据.SYNC 由多个相同的前导符号组成,每个前导符号包含一组完整的前导码,前导码有 2 种长度,分别为 31 和 127,其中 31 为强制支持,127 为可选支持,前导码均为三元码1,0,1.每个前导符号由三元码序列组成,序列长度为31(或 127),在码
9、符号间插入若干个码片持续时间构成一个前导符号,SHR 的信号结构如图 1 所示.SHRPHRPSDUSYNCSFDC(0)C(1)C(1)C(2)C(2)C(L-1)000000000000TsymbTsymbTsymbTsymbC(0)C(L-1)图 1 HRP UWB 信号 SHR 信号结构论文中选定前导 SYNC 和帧开始界定符的符号数分别为 64Tsymb、8Tsymb,每个 Tsymb由 127 个前导码序列以及码元之间的插值构成,即 L=127,每个码元的后面插入 3 个零值以降低脉冲拖尾造成的脉冲叠加能量损失.其中码元序列C(0)C(1)C(L1)具有一定的伪随机性.HRPUWB
10、 物理层头与物理层载荷采用突发位置调制(burstpositionmodulation,BPM)和二进制相移 键 控(binary phase shift keying,BPSK)即 BPM-BPSK 调制.在 BPM-BPSK 调制方式中,每个符号能够携带 2bit 信息,分别是脉冲位置 1bit,和脉冲极性 1bit.脉冲位置信息来自经过跳时扩展的比特流,而脉冲极性信息则来自加扰后的比特流.符号结构如图 2 所示.每个符号周期为 Tsymb,由Nv个码片组成,每个码片周期为 Tv,Tsymb=Nv*Tv.每个符号分为 2 个 BPM 区间,即 Tbpm=Tsymb/2,脉冲可能出现第一个或
11、者第二个区间中,脉冲出现的位置携带了 1bit 的信息.在每个符号周期中,只传递 1 个突发,并且 TburstTbpm.每个突发只可能出现在 Tbpm的前半部分,后半部分为保护间隔.突发的具体位置以跳时的形式提供多用户的并发接入.1 个突发由Nv个码片周期组成,长度为 Tburst=Nv*Tv.SHRPHRPSDUTbpmTbpm保护间隔突发位置保护间隔突发位置TburstTvTsymbTsymbTsymbTsymb图 2 HRP UWB 信号物理层(PHR+PSDU)信号结构第4期徐广辉,等:超宽带信号高灵敏度接收技术研究311.2 LRP UWB 信号典型结构根据 IEEE802.15.
12、4z协议 LRPUWB 支持三种信号传输模式即基础模式、扩展模式和长程模式,三种模式对应不同的数据传输速率和定位精度.论文以基础模式为例进行长相干积分算法的仿真测试.基础模式下,每个符号携带1bit 信息,符号周期Tsymb为1s,每个符号内只发射一个脉冲,脉冲位置在符号的中心,符号结构示意图如图 3 所示.对于 500MHz 带宽的脉冲信号而言,脉冲重复周期为 2ns,对于 1s 的符号周期而言,符号的中间位置为 2ns 的脉冲,其他位置则全为零.由于 LRPUWB 信号的脉冲重复率低,信号能量可以累积更长的时间然后集中发射,因此可以有效提升 UWB 信号的传输距离.TsymbTsymb/2
13、Tsymb/2图 3 基础模式符号结构基础模式的脉冲重复频率 PRF 为 1MHz,采用二进制振幅键控(on-offkeying,OOK)调制方式,即符号中有 1 个窄脉冲即为 1,没有窄脉冲即为 0.与HRPUWB 的信号结构相同,LRPUWB 的帧结构同样由 SHR、PHR 和物理层载荷组成,物理层信号结构如图 4 所示.11 111 111.11110 00110 011 1010 000XXXXXXXXXXXXX0XXXXXXXX01 111SYNCSFD2 nsBT波形0001PHRPSDU0011 s1 s1 s1 s图 4 LRP UWB 信号物理层信号结构2UWB 信号测距原理
14、与信号结构2.1 双向测距原理UWB 信号的测距过程是利用通道中 SHR 的周期不变特征,通过实时侦收 UWB 基站与标签信号中的 SYNC 序列和 SFD 序列实现信号同步进而实现传输时间的测定,实现基站与标签之间距离的测量,测距流程如图 5 所示.基站标签SHRPHRPSDUSHRPHRPSDUSHR PHR PSDUSHRt2t0t1tPHR PSDU图 5 UWB 信号双向测距具体测距流程如下:1)基站在 t0时刻开始发射 UWB 信号;2)标签接收 UWB 信号,在 t1时刻完成 SHR 同步;3)标签完成 SHR 同步后向基站发射 UWB 应答信号;4)基站接收 UWB 信号,在
15、t2时刻完成 SHR 同步;5)基站利用发射时刻 t0与接收时刻 t2的时间差推算基站与标签之间的距离.t令表示 UWB 信号 SHR 的固定时长,则基站与标签之间的距离 d 可以表示为d=t2t02t2c(1)式中,c 为光速.在信号检测过程中相干检测算法利用前导符号中码序列的伪随机性获得一定程度的扩频增益,使接收端获得一定程度的抗干扰能力,同时使接收端具备更高的接收灵敏度.而非相干检测算法是对所有接收信号能量的无差别利用,在信道特征较为复杂的情况下难以实现高精度测距,且存在较高的通信解调误码率.2.2 HRP UWB 信号的长相干积分UWB 双向测距是通过基站与标签之间互相进行数据帧的传输
16、实现的,而基站与标签完成同步的标志是成功检测到 SHR,并以 SHR 结束时刻作为测距时间差的计量依据.因此,长相干积分的主要目的是实现对 SHR 的高灵敏度接收检测,完成对 SHR 结束时刻的精确测定.基于以上目的,长相干积分选择 SHR中 SFD 的部分或者全部作为接收终端的本地参考码序列,基于匹配滤波原理实现对 UWB 信号的同步接收,并据此完成对通信数据的解码恢复.仿真中 SFD 序列长度为 8,具体数值为 0+10+100.SFD 序列中的每个符号与 SYNC 中定义的前导符号一致,采用长度为 127 的前导码序列,每个前导码包括 4 个码片持续时间 Tv,只有第一个码片为前导序列的
17、值,其他为 0.前导码具体数值如下:32全 球 定 位 系 统第48卷+00+0+00+00+00000000000 0000+00+0+00000+00+00+00+00+0+0+0000000+0+00+0+000+0+000+0000+0其中“+”表示数值+1,“”表示数值1,“0”表示数值 0.该序列具备一定的伪随机性,表现出良好的自相关与互相关特征,相关结果如图 6 所示.020406080100120140前导码序列10010203040506070自相关结果X 1Y 64X 52Y 5X 127Y 1图 6 前导码序列自相关结果2.3 LRP UWB 信号的长相干积分仿真中SFD
18、 序列长度为64,具体数值为0001011100101100 10000101 01111100 00111 100 111011100010101011000110.SFD 中每个符号的数值同时表示该符号中是否存在脉冲,即“0”表示该符号中无脉冲序列,“1”表示该符号中间位置存在一个脉冲,如图 4 所示.前导符号 SYNC 则由 128 个全 1 的符号序列构成.由于 SHR 中每个前导符号仅在固定位置可能存在脉冲,因此单个符号的相干积分不存在相干增益,若通过长相干积分的方法实现 UWB 信号的同步头检测,则只能通过增加符号间的伪随机性和脉冲序列的长度来实现.3长相干检测仿真实验3.1 HR
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