专利名称：一种定时同步方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及超宽带无线通信技术领域，具体涉及一种直接序列扩
频超宽带(DS-UWB)系统中的定时同步方法及系统。
背景技术：
随着无线通信技术的发展，人们对通信的速度要求越来越高，超 宽带(UltraWideband, UWB)技术是一种低功耗、高速度的数据通 信方式，有望在无线通信中得到广泛应用。
直接序列扩频超宽带(DS-UWB)系统釆用直接序列扩频的方式， 对发送数据进行调制。通过对每一个数据比特，用一段伪随机序列调 制后发射，扩展了发射信号的频带。对于扩频比为L的数据，若原数
据发送周期为 ;，数据带宽为w,经过扩频后，数据发送周期7;/丄，
带宽扩展为『=丄^。
扩频的方法是把PN序列(伪随机序列)加到发送的信号上。每 个发送的码片都是通过数据比特与PN序列的码片相关得到的，该PN 序列就是系统的PN序列相关模版。在接收端，具有与发送进行扩频 所用PN序列相同的本地参考PN序列，在接收信号后对接收到的信 号进行解扩，具体为将接收到的信号与本地PN序列进行相关运算， 然后对相关器的输出进行釆样，采样时间间隔为7;，釆样位置由定时 同步决定。当系统中，对扩频后的信号有一窄带干扰时，在接收端， 这一信号干扰与PN序列相关，把干扰扩展到信号带宽『，相关之后 的噪声能量仅为原干扰的1/Z。因此，通过扩频，系统的抗干扰能力 得到了提高。
但是，在UWB接收机中，要实现扩频信号的解扩，就必须使接 收机中的本地参考PN序列的相位与接收数据序列的相位完全一 致，
因此在接收机中必须进行接收数据定时同步捕获和跟踪。由于UWB 釆用极短的脉冲信号来传送信息，通常每个脉冲持续的时间只有几十
皮秒到几纳秒的时间，因此，UWB接收机中的定时同步和跟踪是接 收机中的一个难题。
在直接序列扩频系统中，本地参考PN序列与接收数据中符号同 步通过扩频捕获与扩频跟踪来实现。扩频捕获主要通过滑动相关的方 法，在接收端不断改变本地PN码相位，使本地PN序列与接收到的数 据序列从相位上相对滑动。将接收到的数据与PN序列相关模板进行 相关运算，若检测到一个相关峰值，则说明两个码序列的相位一致， 停止滑动，此时的本地参考PN序列就是参考序列，接收到的数据信 号与该PN序列建立同步。扩频跟踪主要是扩频捕获后，跟踪系统中 的定时偏差，保证接收数据和本地参考PN序列的相对时间差为O。当 系统定时出现偏差时，可以通过扩频跟踪来纠正。
常用的扩频跟踪的方法主要有两种，延时锁相环与T型抖动环。 延迟锁相环需要三个相关器，超前相关器、滞后相关器和参考相关器。 参考相关器使用的PN序列是同步捕获得到的本地参考PN序列，超前 相关器使用的PN码相位比本地参考PN码相位要超前 一 些，而滞后相 关器所使用的PN码相位比本地参考PN码相位落后一些。由于PN码的 相关特性，当系统没有同步误差，即数据和本地PN序列是同步的时 候，超前相关器与滞后相关器计算出的相关值都小于参考相关器。若 系统釆样时间超前了，则超前相关器计算出的相关值最大，反之，滞 后相关器计算出的值最大。因此，通过检测两个相关器输出的差，可 以确定对数据的釆样时刻是超前还是滞后。若釆样时刻超前，则可以 将本地参考PN序列的相位前移一个釆样点，反之可以将本地参考PN 序列相位后移一个釆样点。T型抖动环中，也分别计算出三个相关值， 即数据与参考PN序列的相关值，数据与超前PN序列的相关值和数据 与滞后PN序列的相关值。与延时锁相环不同，T型抖动环中的超前和滞后码共用同一个相关器，输入信号会交替的与超前和滞后码相关。 在得到三个相关之后，用同样的方法，通过比较这三个相关值的大小 来判断接收机中的采样时间是否超前或滞后。
在DS-UWB信道中，信噪比低、多径干扰严重，当扩频比较小的 时候，扩频捕获过程中的相关峰值不明显，所获得的本地参考PN序 列误差可能比较大，利用上述延时锁相环和T型抖动环的方法就很难 准确的跟踪定时变化。
发明内容
本发明的目的是提供一种定时同步方法及系统，应用于直接序列 扩频超宽带系统中，在数据中插入伪随机序列进行定时跟踪，受到的 信道干扰很小，比传统的直接釆用接收的数据进行定时要准确的多。
为实现上述目的，本发明釆用如下技术方案
一种定时同步方法，用于直接序列扩频超宽带系统中的定时同 步，该方法包括以下步骤
