脈沖超寬帶短距傳輸關(guān)鍵問題研究.pdf

1、脈沖超寬帶無線電(IR-UWB)是未來無線個(gè)域網(wǎng)絡(luò)(WPAN)短距離高速率通信和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)長距離低速率通信的重要技術(shù)解決方案。盡管具有低成本電路、許可執(zhí)照頻譜的復(fù)用、精確定位能力等潛力，IR-UWB技術(shù)還存在諸多的研究挑戰(zhàn)。論文主要目的是找出并解決目前存在的挑戰(zhàn)問題，為實(shí)際IR-UWB系統(tǒng)提供框架設(shè)計(jì)。
　　 本論文著重給出了目前不同調(diào)制選取的IR-UWB系統(tǒng)的比特誤碼率性能(BER)、功率譜特征、系統(tǒng)復(fù)雜度和傳輸

2、數(shù)據(jù)率等研究結(jié)果。現(xiàn)存IR-UWB系統(tǒng)主要采用偽隨機(jī)噪聲(PN)跳時(shí)(TH)碼結(jié)合脈沖位置調(diào)制(PPM)方式的多址接入方式。近來提出一種采用非周期性混沌編碼的方法可以移除發(fā)射信號的離散功率譜值，能夠提高IR-UWB系統(tǒng)的擴(kuò)頻頻譜特征而與其他設(shè)備如全球定位系統(tǒng)(GPS)間具有很低的干擾性，即偽混沌跳時(shí)(PCTH)調(diào)制方案，借助符號動力學(xué)概念產(chǎn)生輸入數(shù)據(jù)依賴性的非周期擴(kuò)頻序列。由混沌序列馬爾科夫鏈特征可知，經(jīng)偽混沌卷積編碼器(PCCE)運(yùn)算

3、編碼后的輸入數(shù)據(jù)實(shí)質(zhì)上具有卷積碼(CC)表現(xiàn)。編碼器輸出后產(chǎn)生的跳時(shí)序列使得脈沖間隔呈現(xiàn)隨機(jī)分布特征，因此具有類噪聲的功率譜特征。明顯的擴(kuò)頻特征需要發(fā)射機(jī)大量級數(shù)處理，而接收機(jī)的卷積編碼器也需要處理大量狀態(tài)值。而PCTH信號僅需復(fù)雜度較低的維特比(Viterbi)解碼器處理少量狀態(tài)值，而CC編碼并不具有這種可擴(kuò)展性，為接收機(jī)提供一種靈活性設(shè)計(jì)。而PCTH調(diào)制方案擴(kuò)展版的多址接入(MA)方式是為每用戶提供唯一簽名的脈沖鏈而替代單用戶系統(tǒng)的

4、單脈沖形式。本文著重討論這類新穎具有偽混沌卷積驅(qū)動(PCC)類跳時(shí)(TH)碼結(jié)合不同調(diào)制方式的IR-UWB系統(tǒng)通信、組網(wǎng)和定位應(yīng)用，同時(shí)依據(jù)PCCTH碼的最優(yōu)卷積特征給出類似的CCTH碼設(shè)計(jì)方法。
　　 首先，本文給出IR-UWB信號頻譜特征的數(shù)學(xué)隨機(jī)尖峰原理，數(shù)學(xué)分析表明尖峰域的主要成因（例如，濾波、抖動、時(shí)延、細(xì)化、簇、采樣和調(diào)制等）可描述為一系列模塊化的數(shù)學(xué)運(yùn)算。確切地說，IR-UWB信號功率譜可由基本模型添加特定特征而進(jìn)

5、行模塊化計(jì)算。這種模塊化方法可簡化IR-UWB系統(tǒng)復(fù)雜模型或多徑模型的功率譜計(jì)算。接下來，給出不同調(diào)制方式功率譜計(jì)算的基本模型，經(jīng)過研究分析為TH-UWB系統(tǒng)提出一種新穎的脈沖幅度調(diào)制(PAM)和脈沖位置調(diào)制(PPM)的聯(lián)合調(diào)制方式(PAM/PPM)。本文結(jié)果表明PAM/PPMTH-UWB系統(tǒng)可作為替代PPMTH-UWB系統(tǒng)的合適選擇。從功率譜角度來說，PPMTH-UWB發(fā)射信號功率譜(PSD)具有一些尖峰值，已有分析結(jié)果表明這些尖峰嚴(yán)

6、重影響系統(tǒng)BER性能，需要合理處理，而本文提出的PAM/PPM方式可以移除這些尖峰值并且能夠提高系統(tǒng)整體性能。
　　 具有高容量、高數(shù)據(jù)率、簡單、有效功率控制、低成本和小巧等特點(diǎn)的IR-UWB接收機(jī)設(shè)計(jì)也是一項(xiàng)高挑戰(zhàn)性的任務(wù)。全相關(guān)接收機(jī)，例如采用典型的Rake接收技術(shù)最優(yōu)匹配濾波器的性能最優(yōu)，而缺點(diǎn)是具有極高的復(fù)雜度和硬件實(shí)現(xiàn)難度。通常，相關(guān)接收機(jī)需要已知接收信號、信道和干擾因素的參數(shù)信息。值得注意的是，由于多徑信道的多徑分量

