超宽带信号双核稀疏逼近与加窗法噪声抑制

摘要

超宽带无线通信作为下一代无线通信网络的关键技术之一，具有抗干扰性能强、带宽极宽、功耗低、安全性高等特点，是无线通信中的研究热点。超宽带通信系统对信道衰落的敏感度高，因此，信道估计在超宽带技术中扮演着非常重要的角色。根据奈奎斯特采样定理，超宽带数字接收机在信道估计之前需要以极高的速率对信号进行采样，这对现有的模数转换技术来说是个巨大的挑战，也成为超宽带技术发展亟需解决的瓶颈之一。
　　为了降低超宽带数字接收机的采样速率，J.Paredes，G.R.Arce和Z.Wang提出了利用压缩感知理论来解决超宽带系统中信道估计的问题。压缩感知理论指出，如果信号在某一字典或表达基下表现出稀疏性，那么我们就可以利用一组数量远小于Nyquist采样点数的随机观测值，通过非线性重构算法恢复出原始信号。通过压缩感知的使用，可以大大降低超宽带信号的采样速率。
　　本文主要研究基于压缩感知的脉冲超宽带信道估计问题，论文的主要研究成果包括以下两个方面:
　　1.以一致性采样理论为依据，探讨了超宽带信号的稀疏逼近问题，提出了超宽带信号的双核稀疏逼近方法。相比于传统的单核稀疏逼近方法，双核稀疏逼近方法能够更有效地捕获超宽带信号能量，降低信号逼近误差。基于双核稀疏逼近思想，提出了一类双核字典，包括双核希尔伯特字典、双核交叉希尔伯特字典和双核叠加希尔伯特字典，并将他们应用于基于压缩感知的超宽带信道估计。仿真结果表明:在单核字典中，希尔伯特生成核构造的字典与超宽带脉冲生成核构造的字典性能一致，明显优于导数生成核构造的字典;与单核字典相比，提出的双核字典可以获得更高的信道估计精度，进而有效地提升接收机的误码率性能。
　　2.为了抑制噪声倍增效应对压缩感知超宽带信道估计的影响，提出了时域加窗的方法。该方法针对超宽带多径信道的特点，利用信道模型的先验知识，即平均功率延迟剖面和均方根时延扩展，在信道估计的过程中加入时域窗口，舍弃观测窗口之外的信道波形，有效地降低了噪声对信道估计过程的影响。仿真结果表明:当采用相同数量的观测值时，时域加窗方法相比于传统的压缩感知信道估计方法具有更高的信道估计精度和更好的系统误码率性能;当误码率性能的要求一致时，相比于传统的压缩感知信道估计方法，时域加窗方法能够更有效地降低超宽带信号的采样速率;在时域加窗方法中，相比于单核字典，提出的双核字典仍然具有更好的误码率性能。

目录

声明

摘要

符号说明

第1章 绪论

1．1 超宽带技术概述

1．2 压缩感知理论概述

1．3 压缩感知在超宽带信道估计中的应用

1．4 本文的研究目的和内容安排

1．4．1 研究目的

1．4．2 内容安排

第2章 脉冲超宽带系统与压缩感知理论

2．1 脉冲超宽带系统

2．1．1 超宽带脉冲信号

2．1．2 超宽带信号的调制

2．1．3 超宽带信道模型

2．1．4 超宽带接收机

2．2 压缩感知理论

2．2．1 压缩感知理论框架

2．2．2 信号的稀琉表示

2．2．3 观测矩阵

2．2．4 重构算法

2．3 基于压缩感知的脉冲超宽带信道估计

2．3．1 脉冲超宽带系统模型

2．3．2 压缩感知脉冲超宽带信道估计原理

2．4 本章小结

第3章 脉冲超宽带信号的双核稀疏逼近

3．1 一致性采样理论

3．1．1 一致性采样理论的框架

3．1．2 误差最小化

3．2 脉冲超宽带信号的双核稀疏逼近

3．2．1 基于希尔伯特变换的生成核

3．2．2 双核稀疏字典的构造

3．3 性能分析

3．3．1 逼近性能分析

3．3．2 误码率分析

3．4 本章小结

第4章 基于CS-UWB的时域加窗方法

4．1 超宽带信号观测中的噪声倍增效应

4．2 基于CS-UWB的时域加窗方法

4．2．1 超宽带信道统计特性

4．2．2 时域加窗方法

4．3 性能分析

4．3．1 窗口宽度的影响

4．3．2 基于双核希尔伯特字典的加窗方法性能分析

4．4 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

硕士期间的研究成果