CN100521667C - 获取接收到的脉冲无线电信号的方法、系统和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于获取接收到的脉冲无线电信号的方法，包括：使用第一模板信号搜索所述脉冲无线电信号的区域，以定位包括信号小区的分块；以及使用第二模板信号搜索所述分块，以定位所述信号小区，从而获取所述接收到的脉冲无线电信号；其中在搜索时对所述第一和第二模板信号进行时间偏移；在第一和第二相关间隔上分别相关所述偏移的第一和第二模板信号，以分别确定第一和第二输出；以及比较所述第一输出与第一阈值，并且比较所述第二输出与第二阈值，以分别定位所述分块和信号小区。

Description

获取接收到的脉冲无线电信号的方法、系统和装置

技术领域

本发明一般涉及脉冲无线电信号，尤其涉及获取超宽带宽信号。

背景技术

在能够解调接收到的超宽带宽(UWB)信号之间，模板信号必须与接收到的信号对准。对准的目的是确定接收到的信号相对于模板信号的相对延迟。这个过程被称为信号捕获。

常规地，通过串行搜寻不确定区域中小区的可能延迟时间来执行对准，见Simon等人的“Spread Spectrum CommunicationsHandbook”，McGraw-Hill，New York，1994。关于时间的每个不同搜索位置，即时间间隔，被称为小区。如果信号存在在延迟位置，那么那个小区被称为信号小区。在这个方法中，将接收到的信号与模板信号相关，并且将相关的输出与阈值比较。如果输出低于阈值，则将模板信号偏移某个量的时间。偏移的时间通常对应于可分辨的路径间隔。然后，这个信息被用于重复相关，直到输出超过阈值。

如果相关的输出是来自于信号路径和模板信号对准的情况，则被称为信号小区输出，否则，被称为非信号小区输出。当非信号小区输出超过阈值时，发生错误报警。在这种情况下，经过时间t_p，直到搜索恢复。这个时间被称为错误报警的惩罚。

由于UWB信号的短时间分辨率，所以串行搜索所有延迟位置可能需要很长的时间。因此，对准方法必须很快，使得分配给捕获UWB信号的时间减少。

对于大的N值，串行搜索的的平均捕获时间直接与不确定区域中小区数量N成比例，见Polydoros等人的“A unified approach to serialsearch spread-spectrum code acquisition-Part I：General Theory”，IEEE Trans.Comm.，Vol.COM-32，pp.542-549，May1984。图3以通常形式表示了具有模板301的不确定区域300的现有技术串行小区搜索的基本操作。

因此，需要一种方法和系统，能够在比已知的现有技术串行搜索技术短的时间中获取UWB信号。

发明内容

在脉冲无线电通信系统，例如超宽带宽(UWB)通信中，必须在能够解调信号之前获取接收到的无线电信号。由于UWB信号的窄脉冲的非常短的时间分辨率，所以必须搜索相当多的可能的信号位置，即延迟，以便获得接收到的信号。因此，快速信号捕获对于脉冲无线电通信非常重要。

根据本发明，提供了一种用于获取接收到的脉冲无线电信号的方法，包括：

使用第一模板信号搜索所述脉冲无线电信号的区域，以定位包括信号小区的分块；以及

使用第二模板信号搜索所述分块，以定位所述信号小区，从而获取所述接收到的脉冲无线电信号；

其中在搜索时对所述第一和第二模板信号进行时间偏移；

在第一和第二相关间隔上分别相关所述偏移的第一和第二模板信号，以分别确定第一和第二输出；以及

比较所述第一输出与第一阈值，并且比较所述第二输出与第二阈值，以分别定位所述分块和信号小区。

根据本发明，还提供了一种用于获取接收到的脉冲无线电信号的系统，包括：

第一单元，用于使用第一模板信号搜索所述脉冲无线电信号的区域，以定位包括信号小区的分块；以及

第二单元，用于使用第二模板信号搜索所述分块，以定位所述信号小区，从而获取所述接收到的脉冲无线电信号；

其中在搜索时对所述第一和第二模板信号进行时间偏移；

在第一和第二相关间隔上分别相关所述偏移的第一和第二模板信号，以分别确定第一和第二输出；以及

比较所述第一输出与第一阈值，并且比较所述第二输出与第二阈值，以分别定位所述分块和信号小区。

根据本发明，还提供了一种用于获取脉冲无线电信号的装置，包括：

相关单元，被配置为使用第一模板信号搜索所述脉冲无线电信号的区域，以定位包括信号小区的分块，并且使用第二模板信号搜索所述分块，以定位所述信号小区，从而获取所述接收到的脉冲无线电信号；

