CN101741405B - 一种适用于脉冲超宽带系统的接收方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于脉冲超宽带系统的接收方法，它采用一对具有相同频谱成分且相互正交的模板信号捕获多径信号能量，改善了脉冲超宽带接收机的检测性能。其步骤为：1)根据发射机发送的已调制信号，借助数据辅助方法或盲估计方法，接收机分别估计出两个模板信号对应的多径信道信息；2)接收机根据复杂度要求，选择出一定数量的多径分量，作为后续分集合并处理的对象；3)接收机根据步骤2)选定的多径分量，利用相关器捕获接收信号中多径分量，结合步骤1)得到的信道信息，对相关器输出变量进行最大比合并或等增益合并，得到数据符号判决变量；4)接收机依据判决准则对步骤3)得到的数据符号判决变量进行判决，恢复数据信息。
Description
技术领域：
本发明涉及一种适用于脉冲超宽带系统的接收方法，属于宽带无线通信领域。
背景技术：
近年来超宽带(UWB)技术凭借其高速率、高性能、低功耗、低成本等优点，引起了人们的广泛关注，并成为最优有竞争力和发展前景的短距离无线通信技术之一。超宽带发射的信号带宽极宽，发射功率极低，因此可以与现存的窄带系统共存，而不相互影响，并且使用免费的频段，具有很大的发展潜力。按照美国联邦通信委员会(FCC)对超宽带信号的定义，其绝对带宽应大于500MHz或相对带宽应大于20％。目前，超宽带系统根据采用的信号形式可分为：基于纳秒级/亚纳秒级窄脉冲的脉冲无线电(IR-UWB，称之为脉冲超宽带)和基于多带时频编码的正交频分复用系统(TFC-MB-OFDM)。
脉冲超宽带系统一般采用纳秒级或亚纳秒级的无载波窄脉冲(例如，高斯脉冲及其各阶导数脉冲)承载数据信息，数据调制和解调直接在基带完成，省去了复杂的正弦载波调制与解调电路，从而降低了设备复杂度。在调制技术上，一般采用二进制相位调制(BPSK)、脉冲位置调制(PPM)、脉冲幅度调制(PAM)等方式，通过跳时扩频(THSS：Time Hopping SpreadSpectrum)或直接序列扩频(DSSS：Direct Sequence Spread Spectrum)实现多用户通信。
由于超宽带信号具有极宽的带宽，经无线信道传播后，尤其在室内传播环境下，信号将经历严重的频率选择性衰落。对于脉冲超宽带系统，接收端信号为各个随机多径信号的叠加，脉冲波形发生严重的时间弥散，与原发射信号相关性大大减小。因此，接收机如何可靠地检测接收信号是超宽带系统研究中一个重要问题。为了提高接收机检测性能，在脉冲超宽带系统中一般采用瑞克接收技术，利用一定数量的叉指捕获多径信号能量，在获得多径信道信息的基础上经最大比合并或等增益合并后进行符号判决，从而获得分集增益。瑞克接收机实现方法有两种等价的结构：基于相关器的结构和基于匹配滤波器的结构。
在传统瑞克接收机中，一般采用与发射脉冲波形匹配的单一模板进行多径信号捕获。其中模板信号的构造形式与调制方式密切相关。理论上，如果接收机能够获得精确的信道信息，采用单一模板的最大比合并全瑞克接收机(MRC All-Rake)可以得到最优的接收性能。然而，由于超宽带信道的多径数量极大，可高达上百条之多，要精确估计信道需要极高的采样率和算法复杂度，全瑞克接收机叉指数高达几十至上百条，这样的复杂度在实际应用中难以接受。因此，在实际应用中，一般在复杂度与系统性能之间进行权衡，在保证一定系统性能的前提下，采用降低复杂度的选择式瑞克接收机(Selective-Rake)或部分瑞克接收机(Partial-Rake)，前者在多径分量中选择最强的几个分量，后者选择首先到达的几个多径分量。