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IR-UWB能量检测接收机性能优化与评估

杨志华  
【摘要】:随着网络对社会的影响越来越广泛和深刻,高速率、高质量及多业务模式特征的无线网络已成为信息获取的重要手段。脉冲超宽带(Impulse Radio Ultra-Wide Bandwidth,IR-UWB)通信技术所具有的大带宽、无载波和低功率谱密度特性,有利于降低系统复杂性,实现多业务功能一体化,提高系统容量和实现较好的电磁兼容等,成为中短距离数据应用领域无线个域网络(Wireless Personal Area Network, WPAN)最具竞争力的无线技术之一。WPAN的典型应用之一是室内的短距离通信。室内UWB无线通信系统的信道环境相对于室外以及传统连续波通信系统来说更为复杂,主要体现为密集多径引起的较大时延扩展。这一点给IR-UWB系统的接收机设计带来了较高的复杂度,尤其是以RAKE接收机为代表的相干系统和Tansmitted Reference(TR)系统,而UWB非相干能量检测(Energy Detection,ED)系统由于相对简单而受到了广泛关注。针对密集多径衰落信道的基本特征,本文研究UWB ED系统的平均性能指标计算和接收前端优化设计两个问题。通过对接收机检测窗口内信噪比的统计特性的描述,给出系统平均比特错误概率指标和平均捕获性能指标的闭合表达式,并针对分组传输模式给出包捕获性能的评价指标,从而完整的建立起UWB ED分组业务系统在室内多径衰落信道下系统性能评估的理论框架。同时,为了提高UWB ED系统的性能,本文研究ED系统接收前端的优化设计问题,主要针对检测窗口的选择、判决门限电平的设计以及高性能的信号捕获算法,为UWB ED系统的工程优化提供一定的算法基础,以拓展UWB ED系统的应用范围。论文研究的内容包括: 第一,ED系统及信道模型简介。与连续波系统不同,IR-UWB(Impulse Radio, IR)系统采用窄脉冲体制,不需要载波调制,因此接收机端可以省去锁相环,中频等环节,降低了系统的复杂性。对于ED系统,接收机结构减少了相关器,相比于RAKE接收机和TR系统占用的系统软硬件资源更少。鉴于UWB信号的脉冲形式,有必要介绍与之相对应的两种调制方式,同时针对室内密集多径信道环境,给出信道冲激响应的数学模型,以便于后续分析。 第二,UWB ED系统平均比特错误概率指标计算问题的研究。由于大量的多径信号分量随机到达接收机,使得固定时间窗口内信噪比为随机变量,其统计特性求解困难,从而影响到系统平均比特错误概率指标的计算。本部分内容针对低速率(无符号间干扰)和高速率(具有符号间干扰)两种情况,以簇生点过程对信道建模,给出了两种情况下系统平均比特错误概率的闭合表达式。同时,推导出了系统符号传输速率和比特错误概率二者之间的定量关系,并通过仿真给出了以门限优化和窗口长度选择为手段的平均比特错误概率性能的上界。 第三,ED系统平均捕获性能指标计算问题的研究。对于UWB系统,密集多径分量和巨大的搜索空间导致信号捕获的目标,手段及性能评估方法都与传统连续波系统有所不同,主要体现在捕获命中集推导、搜索策略的选择以及平均捕获性能指标的计算三个方面,其中最后一个方面包含了前面两部分内容。本节以第二部分获得的平均比特错误概率入手,给出捕获命中集的闭合解,以Markov链模型推导出串行搜索策略下的平均捕获性能指标的表达式,包括平均捕获时间和特定时间内捕获概率两项常用指标。同时,针对UWB ED系统的典型业务模式(分组传输),给出了分组捕获概率的闭合表达式,为UWB ED系统应用的拓展奠定了理论基础。 第四,UWB ED接收前端优化方法的研究。首先研究了ED接收机检测窗口的最优长度问题,同时对判决门限电平进行了优化设计。针对判决统计量服从的卡方分布难于闭合求解,给出了以高斯分布近似该统计量,并以最小二乘多项式拟合的最佳门限求解方法,在保持了一定性能的基础上降低了系统工程优化上的复杂度。同时,针对ED接收机捕获信号时需要同时对检测窗口长度和需要估计的定时相位进行二维搜索的特点,给出了以遗传算法为基础,结合信噪比实时估计的搜索算法,在上述两项捕获性能指标上均优于现有搜索策略,丰富了UWB信号的捕获方法。


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