IR-UWB同步捕获技术研究

论文摘要

随着信息化时代的到来,通信的发展有两个趋势:一是窄带通信向宽带通信发展,随着带宽增加,信道容量增加,信道中可传输信息的最大速率增大,从而满足人们对通信速率、质量的越来越多的要求。二是通信数字化,随着材料技术、集成电路技术和数字信号处理技术的成熟,通信系统正向数字时代迈进,基于数字处理的软件无线电概念的提出,为各种无线通信系统的融合提供了统一平台解决方案。IR-UWB技术顺应了通信发展的两个趋势,它采用超短脉冲发射信号,信号占用数吉赫兹带宽,信道容量大,可提供高速的数据传输。它易于数字化实现,直接发射脉冲,属于基带传输,接收机甚至可以实现除天线接收外的全数字处理。IR-UWB具有其它窄带系统、宽带系统所无法比拟的优势,但在实际应用时,尚有许多关键技术待解决。其中同步捕获是一大难点。超短脉冲,极低功率和复杂的室内多径信道,使得IR-UWB的同步捕获十分困难。传统的同步算法应用在IR-UWB中捕获时间太长,性能不是最优。如何找到适合脉冲信号传输特点的同步算法,是IR-UWB的研究热点。本文从减少同步捕获时间和减小实现复杂度角度分析研究IR-UWB的同步捕获问题,希望能获取一些有意义的启示。本文综合考虑了捕获时间,硬件复杂度和信道特性三个因素,运用检测理论,提出模板自适应的同步捕获算法,利用多径信道特征构造2个本地模板信号,分别与接收信号匹配相关,比较相关输出后,自适应改变模板信号,在新的搜索区域内继续重复相关、比较运算,以此迅速减小搜索区域,迭代过程结束后,在最后确定的搜索区域上采取串行全搜索方法捕获同步。本文推导出算法的平均捕获时间,并与现有搜索算法比较。运用假设检验理论,直接推导了检测概率,得到平均检测概率的解析表达式,为算法的性能评估提供理论依据;另外,本文用信号流程图方法推导算法平均捕获时间和平均检测概率,验证了直接推导的理论公式的正确。研究结果表明,该算法可以迅速捕获同步参数,有效提高检测概率。为解决信号传输过程波形失真情形下的IR-UWB接收问题,本文运用估计理论,提出有数据辅助的PPM-UWB同步捕获算法。首先推导出PPM调制下的互相关函数,发现互相关函数只与三个符号有关系,用穷举法得到互相关函数与发送信息序列的关系表。基于关系表,构造出相邻符号互相关函数的差值函数,设计训练序列来捕获同步。为有效平滑噪声,提高检测性能,提出两种噪声平滑方式,得到了两种同步捕获算法。本文运用估计理论,评估提出的两种同步捕获算法性能,证明同步参数估计是均方意义一致的。研究结果表明,该算法避开信道估计,简化了接收机结构,但对噪声的抑制能力较弱,适合在较高信噪比的信道环境中应用。IR-UWB接收机数字化实现时,A/D工作频率过高,为解决该问题,本文运用采样理论,提出低采样率的同步捕获接收方案。通过分析比较经典的香农采样定理和更新速率采样定理,对采样定理的本质做出物理解释,并理论分析评估了香农采样和更新速率采样的重构误差,继而将更新速率采样应用到IR-UWB中,提出了一种实际可行的数字接收方案,并在低速率IR-UWB通信环境下,给出一种新的符号同步方法,将信道多径时延估计转化为谱估计问题,利用子空间方法求解多径时延参数,根据相邻两径的距离做符号同步。在一定的误码率性能承受范围内,该算法具有一定实际应用意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.1.1 IR-UWB的历史
• 1.1.2 IR-UWB的应用前景
• 1.2 研究内容
• 1.2.1 IR-UWB同步研究意义
• 1.2.2 IR-UWB同步捕获研究现状
• 1.2.3 论文的主要工作和贡献
• 1.3 论文内容结构安排
• 第二章 IR-UWB系统及信道模型
• 2.1 引言
• 2.2 IR-UWB系统
• 2.2.1 IR-UWB的定义
• 2.2.2 脉冲信号选择
• 2.2.3 调制方式
• 2.2.4 频谱平滑和多址接入
• 2.3 IR-UWB信道模型
• 2.3.1 IEEE信道模型
• 2.3.2 STDL信道模型
• 2.4 本章小结
• 第三章 模板自适应的同步捕获算法
• 3.1 引言
• 3.2 系统模型
• 3.3 模板自适应的同步捕获算法
• 3.3.1 粗同步捕获算法
• 3.3.2 细同步捕获算法
• 3.4 平均捕获时间分析
• 3.5 检测概率分析
• 3.6 同步捕获过程的信号流程图分析
• 3.7 仿真结果
• 3.8 本章小结
• 第四章 基于数据辅助的PPM同步捕获算法
• 4.1 引言
• 4.2 系统模型
• 4.3 基于数据辅助的PPM同步捕获算法
• 4.4 估计性能分析
• 4.5 仿真结果
• 4.6 本章小结
• 第五章 基于低采样率的同步捕获算法
• 5.1 引言
• 5.2 香农采样定理
• 5.3 更新速率采样定理
• 5.4 系统模型
• 5.5 基于更新速率采样的IR-UWB同步捕获
• 5.5.1 采样
• 5.5.2 信道估计
• 5.5.3 同步
• 5.6 仿真结果
• 5.7 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位论文期间的研究成果及论文情况