IR-UWB频域接收机设计

论文摘要

冲击超宽带（IR-UWB）通信技术是一种新兴的无线通信技术,它利用纳秒至皮秒级的窄脉冲传输数据,具有传输速率高、抗多径能力强、安全性好以及精确的定位能力等诸多优点;特别是它能与现有的无线通信系统共存,不需要占用额外频谱这一特点,使它在频谱资源日益紧张的今天倍受关注。该技术已成为无线通信技术研究的热点之一,但超宽带技术要实现大规模商用,还有许多问题需要解决,其中之一就是接收机的设计。冲击超宽带系统的传统接收机结构为Rake接收机,但Rake接收机对脉冲同步和信道估计的要求很严格。为达到好的检测性能,必须估计接收信号中每条多径分量的精确延迟和增益系数。而超宽带信号的时间分辨率极高,使得IR-UWB的接收信号包含上百条可分辨多径。这些特性使IR-UWB有很强的抗多径能力,但也使脉冲时间捕获和信道估计非常困难。同时,由于IR-UWB脉冲带宽很大,对接收信号进行模数转换需要速率极高的ADC。实际中,IR-UWB系统很难用COMS电路实现,首先,高速ADC结构复杂功耗巨大,用COMS很难实现,而用其他技术又非常昂贵,其次,在ADC之后,脉冲同步、帧同步、信道估计等都需要复杂昂贵的高速电路。可见,高速ADC和脉冲精确同步已成为IR-UWB硬件实现的两大挑战。为了解决这两个难题,本文提出了频域接收机结构,该接收机中所有的信号处理都在频域进行。该接收机通过频域采样技术使得ADC转换速度与脉冲重复速率（PPR）相同,并且不需要精确的脉冲同步。本文研究了该接收机设计的一些关键算法,并通过计算机方针验证了它们的性能。本文的主要内容和创新点如下:首先,本文介绍了UWB系统的基本原理和相关概念,比如调制方式和多径信道模型等,介绍了IR-UWB的研究现状和面临的主要问题。其次,本文提出了完整的频域接收机结构,讨论了频域采样技术和频域脉冲同步。频域采样技术利用脉冲信号的平坦的频谱特性,在频域完成ADC,使得ADC的转换速率与脉冲重复速率相同。频域采样技术能收集观察窗口内全部的多径能量,且不需要精确的脉冲同步。在频域采样的基础上,本章讨论了两种脉冲粗同步方法:非相干能量比价法和频域TDT方法。再次,本文讨论了频域帧同步方法、频域信道估计方法和频域解调算法。帧同步通过滑动相关在频域实现。信道估计采用最大似然准则在频域进行,本文详细讨论了估计原理,并分析了估计的性能,推导了估计误差的克拉美-罗下界。理论分析和仿真结果都表明,频域信道估计的均方误差随信噪比的增加而线性减小,并且信道估计的复杂度与可分辨多径数目无关,因此频域信道估计比时域信道估计简单得多。本文讨论了频域解调算法,理论分析和仿真结果表明,在AWGN下频域接收机的性能与时域最佳接收机相同,在多径信道下频域接收的性能比最佳接收仅差1dB,但是频域接收机的复杂度远远低于时域最佳机。最后,本文分析了脉冲同步误差和ADC的量化比特数对接收机性能的影响。采用2比特量化的误码率性能仅比理想量化差1.5dB左右。另外,频域接收机对脉冲同步误差不敏感,在CM3信道下,若使用50ns的采样窗口,接收机可以容忍25ns的同步误差。总之,本文研究了IR-UWB的频域接收机结构,包括频域采样、频域脉冲同步、频域帧同步、频域信道估计和频域解调等技术。该接收机所需的ADC转换速度与仅脉冲重复速率相同,并且不需要精确的脉冲同步。而其误码率性能仅比最佳接收机差1dB,但实现复杂度比最佳接收机低很多。因此,本文的研究有效地解决了高速ADC和脉冲精确同步两大技术难题。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 图表目录
• 缩略语
• 第一章 绪论
• 1.1 超宽带通信技术介绍
• 1.1.1 超宽带的定义
• 1.1.2 超宽带通信的发展历史
• 1.1.3 超宽带通信技术研究现状
• 1.1.4 超宽带通信技术应用与发展前景
• 1.2 本文研究意图
• 1.2.1 UWB 系统设计面临的挑战
• 1.2.2 研究意图
• 1.3 本文主要工作
• 1.4 文章内容安排
• 第二章 冲击UWB 系统模型
• 2.1 UWB 信道模型
• 2.2 系统信号模型
• 2.3 本章小结
• 第三章 频域采样与频域脉冲同步
• 3.1 频域采样技术
• 3.1.1 频域采样的理论基础
• 3.1.2 周期信号的频域采样
• 3.1.3 UWB 脉冲信号的频域采样
• 3.2 频域脉冲同步
• 3.2.1 非相干能量比较的脉冲同步算法
• 3.2.2 频域TDT 方法
• 3.3 本章小结
• 第四章 频域接收机设计
• 4.1 频域帧同步
• 4.1.1 帧同步算法
• 4.1.2 帧同步性能分析
• 4.2 频域信道估计
• 4.2.1 脉冲UWB 系统的频域信道估计方法
• 4.2.2 信道估计的性能分析
• 4.3 频域解调
• 4.3.1 频域解调算法
• 4.3.2 频域解调的性能分析
• 4.4 脉冲同步误差对接收机性能的影响
• 4.5 频域量化
• 4.6 本章小结
• 第五章 结束语
• 5.1 论文的工作总结
• 5.2 下一步的工作
• 致谢
• 参考文献
• 硕士研究生期间的研究成果
• 个人简历