在发送端对每帧数据进行扩频，经扩频的每帧数据被间隔地插入 若干段跟踪序列后被发送，所述跟踪序列为第 一伪随机序列；
接收端接收一帧数据后，经扩频捕获得到本地伪随机序列，利用 本地伪随机序列对接收的该帧数据开始解扩，对解扩后的数据采样；
在解扩的过程中依次定位被插入的每段跟踪序列，利用每段跟踪 序列的后半段数据进行当前采样时刻的定时跟踪，调整本地伪随机序 列的相位进行后序釆样时刻的定时恢复。
其中，经扩频捕获得到本地伪随机序列的方法为利用第二随机 序列相位的不断改变，对接收的一帧数据从相位上相对滑动，得到滑 动相关峰值的第二伪随机序列被确定本地伪随机序列。
其中，所述定时跟踪和定时恢复具体包括步骤
将本地伪随机序列的相位分别进行前移和后移，得到超前模板和 滞后模板，将本地伪随机序列作为当前模板；
在解扩过程中定位第一段跟踪序列后，将其后半段数据分别与超
前模板、当前模板和滞后模板进行相关运算；
若与当前模板的相关值最大，则采样时刻准确，本地伪随机序列
相位不变；
若与超前模版的相关值最大，则釆样时刻超前，将本地伪随机序 列的相位前移，并更新所述超前模板和滞后模板；
若与滞后模版相关值最大，则采样时刻滞后，将本地伪随机序列 的相位后移，并更新所述超前模板和滞后模板；
利用调整相位后的本地伪随机序列继续解扩，在定位第二段跟踪 序列后，重复上述步骤至该帧数据解扩过程结束。
其中，在发送端，对所插入的跟踪序列利用双相移相键控方法进 行调制，在接收端，利用双相移相键控方法对所定位的每段跟踪序列 进行解调。
其中，所述间隔为NxB个比特，其中B为进行扩频的扩频比， N与系统的釆样时钟偏差成反比，每段跟踪序列的长度为2M, 似>乙/^:， 7;为系统中信道的相干时间，？;为扩频后相邻比特的时间 间隔，跟踪序列中的相邻比特的时间间隔与扩频后相邻比特的时间间 隔相等。
其中，所述N与系统的采样时钟偏差^的关系为N-Sx106。 其中，依次定位被插入的每段跟踪序列的方法包括步骤 对解扩后的该帧数据进行计数，在接收数据达到N个时，定位
第N+l个~第N + 2M个数据为第一段跟踪序列；
对该段跟踪序列后的数据重新开始计数，将下一个第N+l个~
第N + 2M个数据定位为第二段跟踪序列； 重复上述步骤至该帧数据接收完毕。
其中，所述第一伪随机序列和第二伪随机序列均利用移位寄存器 产生。
优选地，第一伪随机序列和第二伪随机序列均为m序列或Gold 序列。
本发明还提供了一种定时同步系统，用于直接序列扩频超宽带系 统中的定时同步，该系统包括
扩频单元，用于在发送端对每帧数据进行扩频；
跟踪序列插入单元，用于在扩频后的每帧数据中间隔地插入若干 段跟踪序列并发送给接收端，所述跟踪序列为第一伪随机序列；
扩频捕获单元，用于对接收端接收的数据进行扩频捕获，获取本 地参考伪随机序列，用本地参考伪随机序列对接收的数据开始解扩；
定时跟踪单元，用于在解扩过程中依次定位被插入的每段跟踪序 列，利用每段跟踪序列的后半段数据进行当前釆样时刻的定时跟踪；
定时恢复单元，用于调整本地伪随机序列的相位后进行后序釆样 时刻的定时恢复。
将本发明的定时同步方法与系统应用到直接序列扩频超宽带系 统中，具有以下有益效果由于后半段伪随机序列(PN序列)受到 的前向多径干扰主要来自前半段的PN序列，由于PN序列的相关特 性，这部分干扰可以忽略，因此定位到前半段PN序列后，不进行定 时同步，只在后半段PN序列进行定时同步。此时，定时估计受到的 信道干扰很小，比传统的直接釆用接收的数据进行定时要准确的多。
图i为本发明定时同步方法的流程图2为本发明发送端的数据帧结构；
图3为本发明发送端发送数据帧的方法流程图4为本发明接收端的状态控制图5为本发明接收端定时跟踪部分的结构图6为本发明接收端定时跟踪部分的原理图7为本发明接收端接收数据的详细流程图。
具体实施例方式
本发明提出的一种应用于直接序列扩频超宽带系统中的定时同 步方法及系统，结合附图和实施例说明如下。
如图2为本实施例中发送端的物理层数据帧结构，该数据帧的结 构为包括帧头；在帧数据中每隔NxB个比特数据插入的长度为2M 的跟踪序列，其中NxB个比特为对每帧帧头后的N个数据的进行扩 频比为B的扩频后得到，即每一比特数据被第三PN序列进行调制， 变为码片间隔为 ;、码片长度为B的数据流，跟踪序列具体为伪随机 序列，跟踪序列中的比特间隔与扩频后码片的间隔7;相等，本实施例 中在发送时釆用双相移相键控BPSK进行调制后发送，为区别起见， 本实施例称其为第一 PN序列。其中M由直接序列扩频超宽带系统中 信道的相干时间确定，若信道的相干时间为i;，则PN序列的长度应
