超寬帶信號高靈敏度接收技術研究

徐廣輝，蔚保國，趙軍，鮑亞川，楊夢煥，于雪崗

(1.衛星導航系統與裝備技術國家重點實驗室,石家莊 050081；2.中國電子科技集團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間分辨率高、扛多徑效應好、系統復雜度低、功耗低以及抗干擾能力強等的特點，其定位精度理論上可以達到厘米量級.在室內定位[1]、車輛協同定位[2-3]以及物聯網[4]應用等場景中發揮重要作用，同時基于UWB 信號獨特的信號體制設計，UWB 技術在現代軍事、災害搜救等方面也扮演著越來越重要的角色，UWB 穿墻雷達[5-6]的應用與普及就是最好的例子.隨著IEEE 802.15.4a標準的出臺，UWB 物理層被引入到WLAN 標準中，利用 UWB 技術來實現一種高效節能、高數據率的通信技術，同時具備高精度測距的能力成為一種可能[7-8].而最新的標準IEEE 802.15.4z 中則突出了UWB 信號用于測距性能的改進和相關信號設計規范與建議，對于推進UWB 技術在通導一體化應用領域的快速發展起到積極作用.作為衛星導航定位系統的重要補充，通信導航一體化設計以北斗+5G、北斗+低軌、北斗+物聯網等技術手段實現覆蓋范圍更廣、精度更高、更加穩健的時空服務[9]，而作為實現室內室外無縫覆蓋、地上地下無縫銜接的重要手段，UWB 技術在綜合PNT 服務的“最后一公里”和萬物互聯的最后0.1 m 扮演重要角色.通導一體化UWB 信號體制設計中重點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 信號設計的整體能力而不再區分各自的重要性，通信性能與測距性能的一致性將成為未來UWB 信號體制設計的參考指標.測距距離、測距精度、通信解調誤碼率等要素的統籌設計將成為未來UWB 信號的設計標準.當前針對UWB信號測距與定位性能的研究，主要是在IEEE 的標準框架下進行有關定位算法[11-12]、典型應用場景[8]下的應用方法等方面的研究，但對于如何從信號設計的角度出發，通過信號處理的方式提高UWB 終端的接收靈敏度，從而實現在規定的發射功率下增加測距距離的研究文獻則比較少.

本文在前期工作的基礎上從UWB 信號的測距距離、測距精度角度出發進一步探索了UWB 信號的接收處理方法，通過延長相干積分處理時間進一步提升接收機的接收靈敏度，進而達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特征的UWB 信號進行長相干積分接收處理試驗.試驗結果表明，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，試驗結果對UWB 信號的設計方向有一定的指導意義.需要強調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實現的，因此長相干積分的積分時長受到硬件資源的限制，積分序列的選取或者設計要滿足一定的規則才能達到增益提升的目的.

1 UWB 信號典型結構

1.1 HRP UWB 信號典型結構

HRP UWB 協議數據單元(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，物理層載荷來自數據鏈路(MAC)層的層數據服務單元(presentation service data unit，PSDU)數據.SYNC 由多個相同的前導符號組成，每個前導符號包含一組完整的前導碼，前導碼有2 種長度，分別為31 和127，其中31 為強制支持，127 為可選支持，前導碼均為三元碼{-1，0，1}.每個前導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碼片持續時間構成一個前導符號，SHR 的信號結構如圖1 所示.

圖1 HRP UWB 信號SHR 信號結構

論文中選定前導SYNC 和幀開始界定符的符號數分別為64Tsymb、8Tsymb，每個Tsymb由127 個前導碼序列以及碼元之間的插值構成，即L=127，每個碼元的后面插入3 個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)}具有一定的偽隨機性.

HRP UWB 物理層頭與物理層載荷采用突發位置調制(burst position modulation，BPM)和二進制相移鍵控(binary phase shift keying，BPSK)即BPMBPSK 調制.在BPM-BPSK 調制方式中，每個符號能夠攜帶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過跳時擴展的比特流，而脈沖極性信息則來自加擾后的比特流.

