（信号与信息处理专业论文）基于低采样数据的超宽带信道估计技术研究.pdf

摘要 摘要 超宽带信号是一种非常短的电脉冲信号，近年来，在短距离通信应用中， 超宽带技术已经获得越来越多的关注，例如精确测距、定位及室内无线网络的 多径衰落缓解问题。虽然，对于超宽带技术的应用研究已经历时几十年，但是 仍然存在许多待解决的问题，其中就包括低成本、低功率设计以及新颖的信号 处理技术的开发等等。在超宽带系统中，其中难题之一就是超宽带系统的信道 模型十分复杂，对于u w b 系统来说，准确的信道估计是十分必要的，然而， 由于超宽带信号脉冲持续时间短，能量低，对信号的捕获十分困难，接收机采 样率要求非常高，目前有效的信道估计算法的计算复杂性均较高。 本文处理了u w b 接收机的低采样速率的信道估计问题，提出了一种仅仅依 托码元级采样数据的结构化信道估计算法，更加接近实际信道的情形。针对离 散超宽带信道，算法分为多径条数检测、多径幅度及延时估计几个步骤，首先， 接收端将预先设计好的多个模板分别与接收信号做相关同时进行码元级采样， 从而转换成频域上的采样数据，将得到的信道冲击响应的频域采样点及其共轭 值构造得到一个托普利兹矩阵，用它来代替算法中要利用的自相关矩阵，接下 来利用变换旋转矩阵算法进行多径条数检测，利用m u s i c 算法及最：b z - 乘估计 进行多径的延时和幅度的估计。该算法的特点在于：仅依赖于码元级的采样数 据来进行多径的估计，同时利用一个由频域采样值构造的托普利兹矩阵来替代 传统算法中的自相关矩阵，不需要利用大量的采样值来估计信号的自相关矩阵， 实现了低计算复杂性的需求并且提高了算法的执行速度，节约了硬件实现成本， 降低了功率消耗。 关键字：超宽带( i ，w b ) ；信道估计；码元级采样率；多模板 t a b s t r a c t a b s t r a c t u w b s i g n a l sa r ev e r ys h o r te l e c t r i c a lp u l s e s r e c e n t l y , u l t r a - w i d e b a n d ( u w b ) t e c h n o l o g yh a sr e c e i v e dm u c ha t t e n t i o nf o rm a n ys h o r t - r a n g ea p p l i c a t i o n s ，s u c ha s a c c u r a t er a n g i n ga n dp o s i t i o n i n ga sw e l la sm u l t i p a t hf a d i n gm i t i g a t i o ni ni n d o o r w i r e l e s sn e t w o r k s a l t h o u g ht h ep o s s i b i l i t yo fu s i n ge x t r e m e l ys h o r tp u l s e sf o rc e r t a i n a p p l i c a t i o n sh a sb e e ni n v e s t i g a t e df o ra tl e a s tt w od e c a d e s ，t h e r es t i l lr e m a i n sa l o to f t h i n g st od ot om a k et h i st e c h n o l o g yb e c o m ep e r v a s i v e e s p e c i a l l y , l o w 。c o s ta n d l o w p o w e rd e s i g n sa n dn o v e ls i g n a lp r o c e s s i n gt e c h n i q u e sa r ev e r yi m p o r t a n ti s s u e s a m o n gt h e m i nu w bs y s t e m s ，o n eo ft h ec h a l l e n g e sa r i s e sf r o mt h ef a c tt h a tu w b p r o p a g a t i o nm o d e l si nm u l f i p a t he n v i r o