（信号与信息处理专业论文）脉冲超宽带信号的非相干接收技术研究.pdf

中文摘要 中文摘要 近年来，随着无线个域网( w p a n ) 、无线体域网( w b a n ) 等短距无线通信 网络的不断发展，市场需要一种新型物理层通信技术来解决短距离无线网络中高 速接入需求与频谱资源拥挤之间矛盾。脉冲超宽带( u w b ) 技术由于具有大带宽、 低功率谱密度和多径分辨率高的独特性质，成为备受关注的解决方案之一。尽管 u w b 通信技术取得了长足的进步，但设计低成本、低复杂度、高性能的接收机一 直是u w b 技术中的重中之重，也是制约u w b 通信发展的瓶颈之一。 u w b 接收方案主要包括以相关r a k e 接收机为代表的相干接收方案和以能 量检测接收机、自相关接收机为代表的非相干接收方案。与相干接收方案相比， 非相干接收方案具有较低的实现成本和系统复杂度以及对同步错误具有较强的鲁 棒性等优点。但是，非相干接收机的这些优点是以其误码性能的下降为代价的。 如何有效的提升非相干接收机误码性能已成为当前u w b 研究领域的一个热点课 题。本文结合u w b 信号的特征，在满足一定的性能复杂度约束条件下，研究u w b 的非相干接收机技术。论文的主要研究内容和成果如下： 第一，对u w b 能量检测接收机的加权方案进行了研究。 在已有的研究中，基于分数间隔采样的u w b 能量检测接收机均采用了线性 加权方案。本文针对不同的调制类型，对接收机的加权方案分别进行了研究。首 先，针对o o k 调制的u w b ( o o k - u w b ) 信号，基于最大似然准则，提出了一 种新型的二次型加权能量检测接收机。在该接收机性能分析方面，利用特征函数 法推导出误比特率的解析表达式，并对其有效性进行了验证。仿真结果表明该接 收机误比特性能优于传统的和线性加权方案的能量检测接收机。其次，针对p p m 调制的u w b ( p p m u w b ) 信号，在不采用线性加权约束的条件下，直接利用最 大似然准则推导出线性加权的接收机结构，在此基础上，与针对o o k u w b 的二 次型加权结构进行了比较研究，证明了线性加权合并和二次型加权合并分别是 p p m u w b 和o o k - u w b 能量检测接收机的最佳加权合并方案。 第二，对u w b 盲能量检测方案进行了研究。 在继承分数间隔采样优点的同时，为避免加权方案中需要发送训练序列获得 加权系数的缺陷，本文将差分编码引入u w b 能量检测方案，提出了一种新型的基 于多符号差分检测( m s d d ) 的u w b 盲能量检测接收机。该接收机采用符号分块 的处理结构，利用信道的准静态特性，以实现符号块内的多个符号的联合差分检 测。与加权方案相比，所提出的方案不需要任何信道先验知识，从而避免了训练 过程，简化了接收机结构，提高了数据传输速率。仿真分析表明该接收机误码性 北京交通大学博士学位论文 能明显优于传统的能量检测接收机，并且随着符号块长度的增加，性能逐渐逼近 理想的加权能量检测接收机。 第三，对低计算复杂度的m s d d 实现方案进行了研究。 提出一种基于子块联合搜索算法的低复杂度m s d d 实现方案。该方案在性能 上具有接近最大似然m s d d 的性能同时，由于有效减小了符号序列的搜索空间， 使得算法复杂度得到明显降低。本文还对该算法的搜索深度这一关键参数的优化 设置问题进行了仿真研究；结果表明搜索深度增大到一定程度，再继续增加该参 数值并不能明显提高接收机性能，反而明显增加了计算复杂度。因此在实际应用 中通过设置合适的搜索深度，可实现良好的性能复杂度折衷方案。 第四，对基于正交分组编码调制( b c m ) 的u w b 自相关接收方案进行了研 究。 与传统的传输参考( t r ) 方案相比，b c m 方案不需要发射参考脉冲，能有 效地提高系统的能量效率和数据传输速率。本文根据广义最大似然比( g l r t ) 优 化准则，提出一种基于b c m 方案的新型u w b 自相关接收机。与已有的b c m 接 收机相比，新型接收机具有以下优点：一是接收机系数可以预先计算并可在解调 过程中重复使用，从而简化了接收机的码字判决过程；二是通过对接收机系数的 灵活处理，可进一步改善接收机的性能。在理论性能分析方面，根据联合界原理 在推导成对差错概率的基础上得到该接收机的误比特率上界，仿真结果表明当信 噪比较高时，该理论上界是误比特率的一个很好近似。本文还通过仿真实验对该 接收机的抗多址干扰能力进行了研究，结果表明通过对接收机系数进行非线性处 理可有效的抑制多址干扰。 