在合并方式上则可采用最大比合并或等增益合并。将瑞克结构与合并策略进行组合，比较实用的接收机结构包括：最大比合并选择式瑞克接收机(MRC Selective-Rake)、等增益合并选择式瑞克接收机(EGCSelective-Rake)、最大比合并部分瑞克接收机(MRC Partial-Rake)、等增益合并部分瑞克接收机(EGC Partial-Rake)。
已有关于超宽带信道测量结果显示，超宽带脉冲经多径信道传播后，其多径分量与原脉冲相比发生严重畸变，且各多径分量波形各异。采用单一模板仅能捕获多径分量中部分能量，而与模板正交的分量则被损失掉，其能量捕获效率不高，造成检测性能损失。为保障系统误码率性能，只能采用较多的瑞克叉指数量或提高发送功率。理论上讲，检测统计量信噪比取决于接收机有效捕获的信号能量。因此，在一定复杂度约束下，如何有效捕获多径信号能量，提高接收机检测性能，仍是需要深入研究的问题。
发明内容：
本发明提供了一种适用于脉冲超宽带系统的接收方法。系统采用持续时间极短的脉冲序列传送数据，采用的调制方式可以是脉位调制(PPM)，脉幅调制(PAM)，二进制相位调制(BPSK)，也可以是这些调制方式与跳时扩频(TH)或直接序列扩频(DS)的组合。该发明为在接收机中采用两个具有相同频谱成分且相互正交的本地相关模板信号m(t)、
对多径信号进行捕获，在相同Rake叉指下，可捕获更多的信号能量，改善接收机检测性能。
本发明提供的超宽带信号接收方法包括如下步骤：
1)根据发射机发送的已调制信号，借助数据辅助方法或盲估计方法，接收机分别估计出两个模板信号对应的多径信道信息；
2)接收机根据复杂度要求，选择出一定数量的多径分量，作为后续分集合并处理的对象；
3)接收机根据步骤2)选定的多径分量，基于本地正交双模板，利用相关器捕获接收信号中多径分量，结合步骤1)得到的信道信息，对相关器输出变量进行最大比合并或等增益合并，得到数据符号判决变量；
4)接收机依据判决准则对步骤3)得到的数据符号判决变量进行判决，恢复数据信息。
下面对本发明方法进行详细说明：
本发明方法为：在接收端采用一对具有相同频谱成分且相互正交的本地模板信号m(t)、
对多径信号进行捕获，其特征在于：一对具有相同频谱成分且相互正交的本地模板信号采用如下方法实现：采用一个与发射脉冲匹配的脉冲信号p(t)作为基本脉冲信号，取其希尔伯特变换得到另一个具有相同频谱成分的基本脉冲信号
二者满足正交关系；根据采用的调制方式和多址方式，分别利用两个基本脉冲信号线性构造本地模板信号m(t)、
所得两个本地模板信号亦满足正交关系。
所述步骤1)中，接收机进行信道估计，其特征在于：根据采用的超宽带脉冲和复杂度约束确定某个可接受的多径分辨率，估计上述两个相互正交的本地模板m(t)、
对应的信道增益hi、即估计接收信号的各个多径到达时刻τi，及到两个本地模板信号的投影(投影值为hi、
)。
所述步骤2)中，多径分量的选择，其特征在于：将本地模板m(t)、
对应的所有多径分量视作独立的备选多径分量，根据系统可捕获的多径数量M.选择其中信道增益幅度(|hi|、)最大的M个多径分量，并标记每个选出的多径分量对应的到达时延、信道增益及相应模板，即(τi，hi或
m(t)或
)。另一种更为简单的方法是选择M个到达时延最小的多径分量。