n m e n t sa r em o r ec o m p l e x a c c u r a t ec h a n n e l e s t i m a t i o ni sv e r ye s s e n t i a lf o ru w bs y s t e m s h o w e v e r , u w bs i g n a ld u r a t i o nt i m ei s s h o r ta n dt h ee n e r g yi sv e r yl o w , s ot h ec a p t u r eo fi ti sv e r yd i f f i c u l ta n dr e q u i r e st h e s a m p l i n g r a t ei s v e r yh i g h a tp r e s e n t ，t h ee x i s t i n ga l g o r i t h m sc o m p u t a t i o n a l c o m p l e x i t yi sv e r yl a r g e i nt h i sp a p e r , w ed e a lw i t ht h ep r o b l e mo ft h el o ws a m p l i n gr a t eh i g h 。r e s o l u t i o n c _ h 锄l e le s t i m a t i o nf o ru w br e c e i v e r s w ed e v e l o pan o v e ls t r u c t u r e d c h a n n e l e s t i m a t i o ns c h e m et h a to n l yr e l i e so ns y m b o l - l e v e ls a m p l i n gr a t ed a t a a i m i n ga t d i s c r e t eu w bc h a n n e l ，t h es c h e m ec o n s i s t so fm u l t i p a t hn u m b e rd e t e c t i o n ，m u l t i p a t h d e l a ya n da m p l i t u d ee s t i m a t i o n f i r s t ，t h er e c e i v e ds i g n a li ss e p a r a t e l yc o r r e l a t e dw i t h as e to fe s p e c i a l l yd e v i s e dt e m p l a t e sa n ds a m p l e dw i t has a m p l i n gr a t ea ts y m b o l l e v e l s ot h ef r e q u e n c yd o m a i ns a m p l i n gd a t aa r eg e n e r a t e da n dt h e n at o e p l i t z m a t r i xi sc o n s t r u c t e df r o mt h e s es a m p l i n gd a t at or e p l a c et h ea u t o c o r r e l a t i o nm a t r i x i nt r a d i t i o n a la l g o r i t h m s e c o n d l y , w eu t i l i z et h em e t h o do fm o d i f i e dt r a n s f o r m e d r o t a t i o n a lm a t r i xt oe s t i m a t et h en u m b e ro ft h em u l t i p a t ha n dd e r i v et h em u l t i p a t h d e l a ye s t i m a t e su s i n ga m o d i f i e dm u s i cm e t h o d t h em u l t i p a t ha m p l i t u d ee s t i m a t e s i i a b