关键词：脉冲超宽带；非相干接收机；多符号差分检测；加权能量检测；正交分 组编码调制；联合界 分类号：t n 9 2 a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs h o r t r a n g ew i r e l e s sn e t w o r k s ，s u c ha sw p a na n dw b a n ， t h em a r k e tn e e d san o v e lp h y s i c a ll a y e rt e c h n o l o g yt h a tc a l lr e s o l v et h ec o n f l i c to f s h o r t r a n g eh i g h s p e e da c c e s sd e m a n da n dc r o w d e ds p e c t r u mr e s o u r c ea l l o c a t i o n t h e u n i q u ep r o p e r t i e so fu w b s u c ha sl a r g eb a n d w i d t h ，v e r yl o wp o w e rs p e c t r a ld e n s i t y a n df m et i m e r e s o l u t i o np r o v i d eh i g h e rc h a n n e lc a p a c i t y , r e d u c e df a d i n ge f f e c t sa n d p o s i t i o nl o c a t i o nc a p a b i l i t y t h u s ，u w bi sc o n s i d e r e da l li m p o r t a n ts o l u t i o no f s h o r t - r a n g ew i r e l e s sa p p l i c a t i o n sf o ri t sa b o v ec h a r a c t e r i s t i c s f r o mat h e o r e t i c a lv i e w p o i n t ，t h ec o h e r e n tr a k er e c e i v e r sa r eo p t i m a lf o ru w b m u l t i - p a t hs i g n a l si na na w g ne n v i r o n m e n t h o w e v e r , t h ec o h e r e n tr a k er e c e i v e r s a r ef a c e d 、析mf o r m i d a b l ei m p l e m e n t a t i o nd i f f i c u l t i e sd u et oh i g hc o s t , s t r i n g e n t r e q u i r e m e n t so ns y n c h r o n i z a t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o n i nt h ep a s tf e wy e a r s ，t h e r eh a s b e e ng r o w i n gi n t e r e s tt o w a r dt h en o n c o h e r e n tu w br e c e i v e r s ( s u c ha se n e r g yd e t e c t i o n r e c e i v e r sa n da u t o c o r r e l a t i o nr e c e i v e r s ) f o rt h e i rs i m p l ei m p l e m e n t a t i o na n dg o o d p e r f o r m a n c e - c o m p l e x i t yt r a d e o f f s c o m p a r e d 谢t l lc o h e r e n tr e c e i v e r s ，t h en o n c o h e r e n t r e c e i v e r sd on o tr e q u i r ec o m p l e xc h a n n e le s t i m a t i o n , b er o b u s tt os y n c h r o n i z a t i o na n d h a v es i m p l e rs t r u c t u r e s h o w e v e r , t h e s eb e n e f i t sa r eo b t a i n e da tt h ec o s to fs o m ee r r o r p e r f o r m a n c el o s s t h e r e f o r e ，h o wt oi m p r o v et h ee r r o rp e r f o r m a n c eo fn o n c o h e r e n t r e c e i v e rh a sb e e nb e c o m i n gac u r r e n tr e s e a r c hh o t s p o ti nt h eu w bd o m a i n i nt h i s t h e s i s ，w e a d d r e s st h ei s s u e so fn o n c o h r e n tr e c e i v e rd e s i g