所述步骤3)中，多径信号能量捕获与合并，其特征在于：接收机中配置M个多径捕获分支电路和1个加权求和电路，根据步骤2)选择结果，调节每个分支电路中延时器使其对准某个选定的多径分量并选择对应的模板信号m(t)或
利用相关器与接收信号进行相关运算完成多径分量捕获。M个分支电路相关器输出被同步采样，然后进行加权求和得到数据符号判决变量，完成多径分集合并。当采用最大比合并时，加权因子取对应多径信道增益hi或
当采用等增益合并时，加权因子取对应多径信道增益hi或
的极性，即+1或-1。
所述步骤4)中，数据符号判决准则，其特征在于：根据系统采用的调制方式和判决准则，依据判决门限对步骤3)得到的数据符号判决变量进行判决，恢复出发送端数据符号。
本方法采用相互正交的两个模板捕获多径能量，可有效捕获弥散的多径分量，提高接收机检测性能。
附图说明：
图1给出了实施本发明的接收方法结构框图；
图2a以二进制脉位调制(TH-PPM)为例给出正交模板波形示意图，以十五阶高斯脉冲为例；
图2b以二进制脉位调制(TH-PPM)为例给出正交模板波形示意图，以十五阶高斯脉冲为例；
图2c以二进制脉位调制(TH-PPM)为例给出正交模板波形示意图，以十五阶高斯脉冲为例；
图2d以二进制脉位调制(TH-PPM)为例给出正交模板波形示意图，以十五阶高斯脉冲为例；
图3以二进制脉位调制(TH-PPM)为例给出了本发明提出接收方法在IEEE802.15.3a标准信道CM1下的误码率性能(2径、4径、8径)。
图1中：1：超宽带天线模块；2：接收滤波器模块；3：脉冲发生模块；4：模板信号发生模块；5：同步电路模块；6：信道估计模块；7：多径分量选择模块；8：多径分量捕获模块；9：多径分量合并模块；10：符号判决模块。
具体实施方式：
实施例：
附图1给出了实施本发明所提出的接收方法结构框图。
本发明的接收装置为：超宽带天线模块1与接收滤波器模块2连接，接收滤波器模块2与多径分量捕获模块8连接，多径分量捕获模块8与多径分量合并模块9连接，多径分量合并模块9与符号判决模块10连接。同时接收滤波器模块2还与信道估计模块6连接，信道估计模块6与多径分量选择模块7连接，多径分量选择模块7分别与多径分量捕获模块8和多径分量合并模块9连接；接收滤波器模块2还与同步电路模块5连接，同步电路模块5分别与脉冲发生模块3、多径分量合并模块9和符号判决模块10连接，其中脉冲发生模块3还与模板信号发生模块4连接，模板信号发生模块4与多径分量捕获模块8连接。
接收机的具体流程：超宽带发射脉冲信号经多径环境传播后，由超宽带天线(超宽带天线模块1)进入接收机，并进行接收滤波，滤除带外噪声和干扰。滤波后信号根据选择的信道多径分量(由信道估计模块6与多径分量选择模块7完成)，与两个正交模板信号(由模板信号发生模块4产生)进行相关运算完成多径分量捕获(由多径分量捕获模块8获得)。而后根据合并准则对捕获的多径分量分集合并(由多径分量合并模块9完成)，得到数据符号判决变量。最后根据系统采用的调制方式和判决准则，依据判决门限对数据符号判决变量的进行判决，恢复出发送端数据符号(由符号判决模块10完成)。在整个接收过程中，各个处理模块必须保持同步(由同步电路模块5提供给同步信号)。
各模块作用如下：
超宽带天线模块1：接收来自无线信道的脉冲超宽带信号；
接收滤波器模块2：滤除带外噪声与干扰；
脉冲发生模块3：产生与发射脉冲匹配的脉冲波形p(t)及其希尔伯特变换波形
送给模板信号发生模块4；
模板信号发生模块4：根据采用的调制方式和多址方式，分别利用脉冲波形p(t)、
产生本地相关器接收模板m(t)、送给多径分量捕获模块8；
