一種適用於脈衝超寬帶系統的接收方法
2023-10-08 21:56:34 1
專利名稱：一種適用於脈衝超寬帶系統的接收方法
技術領域：
本發明涉及一種適用於脈衝超寬帶系統的接收方法，屬於寬帶無線通信領域。
背景技術：
近年來超寬帶(UWB)技術憑藉其高速率、高性能、低功耗、低成本等優點，引起了 人們的廣泛關注，並成為最優有競爭力和發展前景的短距離無線通信技術之一。超寬帶發 射的信號帶寬極寬，發射功率極低，因此可以與現存的窄帶系統共存，而不相互影響，並且 使用免費的頻段，具有很大的發展潛力。按照美國聯邦通信委員會(FCC)對超寬帶信號的 定義，其絕對帶寬應大於500MHz或相對帶寬應大於20%。目前，超寬帶系統根據採用的信 號形式可分為基於納秒級/亞納秒級窄脈衝的脈衝無線電(IR-UWB，稱之為脈衝超寬帶) 和基於多帶時頻編碼的正交頻分復用系統(TFC-MB-OFDM)。 脈衝超寬帶系統一般採用納秒級或亞納秒級的無載波窄脈衝(例如，高斯脈衝 及其各階導數脈衝)承載數據信息，數據調製和解調直接在基帶完成，省去了複雜的正弦 載波調製與解調電路，從而降低了設備複雜度。在調製技術上，一般採用二進位相位調 制(BPSK)、脈衝位置調製(PPM)、脈衝幅度調製(PAM)等方式，通過跳時擴頻(THSS :Time Hopping SpreadSpectrum)或直接序列擴步員(DSSS :Direct Sequence Spread Spectrum)實 現多用戶通信。 由於超寬帶信號具有極寬的帶寬，經無線信道傳播後，尤其在室內傳播環境下，信 號將經歷嚴重的頻率選擇性衰落。對於脈衝超寬帶系統，接收端信號為各個隨機多徑信號 的疊加，脈衝波形發生嚴重的時間彌散，與原發射信號相關性大大減小。因此，接收機如何 可靠地檢測接收信號是超寬帶系統研究中一個重要問題。為了提高接收機檢測性能，在脈 衝超寬帶系統中一般採用瑞克接收技術，利用一定數量的叉指捕獲多徑信號能量，在獲得 多徑信道信息的基礎上經最大比合併或等增益合併後進行符號判決，從而獲得分集增益。 瑞克接收機實現方法有兩種等價的結構基於相關器的結構和基於匹配濾波器的結構。
在傳統瑞克接收機中，一般採用與發射脈衝波形匹配的單一模板進行多徑信號捕 獲。其中模板信號的構造形式與調製方式密切相關。理論上，如果接收機能夠獲得精確 的信道信息，採用單一模板的最大比合併全瑞克接收機(MRC All-Rake)可以得到最優的 接收性能。然而，由於超寬帶信道的多徑數量極大，可高達上百條之多，要精確估計信道 需要極高的採樣率和算法複雜度，全瑞克接收機叉指數高達幾十至上百條，這樣的複雜度 在實際應用中難以接受。因此，在實際應用中， 一般在複雜度與系統性能之間進行權衡， 在保證一定系統性能的前提下，採用降低複雜度的選擇式瑞克接收機(Selective-Rake) 或部分瑞克接收機(Partial-Rake)，前者在多徑分量中選擇最強的幾個分量，後者選擇首 先到達的幾個多徑分量。在合併方式上則可採用最大比合併或等增益合併。將瑞克結構 與合併策略進行組合，比較實用的接收機結構包括最大比合併選擇式瑞克接收機(MRC Selective-Rake)、等增益合併選擇式瑞克接收機(EGCSelective-Rake)、最大比合併部分 瑞克接收機(MRC Partial-Rake)、等增益合併部分瑞克接收機(EGC Partial-Rake)。
3