na n d p e r f o r m a n c e o p t i m i z a t i o na p p r o a c h e s c o m b i n e d 、航t ht h ec h a r a c t e r i s t i c so fu w bs i g n a l sa n d c h a n n e l s t h em a i nw o r k sa n dc o n t r i b u t i o n sa r ec o n c l u d e da s ： 1 r e s e a r c ho nu w b w e i g h t e de n e r g yd e t e c t i o na p p r o a c h f o ro o k - u w bs i g n a l ，w ep r o p o s eaq u a d r a t i cf o r mw e i g h t e de n e r g yd e t e c t i o n r e c e i v e rb a s e do nf r a c t i o n a l l y - s a m p l e ds c h e m e ，a n dd e r i v eac l o s e d f o r me x p r e s s i o nf o r t h eb i te r r o rp r o b a b i l i t yu s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i cf u n c t i o nm e t h o d n u m e r i c a la n a l y s i s a n dc o m p u t e rs i m u l a t i o nr e s u l t sa r ep r e s e n t e dt ov a l i d a t et h ed e r i v e dt h e o r e t i c a l p e r f o r m a n c e m o r e o v e r , f r o mt h ev i e w p o i n to f s t a t i s t i c a ls i g n a ld e t e c t i o n ，ac o m p a r a t i v e s t u d yb e t w e e nt h eo o k - - u w ba n dp p m u w bw e i g h t e de n e r g yd e t e c t i o nr e c e i v e ri s c a r r i e do u t t h es t u d yr e s u l t ss h o wt h es i g n a ld e t e c t i o np r o b l e mo ft h i st w or e c e i v e r s a r ee s s e n t i a l l yt h eg a u s s i a n2 - a r ys i g n a lm a x i m u ml i k e l i h o o dd e t e c t i o np r o b l e m ，a n d r e s p e c t i v e l yc o r r e s p o n dt ot h ec a s eo fu n e q u a lm e a n s ，e q u a lv a r i a n c e sa n dt h ec a s eo f v 北京交通大学博士学位论文 u n e q u a lm e a n s ，u n e q u a lv a r i a n c eu n d e r2 - a r yh y p o t h e s e s 2 r e s e a r c ho nu w bb l i n de n e r g yd e t e c t i o nr e c e i v e r t oa v o i dt h ew e i g h tc o e f f i c i e n t se s t i m a t i o n , w ep r o p o s ean o v e lm s d d b a s e d u w bb l i n de n e r g yd e t e c t i o nr e c e i v e r , w h i c hp e r f o r m sj o i n td e t e c t i o no fab l o c ko f m u l t i p l es y m b o l sb ye x p l o i t i n gt h ec h a n n e lq u a s i - s t a t i ca s s u m p t i o n ( i e t h ec h a n n e l c o h e r e n c et i m ei sl e s st h e nt h ed a t ab l o c kt i m e ) s i m u l a t i o n si nm u l t i p a t hf a d i n g