【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于集成电路领域，具体涉及一种用于超宽带系统的改进频偏补偿方法。
技术介绍
1、继超宽带(ultra-wide band，uwb)技术在手持设备中得到应用以后，其在智能汽车、室内定位、产品互联等领域的应用也在逐渐铺开。脉冲超宽带(impulse-radio uwb，ir-uwb)技术使用纳秒级的窄带脉冲来进行数据传输，而不是传统的连续正弦波，具有功耗低、抗干扰能力强、定位精确、安全性高等优点，这些特性使得脉冲超宽带技术在室内定位领域有相当的发展潜力。
2、电磁波在室内这种维度复杂且多障碍物的环境中传播时，由于发射、折射的作用，导致信号沿多条路径传播到接收端，且多径到达接收端的时间不同，因此产生信号衰弱和码间串扰；而ir-uwb信号在室内传播时呈分簇密集多径传播，由于脉冲信号的占空比极低，且时域不重叠，因此分离时间上的多径分量较为容易，密集的多径也使ir-uwb信号在传播时间敏感度较高，进而拥有厘米级精确定位的能力。
3、实际应用中的ir-uwb系统通过测距和测角进行定位，测距和测角是实现高精度定位的关键技术，然而载波频偏(cfo)是ir-uwb系统里面最常见的问题，对ir-uwb系统中的测距技术会产生很大影响，导致测距产生误差。在ir-uwb测距中，需要测量信号的来回传播时间，在ir-uwb系统中的时间精度又要求十分的高，频偏的存在使测距在相位以及频率上的误差也使得来回传播时间产生误差，最终导致测距的误差。在ir-uwb系统中，接收到的信号可能会因为cfo的影响而发生相位漂移。这种相位误差会导致
4、对于一个具有频偏的信号，其频率偏移后的相位变化可以表示为：
5、θ(t)＝2πδft+φ0，
6、其中，δf是频偏，t是时间，φ0是初始相位；即使在短时间内，频偏也会逐渐影响到相位的累积，导致测量的时间误差，从而使得测距结果产生偏差。频偏引起的相位误差不仅影响信号的同步，还直接影响到达时间的估算。因为toa(到达时间)的估算通常依赖于脉冲信号的时域特性，如脉冲到达的时间戳。当信号的频率发生偏移时，接收端会误判信号的开始时间或结束时间，从而使得距离估算发生偏差。频偏对uwb测距精度的影响可以通过数学模型进行量化，通常表现为频偏δf和测距误差d之间的关系。假设系统的时间分辨率为δt，则频偏引起的测距误差δd可表示为：
7、
8、其中，c是光速，δt是信号传播时间差，这表明，频偏增大将直接导致测距误差增大，特别是在高速动态场景下，误差的累积效应尤为明显。
9、现有技术中无线接收端通常采用锁相环(phase lock loop，pll)来进行频偏追踪和补偿，其优点在于一旦pll锁定，可以精确的确定频偏值。现有的pll频偏追踪方法主要通过输入信号与本地信号共轭相乘，然后进入鉴相器计算得出去除载波后的残余相位，再利用环路滤波器将相位差转换为频率调整值送入数控振荡器(nco)使输出的本地载波发生变化。通过图2所示过程的不断迭代，使nco输出信号的频率和相位逐渐与输入信号一致，完成锁定，即可实现频偏的纠正。
10、但这种方式同步速度较慢，如图3所示，其为uwb的帧结构图，主要用于说明信号同步字段(sync)在整个通信帧中的位置，横向表示时间轴或信号帧中的符号序列，展示从帧头到sync字段以及后续数据区域的时间分布，说明了在信号同步字段sync检测完成后才开始频偏追踪和sfd的检测。其中，shr(同步头)，sfd(帧起分隔符)，tsync表示sync序列持续的时间，tsfd表示帧起始定界符sfd持续的时间，tpre表示前导preamble字段的总时间。在最新的ieee 802.15.4z协议中规定的uwb系统最高的平均脉冲频率(mean pulse repeatfrequency，mprf)为124.8mhz，数据速率最高为27.2mbps；且用于同步的前导序列在最短时仅有16个符号，如表1所示。
11、表1ieee 802.15.4z协议规定的sync序列
