脉冲体制超宽带通信系统定时同步算法及电路结构研究

论文摘要

超宽带（ultra-wideband,UWB）技术已成为近些年学术界和工业界极为关注的无线通信技术之一。其中,IR-UWB（impulse radio UWB）方案采用亚纳秒或皮秒级的脉冲序列直接进行基带传输,避免了载波频偏（carrier frequency offset,CFO）所引起的性能下降,同时系统复杂度也因无需对载波进行处理而大大降低。此外,良好的多径可辨性削弱了室内多径衰减所引起的能量损耗,使得UWB信号以低发射功率进行传播并与其他通信方式共享频谱成为可能。更值得一提的是,通过香农公式的计算,极窄脉冲承诺了较高的信道容量,为短距离高速无线通信提供了一条新的途径。然而,正由于采用了极窄脉冲进行传输,UWB通信系统的设计面临着极大的挑战。其中,定时同步环节的设计尤其重要。即便很小的定时误差都有可能引起较大的误码率性能下降。以高性能和低复杂度为目标,本文研究了IR-UWB系统中的定时同步算法及电路实现;提出了一种基于CML估计的改进型定时同步算法及电路结构、一种基于TDT方案的改进型定时同步算法及电路结构以及一种基于非相干结构的CML解调算法及电路结构。本文研究工作涵盖了以下几个方面:1.在算法级,改进了CML算法的噪声模板生成方式以及中间参数的估计方法,提高了算法归一化均方误差性能。2.在算法级,改进了TDT方案的噪声模板生成方式,并对原算法的估计算式进行改进以提高算法的可实现性。3.在电路级,提出一种改进型CML算法的优化结构、一种改进型TDT算法的优化结构以及一种基于非相干结构的CML解调算法的优化结构。完成了三种算法从算法级到电路级的设计;通过MATLAB的算法性能仿真、FPGA的电路功能验证以及Design Compiler的电路代价评估,实现了高性能和低复杂度的设计要求。

论文目录

• 目录
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 基于UWB技术的无线通信系统
• 1.2 基于脉冲无线电（impulseradio,IR）的UWB系统
• 1.3 IR-UWB系统的优越特性
• 1.4 研究目的和内容
• 第二章 IR-UWB通信系统物理层介绍
• 2.1 系统链路
• 2.1.1 脉冲成形
• 2.1.2 符号调制
• 2.1.2.1 脉冲位置调制（PPM）
• 2.1.2.2 两相调制（BPM）
• 2.1.3 传输编码
• 2.1.4 IEEE802.15.3a推荐UWB信道模型
• 2.1.4.1 信道模型综述
• 2.1.4.2 信道描述
• 2.1.4.3 信道实现
• 2.1.5 定时同步
• 2.1.5.1 基于检测理论的方法
• 2.1.5.2 基于估计理论的方法
• 2.1.6 Rake接收机
• 2.2 IR-UWB定时同步面临的挑战及其解决方案
• 2.2.1 面临的挑战
• 2.2.2 解决方案
• 第三章 基于CML估计的改进型IR-UWB定时同步算法及硬件电路实现
• 3.1 系统模型
• 3.2 算法级方案
• 3.2.1 噪声模板的构建
• ξ的估计'>3.2.2 参数A_ξ的估计
• f的估计'>3.2.3 参数n_f的估计
• 3.3 硬件架构方案
• 3.3.1 第一级电路
• 3.3.2 第二级电路
• 3.3.3 第三级电路
• 3.4 算法性能仿真
• 第四章 基于TDT方案的改进型IR-UWB算法及硬件电路实现
• 4.1 算法级方案
• 4.1.1 预备知识
• 4.1.2 训练序列
• 4.1.3 改进型TDT算法
• 4.2 硬件架构方案
• 4.3 算法性能仿真
• 第五章 基于非相干结构的CML解调算法及硬件电路实现
• 5.1 研究意义
• 5.2 系统模型
• 5.3 算法级方案
• 5.3.1 抽取污染模板
• 5.3.2 积分清零
• 5.3.3 ML解调算法
• 5.3.4 CML解调算法
• 5.4 硬件架构方案
• 5.5 算法性能仿真
• 第六章 功能验证及实现结果
• 6.1 FPGA功能验证
• 6.2 VLSI综合结果
• 第七章 总结与展望
• 参考文献
• 硕士学习期间录用和发表的学术论文
• 后记与致谢