符號結構如圖2 所示.每個符號周期為Tsymb，由Nv個碼片組成，每個碼片周期為Tv，Tsymb=Nv*Tv.每個符號分為2 個BPM 區間，即Tbpm=Tsymb/2，脈沖可能出現第一個或者第二個區間中，脈沖出現的位置攜帶了1 bit 的信息.在每個符號周期中，只傳遞1 個突發，并且Tburst?Tbpm.每個突發只可能出現在Tbpm的前半部分，后半部分為保護間隔.突發的具體位置以跳時的形式提供多用戶的并發接入.1 個突發由Nv個碼片周期組成，長度為Tburst=Nv*Tv.

圖2 HRP UWB 信號物理層(PHR+PSDU)信號結構

1.2 LRP UWB 信號典型結構

根據IEEE 802.15.4z 協議LRP UWB 支持三種信號傳輸模式即基礎模式、擴展模式和長程模式，三種模式對應不同的數據傳輸速率和定位精度.論文以基礎模式為例進行長相干積分算法的仿真測試.基礎模式下，每個符號攜帶1 bit 信息，符號周期Tsymb為1 μs，每個符號內只發射一個脈沖，脈沖位置在符號的中心，符號結構示意圖如圖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 信號的脈沖重復率低，信號能量可以累積更長的時間然后集中發射，因此可以有效提升UWB 信號的傳輸距離.

圖3 基礎模式符號結構

基礎模式的脈沖重復頻率PRF 為1 MHz，采用二進制振幅鍵控(on-off keying，OOK)調制方式，即符號中有1 個窄脈沖即為1，沒有窄脈沖即為0.與HRP UWB 的信號結構相同，LRP UWB 的幀結構同樣由SHR、PHR 和物理層載荷組成，物理層信號結構如圖4 所示.

圖4 LRP UWB 信號物理層信號結構

2 UWB 信號測距原理與信號結構

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，通過實時偵收UWB 基站與標簽信號中的SYNC 序列和SFD 序列實現信號同步進而實現傳輸時間的測定，實現基站與標簽之間距離的測量，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符號中碼序列的偽隨機性獲得一定程度的擴頻增益，使接收端獲得一定程度的抗干擾能力，同時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，在信道特征較為復雜的情況下難以實現高精度測距，且存在較高的通信解調誤碼率.

具體測距流程如下：

1) 基站在t0時刻開始發射UWB 信號；

2)標簽接收UWB 信號，在t1時刻完成SHR 同步；

3)標簽完成SHR 同步后向基站發射UWB 應答信號；

4)基站接收UWB 信號，在t2時刻完成SHR 同步；

5)基站利用發射時刻t0與接收時刻t2的時間差推算基站與標簽之間的距離.

令Δt表示UWB 信號SHR 的固定時長，則基站與標簽之間的距離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簽之間互相進行數據幀的傳輸實現的，而基站與標簽完成同步的標志是成功檢測到SHR，并以SHR 結束時刻作為測距時間差的計量依據.因此，長相干積分的主要目的是實現對SHR 的高靈敏度接收檢測，完成對SHR 結束時刻的精確測定.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現對UWB 信號的同步接收，并據此完成對通信數據的解碼恢復.

仿真中SFD 序列長度為8，具體數值為[0 +1 0-+1 0 0-].SFD 序列中的每個符號與SYNC 中定義的前導符號一致，采用長度為127 的前導碼序列，每個前導碼包括4 個碼片持續時間Tv，只有第一個碼片為前導序列的值，其他為0.前導碼具體數值如下：{++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“+”表示數值+1，“-”表示數值-1，“0”表示數值0.該序列具備一定的偽隨機性，表現出良好的自相關與互相關特征，相關結果如圖6 所示.