s t r a c t c a nt h e nb ec o m p u t e dv i at h el e a s ts q u a r e ( l s ) m e t h o d t h i sc h a n n e le s t i m a t i o n a l g o r i t h mh a st h ec h a r a c t e r i s t i c s ：i to n l yr e l i e so ns y m b o l l e v e ls a m p l i n gd a t aa n da t o e p l i t zm a t r i xi sc o n s t r u c t e du s i n gt h ef r e q u e n c yd o m a i ns a m p l i n gd a t at or e p l a c e t h es i g n a la u t o c o r r e l a t i o nm a t r i x o u ra p p r o a c hl e a d st or e d u c e dc o m p u t a t i o n a l r e q u i r e m e n t sa n df a s t e ra c q u i s i t i o nc o m p a r e dt o o t h e rp r o p o s e dd i g i t a lt e c h n i q u e s ， t h u sa l l o w i n gf o rap r a c t i c a lh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o na n dl o w e rp o w e rc o n s u m p t i o n k e yw o r d s ：u w b ；c h a n n de s t i m a t i o n ；s y m b o l - l e v e l s a m p l i n g r a t e ； m u l t i - t e m p l a t e s i i i 第一章引言 第一章引言 当今社会信息技术发展突飞猛进、日新月异，而超宽带技术以其独有的优 势得到了众多国内外研究人员的关注【l 圳。超宽带( u l t r a - w i d e b a n d ，简写为 u w b ) 技术是一种与其它技术有很大不同的无线通信技术，它是一种不具有载 波的通信技术，以纳秒至微微秒级的低能量短脉冲序列为载体来传递信息。在 例如室内这种多径较为稠密的应用场所的高速率无线接入以及军事通信领域应 用当中，超宽带技术取得了非常好的适用结果。超宽带技术是一种能够囊括跟 踪定位功能以及高速数据传送功能的新颖技术，从而能够将通信设备和定位跟 踪等设备所具有前所未有的非凡性能凸显出来，其应用前景十分可观。 第一节超宽带技术的研究背景 一 1 1 1 超宽带技术发展历程 在超宽带通信技术萌发的初期，超宽带通信的实现方法就是简单的用脉冲 宽度为纳秒级或亚纳秒级的脉冲来携带传输有用数据信息的冲激无线电技术 ( i m p u l s er a d i o ，缩写为i r ) ，其历史渊源可以追踪到1 9 4 2 年由d er o s e 发明 的随机脉冲的专利。 在上个世纪6 0 年代，时域电磁学的研究工作对于u w b 技术的深入发展起 到了推动作用，从超宽带技术最初萌发到上个世纪9 0 年代之间，u w b 技术主 要是通过较原始的冲激无线电形式来实现的，主要应用在军事通信领域的雷达 设备以及低截获低侦查率的无线系统。1 9 9 3 年，r a s c h o l t z 在以军事通信为主 题的学术会议上发表了论文“论证瓜进行调时调位多址技术”，打造了用i r 来携带无线通信中有用信息的道路；这样瓜就成为了两点间通信和无线通信网 络的信息传播介质。同时，伴随着半导体芯片的迅猛发展，i r u w b 技术也纷 纷在民用领域展开应用，从而开启了对其深入研究以及应用实现开发的新篇章， 并被广泛肯定为下一代无线通信的具有非凡重要意义的技术。为了规范u w b 技术同时更好地促进其技术进步，美国联邦通信委员会( f c c ) 于2 0 0 2 年4 第一章引言 月发布了超宽带设备的初步规范，并对超宽带重新做了官方定义 5 1 。 