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DS-UWB系统伪码迭代捕获方法设计与实现

作　者: 杨光
导　师: 郝燕玲
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: 直接序列扩频超宽带 伪码捕获 因子图 迭代消息传递算法 FPGA实现
分类号: TN925
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 22次
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内容摘要


直接序列扩频超宽带(DS-UWB)系统采用低占空比的窄脉宽脉冲序列传输信号。在对其伪码进行同步捕获时,需要在很短的时间内同时完成码元定时捕获和伪码相位捕获。传统的同步捕获算法很难完成这一快速捕获要求。为了解决这一问题,本文研究将迭代消息传递算法(iMPA)应用于DS-UWB系统,实现伪码序列的快速捕获,并对该算法进行FPGA实现。本文首先介绍了直扩系统基本原理、UWB基本原理,在此基础上给出了DS-UWB系统的数学模型和工作原理,为后文的研究奠定了基础。其次,介绍了基于因子图的iMPA算法,详细分析了iMPA算法在m序列捕获中的应用原理。为了进一步提高iMPA算法的捕获性能,本文从因子图的结构入手给出了基于冗余因子图的iMPA算法和基于隐藏节点因子图的iMPA算法,并对它们的捕获性能分别进行了仿真分析。仿真结果表明,采用冗余因子图的iMPA算法能够有效提高捕获概率,加快算法收敛速度；因子图含有隐藏节点的迭代捕获方法与因子图不含隐藏节点的迭代捕获方法相比,捕获时间降低了一倍。再次,针对码元定时误差对DS-UWB系统iMPA算法的影响,本文采用了一种两级结构的伪码迭代捕获方法(TS-IA):首先在发射信号中加入周期性的定时捕获辅助脉冲序列,然后在同步捕获阶段的第一级结构中利用本地辅助脉冲序列模板对接收信号进行滑动相关快速获取定时同步信息,消除码元定时误差,完成码元定时捕获；在第二级结构中利用iMPA算法对伪码相位进行快速捕获。本文对此算法从捕获概率和捕获时间两方面进行了理论分析与仿真验证,仿真结果证明此算法可以实现DS-UWB系统伪码的快速捕获。最后,本文对TS-IA算法进行了FPGA实现。在实现的过程中,按Ts-IA算法的功能将其划分为了码元定时捕获模块、iMPA算法模块、相关与判决模块。在QuartusⅡ软件中分别对各模块进行设计实现,并利用ModelSim软件对各模块进行功能仿真,然后在QuartusⅡ软件中将各模块按照自下而上的方式搭建起来,完成整个算法的设计与实现。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-11
第1章 绪论  11-15
  1.1 课题研究的背景、目的和意义  11-12
  1.2 国内外相关技术发展现状  12-13
    1.2.1 DS-UWB伪码同步捕获技术现状  12
    1.2.2 迭代译码的技术现状  12-13
  1.3 论文主要研究内容与章节安排  13-15
第2章 DS-UWB系统原理  15-29
  2.1 直扩系统基本原理  15-19
    2.1.1 扩频通信概述  15-16
    2.1.2 伪随机码  16
    2.1.3 m序列的产生方式及特性  16-18
    2.1.4 直扩系统数学模型  18-19
  2.2 UWB基本原理  19-26
    2.2.1 UWB定义  19-20
    2.2.2 UWB信号特性  20-22
    2.2.3 UWB信道特性  22-26
  2.3 DS-UWB系统模型  26-28
    2.3.1 DS-UWB系统数学模型  26-27
    2.3.2 DS-UWB信号功率谱密度  27-28
  2.4 本章小结  28-29
第3章 基于iMPA的伪码快速捕获算法研究  29-51
  3.1 基于因子图的迭代译码算法  29-36
    3.1.1 边缘函数与因子图  29-30
    3.1.2 LDPC码的因子图表示  30-31
    3.1.3 Gallager概率译码算法  31-33
    3.1.4 和积算法  33-34
    3.1.5 对数似然比和积算法  34-36
    3.1.6 最小和算法  36
  3.2 m序列迭代捕获算法  36-40
    3.2.1 m序列因子图模型  36-37
    3.2.2 基于因子图的m序列iMPA捕获方法  37-40
    3.2.3 算法的性能仿真与分析  40
  3.3 基于冗余因子图的m序列iMPA捕获算法  40-45
    3.3.1 算法的原理与迭代运算规则  41-43
    3.3.2 冗余校验选择方式分析  43
    3.3.3 算法的性能仿真与分析  43-45
  3.4 基于隐藏节点因子图的m序列iMPA捕获算法  45-49
    3.4.1 算法的原理  45-46
    3.4.2 算法的消息传递规则  46-48
    3.4.3 算法的性能仿真与分析  48-49
  3.5 本章小结  49-51
第4章 DS-UWB伪码迭代捕获算法研究  51-71
  4.1 基于滑动相关的DS-UWB伪码捕获方法  51-55
    4.1.1 DS-UWB伪码全串行滑动相关捕获算法  51-53
    4.1.2 DS-UWB伪码快速串行搜索策略研究  53-55
  4.2 DS-UWB系统码元定时误差对iMPA算法的影响  55-58
    4.2.1 码元定时误差对码片级消息量的影响  55-57
    4.2.2 码元定时误差对算法捕获性能的影响  57-58
  4.3 DS-UWB两级结构伪码迭代捕获算法  58-63
    4.3.1 捕获算法的总体方案  58
    4.3.2 DS-UWB发射信号结构  58-60
    4.3.3 码元定时捕获原理  60-62
    4.3.4 伪码相位捕获原理  62-63
  4.4 DS-UWB两级结构伪码迭代捕获方法的性能分析  63-70
    4.4.1 算法捕获概率分析  63-65
    4.4.2 算法平均捕获时间分析  65-68
    4.4.3 捕获方法性能仿真  68-70
  4.5 本章小结  70-71
第5章 DS-UWB两级结构伪码迭代捕获算法FPGA实现  71-87
  5.1 系统总体开发设计方案  71-72
    5.1.1 DS-UWB伪码TS-IA捕获系统总体实现框架  71
    5.1.2 系统功能模块的划分  71-72
  5.2 码元定时捕获模块设计  72-76
    5.2.1 采样数据存储器设计  73
    5.2.2 本地模板序列滑动相关过程设计  73-74
    5.2.3 码元定时捕获模块的顶层实现电路  74-76
  5.3 iMPA模块设计  76-81
    5.3.1 迭代消息运算过程设计  76-78
    5.3.2 迭代消息存储器设计  78-79
    5.3.3 迭代结果向量选择算法设计  79-80
    5.3.4 iMPA模块的顶层实现电路  80-81
  5.4 相关与判决模块设计  81-86
    5.4.1 本地伪码序列恢复设计  81-83
    5.4.2 捕获判决设计  83-84
    5.4.3 相关与判决模块的顶层实现电路  84-86
  5.5 TS-IA算法的顶层实现电路  86
  5.6 本章小节  86-87
结论  87-88
参考文献  88-92
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  92-93
致谢  93

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 无线通信 > 无线电中继通信、微波通信
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