脉冲无线电超宽带同步问题研究

论文摘要

脉冲无线电（IR:Impuse Radio）通信系统的同步技术是本论文的主要研究内容。超宽带系统具有低功率谱密度,低功耗,低复杂度,低成本和高通信速率等特点,无论在学术界还是产业界,都是近年来无线通信领域的研究热点。作为超宽带通信的重要实现方案,脉冲无线电采用离散的极窄脉冲承载信息,与传统的载波通信有着显著不同。然而脉冲无线电信号特有的时域特性在很大程度上增加了接收系统定时同步的技术难度。本文的研究围绕IR-UWB通信的定时同步问题展开。在充分理解IR-UWB通信体制的基础上,本文系统的分析了IR-UWB通信对定时同步的需求,以及在同步问题的处理上与传统载波通信之间的区别;结合超宽带通信低功耗低复杂度的要求,提出了适合于基于正交正弦相关接收的IR-UWB接收机的分级同步算法,在理论上证明其合理性,并在演示系统中证明其可实现性和优良性能;此外,本文还分析了代表未来脉冲无线电超宽带通信发展方向的单比特接收机的接收原理及其同步问题。论文的主要贡献如下:一、本文深入讨论了正弦模板与高斯二阶微分脉冲之间的相似性,为采用正弦模板对IR-UWB信号进行相关接收提供了理论依据;针对基于正弦模板的两种接收机结构,给出了各层次同步的定时需求。在此基础上,本文为正交正弦相关接收机设计了分级同步方案。二、详细描述了正交正弦相关接收机各级同步的数据处理流程,在理论上说明其合理性,充分讨论了各级同步模块的可实现性;采用Markov状态转移的分析方法,推导出多径环境下,同步流程中脉冲搜索步骤所耗用的时间。三、针对正交正弦相关接收机同步单元设计与实现中遇到的实际问题,给出了详细的解决方案及理论支撑。其中,包括帧格式,尤其是帧头训练序列的设计方法;采用切换保持合并策略（SSC:Switch and Stay Combining）进行多径合并;准自适应频率调整策略;以及同步系统软硬件实现中技术难点的解决方案。四、为了进一步系统化集成化IR-UWB通信的接收系统,本文还研究分析了基于单比特采样的IR-UWB通信接收原理,并通过实验仿真分析了该系统对各层次同步的定时需求,给出了该系统可行的同步方案。五、通过以上研究,本文提供了一套切实可行的、用于脉冲无线电超宽带通信系统的分级同步方案,并研制出实用的同步系统。该同步系统已应用于国家863计划重大项目“IR-UWB通信演示系统”,演示表明,系统具有很高的数据传输率和优良的通信效果,验证了分级同步方案的正确性与优良性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
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• 表格目录
• 第1章 绪论
• §1.1 研究背景
• 1.1.1 超宽带技术的发展历史
• 1.1.2 超宽带技术的概念与现状
• §1.2 超宽带通信系统的特点
• §1.3 UWB通信的几种实现方案
• 1.3.1 脉冲无线电超宽带技术
• 1.3.2 直接序列扩频超宽带技术
• 1.3.3 多频带正交频分复用超宽带技术
• §1.4 脉冲无线电超宽带通信的关键技术
• §1.5 论文结构和创新点
• 1.5.1 论文结构
• 1.5.2 论文创新点
• 第2章 IR-UWB通信及其同步要求
• §2.1 IR-UWB信号分析
• 2.1.1 IR-UWB常用脉冲类型
• 2.1.2 IR-UWB常用调制方式
• 2.1.3 IR-UWB常用多址技术
• 2.1.4 IR-UWB多径模型
• §2.2 IR-UWB通信系统接收机原理
• 2.2.1 IR-UWB非相干系统接收机原理
• 2.2.2 IR-UWB相干系统接收机原理
• §2.3 同步在IR-UWB系统中的重要性
• 2.3.1 IR-UWB非相干系统的同步定时需求
• 2.3.2 IR-UWB相干系统的同步定时需求
• §2.4 小结
• 第3章 IR-UWB基于正弦模板的同步方法
• §3.1 IR-UWB通信使用正弦模板接收的性能
• 3.1.1 正弦模板与高斯二阶微分脉冲的相似性
• 3.1.2 降低正弦模板相关接收带来的衰减
• §3.2 使用正弦模板的IR-UWB相关接收结构
• 3.2.1 单支路正弦模板接收机
• 3.2.2 正交正弦相关接收机
• §3.3 正交正弦相关接收机分级同步原理
• 3.3.1 系统平台及同步功能
• 3.3.2 同步单元框架
• 3.3.3 分级调制的同步帧头设计
• §3.4 正交正弦相关接收机分级同步流程
• 3.4.1 脉冲搜索
• 3.4.2 符号同步
• 3.4.3 帧同步
• 3.4.4 脉冲同步
• 3.4.5 频率同步
• §3.5 同步时间分析
• §3.6 小结
• 第4章 正交正弦相关接收机的同步实现
• §4.1 基于OSCR的IR-UWB相干通信系统简介
• 4.1.1 IR-UWB通信系统总体构架
• 4.1.2 发送端的脉冲发生装置与调制技术
• 4.1.3 接收机时钟板的设计
• §4.2 数据帧设计问题
• 4.2.1 同步帧头训练序列设计
• 4.2.2 帧结构中数据长度的设计
• 4.2.3 数据帧的设计方案
• §4.3 IR-UWB多径合并策略
• 4.3.1 多径合并策略带来的信噪比增益
• 4.3.2 系统采用的多径合并策略
• §4.4 频率同步的频率调整策略
• 4.4.1 频率同步调整策略分类
• 4.4.2 频率同步调整步长的确定
• §4.5 同步单元的其他实现难题
• 4.5.1 双输入流水线相加器
• 4.5.2 同步单元实现流程
• §4.6 系统运行情况与小结
• 第5章 单比特接收原理及其同步问题
• §5.1 单比特接收机原理
• 5.1.1 单比特接收方法的起因
• 5.1.2 单比特采样的接收模型
• 5.1.3 单比特接收机的接收策略
• §5.2 单比特接收机的定时同步需求
• 5.2.1 数据仿真环境
• 5.2.2 单比特接收系统对采样点位置偏移的敏感性
• 5.2.3 单比特接收系统对采样频偏的敏感性
• §5.3 单比特接收机的同步方案
• 5.3.1 符号同步与帧同步
• 5.3.2 频率同步
• §5.4 小结
• 第6章 总结和展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间论文与研究成果