1 1 2 超宽带技术简介 假定e 为某一波形的瞬时能量，超宽带无线电是在辐射波形的基础上定义 的，能量带宽由下限频率f l 和上限频率f h 确定，如果该波形的绝大部分能量都 落入这个频段范围内，则称f h f l 为能量带宽。f c c 规范定义能量带宽b = f n f l 在功率谱密度衰减为1 0 d b 的辐射点上，中心频率f 。= ( f n + f l ) 2 。根据f c c 报告 规范，它要求波形的瞬时相对能量带宽大于0 2 0 或者绝对带宽大于等于 5 0 0 m h z ，批准超宽带系统允许的通信频率范围为3 1 g h z 1 0 6 g h z ，如果超 宽带系统中心频率2 5 g h z ，则要求绝对带宽超过5 0 0 m h z ；如果超宽带系统 中心频率 2 5 g h z ，则需要相对带宽大于0 2 0 1 1 】。 图1 1 形象诠释了能量带宽的含义。若f l 为能量功率谱密度( e s d ) 的下 限频率而f h 为上限频率，则中心频率为( 计f l ) 2 。相对带宽就是能量带宽与中 心频率相除的结果，表达式如下： ，、 相对带宽2 磷 o j ) 【丁一j 图1 1 能量带宽 在求解波形瞬时能量e 过程中，切记要跟踪到脉冲的全部持续时间段。通 常，在大部分情形中，若需要判决的单一信息比特由若干个脉冲构成，则求解 第一章引言 能量e 的时侯就要顾全该比特中包含的每一个脉冲，若使用若干个脉冲来传输 一个信息比特，在判决这个单个比特时，务必要得到这个比特所包含的每一个 脉冲的能量，因为接收端噪声是根据系统设置完的有用信号的能量来计算的。 超宽带系统由于带宽较大，跨度达7 5 g h z ，为了将其对于其它通信系统的 干扰限定在某一范围内，在任意频率上必须设定一个最大允许功率，即某一频 率范围内的有效全向辐射功率e i p r ( e q u i v a l e n ti s o t r o p i e a l l yr a d i a t e dp o w e r ) 。对 于无线通信系统，f c c 规定的功率上限为4 1 3 d b m ，这样就使超宽带技术能够 与已经可用的系统共享3 1 g h z 一1 0 6 g h z 这段频带，比如全球定位系统( g p s ) 、 i e e e8 0 2 1l 无线局域网。f c c 于2 0 0 2 年发布关于超宽带技术的报告与规范， 其中定义了三大类超宽带应用系统： 系统，其频谱规范如下表1 1 所示， 谱规范可由图1 2 所示。 成像系统、通信与测量系统以及车载雷达 此外，对于室内通信系统的带宽分配及频 表1 1f c c 发布的超宽带系统的频谱规范【1 1 全向辐射功率( e i p r ) d b m 频率 m h z 】 室内通手持通低频率成高频率通中频率成车载雷 信系统信系统像系统信系统像系统达系统 3 1 , 0 0 0 6 1 3 室内手持通信系统：五，厶【3 1 ，1 0 6 g h z ；低频率成像系统：无，厶 2 4 0 7 5 g h z ，五，厶f 2 2 ，2 9 g h z 第一章引言 图1 2f c c 发布的室内超宽带设备的频谱规范2 1 1 1 3 超宽带技术的应用领域 目前，超宽带设备已经在美国开始允许运营，欧洲以及日本地区正在做进 一步努力，我国关于超宽带技术的学术研究以及设备开发也取得了突破性的进 展，相信基于超宽带技术的应用设备将会在不远的将来充斥于人们的生活当中， 伴随着信号处理工具的发展，超宽带技术的影响也会变得越发深远1 4 j 。以下我 们简要介绍超宽带技术的几大应用趋势：无线个人局域网、传感器网络、成像 系统、车载雷达系统【6 j 。 超宽带技术在这几个方面的突出应用主要是基于超宽带的的特点：其一， 超宽带技术发射功率小、功耗低，干扰小，可以与其他无线通信系统共享频谱 资源；其二，超宽带技术隐蔽性好，对于非特定的窄带接收机来说，超宽带信 号就像是低电平的背景噪声，具有低截获率、保密性好的优点；其三，超宽带 系统具有超乎寻常的大带宽，根据香农公式可知，超宽带系统具有较大的信道 容量；其四，超宽带系统定位精确，可以提供三维定位，精度可达几厘米；其 4 第一章引言 五，超宽带系统的抗多径能力强，采用的极窄脉冲信号，能量集中，在密集多 径环境中各径信号重叠抵消的几率很低，并且具有极高的信号分辨率。 众所周知，在家庭内部网络中，无线个人局域网可以保证手持消费电子以 及通信设备的短距离( 大概1 0 2 0 m ) a dh o c 网络传输的连通性【l 】。