[发明专利]反馈控制的粒子滤波超宽带脉冲定时跟踪器

说明书

技术领域

本发明涉及一种超宽带脉冲定时跟踪器。

背景技术

近年来利用窄脉冲传输信息的超宽带通信系统由于其高性能、高速率等优点成为未来通信系统的研究热点。通常超宽带脉冲的持续时间小于1ns，在现有技术下要对持续时间如此短的信号采样是比较困难的，并且定时跟踪的误差会极大地降低系统的性能。因此窄脉冲技术给接收机的设计也带来了新的问题--脉冲定时的捕获、跟踪难。

在超宽带定时跟踪中，文献[1](Lovelace W.M.，Townsend J.K.，The effectsof timing jitter and tracking on the performance of the impulse radio[J]，IEEE JSAC，2002，20(9)：1646-1651)首次采用了由匹配滤波器组成的早-迟门跟踪技术；而文献[4](Chui chee-cheon，Scholtz Robert A.Optimizing tracking loop for UWBmonocycles[A].Golbecom 2003)指出在极大似然准则下早-迟门跟踪技术并不是最优的，最优的本地参考信号应该是接收信号的导数，进而结合二阶数字锁相环提出了一种定时跟踪环(TLL)；文献[5](Chui chee-cheon，Scholtz Robert A.Tracking UWB monocycles in IEEE 802.15 multi-path channels[A].Proceedings ofAsilomar 2003)进一步分析了该定时环在IEEE 802.15多径信道模型下的抗多径性能，结果表明多径对该定时环的影响可以忽略。但该定时环因相关函数的线性化，其定时偏差捕获范围较小，对观测噪声敏感，且在低信噪比下容易失锁。

另外，粒子滤波技术是近年来备受关注的基于贝叶斯理论和统计抽样的信号处理方法，主要用于非线性非高斯环境下信号的检测与跟踪。文献[8](AmtlardP.P.，Brossier J.M.Moissan E.，Phase tracking：what do we gain from optimalityParticle filtering versus phase-locked loops[J]，Signal Processing，2003，83(1)：151-167)首次详细比较了粒子滤波与判决反馈环(Decision feedback loop)和Costas环在相位跟踪中的性能，结果表明粒子滤波具有较快的收敛速度，并且定性上说明了在低性噪比情况下粒子滤波具有较高的稳定性--不容易产生周期跳变(Cycle slip)而失锁。在此基础上，文献[9](Fischler E.，Bobro.vsky B.Z.，Mean time to loose lock of phase tracking by particle filtering[J]，Signal Processing，2006，86(1)：3481-3485)定量的比较了粒子滤波在平均失锁时间(MTLL)上的优越性。上述基于粒子滤波的相位跟踪方案均基于开环估计，并未考虑闭环跟踪问题。而文献[10](Ghirmai Tadesse，Bugallo Monica F.etc，A sequential MonteCarlo method for adaptive blind timing estimation and data detection[J]，IEEETransaction on Signal Processing，2005，53(8)：2855-2865)的闭环跟踪仅仅是简单的在开环跟踪的基础上利用粒子滤波的预测功能。

从现有技术中可以看出，因为高斯窄脉冲的持续时间很短(τ＝0.2877ns时，二阶高斯脉冲持续时间大约是0.7ns)，对持续时间如此短的脉冲抽样是非常困难的；而文献[1]分析了定时偏差对系统容量的影响，如果均方根定时误差达到40ps以上，系统的容量将下降一半左右，这就对接收机的定时性能提出了极高的要求。

利用二阶数字锁相环的概念，文献[4]提了一种二阶数字定时环并详细分析了高斯脉冲的阶数对定时偏差的方差的影响。但该数字定时环建立在相关函数g(ε_k)的线性化的基础上，因此只能捕获较小的定时偏差ε_k，较大的观测噪声和扰动很容易造成失锁，特别地，当脉冲重复周期偏差θ较大时该定时环无法锁定；并且该定时环对定时抖动和高斯观测噪声的滤波作用较弱，因此均方根定时误差比较大。因此文献[4]，有如下缺点：