超寬帶信號高靈敏度接收技術(shù)研究

徐廣輝，蔚保國，趙軍，鮑亞川，楊夢煥，于雪崗

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,石家莊 050081；2.中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,石家莊 050081)

0 引言

超寬帶(ultra wideband，UWB)信號因其超寬的帶寬和極窄的脈沖波形使其具備時(shí)間分辨率高、扛多徑效應(yīng)好、系統(tǒng)復(fù)雜度低、功耗低以及抗干擾能力強(qiáng)等的特點(diǎn)，其定位精度理論上可以達(dá)到厘米量級.在室內(nèi)定位[1]、車輛協(xié)同定位[2-3]以及物聯(lián)網(wǎng)[4]應(yīng)用等場景中發(fā)揮重要作用，同時(shí)基于UWB 信號獨(dú)特的信號體制設(shè)計(jì)，UWB 技術(shù)在現(xiàn)代軍事、災(zāi)害搜救等方面也扮演著越來越重要的角色，UWB 穿墻雷達(dá)[5-6]的應(yīng)用與普及就是最好的例子.隨著IEEE 802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)的出臺，UWB 物理層被引入到WLAN 標(biāo)準(zhǔn)中，利用 UWB 技術(shù)來實(shí)現(xiàn)一種高效節(jié)能、高數(shù)據(jù)率的通信技術(shù)，同時(shí)具備高精度測距的能力成為一種可能[7-8].而最新的標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4z 中則突出了UWB 信號用于測距性能的改進(jìn)和相關(guān)信號設(shè)計(jì)規(guī)范與建議，對于推進(jìn)UWB 技術(shù)在通導(dǎo)一體化應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展起到積極作用.作為衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的重要補(bǔ)充，通信導(dǎo)航一體化設(shè)計(jì)以北斗+5G、北斗+低軌、北斗+物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)覆蓋范圍更廣、精度更高、更加穩(wěn)健的時(shí)空服務(wù)[9]，而作為實(shí)現(xiàn)室內(nèi)室外無縫覆蓋、地上地下無縫銜接的重要手段，UWB 技術(shù)在綜合PNT 服務(wù)的“最后一公里”和萬物互聯(lián)的最后0.1 m 扮演重要角色.通導(dǎo)一體化UWB 信號體制設(shè)計(jì)中重點(diǎn)突出測距性能與通信性能的融合[10]，通信能力與測距能力將成為UWB 信號設(shè)計(jì)的整體能力而不再區(qū)分各自的重要性，通信性能與測距性能的一致性將成為未來UWB 信號體制設(shè)計(jì)的參考指標(biāo).測距距離、測距精度、通信解調(diào)誤碼率等要素的統(tǒng)籌設(shè)計(jì)將成為未來UWB 信號的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn).當(dāng)前針對UWB信號測距與定位性能的研究，主要是在IEEE 的標(biāo)準(zhǔn)框架下進(jìn)行有關(guān)定位算法[11-12]、典型應(yīng)用場景[8]下的應(yīng)用方法等方面的研究，但對于如何從信號設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，通過信號處理的方式提高UWB 終端的接收靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)在規(guī)定的發(fā)射功率下增加測距距離的研究文獻(xiàn)則比較少.

本文在前期工作的基礎(chǔ)上從UWB 信號的測距距離、測距精度角度出發(fā)進(jìn)一步探索了UWB 信號的接收處理方法，通過延長相干積分處理時(shí)間進(jìn)一步提升接收機(jī)的接收靈敏度，進(jìn)而達(dá)到提升測距距離和測距精度的目的.論文以典型的UWB 信號為研究對象，從高頻脈沖(high frequency pulse，HRP) UWB 和低頻脈沖(low frequency pulse，LRP) UWB 中分別選擇了一組具有典型參數(shù)特征的UWB 信號進(jìn)行長相干積分接收處理試驗(yàn).試驗(yàn)結(jié)果表明，長相干積分算法能夠有效提升HRP UWB 信號的測距距離，增加的處理增益可以提高UWB 信號的測距精度，而長相干積分算法對LRP UWB 信號則沒有明顯的增益效果，試驗(yàn)結(jié)果對UWB 信號的設(shè)計(jì)方向有一定的指導(dǎo)意義.需要強(qiáng)調(diào)的是長相干積分算法是以增加硬件平臺的處理資源為代價(jià)實(shí)現(xiàn)的，因此長相干積分的積分時(shí)長受到硬件資源的限制，積分序列的選取或者設(shè)計(jì)要滿足一定的規(guī)則才能達(dá)到增益提升的目的.