满足M〉z;/7;即可，其中N由直接序列扩频超宽带系统中的定时误差
确定，若系统的釆样时钟偏差为每SX106个时钟周期会偏移一个时钟
周期，也就是说系统的时钟偏差是^ppm，则数据间隔长度应为Sx106
个采样点。该时钟误差由系统采用的时钟源的精度所决定。
发送端根据直接序列扩频超宽带系统的特性确定N和M后，可 以得到一帧数据由于插入跟踪序列而被划分的数据块个数NUM,插 入在跟踪序列的过程可以在发送过程中完成，如图3所示为发送端发
送数据帧的流程图，在该流程开始之前，将计数器的值初始为零，即 counter 1 =0, counterjpn 1 = 0， counter—block 1=0， 然后将幀头发送出 去，进入步骤s301,对每一个数据进行扩频比为B的扩频后发送， 对发送出去的码片进行计数，每发送一个码片，counterl增1;步骤 s302，判断counterl是否等于NxB，若等于，将counterl重新置0， 执行步骤s303，若小于，返回执行步骤s301;步骤s303，对发送出 去的数据块进行计数，counter—blockl=counter_blockl + 1;步骤s304, 判断该帧数据是否发送完毕，即counter—blockl是否等于NUM,若 等于，则结東，若小于，执行步骤s305，发送BPSK调制的长度为
2M的第一伪随机序列，对发送的码片进行计数，每发送一个码片， counter_pnl增1;步骤s306，判断counter_pnl是否等于2M，若等 于，将counterjnl重新置0并返回执行步骤s301,若小于，返回执 行步骤s305。
在接收端，接收到一帧数据后首先利用帧头进行同步捕获，获得 本地PN序列，可以利用现有的方法进行同步捕获，具体为利用第二 PN序列相位的不断改变，对接收的一帧数据从相位上相对滑动，得 到滑动相关峰值的第二 PN序列被确定本地PN序列。然后对数据进 行解扩，解扩的过程中，接收端收到N个数据比特后，利用插入的 第一段第一PN序列进行定时误差的跟踪，调整本地PN序列相位继 续进行解扩，收到下一N个数据比特后，利用插入的第二段第一PN 序列进行定时误差的跟踪，重复完成整个接收过程。
因此，接收端具有两种状态，即数据接收状态和定时跟踪状态， 如图4为接收端接收机的状态控制图，data—en表示采样时刻，data_pos 表示利用跟踪序列进行定时跟踪的结果，track—en表示当前数据是跟 踪，应当进行定时恢复。状态控制器根据数据接收部分接收数据的个 数定位跟踪，控制定时跟踪部分开始定时跟踪，停止数据接收接收数 据，在根据定时跟踪部分给出的结果datajos调整本地PN序列，从 而调整采样时刻datajn后切换到数据接收状态开始切换，重复上述 过程完成数据接收。
如图5所示为定时跟踪部分的结构图，将本地PN序列和定位的 跟踪序列的后半部分数据(称第二个PN序列)通过输入接口输入， 将输入数据的相位分别前移(data—early )、保持不变(data)、后移 (data—late)输入相关器与本地PN序列进行相关运算，图6为图5 的不同表示形式，接收端收到的信号相位不变，分别与本地模版、超 前模板和滞后模板进行相关，本地模板指本地PN序列，本地模版向 前偏移一个周期后得到的超前模板，本地模版向后偏移一个周期后得
到的滞后模板。利用比较器比较三个相关器的结果判断釆样的超前或 滞后。若定时位置准确，与本地模版的相关结果应为最大值。若与向 前偏移一个周期的模版相关结果最大，则说明信号的定时发生偏移， 应向前移动一个时刻，具体为将本地PN序列向前偏移一个周期。反 之，若与向后偏移一个周期的模版相关结果最大，则说明信号的定时 发生偏移，应向后移动一个时刻，具体为将本地PN序列向后偏移一 个周期。
本实施例用到的所有不同的PN序列均釆用m序列或Gold序列， PN序列可以通过移位寄存器序列得到。