圖6 前導碼序列自相關結果

2.3 LRP UWB 信號的長相干積分

仿真中SFD 序列長度為64，具體數值為{00010111 00101100 10000101 01111100 00111 100 11101110 00101010 11000110}.SFD 中每個符號的數值同時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脈沖，如圖4 所示.前導符號SYNC 則由128 個全1 的符號序列構成.由于SHR 中每個前導符號僅在固定位置可能存在脈沖，因此單個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現UWB 信號的同步頭檢測，則只能通過增加符號間的偽隨機性和脈沖序列的長度來實現.

3 長相干檢測仿真實驗

3.1 HRP 與LRP UWB 信號的長相干積分仿真

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

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 相關結果表示的是以長為127 的前導碼序列為本地參考序列與接收到的UWB 信號進行相關的結果，8 μs 長相干結果指的是以8 μs 的SFD 脈沖序列為本地參考序列與接收到的UWB 信號相關的結果.

圖7 傳輸距離60 m 時相干積分同步檢測結果

圖8 傳輸距離70 m 時相干積分同步檢測結果

圖9 傳輸距離80 m 時相干積分同步檢測結果

3.1.2 LRP UWB 信號長相干仿真實驗

圖10 為50 m 傳輸距離下原始信號、1 μs 相干積分、8 μs 長相干積分相關結果對比圖，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長相干積分相關結果對比圖，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 長相干積分相關結果對比圖，圖15 為80 m 傳輸距離下20 μs長相干積分的峰值差分結果。

圖10 傳輸距離50 m 時不同相關長度下相干結果

圖11 傳輸距離50 m 時8 μs 長相干積分峰值差分結果

圖12 傳輸距離70 m 時不同相關長度下相干結果

圖13 傳輸距離70 m 時8 μs 長相干積分峰值差分結果

圖14 傳輸距離80 m 時不同相關長度下相干結果

圖15 傳輸距離80 m 時20 μs 長相干積分峰值差分結果

圖11 和圖13 中長相干峰值差分結果圖是指將8 μs 長脈沖序列作為本地參考序列與接收到的UWB 信號進行相關；圖15 中長相干峰值差分結果圖是指將20 μs 長脈沖序列作為本地參考序列與接收到的UWB 信號進行相關，以單個符號內的相關峰為參考進行臨近相關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，且符號內的脈沖序列不是隨機序列，因此進行稀疏序列的相干運算時存在多相關峰的情況.考慮到LRP UWB 信號SHR 中的前導序列符號全為1，與SFD 進行相關運算時存在多相關峰.通過檢測相關峰差分結果中的最大值可以找到SFD 的同步位置.

3.2 實驗結果總結

HRP UWB 信號不同時長相干積分結果表明，使用1 μs 積分時長進行信號接收時，接收機實現可靠接收的信號傳輸距離為55 m，當使用8 μs SFD 脈沖序列作為本地參考碼序列進行積分時，接收機實現可靠接收的信號傳輸距離為75 m，比1 μs 積分時長對應的信號傳輸距離增加了至少20 m.因此，通過延長HRP UWB 信號的相干積分時長可以有效提升UWB信號的測距距離.

對比不同積分時長的LRP UWB 信號同步檢測結果可以發現，LRP UWB 信號1 μs 積分時長對應的可靠信號傳輸距離為70 m，這是降低的脈沖重復頻率實現了發射功率的累積，提升了單個脈沖的發射功率，進而增加了有效傳輸距離.但是將相干積分時長延長至8 μs 時并沒有增加信號的傳輸距離，事實上，即便在更近距離情況下8 μs 的積分時長也難以實現SHR 的有效檢測，如圖10～13 所示.這主要是因為LRP 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頻率，單脈沖的符號結構需要更長的脈沖序列來增加積分增益，如圖14～15 所示，積分時長延長至20 μs時，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行了仿真研究.結果表明，對于HRP UWB 信號而言，由于脈沖序列的良好自相關、互相關特征，在硬件資源允許的情況下，適當延長相干積分時間可以有效提升信號的測距距離.但是對于LRP UWB 信號而言，低的脈沖重復頻率和小的相干積分增益使其需要更長的相干積分時間才能達到提升測距距離的目的，而延長的積分時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、肖遙在試驗中給與的支持和建議.