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)實現(xiàn)脈沖信號的同步和到達時間（TOA）的估計。提出了利用模擬延遲鎖相環(huán)（ADLL）構(gòu)建一種精確度高,、實現(xiàn)簡單的TOA估計算法,；并對該算法性能進行了分析。仿真驗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,；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,，也不需要進行相關(guān)運算，所以大大降低了算法的運算負荷,?；谀芰繖z測的非相關(guān)TOA估計算法，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估計算法都存在不同的缺點,。TC算法和MES-SB都要設(shè)置合適的閾值門限,，而門限因子的估計卻很復(fù)雜困難；MES算法選擇最強的能量積分塊作為TOA估計,，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,，但仍遠遠小于幀周期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式：
2 TOA估計算法
基于脈沖鎖相環(huán)的非相關(guān)TOA估計算法的原理[4-5]是將鎖相環(huán)穩(wěn)態(tài)鎖定點作為信號TOA的估計。用于TOA估計的模擬一階鎖相環(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)鎖定點作為TOA估計。
從圖中可以看出,，模擬脈沖鎖相環(huán)穩(wěn)態(tài)鎖定點沒有鎖定在直達單徑的位置,，鎖定的位置是在幀周期內(nèi)積分零點的位置。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)與多徑信號時延成比例。當ud(t)為零時,，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附近，鎖相環(huán)穩(wěn)態(tài)鎖定點滿足：
當接收信號是窄脈沖時,，根據(jù)上式鎖相環(huán)穩(wěn)態(tài)鎖定點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得到直達單徑的TOA估計。
基于能量檢測的延遲鎖相環(huán)非相關(guān)TOA估計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)鎖定時能量平衡點趨近于直達單徑的位置。
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)鎖定點是能量平衡點的位置,，而能量平衡點位置并不是直達單徑DP達到的時刻,。圖5是CM2信道中，衰減系數(shù)δ=0.6時鎖相環(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，能量平衡點的位置趨向于直達單徑DP達到時刻,。
當衰減系數(shù)過小時,，鎖相環(huán)不能進入鎖定狀態(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能量衰減過大，使得正負能量積分不能達到平衡,，從而引起跳周失鎖,。
對脈沖的延遲進行精確的估計，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估計算法,。該算法有很好的噪聲抑制能力,，在低信噪比下可以實現(xiàn)高精度的測距應(yīng)用，因此具有理論和接近實用的指導價值,。通過仿真,，驗證了該算法在低信噪比下較低好的估計誤差性能。
參考文獻
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