1 UWB 信號典型結(jié)構(gòu)

1.1 HRP UWB 信號典型結(jié)構(gòu)

HRP UWB 協(xié)議數(shù)據(jù)單元(presentation protocol data unit，PPDU)由同步幀頭(synchronization header，SHR)、物理層幀頭(physical header，PHR)、物理層載荷組成，其中SHR 由同步字段(SYNC)和幀開始界定符(start frame deilimiter，SFD)組成，物理層載荷來自數(shù)據(jù)鏈路(MAC)層的層數(shù)據(jù)服務(wù)單元(presentation service data unit，PSDU)數(shù)據(jù).SYNC 由多個(gè)相同的前導(dǎo)符號組成，每個(gè)前導(dǎo)符號包含一組完整的前導(dǎo)碼，前導(dǎo)碼有2 種長度，分別為31 和127，其中31 為強(qiáng)制支持，127 為可選支持，前導(dǎo)碼均為三元碼{-1，0，1}.每個(gè)前導(dǎo)符號由三元碼序列組成，序列長度為31(或127)，在碼符號間插入若干個(gè)碼片持續(xù)時(shí)間構(gòu)成一個(gè)前導(dǎo)符號，SHR 的信號結(jié)構(gòu)如圖1 所示.

圖1 HRP UWB 信號SHR 信號結(jié)構(gòu)

論文中選定前導(dǎo)SYNC 和幀開始界定符的符號數(shù)分別為64Tsymb、8Tsymb，每個(gè)Tsymb由127 個(gè)前導(dǎo)碼序列以及碼元之間的插值構(gòu)成，即L=127，每個(gè)碼元的后面插入3 個(gè)零值以降低脈沖拖尾造成的脈沖疊加能量損失.其中碼元序列{C(0)C(1)···C(L-1)}具有一定的偽隨機(jī)性.

HRP UWB 物理層頭與物理層載荷采用突發(fā)位置調(diào)制(burst position modulation，BPM)和二進(jìn)制相移鍵控(binary phase shift keying，BPSK)即BPMBPSK 調(diào)制.在BPM-BPSK 調(diào)制方式中，每個(gè)符號能夠攜帶2 bit 信息，分別是脈沖位置1 bit，和脈沖極性1 bit.脈沖位置信息來自經(jīng)過跳時(shí)擴(kuò)展的比特流，而脈沖極性信息則來自加擾后的比特流.

符號結(jié)構(gòu)如圖2 所示.每個(gè)符號周期為Tsymb，由Nv個(gè)碼片組成，每個(gè)碼片周期為Tv，Tsymb=Nv*Tv.每個(gè)符號分為2 個(gè)BPM 區(qū)間，即Tbpm=Tsymb/2，脈沖可能出現(xiàn)第一個(gè)或者第二個(gè)區(qū)間中，脈沖出現(xiàn)的位置攜帶了1 bit 的信息.在每個(gè)符號周期中，只傳遞1 個(gè)突發(fā)，并且Tburst?Tbpm.每個(gè)突發(fā)只可能出現(xiàn)在Tbpm的前半部分，后半部分為保護(hù)間隔.突發(fā)的具體位置以跳時(shí)的形式提供多用戶的并發(fā)接入.1 個(gè)突發(fā)由Nv個(gè)碼片周期組成，長度為Tburst=Nv*Tv.

