脉冲超宽带通信系统中簇脉冲信号能量同步检测法

摘要

本发明提供了脉冲超宽带通信系统中簇脉冲信号能量同步检测法，本发明的技术方案主要是利用了模拟锁相环技术，对锁相环反馈支路进行改造，将环路压控振荡器(VCO)输出变换为一个时位受控的方波脉冲，让它与输入的簇脉冲信号相乘，一方面执行环路的鉴相功能，通过环路使有一定时间窗口宽度的方波脉冲时位与簇脉冲对齐，通过环路锁定取得时位同步。另一方面在该时间窗口内对簇脉冲积分，完成有效的能量检测。本发明的优点是：本非相关同步检测方法通过模拟捕获和跟踪脉冲信号的时钟和相位，随路实现信号能量检测，并可以有效抵御时钟漂移对检测的影响，方法本身简单可靠，成本低廉，且无信道开销。

说明书

技术领域：

本发明涉及脉冲超宽带通信接收机中簇脉冲信号的能量检测，特别是通过对能量积分窗口的时位同步控制，检测簇脉冲信号能量的方法。

背景技术：

脉冲超宽带(IR-UWB)通信/定位系统有低复杂性、低功耗与低成本的技术优势。越来越受到人们的重视与研究，在无线传感网络与认知无线电技术中将发挥重要的作用。

由于IR-UWB信号传送信息的载体是周期性ns级窄脉冲，经过无线信道传输，多径效应会使视距波(LOS)与各种非视距波(NLOS)的合成的接收信号波形呈现簇脉冲形状，它是一个类似于猝歇振荡的波形，有上升沿(前沿)与下降沿，最大值发生在中前部。接收机中检测这种簇脉冲信号的常用技术有两种，一种是相关检测，接收机本地要提供一个与接收信号完全相同的模板信号，接收信号遭受多径与噪声等作用已完全与发射确知信号有很大不同，因此实现的技术难度大；另一种是采用能量检测，本地提供一个有一定时间宽度的方波信号，与输入簇脉冲信号相乘，积分取得信号能量检测输出，相对于相关检测的技术难度小，成为IR-UWB信号检测的常用方法。

不论采用相关检测还是能量检测，IR-UWB接收机对同步精确度要求都非常高。IR-UWB接收机同步一般采用积分、采样，和数字搜索的算法来实现，例如滑动窗口搜索、二分搜索、和最大似然搜索等，需要高速率的采样，且分辨率也很难达到高的精确性；另外一个问题是IR-UWB中脉冲或簇脉冲宽度都极窄，收发时钟的轻微漂移都会带来同步检测较大的误差。频繁插入同步训练也增加了信道开销，且容易发生同步失锁，捕获和同步时间长，电路复杂。本发明寻求一种简单可靠、低成本和低功耗的非相关同步检测方法，通过模拟捕获和跟踪直接跟踪脉冲信号时钟和相位，并随路实现信号检测，可以有效抵御时钟漂移对检测带来的负面影响，且无信道开销。

发明内容：

本发明的目的在于通过对能量积分窗口的时位同步控制及窗口大小的有效调节，提供一种简单可靠低成本的脉冲超宽带通信系统中簇脉冲信号能量同步检测方法及其装置。

本发明的目的通过下述技术方案来实现：

本发明的技术方案是利用了模拟锁相环技术理论，对锁相环反馈支路进行改造，将环路压控振荡器(VCO)输出变换为一个时位受控的方波脉冲，让它与输入的簇脉冲信号相乘，一方面执行环路的鉴相功能，通过环路使有一定时间窗口宽度的方波脉冲时位与簇脉冲对齐，通过环路锁定取得时位同步。另一方面在该时间窗口内对簇脉冲积分，完成有效的能量检测。该方法包括如下顺序步骤：

先让UWB接收机输入的离散簇脉冲信号经过低噪声超宽带放大器(LNA)提高簇脉冲电平，再经与LNA相接的非相关检测电路，如平方电路，将双向簇脉冲变为单向簇脉冲信号，将上述单向簇脉冲信号送入与平方电路相接的模拟锁相环(APLL)主体电路，主体电路的压控振荡器(VCO)的输出送入与之连接的锁相环反馈支路电路，再送入与反馈支路末尾连接的模拟鉴相器，让它与输入的簇脉冲信号相乘，然后经模拟减相器输出，经过积分器和判决器电路，即可获得数据的同步检测输出。

