复杂多径下IR-UWB自适应频偏估计算法研究

在脉冲超宽带定位系统中,时钟频率偏移是影响测距和测角精度的重要因素;针对复杂多径下频偏估计精度低的问题,设计了一种适应复杂多径环境的脉冲超宽带自适应频偏估计算法;首先,借助脉冲超宽带信号的抗多径优势,将实时估计的信道脉冲响应作为自适应匹配滤波模板,以保证复杂多径下相关峰的准确提取;利用相关峰辐角信息得到前导符号的相位序列;再使用贝叶斯估计算法提高频偏估计精度;在IEEE 802.15.4a标准CM1、CM2多径信道下进行仿真,仿真结果表明,低信噪比情况下,频偏估计精度保证在0.2 ppm以内;在巷道环境实验结果表明,50 m范围内频偏估计标准差在0.06 ppm以内;实现了复杂多径环境下高精度频偏估计,具有较强的实用性。

引入时距信息的IR-UWB雷达多域特征融合呼吸模式识别方法

人体呼吸系统相关疾病常常伴随着呼吸深度和节律的异常,因此呼吸信号监测和呼吸模式识别在医疗健康领域中尤其是对于睡眠监测、疾病预断具有重要意义。其中,非接触式的脉冲式超宽带雷达(Impulse Radio Ultra-Wideband,IR-UWB)因具有良好的距离分辨率和穿透能力以及全天候全天时、安全无创的检测优势,正逐步成为睡眠健康监护领域中最关键的感知技术之一。然而受睡眠监测特定的室内场景影响,复杂的测量环境给呼吸模式特征的准确提取带来了限制和挑战,传统的雷达呼吸模式识别算法主要关注一维呼吸时、频域特征,而IR-UWB雷达目标回波信息分散在多个距离门内,使用一维特征识别准确率较低。为此,本文针对IR-UWB雷达中人体呼吸在时间上慢速起伏运动、在距离上是扩展目标的信号模型特点,提出了一种引入时距信息的IR-UWB雷达多域特征融合呼吸模式识别方法。算法在提取一维呼吸信号波形时、频域特征的基础上更进一步挖掘雷达二维时距图像中潜在的呼吸模式形态特征,通过多域特征融合实现呼吸模式的非接触式检测和识别。在图像处理上,针对图像受呼吸异常节律影响呈现局部粘连特性导致呼吸周期提取难的问题,提出一种通过相位矩阵图像处理来检测雷达图像中的呼吸时距条带从而获取图像特征的方法。实验结果表明,利用该算法提取的多域特征对六种呼吸模式进行机器学习的分类识别,可以实现96.3%的识别准确率。

基于IR-UWB的睡眠状态下人体呼吸波形检测方法

睡眠过程中的人体呼吸波形检测对于智慧康养和医疗保健应用至关重要,结合不同的呼吸波形模式可以实现睡眠质量分析和呼吸系统疾病检测.传统基于接触式设备的呼吸感知方法会给用户带来诸多不便,与其相比,非接触式感知方法更适合进行连续性监测.然而,在睡眠过程中由于设备部署、睡眠姿态以及人体运动都具有随机性,严重限制了非接触呼吸感知方案在日常生活中的使用.为此,提出一种基于脉冲超宽带(impulse radio-ultra wide band,IR-UWB)的睡眠状态下人体呼吸波形检测方法.所提方法以睡眠状态下人体呼吸时其胸腔起伏导致无线脉冲信号传播路径的周期性变化为基础,进而生成细粒度的人体呼吸波形,实现呼吸波形的实时输出以及呼吸速率的高精度估计.首先,为了从接收无线射频信号中获取人体呼吸时的胸腔位置,提出一个基于IR-UWB信号的呼吸能量比指标来实现目标位置估计.然后,通过提出基于I/Q复平面的向量投影方法和基于呼吸向量圆周位置的投影信号选择方法,从反射信号中提取到人体呼吸特征波形.最后,结合变分编码器-解码器网络来实现睡眠状态下细粒度的呼吸波形恢复.通过在不同条件下进行大量实验测试,结果表明所提方法在睡眠状态下监测的人体呼吸波形与商用呼吸带获得的真实波形高度相似,其呼吸速率的平均估计误差为0.229 bpm,可实现高精度的睡眠状态下人体呼吸波形检测.

