IR-UWB能量檢測接收機性能優(yōu)化與評估.pdf

1、隨著網絡對社會的影響越來越廣泛和深刻，高速率、高質量及多業(yè)務模式特征的無線網絡已成為信息獲取的重要手段。脈沖超寬帶（Impulse Radio Ultra-Wide Bandwidth，IR-UWB）通信技術所具有的大帶寬、無載波和低功率譜密度特性，有利于降低系統復雜性，實現多業(yè)務功能一體化，提高系統容量和實現較好的電磁兼容等，成為中短距離數據應用領域無線個域網絡（Wireless Personal Area Network, WPAN

2、）最具競爭力的無線技術之一。WPAN的典型應用之一是室內的短距離通信。室內UWB無線通信系統的信道環(huán)境相對于室外以及傳統連續(xù)波通信系統來說更為復雜，主要體現為密集多徑引起的較大時延擴展。這一點給IR-UWB系統的接收機設計帶來了較高的復雜度，尤其是以RAKE接收機為代表的相干系統和Tansmitted Reference（TR）系統，而UWB非相干能量檢測（Energy Detection，ED）系統由于相對簡單而受到了廣泛關注。針對密

3、集多徑衰落信道的基本特征，本文研究 UWB ED系統的平均性能指標計算和接收前端優(yōu)化設計兩個問題。通過對接收機檢測窗口內信噪比的統計特性的描述，給出系統平均比特錯誤概率指標和平均捕獲性能指標的閉合表達式，并針對分組傳輸模式給出包捕獲性能的評價指標，從而完整的建立起UWB ED分組業(yè)務系統在室內多徑衰落信道下系統性能評估的理論框架。同時，為了提高UWB ED系統的性能，本文研究ED系統接收前端的優(yōu)化設計問題，主要針對檢測窗口的選擇、判決門

4、限電平的設計以及高性能的信號捕獲算法，為UWB ED系統的工程優(yōu)化提供一定的算法基礎，以拓展UWB ED系統的應用范圍。論文研究的內容包括：
　　第一，ED系統及信道模型簡介。與連續(xù)波系統不同，IR-UWB(Impulse Radio, IR)系統采用窄脈沖體制，不需要載波調制，因此接收機端可以省去鎖相環(huán)，中頻等環(huán)節(jié)，降低了系統的復雜性。對于ED系統，接收機結構減少了相關器，相比于RAKE接收機和TR系統占用的系統軟硬件資源更少。

5、鑒于UWB信號的脈沖形式，有必要介紹與之相對應的兩種調制方式，同時針對室內密集多徑信道環(huán)境，給出信道沖激響應的數學模型，以便于后續(xù)分析。
　　第二，UWB ED系統平均比特錯誤概率指標計算問題的研究。由于大量的多徑信號分量隨機到達接收機，使得固定時間窗口內信噪比為隨機變量，其統計特性求解困難，從而影響到系統平均比特錯誤概率指標的計算。本部分內容針對低速率（無符號間干擾）和高速率（具有符號間干擾）兩種情況，以簇生點過程對信道建模，給

6、出了兩種情況下系統平均比特錯誤概率的閉合表達式。同時，推導出了系統符號傳輸速率和比特錯誤概率二者之間的定量關系，并通過仿真給出了以門限優(yōu)化和窗口長度選擇為手段的平均比特錯誤概率性能的上界。
　　第三，ED系統平均捕獲性能指標計算問題的研究。對于UWB系統，密集多徑分量和巨大的搜索空間導致信號捕獲的目標，手段及性能評估方法都與傳統連續(xù)波系統有所不同，主要體現在捕獲命中集推導、搜索策略的選擇以及平均捕獲性能指標的計算三個方面，其中最后

7、一個方面包含了前面兩部分內容。本節(jié)以第二部分獲得的平均比特錯誤概率入手，給出捕獲命中集的閉合解，以 Markov鏈模型推導出串行搜索策略下的平均捕獲性能指標的表達式，包括平均捕獲時間和特定時間內捕獲概率兩項常用指標。同時，針對UWB ED系統的典型業(yè)務模式（分組傳輸），給出了分組捕獲概率的閉合表達式，為UWB ED系統應用的拓展奠定了理論基礎。
　　第四，UWB ED接收前端優(yōu)化方法的研究。首先研究了ED接收機檢測窗口的最優(yōu)長度問