同步单元，用于在搜索期间对所述第一和第二模板信号进行时间偏移，在第一和第二相关间隔上分别相关所述时间偏移的第一和第二模板信号，以分别确定第一和第二输出；以及

判定单元，用于分别在搜索所述区域和块期间比较所述相关单元的所述第一输出与第一阈值，以及所述第二输出与第二阈值。

根据本发明的顺序分块搜索方法(SBS)首先使用第一模板信号确定其中可能存在的接收到的信号小区、对于时间小的区域。然后，详细搜索这个区域，以使用第二模板信号找出信号的准确延迟。

接收到的信号与第一模板信号的相关有效地添加了一些小区输出。然后，结果被用作确定那个区域通常是否包含信号小区的标准。

如果区域的相关输出超过指定的阈值，则使用第二模板信号详细地串行搜索块。

顺序分块搜索和串行小区搜索步骤的相关间隔不是必须相同。实际上，块搜索的相关间隔通常被选择为更长，以便能够以高概率发现正确的分块。

在强(harsh)非视线(NLOS：non-line-of-sight)条件中，存在多个多径，其使信号捕获更复杂。如果需要在这样的条件下获得第一路径或少数第一路径，则使用根据本发明的平均分块搜索方法。在这个方法中，多个串行搜索输出被平均，并且相继的平均值之间的增加量与阈值比较，以检测接收到的信号的开始边缘。

如果平均值中有显著的增加，那么进一步搜索导致增加的小区的输出，以确定接收到的信号的第一路径。

附图说明

图1是根据本发明的顺序分块搜索方法和系统的框图；以及

图2是根据本发明的平均分块搜索方法和系统的框图。

具体实施方式

在二进制相移键控随机跳时脉冲无线电(TH-IR)系统中，可以用以下模型表示发射的信号：

其中，w_tr是发射的单位能量脉冲，T_f是平均脉冲重复时间，N_f是表示一个信息符号的脉冲数量，b是发射的信息符号，即0或1。

为了允许多个用户使用信道并避免严重的冲突，为每个用户分配伪随机序列{c_j}。这个序列被称为跳时(TH)序列。TH序列为信号的第j个脉冲提供附加的c_jT_c时移，其中T_c有时被称为码片间隔。为了防止脉冲重叠，选择码片间隔满足T_c≤T_f/N_c。

考虑编码的IR系统，其中d_j是二进制随机变量，对于i≠j，d_i和d_j是独立的，以1/2的概率取每个值±1，见Fishler等人的“On thetradeoff between two types of processing gain”，40^th Annual AllertonConference on Communication，Control，and Computing，2002。这个系统可以被视为T_f＝T_c的随机码分多址无线电信号(RCDMA)系统。在这种情况中，N_f表示处理增益。

定义序列{s_j}如下：

于是，不失一般性地，假设T_f/T_c＝N_c，等式(1)可以表示为：

假设，在捕获阶段不进行数据调制，即

在这种情况下，单个用户系统中平坦衰落信道上接收的信号可以被表示为：

$r\left(t\right)=\underset{j=-\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{s}_j{w}_{\mathrm{rec}}(t-{\mathrm{jT}}_c-\mathrm{\τ})+{\mathrm{\σ}}_{n}n\left(t\right),---\left(4\right)$

其中w_rec(t)是接收到的UWB脉冲，并且n(t)是具有单位功率谱密度的白高斯噪声。这个模型近似地表示具有强第一分量的视线(LOS：line-of-sight)情况。

取不确定区域中小区数量为N＝N_fN_c。这些小区中的一个小区是信号小区，而其他小区是非信号小区。

模板信号

假设没有用于捕获目的的数据调制，则用于等式(3)中信号模型的串行搜索信号中所使用的模板信号可以表示如下：

$s_{m_2}^{\left(c\right)}\left(t\right)=\underset{n={\mathrm{jN}}_c}{\overset{(j+m_2)N_c-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n{w}_{\mathrm{rec}}(t-{\mathrm{nT}}_c),---\left(5\right)$

