IR-UWB能量檢測(cè)接收機(jī)性能優(yōu)化與評(píng)估.pdf

1、隨著網(wǎng)絡(luò)對(duì)社會(huì)的影響越來(lái)越廣泛和深刻，高速率、高質(zhì)量及多業(yè)務(wù)模式特征的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)已成為信息獲取的重要手段。脈沖超寬帶（Impulse Radio Ultra-Wide Bandwidth，IR-UWB）通信技術(shù)所具有的大帶寬、無(wú)載波和低功率譜密度特性，有利于降低系統(tǒng)復(fù)雜性，實(shí)現(xiàn)多業(yè)務(wù)功能一體化，提高系統(tǒng)容量和實(shí)現(xiàn)較好的電磁兼容等，成為中短距離數(shù)據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域無(wú)線個(gè)域網(wǎng)絡(luò)（Wireless Personal Area Network, WPAN

2、）最具競(jìng)爭(zhēng)力的無(wú)線技術(shù)之一。WPAN的典型應(yīng)用之一是室內(nèi)的短距離通信。室內(nèi)UWB無(wú)線通信系統(tǒng)的信道環(huán)境相對(duì)于室外以及傳統(tǒng)連續(xù)波通信系統(tǒng)來(lái)說(shuō)更為復(fù)雜，主要體現(xiàn)為密集多徑引起的較大時(shí)延擴(kuò)展。這一點(diǎn)給IR-UWB系統(tǒng)的接收機(jī)設(shè)計(jì)帶來(lái)了較高的復(fù)雜度，尤其是以RAKE接收機(jī)為代表的相干系統(tǒng)和Tansmitted Reference（TR）系統(tǒng)，而UWB非相干能量檢測(cè)（Energy Detection，ED）系統(tǒng)由于相對(duì)簡(jiǎn)單而受到了廣泛關(guān)注。針對(duì)密

3、集多徑衰落信道的基本特征，本文研究 UWB ED系統(tǒng)的平均性能指標(biāo)計(jì)算和接收前端優(yōu)化設(shè)計(jì)兩個(gè)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)接收機(jī)檢測(cè)窗口內(nèi)信噪比的統(tǒng)計(jì)特性的描述，給出系統(tǒng)平均比特錯(cuò)誤概率指標(biāo)和平均捕獲性能指標(biāo)的閉合表達(dá)式，并針對(duì)分組傳輸模式給出包捕獲性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)，從而完整的建立起UWB ED分組業(yè)務(wù)系統(tǒng)在室內(nèi)多徑衰落信道下系統(tǒng)性能評(píng)估的理論框架。同時(shí)，為了提高UWB ED系統(tǒng)的性能，本文研究ED系統(tǒng)接收前端的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，主要針對(duì)檢測(cè)窗口的選擇、判決門(mén)

4、限電平的設(shè)計(jì)以及高性能的信號(hào)捕獲算法，為UWB ED系統(tǒng)的工程優(yōu)化提供一定的算法基礎(chǔ)，以拓展UWB ED系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。論文研究的內(nèi)容包括：
　　第一，ED系統(tǒng)及信道模型簡(jiǎn)介。與連續(xù)波系統(tǒng)不同，IR-UWB(Impulse Radio, IR)系統(tǒng)采用窄脈沖體制，不需要載波調(diào)制，因此接收機(jī)端可以省去鎖相環(huán)，中頻等環(huán)節(jié)，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜性。對(duì)于ED系統(tǒng)，接收機(jī)結(jié)構(gòu)減少了相關(guān)器，相比于RAKE接收機(jī)和TR系統(tǒng)占用的系統(tǒng)軟硬件資源更少。

5、鑒于UWB信號(hào)的脈沖形式，有必要介紹與之相對(duì)應(yīng)的兩種調(diào)制方式，同時(shí)針對(duì)室內(nèi)密集多徑信道環(huán)境，給出信道沖激響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，以便于后續(xù)分析。
　　第二，UWB ED系統(tǒng)平均比特錯(cuò)誤概率指標(biāo)計(jì)算問(wèn)題的研究。由于大量的多徑信號(hào)分量隨機(jī)到達(dá)接收機(jī)，使得固定時(shí)間窗口內(nèi)信噪比為隨機(jī)變量，其統(tǒng)計(jì)特性求解困難，從而影響到系統(tǒng)平均比特錯(cuò)誤概率指標(biāo)的計(jì)算。本部分內(nèi)容針對(duì)低速率（無(wú)符號(hào)間干擾）和高速率（具有符號(hào)間干擾）兩種情況，以簇生點(diǎn)過(guò)程對(duì)信道建模，給

6、出了兩種情況下系統(tǒng)平均比特錯(cuò)誤概率的閉合表達(dá)式。同時(shí)，推導(dǎo)出了系統(tǒng)符號(hào)傳輸速率和比特錯(cuò)誤概率二者之間的定量關(guān)系，并通過(guò)仿真給出了以門(mén)限優(yōu)化和窗口長(zhǎng)度選擇為手段的平均比特錯(cuò)誤概率性能的上界。
　　第三，ED系統(tǒng)平均捕獲性能指標(biāo)計(jì)算問(wèn)題的研究。對(duì)于UWB系統(tǒng)，密集多徑分量和巨大的搜索空間導(dǎo)致信號(hào)捕獲的目標(biāo)，手段及性能評(píng)估方法都與傳統(tǒng)連續(xù)波系統(tǒng)有所不同，主要體現(xiàn)在捕獲命中集推導(dǎo)、搜索策略的選擇以及平均捕獲性能指標(biāo)的計(jì)算三個(gè)方面，其中最后

7、一個(gè)方面包含了前面兩部分內(nèi)容。本節(jié)以第二部分獲得的平均比特錯(cuò)誤概率入手，給出捕獲命中集的閉合解，以 Markov鏈模型推導(dǎo)出串行搜索策略下的平均捕獲性能指標(biāo)的表達(dá)式，包括平均捕獲時(shí)間和特定時(shí)間內(nèi)捕獲概率兩項(xiàng)常用指標(biāo)。同時(shí)，針對(duì)UWB ED系統(tǒng)的典型業(yè)務(wù)模式（分組傳輸），給出了分組捕獲概率的閉合表達(dá)式，為UWB ED系統(tǒng)應(yīng)用的拓展奠定了理論基礎(chǔ)。
　　第四，UWB ED接收前端優(yōu)化方法的研究。首先研究了ED接收機(jī)檢測(cè)窗口的最優(yōu)長(zhǎng)度問(wèn)