IR-UWB頻域接收機設計.pdf

1、沖擊超寬帶(IR-UWB)通信技術是一種新興的無線通信技術.它利用納秒至皮秒級的窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，具有傳輸速率高、抗多徑能力強、安全性好以及精確的定位能力等諸多優(yōu)點；特別是它能與現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)共存，不需要占用額外頻譜這一特點，使它在頻譜資源日益緊張的今天倍受關注。該技術已成為無線通信技術研究的熱點之一，但超寬帶技術要實現(xiàn)大規(guī)模商用，還有許多問題需要解決，其中之一就是接收機的設計。 沖擊超寬帶系統(tǒng)的傳統(tǒng)接收機結構為Rake接收機

2、，但Rake接收機對脈沖同步和信道估計的要求很嚴格。為達到好的檢測性能，必須估計接收信號中每條多徑分量的精確延遲和增益系數(shù)。而超寬帶信號的時間分辨率極高，使得IR-UWB的接收信號包含上百條可分辨多徑。這些特性使IR-UWB有很強的抗多徑能力，但也使脈沖時間捕獲和信道估計非常困難。同時，由于IR-UWB脈沖帶寬很大，對接收信號進行模數(shù)轉換需要速率極高的ADC。實際中，IR-UWB系統(tǒng)很難用COMS電路實現(xiàn)，首先，高速ADC結構復雜功耗巨

3、大，用COMS很難實現(xiàn)，而用其他技術又非常昂貴，其次，在ADC之后，脈沖同步、幀同步、信道估計等都需要復雜昂貴的高速電路。可見，高速ADC和脈沖精確同步已成為IR-UWB硬件實現(xiàn)的兩大挑戰(zhàn)。 為了解決這兩個難題，本文提出了頻域接收機結構，該接收機中所有的信號處理都在頻域進行。該接收機通過頻域采樣技術使得ADC轉換速度與脈沖重復速率(PPR)相同，并且不需要精確的脈沖同步。本文研究了該接收機設計的一些關鍵算法，并通過計算機方針驗證

4、了它們的性能。本文的主要內容和創(chuàng)新點如下： 首先，本文介紹了UWB系統(tǒng)的基本原理和相關概念，比如調制方式和多徑信道模型等，介紹了IR-UWB的研究現(xiàn)狀和面臨的主要問題。 其次，本文提出了完整的頻域接收機結構，討論了頻域采樣技術和頻域脈沖同步。頻域采樣技術利用脈沖信號的平坦的頻譜特性，在頻域完成ADC，使得ADC的轉換速率與脈沖重復速率相同。頻域采樣技術能收集觀察窗口內全部的多徑能量，且不需要精確的脈沖同步。在頻域采樣的基

5、礎上，本章討論了兩種脈沖粗同步方法：非相干能量比價法和頻域TDT方法。 再次，本文討論了頻域幀同步方法、頻域信道估計方法和頻域解調算法。幀同步通過滑動相關在頻域實現(xiàn)。信道估計采用最大似然準則在頻域進行，本文詳細討論了估計原理，并分析了估計的性能，推導了估計誤差的克拉美-羅下界。理論分析和仿真結果都表明.頻域信道估計的均方誤差隨信噪比的增加而線性減小，并且信道估計的復雜度與可分辨多徑數(shù)目無關，因此頻域信道估計比時域信道估計簡單得多

6、。本文討論了頻域解調算法，理論分析和仿真結果表明，在AWGN下頻域接收機的性能與時域最佳接收機相同，在多徑信道下頻域接收的性能比最佳接收僅差1dB，但是頻域接收機的復雜度遠遠低于時域最佳機。 最后，本文分析了脈沖同步誤差和ADC的量化比特數(shù)對接收機性能的影響。采用2比特量化的誤碼率性能僅比理想量化差1.5dB左右。另外，頻域接收機對脈沖同步誤差不敏感，在CM3信道下，若使用50ns的采樣窗口，接收機可以容忍25ns的同步誤差。