在存储系统中， 预期他们能够提供高质量的实时的音频视频分配以及文件交换，并且在家庭娱 乐系统中取代复杂的电缆线，例如：大屏幕高分辨率显示器的价格正在快速地 达到人们可接受的水平。这些设备可从超宽带技术的大容量特性中获益。它们 可以采用无线方式从数据源到屏幕实现数据传送。对于无线个人局域网来说， 超宽带技术的出现使其成为无线个人局域网一个非常有前景的物理层通信技 术，因为超宽带技术能够在短距离实现高速率传送，同时具有低成本、高频谱 效率以及低占空比的优点。 在家庭网络中，计算机外围设备就可以使用超宽带技术，特别是当移动性 非常重要而其在一个公共地点有很多无线设备同时使用的时候，它们可能是鼠 标、键盘、打印机、显示器、扬声器、麦克风、游戏手柄、p d a 以及其他在一 定范围内向同一计算机发送和接受消息的无线设备。超宽带技术的应用使得这 样一种情况成为现实：在同一地点同一时间对于不同的计算机使用相等数量的 无线外设，它们之间不会相互干扰。这个概念在市场上一定能够获得认可，因 为它满足了人们对舒适、自由移动、无线连接的需要。 传感器网络是由在一个地理区域的大量分散的节点构成的。这些节点如果 被部署完成以下任务：雪崩监测、污染跟踪，那么他们就是静态的；而在军事 上或者应急响应情况下，这些节点就有可能被安装在士兵、消防员或者机器人 的身体上，这样这些节点就是移动而非静态的了。在具有挑战性的环境中，传 感器网络操作上的主要要求就是低成本、低功耗以及多功能性。巨大数量的感 知数据的及时收集、传播以及交换的应用很好的刺激了高数据率的u w b 通信 系统的应用扩展以及技术进步。在传感器网络中，鉴于感知设备的属性以及重 装蓄电池的困难，传感器网络的能量相比于无线个人局域网更加受限，有研究 表明，目前商用的蓝牙设备不太适合于传感器网络应用，因为传感器网络的能 量需求以及它的高成本。 此外，对于超宽带技术的精确定位能力开发使得无线传感器网络有希望得 到更加精准的定位，尤其是当存在障碍而g p s 不可用的时候。这是一个新兴的 市场，超宽带技术所提供的定位精度可以加速这个市场的成长，促进这个领域 第一章引言 新的应用和发展。超宽带系统可以工作在充满人和物体的复杂环境中。像医院、 安全站、训练中心、分散式生产车间，在这些地方，超宽带系统都可以实现快 捷有效的通信。对复杂无组织活动的自动记录可以把人们从管理工作中解脱出 来。设备的档案可以个性化，且可自动实现设备共享，这可为人们提供更多的 方面。生产部门的实时计量和审计为管理者及时提供了决策信息。通过对人员 和重要物品位置的监视可以实现高度的安全性。 在车载雷达系统中，基于超宽带技术的感测有潜力改善传统邻近运动传感 器的分辨率。超宽带技术能够实现高测距精度并且具有较高的目标区分能力， 这样就使得智能的抗碰撞以及驾驶控制系统的构想成为可能，这些系统能够改 善安全气囊的部署以及基于路况的自适应悬浮或者制动系统。u w b 技术也可 以整合到车载娱乐或者航行系统中，主要通过在飞机场、路边、加油站等安装 u w b 发射器的地点下载高速率的数据。 在成像系统中，与传统的雷达系统不同，目标被典型的认为一个点状散射 体，u w b 雷达脉冲比目标的大小还要短。超宽带由目标反射回来的信号变化 不仅仅表现在幅度和时间偏移上面，还包括脉冲形状的改变。这样，相对于传 统雷达信号来说，超宽带波形表现出显著地敏感性，这一属性已经轻松地被应 用在雷达系统当中并且能够被扩展到额外的应用例如地下、穿透墙壁以及海面 成像等等，此外还包括医疗诊断和边境检测设备【j 。 第二节超宽带信道估计问题研究现状 因为超宽带系统工作的环境都是多径较为稠密的情况，所以超宽带系统的 信道估计就非常的复杂。超宽带的极大带宽导致了多径延时的分辨差异在纳秒 级，这样，多径的畸变就有所减缓而多径形式的分集就呈现出来，为了获取散 布在整个多经环境的信号能量，r a k e 接收机所包含的相关器就可以派上用场。 r a k e 接收机是超宽带系统普遍采样的一种技术，而采用r a k e 接收机的超宽带 系统的性能就非常大的取决于对信道状态信息的了解程度。 在超宽带系统研究领域，已经存在一些较为成熟的信道估计算法，例如： 信道的参数可以通过最大似然准则( m a x i m u ml i k e l i h o o d ) 来估计 8 - 9 ；而由于 超宽带信道是呈现簇的形式 1 0 】，一种基于簇形式的信道估计算法就被提出来了 【i 。