同步电路模块5：实现接收机与接收信号的时间同步、定时同步，并实现其他模块的定时控制功能；
信道估计模块6：估计可分辨多径分量的到达时延并分别估计出两个模板信号对应的信道响应幅度，估计结果送给多径分量选择模块7；
多径分量选择模块7：根据信道估计结果及复杂度要求，选择出M个多径分量，每个多径分量包含模板类型、到达时延、信道响应幅度3部分信息，其中模板类型、到达时延送给多径分量捕获模块8，信道响应幅度送给多径分量合并模块9；
多径分量捕获模块8：包含M个并行的捕获分支，每个分支包含一个模板选择开关、一个可调节的延时单元、一个相关器，用于捕获一个多径分量。每个分支对应某个被选定的多径分量，选择相应的模板信号并调节延时值与多径到达时延一致作为相关器本地模板，与接收信号进行相关运算，相关器输出即捕获结果；
多径分量合并模块9：对捕获的M个多径分量进行最大比合并(MRC)或等增益合并(EGC)，由M个并行输入分支与1个求和单元组成。每个输入分支包含一个采样开关和一个乘法器，将输入变量采样值与对应信道加权因子相乘。M个多径分量捕获结果经加权求和后得符号判决变量；
符号判决模块10：根据系统采用的调制方式和相应的判决准则恢复数据符号。
本发明的方法为：接收端采用一个与发射脉冲匹配的脉冲信号p(t)作为基本脉冲信号，取其希尔伯特变换得到另一个具有相同频谱成分的基本脉冲信号
二者满足正交关系：根据采用的调制方式和多址方式，分别利用两个基本脉冲信号构造本地模板信号m(t)、
所得两个本地模板信号亦满足正交关系，该接收方法包含以下步骤：
1)根据发射机发送的已调制信号，借助数据辅助方法或盲估计方法，接收机分别估计出两个模板信号对应的多径信道信息；根据采用的超宽带脉冲和复杂度约束确定某个可接受的多径分辨率，进而确定所有可分辨的多径到达时延τ1，τ2，...，τL，对任意多径到达时延τi，分别估计所述两个相互正交的本地模板m(t)、
对应的信道增益hi、
即估计接收信号在多径到达时刻到两个本地模板信号的投影。
2)接收机根据复杂度要求，选择出一定数量的多径分量，作为后续分集合并处理的对象；将本地模板m(t)、
对应的所有多径分量视作独立的备选多径分量，根据系统可捕获的多径数量M，选择其中信道增益幅度(|hi|、
)最大的M个多径分量，并标记每个选出的多径分量对应的到达时延、信道增益和模板，即(τi，hi或
m(t)或)；或者是选择M个到达时延最小的多径分量。
3)接收机根据步骤2)选定的多径分量，基于本地双正交模板，利用相关器捕获接收信号中多径分量，结合步骤1)得到的信道信息，对相关器输出变量进行最大比合并或等增益合并，得到数据符号判决变量；接收机中配置M个多径捕获分支电路和1个加权求和电路，根据步骤2)选择结果，调节每个分支电路中延时器使其对准某个选定的多径分量并选择对应的模板信号m(t)或
利用相关器与接收信号进行相关运算完成多径分量捕获；M个分支电路相关器输出被同步采样，然后进行加权求和得到数据符号判决变量，完成多径分集合并；当采用最大比合并时，加权因子取对应多径信道增益hi或
当采用等增益合并时，加权因子取对应多径信道增益hi或
的极性，即+1或-1。
4)接收机依据判决准则对步骤3)得到的数据符号判决变量进行判决，恢复数据信息。根据系统采用的调制方式和判决准则，依据判决门限对步骤3)得到的数据符号判决变量进行判决，恢复出发送端数据符号。