s c e n a r i o ss h o wt h a t ，t h ep r o p o s e dr e c e i v e rp e r f o r m sc o n s i d e r a b l yb e t t e rt h a nt h e c o n v e n t i o n a le n e r g yd e t e c t i o nr e c e i v e r , a n d 嘶mt h ei n c r e a s eo fs y m b o lb l o c ks i z e ，i t s p e r f o r m a n c e sa p p r o a c ht h o s eo f t h ei d e a lw e i g h t e de n e r g yd e t e c t i o nr e c e i v e r 3 r e s e a r c ho nr e d u c e d c o m p l e x i t ym s d ds c h e m e a sf a ra st h ec o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t yo fm s d di sc o n c e r n e d ，w ep r o p o s ea r e d u c e d - - c o m p l e x i t ys u b - b l o c kj o i n ts e a r c ha l g o r i t h mb ye m p l o y i n gat w o s t e ps e a r c h s t r a t e g y ，w h i c hc a n r e d u c et h es e a r c hs p a c ee f f i c i e n t l ya n db ei m p l e m e n t e ds i m p l y t h e p r o p o s e da l g o r i t h mp r e s e r v e sm a j o rd e s i r e dp r o p e r t i e so ft h eo p t i m u mm s d d ，w h i l e r e s u l t i n gi nl o wc o m p l e x i t ya tt h ee x p e n s eo fs o m ep e r f o r m a n c ed e g r a d a t i o n w ea l s o s t u d yt h ep a r a m e t e r so p t i m i z a t i o ni nt h ep r o p o s e da l g o r i t h mt h r o u g ht h ec o m p u t e r s i m u l a t i o n s 4 r e s e a r c ho nu w ba u t o c o r r e l a t i o nr e c e i v e rc o m b i n e dw i t hb l o c k c o d e d m o d u l a t i o n ( b c m ) s c h e m e t r a d i t i o n a lu w ba u t o c o r r e l a t i o nr e c e i v e r ss u f f e rf r o me n e r g yl o s sa n dd a t ar a t e r e d u c t i o nd u et ot h et r a n s m i s s i o no fn o n - d a t a - b e a r i n gr e f e r e n c ep u l s e s b a s e do nt h e g e n e r a l i z e dl i k e l i h o o dr a t i ot e s t ( g l r t ) o p t i m a l i t yc r i t e r i o n , w ep r o p o s ea n o v e lu w b n o n - c o h e r e n ta u t o c o r r e l a t i o nr e c e i v e rc o m b i n e dw i t hb c ms c h e m e c o m p a r e dw i t h b c me n e r g yd e t e c t i o nr e c e i v e r ，t h ep r o p o s e dr e c e i v e ra d o p t st h ea u t o c o r r e l a t i o n s t r u c t u r et h a tc a nb ei m p l e m e n t e di nam o r ef l e x i b l ea n ds i m p l e rm a n n e r m o r e o v e r , b a s e do nt h ed e