超寬帶(UWB)無線通信系統(tǒng)的同步及解調(diào)算法研究.pdf

1、超寬帶(UWB，Ultra-Wideband)脈沖無線電是一種可以和其它通信系統(tǒng)共享頻譜資源的新型無載波通信技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)頻譜共享，UWB系統(tǒng)通常采用極低功率譜密度的超短脈沖作為信息的載體：為了實(shí)現(xiàn)信息的有效解調(diào)，UWB系統(tǒng)通常采用多次重傳的方式來提高接收信噪比?？紤]到多址接入及FCC(Federal CommunicationsCommission，聯(lián)邦通信委員會(huì))頻譜掩模的限制，UWB系統(tǒng)為每一用戶分配一個(gè)唯一的偽隨機(jī)序列，利用這些

2、偽隨機(jī)序列來調(diào)制用戶的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)多用戶通信并平滑發(fā)射信號(hào)的頻譜。UWB系統(tǒng)具有隱蔽性好、抗多徑和窄帶干擾能力強(qiáng)、傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、功耗低、可以和其它通信系統(tǒng)共享頻譜等一系列優(yōu)點(diǎn)。然而利用UWB技術(shù)也面臨著一些嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其中定時(shí)同步及信號(hào)解調(diào)是制約UWB技術(shù)發(fā)展的兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。 定時(shí)同步是實(shí)現(xiàn)信號(hào)能量捕獲的前提，可以說沒有定時(shí)同步，信號(hào)解調(diào)就無從談起。由于UWB系統(tǒng)中承載信息的是占空比極低的超短脈沖，且該系統(tǒng)常工作在稠

3、密多徑環(huán)境中，所以實(shí)現(xiàn)精確的定時(shí)同步是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。傳統(tǒng)的RAKE接收技術(shù)需要估計(jì)信道信息且對(duì)定時(shí)誤差異常敏感(納秒量級(jí)的定時(shí)抖動(dòng)就會(huì)引起接收機(jī)性能的急劇下降)，在UWB通信系統(tǒng)中應(yīng)用RAKE技術(shù)面臨著復(fù)雜度高、抗定時(shí)抖動(dòng)性差的尷尬局面。針對(duì)這些問題，本論文對(duì)UWB系統(tǒng)的同步及對(duì)應(yīng)的解調(diào)算法進(jìn)行了較深入的理論研究，提出了兩種低復(fù)雜度的UWB同步算法和三種能有效對(duì)抗定時(shí)抖動(dòng)的、不需要信道估計(jì)的UWB同步解調(diào)聯(lián)合算法： 1、基于D

4、S(Direct Sequence，直接序列)碼匹配濾波的無數(shù)據(jù)輔助UWB同步算法：將觀測(cè)信號(hào)和其一個(gè)幀周期的延遲信號(hào)相乘，利用幀長(zhǎng)度的積分清零器(I&D，Integrate-and-Dump)對(duì)相乘后的信號(hào)進(jìn)行積分、采樣。將離散采樣值通過DS碼匹配濾波器即可建立用于搜索同步參數(shù)的目標(biāo)函數(shù)。DS碼的偽隨機(jī)性，使得目標(biāo)函數(shù)類似沖激函數(shù)，且同步時(shí)刻對(duì)應(yīng)目標(biāo)函數(shù)最大值的出現(xiàn)時(shí)刻。由于UWB通信網(wǎng)絡(luò)中各用戶的DS碼是相互獨(dú)立的(具有近似正交性)

5、，多用戶干擾(MUI，Multiple User Interference)通過DS碼匹配濾波器后不會(huì)產(chǎn)生明顯的峰值，所以本同步算法可以直接應(yīng)用到多用戶通信環(huán)境中。 2、非搜索UWB同步算法：現(xiàn)有的UWB同步算法大都是先使用某種方法構(gòu)建目標(biāo)函數(shù)，然后搜索該目標(biāo)函數(shù)的最大(小)值，用最大(小)值的下標(biāo)刻畫同步參數(shù)。由于目標(biāo)函數(shù)值的獲得通常需要大量繁瑣的計(jì)算，所以避免搜索過程是降低UWB同步算法復(fù)雜度的有效途徑?；谶@一考慮，本文提

6、出了一種基于巴克碼的非搜索UWB同步算法。在算法實(shí)現(xiàn)中，首先在發(fā)送端發(fā)送周期延拓的4位巴克碼序列，在接收端對(duì)觀測(cè)信號(hào)進(jìn)行延遲、相關(guān)、采樣等操作得到一系列離散樣本值，然后利用這些樣本值和最小二乘準(zhǔn)則計(jì)算出符號(hào)頭部能量與符號(hào)尾部能量，最后利用這兩個(gè)能量值得到同步參數(shù)的閉式解。 3、SR-UWB系統(tǒng)的同步及解調(diào)算法：RAKE解調(diào)技術(shù)需要先通過信道估計(jì)建立解調(diào)模板，然后將解調(diào)模板和接收信號(hào)作相關(guān)得到判決變量，最后利用判決變量檢測(cè)出發(fā)送信