图2a、图2b、图2c、图2d以二进制脉位调制(2-PPM)为例给出基本脉冲波形与正交模板波形示意图。以超宽带发射脉冲十五阶高斯脉冲(图2a所示)为例，其中2b脉冲为2a脉冲的希尔伯特变换，二者相互正交。2c，2d是此二进制脉位调制超宽带系统的正交双模板信号。其中2c为2a脉冲信号线性变换的结果，2d为2b脉冲信号线性变换的结果，因此两模板信号2c，2d两脉冲信号具有相同频谱成分，且相互正交。
图3以二进制脉位调制(2-PPM)为例给出了本发明提出接收方法在IEEE802.15.3a标准信道CM1下的误码率性能(2径、4径、8径)。从图中可得，随着选择多径数目的增加，系统的性能误码不断降低，并逐渐趋于平稳。其中图3采用的多径选择方法为：选出信道增益最大的2、4、8条多径；采用的多径合并方法为：最大比合并。
Claims (5)
1.一种适用于脉冲超宽带系统的接收方法，其特征在于：接收端采用一个与发射脉冲匹配的脉冲信号p(t)作为基本脉冲信号，取其希尔伯特变换得到另一个具有相同频谱成分的基本脉冲信号
二者满足正交关系；根据采用的调制方式和多址方式，分别利用两个基本脉冲信号构造本地模板信号m(t)、
所得两个本地模板信号亦满足正交关系，该接收方法包含以下步骤：
1）根据发射机发送的已调制信号，借助数据辅助方法或盲估计方法，接收机分别估计出两个模板信号对应的多径信道信息；
2）接收机根据要求，选择出一定数量的多径分量，作为后续分集合并处理的对象；
3）接收机根据步骤2）选定的多径分量，基于本地双正交模板，利用相关器捕获接收信号中多径分量，结合步骤1）得到的信道信息，对相关器输出变量进行最大比合并或等增益合并，得到数据符号判决变量；
4）接收机对步骤3）得到的数据符号判决变量进行判决，恢复数据信息。
2.如权利要求1所述的适用于脉冲超宽带系统的接收方法，其特征在于：所述步骤1）采用以下方法实现：根据采用的超宽带脉冲和复杂度约束确定某个可接受的多径分辨率，进而确定所有可分辨的多径到达时延τ1,τ2,...L，对任意多径到达时延τi，分别估计所述两个相互正交的本地模板m(t)、
对应的信道增益hi、
即估计接收信号在多径到达时刻到两个本地模板信号的投影。
3.如权利要求1所述的适用于脉冲超宽带系统的接收方法，其特征在于：所述步骤2）采用以下方法实现：将本地模板m(t)、
对应的所有多径分量视作独立的备选多径分量，根据系统可捕获的多径数量M,选择其中信道增益幅度（|hi|、
）最大的M个多径分量，并标记每个选出的多径分量对应的到达时延、信道增益和模板，即(τi,hi或
m(t)或
)；或者是选择M个到达时延最小的多径分量。
4.如权利要求1所述的适用于脉冲超宽带系统的接收方法，其特征在于：所述步骤3）采用以下方法实现：接收机中配置M个多径捕获分支电路和1个加权求和电路，根据步骤2）选择结果，调节每个分支电路中延时器使其对准某个选定的多径分量并选择对应的模板信号m(t)或
利用相关器与接收信号进行相关运算完成多径分量捕获；M个分支电路相关器输出被同步采样，然后进行加权求和得到数据符号判决变量，完成多径分集合并；当采用最大比合并时，加权因子取对应多径信道增益hi或当采用等增益合并时，加权因子取对应多径信道增益hi或
的极性，即+1或-1。
5.如权利要求1所述的适用于脉冲超宽带系统的接收方法，其特征在于：所述步骤4）采用以下方法实现：根据系统采用的调制方式和判决准则，依据判决门限对步骤3）得到的数据符号判决变量进行判决，恢复出发送端数据符号。
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