如图7所示为接收端接收数据的流程图，接收到一帧数据后首先 利用帧头进行同步捕获，获得本地PN序列，根据帧头信息获得该帧 中的N、 M及NUM的数值，然后将计数器的值置O，即counter2=0， counter_pn2 = 0， counter-block2=0，开始接收数据，开始步骤s701， 切换到数据接收状态，利用本地PN序列对接收的数据进行解扩，解 扩后每釆样一个数据，将counter2增1,图中date—en - 1表示数据接 收状态有效，track-en=0表示定时跟踪状态无效；步骤s702，判断 counter2是否等于N,若是，将counter2重置为0并执行步骤s703, 若否，返回执行步骤s701;步骤s703，对接收的数据块(N个釆样 数据构成一个数据块)进行计数，即counter_block2= counter—block2 + 1;步骤s704,判断counter-block2是否等于NUM，若是，则数据 接收完毕，结東，若否，则执行步骤s705 ，切换到定时跟踪状态，date-en -O表示数据接收状态无效，track-en=l表示定时跟踪状态有效，接 收所插入的第一 PN序列，由于发送对第一 PN序列采样BPSK进行 调整，所以接收端对其进行BPSK解调，每接收一个数据后将 coimter_pn2的值增1;步骤s706,判断counter_pn2是否等于2M, 若是，将counterjn2重置为0并返回执行步骤s701,若否，继续执 行步骤s705。
在步骤s705中，在接收该第一PN序列的前半段数据(称第一个 PN序列)时不跟踪，在接收该第一 PN序列的前半段数据(称第二 个PN序列)利用前面的方法进行跟踪，对本地PN序列作出调整， 参与后面接收数据的解扩。
下面从理论上解释采样本发明的方法定时准确性。 由于信道的多径干扰，接收到的数据序列中，包含严重的码间串 扰。设信道的离散时域响应为&，&分别是信道的前 向和后向码间串扰。若发送的信号为^>2人接收端接收到的离散信号 一为
<formula>formula see original document page 13</formula>其中，第一项是期望的接收到的数据，而第二项是来自发送数据 后面符号的码间干扰，而第三项是来自发送数据的前面符号的码间串
扰。在通常的UWB信道中，后向码间串扰要远远严重于前向码间串 扰。因此上式可近似为
<formula>formula see original document page 13</formula>
接收端进行解扩时相关的结果为
<formula>formula see original document page 13</formula>
本实施例中，定时跟踪利用本地PN序列进行相关，因此^"」表 示本地PN序列，下式釆用》(w)表示。本实施例中记收到的数据序列 中，数据部分为"(")，跟踪序列的部分为M")，因此在接收端，对第
一个PN序列，相关器的输出Cf^为，
<formula>formula see original document page 14</formula>
上式中，p(n)是PN序列，d(n)是数据序列，为了区分干扰的种 类，这里由于第一个PN序列前面是数据，所有它受到的干扰是来自 于数据的，就用^"1'_"来表示/^"-/-力，进而得到上式。上述中， 公式的后半部分是由第一个PN序列之前的数据信号带来的干扰，可 见，第一个PN序列受到的码间串扰比较严重。
而对第二个PN序列，相关器的输出c^)为
M 《2 A/
上式中，第二个PN序列受到的前向多径干扰主要来自之前的PN 序列。由于PN序列的相关特性，这部分干扰可以忽略。因此定位到 第一个PN序列后，不进行定时同步，只在第二个PN序列进行定时同 步。此时，定时估计受到的信道干扰很小。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关 技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下， 还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明 的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
权利要求