12、
13、表1用于表示不同的sync序列类型所对应的sync序列的符号数量，即前导序列的长度，sync序列越长，信号检测的可靠性越高，同时pll的锁定精度也越高。表1中有short的短序列只有16个符号，使得频偏追踪与修正的难度进一步增加。当pll环路带宽固定时，收敛速度和同步精度难以兼顾，传统方法未能根据前导序列长度(sync长度)动态调整带宽，sync序列较短，频偏追踪与修正难度增加。pll的锁定精度受sync序列长度影响，短sync序列下精度不足。因此，有必要对传统的pll频偏追踪方法进行改进，使其适用于ir-uwb通信系统。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种用于超宽带系统的改进频偏补偿方法，将频偏追踪分为粗估计阶段和精追踪阶段，以sync的检测成功作为分界，在粗估计阶段对频偏值进行大概的估计，在精追踪阶段精确估计频偏值，加快整体的处理速度，并实现精度追踪。
2、本专利技术所述的一种用于超宽带系统的改进频偏补偿方法，包括以下步骤：
3、步骤1、对当前时刻接收到的uwb信号，利用其实部和虚部计算当前载波频偏的值，基于该频偏的值对uwb信号进行初次补偿；
4、步骤2、对初次补偿后的uwb信号进行sync检测，确定同步状态；检测完成后，根据sync长度设定环路带宽，预存滤波参数，以控制pll的收敛速度；
5、步骤3、对nco中预存储的正弦信号采样值进行处理，得到所需的本地信号，将本地信号与输入信号进行共轭相乘，完成载波剥离；
6、步骤4、使用cordic算法对剥离载波之后的信号进行计算，得到相位差；
7、步骤5、将步骤4得到的相位差作为环路滤波的输入，计算输出修正值，并将其反馈到nco中，从而调节本地信号的相位和频率，完成uwb信号的频偏精准补偿。
8、进一步地，步骤1具体为：
9、对当前时刻接收到的uwb信号s(t)：
10、s(t)＝i(t)+jq(t)
11、其中，t为当前相位，i、q为信号的实部和虚部，j为虚数单位；用欧拉公式展开，为：
12、
13、其中，r(t)为s(t)的模，是0或π的相角，θ0为接收端初始相位；由于uwb信号为扩频信号，解扩后的信号表示为：
14、
15、其中，δω为收发载波的频偏产生的相位差，或i，θ0为接收端初始相位，n(t)为高斯信道产生的零均值高斯噪声；
16、为了得到δω，对接收到的uwb信号进行截取得到的两段数据，对k时刻的相邻的两段数据r(k)和r(k-1)进行共轭相乘，d(k)表示为当前时刻k的信号，r*(k-1)为r(k-1)的复共轭，表示的是上一时刻信号的共轭形式：
17、d(k)＝r(k)×r*(k-1)，
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【技术保护点】
1.一种用于超宽带系统的改进频偏补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种用于超宽带系统的改进频偏补偿方法，其特征在于，步骤1具体为：
3.根据权利要求1所述的一种用于超宽带系统的改进频偏补偿方法，其特征在于，步骤2具体为：
4.根据权利要求1所述的一种用于超宽带系统的改进频偏补偿方法，其特征在于，步骤3具体为：
5.根据权利要求1所述的一种用于超宽带系统的改进频偏补偿方法，其特征在于，步骤4具体为：
6.根据权利要求5所述的一种用于超宽带系统的改进频偏补偿方法，其特征在于，步骤5具体为：
【技术特征摘要】
1.一种用于超宽带系统的改进频偏补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种用于超宽带系统的改进频偏补偿方法，其特征在于，步骤1具体为：
3.根据权利要求1所述的一种用于超宽带系统的改进频偏补偿方法，其特征在于，步骤2具体为：
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