《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁 > EDA與制造 > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 模擬延遲脈沖鎖相環(huán)的簡單非相關(guān)TOA估計(jì)研究
模擬延遲脈沖鎖相環(huán)的簡單非相關(guān)TOA估計(jì)研究
來源:微型機(jī)與應(yīng)用2011年第10期
劉曉建,,鄭 霖,,王智博,廖丁毅
(桂林電子科技大學(xué) 信息與通信學(xué)院,,廣西 桂林541004)
摘要: 在基于平方率的能量檢測脈沖超寬帶通信系統(tǒng)中,,采用了較簡單的模擬脈沖鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)脈沖信號的同步和到達(dá)時(shí)間(TOA)的估計(jì)。提出了利用模擬延遲鎖相環(huán)(ADLL)構(gòu)建一種精確度高,、實(shí)現(xiàn)簡單的TOA估計(jì)算法,;并對該算法性能進(jìn)行了分析。仿真驗(yàn)證了該方法的有效性,,并解決了在非視距(NLOS)環(huán)境下的精確測距問題,。
Abstract:
Key words :

摘  要: 在基于平方率的能量檢測脈沖超寬帶通信系統(tǒng)中,采用了較簡單的模擬脈沖鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)脈沖信號的同步和到達(dá)時(shí)間(TOA)的估計(jì),。提出了利用模擬延遲鎖相環(huán)(ADLL)構(gòu)建一種精確度高,、實(shí)現(xiàn)簡單的TOA估計(jì)算法;并對該算法性能進(jìn)行了分析,。仿真驗(yàn)證了該方法的有效性,,并解決了在非視距(NLOS)環(huán)境下的精確測距問題。
關(guān)鍵詞: 脈沖超寬帶,;TOA估計(jì),;延遲鎖相環(huán)

    由于存在密集多徑、高采樣率和處理復(fù)雜度的困難,,基于脈沖能量檢測的非相關(guān)TOA估計(jì)算法近年來受到更多的關(guān)注[1-3],,能量檢測不需要Nyquist高速率的采樣,,也不需要進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算,所以大大降低了算法的運(yùn)算負(fù)荷,?;谀芰繖z測的非相關(guān)TOA估計(jì)算法,主要是從能量采樣序列中檢測到DP所在的能量塊,,常用的算法有基于門限比較(TC)算法,、基于能量峰值選擇(MES)算法以及回溯門限比較的能量峰值選擇(MES-SB)算法。
    傳統(tǒng)的基于能量檢測的非相關(guān)TOA估計(jì)算法都存在不同的缺點(diǎn),。TC算法和MES-SB都要設(shè)置合適的閾值門限,,而門限因子的估計(jì)卻很復(fù)雜困難;MES算法選擇最強(qiáng)的能量積分塊作為TOA估計(jì),,該算法在NLOS環(huán)境下存在較大的誤差,。本文提出了一種基于能量檢測利用模擬延遲鎖相環(huán)的非相關(guān)TOA估計(jì)方法,通過設(shè)置遲支路的衰減因子,,使得鎖相環(huán)穩(wěn)態(tài)鎖定點(diǎn)趨于DP位置,,該算法簡單,不需要高速的采樣速率,。
1 信號模型
    設(shè)脈沖超寬帶信號經(jīng)過平方器檢波接收信號形式為:

    當(dāng)接收到的脈沖信號經(jīng)過平方器件后,,脈沖寬度會展寬,但仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于幀周期Tf,,以幀周期為參考,,將Δ(t)簡化為理想脈沖函數(shù)δ(t)的形式,得到接收信號的相位表達(dá)式:

2 TOA估計(jì)算法
    基于脈沖鎖相環(huán)的非相關(guān)TOA估計(jì)算法的原理[4-5]是將鎖相環(huán)穩(wěn)態(tài)鎖定點(diǎn)作為信號TOA的估計(jì),。用于TOA估計(jì)的模擬一階鎖相環(huán)模型如圖1所示,。

    脈沖鎖相環(huán)中壓控振蕩器VCO的輸出u0(t)為:

    用于TOA估計(jì)的鎖相環(huán)穩(wěn)態(tài)穩(wěn)定輸出的波形如圖2所示,模擬脈沖鎖相環(huán)穩(wěn)態(tài)鎖定點(diǎn)作為TOA估計(jì),。

 

 

    從圖中可以看出,,模擬脈沖鎖相環(huán)穩(wěn)態(tài)鎖定點(diǎn)沒有鎖定在直達(dá)單徑的位置,鎖定的位置是在幀周期內(nèi)積分零點(diǎn)的位置,。輸入信號ui(t)與VCO產(chǎn)出的u0(t)經(jīng)過相乘鑒相器,,得到誤差函數(shù)ud(t),ud(t)與多徑信號時(shí)延成比例,。當(dāng)ud(t)為零時(shí),,表示輸入信號的頻率與VCO產(chǎn)生的頻率相同,且相位差保持在零點(diǎn)附近,,鎖相環(huán)穩(wěn)態(tài)鎖定點(diǎn)滿足:
 