在盲信道估计中，最大似然估计【8 】、子空间的方法【1 2 】以及基于一阶循环平 6 第一章引言 稳特性的方法【b 】纷纷被提出来，鉴于卡尔曼算法的性能优势，许多基于卡尔曼 滤波器的信道估计算法也在不断成为研究者的兴趣所在【1 4 - 1 5 】。然而，这些方法 大多数都具有非常高的计算复杂性，其中最大似然估计方法需要多维搜索，然 后这在实际系统中非常复杂以至于难以实现，此外，该方法关注于实际信道与 估计信道在输出方面的相似性，但是，在多径稠密的环境下，实际信道与估计 信道的参数是不相等的。 第三节本文研究意义及内容安排 u w b 系统带宽极宽的特性给可靠系统的分析及实现带来了很大的挑战。 第一个挑战就是超宽带系统需要快速实现同步和采集信号，目前已经有诸多文 献提出了相关算法，主要的趋势就是使所需分析参量数目最小化【16 1 ，实现数字 化。数字化实现有许多优势，包括技术成本低、完全集成以及鲁棒性等等。然 而，鉴于超宽带系统具有极大的带宽，系统设计上就存在一个难题，就是需要 过高的计算量，此外，系统中需要速度快而且昂贵的a d 转换器，这样功率消 耗也就会较高，最后，目前的这些方法基本都是基于穷举搜索，结果就是比较 花费时间。 第二个挑战就是u w b 在多径环境下的传播模型较窄带模型更为复杂，并 且不能直接由窄带技术扩展推广而来，而对超宽带系统信道信息的获取即信道 估计就变得非常重要。u w b 的较好的时间分辨率意思是指在不同延迟时刻和 以不同角度到达接收机的多径分量创造了一个动态扩展的信道冲击响应。为了 更精确的描述超宽带信道，一个新的信道模型被提出来，其中每条进入的多径 都经历不同的频率选择性衰减【1 7 】，文章中c r a m e r ，s c h o l t z 以及w i n 提出在空 间上分离多径分量，然而，这种思路需要添加额外的硬件设备即天线组。 以上既有方法都存在各方面的不足，包括计算复杂性较高、硬件成本较高、 算法计算时间较长等等，对于超宽带这种带宽非常宽并且信号频率非常高的技 术来说，上述方法都不能使超宽带技术发挥良好的性能，迫切需要一种低采样 率的、适用高分辨率信道的快速信道估计算法。本文主要是以m u s i c 算法以 及变换旋转矩阵算法为基础对超宽带系统信道冲击响应进行估计，这两种算法 都是在谱估计方面有过应用的技术，本文在信道估计研究当中取得了很好的利 用结果。通过对经典算法的总结研究，在此基础上进行合理改进和优化，利用 第一章引言 频域采样点数据构造了一个特殊形式的托普利兹矩阵来代替传统算法中的自相 关矩阵，并且进行理论证明和计算机仿真实现，最终得出一个可行性方案。 本文第一章为引言，主要介绍了超宽带技术的研究背景，包括从最初的技 术萌发到设置规范的一系列发展历程，并且给出了超宽带无线电的具体定义， 明确超宽带信号的标准，接下来介绍了超宽带系统的应用场景，以及超宽带信 道估计问题的研究现状，最后给出了全文的结构安排。 第二章介绍了超宽带无线通信实现技术，从超宽带发射信号的类型大致分 为脉冲超宽带和多频带超宽带，而脉冲超宽带又引入了多址技术，第一种实现 方法是直接序列扩频的方式，第二种为跳时码扩频的方式，而多频带超宽带是 以正交频分复用即o f d m 为基础来进行传送的，同时也介绍了超宽带信号的几 种调制方式，主要是脉冲位置调制即p p m 以及脉冲幅度调制即p a m ，文中分 别对这几种信号产生方式进行了详细的阐述。 第三章研究了超宽带系统的几种信道模型以及超宽带系统的信号接收技 术，首先引入原始的无线通信信道模型s v 信道模型并介绍了i e e e 8 0 2 1 5 3 a 推荐的超宽带信道模型，接下来详细介绍了i e e e 8 0 2 1 5 4 a 推荐的超宽带信道 模型，包括信道的各方面特性以及参数表征，最后介绍了超宽带系统常用的 r a k e 接收技术，为下一章介绍信道估计算法打下铺垫。 第四章提出了一种基于低采样数据的信道估计算法，算法首先将预先设定 好的多模板与接收信号做相关，将得到的频域采样数据构造成一个托普利兹矩 阵，利用变换旋转矩阵的方法来估计信道多径分量的数目，确定数目后，利用 传统的m u s i c 算法，最终估计出超宽带信道的参数，包括多径延时和幅度， 并且做了计算机仿真分析，体现了该方法的可应用性。 第五章对本文进行了总结和展望，总结本文工作，并且提出了今后工作方 向的个人见解。 