UWB多径信道分析与MB-OFDM系统的信道仿真

摘要

现代通信系统对带宽和数据速率的要求越来越高，超宽带(ultra-wideband，UWB)通信以其传输速率高、空间容量大、成本低、功耗低的优点，成为解决企业、家庭、公共场所等高速因特网接入需求与越来越拥挤的频率资源分配之间矛盾的技术手段。 论文主要围绕两方面展开分析。测距与定位是超宽带一个极有前景的应用。然而，由于超宽带信道的多径因素，为超宽带测距与定位引入了估计误差。因此，为了提高超宽带测距的精度，论文首先对超宽带多径信道展开了深入的研究。通过分析不同脉冲宽度与不同微分阶数的高斯系列脉冲在超宽带信道中的传播时延性能，给出了适用基于 TOA技术的IR-UWB测距的脉冲波形及相应的信道信噪比要求。论文的第二方面分析了UWB的多频段频分复用物理层提案(MBOA)，深入研究了发射端与接收端各部分的原理，用Matlab仿真工具完成了MB-OFDM系统的搭建。在这一仿真平台上，文章还研究了基于MB-OFDM系统的信道估计性能，给出了适用于多频带UWB系统的信道估计的方法，并通过仿真和分析验证了这些方法的性能。最后论文针对原有前导序列频谱不平坦的缺陷作了相应的改进，改进的方法并不增加接收机的复杂度，而且修改后的前导序列具有平坦的频谱，完全符合FCC的要求。 一个UWB信号有两个重要参数：绝对带宽和相对带宽。映射到脉冲波形，则反映在脉冲宽度和微分阶数上。一般来说脉冲宽度决定了信号的绝对带宽，微分阶数决定了该信号的相对带宽。在IEEE802.15.3a组织建议的超宽带多径信道，即无高斯白噪声的多径信道中传输高斯信号时，高斯波形的脉冲宽度对延时性能的影响比较大，而高斯脉冲的微分阶数对系统时延影响却不明显，可以忽略。由于高斯脉冲较易产生，因此在后文的研究中均以高斯脉冲为例。 为了更接近实际情况，本文在超宽带多径信道基础上加入了高斯噪声。在新的信道模型上再次考察脉冲的输出时延情况，以及 AWGN 信道信噪比对时延的影响。作者发现，当 AWGN 信道信噪比较小时，ι<,m>的变化随输入脉冲宽度的变化不大；当信噪比较大时，ι<,m>随输入脉冲宽度的增大而增大，且变化较大。 ι<,rms>随脉冲宽度的增大总体呈下降趋势；当信噪比很小或很大时，ι<,rms>随脉冲宽度变化改变不大。而当保持脉冲宽度不变时，随着信道信噪比减小，ι<,m>与ι<,rms>增大，而且信噪比对延时的影响存在一个门限。当信噪比从15dB到40dB变化时，ι<,m>变化很快，当信噪比从25dB到45dB变化时，ι<,rms>变化也很快，当信噪比到达50dB后，延时已基本不随信噪比增大而变化了。基于以上的研究，作者提出应把脉冲宽度控制在4ns以内，信道信噪比要求为 50dB，这可以作为IR-UWB测距时脉冲宽度选择的依据。 根据 MBOA提案提出的UWB物理层协议，本文用Matlab仿真工具搭建了MB-OFDM系统。为了提高系统的性能，减小误码率，系统的接收端需加入信道估计模块。本文通过对基于OFDM的多频带UWB无线通信的物理层处理过程，尤其是PLCP前导序列和导频子载波结构的研究，针对UWB无线传输的信道特性，给出了适用于多频带UWB系统的信道估计的方法，并仿真和分析比较了这些方法的性能。 同时，对前导序列的改进也能改善系统的传输性能。改进后的前导序列自相关性能提高了，且具有十分平坦的频域性能，可满足FCC的要求。