脉冲超宽带低复杂度低功耗接收技术研究

论文摘要

脉冲超宽带通信利用低占空比的极窄脉冲作为载体传递信息,具有低成本、低功耗、低功率谱密度和高传输速率的优势,非常适合高速无线互联、无线个域网和无线传感网等应用。由于其应用场景对成本、功耗和体积非常敏感,脉冲超宽带技术对低复杂度低功耗有非常高的要求。但是窄脉冲信号极大带宽和时域能量集中特点在带来优势的同时,也使得传统的技术方案在脉冲超宽带系统中不能很好地实现低复杂度和低功耗。本文主要研究脉冲超宽带通信技术的低复杂度低功耗方法。从影响脉冲超宽带通信系统复杂度和功耗的主要因素来看,接收技术是其低复杂度低功耗设计的关键。其中在模拟接收中,其主要问题又在于相关积分和同步;而在全数字接收中,则是高速率的模数转换。对此,从脉冲超宽带的特点出发,论文提出了一些相应的解决方法:针对高速宽带信号模拟积分实现复杂度高的问题,考虑到脉冲超宽带的低占空比特性,我们提出低复杂度的低占空比脉冲等效积分方法。性能分析计算表明,典型情况下该方法降低复杂度所带来的信噪比损失不到0.15dB。针对窄脉冲信号同步困难的问题,考虑到窄脉冲能量主要集中在脉冲中间,我们提出基于相关窗的正交正弦同步方法。通过对其同步环路模型的研究,得到环路传递函数,进而仿真了其性能,结果表明该方法具有很好的捕捉跟踪性能。针对高速率模数转换问题,考虑到脉冲的瞬时信噪比很高,而脉冲的调制方式常常是低阶调制,我们提出采用低位宽取样的解决办法,并较为完整地研究了最具代表性的单比特取样基本理论和实现技术。对单比特信道容量的研究表明,在低信噪比时,BPSK是最佳的调制方式,而在高信噪比时,高阶调制能够提高系统传输信息量;对最大似然接收机的分析和仿真表明,在复杂多径信道中,单比特取样在各种二元调制下的信噪比损失均为1.96dB,而增加一比特的取样位宽能够带来1.4dB收益。对低位宽取样接收的实现技术,论文提出了优化的迭代信道估计方法和最大似然同步方法,使得单比特取样能够应用于实际系统;仿真结果表明,在典型信道下实际的单比特取样接收能够逼近其理论性能边界。本文的研究结果对低复杂度低功耗的脉冲超宽带接收机,尤其是低位宽取样全数字接收机的设计有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 插图目录
• 表格目录
• 第1章 绪论
• §1.1 超宽带无线通信概述
• 1.1.1 定义及特点
• 1.1.2 历史和现状
• 1.1.3 研究热点和趋势
• §1.2 超宽带实现方式
• 1.2.1 脉冲无线电（IR）
• 1.2.2 直接序列扩频（DS）
• 1.2.3 多带正交频分复用（MBOA）
• §1.3 超宽带低复杂度低功耗设计
• 1.3.1 无线系统的复杂度与功耗
• 1.3.2 超宽带低复杂度低功耗需求
• 1.3.3 低复杂度低功耗设计一般方法
• §1.4 论文研究内容及结构与创新点
• 1.4.1 论文研究内容
• 1.4.2 论文结构
• 1.4.3 主要创新点
• 第2章 IR-UWB通信系统及其复杂度功耗分析
• §2.1 IR-UWB通信系统基本结构
• 2.1.1 UWB信道模型
• 2.1.2 发射机结构与特点
• 2.1.3 接收机结构与特点
• §2.2 IR-UWB通信系统复杂度和功耗分析
• 2.2.1 复杂度和功耗评价方法
• 2.2.2 影响复杂度和功耗的主要因素
• 2.2.3 低复杂度低功耗设计关键问题
• §2.3 现有解决方案存在的问题
• 2.3.1 基于能量检测接收
• 2.3.2 匹配滤波接收方法
• 2.3.3 传输参考接收方法
• 2.3.4 正交正弦相关接收
• §2.4 小结
• 第3章 IR-UWB模拟接收机低复杂度低功耗设计
• §3.1 IR-UWB模拟接收机特点和技术难点
• 3.1.1 IR-UWB模拟接收机特点
• 3.1.2 IR-UWB模拟接收机技术难点
• §3.2 低复杂度低功耗门控积分方法
• 3.2.1 传统门控积分方法
• 3.2.2 新型等效门控积分方法
• §3.3 IR-UWB模拟接收机同步方法
• 3.3.1 符号同步概述
• 3.3.2 最大似然同步
• 3.3.3 正交正弦相关同步方法
• §3.4 小结
• 第4章 IR-UWB低位宽取样数字接收机
• §4.1 全数字接收机
• 4.1.1 全数字接收机结构和特点
• 4.1.2 IR-UWB全数字接收机技术难点
• §4.2 低位宽取样数字接收机
• 4.2.1 低位宽取样基本思想
• 4.2.2 需要解决的问题
• §4.3 1BIT取样接收机
• 4.3.1 系统模型
• 4.3.2 最大信息传输率
• 4.3.3 最大似然接收机
• 4.3.4 接收性能
• 4.3.5 模板估计
• 4.3.6 同步估计
• §4.4 2BIT取样接收机
• 4.4.1 系统模型
• 4.4.2 接收机结构及性能
• §4.5 小结
• 第5章 结束语
• §5.1 全文总结
• §5.2 进一步的工作
• 参考文献
• 附录
• 附录A
• 附录B
• 致谢
• 攻读博士学位期间发表的论文和研究成果
• 攻读博士学位期间的研究经历