摘 要： 在基于平方率的能量检测脉冲超宽带通信系统中，采用了较简单的模拟脉冲锁相环实现脉冲信号的同步和到达时间（TOA）的估计。提出了利用模拟延迟锁相环（ADLL）构建一种精确度高、实现简单的TOA估计算法；并对该算法性能进行了分析。仿真验证了该方法的有效性，并解决了在非视距（NLOS）环境下的精确测距问题。
关键词： 脉冲超宽带；TOA估计；延迟锁相环
由于存在密集多径、高采样率和处理复杂度的困难，基于脉冲能量检测的非相关TOA估计算法近年来受到更多的关注[1-3]，能量检测不需要Nyquist高速率的采样，也不需要进行相关运算，所以大大降低了算法的运算负荷。基于能量检测的非相关TOA估计算法，主要是从能量采样序列中检测到DP所在的能量块，常用的算法有基于门限比较(TC)算法、基于能量峰值选择(MES)算法以及回溯门限比较的能量峰值选择(MES-SB)算法。
传统的基于能量检测的非相关TOA估计算法都存在不同的缺点。TC算法和MES-SB都要设置合适的阈值门限，而门限因子的估计却很复杂困难；MES算法选择最强的能量积分块作为TOA估计，该算法在NLOS环境下存在较大的误差。本文提出了一种基于能量检测利用模拟延迟锁相环的非相关TOA估计方法，通过设置迟支路的衰减因子，使得锁相环稳态锁定点趋于DP位置，该算法简单，不需要高速的采样速率。
1 信号模型
设脉冲超宽带信号经过平方器检波接收信号形式为：
当接收到的脉冲信号经过平方器件后，脉冲宽度会展宽，但仍远远小于帧周期Tf，以帧周期为参考，将Δ(t)简化为理想脉冲函数δ(t)的形式，得到接收信号的相位表达式：
2 TOA估计算法
基于脉冲锁相环的非相关TOA估计算法的原理[4-5]是将锁相环稳态锁定点作为信号TOA的估计。用于TOA估计的模拟一阶锁相环模型如图1所示。
脉冲锁相环中压控振荡器VCO的输出u0(t)为：
用于TOA估计的锁相环稳态稳定输出的波形如图2所示，模拟脉冲锁相环稳态锁定点作为TOA估计。
从图中可以看出，模拟脉冲锁相环稳态锁定点没有锁定在直达单径的位置，锁定的位置是在帧周期内积分零点的位置。输入信号ui(t)与VCO产出的u0(t)经过相乘鉴相器，得到误差函数ud(t)，ud(t)与多径信号时延成比例。当ud(t)为零时，表示输入信号的频率与VCO产生的频率相同，且相位差保持在零点附近，锁相环稳态锁定点满足：
当接收信号是窄脉冲时，根据上式锁相环稳态锁定点为输入信号的能量平衡位置，通过检测锁相环VCO稳态输出余弦信号的过零点得到直达单径的TOA估计。
基于能量检测的延迟锁相环非相关TOA估计算法总的脉冲锁相环结构如图3所示。
图3中，LPF是传统模拟锁相环中的环路滤波器；VCO是压控振荡器，用于产生稳定输出的正弦信号；两个相乘器分别起到了早支路和迟支路的鉴相作用；整形模块将VCO产生的正弦信号整形为正半周期的信号；反相、延迟器将VCO产生的正半周期正弦信号先反相再延迟半个周期；在迟支路上加入衰减器，使得锁相环稳态锁定时能量平衡点趋近于直达单径的位置。
输入信号仍是ui(t)，早、迟支路信号分别为ue(t)和ul(t)：
3 参数设置及性能仿真分析
仿真中，信道采用了IEEE 802.15.4a信道模型中CM1～CM4的不同信道。信号的帧周期Tf=200 ns；信噪比Eb/N0=5 dB；衰减系数0≤δ≤1，衰减系数的确定要根据锁相环跟踪捕获的性能而定，在仿真中，衰减系数δ取0.6～1。图4是在CM2非视距信道下，衰减系数?琢=1(即没有衰减)时的锁相环稳态锁定的波形图。从图中可以看出，锁相环稳态锁定点是能量平衡点的位置，而能量平衡点位置并不是直达单径DP达到的时刻。图5是CM2信道中，衰减系数δ=0.6时锁相环稳态锁定的波形图。从图中可以看出，由于迟支路加入了衰减器，能量平衡点的位置趋向于直达单径DP达到时刻。
当衰减系数过小时，锁相环不能进入锁定状态，由于跳周而发生失锁，如图6所示。这是由于迟支路的负能量衰减过大，使得正负能量积分不能达到平衡，从而引起跳周失锁。
对脉冲的延迟进行精确的估计，要求锁相环输出的相位噪声尽可能小。锁相环的环路方程为：
在IR-UWB测距系统中，针对接收端要求低复杂度和高精度，本文提出了基于模拟延迟锁相环的非相关TOA估计算法。该算法有很好的噪声抑制能力，在低信噪比下可以实现高精度的测距应用，因此具有理论和接近实用的指导价值。通过仿真，验证了该算法在低信噪比下较低好的估计误差性能。
参考文献
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