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《北京邮电大学》 2019年
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TC-OFDM高精度无线时间同步技术研究

杨寅  
【摘要】:在室内复杂环境下,由于屋顶、墙体等障碍物遮挡,GPS卫星信号质量较差,无法提供精确的位置服务。TC-OFDM系统是高精度室内外无缝定位系统,能够满足室内外高精度、多样化的位置服务需求。在室外,TC-OFDM系统使用室外基站播发定位信号;在室内,TC-OFDM系统使用室分系统播发定位信号。借助于室外基站和室分系统,TC-OFDM系统得以实现室内外定位信号的无缝覆盖,而高精度时间同步是保障TC-OFDM室分系统同步播发定位信号的必要前提,也是TC-OFDM系统提供精确室内位置服务的必要条件。本文针对有线时间同步方式布网繁琐以及现有的无线时间同步方式精度不足等问题,设计并实现了面向TC-OFDM室分系统的高精度无线时间同步系统,实现了亚纳秒级相对时间同步精度。该系统的研究主要分为主节点的高精度基准频率源获取方法研究以及室内节点间的时间同步技术研究,针对高精度基准频率源获取方法中的载波频率捕获精度低以及基于超宽带的时间同步子系统在复杂环境下存在高时间测量噪声等问题进行了理论创新研究和工程实践。本文主要的研究内容和成果有:1、针对高精度基准频率源获取方法中的载波频率捕获精度低的问题,提出了基于三次样条插值的频率估计方法。该方法使用多个并行的下变频器和积分单元清零器,将存储的射频信号与多个本地频率进行下变频和积分计算,利用三次样条插值算法对积分结果进行拟合,最终得到残留载波频率估计值。仿真结果表明,在少量增加计算复杂度的前提下,本算法使得频率估计误差均值约为现有方法的1/3。2、针对基于超宽带的时间同步方法在复杂环境下存在高时间测量噪声的问题,提出了一种基于卡尔曼滤波器的比例积分微分控制方法,该方法将相差和频差作为状态向量,利用比例积分微分控制构建闭合相位控制环路。仿真结果表明,该方法充分利用了时间测量噪声的统计特性,减小了时间测量噪声对同步精度的影响,与现有比例积分微分控制方法相比,该方法能够提高同步精度37.41%。3、设计并实现了基于超宽带的时间同步子系统,构建了基于时间测量、基于卡尔曼滤波器的比例积分微分控制以及时钟驯服的相位闭合跟踪环路。设计了时间测量整周跳变校正模型;提出了基于DW1000内部系统计数器的粗同步方法和基于发送者-接收者混合模式的时间测量方法;仿真和实测结果表明,在使用长度为16bits的数模转化器和短期频率稳定度为1e-9/s的压控温补晶振,同时设定校准时间为0.6s的条件下,基于超宽带的时间同步子系统能够实现长期的相对时间同步,且相对时间同步精度优于±0.5 ns。综上,本文首先提出了基于三次样条插值的频率估计方法解决了高精度基准频率源获取方法中的载波频率捕获精度低的问题;第二提出了一种基于卡尔曼滤波器的比例积分微分控制方法,解决了基于超宽带的时间同步子系统在复杂环境下存在高时间测量噪声的问题;第三设计并实现了面向TC-OFDM室分系统的高精度无线时间同步系统,解决了TC-OFDM室分系统高精度无线时间同步难题。
【学位授予单位】:北京邮电大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:TN967.1;TN929.53

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