IR-UWB测距系统中TOA估计算法研究

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。

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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

§2.4 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

§3.4 TOA测距误差主要来源

§3.5 脉冲超宽带TOA估计方法

§3.6 TOA估计性能界

§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

§4.3 改进的基于能量检测的TOA估计算法

§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