r i v a t i o no fp a i r - w i s ee r r o rp r o b a b i l i t y , t h ec l o s e d f o r mu p p e rb o u n d e x p r e s s i o nf o rt h eb i te r r o rr a t ei sp r e s e n t e d s i m u l a t i o n si nm u l t i - p a t hf a d i n gs c e n a r i o s s h o wt h a tt h i su p p e rb o u n di sq u i t et i g h tf o rl a r g es i g n a lt on o i s er a t e ( s n r ) a n dc a l lb e t r e a t e da sag o o da p p r o x i m a t i o no fb e ri nh i g hs n rr e g i o n s t h eo p t i m i z e di n t e g r a l t i m ea n dm a i s u p p r e s s i o nc a p a b i l i t ya r es t u d i e dt h r o u g hc o m p u t e rs i m u l a t i o n k e y w o r d s ：i r - u w b ；n o n - c o h e r e n tr e c e i v e r ；m s d d ；w e i g h t e de n e r g yd e t e c t i o n r e c e i v e r ；b l o c k - c o d e dm o d u l a t i o n ；u n i o nb o u n d c l a s s n o ：t n 9 2 致谢 值此论文完成之际，谨向关心和帮助过我的老师、同学以及亲友表示衷心 的感谢! 感谢我尊敬的导师裘正定教授。裘老师渊博的专业知识、严谨的科研作风、 精益求精的治学态度，以及真诚正直的为人都给我留下了深刻的印象。正是由 于得到裘老师系统和方向性的指导，才使我的博士课题得以顺利完成。而更重 要的是在裘老师的谆谆教诲下，我领悟到做人的道理和做学问是一样的一严谨、 求实、进取，真心面对，踏踏实实，才能做好，这将成为我一生中最为宝贵的 财富。 感谢肖扬教授、梁满贵教授和胡绍海教授对论文提出的宝贵建议，这些建 议对论文水平的提高具有很大的帮助。在学期间，赵耀老师、胡师舜老师、丁 晓明老师、孙冬梅老师、章春娥老师、王升辉老师等给予我许多无私的指导和 帮助，在此表示衷心的感谢。 感谢实验室里的张雄、曾高荣、刘志、郭振斌、熊轲、吴敏、张延强、沈 超、刘军、张煜等博士，实验室里的融洽和善于交流的氛围在学术上和精神上 均给予了我强有力的支持。感谢博士班武志峰、文波、王青龙、韦世奎、林春 雨、刘楠等同学，与他们交流总是让我受益匪浅。 感谢我的父母一直以来对我的深切关爱和谆谆教诲，父母亲坚强、乐观、 正直、豁达和积极的人生态度始终激励我不断向前，是我克服所有困难的力量 源泉。感谢我的岳父母对我事业和生活的全力支持，他们自始至终都是我坚强 而温暖的后盾。感谢我的妻子张敏蓉和女儿若桐对我的理解、支持和奉献，正 是在她们的陪伴和鼓励下我才得以专心完成学业和论文。 最后，衷心地感谢为评阅本论文而付出辛勤劳动的各位专家学者。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 近年来，人们对能够随时随地提供信息服务的移动计算与宽带无线通信的需 求越来越迫切。无处不在的网络终端，以人为本、个性化、智能化的移动计算， 以及方便、快捷的无线接入、无线互联等新概念和新产品，已经逐渐地融入工业 领域和人们的日常工作生活中。从而使通信距离为几米到几十米的短距离无线数 据业务迅速膨胀并呈现出巨大的发展潜力。为构建高速短距离无线网络，无线个 域网( w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t w o r k ，w p a n ) 的概念被提出并受到广泛的欢迎和 关注，成为无线移动通信的重要应用和发展方向之一。w p a n 具有短距离覆盖、 面向特定应用场合、支持高速率多媒体传输并实现无缝连接的特点，其中心思想 是：用无线链路代替传统的有线链路，实现个人信息终端的智能化互联，组建个 人化的信息网络。超宽带( u l t r aw i d eb a n d ，u w b ) 以其高速率、高性能、低功 耗、低成本并且兼具精确定位能力的优点成为w p a n 中极具竞争力和发展前景的 通信技术之一，被视为下一代无线通信的关键技术f l 刁j 。 u w b 技术的起源可以追溯到十九世纪马可尼发明的火花隙无线电报机。现代 意义上的u w b 研究出现在上世纪六十年代，然而长期以来一直局限于军事雷达、 灾害救援搜索、定位及测距等领域。由于ir w b 系统能够与传统的窄带无线系统共 享频带，从上世纪八十年代开始，随着频带资源分配的紧张，u w b 技术开始在无 线通信领域逐渐引起关注。