徐广辉，蔚保国，赵军，鲍亚川，杨梦焕，于雪岗

(1.卫星导航系统与装备技术国家重点实验室,石家庄 050081；2.中国电子科技集团公司第五十四研究所,石家庄 050081)

0 引言

超宽带(ultra wideband，UWB)信号因其超宽的带宽和极窄的脉冲波形使其具备时间分辨率高、扛多径效应好、系统复杂度低、功耗低以及抗干扰能力强等的特点，其定位精度理论上可以达到厘米量级.在室内定位[1]、车辆协同定位[2-3]以及物联网[4]应用等场景中发挥重要作用，同时基于UWB 信号独特的信号体制设计，UWB 技术在现代军事、灾害搜救等方面也扮演着越来越重要的角色，UWB 穿墙雷达[5-6]的应用与普及就是最好的例子.随着IEEE 802.15.4a标准的出台，UWB 物理层被引入到WLAN 标准中，利用 UWB 技术来实现一种高效节能、高数据率的通信技术，同时具备高精度测距的能力成为一种可能[7-8].而最新的标准IEEE 802.15.4z 中则突出了UWB 信号用于测距性能的改进和相关信号设计规范与建议，对于推进UWB 技术在通导一体化应用领域的快速发展起到积极作用.作为卫星导航定位系统的重要补充，通信导航一体化设计以北斗+5G、北斗+低轨、北斗+物联网等技术手段实现覆盖范围更广、精度更高、更加稳健的时空服务[9]，而作为实现室内室外无缝覆盖、地上地下无缝衔接的重要手段，UWB 技术在综合PNT 服务的“最后一公里”和万物互联的最后0.1 m 扮演重要角色.通导一体化UWB 信号体制设计中重点突出测距性能与通信性能的融合[10]，通信能力与测距能力将成为UWB 信号设计的整体能力而不再区分各自的重要性，通信性能与测距性能的一致性将成为未来UWB 信号体制设计的参考指标.测距距离、测距精度、通信解调误码率等要素的统筹设计将成为未来UWB 信号的设计标准.当前针对UWB信号测距与定位性能的研究，主要是在IEEE 的标准框架下进行有关定位算法[11-12]、典型应用场景[8]下的应用方法等方面的研究，但对于如何从信号设计的角度出发，通过信号处理的方式提高UWB 终端的接收灵敏度，从而实现在规定的发射功率下增加测距距离的研究文献则比较少.

本文在前期工作的基础上从UWB 信号的测距距离、测距精度角度出发进一步探索了UWB 信号的接收处理方法，通过延长相干积分处理时间进一步提升接收机的接收灵敏度，进而达到提升测距距离和测距精度的目的.论文以典型的UWB 信号为研究对象，从高频脉冲(high frequency pulse，HRP) UWB 和低频脉冲(low frequency pulse，LRP) UWB 中分别选择了一组具有典型参数特征的UWB 信号进行长相干积分接收处理试验.试验结果表明，长相干积分算法能够有效提升HRP UWB 信号的测距距离，增加的处理增益可以提高UWB 信号的测距精度，而长相干积分算法对LRP UWB 信号则没有明显的增益效果，试验结果对UWB 信号的设计方向有一定的指导意义.需要强调的是长相干积分算法是以增加硬件平台的处理资源为代价实现的，因此长相干积分的积分时长受到硬件资源的限制，积分序列的选取或者设计要满足一定的规则才能达到增益提升的目的.

1 UWB 信号典型结构

1.1 HRP UWB 信号典型结构

HRP UWB 协议数据单元(presentation protocol data unit，PPDU)由同步帧头(synchronization header，SHR)、物理层帧头(physical header，PHR)、物理层载荷组成，其中SHR 由同步字段(SYNC)和帧开始界定符(start frame deilimiter，SFD)组成，物理层载荷来自数据链路(MAC)层的层数据服务单元(presentation service data unit，PSDU)数据.SYNC 由多个相同的前导符号组成，每个前导符号包含一组完整的前导码，前导码有2 种长度，分别为31 和127，其中31 为强制支持，127 为可选支持，前导码均为三元码{-1，0，1}.每个前导符号由三元码序列组成，序列长度为31(或127)，在码符号间插入若干个码片持续时间构成一个前导符号，SHR 的信号结构如图1 所示.