低功耗高速率IR-UWB发射机设计与实现

针对高速无线通信的应用场景,该文提出了一种低功耗高速率的脉冲超宽带发射机架构。发射机采用注入锁定环形振荡器产生射频载波,同时基带信号通过基于有限长单位冲激响应滤波器的模拟延迟线产生发射所需要的波形,不仅减少了发射机的功率损耗,而且更好地满足了FCC MASK的要求。该发射机电路采用40 nm CMOS工艺设计和仿真验证,仿真结果表明,所提出的脉冲超宽带发射机可实现OOK和BPSK调制,具有1.1 GHz和2.2 GHz两种发射带宽,最大数据传输速率可达499.2 Mb/s,其能量效率为11.8 pJ/bit。

基于时频域特征融合的IR-UWB穿墙雷达人体行为识别方法

冲激脉冲(impulse radio,IR)超宽带(ultra-wideband,UWB)穿墙雷达因其良好的穿透性和距离分辨率在穿墙人体行为识别领域具有重要作用,但是常规识别方法仅采用单域特征对行为模式进行描述,识别准确率不高。针对这一问题,提出基于时频域特征融合的IR-UWB穿墙雷达人体行为识别算法。首先,通过杂波抑制及距离补偿方法获取高信噪比的人体行为距离像。其次,基于距离像提取目标时域特征,与频域特征进行融合,构建数据集。最后,基于支持向量机(support vector machine,SVM)算法对人体行为进行识别。实验结果表明,所提算法对于IR-UWB穿墙雷达人体行为识别能够达到95%的准确率。

基于IR-UWB雷达的多视角融合动态目标追踪

近年来,对运动目标的定位和追踪被广泛地应用于室内导航、智能家居、安防监控和智慧医疗等场景.基于无线射频信号的非接触式定位追踪受到了研究人员的广泛关注,其中基于商用IR-UWB的技术能够以较低的成本和功耗实现目标定位和追踪的功能,具有较强的发展潜力.然而,现有工作大多存在以下问题:1)追踪场景受限,只针对理想情况下室外或者相对空旷的室内场景进行建模和处理;2)目标的运动状态受限且建模过于理想;3)虚假动态目标引起的追踪精度不足.为了解决这些问题,在理解多径场景下接收信号谱组成的基础上,提出一个基于IR-UWB的动态目标追踪方法.首先提取原始信号谱中动态成分,并利用基于高斯模糊的多径消除和距离提取算法,消除了多径干扰,仅保留与运动目标直接相关的一次反射信息,从而准确地获取了目标的距离变化曲线.随后,提出多视角融合算法,将不同视角上的设备距离信息进行融合,实现对自由活动目标的准确定位和追踪.此外,还搭建一个基于低成本商用IR-UWB雷达的实时动态目标追踪系统.真实室内家居场景中的实验结果表明,系统估计的人体中心的位置与真实运动轨迹的误差始终小于20 cm.在改变实验环境、实验者、活动速度、设备高度等影响因素的情况下,系统依然鲁棒.

IR-UWB定位系统距离误差建模及性能研究

基于相干TOA测距算法,研究了IR-UWB无线室内定位系统中由脉冲信号传播特性导致的多径误差和NLOS误差的建模问题。首先利用IEEE 802.15.4a信道模型中的多径信息给出了与系统带宽有关的多径距离误差分布参数。结合IR-UWB信号穿墙传播几何结构,理论推导了穿墙额外传播时延导致的几何距离误差限。对完全NLOS环境下定位的仿真结果表明,利用NLOS距离误差信息直接对TOA测距结果的修正可以显著提高定位精度。

IR-UWB穿墙测距误差研究

通过将IR-UWB穿墙测距NLOS误差建模为由空间结构导致的几何距离误差和脉冲信号波形失真导致的峰值偏移误差.依据高频射线理论推导了基于收发节点距离和墙体参数的几何距离误差限.通过对IR-UWB信号穿墙透射机理的建模,研究了频率依赖性导致的波形失真问题及相应的TOA测距误差.仿真结果表明,几何距离误差主要由墙体障碍物参数决定,受收发节点间距离的影响不大;IR-UWB信号穿墙传播会发生波形畸变,墙体的非均匀性和相对介电常数越大,波形畸变越严重,由此导致的TOA相关峰值偏移误差维持在脉冲信号距离分辨率范围内.