1 9 9 3 年，美国南加州大学的r o b e r ts c h o l t z 发表了一 篇关于跳时( t i m eh o p p i n g ，t h ) 多址的脉冲无线电( i m p u l s er a d i o ，i r ) 的具 有划时代意义的论文【8 】，自此u w b 技术不再局限于雷达和点对点通信的特殊应用 场合，转而能够支持无线多用户网络通信。u w b 无线通信史上另一件具有里程碑 意义的事件发生在2 0 0 2 年，美国联邦通信委员会( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n c o m m i t t e e ，f c c ) 正式发布了第一个将u w b 技术应用于民用的指南【9 】，允许( 至 少在美国) 在规定功率发射掩蔽( e m i s s i o nm a s k ) 下的u w b 信号的发射并且允许 民用u w b 系统在未经授权的情况下免费使用3 1 1 0 6g h z 的频段。此举是u w b 技术真正走向商业化的开端，也引发了u w b 学术研究和产业化的热潮。 按照f c c 的定义，绝对带宽大于5 0 0m h z 或者相对带宽大于等于2 0 通信系 统就可以被称为超宽带通信系统。然而，f c c 关于u w b 信号的定义只是从信号 带宽的角度描述，并没用规定u w b 信号的具体实现方式。经典的u w b 信号是通 过发射极窄的脉冲来实现的【lo 】，称为脉冲无线电或冲激无线电( i m p u l s er a d i o ， 北京交通大学博士学位论文 i r ) 。与基于载波的传统通信技术不同，i r - u w b 是一种无载波通信技术，直接利 用纳秒至亚纳秒级的非正弦波脉冲而不是连续正弦载波来传输数据。另一种u w b 信号的实现方案是多带正交频分复用( m u l t i b a n do r t h o g o n a lf r e q u e n c yd i v i s i o n m u l t i p l e x i n g ，m b o f d m ) ，该方案将f c c 划定的7 5g h z 带宽划分为若干子带， 每个子带的频带宽度为了满足f c c 的规定都设定为不小于5 0 0m h z ，每个子带使 用o f d m 的方式进行数据传输【1 2 1 。从信号处理的角度来看，基于m b o f d m 的 u w b 通信系统与传统的基于连续载波传输的o f d m 通信系统有类似的处理方法， 因此本论文重点选择i r u w b 通信技术展开研究。在本论文的后续部分提到的 u w b 技术，除非特别指明，均指基于双方式的u w b 技术。 与传统的基于连续正弦载波的无线通信系统不同，u w b 通信系统利用宽度在 纳秒或亚纳秒级别的、具有极低占空比的基带脉冲信号来携带信息。u w b 系统的 独特性质使其在接收机设计方面与传统的窄带和宽带接收机有很大不同，主要表 现在： 1 ) u w b 系统直接将经过频谱成型和调制后窄脉冲发射出去，信道上传输的 是基带信号，在发送端和接收端均不需要进行变频操作来实现频谱搬移。因此， 与传统的无线超外差接收机相比，u w b 接收机不需要压控振荡器、锁相环及混频 器等，其硬件实现相对简单。 2 ) 由于u w b 信号具有极宽的频谱，实现全数字接收机所需的奈奎斯特采样 率可能高达几g s p s ( s a m p l e sp e rs e c o n d ) 乃至十几g s p s ，如此高速率的a d 器件 在现有的工艺水平上很难实现并且成本高昂。因此，u w b 接收机前端( f r o n te n d ) 电路设计中一般采用低成本的模拟器件实来现脉冲信号的检测。这样，采样率可 降至脉冲重复速率( 通常在百兆赫兹的量级) 。 3 ) 在传统的连续载波通信系统中，多径效应会引起接收信号包络的剧烈波动， 也就是所谓的多径衰落，通常会导致系统性能的严重下降。然而，在u w b 的情况 下，多径信号表现为经时延和衰减之后的一个时间轴上分离排列脉冲序列( 即呈 现所谓的色散现象) 并可在接收端成功分离。这样，在接收端中通过合并经过不 同路径到达的多个脉冲，增加了判决统计量的信噪比。因此，在u w b 中多径现象 的存在一定程度上提高了接收机性能。 4 ) 在接收机的抗多址干扰( m u l t i p l ea c c e s si n t e r f e r e n c e ，m a i ) 设计方面，传 统的连续传输系统中m a i 建模大多基于标准高斯近似( s t a n d a r dg a u s s i a n a p p r o x i m a t i o n ，s g a ) 的假设，即把m a i 看作感兴趣的频率范围内具有均匀功率 谱密度的高斯噪声。而在u w b 通信中由于信号有极低的占空比，多个用户并发的 脉冲信号在时域上相互重叠的概率较低。这样，s g a 假设就失去了它的有效性。 2 第一章绪论 5 ) u w b 与传统通信系统共享频带，为避免对传统通信系统造成明显干扰， 通过提高u w b 信号的发射功率以改善接收机误码性能的做法受到严格的限制。