基于正交正弦相关的IR-UWB无线通信系统研究

摘要

室内IR-UWB(ImpulseRadioUltra-WideBand)通信系统具有很高的潜在吞吐能力，而且能够在提供大传输带宽的同时，保持低功耗、低复杂度和低价格等优点。这些特点使得IR-UWB通信系统引起了研究者的广泛关注。但是由于信号能量在时间域上非常集中等特点使得IR-UWB通信系统需要极为精确的定时同步，并且在复杂多径条件下由于能量被扩散而使得接收困难。这两个难题制约了IR-UWB通信系统的进一步推广。而且低占空比的IR-UWB信号是很难提高符号速率的，因此如何将高的吞吐潜力转为现实也是一个研究热点。 本文的研究内容集中在IR-UWB通信系统的定时问题分析，脉冲接收方法，室内密集多径环境下Rake接收技术和高阶调制下的信号接收。在这四个研究领域，本论文的研究成果和主要贡献如下： 第一，本文给出了IR-UWB通信系统对定时的要求，并指出在低成本条件下这个要求比较难达到。由于IR-UWB通信系统采用了极窄脉冲来进行信息的传输，其定时要求与载波数学通信系统差别较大。在相干/非相干解调两种情况下，定时抖动的要求比较接近，不象载波数字通信系统有较大的量级差别。因此，在IR-UWB通信系统中，对定时精度的要求相当高。通过对定时误差的分析，确定了在IR-UWB通信系统中，随机定时抖动将成为其基本影响成份，并对随机定时抖动的主要来源——基准时钟振荡器的相位噪声进行了分析，确定了相位噪声到定时误差估计过程中的关键参数，对系统设计时定时误差的预算提供了有力的帮助。 第二，本文提出了对IR-UWB通信系统所采用的极窄脉冲进行接收处理的正交正弦相关接收机。它具有优良的抗定时误差特性，给系统实现带来了很大方便。文中对其相关频率和相关窗宽度参数选取作了充分的讨论，找到了性能损失最小的参数组合。分析指出正交正弦相关接收机能够在较大定时误差条件下进行脉冲的正确接收，并通过仿真得到了充分验证。正交正弦相关接收机具有良好的可实现性，而且对高斯脉冲族具有良好的适应性，文中给出了各种脉冲的性能损失最小的参数组合。正交正弦相关接收对高斯脉冲族处理时，其中损失最大的仪0.7dB。而且不同调制方式的脉冲信号在此结构下也能够被有效地接收。 第三，本文提出了改进的ESBOD-Rake接收技术。由于密集多径的室内无线传输环境给IR-UWB通信系统的接收信号带来了严重的能量扩散和较大的衰落变化，信号的准确接收成为一个难题。虽然引入了Rake接收技术，但是最大比合并的Rake接收还是存在性能不随合并径数增加而改善的异常现象，为此，本文改进了Rake接收技术，对各个径的干扰分量进行相关性分析并据此得到最优的合并方案。这个方法明显改善了IR-UWB通信系统的性能，仿真结果也支持了这个观点。文中还深入讨论了ESBOD-Rake接收技术在设计中一些关键参数的选取问题。 第四，本文分析高阶PPAMIR-UWB系统在存在定时误差时的接收特性，提出了采用具有抗定时误差特性的OSCR来完成对高阶PPAMIR-UWB系统中极窄脉冲的接收。这样构成的系统能够很好地完成具有一定定时误差的高阶调制脉冲信号接收。通过分析和仿真说明了此系统在存在定时误差甚至是比较大的定时误差情况下，依然能够有效接收高阶调制的PPAM信号，稳健地实现较高的吞吐率。虽然在系统具有完美定时的情况下存在一定的性能损失，但这样的定时要求在实际系统环境中几乎是无法实现的，而且考虑到本系统的性能在很大范围的定时误差条件下均能保持稳定，这样的代价是可以接受的。 本文的分析指出低成本的IR-UWB通信系统的根本实现难题是定时稳定性要求难以达到。本文的研究成果使得低定时敏感度的高吞吐率IR-UWB通信系统成为可能，提升了系统在室内复杂多径环境中的传输性能，因而可以降低辐射功率避免干扰或者提升系统的吞吐能力。定时误差估计方法除了核算IR-UWB系统的定时预算外，对其他系统的设计也有一定借鉴作用。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：插图目录、表格目录