1、一种定时同步方法，用于直接序列扩频超宽带系统中的定时同步，其特征在于，该方法包括以下步骤在发送端对每帧数据进行扩频，经扩频的每帧数据被间隔地插入若干段跟踪序列后被发送，所述跟踪序列为第一伪随机序列；接收端接收一帧数据后，经扩频捕获得到本地伪随机序列；利用本地伪随机序列对接收的该帧数据开始解扩，对解扩后的数据采样；在解扩的过程中依次定位被插入的每段跟踪序列；利用每段跟踪序列的后半段数据进行当前采样时刻的定时跟踪，调整本地伪随机序列的相位进行后序采样时刻的定时恢复。
2、 如权利要求1所述的定时同步方法，其特征在于，经扩频捕 获得到本地伪随机序列的方法为利用第二随机序列相位的不断改 变，对接收的一帧数据从相位上相对滑动，得到滑动相关峰值的第二 伪随机序列被确定本地伪随机序列。
3、 如权利要求1所述的定时同步方法，其特征在于，所述定时 跟踪和定时恢复具体包括步骤将本地伪随机序列的相位分别进行前移和后移，得到超前模板和 滞后模板，将本地伪随机序列作为当前模板；在解扩过程中定位第一段跟踪序列后，将其后半段数据分别与超 前模板、当前模板和滞后模板进行相关运算；若与当前模板的相关值最大，则釆样时刻准确，本地伪随机序列相位不变；若与超前模版的相关值最大，则釆样时刻超前，将本地伪随机序 列的相位前移，并更新所述超前模板和滞后模板；若与滞后模版相关值最大，则釆样时刻滞后，将本地伪随机序列 的相位后移，并更新所述超前模板和滞后模板； 利用调整相位后的本地伪随机序列继续解扩，在定位第二段跟踪 序列后，重复上述步骤至该帧数据解扩过程结東。
4、 如权利要求l所述的定时同步方法，其特征在于，在发送端， 对所插入的跟踪序列利用双相移相键控方法进行调制，在接收端，利 用双相移相键控方法对所定位的每段跟踪序列进行解调。
5、 如权利要求1所述的定时同步方法，其特征在于，所述间隔 为NxB个比特，其中B为进行扩频的扩频比，N与系统的采样时钟 偏差成反比，每段跟踪序列的长度为2M， M>rm/ ;, ;为系统中信 道的相干时间，？:为扩频后相邻比特的时间间隔，跟踪序列中的相邻比特的时间间隔与扩频后相邻比特的时间间隔相等。
6、 如权利要求5所述的定时同步方法，其特征在于，所述N与系统的采样时钟偏差 j^ppm的关系为N=Sxl06 。
7、 如权利要求5所述的定时同步方法，其特征在于，依次定位 被插入的每段跟踪序列的方法包括步骤对解扩后的该帧数据进行计数，在接收数据达到N个时，定位 第N+l个~第N + 2M个数据为第一段跟踪序列；对该段跟踪序列后的数据重新开始计数，将下一个第N+l个~ 第N + 2M个数据定位为第二段跟踪序列；重复上述步骤至该帧数据接收完毕。
8、 如权利要求2所述的定时同步方法，其特征在于，所述第一 伪随机序列和第二伪随机序列均利用移位寄存器产生。
9、 如权利要求8所述的定时同步方法，其特征在于，第一伪随 机序列和第二伪随机序列均为m序列或Gold序列。
10、 一种定时同步系统，用于直接序列扩频超宽带系统中的定时 同步，其特征在于，该系统包括扩频单元，用于在发送端对每帧数据进行扩频； 跟踪序列插入单元，用于在扩频后的每帧数据中间隔地插入若干段跟踪序列并发送给接收端，所述跟踪序列为第一伪随机序列；扩频捕获单元，用于对接收端接收的数据进行扩频捕获，获取本地参考伪随机序列，用本地参考伪随机序列对接收的数据开始解扩； 定时跟踪单元，用于在解扩过程中依次定位被插入的每段跟踪序列，利用每段跟踪序列的后半段数据进行当前釆样时刻的定时跟踪； 定时恢复单元，用于调整本地伪随机序列的相位后进行后序采样时刻的定时恢复。
全文摘要
本发明涉及一种用于直接序列扩频超宽带系统中的定时同步方法及系统，该方法包括在发送端对每帧数据进行扩频，经扩频的每帧数据被间隔地插入若干段跟踪序列后被发送；接收端接收一帧数据后，经扩频捕获得到本地伪随机序列；利用本地伪随机序列对接收的该帧数据开始解扩并采样；在解扩的过程中依次定位被插入的每段跟踪序列；利用每段跟踪序列的后半段数据进行当前采样时刻的定时跟踪，调整本地伪随机序列的相位进行后序采样时刻的定时恢复，该系统中的定时跟踪单元在解扩过程中利用每段跟踪序列的后半段数据进行当前采样时刻的定时跟踪。本发明受到的信道干扰很小，比传统的直接采用接收的数据进行定时要准确得多。
文档编号H04B1/707GK101340231SQ20081011923
公开日2009年1月7日 申请日期2008年8月29日 优先权日2008年8月29日
发明者张家琦, 张建良, 李育红, 肖振宇, 宁 葛, 金德鹏 申请人:清华大学