IR-UWB多徑信號(hào)能量收集及ISI抑制研究.pdf

1、脈沖超寬帶(Impulse Radio-Ultra Wideband,IR-UWB)由于其具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、抗多徑衰落能力強(qiáng)、低功耗、定位精度高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低等優(yōu)勢(shì)，已成為短距離無線個(gè)域網(wǎng)(Wireless Personal Area Network,WPAN)最有力的物理層候選技術(shù)之一。
　　對(duì)于無線通信系統(tǒng)來說，為了滿足一定的性能要求，接收端需收集多徑信號(hào)能量，以提高接收端的信噪比，碼間干擾(Inter Symbol

2、 Interference,ISI)嚴(yán)重導(dǎo)致系統(tǒng)性能惡化時(shí)，還需考慮對(duì)ISI的抑制。有別于采用連續(xù)載波調(diào)制的傳統(tǒng)無線通信系統(tǒng)，IR-UWB系統(tǒng)采用極窄脈沖傳遞信息，由于非連續(xù)的窄脈沖的電波傳播特性不同于傳統(tǒng)窄帶連續(xù)信號(hào)，因而與傳統(tǒng)窄帶信道相比，超寬帶(Ultra Wideband,UWB)信道具有很大不同。體現(xiàn)在以下三個(gè)方面，UWB室內(nèi)信道具有密集多徑性、頻率依賴性和環(huán)境相關(guān)性，給多徑信號(hào)能量收集和ISI抑制帶來了更大的困難。本文結(jié)合室

3、內(nèi)UWB信道的特性及接收脈沖信號(hào)的特征研究了多徑信號(hào)能量收集和ISI抑制問題，力求予以有效解決，論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　第一，UWB室內(nèi)信道特性對(duì)接收性能的影響。多徑信號(hào)能量收集和ISI抑制是影響系統(tǒng)接收性能的兩個(gè)重要部分，為了滿足一定的接收性能，需考慮有效收集多徑信號(hào)能量和ISI抑制，這兩個(gè)問題均與信道有關(guān)。與傳統(tǒng)窄帶信道不同，UWB室內(nèi)信道具有密集多徑性、頻率依賴性和環(huán)境相關(guān)性。本章首先分析了密集多徑性、頻率依賴性和環(huán)境

4、相關(guān)性對(duì)多徑信號(hào)能量收集和ISI抑制帶來的影響，并結(jié)合現(xiàn)有的解決方案，指出了現(xiàn)有方案的不足之處。而后給出UWB室內(nèi)信道模型，作為后續(xù)章節(jié)研究的基礎(chǔ)。
　　第二，多徑信號(hào)能量收集問題研究。對(duì)于IR-UWB系統(tǒng)來說，為了滿足一定的性能要求，接收端需收集多徑信號(hào)能量以提高接收端的信噪比。受UWB信道密集多徑性和頻率依賴性的影響，脈沖信號(hào)的能量散落在大量的多徑信號(hào)中，多徑數(shù)有幾十甚至上百條，而且每一徑脈沖波形的失真情況不同，給有效收集多徑

5、信號(hào)能量帶來很大的困難。考慮密集多徑性和頻率依賴性帶來的影響，在現(xiàn)有收集多徑信號(hào)能量的方案中，較好的方案是首先估計(jì)合成脈沖多徑信道，而后以之為模板對(duì)接下來的脈沖信號(hào)進(jìn)行匹配，以實(shí)現(xiàn)對(duì)多徑信號(hào)能量的收集。估計(jì)精確度嚴(yán)重影響多徑信號(hào)能量收集的效果，估計(jì)越準(zhǔn)確，以之作為模板匹配脈沖信號(hào)波形的效果越好，因而能更有效地收集多徑信號(hào)能量。平均方法是一種較好的估計(jì)合成脈沖多徑信道的方法，其以平均多個(gè)接收到的導(dǎo)頻脈沖波形估計(jì)合成脈沖多徑信道，能達(dá)到一定

