UWB系统同步技术初探

2022-09-10

1 UWB基本工作原理

超宽带UWB (Ultra Wideband) 是一种无载波通信技术, 利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。有人称它为无线电领域的一次革命性进展, 认为它将成为未来短距离无线通信的主流技术。UWB基本工作原理如下。

1.1 发射机和相关接收机工作原理

与传统的无线收发信机结构相比, UWB收发信机的结构相对简单。在发射端, 数据直接对射频脉冲调制, 再通过可编程延时器件对脉冲进一步时延控制, 最后通过超宽带天线发射出去。在接收端, 信号通过相关器与本地模板波形相乘, 积分后通过抽样保持电路送到基带信号处理电路中, 由捕获跟踪部分、时钟振荡器和 (跳时) 码产生器控制可编程延时器, 根据相应的时延产生本地模板波形, 与接收信号相乘。

产生UWB讯号的一种方式就是透过展频讯号码传递信息位, 这种系统被视为C D M A (分码多任务存取) 的极端型式。802.15.3a其中一项提案就是使用长度为24的三元码 (±1, 0) 字符, 将资料在1.368GHz的芯片速度下进行展频。32码的字符被切分成4组8码字符, 让4组piconet能同时运作。每个piconet的8码字符能设定成正极性或负极性, 建构出16字符的字符集, 或是每个字符有4个位来搭配双相位调变机制。长度为24字符的序列在piconet之间提供约14d B的隔离效果。

IEEE在这个提案中每个芯片的脉冲波型为传统的根升余弦曲线。以往研发业者在序列中的每个芯片中采用一组窄波段单脉冲来描述系统, 故能达到更大的能量分布效果。

1.2 OFDM技术与UWB技术结合原理

正交分频多任务技术被应用在许多宽频通讯系统, 这类具备多重频道的系统需要极高的数据传输速度。最显著的例子就是IEEE802.11a无线局域网络标准, 802.11a占用16.6MHz的频宽, 每一百万分之4秒传送48组承载信息的独立字符 (symbol) 。在10公尺传输距离下, UWB频道在最坏状况的r.m.s.延迟为25ns, 远低于无线局域网络的150ns至200ns。这让字符周期能大幅缩短, 因此不必大幅提高FFT高速傅立叶转换的参数就能提供500MHz的传输频宽。选择适合的字符长度运用OFDM机制, 能让UWB无线PAN达到预期的多重频道传输效能。

2 同步技术研究

在OFDM系统中, 由于码元宽度相对较宽, 所以系统对定时偏移不是很敏感, ISI得到了很好的抑制。但由于子载波的间隔小所以对频率偏移比较敏感, 相位噪声对系统也有很大的损害。定时偏移, 并不破坏子载波的正交性, 定时相位偏移引起的只是所有子载波的旋转, 合适的信道估计可以有效地消除这些影响。抽样频率的误差会产生时变的定时偏移, 导致时变的相位变化, 也会引入少量的载波间干扰 (ICI) , 实际中由于定时偏移引入的ICI非常小, Es/No为20d B时, 也只有0.01d B左右。相位噪声有两个基本的影响, 其一是对所有的子载波引入了一个随机相位变量, 跟踪技术和差分检测可以用来降低共同相位误差的影响, 其二也会引人一定量的ICI, 因为相位误差导致子载波的间隔不再是精确的1/T了。频率偏移在OFDM系统中是比较有害的, 它将导致ICI, 破坏子载波的正交性。ISI与ICI是矛盾的, 此消彼长。由于在系统设计时, 可以容忍一定量的ISI, 所以, 可尽量减少ICI, 以便降低系统同步实现的难度残留的ISI可以通过简单的均衡消除。频率偏移导致FFT的间隔周期不再是一个整数, 所以变换后会产生ICI。OFDM技术可接受的最大频偏与信道信噪比及有效信噪比之差有关, 通常频率精度必须达到频率间隔的1%~2%。

OFDM系统中主要涉及的同步有码元同步, 载波同步和采样频率同步。同步分为几个过程:粗定时恢复/分组/时隙/帧同步, 粗频偏估计/校正, 精频率校正, 精定时校正。

2.1 OFDM系统中的同步要求

载波同步:接收端的振荡频率要与发送载波同频同相 (要求在ppm量级) ;载波频率不同步会破坏子载波之间的正交性, 不仅造成解调后输出的信号幅度衰减以及信号的相位旋转, 更严重的是会带来子载波间的干扰ICI。一般来说, OFDM系统的子载波之间的频率间隔很小, 因而所能容忍的频偏非常有限。载波相位偏移会引起解调信号的相移, 因此我们对于相干接收机则必须估计载波相位。如果是QAM接收机, 还要估计每一个载波的幅度。载波频率偏移也会影响符号定时和帧同步的性能。

样值同步:接收端和发射端抽样频率一致;采样频率的同步是指发射端的D/A变换器和接收端的A/D变换器的工作频率保持一致。一般的, 两个变换器之间的偏差很小, 相对于载波频偏的影响来说也较小。

符号同步:IFFT和FFT起止时刻一致;在接收的数据流中寻找OFDM符号的分界是符号定时的任务。理想的符号同步就是选择最佳的FFT窗, 使子载波保持正交, 且ISI被完全消除或者降至最小。使用了循环前缀技术后, OFDM系统能够容忍一定的符号定时误差而不受到性能上的损失, 所以OFDM系统对定时偏差不像对频率偏差那么敏感。

帧同步:帧同步是要在OFDM符号流中找出帧的开始位置, 在WLAN这样的突发性通信系统中就是我们常说的数据帧头检测。在帧头被检测到的基础上, 接收机根据帧结构的定义, 以不同的方式处理一帧中具有不同作用的符号。所有OFDM系统至少要完成两个同步, 一个是频率同步, 另一个是符号定时。

2.2 符号定时误差

由于在OFDM符号之间插入了循环前缀保护间隔, 因此OFDM符号定时同步的起始时刻可以在保护间隔内变化而不会造成ISI和ICI。只有当FFT运算窗口超出了符号边界, 或者落入符号的幅度滚降区间, 才会造成ISI和ICI。因此, OFDM系统对符号定时同步的要求会相对的宽松, 但是在多径环境中, 为了获得最佳的系统性能, 需要确定最佳的符号定时。尽管符号定时的起点可以在保护间隔内任意选择, 但是容易得知, 任何符号定时的变化都会增加OFDM系统对时延扩展的敏感程度, 因此, 系统所能容忍的时延扩展就会低于其设计值。

由于同步是OFDM技术中的一个难点, 因此, 很多人也提出了很多OFDM同步算法, 主要是针对循环扩展和特殊的训练序列以及导频信号来进行, 其中较常用的有利用奇异值分解的ESPRIT同步算法和ML估计算法, 其中ESPRIT算法虽然估计精度高, 但计算复杂, 计算量大, 而ML算法利用OFDM信号的循环前缀, 可以有效地对OFDM信号进行频偏和时偏的联合估计, 而且与ES-PRIT算法相比, 其计算量要小得多。

摘要:UWB技术是一种新型的无线通信技术, 它具有对信道衰落不敏感、发射信号功率谱密度低、低截获能力、系统复杂度低、能提供数厘米的定位精度等优点。由于无线信道存在时变性, 在传输中存在的频率偏移会使OFDM系统子载波之间的正交性遭到破坏, 且相位噪声对系统也有很大的损害, 所以我们要对OFDM UWB的同步技术进行研究。

关键词:UWB,OFDM,同步技术