图1 HRP UWB 信号SHR 信号结构

论文中选定前导SYNC 和帧开始界定符的符号数分别为64Tsymb、8Tsymb，每个Tsymb由127 个前导码序列以及码元之间的插值构成，即L=127，每个码元的后面插入3 个零值以降低脉冲拖尾造成的脉冲叠加能量损失.其中码元序列{C(0)C(1)···C(L-1)}具有一定的伪随机性.

HRP UWB 物理层头与物理层载荷采用突发位置调制(burst position modulation，BPM)和二进制相移键控(binary phase shift keying，BPSK)即BPMBPSK 调制.在BPM-BPSK 调制方式中，每个符号能够携带2 bit 信息，分别是脉冲位置1 bit，和脉冲极性1 bit.脉冲位置信息来自经过跳时扩展的比特流，而脉冲极性信息则来自加扰后的比特流.

符号结构如图2 所示.每个符号周期为Tsymb，由Nv个码片组成，每个码片周期为Tv，Tsymb=Nv*Tv.每个符号分为2 个BPM 区间，即Tbpm=Tsymb/2，脉冲可能出现第一个或者第二个区间中，脉冲出现的位置携带了1 bit 的信息.在每个符号周期中，只传递1 个突发，并且Tburst≪Tbpm.每个突发只可能出现在Tbpm的前半部分，后半部分为保护间隔.突发的具体位置以跳时的形式提供多用户的并发接入.1 个突发由Nv个码片周期组成，长度为Tburst=Nv*Tv.

图2 HRP UWB 信号物理层(PHR+PSDU)信号结构

1.2 LRP UWB 信号典型结构

根据IEEE 802.15.4z 协议LRP UWB 支持三种信号传输模式即基础模式、扩展模式和长程模式，三种模式对应不同的数据传输速率和定位精度.论文以基础模式为例进行长相干积分算法的仿真测试.基础模式下，每个符号携带1 bit 信息，符号周期Tsymb为1 μs，每个符号内只发射一个脉冲，脉冲位置在符号的中心，符号结构示意图如图3 所示.对于500 MHz 带宽的脉冲信号而言，脉冲重复周期为2 ns，对于1 μs 的符号周期而言，符号的中间位置为2 ns 的脉冲，其他位置则全为零.由于LRP UWB 信号的脉冲重复率低，信号能量可以累积更长的时间然后集中发射，因此可以有效提升UWB 信号的传输距离.

图3 基础模式符号结构

基础模式的脉冲重复频率PRF 为1 MHz，采用二进制振幅键控(on-off keying，OOK)调制方式，即符号中有1 个窄脉冲即为1，没有窄脉冲即为0.与HRP UWB 的信号结构相同，LRP UWB 的帧结构同样由SHR、PHR 和物理层载荷组成，物理层信号结构如图4 所示.

图4 LRP UWB 信号物理层信号结构

2 UWB 信号测距原理与信号结构

2.1 双向测距原理

UWB 信号的测距过程是利用通道中SHR 的周期不变特征，通过实时侦收UWB 基站与标签信号中的SYNC 序列和SFD 序列实现信号同步进而实现传输时间的测定，实现基站与标签之间距离的测量，测距流程如图5 所示.

图5 UWB 信号双向测距

式中，c为光速.在信号检测过程中相干检测算法利用前导符号中码序列的伪随机性获得一定程度的扩频增益，使接收端获得一定程度的抗干扰能力，同时使接收端具备更高的接收灵敏度.而非相干检测算法是对所有接收信号能量的无差别利用，在信道特征较为复杂的情况下难以实现高精度测距，且存在较高的通信解调误码率.

