【技術實現步驟摘要】
本專利技術屬于集成電路領域，具體涉及一種用于超寬帶系統的改進頻偏補償方法。
技術介紹
1、繼超寬帶(ultra-wide?band，uwb)技術在手持設備中得到應用以后，其在智能汽車、室內定位、產品互聯等領域的應用也在逐漸鋪開。脈沖超寬帶(impulse-radio?uwb，ir-uwb)技術使用納秒級的窄帶脈沖來進行數據傳輸，而不是傳統的連續正弦波，具有功耗低、抗干擾能力強、定位精確、安全性高等優點，這些特性使得脈沖超寬帶技術在室內定位領域有相當的發展潛力。
2、電磁波在室內這種維度復雜且多障礙物的環境中傳播時，由于發射、折射的作用，導致信號沿多條路徑傳播到接收端，且多徑到達接收端的時間不同，因此產生信號衰弱和碼間串擾；而ir-uwb信號在室內傳播時呈分簇密集多徑傳播，由于脈沖信號的占空比極低，且時域不重疊，因此分離時間上的多徑分量較為容易，密集的多徑也使ir-uwb信號在傳播時間敏感度較高，進而擁有厘米級精確定位的能力。
3、實際應用中的ir-uwb系統通過測距和測角進行定位，測距和測角是實現高精度定位的關鍵技術，然而載波頻偏(cfo)是ir-uwb系統里面最常見的問題，對ir-uwb系統中的測距技術會產生很大影響，導致測距產生誤差。在ir-uwb測距中，需要測量信號的來回傳播時間，在ir-uwb系統中的時間精度又要求十分的高，頻偏的存在使測距在相位以及頻率上的誤差也使得來回傳播時間產生誤差，最終導致測距的誤差。在ir-uwb系統中，接收到的信號可能會因為cfo的影響而發生相位漂移。這種相位誤差會導致
4、對于一個具有頻偏的信號，其頻率偏移后的相位變化可以表示為：
5、θ(t)＝2πδft+φ0，
6、其中，δf是頻偏，t是時間，φ0是初始相位；即使在短時間內，頻偏也會逐漸影響到相位的累積，導致測量的時間誤差，從而使得測距結果產生偏差。頻偏引起的相位誤差不僅影響信號的同步，還直接影響到達時間的估算。因為toa(到達時間)的估算通常依賴于脈沖信號的時域特性，如脈沖到達的時間戳。當信號的頻率發生偏移時，接收端會誤判信號的開始時間或結束時間，從而使得距離估算發生偏差。頻偏對uwb測距精度的影響可以通過數學模型進行量化，通常表現為頻偏δf和測距誤差d之間的關系。假設系統的時間分辨率為δt，則頻偏引起的測距誤差δd可表示為：
7、
8、其中，c是光速，δt是信號傳播時間差，這表明，頻偏增大將直接導致測距誤差增大，特別是在高速動態場景下，誤差的累積效應尤為明顯。
9、現有技術中無線接收端通常采用鎖相環(phase?lock?loop，pll)來進行頻偏追蹤和補償，其優點在于一旦pll鎖定，可以精確的確定頻偏值。現有的pll頻偏追蹤方法主要通過輸入信號與本地信號共軛相乘，然后進入鑒相器計算得出去除載波后的殘余相位，再利用環路濾波器將相位差轉換為頻率調整值送入數控振蕩器(nco)使輸出的本地載波發生變化。通過圖2所示過程的不斷迭代，使nco輸出信號的頻率和相位逐漸與輸入信號一致，完成鎖定，即可實現頻偏的糾正。
10、但這種方式同步速度較慢，如圖3所示，其為uwb的幀結構圖，主要用于說明信號同步字段(sync)在整個通信幀中的位置，橫向表示時間軸或信號幀中的符號序列，展示從幀頭到sync字段以及后續數據區域的時間分布，說明了在信號同步字段sync檢測完成后才開始頻偏追蹤和sfd的檢測。其中，shr(同步頭)，sfd(幀起分隔符)，tsync表示sync序列持續的時間，tsfd表示幀起始定界符sfd持續的時間，tpre表示前導preamble字段的總時間。在最新的ieee?802.15.4z協議中規定的uwb系統最高的平均脈沖頻率(mean?pulse?repeatfrequency，mprf)為124.8mhz，數據速率最高為27.2mbps；且用于同步的前導序列在最短時僅有16個符號，如表1所示。
11、表1ieee?802.15.4z協議規定的sync序列
12、