第二章超宽带无线通信实现技术 第二章超宽带无线通信实现技术 第一节脉冲超宽带 超宽带无线电在在雷达应用中，是通过若干很窄的脉冲组成的辐射波形的 形式来实现的，这里的“很窄”指的是在实际通信系统中脉宽在亚纳秒级。这 种情况下，二进制比特序列以数字的形式来携带传输信息，一个比特通常需要 一个或多个脉冲多次出现来进行编码。利用重复的脉冲来表示各个信息比特， 提升了数据信息在传送中的可靠性。此脉冲传输方式是最基本的超宽带发射机 的基础。 超宽带信号发射最传统的方法是发射时域上的窄脉冲，这种传输技术即为 脉冲超宽带( i r u w b ) 。系统为了获得发射端所生成信号的频谱波形，需要用伪 随机码即p n 序列对数据符号进行编码。如果数据符号被编码后使脉冲出现在 时间上的位移量，这就是跳时超宽带( t h u w b ) ：如果数据符号被编码后相当 于是对脉冲的幅度做了调制，这就是直接序列超宽带( d s u w b ) 陋】。此外，数据 对脉冲进行调制的两种常见方式是脉冲位置调带l j ( p p m ) 和脉冲幅度调锖t j ( p a m ) ， 其中p p m 是指脉冲的时间位置随着调制信号的变化而变化，以脉冲的位置作为 载体来传递有用信息，而p a m 是指脉冲的幅度随着调制信号改变的一种方式 即以脉冲的幅度作为载体来携带有用信息。 2 1 1 脉冲成型器 在超宽带通信系统中，脉冲成型滤波器的选择非常关键，因为它的不同就 会引起传递信号的功率谱密度的不同，超宽带大电流辐射天线的问世，为持续 时问在纳秒级的脉冲产生提供了一个基础。 脉冲成型器最方便形成的脉冲波形是一个钟形，其形状与高斯函数波形相 差无几。一个高斯波形p ( f ) 可以表示如下： 一f ，乓一笙 p ( f ) ：毒一p 1 2 盯2j ：鱼p 口2 ( 2 1 ) 2 舸2 口 9 第二章超宽带无线通信实现技术 这里口2 = 4 z t t r 2 是脉冲形成因子，盯2 为方差。参数口决定着脉冲的形状，并且影 响着脉冲的宽度以及功率谱特性。下图2 1 给出了：以步长0 i n s ，口从0 3 6 5 n s 增大到0 9 6 5 n s 所对应时域波形图，由图可以看出，口值越大，时域波形越宽， 相应的频域带宽就越窄，反之，口值越小，时域波形越窄，相应的频域带宽就 越宽，对于每一个t 2 值的相应时域波形的能量谱密度( e s d ) 如图2 2 所示。 t i m ed o m a i n 罗 口 ： e 图2 1 高斯脉冲：参数口对波形的影响 1 0 第二章超宽带无线通信实现技术 n 工 o c 疗 t 墨 o c ， l u f r e q u e n c yd o m a i n 图2 2 对于不同参数口，相应高斯脉冲的能量谱密度 为了有效辐射，产生的脉冲波形应具备“无直流分量 这一基本条件，高 斯函数的各阶导函数对应的脉冲都是符合要求的，高斯波形以及它的前1 5 阶导 函数的波形如下图2 3 所示，其中口取值为0 6 2 6 n s ，由图可以看出，随着导函 数阶数增大，信号带宽也有所增加。 图2 4 显示的是高斯脉冲前十五阶导函数的能量谱密度，由图可以看出随 着微分次数的增大，其能量谱密度将向频率较大处前进。由以上可以看到，求 解导函数以及扩大或缩短脉宽都能够使高斯脉冲的能量谱密度发生改变，脉冲 设计的首要任务是要满足f c c 指定的辐射掩蔽规范，能够在全频段逼近辐射掩 蔽标准的一种办法是把高斯波形的非同阶导函数组合起来从而得到发射脉冲。 第二章超宽带无线通信实现技术 n 工 o o 笋 口 c ，) il l e a ) 刁 3 e 围田田田 田田田田 田田四田 田田田田 202202202- 202 t i m e s 1 x10 91 0 9 图2 3 高斯各阶导函数波形 f r e q u e n c yd o m a i n 图2 4 高斯脉冲前十五阶导函数脉冲的能量谱密度 1 2 第二章超宽带无线通信实现技术 2 1 2 跳时超宽带信号的产生 利用p p m 调制方式的跳时超宽带( t h - l r w b ) 信号产生的系统框图如下： b j 厦复绷码器 一发送编码器卜 p p m 调制器 翌工当脉冲成蔓器1 1( 觚，1 ) 镳移量呜存 一夥 i t s 的他霄 ，= 导( 6 ，s ) = 等= 丢( 6 ，s ) r ：警：善符号，s ) r 。：善：当f 脉冲s 1 图2 5p p m - t h - u w b 信号发射方案 假设待发射的二进制序列b 为b = ( ，b 0 ，岛，吼，坟小) ，对其进行重复编 码，每个比特重复m 次，产生二进制序列： 口= ( ，b 0 ，b 0 ，b o ，6 l ，2 j i ，玩，么，瓯，玩+ ，坟+ 。