已有關於超寬帶信道測量結果顯示，超寬帶脈衝經多徑信道傳播後，其多徑分量與原脈衝相比發生嚴重畸變，且各多徑分量波形各異。採用單一模板僅能捕獲多徑分量中部分能量，而與模板正交的分量則被損失掉，其能量捕獲效率不高，造成檢測性能損失。為保障系統誤碼率性能，只能採用較多的瑞克叉指數量或提高發送功率。理論上講，檢測統計量信噪比取決於接收機有效捕獲的信號能量。因此，在一定複雜度約束下，如何有效捕獲多徑信號能量，提高接收機檢測性能，仍是需要深入研究的問題。
發明內容
本發明提供了一種適用於脈衝超寬帶系統的接收方法。系統採用持續時間極短的脈衝序列傳送數據，採用的調製方式可以是脈位調製(PPM)，脈幅調製(PAM)，二進位相位調製(BPSK)，也可以是這些調製方式與跳時擴頻(TH)或直接序列擴頻(DS)的組合。該發明為在接收機中採用兩個具有相同頻譜成分且相互正交的本地相關模板信號m(t) 、AW ，對多徑信號進行捕獲，在相同Rake叉指下，可捕獲更多的信號能量，改善接收機檢測性能。
本發明提供的超寬帶信號接收方法包括如下步驟 1)根據發射機發送的已調製信號，藉助數據輔助方法或盲估計方法，接收機分別估計出兩個模板信號對應的多徑信道信息； 2)接收機根據複雜度要求，選擇出一定數量的多徑分量，作為後續分集合併處理的對象； 3)接收機根據步驟2)選定的多徑分量，基於本地正交雙模板，利用相關器捕獲接收信號中多徑分量，結合步驟1)得到的信道信息，對相關器輸出變量進行最大比合併或等增益合併，得到數據符號判決變量； 4)接收機依據判決準則對步驟3)得到的數據符號判決變量進行判決，恢復數據信息。 下面對本發明方法進行詳細說明 本發明方法為在接收端採用一對具有相同頻譜成分且相互正交的本地模板信號m(t)、/fK0 ，對多徑信號進行捕獲，其特徵在於一對具有相同頻譜成分且相互正交的本地模板信號採用如下方法實現採用一個與發射脈衝匹配的脈衝信號P(t)作為基本脈衝信號，取其希爾伯特變換得到另一個具有相同頻譜成分的基本脈衝信號》(f) ，二者滿足正交關係；根據採用的調製方式和多址方式，分別利用兩個基本脈衝信號線性構造本地模板信號m(t) 、A(/),所得兩個本地模板信號亦滿足正交關係。 所述步驟1)中，接收機進行信道估計，其特徵在於根據採用的超寬帶脈衝和複雜度約束確定某個可接受的多徑解析度，估計上述兩個相互正交的本地模板m(t)、AW對應的信道增益hi、A,即估計接收信號的各個多逕到達時刻t i，及到兩個本地模板信號的投
影(投影值為hj,.)。 所述步驟2)中，多徑分量的選擇，其特徵在於將本地模板m(t)、^(/)對應的所有
多徑分量視作獨立的備選多徑分量，根據系統可捕獲的多徑數量M.選擇其中信道增益幅
度(lhi
A,)最大的M個多徑分量，並標記每個選出的多徑分量對應的到達時延、信道增益
及相應模板，即(Ti，hi或4,m(t)或^(/))。另一種更為簡單的方法是選擇M個到達時延最小的多徑分量。 所述步驟3)中，多徑信號能量捕獲與合併，其特徵在於接收機中配置M個多徑捕 獲分支電路和1個加權求和電路，根據步驟2)選擇結果，調節每個分支電路中延時器使其 對準某個選定的多徑分量並選擇對應的模板信號m(t)或/fi(0 ，利用相關器與接收信號進行 相關運算完成多徑分量捕獲。M個分支電路相關器輸出被同步採樣，然後進行加權求和得到 數據符號判決變量，完成多徑分集合併。當採用最大比合併時，加權因子取對應多徑信道增 益h或4;當採用等增益合併時，加權因子取對應多徑信道增益hi或《,的極性，即+1或_1。
所述步驟4)中，數據符號判決準則，其特徵在於根據系統採用的調製方式和判 決準則，依據判決門限對步驟3)得到的數據符號判決變量進行判決，恢復出發送端數據符 號。 本方法採用相互正交的兩個模板捕獲多徑能量，可有效捕獲彌散的多徑分量，提 高接收機檢測性能。