实现上述脉动冲超宽带通信系统中簇脉冲信号能量检测法的装置，包括低噪声宽带放大器(LNA)、平方电路、模拟鉴相器、与模拟鉴相器连接的积分器、判决器电路，其特征是还设置了由模拟鉴相器、环路滤波器与压控振荡器顺序连接成的模拟锁相环路和由正反向沿触发电路和方波脉冲产生电路、π/2相移电路顺序连接组成的锁相环反馈支路，正反相沿触发电路与电平控制电路连接。

所述的模拟锁相环路主体由模拟鉴相器(模拟相乘器)、环路滤波器(LF)与模拟压控振荡器(VCO)电路顺序连接而成。

所述的锁相环反馈支路由正、反向沿触发电路与方波脉冲产生电路和π/2相移电路顺序连接而成。

所述的正反向沿触发电路与电平控制电路连接，用于控制方波脉冲的时间窗口宽度。

按照模拟锁相环理论：当APLL进入锁定时，VCO输出的周期性帧间隔正弦波正向最大值与簇脉冲有90°相移，因此环路反馈支路中先将VCO输出正弦波。用正向上升触发，反向下降触发电路变换为帧间隔内正向方波脉冲，再经90°相移电路作为有一定时间窗口宽度的方波脉冲输入模拟相乘器，其中触发电平可依据信道状态进行设定，从而控制方波脉冲的时间窗口宽度。这种改进方案利用了模拟锁相环技术，比较简单地实现了簇脉冲的能量同步提取，然后将模拟相乘器输出经过积分器与判决器，可获得数据的同步检测输出。

本发明的优点是：

本非相关同步检测方法通过模拟捕获和跟踪脉冲信号的时钟和相位，随路实现信号能量检测，并可以有效抵御时钟漂移对检测的影响，方法本身简单可靠，成本低廉，且无信道开销。

附图说明：

图1为本发明检测方法各功能模块连接框图；

图2为本发明发送和接收的帧脉冲结构示意图。

具体实施方式：

本发明IR-UWB通信接收机中簇脉冲信号的能量检测方法，它通过对能量积分窗口的时位同步控制，以及窗口大小的有效调节，可取得最大的能量输出，参照图1检测方法是先让UWB接收机输入的簇脉冲信号经过LNA与平方电路，平方电路可将双向簇脉冲变换为单向的簇脉冲增强信号能量然后送入模拟锁相环路的模拟鉴相器。

针对IR-UWB信号菏载信息的是OOK(振幅开关键控)或PPM(脉冲位置调制)调制的帧脉冲，经信道传输，接收机输入则是帧簇脉冲形式。主体APLL通过帧时钟信号的锁定来实施簇脉冲的能量同步检测。为便于同步与检测，通常IR-UWB数据传输结构与信号帧结构如图2所示，数据传输中可以直接提取时钟信息；信号帧结构中簇脉冲的时位因遭受多径干扰随机变化，它是本地时间窗口方波的同步控制对象。

按照模拟锁相环理论，当APLL进入锁定时，VCO输出的周期性帧间隔正弦波正向最大值与簇脉冲有90°相移，因此环路反馈支路中先将VCO输出正弦波。用正向上升触发，反向下降触发电路变换为帧间隔内正向方波脉冲，再经90°相移电路作用有一定时间窗口宽度的方波脉冲输入模拟相乘器，其中触发电平可依据信道状态进行设定，从而控制方波脉冲的时间窗口宽度。这种改进方案利用了模拟锁相环技术。比较简单的实现了簇脉冲的能量同步提取，然后将模拟相乘器输出经过积分与判决器，可获得数据的同步检测输出。

下面以二元数据传输的OOK调制方式为例，结合附图对本发明方法作进一步的说明：

采用上述电路对帧频为100MHz、采用包络为4ns，中心频率3.5GHz的射频脉冲信号，调制方法是OOK(振幅开关键控)方式，即符号“1”对应有ns级窄脉冲或包络为ns级的射频脉冲；符号“0”无脉冲存在。接收机中实施能量同步检测，。接收机输入的为时位有非确定性偏移的簇脉冲。经过低噪声前置放大后，让簇脉冲电平达到10mV以上，平方律器件的作用可提升簇脉冲中帧频分量，有利于APLL对帧时钟信号的同步提取。利用模拟锁相环的弱信号提取与检测能力，应用图1改进的APLL结构可使VCO频率快速锁定在离散簇脉冲的帧频上。进入锁定的APLL有一定时间的同步保持功能，可以让随后的数据实施前述的能量同步检测。数据传输的帧结构有1024个数据，一般在20至80个脉冲帧间隔内即可完成同步，也即进入锁定的同步时间在0.02us至0.08us之间，同步保持时间可在10us以上。因此，比较有效地实现离散簇脉冲的能量同步检测、解调出数据。