脈沖超寬帶通信的欠采樣方法研究.pdf

1、模擬信號的數(shù)字化采樣是現(xiàn)代數(shù)字通信理論的基礎(chǔ)，由于脈沖超寬帶（UWB）信號的帶寬非常大（=500MHz），對其進(jìn)行數(shù)字化采樣需要設(shè)計(jì)數(shù)GHz采樣率的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），但局限于目前的半導(dǎo)體集成電路技術(shù)工藝水平，這樣高采樣率的ADC是無法大規(guī)模、低成本、低功耗生產(chǎn)的，因而探索超寬帶通信中低于奈奎斯特率的采樣和重建算法，以及研究超寬帶數(shù)字接收機(jī)的設(shè)計(jì)方法，具有重要的實(shí)用價(jià)值。本文分為五個(gè)部分：
　　 第一章回顧和總結(jié)了超寬帶無線電

2、的研究背景，探討了脈沖超寬帶無線通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中存在的挑戰(zhàn)，以及降低前端ADC采樣率的方法，從脈沖超寬帶信號的技術(shù)特性對于采樣、重建和數(shù)字接收機(jī)設(shè)計(jì)方法的影響出發(fā)，指明了本文的研究動機(jī)和出發(fā)點(diǎn)。
　　 第二章結(jié)合現(xiàn)代無線通信技術(shù)向超寬帶發(fā)展的趨勢，針對UWB數(shù)字接收機(jī)設(shè)計(jì)中需要使用采樣率達(dá)到數(shù)GHz的高速ADC這一難題，闡述了當(dāng)前ADC器件的局限性，指出了現(xiàn)有欠采樣方法的缺陷，然后具體分析了本文所采用的欠采樣方法并對其進(jìn)行了改進(jìn)。

3、
　　 第三章針對非帶限沖激串信號的采樣問題，使用sinc采樣核函數(shù)對沖激串信號進(jìn)行預(yù)濾波，然后通過理論分析得出所需要的最低采樣頻率為信號新息率，由此提出了一種最小二乘零化濾波重建算法；在沖激信號個(gè)數(shù)較大或者信號受到噪聲影響的情況下，最小二乘零化濾波重建算法的性能惡化，因此本文進(jìn)一步提出了一種奇異值分解（SVD）重建算法，以獲得理想的重建性能。理論分析和仿真證明，本文算法能夠以遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于奈奎斯特率的速率進(jìn)行采樣和重建原始沖激串信號

4、，并具有良好的抗噪聲性能。
　　 第四章研究了脈沖超寬帶信號的欠奈奎斯特率采樣、波形重建和參數(shù)估計(jì)問題。首先，在第三章提出的非帶限信號低通采樣和重建算法的基礎(chǔ)上，通過對脈沖超寬帶信號的頻譜進(jìn)行分析，提出了一種帶通欠采樣方法，該方法所要求的采樣率與信號帶寬沒有直接關(guān)系，僅與信號新息率和帶通濾波器特性相關(guān)，低于奈奎斯特率1個(gè)數(shù)量級；其次，基于欠采樣得到的離散時(shí)間UWB信號，提出了兩種信號參數(shù)估計(jì)算法，一種是總體最小二乘（TLS）算法

5、，另一種是旋轉(zhuǎn)不變技術(shù)參數(shù)估計(jì)（ESPRIT）算法，這兩種算法都可以準(zhǔn)確地估計(jì)出脈沖信號的幅度和時(shí)移參數(shù)，比較而言，ESPRIT算法在低信噪比條件下具有更好的參數(shù)估計(jì)性能；通過將估計(jì)出的脈沖串信號與高斯單脈沖波形進(jìn)行卷積，完成超寬帶信號的波形重建；最后在超寬帶硬件測試平臺上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文所提出的采樣、波形重建和參數(shù)估計(jì)算法的有效性。
　　 第五章提出了一種基于頻域采樣技術(shù)的超寬帶數(shù)字接收機(jī)設(shè)計(jì)方法。首先，針對脈沖超寬帶信

6、號具有非常大的帶寬這一特性，提出了一種在頻域利用模擬濾波器組和多個(gè)ADC對脈沖超寬帶信號并行采樣的方法，從理論上推導(dǎo)出所需要的ADC數(shù)量，分析了頻域并行采樣方法的量化噪聲，給出了多個(gè)ADC之間的最優(yōu)化比特分配算法。然后針對并行采樣得到的頻域數(shù)字信號，給出了完整的頻域信號接收方法，包括頻域同步、頻域信道估計(jì)和頻域解調(diào)算法。理論分析和仿真證明，本文所提出的頻域采樣超寬帶數(shù)字接收機(jī)，可以顯著地降低系統(tǒng)對前端ADC采樣速率的要求，并具有與傳統(tǒng)時(shí)