圖2 HRP UWB 信號物理層(PHR+PSDU)信號結(jié)構(gòu)

1.2 LRP UWB 信號典型結(jié)構(gòu)

根據(jù)IEEE 802.15.4z 協(xié)議LRP UWB 支持三種信號傳輸模式即基礎(chǔ)模式、擴(kuò)展模式和長程模式，三種模式對應(yīng)不同的數(shù)據(jù)傳輸速率和定位精度.論文以基礎(chǔ)模式為例進(jìn)行長相干積分算法的仿真測試.基礎(chǔ)模式下，每個(gè)符號攜帶1 bit 信息，符號周期Tsymb為1 μs，每個(gè)符號內(nèi)只發(fā)射一個(gè)脈沖，脈沖位置在符號的中心，符號結(jié)構(gòu)示意圖如圖3 所示.對于500 MHz 帶寬的脈沖信號而言，脈沖重復(fù)周期為2 ns，對于1 μs 的符號周期而言，符號的中間位置為2 ns 的脈沖，其他位置則全為零.由于LRP UWB 信號的脈沖重復(fù)率低，信號能量可以累積更長的時(shí)間然后集中發(fā)射，因此可以有效提升UWB 信號的傳輸距離.

圖3 基礎(chǔ)模式符號結(jié)構(gòu)

基礎(chǔ)模式的脈沖重復(fù)頻率PRF 為1 MHz，采用二進(jìn)制振幅鍵控(on-off keying，OOK)調(diào)制方式，即符號中有1 個(gè)窄脈沖即為1，沒有窄脈沖即為0.與HRP UWB 的信號結(jié)構(gòu)相同，LRP UWB 的幀結(jié)構(gòu)同樣由SHR、PHR 和物理層載荷組成，物理層信號結(jié)構(gòu)如圖4 所示.

圖4 LRP UWB 信號物理層信號結(jié)構(gòu)

2 UWB 信號測距原理與信號結(jié)構(gòu)

2.1 雙向測距原理

UWB 信號的測距過程是利用通道中SHR 的周期不變特征，通過實(shí)時(shí)偵收UWB 基站與標(biāo)簽信號中的SYNC 序列和SFD 序列實(shí)現(xiàn)信號同步進(jìn)而實(shí)現(xiàn)傳輸時(shí)間的測定，實(shí)現(xiàn)基站與標(biāo)簽之間距離的測量，測距流程如圖5 所示.

圖5 UWB 信號雙向測距

式中，c為光速.在信號檢測過程中相干檢測算法利用前導(dǎo)符號中碼序列的偽隨機(jī)性獲得一定程度的擴(kuò)頻增益，使接收端獲得一定程度的抗干擾能力，同時(shí)使接收端具備更高的接收靈敏度.而非相干檢測算法是對所有接收信號能量的無差別利用，在信道特征較為復(fù)雜的情況下難以實(shí)現(xiàn)高精度測距，且存在較高的通信解調(diào)誤碼率.

具體測距流程如下：

1) 基站在t0時(shí)刻開始發(fā)射UWB 信號；

2)標(biāo)簽接收UWB 信號，在t1時(shí)刻完成SHR 同步；

3)標(biāo)簽完成SHR 同步后向基站發(fā)射UWB 應(yīng)答信號；

4)基站接收UWB 信號，在t2時(shí)刻完成SHR 同步；

5)基站利用發(fā)射時(shí)刻t0與接收時(shí)刻t2的時(shí)間差推算基站與標(biāo)簽之間的距離.

令Δt表示UWB 信號SHR 的固定時(shí)長，則基站與標(biāo)簽之間的距離d可以表示為

2.2 HRP UWB 信號的長相干積分

UWB 雙向測距是通過基站與標(biāo)簽之間互相進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的傳輸實(shí)現(xiàn)的，而基站與標(biāo)簽完成同步的標(biāo)志是成功檢測到SHR，并以SHR 結(jié)束時(shí)刻作為測距時(shí)間差的計(jì)量依據(jù).因此，長相干積分的主要目的是實(shí)現(xiàn)對SHR 的高靈敏度接收檢測，完成對SHR 結(jié)束時(shí)刻的精確測定.基于以上目的，長相干積分選擇SHR中SFD 的部分或者全部作為接收終端的本地參考碼序列，基于匹配濾波原理實(shí)現(xiàn)對UWB 信號的同步接收，并據(jù)此完成對通信數(shù)據(jù)的解碼恢復(fù).