因 此，共存性的问题导致了u w b 功率高效接收机的设计问题。 6 ) 传统移动通信信道中普遍存在多普勒频移，而u w b 一般应用于室内短距 离通信，如无线个域网( w p a n ) 和无线u s b ( w u s b ) 等，且具有相对移动速 度较小的特点，多普勒频移可以忽略。这样，通常可以假设室内u w b 信道是准静 态的，即在一定时间范围内可认为u w b 信道的冲激响应是时不变的。这一假设是 推导u w b 非相干接收机结构的重要理论基础之一。 综上所述，由于u w b 信号和信道的独特性，针对各类传统通信系统的接收机 理论和技术不一定适用于u w b 通信系统，必须根据u w b 信道的传播特征并结合 u w b 信号的特点，对u w b 接收机理论和技术展开新的研究。 1 2u w b 接收机概述 在基于载波的传统通信系统中，根据是否需要恢复载波相位可将接收机分为 相干接收机和非相干接收机。u w b 系统是一种无载波通信系统，发射的是经过调 制的基带窄脉冲信号，脉冲信号既是基带信号同时又起到了射频辐射作用。在 u w b 通信系统中，根据是否需要恢复接收到的多径信号波形将接收机分为相干接 收机和非相干接收机引。更进一步来说，由于u w b 多径信号波形恢复问题等价 于在噪声环境中的u w b 多径信道的参数( 多径时延和增益系数) 估计问题。因此， 是否需要信道估计是区分u w b 相干接收机和非相干接收机的一个重要特征。 对于任何类型的接收机，其首要工作就是要有效的捕获信号能量。相干接收 机通常采用相关检测器或匹配滤波器捕获信号能量，在加性高斯白噪声( a d d i t i v e w h i t eg a u s s i a nn o i s e ，a w g n ) 环境下具有最大的输出信噪比，因此是最佳的接收 机。为有效的合并多径能量，u w b 相干接收机接收机通常采用基于最大比合并的 r a k e 相关接收机结构【1 4 , 1 5 j ，见图1 1 ( a ) 。r a k e 接收机的工作原理是使用一组 相关器( 或匹配滤波器) 并行工作，每一个相关器检测接收信号的一路多径分量。 所有相关器采用相同的检测模板，但是采用这一模板的不同时延与接收到的多径 信号进行相关运算。最后，根据各相关器输出强度对各相关输出进行加权并合并 为判决统计量。各相关器中模板的时延是根据对信道中多径时延的估计结果选取 的。在u w br a k e 接收机中，理想的情况是将所有的多径分量都分别进行接收【1 6 j ， 这样的接收机叫做完全r a k e 接收机( a 1 1 r a k e ，a r a k e ) 。在a w g n 环境下， u w b 相干a r a k e 接收机具有理论上最佳的误码性能，然而其最佳性能是以接收 机结构实现的高复杂度为代价的，具体表现为： 北京交通大学博士学位论文 1 ) 对信道估计有严格的要求。良好的信道估计首先需要对接收信号实现奈奎 斯特采样率的采样【l7 1 ，由于i r u w b 信号具有至少5 0 0m h z 的带宽，其采样率至 少要高达1g h z 以上。随之而来的，需要采用高速率的采样和a d 转换器件在现 有工艺水平上实现较为困难。另外，由于i y w b 信道通常是密集多径的，u w b 相干接收机要达到理论上的最佳检测性能，必须通过精确的信道估计搜索出每个 多径分量的纳秒级精确时延和增益系数，这需要占用大量的系统资源。 2 ) 高复杂度的r a k e 结构。r a k e 接收机为了收集多径能量需要多个相关器 同时工作，r a k e 结构的每个叉指( f i n g e r ) 需要采用一个相关器( 每个相关器由 积分清洗取样电路和控制电路构成) ，也就是说每个相关器对应一个多径路径。 由于u w b 信道是密集多径的，有关文献【i8 】表明，室内u w b 信道的多径分量数大 于1 0 0 个。这样，实现较为理想的r a k e 接收机至少需要1 0 0 个以上的相关器，由 此带来接收机实现的高复杂度和高成本的问题。 3 ) 对接收机同步性能有严格的要求。u w b 相干r a k e 接收机采用相关检测 原理，接收信号和检测模板必须做到精确匹配，即使是较小的失步现象也会明显 降低检测性能 1 l , 1 9 j 。而在u w b 通信系统中，由于脉冲的传输速率非常高，做到严 格同步非常困难。 尽管u w b 相干a r a k e 接收机在理论上具有最佳的误码性能，但是由于存在 实现成本和复杂度的问题，限制了相干r a k e 接收机在低成本无线网络中的应用。 而且在实际应用中，不可避免的信道估计错误和同步错误也会导致接收机达不到 理想的最佳性能。有关文献为降低r a k e 接收机实现的复杂性问题，提出了多种 性能次最佳的r a k e 接收机结构1 2 啦! 1 ，如部分r a k e ( p a r t i a lr a k e ，p r a k e ) 接收机和选择性r a k e ( s e l e c t i v er a k e ，s ra k e ) 接收机。p ra k e 接收机采用 仅对部分多径信号能量进行收集合并的方法，它没有选择过程，而是直接合并最 先到达的若干个路径。