    當(dāng)接收信號是窄脈沖時(shí),,根據(jù)上式鎖相環(huán)穩(wěn)態(tài)鎖定點(diǎn)為輸入信號的能量平衡位置,通過檢測鎖相環(huán)VCO穩(wěn)態(tài)輸出余弦信號的過零點(diǎn)得到直達(dá)單徑的TOA估計(jì)。
    基于能量檢測的延遲鎖相環(huán)非相關(guān)TOA估計(jì)算法總的脈沖鎖相環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3所示,。

    圖3中,,LPF是傳統(tǒng)模擬鎖相環(huán)中的環(huán)路濾波器;VCO是壓控振蕩器,,用于產(chǎn)生穩(wěn)定輸出的正弦信號,;兩個(gè)相乘器分別起到了早支路和遲支路的鑒相作用,;整形模塊將VCO產(chǎn)生的正弦信號整形為正半周期的信號,;反相、延遲器將VCO產(chǎn)生的正半周期正弦信號先反相再延遲半個(gè)周期,;在遲支路上加入衰減器,,使得鎖相環(huán)穩(wěn)態(tài)鎖定時(shí)能量平衡點(diǎn)趨近于直達(dá)單徑的位置。
    輸入信號仍是ui(t),,早,、遲支路信號分別為ue(t)和ul(t):

3 參數(shù)設(shè)置及性能仿真分析
    仿真中,信道采用了IEEE 802.15.4a信道模型中CM1~CM4的不同信道,。信號的幀周期Tf=200 ns,;信噪比Eb/N0=5 dB;衰減系數(shù)0≤δ≤1,,衰減系數(shù)的確定要根據(jù)鎖相環(huán)跟蹤捕獲的性能而定,,在仿真中,衰減系數(shù)δ取0.6~1,。圖4是在CM2非視距信道下,,衰減系數(shù)?琢=1(即沒有衰減)時(shí)的鎖相環(huán)穩(wěn)態(tài)鎖定的波形圖。從圖中可以看出,,鎖相環(huán)穩(wěn)態(tài)鎖定點(diǎn)是能量平衡點(diǎn)的位置,,而能量平衡點(diǎn)位置并不是直達(dá)單徑DP達(dá)到的時(shí)刻。圖5是CM2信道中,,衰減系數(shù)δ=0.6時(shí)鎖相環(huán)穩(wěn)態(tài)鎖定的波形圖,。從圖中可以看出,由于遲支路加入了衰減器,,能量平衡點(diǎn)的位置趨向于直達(dá)單徑DP達(dá)到時(shí)刻,。

    當(dāng)衰減系數(shù)過小時(shí),鎖相環(huán)不能進(jìn)入鎖定狀態(tài),,由于跳周而發(fā)生失鎖,,如圖6所示。這是由于遲支路的負(fù)能量衰減過大,,使得正負(fù)能量積分不能達(dá)到平衡,,從而引起跳周失鎖。
    對脈沖的延遲進(jìn)行精確的估計(jì),要求鎖相環(huán)輸出的相位噪聲盡可能小,。鎖相環(huán)的環(huán)路方程為:
    
    在IR-UWB測距系統(tǒng)中,,針對接收端要求低復(fù)雜度和高精度,本文提出了基于模擬延遲鎖相環(huán)的非相關(guān)TOA估計(jì)算法,。該算法有很好的噪聲抑制能力,,在低信噪比下可以實(shí)現(xiàn)高精度的測距應(yīng)用,因此具有理論和接近實(shí)用的指導(dǎo)價(jià)值,。通過仿真,,驗(yàn)證了該算法在低信噪比下較低好的估計(jì)誤差性能。
參考文獻(xiàn)
[1] 吳紹華,,張欽宇,,張乃通.新穎的基于門限比較的脈沖超寬帶TOA估計(jì)算法[J].通信學(xué)報(bào),2008,,29(7):7-13.
[2] 張霆延,,張欽宇,張乃通.一種基于能量加權(quán)檢測的UWB測距方法[J].電子與信息學(xué)報(bào),,2009,,31(8):1946-1951.
[3] Tian Zhi,GIANNAKIS G.A GLRT approach to data-aided timing acquisition in UWB radios[J].IEEE Transactions on Wireless Communications,,2005,,4(6):2956-2967.
[4] 鄭喆,鄭霖,,鄭繼禹.超寬帶通信中的IR-APLL同步[J].桂林電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),,2009,29(3):213-216.
[5] DI R M,,GRAZIOSI F,,SANTUCCI F.A modified delay locked loop synchronizer for ranging-based fine timing acquisition of differential transmitted reference UWB receivers[C].European Wireless Conference,2008.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),,未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。