6、的估計(jì)精確度。但對(duì)平均方法來說，導(dǎo)頻脈沖發(fā)送間隔受UWB信道延遲擴(kuò)展時(shí)間限制，因而其估計(jì)合成脈沖多徑信道需花費(fèi)較長(zhǎng)時(shí)間。針對(duì)此問題，本文提出了一種基于最近鄰居(Nearest Neighbor,NN)準(zhǔn)則的合成脈沖多徑信道估計(jì)方法。該方法從發(fā)送極性相反脈沖，接收到的脈沖信號(hào)波形在極性上也是完全相反的前提出發(fā)，根據(jù)NN準(zhǔn)則，由波形極性不同估計(jì)合成脈沖多徑信道，因而對(duì)訓(xùn)練脈沖的發(fā)送間隔要求不高。研究表明相對(duì)于平均方法減少估計(jì)時(shí)間(同時(shí)減小訓(xùn)

7、練脈沖發(fā)送間隔，增加訓(xùn)練脈沖數(shù))，NN估計(jì)方法仍可提高對(duì)合成脈沖多徑信道估計(jì)的精確度，從而可更有效地收集多徑信號(hào)能量，提高接收端的信噪比，取得更好的誤碼率(Bit Error Rate,BER)性能。
　　第三，ISI抑制問題研究。對(duì)于IR-UWB系統(tǒng)來說，隨著ISI程度提高，ISI對(duì)系統(tǒng)性能影響越來越嚴(yán)重，還需要考慮ISI的抑制問題。UWB室內(nèi)信道是環(huán)境相關(guān)的，在不同室內(nèi)環(huán)境下信道不同，那么相鄰碼元對(duì)當(dāng)前碼元的干擾程度也是不同的

8、，從而使得產(chǎn)生的ISI程度不同，這將給ISI有效抑制帶來影響。在現(xiàn)有ISI抑制研究中，均衡接收機(jī)是一種最優(yōu)意義上的接收機(jī)，采用分?jǐn)?shù)間隔線性濾波結(jié)構(gòu)，能實(shí)現(xiàn)匹配濾波加碼元間隔均衡的作用，可有效抑制ISI。觀察窗口長(zhǎng)度是影響均衡接收機(jī)抑制ISI的重要參數(shù)。對(duì)于不同的信道，為了更好地抑制ISI的影響，均衡接收機(jī)所需的最優(yōu)觀察窗口長(zhǎng)度是不同的。特別是對(duì)于實(shí)際的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，并不能事先獲知信道信息，這就更加要求接收機(jī)能夠根據(jù)信道不同自適應(yīng)地調(diào)整觀察窗

9、口長(zhǎng)度，以更好地抑制ISI。針對(duì)此問題，本文提出一種基于最小均方誤差(Minimum Mean Squared Error,MMSE)標(biāo)準(zhǔn)的可調(diào)觀察窗口長(zhǎng)度分?jǐn)?shù)間隔線性均衡(Adjustable Observation Window Length-Fractionally Spaced Linear Equalization,AOWL-FSLE)均衡接收機(jī)。該接收機(jī)能根據(jù)信道不同，自適應(yīng)地調(diào)整觀察窗口長(zhǎng)度，以達(dá)到更優(yōu)的穩(wěn)態(tài)均方誤差(Me

10、an Squared Error,MSE)性能，從而能更有效地抑制ISI，提高系統(tǒng)的BER性能。此外，考慮UWB系統(tǒng)室內(nèi)的應(yīng)用環(huán)境，會(huì)受到某些電子設(shè)備產(chǎn)生的一些大幅值干擾影響，使得室內(nèi)環(huán)境下的噪聲呈現(xiàn)出明顯的非高斯性，基于MMSE標(biāo)準(zhǔn)的均衡接收機(jī)性能將會(huì)惡化，由此提出一種基于H∞標(biāo)準(zhǔn)的可調(diào)觀察窗口長(zhǎng)度(Adjustable observation window length,AOWL)均衡接收機(jī)。該接收機(jī)能根據(jù)信道不同，自適應(yīng)地調(diào)整觀察