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IR-UWB多径信号能量收集及ISI抑制研究

刘志勇  
【摘要】:脉冲超宽带(Impulse Radio-Ultra Wideband, IR-UWB)由于其具有数据传输速率高、抗多径衰落能力强、低功耗、定位精度高、系统结构简单和成本低等优势,已成为短距离无线个域网(Wireless Personal Area Network, WPAN)最有力的物理层候选技术之一。 对于无线通信系统来说,为了满足一定的性能要求,接收端需收集多径信号能量,以提高接收端的信噪比,码间干扰(Inter Symbol Interference, ISI)严重导致系统性能恶化时,还需考虑对ISI的抑制。有别于采用连续载波调制的传统无线通信系统,IR-UWB系统采用极窄脉冲传递信息,由于非连续的窄脉冲的电波传播特性不同于传统窄带连续信号,因而与传统窄带信道相比,超宽带(Ultra Wideband, UWB)信道具有很大不同。体现在以下三个方面,UWB室内信道具有密集多径性、频率依赖性和环境相关性,给多径信号能量收集和ISI抑制带来了更大的困难。本文结合室内UWB信道的特性及接收脉冲信号的特征研究了多径信号能量收集和ISI抑制问题,力求予以有效解决,论文的主要研究内容如下: 第一,UWB室内信道特性对接收性能的影响。多径信号能量收集和ISI抑制是影响系统接收性能的两个重要部分,为了满足一定的接收性能,需考虑有效收集多径信号能量和ISI抑制,这两个问题均与信道有关。与传统窄带信道不同,UWB室内信道具有密集多径性、频率依赖性和环境相关性。本章首先分析了密集多径性、频率依赖性和环境相关性对多径信号能量收集和ISI抑制带来的影响,并结合现有的解决方案,指出了现有方案的不足之处。而后给出UWB室内信道模型,作为后续章节研究的基础。 第二,多径信号能量收集问题研究。对于IR-UWB系统来说,为了满足一定的性能要求,接收端需收集多径信号能量以提高接收端的信噪比。受UWB信道密集多径性和频率依赖性的影响,脉冲信号的能量散落在大量的多径信号中,多径数有几十甚至上百条,而且每一径脉冲波形的失真情况不同,给有效收集多径信号能量带来很大的困难。考虑密集多径性和频率依赖性带来的影响,在现有收集多径信号能量的方案中,较好的方案是首先估计合成脉冲多径信道,而后以之为模板对接下来的脉冲信号进行匹配,以实现对多径信号能量的收集。估计精确度严重影响多径信号能量收集的效果,估计越准确,以之作为模板匹配脉冲信号波形的效果越好,因而能更有效地收集多径信号能量。平均方法是一种较好的估计合成脉冲多径信道的方法,其以平均多个接收到的导频脉冲波形估计合成脉冲多径信道,能达到一定的估计精确度。但对平均方法来说,导频脉冲发送间隔受UWB信道延迟扩展时间限制,因而其估计合成脉冲多径信道需花费较长时间。针对此问题,本文提出了一种基于最近邻居(Nearest Neighbor, NN)准则的合成脉冲多径信道估计方法。该方法从发送极性相反脉冲,接收到的脉冲信号波形在极性上也是完全相反的前提出发,根据NN准则,由波形极性不同估计合成脉冲多径信道,因而对训练脉冲的发送间隔要求不高。研究表明相对于平均方法减少估计时间(同时减小训练脉冲发送间隔,增加训练脉冲数),NN估计方法仍可提高对合成脉冲多径信道估计的精确度,从而可更有效地收集多径信号能量,提高接收端的信噪比,取得更好的误码率(Bit Error Rate, BER)性能。 第三,ISI抑制问题研究。对于IR-UWB系统来说,随着ISI程度提高,ISI对系统性能影响越来越严重,还需要考虑ISI的抑制问题。UWB室内信道是环境相关的,在不同室内环境下信道不同,那么相邻码元对当前码元的干扰程度也是不同的,从而使得产生的ISI程度不同,这将给ISI有效抑制带来影响。在现有ISI抑制研究中,均衡接收机是一种最优意义上的接收机,采用分数间隔线性滤波结构,能实现匹配滤波加码元间隔均衡的作用,可有效抑制ISI。观察窗口长度是影响均衡接收机抑制ISI的重要参数。对于不同的信道,为了更好地抑制ISI的影响,均衡接收机所需的最优观察窗口长度是不同的。特别是对于实际的系统实现,并不能事先获知信道信息,这就更加要求接收机能够根据信道不同自适应地调整观察窗口长度,以更好地抑制ISI。针对此问题,本文提出一种基于最小均方误差(Minimum Mean Squared Error, MMSE)标准的可调观察窗口长度分数间隔线性均衡(Adjustable Observation Window Length-Fractionally Spaced Linear Equalization, AOWL-FSLE)均衡接收机。该接收机能根据信道不同,自适应地调整观察窗口长度,以达到更优的稳态均方误差(Mean Squared Error, MSE)性能,从而能更有效地抑制ISI,提高系统的BER性能。此外,考虑UWB系统室内的应用环境,会受到某些电子设备产生的一些大幅值干扰影响,使得室内环境下的噪声呈现出明显的非高斯性,基于MMSE标准的均衡接收机性能将会恶化,由此提出一种基于H∞标准的可调观察窗口长度(Adjustable observation window length, AOWL)均衡接收机。该接收机能根据信道不同,自适应地调整观察窗口长度,从而能更有效地抑制ISI,而且其基于H∞标准实现,对非高斯噪声带来的影响具有鲁棒性,因而更适合于实际系统的实现。


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