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单比特取样超宽带系统同步性能研究

作　者: 管伟
导　师: 卫国
学　校: 中国科学技术大学
专　业: 通信与信息系统
关键词: 脉冲无线电超宽带(IR-UWB) 有限精度量化同步
分类号: TN925
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

随着社会的发展,人们对通信系统传输能力的要求也越来越高。脉冲无线电超宽带(Impulse Radio Ultra-wideband, IR-UWB)系统由于具有低功耗、低复杂度、低成本和高吞吐能力(三低一高)的显著特点,被认为是短距离高速通信的一种有效传输方式,能够有效地解决人们短距离高速通信的需求。然而,IR-UWB系统发射信号的带宽极大,导致了系统的实现存在各种困难:首先,在IR-UWB系统中,信息比特流的载体是宽度极窄的时域脉冲,通常脉冲的宽带在0.1ns量级,造成了同步的困难;其次,极大的发射带宽导致射频前端的模数转换器件不容易实现,因此片上系统的集成化相当困难,从而影响着系统的大规模应用。其中,第一点与系统的同步密切相关,第二点与发射前端的ADC量化精度有关。为此,本文深入研究有限精度(低位宽)量化下IR-UWB系统的同步问题,以便更好地设计IR-UWB系统的接收机,为IR-UWB系统的实用化奠定基础。目前,国内外有关这方面的研究还处于初级阶段。本文的研究范围包括:信噪比损失与同步偏差、量化精度的关系、同步方差的Cramer-Rao界、系统同步器设计。论文的主要贡献如下:第一,为了设计出性能良好的同步器,首先研究了AWGN和多径信道下IR-UWB系统中同步偏差、量化精度和信噪比损失的关系。推导出了三者的隐式表达,利用仿真分析,可以看出两种信道下表现出了类似的特征,即随着同步偏差变大,信噪比损失上升,量化精度越大,加速度越快。从中可以看出同步偏差30ps左右时信噪比损失是可以容忍的。第二,在获得了系统对同步精度的要求后,我们考虑各种同步器所能达到的最优性能,即同步方差的Cramer-Rao界。为了顺利的分析,我们借助Bussgang理论对单比特量化进行线性化处理,得到了线性化系统模型,借助于此模型我们推导出了AWGN和多径信道下的Cramer-Rao界,可以得出在加性高斯白噪声信道中,Cramer-Rao界与信噪比成反比;在多径衰落信道中,Cramer-Rao界随着路径数增多而增大。第三,我们在前两部分分析的基础之上进行同步器的设计。讨论了最佳同步器的结构,利用最大似然方法,我们设计出了统计意义上最优的估计器,利用该估计器在训练序列足够长的时候,可以达到上面所说的Cramer-Rao界,论文进而对这种估计器结构进行了分析,得出训练长度为300个符号时,能够达到通信效率和性能的较好权衡。通过上面的分析,本文对基于单比特取样超宽带系统同步器设计的研究达到了一定深度,对于工程设计具有一定的指导意义。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-8
目录  8-10
图目录  10-11
表目录  11-12
第1章绪论  12-22
  1.1 超宽带无线通信系统  12-18
    1.1.1 超宽带无线电通信的历史与现状  12-14
    1.1.2 超宽带无线通信特点  14-16
    1.1.3 超宽带通信应用前景  16-17
    1.1.4 超宽带无线通信研究热点  17-18
  1.2 有限精度量化超宽带接收机  18-19
  1.3 超宽带系统的同步  19-20
  1.4 论文的结构和创新点  20-22
    1.4.1 论文结构  20
    1.4.2 论文创新点  20-22
第2章同步偏差下系统性能分析  22-32
  2.1 引言  22-23
  2.2 单比特量化超宽带系统同步概述  23
  2.3 AWGN 信道下信噪比损失与同步偏差、量化精度的关系  23-26
  2.4 多径信道下信噪比损失与同步偏差、量化精度的关系  26-31
    2.4.1 超宽带多径信道  26-29
    2.4.2 多径信道下信噪比损失与同步偏差、量化精度的关系  29-31
  2.5 小结  31-32
第3章基于单比特取样的超宽带系统同步方差的Cramer-Rao 界  32-45
  3.1 线性化处理方法  32-34
  3.2 AWGN 信道模型下的CRLB  34-39
  3.3 多径信道下的CRLB  39-44
  3.4 小结  44-45
第4章基于单比特取样IR-UWB 系统同步估计器设计  45-51
  4.1 引言  45-46
  4.2 基于最大似然估计方法的同步估计器设计  46-50
  4.3 小结  50-51
第5章总结和展望  51-53
  5.1 全文总结  51-52
  5.2 未来的工作  52-53
参考文献  53-57
攻读硕士学位期间的研究经历  57-58
致谢  58

单比特取样超宽带系统同步性能研究

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