圖1給出了實施本發明的接收方法結構框圖； 圖2a以二進位脈位調製(TH-PPM)為例給出正交模板波形示意圖，以十五階高斯
脈衝為例；
圖2b以
脈衝為例；
圖2c以
脈衝為例；
圖2d以
脈衝為例； 圖3以二進位脈位調製(TH-PPM)為例給出了本發明提出接收方法在 IEEE802. 15. 3a標準信道CM1下的誤碼率性能(2徑、4徑、8徑)。 圖1中1 :超寬帶天線模塊；2 :接收濾波器模塊；3 :脈衝發生模塊；4 :模板信號 發生模塊；5 :同步電路模塊；6 :信道估計模塊；7 :多徑分量選擇模塊；8 :多徑分量捕獲模 塊；9 :多徑分量合併模塊；10 :符號判決模塊。
:進位脈位調製(TH-PPM)為例給出正交模板波形示意圖，以十五階高斯 :進位脈位調製(TH-PPM)為例給出正交模板波形示意圖，以十五階高斯 :進位脈位調製(TH-PPM)為例給出正交模板波形示意圖，以十五階高斯
具體實施例方式
實施例 附圖1給出了實施本發明所提出的接收方法結構框圖。 本發明的接收裝置為超寬帶天線模塊1與接收濾波器模塊2連接，接收濾波器模 塊2與多徑分量捕獲模塊8連接，多徑分量捕獲模塊8與多徑分量合併模塊9連接，多徑分 量合併模塊9與符號判決模塊10連接。同時接收濾波器模塊2還與信道估計模塊6連接， 信道估計模塊6與多徑分量選擇模塊7連接，多徑分量選擇模塊7分別與多徑分量捕獲模 塊8和多徑分量合併模塊9連接；接收濾波器模塊2還與同步電路模塊5連接，同步電路模 塊5分別與脈衝發生模塊3、多徑分量合併模塊9和符號判決模塊10連接，其中脈衝發生模 塊3還與模板信號發生模塊4連接，模板信號發生模塊4與多徑分量捕獲模塊8連接。
接收機的具體流程超寬帶發射脈衝信號經多徑環境傳播後，由超寬帶天線(超寬帶天線模塊l)進入接收機，並進行接收濾波，濾除帶外噪聲和幹擾。濾波後信號根據選擇的信道多徑分量(由信道估計模塊6與多徑分量選擇模塊7完成)，與兩個正交模板信號(由模板信號發生模塊4產生)進行相關運算完成多徑分量捕獲(由多徑分量捕獲模塊8獲得)。而後根據合併準則對捕獲的多徑分量分集合併(由多徑分量合併模塊9完成)，得到數據符號判決變量。最後根據系統採用的調製方式和判決準則，依據判決門限對數據符號判決變量的進行判決，恢復出發送端數據符號(由符號判決模塊10完成)。在整個接收過程中，各個處理模塊必須保持同步(由同步電路模塊5提供給同步信號)。
各模塊作用如下 超寬帶天線模塊1 :接收來自無線信道的脈衝超寬帶信號；
接收濾波器模塊2 :濾除帶外噪聲與幹擾； 脈衝發生模塊3 :產生與發射脈衝匹配的脈衝波形p(t)及其希爾伯特變換波形》(0 ，送給模板信號發生模塊4 ; 模板信號發生模塊4 :根據採用的調製方式和多址方式，分別利用脈衝波形p (t)、》《)產生本地相關器接收模板m(t) 、^(0 ,送給多徑分量捕獲模塊8 ; 同步電路模塊5:實現接收機與接收信號的時間同步、定時同步，並實現其他模塊的定時控制功能； 信道估計模塊6 :估計可分辨多徑分量的到達時延並分別估計出兩個模板信號對應的信道響應幅度，估計結果送給多徑分量選擇模塊7 ; 多徑分量選擇模塊7 :根據信道估計結果及複雜度要求，選擇出M個多徑分量，每個多徑分量包含模板類型、到達時延、信道響應幅度3部分信息，其中模板類型、到達時延送給多徑分量捕獲模塊8，信道響應幅度送給多徑分量合併模塊9 ; 多徑分量捕獲模塊8 :包含M個並行的捕獲分支，每個分支包含一個模板選擇開關、一個可調節的延時單元、一個相關器，用於捕獲一個多徑分量。每個分支對應某個被選定的多徑分量，選擇相應的模板信號並調節延時值與多逕到達時延一致作為相關器本地模板，與接收信號進行相關運算，相關器輸出即捕獲結果； 多徑分量合併模塊9 :對捕獲的M個多徑分量進行最大比合併(MRC)或等增益合併(EGC)，由M個並行輸入分支與1個求和單元組成。每個輸入分支包含一個採樣開關和一個乘法器，將輸入變量採樣值與對應信道加權因子相乘。M個多徑分量捕獲結果經加權求和後得符號判決變量； 符號判決模塊10 :根據系統採用的調製方式和相應的判決準則恢復數據符號。