仿真中SFD 序列長度為8，具體數(shù)值為[0 +1 0-+1 0 0-].SFD 序列中的每個(gè)符號與SYNC 中定義的前導(dǎo)符號一致，采用長度為127 的前導(dǎo)碼序列，每個(gè)前導(dǎo)碼包括4 個(gè)碼片持續(xù)時(shí)間Tv，只有第一個(gè)碼片為前導(dǎo)序列的值，其他為0.前導(dǎo)碼具體數(shù)值如下：{++00+0-+00+00+000000-000-00--000-0+-+0-0+-0-+00000+-00++0-0+00--+00++-+0+-0+0000-0-0-0-++-+0+00+0+000-+0+++000----+++0000+++0--}

其中“+”表示數(shù)值+1，“-”表示數(shù)值-1，“0”表示數(shù)值0.該序列具備一定的偽隨機(jī)性，表現(xiàn)出良好的自相關(guān)與互相關(guān)特征，相關(guān)結(jié)果如圖6 所示.

圖6 前導(dǎo)碼序列自相關(guān)結(jié)果

2.3 LRP UWB 信號的長相干積分

仿真中SFD 序列長度為64，具體數(shù)值為{00010111 00101100 10000101 01111100 00111 100 11101110 00101010 11000110}.SFD 中每個(gè)符號的數(shù)值同時(shí)表示該符號中是否存在脈沖，即“0”表示該符號中無脈沖序列，“1”表示該符號中間位置存在一個(gè)脈沖，如圖4 所示.前導(dǎo)符號SYNC 則由128 個(gè)全1 的符號序列構(gòu)成.由于SHR 中每個(gè)前導(dǎo)符號僅在固定位置可能存在脈沖，因此單個(gè)符號的相干積分不存在相干增益，若通過長相干積分的方法實(shí)現(xiàn)UWB 信號的同步頭檢測，則只能通過增加符號間的偽隨機(jī)性和脈沖序列的長度來實(shí)現(xiàn).

3 長相干檢測仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 HRP 與LRP UWB 信號的長相干積分仿真

根據(jù)IEEE 標(biāo)準(zhǔn)，UWB 信號的平均發(fā)射功率限制為-41.3 dBm/MHz，峰值發(fā)射功率限制為50 MHz帶寬內(nèi)0 dBm.仿真中選擇的信號頻段為3 494.4 MHz，帶寬499.2 MHz，通過設(shè)置不同的信號傳輸距離對信號的同步結(jié)果進(jìn)行仿真，以2 GHz 的采樣率分別對HRP 與LRP UWB 信號進(jìn)行采樣分析.為了對長相干積分的效果進(jìn)行評估，仿真過程中同時(shí)對單符號脈沖序列(1 μs)以及多符號脈沖序列分別進(jìn)行相干積分，通過對比長相干積分增益與單位相干積分增益之間的關(guān)系來確認(rèn)長相干積分的效果.

3.1.1 HRP UWB 信號長相干積分仿真

如圖7～9 所示，原始信號表示的是完整的UWB信號，1 μs 相關(guān)結(jié)果表示的是以長為127 的前導(dǎo)碼序列為本地參考序列與接收到的UWB 信號進(jìn)行相關(guān)的結(jié)果，8 μs 長相干結(jié)果指的是以8 μs 的SFD 脈沖序列為本地參考序列與接收到的UWB 信號相關(guān)的結(jié)果.

圖7 傳輸距離60 m 時(shí)相干積分同步檢測結(jié)果

圖8 傳輸距離70 m 時(shí)相干積分同步檢測結(jié)果

圖9 傳輸距離80 m 時(shí)相干積分同步檢測結(jié)果

3.1.2 LRP UWB 信號長相干仿真實(shí)驗(yàn)

圖10 為50 m 傳輸距離下原始信號、1 μs 相干積分、8 μs 長相干積分相關(guān)結(jié)果對比圖，圖11 為50 m傳輸距離下8 μs 長相干積分的峰值差分結(jié)果；圖12為70 m 傳輸距離下原始信號、1 μs 相干積分、8 μs長相干積分相關(guān)結(jié)果對比圖，圖13 為70 m 傳輸距離下8 μs 長相干積分的峰值差分結(jié)果；圖14 為80 m傳輸距離下原始信號、1 μs 相干積分、20 μs 長相干積分相關(guān)結(jié)果對比圖，圖15 為80 m 傳輸距離下20 μs長相干積分的峰值差分結(jié)果。

