IR-UWB頻域接收機(jī)設(shè)計(jì).pdf

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

2、，但Rake接收機(jī)對(duì)脈沖同步和信道估計(jì)的要求很嚴(yán)格。為達(dá)到好的檢測(cè)性能，必須估計(jì)接收信號(hào)中每條多徑分量的精確延遲和增益系數(shù)。而超寬帶信號(hào)的時(shí)間分辨率極高，使得IR-UWB的接收信號(hào)包含上百條可分辨多徑。這些特性使IR-UWB有很強(qiáng)的抗多徑能力，但也使脈沖時(shí)間捕獲和信道估計(jì)非常困難。同時(shí)，由于IR-UWB脈沖帶寬很大，對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換需要速率極高的ADC。實(shí)際中，IR-UWB系統(tǒng)很難用COMS電路實(shí)現(xiàn)，首先，高速ADC結(jié)構(gòu)復(fù)雜功耗巨

3、大，用COMS很難實(shí)現(xiàn)，而用其他技術(shù)又非常昂貴，其次，在ADC之后，脈沖同步、幀同步、信道估計(jì)等都需要復(fù)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(shí)現(xiàn)的兩大挑戰(zhàn)。 為了解決這兩個(gè)難題，本文提出了頻域接收機(jī)結(jié)構(gòu)，該接收機(jī)中所有的信號(hào)處理都在頻域進(jìn)行。該接收機(jī)通過(guò)頻域采樣技術(shù)使得ADC轉(zhuǎn)換速度與脈沖重復(fù)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(jī)設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵算法，并通過(guò)計(jì)算機(jī)方針驗(yàn)證

4、了它們的性能。本文的主要內(nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)如下： 首先，本文介紹了UWB系統(tǒng)的基本原理和相關(guān)概念，比如調(diào)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(wèn)題。 其次，本文提出了完整的頻域接收機(jī)結(jié)構(gòu)，討論了頻域采樣技術(shù)和頻域脈沖同步。頻域采樣技術(shù)利用脈沖信號(hào)的平坦的頻譜特性，在頻域完成ADC，使得ADC的轉(zhuǎn)換速率與脈沖重復(fù)速率相同。頻域采樣技術(shù)能收集觀察窗口內(nèi)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(chǔ)上，本章討論了兩種脈沖粗同步方法：非相干能量比價(jià)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(jì)方法和頻域解調(diào)算法。幀同步通過(guò)滑動(dòng)相關(guān)在頻域?qū)崿F(xiàn)。信道估計(jì)采用最大似然準(zhǔn)則在頻域進(jìn)行，本文詳細(xì)討論了估計(jì)原理，并分析了估計(jì)的性能，推導(dǎo)了估計(jì)誤差的克拉美-羅下界。理論分析和仿真結(jié)果都表明.頻域信道估計(jì)的均方誤差隨信噪比的增加而線性減小，并且信道估計(jì)的復(fù)雜度與可分辨多徑數(shù)目無(wú)關(guān)，因此頻域信道估計(jì)比時(shí)域信道估計(jì)簡(jiǎn)單得多

6、。本文討論了頻域解調(diào)算法，理論分析和仿真結(jié)果表明，在AWGN下頻域接收機(jī)的性能與時(shí)域最佳接收機(jī)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(jī)的復(fù)雜度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于時(shí)域最佳機(jī)。 最后，本文分析了脈沖同步誤差和ADC的量化比特?cái)?shù)對(duì)接收機(jī)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(jī)對(duì)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(jī)可以容忍25ns的同步誤差。