其中，m₂是对其进行相关的脉冲的数量。

顺序分块搜索

对于根据本发明的顺序分块搜索(SBS)，存在两个不同的模板信号。第一模板信号用于搜索小区块，而第二模板信号与串行搜索中使用的模板信号类似。

用于等式(3)中所述信号模型的第一模板信号可以表示如下：

$s_{m_1}^{\left(b\right)}\left(t\right)=\underset{i=0}{\overset{K-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n={\mathrm{jN}}_c}{\overset{(j+m_1)N_c-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n{w}_{\mathrm{rec}}(t-{\mathrm{nT}}_c-{\mathrm{iT}}_c-(b-1){\mathrm{KT}}_c),---\left(6\right)$

其中，B是不确定区域中块的数量，每个块包括K个小区，并且m₁是对其进行相关的脉冲的数量。为了简化，假设不确定小区的总数量可以表示为N＝KB。将值T_c取为最小可分辨路径间隔。

接收到的信号和等式(6)中第一模板信号的相关的输出用作快速测试，以检验整个块是否包含信号小区。然后，接收到的信号和第二模板信号的相关输出用于块的详细搜索中。

当前正在被搜索的分块的索引是b，而最初b＝1。于是，SBS方法可以描述如下：

1)使用第一模板信号

检验第b个块。

2)如果第b个块的输出不高于块阈值，τ_b，则跳到步骤6。

3)如果第b个块的输出高于块阈值，τ_b，则更详细地搜索块，即使用第二模板信号

以信号阈值τ_s一个小区一个小区地串行搜索。

4)如果在块中没有检测到信号小区，则跳到步骤6。

5)如果在块中检测到信号小区，结束。

6)设b＝(b mod B)+1，并跳到步骤1。

如果在串行搜索部分中出现错误报警(FA)，在作为帧时间的惩罚时间的C个时间单位以后以下一个小区重新开始搜索。

在步骤5中，“检测信号小区”表示信号小区输出超过信号阈值τ_s。类似地，步骤4中，“没有检测到信号小区”表示信号小区不在块中，或者即使小区在块中，小区输出低于信号阈值τ_s。

图1表示SBS方法。将接收到的信号101与等式(6)的第一模板信号相关，并且输出111与块阈值τ_b比较120。

如果不超过块阈值121，则判定单元使同步单元130调整131第一模板信号的延迟，并且执行与接收到的信号的另一个相关110。

当块输出111高于块阈值τ_b，则使用等式(5)中的第二模板信号，并且串行地搜索块中的小区。换言之，判定单元120比较输出与阈值，并且判定是否检测到信号122，或没有检测到121，而同步单元130调整131模板信号的延迟，并发送相应延迟到相关单元。

平均分块搜索

平均分块搜索方法在强NLOS条件中是适当的。这个方法的基本思路是使用多个串行相关输出的平均值，以看到输出值中大的增加。这个增加表示信号小区的开始。这种情况中接收到的信号表示为：

$r\left(t\right)=\underset{j=\∞}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=1}{\overset{L}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_i{s}_j{w}_{\mathrm{rec}}(t-{\mathrm{jT}}_c-{\mathrm{\τ}}_i)+{\mathrm{\σ}}_{n}n\left(t\right),---\left(7\right)$

其中a_l是幅度系数，而τ_l是第1个多径分量的延迟。

考虑接收到的信号与以下模板信号相关的输出：

$s_m^{\left(c\right)}\left(t\right)=\underset{n={\mathrm{jN}}_c}{\overset{(j+m)N_c-1}{\mathrm{\Σ}}}{s}_n{w}_{\mathrm{rec}}(t-{\mathrm{nT}}_c),---\left(8\right)$

如果这个相关的结果的绝对值是z₁，...，z_N，则可以定义

$w_i=\frac{1}{K}\underset{j=\mathrm{iK}+1}{\overset{(i+1)K}{\mathrm{\Σ}}}{z}_j,---\left(9\right)$

其中假设N＝KB。

设i为现在正在被搜索的平均分块的索引，最初i＝0。于是，ABS方法可以描述如下：

1)检验连续平均之间的差w_i mod B-w_(i-1)mod B。

2)如果差不高于第一阈值τ_a，跳到步骤6。

3)如果差高于第一阈值τ_a，通过与第二阈值τ_c比较，串行地检验z_{(i mod B)K+1}，...，z_{(i mod B)+1)K}。

4)如果没有检测到信号小区，跳到步骤6。

5)如果检测到信号小区，结束。

6)设i＝(i+1)mod B，并跳到步骤1。

图2表示ABS方法和系统200。在这个实施例中，并行使用多个相关器210，平均单元215。接收到的信号r(t)201首先与具有不同延迟的第一模板信号相关210。然后，这些相关的绝对值被平均220，并通过判定单元230与前一个平均值比较。如果平均值存在明显增加，以及如果相应块中串行搜索输出中的任何一个超过阈值，则检测信号231。