7、息。由于UWB信道通常是密集多徑的，所以精確估計(jì)UWB信道具有極大的計(jì)算復(fù)雜度。另外，UWB信號(hào)的持續(xù)時(shí)間短、占空比低的特點(diǎn)使得RAKE接收機(jī)對(duì)定時(shí)誤差異常敏感，納秒量級(jí)的定時(shí)抖動(dòng)就會(huì)引起接收機(jī)性能的急劇下降。為避開復(fù)雜的信道估計(jì)過程及增加UWB接收機(jī)的抗定時(shí)抖動(dòng)性，本文提出了兩種適用于SR-UWB(Single Reference UWB，單參考UWB)系統(tǒng)的、不需要信道估計(jì)的、能有效對(duì)抗定時(shí)抖動(dòng)的同步解調(diào)聯(lián)合算法。算法一先通過重疊相

8、加、能量檢測(cè)等方法建立目標(biāo)函數(shù)，然后搜索目標(biāo)函數(shù)的最大值，用最大值的下標(biāo)表示同步參數(shù)，并順帶構(gòu)造出解調(diào)模板，最后利用這一解調(diào)模板和同步參數(shù)估計(jì)值及TH(Time-Hopping，跳時(shí))碼的先驗(yàn)信息構(gòu)造判決變量，將判變量通過符號(hào)檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)信息解調(diào)。算法二則更加充分地利用了SR-UWB系統(tǒng)獨(dú)特的信號(hào)結(jié)構(gòu)和TH碼的先驗(yàn)信息。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，首先利用I&D器件得到一系列離散樣本值，通過對(duì)這些樣本值的平方、平均操作建立目標(biāo)函數(shù)，搜索目標(biāo)函數(shù)的最大值

9、位置即可獲得同步參數(shù)，再利用同步參數(shù)選擇I&D器件的輸出樣本值，將所選的樣本值通過符號(hào)檢測(cè)器即可實(shí)現(xiàn)信息解調(diào)。由于算法二不需要另外構(gòu)造解調(diào)模板，且在同步階段就利用了TH碼的先驗(yàn)信息，所以算法二的性能要優(yōu)于算法 4、DTR-UWB系統(tǒng)的同步解調(diào)聯(lián)合算法：為了在接收端避免信道估計(jì)過程，研究者們提出了TR-UWB(Transmitted Reference UWB，傳輸參考UWB)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過發(fā)送不承載信息的參考脈沖，利用參考脈沖

10、的沖激響應(yīng)作為信息脈沖的解調(diào)模板的方式，避免了信道估計(jì)過程。顯然，參考脈沖的發(fā)送勢(shì)必會(huì)降低通信速率和能量利用率。針對(duì)這一缺陷，人們又提出了DTR-UWB(Differential TransmittedReference UWB，差分傳輸參考UWB)系統(tǒng)。本文針對(duì)DTR-UWB系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種同步解調(diào)聯(lián)合算法。通過對(duì)觀測(cè)信號(hào)的加權(quán)平均及延遲相關(guān)操作得到一系列離散幀率(采樣間隔為一個(gè)幀周期)的采樣值，利用這些樣本值可同時(shí)實(shí)現(xiàn)同步捕獲和信息解

11、調(diào)。加權(quán)平均操作提高了接收信噪比，從而提升了同步解調(diào)性能；幀率采樣及采樣值的重復(fù)利用有效地降低了系統(tǒng)復(fù)雜度。 5、基于巴克碼的同步解調(diào)聯(lián)合算法：利用4位巴克碼特有的自相關(guān)特性，本文提出了冗余模板(RDT)解調(diào)算法和非冗余模板(NRDT)同步解調(diào)聯(lián)合算法。這兩種算法都是直接從觀測(cè)信號(hào)中提取解調(diào)模板，然后和接收信號(hào)作相關(guān)，利用符號(hào)檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)信息解調(diào)。雖然RDT算法不需要同步過程，具用極低的復(fù)雜度，但是RDT中存在不含有用信息的噪聲段

12、，該段的存在影響了接收機(jī)的性能。為了剔除冗余噪聲段，本文又在RDT算法的基礎(chǔ)上提出了NRDT算法。該算法首先利用能量檢測(cè)的方法獲得同步參數(shù)，然后利用同步參數(shù)剔除RDT中的噪聲段。由于NRDT算法剔除了冗余段，所以和RDT方案相比，NRDT方案有更低的誤碼率。由于這兩種方案的解調(diào)模板是從接收信號(hào)中提取的，在定時(shí)誤差出現(xiàn)的情況下，仍然能捕獲到大部分的信號(hào)能量，因而它們都有很強(qiáng)的抗定時(shí)抖動(dòng)性。 理論分析及計(jì)算機(jī)仿真都證明本文所提同步及