圖10 傳輸距離50 m 時(shí)不同相關(guān)長度下相干結(jié)果

圖11 傳輸距離50 m 時(shí)8 μs 長相干積分峰值差分結(jié)果

圖12 傳輸距離70 m 時(shí)不同相關(guān)長度下相干結(jié)果

圖13 傳輸距離70 m 時(shí)8 μs 長相干積分峰值差分結(jié)果

圖14 傳輸距離80 m 時(shí)不同相關(guān)長度下相干結(jié)果

圖15 傳輸距離80 m 時(shí)20 μs 長相干積分峰值差分結(jié)果

圖11 和圖13 中長相干峰值差分結(jié)果圖是指將8 μs 長脈沖序列作為本地參考序列與接收到的UWB 信號進(jìn)行相關(guān)；圖15 中長相干峰值差分結(jié)果圖是指將20 μs 長脈沖序列作為本地參考序列與接收到的UWB 信號進(jìn)行相關(guān)，以單個(gè)符號內(nèi)的相關(guān)峰為參考進(jìn)行臨近相關(guān)峰的兩兩做差得到差分序列.LRP UWB 信號脈沖序列具有稀疏性，且符號內(nèi)的脈沖序列不是隨機(jī)序列，因此進(jìn)行稀疏序列的相干運(yùn)算時(shí)存在多相關(guān)峰的情況.考慮到LRP UWB 信號SHR 中的前導(dǎo)序列符號全為1，與SFD 進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算時(shí)存在多相關(guān)峰.通過檢測相關(guān)峰差分結(jié)果中的最大值可以找到SFD 的同步位置.

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)

HRP UWB 信號不同時(shí)長相干積分結(jié)果表明，使用1 μs 積分時(shí)長進(jìn)行信號接收時(shí)，接收機(jī)實(shí)現(xiàn)可靠接收的信號傳輸距離為55 m，當(dāng)使用8 μs SFD 脈沖序列作為本地參考碼序列進(jìn)行積分時(shí)，接收機(jī)實(shí)現(xiàn)可靠接收的信號傳輸距離為75 m，比1 μs 積分時(shí)長對應(yīng)的信號傳輸距離增加了至少20 m.因此，通過延長HRP UWB 信號的相干積分時(shí)長可以有效提升UWB信號的測距距離.

對比不同積分時(shí)長的LRP UWB 信號同步檢測結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，LRP UWB 信號1 μs 積分時(shí)長對應(yīng)的可靠信號傳輸距離為70 m，這是降低的脈沖重復(fù)頻率實(shí)現(xiàn)了發(fā)射功率的累積，提升了單個(gè)脈沖的發(fā)射功率，進(jìn)而增加了有效傳輸距離.但是將相干積分時(shí)長延長至8 μs 時(shí)并沒有增加信號的傳輸距離，事實(shí)上，即便在更近距離情況下8 μs 的積分時(shí)長也難以實(shí)現(xiàn)SHR 的有效檢測，如圖10～13 所示.這主要是因?yàn)長RP UWB 信號的脈沖序列相對HRP UWB 信號而言具有更低的脈沖重復(fù)頻率，單脈沖的符號結(jié)構(gòu)需要更長的脈沖序列來增加積分增益，如圖14～15 所示，積分時(shí)長延長至20 μs時(shí)，可將測距距離提升至80 m.因而對于LRP UWB 信號而言，長相干積分帶來的積分增益與其消耗的硬件處理資源相比不成正比.

4 結(jié)束語

本文以HRP UWB 和LRP UWB 信號中的典型信號為例對長相干積分算法進(jìn)行了仿真研究.結(jié)果表明，對于HRP UWB 信號而言，由于脈沖序列的良好自相關(guān)、互相關(guān)特征，在硬件資源允許的情況下，適當(dāng)延長相干積分時(shí)間可以有效提升信號的測距距離.但是對于LRP UWB 信號而言，低的脈沖重復(fù)頻率和小的相干積分增益使其需要更長的相干積分時(shí)間才能達(dá)到提升測距距離的目的，而延長的積分時(shí)間必然消耗更多的硬件資源，但由此帶來的增益卻不成正比，因此在硬件資源有限的情況下不便使用長相干積分算法增加LRP UWB 信號的測距距離.

致謝：感謝蘇潤佳、田潤澤、崔宋祚、肖遙在試驗(yàn)中給與的支持和建議.