IR-UWB测距中NLOS状态的鉴别

NLOS效应是IR-UWB测距定位系统中影响精度的主要因素之一。该文提出不依赖于信道估计,直接从接收信号采样序列中提取特征参量进行NLOS鉴别的方法,构造了采样序列的首均比与峰均比乘积作为鉴别参量,并与使用峭度和平均附加时延这两个参量的鉴别性能进行了对比。仿真结果表明:相干测距所对应的鉴别性能要好于非相干测距,原因是更为精确的DP检测结果及高采样速率使得参量提取值更能准确地反映信道状态信息;使用峭度和平均附加时延作为鉴别参量所能获得鉴别性能均不理想,而使用采样序列的首均比与峰均比乘积能使鉴别成功率提高10%左右。在定位模块中融入该文所获得的NLOS的鉴别结果将有助于定位精度的进一步提升。

针对IR-UWB无线传感器网络的两步能量测距法

针对无线传感器网络节点低成本、低运算能力的特点,基于脉冲超宽带技术的无线传感器网络提出了一种基于能量检测的两步测距法。这种方法针对DP(direct path)分量进行TOA(time of arrival)估计,具体包含对DP所在能量块的广义似然比检验和能量块内对DP精确位置的极大似然估计两部分。给出了DP能量块检测概率和估计结果的闭合表达式,通过理论和数值分析了积分长度等系统参数对于TOA估计性能的影响,并建立了估计误差的数学模型。最后通过仿真结果进行了性能比较,并验证了分析结论。与传统方法比较的结果表明,该算法可以在复杂度较低的条件下取得一定的性能提升。

IR-UWB相干系统的同步技术

IR-UWB(Impulse radio-ultra wide bandwilth)通信系统基带信号采用极窄脉冲,快速精确的同步技术是系统面临的巨大挑战。本文提出一个基于正交正弦相关接收的IR-UWB相干系统的同步方案,对同步部分的各个子模块进行了详细的设计和实现。该系统在室内密集多径环境中的测试表明,本文提出的同步方案定时恢复准确,虚警及漏警概率低,工作可靠。

基于压缩感知的IR-UWB系统的抗量化噪声对策研究

为减小压缩感知框架下脉冲超宽带(IR-UWB)信号低速采样接收过程中量化噪声的影响,基于对压缩测量值均等携带信息及高斯分布特性的考虑,设计出了三种有效的改进量化机制:过载均匀量化、非均匀量化和过载非均匀量化。充分考察了过载机制中过载因子的影响因素,拟合得到逼近最优过载的优化方案。仿真结果表明这三种改进机制都比均匀量化有较大的性能提升,尤以过载非均匀量化性能改善最为显著,而过载均匀量化机制以很低的实现复杂度获得了比复杂度颇高的非均匀量化机制更高的性能,为压缩感知框架下的IR-UWB系统提供了一种实用的量化方式。

一种1V低电压全数字3.1～10.6 GHz IR-UWB发射机

基于延迟生成并合成窄脉冲方法,采用标准0.18μm CMOS工艺设计了一种3.1~10.6GHz全频段IRUWB发射机.通过对数据及时钟信号进行适当地延迟并用于控制脉冲形成单元电路,使其在不同的时钟沿产生对应于不同数据电平的0°和180°五阶高斯脉冲,实现BPSK调制及高斯脉冲同时产生的功能,从而有利于简化电路结构,降低功耗.版图后仿真实验结果表明：在电源电压为1V的情况下,输出脉冲峰-峰值为200mV,宽度为280ps,其功率谱密度符合FCC的UWB频谱规范;其最高数据率可达400 Mb/s,功耗仅为12.5pJ/b.

关于IR-UWB接收机技术的研究

在分析AWGN信道特性的基础上,通过研究典型调制方式下的超宽带冲激无线电信号(IR-UWB)的接收机结构,找到了一种IR-UWB最佳接收机.重点研究了在脉冲位置调制、脉冲幅度调制和二进制相移键控调制方式下,接收机抗距离衰落和加性高斯白噪声性能.通过对系统的仿真研究和性能分析,得出了基于BPSK调制方式下接收机的性能最优,并且结构简单易实现.