本發明的方法為接收端採用一個與發射脈衝匹配的脈衝信號p(t)作為基本脈衝信號，取其希爾伯特變換得到另一個具有相同頻譜成分的基本脈衝信號》G) ，二者滿足正交關係根據採用的調製方式和多址方式，分別利用兩個基本脈衝信號構造本地模板信號m(t) 、A(,)，所得兩個本地模板信號亦滿足正交關係，該接收方法包含以下步驟
1)根據發射機發送的已調製信號，藉助數據輔助方法或盲估計方法，接收機分別估計出兩個模板信號對應的多徑信道信息；根據採用的超寬帶脈衝和複雜度約束確定某個可接受的多徑解析度，進而確定所有可分辨的多逕到達時延、，t2，...， h，對任意多逕到達時延t i，分別估計所述兩個相互正交的本地模板m(t) i(,)對應的信道增益hi、A ,即
估計接收信號在多逕到達時刻到兩個本地模板信號的投影。 2)接收機根據複雜度要求，選擇出一定數量的多徑分量，作為後續分集合併處理 的對象；將本地模板m(t) 、^(/)對應的所有多徑分量視作獨立的備選多徑分量，根據系統可
捕獲的多徑數量M，選擇其中信道增益幅度(Ihil、iq)最大的M個多徑分量，並標記每個選
出的多徑分量對應的到達時延、信道增益和模板，即(Ti， hi或《，m(t)或AW);或者是選 擇M個到達時延最小的多徑分量。 3)接收機根據步驟2)選定的多徑分量，基於本地雙正交模板，利用相關器捕獲接 收信號中多徑分量，結合步驟1)得到的信道信息，對相關器輸出變量進行最大比合併或等 增益合併，得到數據符號判決變量；接收機中配置M個多徑捕獲分支電路和l個加權求和電 路，根據步驟2)選擇結果，調節每個分支電路中延時器使其對準某個選定的多徑分量並選 擇對應的模板信號m(t)或A(f)，利用相關器與接收信號進行相關運算完成多徑分量捕獲； M個分支電路相關器輸出被同步採樣，然後進行加權求和得到數據符號判決變量，完成多徑 分集合併；當採用最大比合併時，加權因子取對應多徑信道增益hi或6;當採用等增益合併 時，加權因子取對應多徑信道增益h或《,的極性，即+1或-1。 4)接收機依據判決準則對步驟3)得到的數據符號判決變量進行判決，恢復數據 信息。根據系統採用的調製方式和判決準則，依據判決門限對步驟3)得到的數據符號判決 變量進行判決，恢復出發送端數據符號。 圖2a、圖2b、圖2c、圖2d以二進位脈位調製(2-PPM)為例給出基本脈衝波形與正 交模板波形示意圖。以超寬帶發射脈衝十五階高斯脈衝(圖2a所示)為例，其中2b脈衝 為2a脈衝的希爾伯特變換，二者相互正交。2c，2d是此二進位脈位調製超寬帶系統的正交 雙模板信號。其中2c為2a脈衝信號線性變換的結果，2d為2b脈衝信號線性變換的結果， 因此兩模板信號2c， 2d兩脈衝信號具有相同頻譜成分，且相互正交。 圖3以二進位脈位調製(2-PPM)為例給出了本發明提出接收方法在 IEEE802. 15.3a標準信道CMl下的誤碼率性能(2徑、4徑、8徑)。從圖中可得，隨著選擇多 徑數目的增加，系統的性能誤碼不斷降低，並逐漸趨於平穩。其中圖3採用的多徑選擇方法
為選出信道增益最大的2、4、8條多徑；採用的多徑合併方法為最大比合併。
權利要求