s r a k e 接收机选择到达接收端的所有多径分量中能量最大 的若干个分量，对这些能量最大的多径分量进行合并。p r a k e 和s r a k e 接收机 结构在一定程度上降低了r a k e 接收机的实现成本和复杂度，但是这些接收机的 实现仍然避免不了较为复杂的信道估计和严格同步定时的问题。 近年来，作为性能次最佳的接收机，u w b 非相干接收机以其较低的实现成本 和复杂度引起了众多研究者的关注【1 3 1 。u w b 非相干接收机根据实现脉冲信号检测 方式的不同又可进一步分为基于能量检测的非相干接收机和基于自相关检测的非 相干接收机两种类型，其实现结构分别见图1 1 ( b ) 和( c ) 。传统能量检测接收 机的基本原理是接收信号首先通过前置滤波器滤除带外噪声，其次通过模拟平方 4 第一章绪论 输 一硒；喘女鄹 y 一甲一 哆倒：一竺， 。k 入喘女黼尉。 a 一丫一甲 一 i l 卜 吒倒 州步 井 l i ! 一一一一_ 一一j 。 0 ( 2 _ 1 4 ) p ( t m 一乙舡- 1 ) ) = 2 e x p 一旯( ，七一舡_ 1 ) ) i ，珑 0 ，七 0 ( 2 - 1 5 ) 2 ) 多径信道系数 多径信道系数。定义为 t 2 m j = p m , k 玩。七 ( 2 。16 ) 其中，p 胛。是以等概率取+ 1 和一l 的离散随机变量，用于描述脉冲信号因反射引起 的随机的脉冲倒相；尾j 为用于描述第m 簇中第k 个多径分量的服从对数正态分布 的信道衰落系数。尾j 可以表示为 2 4 第二章u w b 信号与信道模型 i j 统t = 1 0 2 0 ( 2 1 7 ) 其中，。是均值为心乒，方差为吒2 乒的高斯随机变量。并且乒可进一步分解为 乒= 心，女+ 厶+ 己。t ( 2 - 1 8 ) 其中，厶和乞j 为两个零均值的高斯变量，分别表示第m 簇和第聊簇中第k 个多 径分量的信道系数的变化。令吒和0 - 钮2 分别表示己和己乒的方差，并且利用簇幅度 和簇内每个分量的幅度都服从指数衰减的特点，可以得到 驴型业酱掣一掣 ( 2 - 1 9 ) 其中，r 和y 分别是簇和簇内分量的功率衰减因子。相应地，多径能量的分布为 e 羼，。 = e 瑶。 e x p ( - t r ) e x p ( - ，。r ) ( 2 - 2 0 ) 根据上述分析，在i e e e 8 0 2 1 5 3 a 多径信道模型中，信道的特征取决于以下六 个参数： 簇平均到达速率人 簇内多径平均到达速率名 簇的功率衰减因子r 簇内多径的功率衰减因子y 簇的信道系数标准差以 簇内多径的信道系数标准差 工作组定义了四种典型的u w b 信道应用场景，分别是：c m l ：o , - 一4 m 直达路 径( l i n eo fs i g h t ，l o s ) ；c m 2 ：0 - - 4 m 非直达路径( n o nl i n eo fs i g h t ，n l o s ) ； c m 3 ：4 1 0 m 非直达路径( n l o s ) ；c m 4 ：均方根时延到达2 5a s 极端非直达路 径。并且根据实测数据，拟合出不同应用场景下的参数值( 见表2 2 ) 表2 - 2i e e e8 0 2 1 5 3 a 信道模型的参数设置 信道模型 人( 1 a s )a ( 1 n s ) r 7 ( d b )( a b ) c m l0 0 2 3 32 57 1 4 3 3 3 9 4 13 3 9 4 1 c m 2 0 4 o 55 56 73 3 9 4 1 3 3 9 4 l c m 30 0 6 6 72 11 47 93 3 9 4 13 3 9 4 1 c m 40 0 6 6 72 12 41 23 3 9 4 l3 3 9 4 l 北京交通大学博士学位论文 为简化多径信道下系统性能的分析和仿真，在本论文的后续章节我们均采用 等效的离散时间信道模型。在该模型中，时间轴被划分成小的时间区间，每个时 间区间称为一个时间仓( t i m eb i n ) ，并假定每个时间或者包含有一个多径分量，或 者不包含多径分量。因此，可将时间仓看作接收机能够区分的两条多径分量的最 大时间间隔。根据等效的离散时间信道模型，( 2 1 3 ) 式的u w b 信道冲激响应可 以重新写为 办( ，) = a t 2 ；( t - r 1 ) l = 0 ( 2 2 1 ) 其中，三是一个接收的脉冲信号持续时间内时间仓的数目，q 为第，个时间仓内多 径分量的信道系数，为连续时间信道模型对应的时间仓内所有多径分量信道系数 的叠加，并且有r t = i a ，这里，是时间仓的持续时间。图2 - 8 分别给出了 c m l - q 2 m 4 四个信道模型下离散时间信道冲激响应( 时间仓分辨率，= o 1 6 7n 8 ) 的随机实现。 1 0 8 o 5 0 4 糕 髅0 2 捌 妲 。 掣 1 - o 2 m 。旬4 旬6 旬8 1 胁儿k 。 - l j l f ”4 r 一 1 522 5 时间【s 】 ( a ) 3 x 1 0 ， 第二章u w b 信号与信道模型 o 5 0 旬5 1 川 ，睡，i | l 山j i ； 00 511