多径信道下的IR-UWB快速捕获算法

脉冲超宽带(IR-UWB)的传统同步算法捕获时间长,且IR-UWB信道多径情形严重,导致同步捕获十分困难.针对该问题提出了多径信道下一种新的快速捕获算法,利用多径信道特征构造两个本地模板信号分别与接收信号相关,比较其相关输出后,自适应改变模板信号重复相关运算,迅速减小搜索区域;当达到一定迭代次数后,在新的搜索区域上采取串行全搜索方法捕获同步延迟,估计信道多径信息.理论分析和仿真结果表明,相比传统捕获算法,该算法捕获时间大大缩短,能够捕获多径能量,而且可以进行信道估计,便于PRAKE(partial rake)接收.

面向IR-UWB基于直接序列设计抑制窄带干扰算法

针对窄带系统对超宽带冲激无线电系统(Impulse Radio Ultra-wideband,IR-UWB)的干扰问题,提出基于Rayleighritz理论的直接序列(Direct Sequence,DS)设计方案,记为RRDS。通过设计DS序列,使得IR-UWB频谱在窄带干扰频率点上产生陷波,从而实现抑制干扰的目的,同时,通过RRDS方案,提高IR-UWB系统的误码率。RRDS方案先建立目标矩阵,并求解最小特征值及对应的特征向量。如果特征向量里面的元素有非+1或-1的值,则通过符号函数将特征向量转变为全部由+1,-1组成。若最小特征值是多重,先将所有的特征向量通过符号函数转变为全部由+1或-1组成的向量,并在这些向量里找出使目标矩阵的值最小的特征向量,将此向量作为直接序列DS。仿真结果表明,提出的RRDS方案有效地抑制窄带干扰,并提高了IR-UWB系统的误码率。

IR-UWB信号随机性压缩采样和重建方法

针对直接采样IR-UWB通信信号所需采样频率过高难以实现的问题,利用其时域稀疏这一特性,研究了非相干压缩感知框架下的IR-UWB信号压缩采样方法。首先,分析了以高斯二阶脉冲为基本波形的IR-UWB信号的稀疏性,给出了稀疏度估计方法。其次,提出了基于时域稀疏性的IR-UWB信号非相干随机性压缩采样方法及其重建方法。最后通过仿真实验分析了不同压缩采样比条件下,基于随机性压缩采样的IR-UWB信号重建性能。仿真实验结果表明:本文方法在压缩采样比不低于0.3时,可以高概率精确重建IR-UWB信号。

CORRELATED INTERFERENCE CANCELLATION FOR IR-UWB

In this letter,we propose a hybrid analog/digital detection algorithm,the Correlated In-terference Cancellation(CIC) algorithm,for Impulse Radio Ultra-WideBand(IR-UWB) system.The CIC algorithm correlates received signal with its delayed versions in the analog domain and samples the correlation output at the symbol rate.The symbol rate samples are processed in the digital domain to perform interference cancellation.Therefore,CIC works for high data rate systems with heavy In-terSymbol Interference(ISI).Simulation results show that CIC achieves good performance in typical UWB channels.

基于时域射线法的IR-UWB信号穿墙传播建模与分析

研究了一种基于时域射线追踪技术(Time Domain Ray Tracing)适用于大尺度室内环境传播建模的IR-UWB信号传播模型。该模型综合考虑室内传播存在的多径效应、阴影效应和穿墙效应等物理现象,引入墙体内部的时域传输系数和墙体至空气的时域透射系数,分析并解释了时域传播系数的物理意义。模型利用了IR-UWB信号时域极窄的特点,与传统的FDTD方法相比,能够显著提高大尺度环境下的计算效率。最后通过与实测结果的对比,验证了该模型的有效性,详细研究了模型的计算精度及误差成因。

基于IR-UWB系统的高速准循环LDPC编解码器设计

阐述了一种基于脉冲无线电超宽带(Impulse radio ultra-wideband,IR-UWB)系统的高速低密度奇偶校验码(Low density parity-check codes,LDPC)算法推导及其性能比较,分析了渐进添边算法(Progressive edge-growth,PEG)结合分块准循环(Quasi-cyclic,QC)的方式实现校验矩阵的构造以及单位阵(I矩阵)和Q矩阵作为子循环矩阵时的性能,并通过Matlab仿真的误比特曲线对算法进行分析。该LDPC解码器的设计采用一种基于变量因子的最小和(Minimum sum,MS)译码算法,硬件复杂度较低,在标准UWB衰弱信道中,误码率10-6下产生约3.2dB信噪损失。