7、巨大，而從接收多徑分量中估計(jì)信道時(shí)延和相關(guān)系數(shù)是一項(xiàng)巨大耗時(shí)的工作。因此，接收機(jī)最好能夠忽略這些計(jì)算。近期對于這種不需要上述參數(shù)信息的非相關(guān)接收機(jī)設(shè)計(jì)成為主要研究熱點(diǎn)。非相關(guān)接收機(jī)設(shè)計(jì)主要包括三類:發(fā)射參考(TR)UWB接收機(jī)、能量檢測器(ED)和差分檢測器。這些方法的共同點(diǎn)在于不需要信道估計(jì)和接收脈沖估計(jì)。本論文著重研究以下幾種IR-UWB系統(tǒng)接收機(jī)設(shè)計(jì)和性能分析。給出前述提出的發(fā)射機(jī)性能、容量、計(jì)算復(fù)雜性等實(shí)際設(shè)計(jì)需求權(quán)衡，進(jìn)一步討

8、論上述系統(tǒng)接收機(jī)設(shè)計(jì)的信道因素、自干擾或互干擾、調(diào)制方式等。具體包括:第一，給出不同調(diào)制方式和PCC跳時(shí)信道編碼結(jié)合系統(tǒng)的Rake接收機(jī)的最優(yōu)匹配濾波實(shí)現(xiàn)以及三種抽頭選取下Rake接收機(jī)的性能分析。第二，考慮非相關(guān)接收的TR-UWB接收機(jī)，本文研究了TR-UWB與時(shí)間反轉(zhuǎn)(TR)方法相結(jié)合的新穎定位系統(tǒng)，命名為(TR)2-UWB定位系統(tǒng)，通過研究結(jié)果表明，接收端的時(shí)空能量聚焦特性帶來接收機(jī)性能的提升。第三，參考簡單低成本的非相關(guān)接收機(jī)形

9、式即ED接收機(jī)，主要利用接收信號的接收能量作為比特判決的設(shè)計(jì)方法，本文首次提出在能量檢測器前加入基于高階統(tǒng)計(jì)量(HOS)的盲檢測機(jī)制來提高直接混沌通信(DCC)UWB系統(tǒng)性能的新穎方法。
　　 IR-UWB系統(tǒng)的多址信道接入主要依據(jù)PN碼碼分多址(CDMA)方式來減小多址干擾(MAI)。因此，合理的TH碼設(shè)計(jì)不僅能夠抑制多徑干擾(MPI)和MAI干擾，還能夠帶來良好的功率譜形狀。早期的直接擴(kuò)頻(DS)和跳頻(FH)多址接入序列設(shè)

10、計(jì)可修正并延伸到TH-IR組網(wǎng)應(yīng)用，例如，線性同余碼(LCCs)，雙曲同余碼(HCCs)，置換序列等?；赑CC碼設(shè)計(jì)原理，本文著重研究可適用于IR-UWB系統(tǒng)的卷積類CC碼設(shè)計(jì)方法，研究結(jié)果表明這種具有最大自由距離設(shè)計(jì)的卷積類(CC)TH碼可減小由MPI和MAI引起的脈沖碰撞。本文研究了一種利用PCC跳時(shí)信道編碼和聯(lián)合調(diào)制方式結(jié)合的改進(jìn)多址接入方案受加性高斯白噪聲(AWGN)、多徑干擾(MPI)、窄帶干擾(NBI)和多址干擾(MAI)

11、影響的性能分析，進(jìn)一步給出傳統(tǒng)PPMTH-UWB系統(tǒng)和改進(jìn)多址系統(tǒng)的閉式表達(dá)以及性能對比結(jié)果。
　　 由于IR-UWB技術(shù)的低功耗和低數(shù)據(jù)率(LDR)特性適用于短距傳輸組網(wǎng)應(yīng)用，如IEEE802.15.4a任務(wù)小組標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)的需求，媒體接入控制(MAC)層設(shè)計(jì)需要考慮這種具有新特點(diǎn)的物理層(PHY)設(shè)計(jì)。根據(jù)特定情況的LDRUWB組網(wǎng)需求，現(xiàn)有基于ALOHA協(xié)議的(UWB)2MAC協(xié)議能夠保證抗MAI魯棒性

12、的理想多址接入方式。(UWB)2MAC協(xié)議主要依賴TH碼作為公用信道和數(shù)據(jù)信道碼分配方式，而系統(tǒng)的抗MAI魯棒性取決于TH碼的互相關(guān)性，采用合理的碼設(shè)計(jì)將減小脈沖間碰撞，因此，TH碼碼分方案將影響到相同區(qū)域的分布式組網(wǎng)性能。因此，本文接著給出一種基于分組碰撞多址模型的TH-UWB系統(tǒng)物理層設(shè)計(jì)方法，提出利用PCCTH碼和聯(lián)合調(diào)制結(jié)合的改進(jìn)系統(tǒng)來減小脈沖碰撞以及提高組網(wǎng)性能的新方法。
　　 IR-UWB系統(tǒng)定位應(yīng)用需要高精度檢測接

13、收信號的路徑邊緣，而目前的基于到達(dá)角度(DOA)的空間譜估計(jì)定位方法并不是最優(yōu)的。最近，將物理聲學(xué)的時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)應(yīng)用于無線通信領(lǐng)域定位應(yīng)用已經(jīng)成為熱點(diǎn)問題，由于時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)具有時(shí)間和空間聚焦特性，因此將時(shí)間反轉(zhuǎn)方法與IR-UWB系統(tǒng)相結(jié)合不僅能夠提高系統(tǒng)的性能還可以在空間聚焦定位成像，并且時(shí)間反轉(zhuǎn)技術(shù)與DOA空間譜估計(jì)相結(jié)合能夠在惡劣環(huán)境下提高對主動或者被動（電磁）EM目標(biāo)的定位精度，最后，本文給出這種新穎的(TR)2-UWB系統(tǒng)的定位