具体测距流程如下：

1) 基站在t0时刻开始发射UWB 信号；

2)标签接收UWB 信号，在t1时刻完成SHR 同步；

3)标签完成SHR 同步后向基站发射UWB 应答信号；

4)基站接收UWB 信号，在t2时刻完成SHR 同步；

5)基站利用发射时刻t0与接收时刻t2的时间差推算基站与标签之间的距离.

令Δt表示UWB 信号SHR 的固定时长，则基站与标签之间的距离d可以表示为

2.2 HRP UWB 信号的长相干积分

UWB 双向测距是通过基站与标签之间互相进行数据帧的传输实现的，而基站与标签完成同步的标志是成功检测到SHR，并以SHR 结束时刻作为测距时间差的计量依据.因此，长相干积分的主要目的是实现对SHR 的高灵敏度接收检测，完成对SHR 结束时刻的精确测定.基于以上目的，长相干积分选择SHR中SFD 的部分或者全部作为接收终端的本地参考码序列，基于匹配滤波原理实现对UWB 信号的同步接收，并据此完成对通信数据的解码恢复.

仿真中SFD 序列长度为8，具体数值为[0 +1 0-+1 0 0-].SFD 序列中的每个符号与SYNC 中定义的前导符号一致，采用长度为127 的前导码序列，每个前导码包括4 个码片持续时间Tv，只有第一个码片为前导序列的值，其他为0.前导码具体数值如下：{++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“+”表示数值+1，“-”表示数值-1，“0”表示数值0.该序列具备一定的伪随机性，表现出良好的自相关与互相关特征，相关结果如图6 所示.

图6 前导码序列自相关结果

2.3 LRP UWB 信号的长相干积分

仿真中SFD 序列长度为64，具体数值为{00010111 00101100 10000101 01111100 00111 100 11101110 00101010 11000110}.SFD 中每个符号的数值同时表示该符号中是否存在脉冲，即“0”表示该符号中无脉冲序列，“1”表示该符号中间位置存在一个脉冲，如图4 所示.前导符号SYNC 则由128 个全1 的符号序列构成.由于SHR 中每个前导符号仅在固定位置可能存在脉冲，因此单个符号的相干积分不存在相干增益，若通过长相干积分的方法实现UWB 信号的同步头检测，则只能通过增加符号间的伪随机性和脉冲序列的长度来实现.

3 长相干检测仿真实验

3.1 HRP 与LRP UWB 信号的长相干积分仿真

根据IEEE 标准，UWB 信号的平均发射功率限制为-41.3 dBm/MHz，峰值发射功率限制为50 MHz带宽内0 dBm.仿真中选择的信号频段为3 494.4 MHz，带宽499.2 MHz，通过设置不同的信号传输距离对信号的同步结果进行仿真，以2 GHz 的采样率分别对HRP 与LRP UWB 信号进行采样分析.为了对长相干积分的效果进行评估，仿真过程中同时对单符号脉冲序列(1 μs)以及多符号脉冲序列分别进行相干积分，通过对比长相干积分增益与单位相干积分增益之间的关系来确认长相干积分的效果.

3.1.1 HRP UWB 信号长相干积分仿真

如图7～9 所示，原始信号表示的是完整的UWB信号，1 μs 相关结果表示的是以长为127 的前导码序列为本地参考序列与接收到的UWB 信号进行相关的结果，8 μs 长相干结果指的是以8 μs 的SFD 脉冲序列为本地参考序列与接收到的UWB 信号相关的结果.

