基于IR-UWB安全通信接收机结构与算法理论研究

论文摘要

随着现代通信技术的发展，以及数据传输应用的需要，对于通信系统的短距离高速数据传输能力的要求越来越高，室内超宽带脉冲无线电（Impulse Radio Ultra Wideband，IR-UWB）技术具有很高的潜在吞吐能力，是满足短距离高速数据传输的有力竞争者。IR-UWB由于具有低功耗、低复杂度、高速率以及低截获与低检测概率（low probability of interception／low probability of detection，LPI／LPD）等众多优点，近年来受到了研究者的广泛关注，尤其在军事安全通信领域内的应用，具有非常广阔的前景。 随着对IR-UWB无线通信研究的不断深入，如何有效地估计与检测信号，已经成为一个关键的技术。目前对于超宽带脉冲无线电技术的研究还存在许多的问题，由于室内密集多径的环境影响，信号的能量被扩散开，传统的接收机结构和算法很难满足IR-UWB接收机的要求。同时，由于IR-UWB的脉冲持续时间非常短，一般小于1纳秒，而且信号能量在时间域上非常集中，这些特点使得IR-UWB通信系统需要极为快速和精确的定时同步。这些困难，严重制约了超宽带脉冲无线电技术地发展与应用。 基于对超宽带脉冲无线电技术地认识与研究，本文针对室内复杂的密集多径环境下，IR-UWB的信道均衡技术，接收机结构和接收算法，以及通信系统的快速同步方法等，进行了深入细致地研究，并取得了一定的成果。论文的主要研究内容与创新成果如下： 第一，首先从历史的角度，回顾了超宽带无线电技术的发展过程，探讨了超宽带通信的基本概念，实现方式，及其优势与特性，总结归纳了当前UWB通信技术中主要的关键技术，值得研究的课题和所面临的问题。 第二，对脉冲无线电理论进行了深入地研究。介绍了脉冲无线电的基本原理，给出了系统发送信号的数学模型，以及常用的高斯二次脉冲波形和伪随机跳时多址的概念，并比较了几种常用的调制方式。总结了超宽带脉冲无线电通信系统的发射机和接收机的基本构成，包括基本的理想脉冲相关匹配接收机和非相干接收机的结构。 第三，研究探讨了超宽带脉冲无线电的信道均衡技术。虽然宽带通信系统一般不考虑均衡，而只是利用信号的多径分集进行多径合并接收以改善接收效果，但是由于超宽带使用的场所通常为室内的环境，密集的多径信道产生严重的码间干扰和不可分辨的邻近多径干扰，而且这些干扰具有非线性的特性，因此我们介绍了文献[78]中提出的等价线性模型均衡算法以及符号级的自适应等价线性模型均衡算法。该均衡算法通过采用等效调制序列的反馈均衡器、信息数据与邻近多径干扰的联合预判决以及干扰对消方法，减小码问干扰以及邻近不可

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图目录
• 表目录
• 第1章 绪论
• 1.1.超宽带脉冲无线电简介
• 1.2.UWB信号的主要类型
• 1.2.1.脉冲无线电
• 1.2.2.单带载波方式
• 1.2.3.多带载波方式
• 1.3.UWB无线通信系统的特点
• 1.3.1.系统通信容量大
• 1.3.2.低成本,低功耗
• 1.3.3.能够共享频谱资源
• 1.3.4.信号衰减小,穿透能力强
• 1.3.5.定位精度高,多径分辨率高
• 1.3.6.保密安全性能好
• 1.4.IR-UWB通信系统的主要研究内容和关键技术
• 1.4.1.UWB信号的估计与检测
• 1.4.2.UWB系统快速高精度的同步技术
• 1.4.3.UWB脉冲信号的波形设计
• 1.4.4.UWB系统与现有窄带系统的电磁兼容和频谱共存
• 1.4.5.UWB信号的传播特性和信道模型
• 1.4.6.UWB信号编码与调制方式的考虑
• 1.4.7.UWB天线理论与实现技术
• 1.4.8.UWB无线通信网络协议
• 1.5.本文的工作与创新点
• 1.6.论文的结构安排
• 第2章 IR-UWB系统的基本理论
• 2.1.超宽带脉冲无线电系统模型
• 2.2.调制方式
• 2.3.跳时多址
• 2.4.IR-UWB系统发射机
• 2.5.IR-UWB系统接收机
• 2.5.1.理想脉冲匹配接收模型
• 2.5.2.非相干接收机
• 2.6.本章小结
• 第3章 IR-UWB信道均衡技术
• 3.1.引言
• 3.2.室内UWB信道模型
• 3.2.1.Intel的UWB室内信道模型
• 3.2.2.802.15.SG3a给出的信道模型
• 3.3.多径信道对脉冲接收信号的影响
• 3.4.等价线性模型均衡算法
• 3.4.1.等价线性序列反馈均衡
• 3.4.2.预判决与干扰对消
• 3.4.3.均衡器结构
• 3.5.自适应等价线性模型均衡算法
• 3.6.本章小结
• 第4章 IR-UWB的RAKE接收机及自适应滤波算法
• 4.1.引言
• 4.2.常用RAKE接收机的估计算法
• 4.3.带有遗忘因子的快速横向滤波算法推导
• 4.3.1.快速横向滤波算法的数学模型
• 4.3.2.带有遗忘因子的FTF算法推导
• 4.3.3.带有遗忘因子的FTF算法时间更新关系
• 4.3.4.小结
• 4.4.基于快速横向滤波算法的IR-UWB RAKE接收机
• 4.5.性能仿真
• 4.6.本章小结
• 第5章 基于正交正弦相关接收的快速同步方案
• 5.1.引言
• 5.2.正交正弦相关接收机
• 5.2.1.单支路锁相环接收模型
• 5.2.2.双支路正交接收模型
• 5.2.3.OSCR结构性能分析
• 5.3.新的快速同步方案
• 5.4.仿真结果及性能分析
• 5.5.本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1.论文总结
• 6.2.未来研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文
• 攻读博士学位期间参加的科研项目