基于IR-UWB安全通信接收機(jī)結(jié)構(gòu)與算法理論研究.pdf

1、隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，以及數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用的需要，對(duì)于通信系統(tǒng)的短距離高速數(shù)據(jù)傳輸能力的要求越來(lái)越高，室內(nèi)超寬帶脈沖無(wú)線電(ImpulseRadioUltraWideband，IR-UWB)技術(shù)具有很高的潛在吞吐能力，是滿足短距離高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠辛Ω?jìng)爭(zhēng)者。IR-UWB由于具有低功耗、低復(fù)雜度、高速率以及低截獲與低檢測(cè)概率(lowprobabilityofinterception/lowprobabilityofdetection，LPI/

2、LPD)等眾多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)受到了研究者的廣泛關(guān)注，尤其在軍事安全通信領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用，具有非常廣闊的前景。 隨著對(duì)IR-UWB無(wú)線通信研究的不斷深入，如何有效地估計(jì)與檢測(cè)信號(hào)，已經(jīng)成為一個(gè)關(guān)鍵的技術(shù)。目前對(duì)于超寬帶脈沖無(wú)線電技術(shù)的研究還存在許多的問(wèn)題，由于室內(nèi)密集多徑的環(huán)境影響，信號(hào)的能量被擴(kuò)散開(kāi)，傳統(tǒng)的接收機(jī)結(jié)構(gòu)和算法很難滿足IR-UWB接收機(jī)的要求。同時(shí)，由于IR-UWB的脈沖持續(xù)時(shí)間非常短，一般小于1納秒，而且信號(hào)能量在時(shí)間域

3、上非常集中，這些特點(diǎn)使得IR-UWB通信系統(tǒng)需要極為快速和精確的定時(shí)同步。這些困難，嚴(yán)重制約了超寬帶脈沖無(wú)線電技術(shù)地發(fā)展與應(yīng)用。 基于對(duì)超寬帶脈沖無(wú)線電技術(shù)地認(rèn)識(shí)與研究，本文針對(duì)室內(nèi)復(fù)雜的密集多徑環(huán)境下，IR-UWB的信道均衡技術(shù)，接收機(jī)結(jié)構(gòu)和接收算法，以及通信系統(tǒng)的快速同步方法等，進(jìn)行了深入細(xì)致地研究，并取得了一定的成果。論文的主要研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新成果如下： 第一，首先從歷史的角度，回顧了超寬帶無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，探討

4、了超寬帶通信的基本概念，實(shí)現(xiàn)方式，及其優(yōu)勢(shì)與特性，總結(jié)歸納了當(dāng)前UWB通信技術(shù)中主要的關(guān)鍵技術(shù)，值得研究的課題和所面臨的問(wèn)題。 第二，對(duì)脈沖無(wú)線電理論進(jìn)行了深入地研究。介紹了脈沖無(wú)線電的基本原理，給出了系統(tǒng)發(fā)送信號(hào)的數(shù)學(xué)模型，以及常用的高斯二次脈沖波形和偽隨機(jī)跳時(shí)多址的概念，并比較了幾種常用的調(diào)制方式?？偨Y(jié)了超寬帶脈沖無(wú)線電通信系統(tǒng)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的基本構(gòu)成，包括基本的理想脈沖相關(guān)匹配接收機(jī)和非相干接收機(jī)的結(jié)構(gòu)。 第三，

5、研究探討了超寬帶脈沖無(wú)線電的信道均衡技術(shù)。雖然寬帶通信系統(tǒng)一般不考慮均衡，而只是利用信號(hào)的多徑分集進(jìn)行多徑合并接收以改善接收效果，但是由于超寬帶使用的場(chǎng)所通常為室內(nèi)的環(huán)境，密集的多徑信道產(chǎn)生嚴(yán)重的碼間干擾和不可分辨的鄰近多徑干擾，而且這些干擾具有非線性的特性，因此我們介紹了文獻(xiàn)[78]中提出的等價(jià)線性模型均衡算法以及符號(hào)級(jí)的自適應(yīng)等價(jià)線性模型均衡算法。該均衡算法通過(guò)采用等效調(diào)制序列的反饋均衡器、信息數(shù)據(jù)與鄰近多徑干擾的聯(lián)合預(yù)判決以及干擾