13、表1用于表示不同的sync序列類型所對應的sync序列的符號數量，即前導序列的長度，sync序列越長，信號檢測的可靠性越高，同時pll的鎖定精度也越高。表1中有short的短序列只有16個符號，使得頻偏追蹤與修正的難度進一步增加。當pll環路帶寬固定時，收斂速度和同步精度難以兼顧，傳統方法未能根據前導序列長度(sync長度)動態調整帶寬，sync序列較短，頻偏追蹤與修正難度增加。pll的鎖定精度受sync序列長度影響，短sync序列下精度不足。因此，有必要對傳統的pll頻偏追蹤方法進行改進，使其適用于ir-uwb通信系統。
技術實現思路
1、為解決上述技術問題，本專利技術提供了一種用于超寬帶系統的改進頻偏補償方法，將頻偏追蹤分為粗估計階段和精追蹤階段，以sync的檢測成功作為分界，在粗估計階段對頻偏值進行大概的估計，在精追蹤階段精確估計頻偏值，加快整體的處理速度，并實現精度追蹤。
2、本專利技術所述的一種用于超寬帶系統的改進頻偏補償方法，包括以下步驟：
3、步驟1、對當前時刻接收到的uwb信號，利用其實部和虛部計算當前載波頻偏的值，基于該頻偏的值對uwb信號進行初次補償；
4、步驟2、對初次補償后的uwb信號進行sync檢測，確定同步狀態；檢測完成后，根據sync長度設定環路帶寬，預存濾波參數，以控制pll的收斂速度；
5、步驟3、對nco中預存儲的正弦信號采樣值進行處理，得到所需的本地信號，將本地信號與輸入信號進行共軛相乘，完成載波剝離；
6、步驟4、使用cordic算法對剝離載波之后的信號進行計算，得到相位差；
7、步驟5、將步驟4得到的相位差作為環路濾波的輸入，計算輸出修正值，并將其反饋到nco中，從而調節本地信號的相位和頻率，完成uwb信號的頻偏精準補償。
8、進一步地，步驟1具體為：
9、對當前時刻接收到的uwb信號s(t)：
10、s(t)＝i(t)+jq(t)
11、其中，t為當前相位，i、q為信號的實部和虛部，j為虛數單位；用歐拉公式展開，為：
12、
13、其中，r(t)為s(t)的模，是0或π的相角，θ0為接收端初始相位；由于uwb信號為擴頻信號，解擴后的信號表示為：
14、
15、其中，δω為收發載波的頻偏產生的相位差，或i，θ0為接收端初始相位，n(t)為高斯信道產生的零均值高斯噪聲；
16、為了得到δω，對接收到的uwb信號進行截取得到的兩段數據，對k時刻的相鄰的兩段數據r(k)和r(k-1)進行共軛相乘，d(k)表示為當前時刻k的信號，r*(k-1)為r(k-1)的復共軛，表示的是上一時刻信號的共軛形式：
17、d(k)＝r(k)×r*(k-1)，
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【技術保護點】
1.一種用于超寬帶系統的改進頻偏補償方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種用于超寬帶系統的改進頻偏補償方法，其特征在于，步驟1具體為：
3.根據權利要求1所述的一種用于超寬帶系統的改進頻偏補償方法，其特征在于，步驟2具體為：
4.根據權利要求1所述的一種用于超寬帶系統的改進頻偏補償方法，其特征在于，步驟3具體為：
5.根據權利要求1所述的一種用于超寬帶系統的改進頻偏補償方法，其特征在于，步驟4具體為：
6.根據權利要求5所述的一種用于超寬帶系統的改進頻偏補償方法，其特征在于，步驟5具體為：
【技術特征摘要】
1.一種用于超寬帶系統的改進頻偏補償方法，其特征在于，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種用于超寬帶系統的改進頻偏補償方法，其特征在于，步驟1具體為：
3.根據權利要求1所述的一種用于超寬帶系統的改進頻偏補償方法，其特征在于，步驟2具體為：
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