，) 2 ( ，口0 ，口1 ，口，口+ 。，) 接下来通过发送编码器，利用整数值码序列与二进制序列，构造出新序列d ， 序列d 的一般元素表达式如下： d j = c j ；+ 哆占 ( 2 2 ) 式中，疋同s 为常量，对所有的c j 满足不等式c ，疋+ s 1 2 ，r ( m ) 为g a m m a 函数，q 为幅度的均方值。 当满足以下两个转换公式时，n a k g a r n i 分布可以转换为莱斯分布： 朋= 蕊( k r 两+ 1 ) 2 ( 3 2 6 ) 群：j 警 ( 3 2 7 ) 其中k 为莱斯分布因子，聊为n a k a g a m i 分布因子。 参数q 相当于平均功率，它的延迟依赖性通过上节中的延迟功率分布给 出。参数m 建模为一个服从对数正态分布的随机变量，其对数的均值为， 标准差为o m ，它们具有延迟依赖性如下： 心( f ) = m 0 一吒f ( 3 2 8 ) 第三章超宽带系统信道模型以及接收技术 吒( f ) = ，；i o k f ( 3 2 9 ) 对于每簇的第一条多径分量来说，n a k a g a m i 因子的建模与上述方式不同，假设 其为确定性的并且独立于延迟，即： m = m o( 3 3 0 ) 第四节r a k e 接收技术 经过以上几节内容的介绍可以知道，超宽带系统发射信号经过多径衰落信 道之后，发射信号s ( f ) 会发生幅度衰减、相位偏移、到达时间延迟等多种变化， 而最终接收端得到的信号就是该发射信号变化后多个副本的叠加，假设接收端 的加性高斯白噪声为n ( t 1 ，利用8 0 2 1 5 4 a 推荐的超宽带信道模型，则接收信号 可以表示如下： n 足抽) r ( f ) = e x p ( 丸) st 一瓦一) + 咒( f ) ( 3 3 1 ) n = lk = 0 假设接收信号，( f ) 的总能量为毋r ，由于多径效应，总能量岛y 不是集中的，而 是分散包含在不同的多径分量中，而接收机在一段时间内又不能接收所有的多 径分量j 因此检测器无法使用乓y 直接进行判决。但是，在脉冲超宽带系统中， 由于超宽带信号带宽非常宽，信号的脉冲持续时间又很短，在纳秒级，故能够 假定两个多径达到时问间隔不足脉冲持续时间，这样，所有的多径分量均相互 独立，不存在混叠的情况。此时，就能利用超宽带信道的时间分集来对多径分 量进行合并，从而改善接收机的检测性能。这种能识别细微的多径分量，并且 将其收集起来，利用时间分集来进行判决的接收机，即为r a k e 接收机。 r a k e 接收机采用的分集合并方法有以下几种：选择性合并( s e l e c t i o n c o m b i n i n g ) ，就是接收机选择信号瞬间信噪比最大的多径分量进行判决，从而 推断出发射信号，连续发射信号的时候需要接收机在每个分支有专门的检测瞬 时信噪比的设备；等增益合并( e q u a lg a i nc o m b i n i n g ) ，顾名思义，就是将不同的 多径分量以等系数进行加权；最大比合并( m a x i m u mr a t ec o m b i n g ) ，就是和合并 之前对接收的多径分量进行协调，然后再进行加权，加权系数是通过信噪比最 大的准则来产生，即加权系数正比于接收信号的幅度，从而扩大最强分量，削 2 6 第三章超宽带系统信道模型以及接收技术 弱较弱分量，从而保证输出信噪比最大【2 5 1 。 一般r a k e 接收机的框图如下： 图3 2 r a k e 接收机 2 7 第四章基于符号级采样率的超宽带信道估计算法 第四章基于符号级采样率的超宽带信道估计算法 在短距离、高速度的个人无线局域网中，超宽带无线电是一种非常具有吸 引力的技术，在上一章中也有提到，由于具有极大的带宽，超宽带信号具有较 高的多径可分离性以及较显著的抗衰落性，这样的特性再加上每条多径的低能 量可以促进r a k e 接收机更有效的去利用分集多样性，接下来收集能量以提高 接收端信噪比。众所周知，为了实现r a k e 接收机的最大比合并方法进行判决， 接收机需要知道每个分集分支的增益，这样，信道估计技术就变得非常重要。 目前的信道估计方法主要有基于最大似然准贝j j ( m l ) 的信道估计方法、滑动窗口 的信道估计算法、基于卡