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。為了實現(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)頻譜掩模的限制，UWB系統(tǒng)為每一用戶分配一個唯一的偽隨機序列，利用這些

2、偽隨機序列來調(diào)制用戶的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)多用戶通信并平滑發(fā)射信號的頻譜。UWB系統(tǒng)具有隱蔽性好、抗多徑和窄帶干擾能力強、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。然而利用UWB技術也面臨著一些嚴峻的挑戰(zhàn)，其中定時同步及信號解調(diào)是制約UWB技術發(fā)展的兩項關鍵技術。 定時同步是實現(xiàn)信號能量捕獲的前提，可以說沒有定時同步，信號解調(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，所以實現(xiàn)精確的定時同步是一項艱巨的任務。傳統(tǒng)的RAKE接收技術需要估計信道信息且對定時誤差異常敏感(納秒量級的定時抖動就會引起接收機性能的急劇下降)，在UWB通信系統(tǒng)中應用RAKE技術面臨著復雜度高、抗定時抖動性差的尷尬局面。針對這些問題，本論文對UWB系統(tǒng)的同步及對應的解調(diào)算法進行了較深入的理論研究，提出了兩種低復雜度的UWB同步算法和三種能有效對抗定時抖動的、不需要信道估計的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：將觀測信號和其一個幀周期的延遲信號相乘，利用幀長度的積分清零器(I&D，Integrate-and-Dump)對相乘后的信號進行積分、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)的目標函數(shù)。DS碼的偽隨機性，使得目標函數(shù)類似沖激函數(shù)，且同步時刻對應目標函數(shù)最大值的出現(xiàn)時刻。由于UWB通信網(wǎng)絡中各用戶的DS碼是相互獨立的(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產(chǎn)生明顯的峰值，所以本同步算法可以直接應用到多用戶通信環(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建目標函數(shù)，然后搜索該目標函數(shù)的最大(小)值，用最大(小)值的下標刻畫同步參數(shù)。由于目標函數(shù)值的獲得通常需要大量繁瑣的計算，所以避免搜索過程是降低UWB同步算法復雜度的有效途徑?；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，在接收端對觀測信號進行延遲、相關、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則計算出符號頭部能量與符號尾部能量，最后利用這兩個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)技術需要先通過信道估計建立解調(diào)模板，然后將解調(diào)模板和接收信號作相關得到判決變量，最后利用判決變量檢測出發(fā)送信

7、息。由于UWB信道通常是密集多徑的，所以精確估計UWB信道具有極大的計算復雜度。另外，UWB信號的持續(xù)時間短、占空比低的特點使得RAKE接收機對定時誤差異常敏感，納秒量級的定時抖動就會引起接收機性能的急劇下降。為避開復雜的信道估計過程及增加UWB接收機的抗定時抖動性，本文提出了兩種適用于SR-UWB(Single Reference UWB，單參考UWB)系統(tǒng)的、不需要信道估計的、能有效對抗定時抖動的同步解調(diào)聯(lián)合算法。算法一先通過重疊相

8、加、能量檢測等方法建立目標函數(shù)，然后搜索目標函數(shù)的最大值，用最大值的下標表示同步參數(shù)，并順帶構造出解調(diào)模板，最后利用這一解調(diào)模板和同步參數(shù)估計值及TH(Time-Hopping，跳時)碼的先驗信息構造判決變量，將判變量通過符號檢測器實現(xiàn)信息解調(diào)。算法二則更加充分地利用了SR-UWB系統(tǒng)獨特的信號結構和TH碼的先驗信息。在實際實現(xiàn)中，首先利用I&D器件得到一系列離散樣本值，通過對這些樣本值的平方、平均操作建立目標函數(shù)，搜索目標函數(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檢測器即可實現(xiàn)信息解調(diào)。由于算法二不需要另外構造解調(diào)模板，且在同步階段就利用了TH碼的先驗信息，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、的沖激響應作為信息脈沖的解調(diào)模板的方式，避免了信道估計過程。顯然，參考脈沖的發(fā)送勢必會降低通信速率和能量利用率。針對這一缺陷，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DTR-UWB系統(tǒng)設計了一種同步解調(diào)聯(lián)合算法。通過對觀測信號的加權平均及延遲相關操作得到一系列離散幀率(采樣間隔為一個幀周期)的采樣值，利用這些樣本值可同時實現(xiàn)同步捕獲和信息解

11、調(diào)。加權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利用有效地降低了系統(tǒng)復雜度。 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信號中提取解調(diào)模板，然后和接收信號作相關，利用符號檢測器實現(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的性能。為了剔除冗余噪聲段，本文又在RDT算法的基礎上提出了NRDT算法。該算法首先利用能量檢測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)模板是從接收信號中提取的，在定時誤差出現(xiàn)的情況下，仍然能捕獲到大部分的信號能量，因而它們都有很強的抗定時抖動性。 理論分析及計算機仿真都證明本文所提同步及