一種適用於脈衝超寬帶系統的接收方法，其特徵在於接收端採用一個與發射脈衝匹配的脈衝信號p(t)作為基本脈衝信號，取其希爾伯特變換得到另一個具有相同頻譜成分的基本脈衝信號二者滿足正交關係；根據採用的調製方式和多址方式，分別利用兩個基本脈衝信號構造本地模板信號m(t)、所得兩個本地模板信號亦滿足正交關係，該接收方法包含以下步驟1)根據發射機發送的已調製信號，藉助數據輔助方法或盲估計方法，接收機分別估計出兩個模板信號對應的多徑信道信息；2)接收機根據複雜度要求，選擇出一定數量的多徑分量，作為後續分集合併處理的對象；3)接收機根據步驟2)選定的多徑分量，基於本地雙正交模板，利用相關器捕獲接收信號中多徑分量，結合步驟1)得到的信道信息，對相關器輸出變量進行最大比合併或等增益合併，得到數據符號判決變量；4)接收機依據判決準則對步驟3)得到的數據符號判決變量進行判決，恢復數據信息。F2009102311714C00011.tif,F2009102311714C00012.tif
2. 如權利要求1所述的適用於脈衝超寬帶系統的接收方法，其特徵在於所述步驟1) 採用以下方法實現根據採用的超寬帶脈衝和複雜度約束確定某個可接受的多徑解析度，進而確定所有可分辨的多逕到達時延、，T2，...，、，對任意多逕到達時延Ti，分別估計所述兩個相互正交的本地模板m(t)、A(/)對應的信道增益hi、4,即估計接收信號在多逕到達時刻到兩個本地模板信號的投影。
3. 如權利要求1所述的適用於脈衝超寬帶系統的接收方法，其特徵在於所述步驟2) 採用以下方法實現將本地模板m(t) 、A(0對應的所有多徑分量視作獨立的備選多徑分量，根據系統可捕獲的多徑數量M，選擇其中信道增益幅度(I" 、 |A| )最大的M個多徑分量，並標記每個選出的多徑分量對應的到達時延、信道增益和模板，即(^/2,或4，/n(0或/^));或者是選擇M個到達時延最小的多徑分量。
4. 如權利要求1所述的適用於脈衝超寬帶系統的接收方法，其特徵在於所述步驟3) 採用以下方法實現接收機中配置M個多徑捕獲分支電路和1個加權求和電路，根據步驟2)選擇結果，調節每個分支電路中延時器使其對準某個選定的多徑分量並選擇對應的模板 信號m(t)或/^(/)，利用相關器與接收信號進行相關運算完成多徑分量捕獲；M個分支電路相 關器輸出被同步採樣，然後進行加權求和得到數據符號判決變量，完成多徑分集合併；當採 用最大比合併時，加權因子取對應多徑信道增益hi或A;當採用等增益合併時，加權因子取對應多徑信道增益h或A的極性，即+1或-1。
5. 如權利要求1所述的適用於脈衝超寬帶系統的接收方法，其特徵在於所述步驟4) 採用以下方法實現根據系統採用的調製方式和判決準則，依據判決門限對步驟3)得到的 數據符號判決變量進行判決，恢復出發送端數據符號。
全文摘要
本發明公開了一種適用於脈衝超寬帶系統的接收方法，它採用一對具有相同頻譜成分且相互正交的模板信號捕獲多徑信號能量，改善了脈衝超寬帶接收機的檢測性能。其步驟為1)根據發射機發送的已調製信號，藉助數據輔助方法或盲估計方法，接收機分別估計出兩個模板信號對應的多徑信道信息；2)接收機根據複雜度要求，選擇出一定數量的多徑分量，作為後續分集合併處理的對象；3)接收機根據步驟2)選定的多徑分量，利用相關器捕獲接收信號中多徑分量，結合步驟1)得到的信道信息，對相關器輸出變量進行最大比合併或等增益合併，得到數據符號判決變量；4)接收機依據判決準則對步驟3)得到的數據符號判決變量進行判決，恢復數據信息。
文檔編號H04B1/707GK101741405SQ20091023117
公開日2010年6月16日 申請日期2009年12月10日 優先權日2009年12月10日
發明者楊雲傑, 王德強, 賈立平 申請人:山東大學