6、對(duì)消方法，減小碼間干擾以及鄰近不可分辨多徑的干擾。而自適應(yīng)的算法使均衡器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，計(jì)算量小，很適合于在IR系統(tǒng)中的應(yīng)用，可以有效的降低IR系統(tǒng)的接收誤碼率，改善系統(tǒng)的性能。采用等價(jià)線性模型均衡后，同樣可以進(jìn)行多徑合并接收以改善接收性能。由于采用等價(jià)線性模型均衡后能改善各徑的接收效果，并且均衡的作用能減小重疊多徑的干擾，降低各徑的相關(guān)性，因而均衡也能夠進(jìn)一步改善多徑合并后的接收效果。 第四，從數(shù)學(xué)推導(dǎo)的角度，建立了快速橫向?yàn)V波算法

7、(FastTransversalFilter，F(xiàn)TF)的數(shù)學(xué)模型，即在Hilbert空間上的投影矩陣和正交投影矩陣，并推導(dǎo)了快速橫向?yàn)V波算子與投影矩陣和正交投影矩陣的關(guān)系式。進(jìn)一步的，為了體現(xiàn)在接收機(jī)中，不同時(shí)刻的接收數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)前時(shí)刻地判決所起的不同作用，我們?cè)诳焖贆M向?yàn)V波算法中引入了遺忘因子，推導(dǎo)了帶有遺忘因子的快速橫向?yàn)V波算法——通過(guò)引入遺忘因子以及遺忘因子對(duì)角矩陣，推導(dǎo)了最小二乘濾波器、前向預(yù)測(cè)誤差濾波器、后向預(yù)測(cè)誤差濾波器、增益濾

8、波器的表達(dá)式以及時(shí)間更新關(guān)系式。 第五，在IR-UWB系統(tǒng)中，采用了選擇性的RAKE接收機(jī)結(jié)構(gòu)，并將帶有遺忘因子的快速橫向?yàn)V波算法引入到該RAKE接收機(jī)中，從而解決了單個(gè)判決函數(shù)受支路延時(shí)估計(jì)誤差的影響而做出錯(cuò)誤判決的問(wèn)題，利用S個(gè)支路的判決函數(shù)，通過(guò)加權(quán)求和，作為新的判決依據(jù)；選擇性的RAKE接收機(jī)結(jié)構(gòu)，一方面簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，減小了RAKE接收機(jī)的復(fù)雜度，另一方面又能保證系統(tǒng)捕獲足夠的接收能量，用于接收機(jī)的解調(diào)；相比較其它的

9、自適應(yīng)算法，如RLS算法，F(xiàn)TF算法收斂速度快，適用于快速變化的信號(hào)，而且其收斂速度對(duì)數(shù)據(jù)的相關(guān)性不敏感；遺忘因子作為計(jì)算誤差函數(shù)累加和的權(quán)重，可以體現(xiàn)不同時(shí)刻的接收數(shù)據(jù)對(duì)當(dāng)前時(shí)刻的判決所起的不同作用，從而使濾波器可以更好地跟蹤非平穩(wěn)信號(hào)地變化；采用FTF算法的選擇性RAKE接收機(jī)結(jié)構(gòu)可以很好的跟蹤信道的衰減和延時(shí)，捕獲信道的特性；此外，F(xiàn)TF算法在運(yùn)算量以及誤碼率等方面也要優(yōu)于其它常用的自適應(yīng)算法。 第六，針對(duì)匹配濾波器在精確

10、定時(shí)同步方面的困難，文獻(xiàn)[100]和[102]提出了正交正弦相關(guān)接收(OrthogonalSinusoidalCorrelationReceiver，OSCR)的概念。我們?cè)贠SCR結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了一種新的快速同步方案。OSCR采用正交的兩個(gè)正弦模板來(lái)對(duì)IR-UWB信號(hào)進(jìn)行相關(guān)接收和同步。OSCR僅需要保證相關(guān)窗對(duì)接收單脈沖的有效選取，不存在需要通過(guò)調(diào)整本地正弦信號(hào)的相位來(lái)對(duì)齊接收單脈沖的問(wèn)題，取而代之的是對(duì)參考相位的估計(jì)，而且實(shí)現(xiàn)

11、起來(lái)很方便。我們的同步方案綜合了OSCR結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，將同步過(guò)程分解為粗同步和細(xì)同步兩個(gè)階段，提高了同步的速度和精度。新的同步方案中，幀累加窗的起始位置可以任意確定，同步得到的多徑分量的延時(shí)是相對(duì)于幀累加窗起始位置的一個(gè)時(shí)間偏移，而無(wú)需關(guān)注該多徑分量的絕對(duì)延時(shí)大小，所以可以直接用于接收機(jī)的解調(diào)。與采用最大似然等統(tǒng)計(jì)方法的同步方案相比，本文提出的方法具有快速同步，計(jì)算量小，實(shí)現(xiàn)方便等特點(diǎn)。而且由于采用了幀累加窗和脈沖搜索窗的方法，提高了接收