脉冲超宽带信号的非相干接收技术研究

摘要

近年来,随着无线个域网(WPAN)、无线体域网(WBAN)等短距无线通信网络的不断发展,市场需要一种新型物理层通信技术来解决短距离无线网络中高速接入需求与频谱资源拥挤之间矛盾。脉冲超宽带(UWB)技术由于具有大带宽、低功率谱密度和多径分辨率高的独特性质,成为备受关注的解决方案之一。尽管UWB通信技术取得了长足的进步,但设计低成本、低复杂度、高性能的接收机-直是UWB技术中的重中之重,也是制约UWB通信发展的瓶颈之一UWB接收方案主要包括以相关RAKE接收机为代表的相干接收方案和以能量检测接收机、自相关接收机为代表的非相干接收方案。与相干接收方案相比,非相干接收方案具有较低的实现成本和系统复杂度以及对同步错误具有较强的鲁棒性等优点。但是,非相干接收机的这些优点是以其误码性能的下降为代价的。如何有效的提升非相干接收机误码性能已成为当前UWB研究领域的一个热点课题。
　　本文结合UWB信号的特征,在满足一定的性能-复杂度约束条件下,研究UWB的非相干接收机技术。论文的主要研究内容和成果如下:第一,对UWB能量检测接收机的加权方案进行了研究。在已有的研究中,基于分数间隔采样的UWB能量检测接收机均采用了线性加权方案。本文针对不同的调制类型,对接收机的加权方案分别进行了研究。首先,针对OOK调制的UWB(OOK-UWB)信号,基于最大似然准则,提出了-种新型的二次型加权能量检测接收机。在该接收机性能分析方面,利用特征函数法推导出误比特率的解析表达式,并对其有效性进行了验证。仿真结果表明该接收机误比特性能优于传统的和线性加权方案的能量检测接收机。其次,针对PPM调制的UWB(PPM-UWB)信号,在不采用线性加权约束的条件下,直接利用最大似然准则推导出线性加权的接收机结构,在此基础上,与针对OOK-UWB的二次型加权结构进行了比较研究,证明了线性加权合并和二次型加权合并分别是PPM-UWB和OOK-UWB能量检测接收机的最佳加权合并方案。第二,对UWB盲能量检测方案进行了研究。在继承分数间隔采样优点的同时,为避免加权方案中需要发送训练序列获得加权系数的缺陷,本文将差分编码引入UWB能量检测方案,提出了一种新型的基于多符号差分检测(MSDD)的UWB盲能量检测接收机。该接收机采用符号分块的处理结构,利用信道的准静态特性,以实现符号块内的多个符号的联合差分检测。与加权方案相比,所提出的方案不需要任何信道先验知识,从而避免了训练过程,简化了接收机结构,提高了数据传输速率。仿真分析表明该接收机误码性能明显优于传统的能量检测接收机,并且随着符号块长度的增加,性能逐渐逼近理想的加权能量检测接收机。第三,对低计算复杂度的MSDD实现方案进行了研究。提出一种基于子块联合搜索算法的低复杂度MSDD实现方案。该方案在性能上具有接近最大似然MSDD的性能同时,由于有效减小了符号序列的搜索空间,使得算法复杂度得到明显降低。本文还对该算法的搜索深度这一关键参数的优化设置问题进行了仿真研究,结果表明搜索深度增大到一定程度,再继续增加该参数值并不能明显提高接收机性能,反而明显增加了计算复杂度。因此在实际应用中通过设置合适的搜索深度,可实现良好的性能-复杂度折衷方案。第四,对基于正交分组编码调制(BCM)的UWB自相关接收方案进行了研究。与传统的传输参考(TR)方案相比,BCM方案不需要发射参考脉冲,能有效地提高系统的能量效率和数据传输速率。本文根据广义最大似然比(GLRT)优化准则,提出一种基于BCM方案的新型UWB自相关接收机。与已有的BCM接收机相比,新型接收机具有以下优点:一是接收机系数可以预先计算并可在解调过程中重复使用,从而简化了接收机的码字判决过程;二是通过对接收机系数的灵活处理,可进一步改善接收机的性能。在理论性能分析方面,根据联合界原理在推导成对差错概率的基础上得到该接收机的误比特率上界,仿真结果表明当信噪比较高时,该理论上界是误比特率的一个很好近似。本文还通过仿真实验对该接收机的抗多址干扰能力进行了研究,结果表明通过对接收机系数进行非线性处理可有效的抑制多址干扰。

目录

致谢

中文摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 UWB接收机概述

1.3 UWB非相干接收机研究现状

1.3.1 UWB能量检测接收机研究现状

1.3.2 UWB自相关接收机研究现状

1.4 本文的主要贡献

1.5 本文的组织结构

第二章 UWB信号与信道模型

2.1 引言

2.2 UWB信号定义与频谱规范

2.3 UWB信号数学模型

2.3.1 UWB脉冲波形

2.3.2 基本调制方式

2.4 UWB传播信道

2.4.1 UWB信道特点

2.4.2 IEEE建议的UWB信道模型

2.5 本章小结

第三章 UWB加权能量检测接收机

3.1 引言

3.2 带限信号能量检测器输出的统计性质

3.2.1 能量检测器结构

3.2.2 卡方统计量

3.2.3 高斯近似

3.3 针对PPM调制信号的线性加权能量检测接收机

3.3.1 接收信号模型

3.3.2 接收机结构

3.3.3 误比特率表达式

3.4 针对OOK调制信号的二次型加权能量检测接收机

3.4.1 接收信号模型

3.4.2 接收机结构

3.4.3 与PPM-UWB线性加权结构的比较

3.4.4 基于特征函数法的误比特性能分析

3.4.6 仿真结果与分析

3.6 本章小结

第四章 基于MSDD的UWB盲能量检测接收机

4.1 引言

4.2 信号模型

4.2.1 发射信号模型

4.2.2 接收信号模型

4.3 最大似然MSDD接收机

4.3.1 中心与非中心卡方分布的统一表示形式

4.3.2 MSDD接收机结构

4.4 低计算复杂度实现方案

4.4.1 问题的提出

4.4.2 基于子块联合搜索算法的实现方案

4.5 仿真结果与分析

4.6 本章小结

第五章 基于正交分组编码调制的UWB自相关接收机

5.1 引言

5.2 典型的自相关接收方案简介

5.2.1 传输参考方案

5.2.2 正交编码双脉冲传输方案

5.2.3 多元正交编码/平衡传输参考方案

5.3 正交BCM方案

5.3.1 信号模型

5.3.2 对数似然度量

5.3.3 广义最大似然判决准则

5.3.4 自相关接收机结构

5.4 误比特性能分析

5.4.1 截断联合界

5.4.2 PEP推导

5.4.3 误比特率上界

5.5 仿真结果与分析

5.6 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 下一阶段工作展望

附录 A

参考文献

作者简历

攻读博士学位期间发表的学术论文

学位论文数据集