如果不进行检测232，则同步单元240调整模板信号的延迟，并且在进行相同步骤。

注意，即使框图表示K个相关器和平均单元的情况，但是本方法和系统也可以只用一个相关器工作。在这样的情况下，判定单元可以通过存储预定数量的单个相关器输出来执行平均和比较任务。

本发明的效果

根据本发明的串行块搜索提供了一种快速发现UWB信号的信号小区位置的方法。首先，方法快速确定可能存在信号小区的较小区域。然后，详细搜索那个区域，以发现信号的准确位置。以这种方式，可以明显减小获取UWB信号的时间。实际上，SBS方法的平均捕获时间与大信噪比的N的平方根成比例。相反，现有技术的串行搜索的平均捕获时间直接与不确定区域中小区数量成比例。对于实际值，使用SBS的捕获时间大约为串行搜索平均捕获时间的一半。

在强多径条件中，平均分块搜索减小了捕获时间，因为串行搜索输出的平均值在检测一些NLOS条件中信号的开始时更可靠。以这种方式，单个输出的瞬时增加被平滑，使得减小错误报警的频率。应该注意，本发明也可以用于直接序列-码分多址(DS-CDMA)系统。

尽管已经以优选实施例的方式描述了本发明，但是应该理解可以在本发明的精神和范围内进行多种其他改变和修改。因此，权利要求书覆盖本发明的真实精神和范围内出现的所有这样的变化和修改。

Claims (9)

1.一种用于获取接收到的脉冲无线电信号的方法，包括：

使用第一模板信号搜索所述脉冲无线电信号的区域，以定位包括信号小区的分块；以及

使用第二模板信号搜索所述分块，以定位所述信号小区，从而获取所述接收到的脉冲无线电信号；

其中在搜索时对所述第一和第二模板信号进行时间偏移；

在第一和第二相关间隔上分别相关所述偏移的第一和第二模板信号，以分别确定第一和第二输出；以及

比较所述第一输出与第一阈值，并且比较所述第二输出与第二阈值，以分别定位所述分块和信号小区。

2.根据权利要求1的方法，其中所述脉冲无线电信号是随机码分多址无线电信号。

3.根据权利要求1的方法，其中所述脉冲无线电信号是超宽带宽无线电信号。

4.根据权利要求1的方法，其中所述脉冲无线电信号是直接序列-码分多址无线电信号。

5.根据权利要求1的方法，其中所述脉冲无线电信号是直接二进制相移键控的随机跳时无线电信号。

6.根据权利要求1的方法，还包括：

其中与所述第一模板信号相关联的第一相关间隔长于与所述第二模板信号相关联的第二相关间隔。

7.根据权利要求1的方法，其中所述搜索区域步骤使用块阈值τb，并且所述搜索分块的步骤使用信号阈值τs。

8.一种用于获取接收到的脉冲无线电信号的系统，包括：

第一单元，用于使用第一模板信号搜索所述脉冲无线电信号的区域，以定位包括信号小区的分块；以及

第二单元，用于使用第二模板信号搜索所述分块，以定位所述信号小区，从而获取所述接收到的脉冲无线电信号；

其中在搜索时对所述第一和第二模板信号进行时间偏移；

在第一和第二相关间隔上分别相关所述偏移的第一和第二模板信号，以分别确定第一和第二输出；以及

比较所述第一输出与第一阈值，并且比较所述第二输出与第二阈值，以分别定位所述分块和信号小区。

9.一种用于获取接收到的脉冲无线电信号的装置，包括：

相关单元，被配置为使用第一模板信号搜索所述脉冲无线电信号的区域，以定位包括信号小区的分块，并且使用第二模板信号搜索所述分块，以定位所述信号小区，从而获取所述接收到的脉冲无线电信号；

同步单元，用于在搜索时对所述第一和第二模板信号进行时间偏移，并且在第一和第二相关间隔上分别相关所述时间偏移的第一和第二模板信号，以分别确定第一和第二输出；以及

判定单元，用于分别在搜索所述区域和分块时比较所述相关单元的所述第一输出与第一阈值，以及比较所述相关单元的所述第二输出与第二阈值。

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