图7 传输距离60 m 时相干积分同步检测结果

图8 传输距离70 m 时相干积分同步检测结果

图9 传输距离80 m 时相干积分同步检测结果

3.1.2 LRP UWB 信号长相干仿真实验

图10 为50 m 传输距离下原始信号、1 μs 相干积分、8 μs 长相干积分相关结果对比图，图11 为50 m传输距离下8 μs 长相干积分的峰值差分结果；图12为70 m 传输距离下原始信号、1 μs 相干积分、8 μs长相干积分相关结果对比图，图13 为70 m 传输距离下8 μs 长相干积分的峰值差分结果；图14 为80 m传输距离下原始信号、1 μs 相干积分、20 μs 长相干积分相关结果对比图，图15 为80 m 传输距离下20 μs长相干积分的峰值差分结果。

图10 传输距离50 m 时不同相关长度下相干结果

图11 传输距离50 m 时8 μs 长相干积分峰值差分结果

图12 传输距离70 m 时不同相关长度下相干结果

图13 传输距离70 m 时8 μs 长相干积分峰值差分结果

图14 传输距离80 m 时不同相关长度下相干结果

图15 传输距离80 m 时20 μs 长相干积分峰值差分结果

图11 和图13 中长相干峰值差分结果图是指将8 μs 长脉冲序列作为本地参考序列与接收到的UWB 信号进行相关；图15 中长相干峰值差分结果图是指将20 μs 长脉冲序列作为本地参考序列与接收到的UWB 信号进行相关，以单个符号内的相关峰为参考进行临近相关峰的两两做差得到差分序列.LRP UWB 信号脉冲序列具有稀疏性，且符号内的脉冲序列不是随机序列，因此进行稀疏序列的相干运算时存在多相关峰的情况.考虑到LRP UWB 信号SHR 中的前导序列符号全为1，与SFD 进行相关运算时存在多相关峰.通过检测相关峰差分结果中的最大值可以找到SFD 的同步位置.

3.2 实验结果总结

HRP UWB 信号不同时长相干积分结果表明，使用1 μs 积分时长进行信号接收时，接收机实现可靠接收的信号传输距离为55 m，当使用8 μs SFD 脉冲序列作为本地参考码序列进行积分时，接收机实现可靠接收的信号传输距离为75 m，比1 μs 积分时长对应的信号传输距离增加了至少20 m.因此，通过延长HRP UWB 信号的相干积分时长可以有效提升UWB信号的测距距离.

对比不同积分时长的LRP UWB 信号同步检测结果可以发现，LRP UWB 信号1 μs 积分时长对应的可靠信号传输距离为70 m，这是降低的脉冲重复频率实现了发射功率的累积，提升了单个脉冲的发射功率，进而增加了有效传输距离.但是将相干积分时长延长至8 μs 时并没有增加信号的传输距离，事实上，即便在更近距离情况下8 μs 的积分时长也难以实现SHR 的有效检测，如图10～13 所示.这主要是因为LRP UWB 信号的脉冲序列相对HRP UWB 信号而言具有更低的脉冲重复频率，单脉冲的符号结构需要更长的脉冲序列来增加积分增益，如图14～15 所示，积分时长延长至20 μs时，可将测距距离提升至80 m.因而对于LRP UWB 信号而言，长相干积分带来的积分增益与其消耗的硬件处理资源相比不成正比.

4 结束语

本文以HRP UWB 和LRP UWB 信号中的典型信号为例对长相干积分算法进行了仿真研究.结果表明，对于HRP UWB 信号而言，由于脉冲序列的良好自相关、互相关特征，在硬件资源允许的情况下，适当延长相干积分时间可以有效提升信号的测距距离.但是对于LRP UWB 信号而言，低的脉冲重复频率和小的相干积分增益使其需要更长的相干积分时间才能达到提升测距距离的目的，而延长的积分时间必然消耗更多的硬件资源，但由此带来的增益却不成正比，因此在硬件资源有限的情况下不便使用长相干积分算法增加LRP UWB 信号的测距距离.

致谢：感谢苏润佳、田润泽、崔宋祚、肖遥在试验中给与的支持和建议.