第1章绪论

§1.1 UWB系统的历史和现状

§1.2 UWB信号的主要类型

1.2.1脉冲无线电

1.2.2单带载波方式

1.2.3多带载波方式

§1.3UWB通信系统的特点

1.3.1系统通信容量大

1.3.2成本低，功耗低

1.3.3能够共享频谱资源

1.3.4信号衰减小，穿透能力强

1.3.5定位精度高，多径分辨率高

1.3.6保密安全性能好

§1.4 IR-UWB通信系统主要研究方向

1.4.1快速高精度的同步技术

1.4.2脉冲产生和接收技术

1.4.3Rake接收技术

1.4.4信道估计技术

1.4.5系统共存能力

§1.5论文的结构和主要创新点

1.5.1论文的结构

1.5.2论文的主要创新点

第2章IR-UWB通信系统基本构成与特征

§2.1 IR-UWB通信系统的发射机

2.1.1 IR-UWB通信系统发射机基本构成

2.1.2 IR-UWB通信系统发射机的特征

§2.2 IR-UWB通信系统的相干接收机

2.2.1 IR-UWB通信系统相干接收机的基本构成

2.2.2 IR-UWB通信系统相干接收机的特征

§2.3 IR-UWB通信系统的非相干接收机

2.3.1 IR-UWB通信系统非相干接收机基本构成

2.3.2 IR-UWB通信系统非相干接收机的特征

§2.4小结

第3章IR-UWB通信系统定时问题分析

§3.1定时抖动的定义和分类

3.1.1系统性定时抖动

3.1.2非系统性定时抖动

§3.2频率源的定时抖动估计

3.2.1定时抖动和相位噪声的关系

3.2.2定时抖动的估计方法

3.2.3频率上下限对定时抖动估计的影响

§3.3 IR-UWB通信系统的定时抖动估计

3.3.1发射端的定时抖动估计

3.3.2接收端由基准时钟导致的定时抖动估计

3.3.3接收端由跟踪误著导致的定时抖动估计

3.3.4系统总的定时抖动估计和优化

§3.4载波数字通信系统中的定时抖动要求

§3.5 IR-UWB通信系统定时抖动要求

3.5.1相干IR-UWB通信系统的定时抖动要求

3.5.2非相干IR-UWB通信系统的定时抖动要求

§3.6 IR-UWB通信系统中的定时抖动预算

§3.7小结

第4章新型IR-UWB正交正弦相关接收机及其抗定时误差特性

§4.1 IR-UWB脉冲的匹配滤波接收及其困难

§4.2新型的IR-UWB正交正弦相关接收机

4.2.1新型OSCR接收机

4.2.2 OSCR接收性能分析

§4.3 OSCR的抗定时误差特性

§4.4 OSCR的多种脉冲波形适应性

4.4.1高斯函数族脉冲

4.4.2高斯函数族脉冲的OSCR接收性能

§4.5 OSCR的多种脉冲调制方式适应性

4.5.1 PAM调制IR-UWB信号的OSCR处理性能

4.5.2 OOK调制IR-UWB信号的OSCR处理性能

4.5.3 PPM调制IR-UWB信号的OSCR处理性能

§4.6小结

第5章正交正弦相关接收机的多径性能分析

§5.1室内复杂多径环境的信道模型

5.1.1信道模型介绍

5.1.2室内信道模型的进一步分析

§5.2多径信号的Rake接收技术

5.2.1分集技术

5.2.2 Rake接收技术

§5.3在IR-UWB通信系统中最大比Rake接收技术的应用

5.3.1采用最大比Rake接收技术的IR-UWB接收机

5.3.2 IR-UWB中最大比Rake接收机性能仿真

§5.4改进的抗复杂多径衰落的Rake接收技术

5.4.1相关干扰下Rake接收性能分析

5.4.2 ESBOD-Rake接收机的实现

5.4.3 ESBOD-Rake接收技术的性能

§5.5 ESBOD-Rake接收机关键参数的选取

5.5.1径增益的选取

5.5.2导频帧结构的选取

§5.6小结

第6章基于正交正弦相关接收机的高阶调制性能分析

§6.1现有IR-UWB通信系统的吞吐速率限制

§6.2 IR-UWB通信系统中现有的高阶调制方法

6.2.1 PPAM调制介绍

6.2.2 PPAM调制的误符号概率

6.2.3 QPAM调制介绍

6.2.4 QPAM调制的误符号概率

§6.3存在定时误差时高阶调制的接收性能

6.3.1 PPAM在存在定时误差时的性能

6.3.2 QPAM在存在定时误差时的性能

§6.4高吞吐速率的新型IR-UWB通信系统

6.4.1发射机结构

6.4.2接收机结构

6.4.3 OSCR处理PPAM信号的性能

§6.5性能仿真

§6.6小结

第7章结束语

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果

攻读博士学位期间的研究经历

致谢